第7章__电压测量0529.ppt

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1、第第7章章 电压测量电压测量第第7 7章章 电压测量电压测量7.1 概概 述述7.2 模拟式直流电压测量模拟式直流电压测量7.3 交流电压的表征和测量方法交流电压的表征和测量方法7.4 低频交流电压测量低频交流电压测量7.5 高频交流电压测量高频交流电压测量7.6 脉冲电压测量脉冲电压测量7.7 电压的数字式测量电压的数字式测量第第7章章 电压测量电压测量7.1 概概 述述 7.1.1 电压测量的重要性电压测量的重要性 1.基础性：基础性：电子测量中的一个基本内容，电压是表征电信号能量的三个基电子测量中的一个基本内容，电压是表征电信号能量的三个基本参数（本参数（电压、电流、功率电压、电流、功率

2、）之一。）之一。2.通用性：通用性：电量的测量：电路的工作状态（谐振、平衡、截止、饱和电量的测量：电路的工作状态（谐振、平衡、截止、饱和以及工作点的动态范围等），通常都以电压形式表现出来。其它以及工作点的动态范围等），通常都以电压形式表现出来。其它电参数电参数(P I Q 等等)视为电压视为电压派生量派生量，通过电压测量获得其量值。，通过电压测量获得其量值。非电量的测量：利用各类传感器件装置，将非电参数转换非电量的测量：利用各类传感器件装置，将非电参数转换成电压参数。成电压参数。第第7章章 电压测量电压测量 3.便捷性：便捷性：电压测量直接、方便，将电压表并接在被测电路上，只要电压表电压测量直

3、接、方便，将电压表并接在被测电路上，只要电压表的输入阻抗足够大，就可以在几乎不对原电路工作状态有所影响的前的输入阻抗足够大，就可以在几乎不对原电路工作状态有所影响的前提下获得较满意的测量结果。提下获得较满意的测量结果。与电流测量比较：与电流测量比较：电流表要串接在被测支路中，很不方便；电流表要串接在被测支路中，很不方便；电流表的接入改变了原来电路的工作状态，测得值不能真实地电流表的接入改变了原来电路的工作状态，测得值不能真实地反映出原有情况。反映出原有情况。电压测量是电子测量的基础，在电子电路和设备的测量调电压测量是电子测量的基础，在电子电路和设备的测量调试中，电压测量是不可缺少的基本测量。试

4、中，电压测量是不可缺少的基本测量。第第7章章 电压测量电压测量 7.1.2 电压测量的特点电压测量的特点 1频率范围频率范围 广：频率范围相当广，广：频率范围相当广，10-6 Hz(甚至更低甚至更低)109Hz 异：频段不同，测量方法手段各异异：频段不同，测量方法手段各异 2测量范围测量范围 待测电压：待测电压：10-9V 几十伏、几百伏、上千伏几十伏、几百伏、上千伏 信号电压电平低：要求电压表分辨力高，但又会受信号电压电平低：要求电压表分辨力高，但又会受到干扰、内部噪声等的限制。到干扰、内部噪声等的限制。信号电压电平高：要考虑电压表输入级中加接分压信号电压电平高：要考虑电压表输入级中加接分压

5、网络，但又会降低电压表的输入阻抗。网络，但又会降低电压表的输入阻抗。第第7章章 电压测量电压测量 3信号波形信号波形 正弦波、失真的正弦波、非正弦波正弦波、失真的正弦波、非正弦波 不同波形电压的测量方法及对测量准确度的影响不同不同波形电压的测量方法及对测量准确度的影响不同 4被测电路的输出阻抗被测电路的输出阻抗 Zi 为电压表输入阻抗（一般较大），为电压表输入阻抗（一般较大），Zo 为电路的输出阻为电路的输出阻抗（大小不一）抗（大小不一）Zo 值较高时，应考虑消除值较高时，应考虑消除“负载效应负载效应”图图7.1-1电压表测量电压及其等效电路电压表测量电压及其等效电路第第7章章 电压测量电压测

6、量 5测量精度测量精度 被测电压的频率、波形等因素使测量的准确度有较大差异。被测电压的频率、波形等因素使测量的准确度有较大差异。电压值的基准是直流标准电压电压值的基准是直流标准电压 直流电压测量的精度较高：数字电压表测量精度直流电压测量的精度较高：数字电压表测量精度 10-7（分布（分布参数等的影响可忽略）。参数等的影响可忽略）。交流电压测量精度要低得多：交流电压测量精度要低得多：一般一般10-2 10-4 原因：交流电压原因：交流电压 AC/DC 变换电路变换电路 直流电压直流电压 交流电压的频率和电压大小对交流电压的频率和电压大小对 AC/DC 电路的特性有影响；电路的特性有影响；高频测量

7、时分布参数的影响很难避免和准确估算。高频测量时分布参数的影响很难避免和准确估算。第第7章章 电压测量电压测量 6干扰干扰 电压测量易受外界干扰影响。电压测量易受外界干扰影响。信号电压较小时，干扰为影响测量精度的主要因素，使信号电压较小时，干扰为影响测量精度的主要因素，使用的高灵敏度电压表（如数字式电压表、高频毫伏表等）用的高灵敏度电压表（如数字式电压表、高频毫伏表等）要具有较高的抗干扰能力；测量时采取相应措施要具有较高的抗干扰能力；测量时采取相应措施(正确的接正确的接线方式，必要的电磁屏蔽线方式，必要的电磁屏蔽)。第第7章章 电压测量电压测量 7.1.3 电压测量仪器的分类电压测量仪器的分类（

8、各类电压表）（各类电压表）1按显示方式分类按显示方式分类 万用表电压档：万用表电压档：50Hz（工频）和（工频）和 几十几十KHz（要求（要求不高的低频）不高的低频）电子电压表：按显示方式不同，分为电子电压表：按显示方式不同，分为模拟式电子电模拟式电子电压表压表和和数字式电子电压表数字式电子电压表。模拟式电子电压表：以模拟式电表显示测量结果，准确模拟式电子电压表：以模拟式电表显示测量结果，准确度和分辨力较低。度和分辨力较低。优点：结构简单；价格便宜；频率范围宽；更适于用在不需优点：结构简单；价格便宜；频率范围宽；更适于用在不需要准确测量电压大小、只需要知道电压大小的范围或变化趋势的要准确测量电

9、压大小、只需要知道电压大小的范围或变化趋势的场合（场合（零示器零示器 或或 谐振电路调谐时峰值、谷值的观测谐振电路调谐时峰值、谷值的观测）第第7章章 电压测量电压测量 数字式电子电压表：数字式电子电压表：用数字显示器显示测量结果，准确度用数字显示器显示测量结果，准确度和分辨力较高。和分辨力较高。优点：优点：测量准确度高测量准确度高 测量速度快测量速度快 输入阻抗大（负载效应可以忽略）输入阻抗大（负载效应可以忽略）过载能力强过载能力强 抗干扰能力和分辨率优于模拟电压表抗干扰能力和分辨率优于模拟电压表 读数直观读数直观 便于扩展为自动化测试仪器或自动测试系统便于扩展为自动化测试仪器或自动测试系统

10、缺点：频率范围弱于模拟式电压表缺点：频率范围弱于模拟式电压表第第7章章 电压测量电压测量 2模拟式电压表分类模拟式电压表分类 （1）按测量功能分类）按测量功能分类 直流电压表直流电压表 交流电压表交流电压表 脉冲电压表：用于测量脉冲间隔很长（即占空系数脉冲电压表：用于测量脉冲间隔很长（即占空系数很小）的脉冲信号和单脉冲信号，一般情况下脉冲电压的很小）的脉冲信号和单脉冲信号，一般情况下脉冲电压的测量已逐渐被示波器测量所取代。测量已逐渐被示波器测量所取代。第第7章章 电压测量电压测量 （2）按工作频段分类）按工作频段分类 超低频电压表：超低频电压表：10Hz 低频电压表：低频电压表：1 MHz 视

11、频电压表：视频电压表：30MHz 高频或射频电压表：高频或射频电压表：300MHz （3）按测量电压量级分类）按测量电压量级分类 电压表：主量程为电压表：主量程为 V（伏）量级（伏）量级 毫伏表：主量程为毫伏表：主量程为 mV（毫伏）量级（毫伏）量级 主量程：不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程。主量程：不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程。第第7章章 电压测量电压测量 （4）按电压测量准确度等级分类）按电压测量准确度等级分类 分为：分为：0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 和和10.0 等级，其满度相对误差分别为等级，其满度相对误差分别为 0.05、0.

12、1、10.0。（5）按刻度特性分类）按刻度特性分类 分为：线性刻度、对数刻度、指数刻度、其他有特殊需要分为：线性刻度、对数刻度、指数刻度、其他有特殊需要的非线性刻度。的非线性刻度。模拟式电压表的技术指标约模拟式电压表的技术指标约19项项第第7章章 电压测量电压测量 3数字式电压表数字式电压表 按测量功能分为：按测量功能分为：直流数字电压表直流数字电压表 交流数字电压表：交流数字电压表：AC/DC变换原理分：变换原理分：峰值峰值交流数字电压表交流数字电压表 平均值平均值交流数字电压表交流数字电压表 有效值有效值交流数字电压表交流数字电压表 数字式电压表的技术指标较多（数字式电压表的技术指标较多（

13、30项）项）第第7章章 电压测量电压测量7.2 模拟式直流电压测量模拟式直流电压测量 7.2.1 动圈式电压表动圈式电压表 1.结构：虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内结构：虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为阻为 Re，满偏电流，满偏电流(或满度电流或满度电流)为为 Im，若作为直流电压表，若作为直流电压表，则其满度电压为：则其满度电压为：图图7.2-1直流电压表电路直流电压表电路(7.2-1)第第7章章 电压测量电压测量 为了扩大量程，可串接若干个倍压电阻为了扩大量程，可串接若干个倍压电阻 R1、R2、R3。共共有有 U0、U1、U2、U3 四个电压量程，四个电压量程，三个倍压电

14、阻分别为：三个倍压电阻分别为：(7.2-2)图图7.2-1直流电压表电路直流电压表电路第第7章章 电压测量电压测量 2.特点：量程一定时，表头越灵敏（特点：量程一定时，表头越灵敏（Im 越小），内阻越越小），内阻越大。大。“每伏欧姆（每伏欧姆（/V）数）数”=即：即：电压灵敏度电压灵敏度内阻内阻 Rv量程量程 U “/V”数越大：表明使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小。数越大：表明使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小。“/V”数一般标明在磁电式数一般标明在磁电式(如万用表电压挡如万用表电压挡)电压表表盘上，可依电压表表盘上，可依据它推算出不同量程时电压表的内阻。据它推算出不同量程时电压表的内

15、阻。1/Im图图7.2-1直流电压表电路直流电压表电路第第7章章 电压测量电压测量 3.误差来源：误差来源：读数误差读数误差 表头本身和倍压电阻的准确度：一般表头本身和倍压电阻的准确度：一般1%，精密表为，精密表为 0.1%4.动圈式的优点：动圈式的优点：结构简单、使用方便结构简单、使用方便 缺点：缺点：灵敏度不高，输入电阻低，灵敏度不高，输入电阻低，不如模拟式电子电不如模拟式电子电 压表压表（“负载效应负载效应”不可忽略）不可忽略）图图7.2-1直流电压表电路直流电压表电路第第7章章 电压测量电压测量 7.2.2 电子电压表电子电压表 1电子电压表原理电子电压表原理 通常使用通常使用高输入阻

16、抗的场效应管（高输入阻抗的场效应管（FET）源极跟随器）源极跟随器或真空三极管阴极跟随器来或真空三极管阴极跟随器来提高电压表输入阻抗提高电压表输入阻抗，后接放后接放大器大器以以提高电压表灵敏度提高电压表灵敏度。当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。分压器：分压器：R0、R1、R2、R3 组成组成 图图7.2-3电子电压表框图电子电压表框图第第7章章 电压测量电压测量 分压电路的接入将使分压电路的接入将使 Ri 有所降低，但只要分压电阻取值有所降低，但只要分压电阻取值较大，可使较大，可使 Ri 比动圈式电压表大得多。比动圈式电压表大得多。因因 F

17、ET 源极跟随器输入电阻很大（几百源极跟随器输入电阻很大（几百M以上），以上），则则由由 Ux 测量端看进去的输入电阻基本上由分压器电阻决定（串测量端看进去的输入电阻基本上由分压器电阻决定（串联和联和 10 M，满足高输入阻抗的要求满足高输入阻抗的要求）该结构中，电压表的输入阻抗基本上是一个常量，与量该结构中，电压表的输入阻抗基本上是一个常量，与量程无关。程无关。图图7.2-3电子电压表框图电子电压表框图第第7章章 电压测量电压测量运放理想化处理：当运放开环放大系数运放理想化处理：当运放开环放大系数 A 足够大时，可以认为足够大时，可以认为U0(虚短路虚短路)，Ii0(虚断路虚断路)，因而有因

18、而有 UFUi IFI0(7.2-9)分压器和电压跟随器的作用分压器和电压跟随器的作用使使 Ui 正比于待测电压正比于待测电压 Ux：图图7.2-4集成运放电压表的原理图集成运放电压表的原理图则：则：Ui=k Ux第第7章章 电压测量电压测量(7.2-10)即流过电流表的电流即流过电流表的电流 I0 与被测电压与被测电压 Ux 成正比，只要分压成正比，只要分压系数系数 k 和和 RF 足够精确和稳定，就可获得良好的准确度。足够精确和稳定，就可获得良好的准确度。因此，各分压电阻及反馈电阻因此，各分压电阻及反馈电阻 RF 都要使用精密电阻。都要使用精密电阻。图图7.2-4集成运放电压表的原理图集成

19、运放电压表的原理图第第7章章 电压测量电压测量 2调制式直流放大器调制式直流放大器 电子电压表中常采用电子电压表中常采用调制式放大器调制式放大器代替代替直流放大器直流放大器以抑以抑制漂移（零点漂移会限制电压表灵敏度的提高），可使电子制漂移（零点漂移会限制电压表灵敏度的提高），可使电子电压表能测量电压表能测量微伏量级微伏量级的电压。的电压。直流电压信号直流电压信号 ui 调制器调制器(斩波器斩波器)交流信号交流信号 uA 交交流放大器放大流放大器放大 uB 解调器还原为直流信号解调器还原为直流信号 uo(幅度已被放大幅度已被放大)图图7.2-5 调制式直流放大器原理调制式直流放大器原理第第7章章

20、 电压测量电压测量 振荡器：向调制器和解调器提供固定频率的同步控制振荡器：向调制器和解调器提供固定频率的同步控制信号。信号。交流放大器：一般采用选频放大器，只对与振荡器同交流放大器：一般采用选频放大器，只对与振荡器同频率的信号进行放大而抑制其他频率的噪声和干扰。频率的信号进行放大而抑制其他频率的噪声和干扰。（如在解调器输出端和调制器输入端间增加负反馈网络以提（如在解调器输出端和调制器输入端间增加负反馈网络以提高整机稳定性）高整机稳定性）图图7.2-5 调制式直流放大器原理调制式直流放大器原理第第7章章 电压测量电压测量 调制器和解调器是一对同步开关，开关控制信号调制器和解调器是一对同步开关，开

21、关控制信号由振荡器提供。由振荡器提供。调制器调制器:将直流信号转换为方波信号。将直流信号转换为方波信号。解调器解调器:将方波信号转换为直流信号。将方波信号转换为直流信号。第第7章章 电压测量电压测量7.3 交流电压的表征和测量方法交流电压的表征和测量方法 7.3.1 交流电压的表征交流电压的表征 交流电压除用具体的函数关系式表达其大小随时交流电压除用具体的函数关系式表达其大小随时间的变化规律外，通常还可以用间的变化规律外，通常还可以用峰值、幅值、平均值、峰值、幅值、平均值、有效值有效值等参数来表征。等参数来表征。第第7章章 电压测量电压测量 1峰值峰值 峰值峰值 Up：周期性的交变电压：周期性

22、的交变电压 u(t)在一个周期内偏离零电平的最大值。在一个周期内偏离零电平的最大值。正、负峰值不等时分别用正、负峰值不等时分别用 Up+和和 Up-表示。表示。幅值幅值或或振幅振幅 Um：u(t)在一个周期在一个周期内偏离直流分量内偏离直流分量 U0 的最大值。的最大值。正、负幅值不等时分别用正、负幅值不等时分别用Um+和和Um-表示。表示。（图（图(b)中中U0=0，且正、负幅值相等），且正、负幅值相等）图图7.3-1交流电压的峰值与幅值交流电压的峰值与幅值Um第第7章章 电压测量电压测量 2平均值平均值 u(t)的平均值的平均值 的数学定义为：的数学定义为：(7.3-1)：实质上是周期性电

23、压的直流分：实质上是周期性电压的直流分 量量 U0图图7.3-1交流电压的峰值与幅值交流电压的峰值与幅值第第7章章 电压测量电压测量图图7.3-2半波和全波整流半波和全波整流(7.3-2)如不另加说明，本章所指平均值均如不另加说明，本章所指平均值均为上式所定义的全波平均值。为上式所定义的全波平均值。在电子测量中，平均值通常指在电子测量中，平均值通常指交流电压检波交流电压检波(也称整流也称整流)以后的平以后的平均值。均值。分为：半波分为：半波(整流整流)平均值平均值 全波全波(整流整流)平均值平均值 全波平均值全波平均值定义为：定义为：未检波前电压波形未检波前电压波形半波整流电压波形半波整流电压

24、波形全波整流电压波形全波整流电压波形第第7章章 电压测量电压测量 3有效值有效值 交流电压和数值为交流电压和数值为 U 的直流电压分别施加于同一电的直流电压分别施加于同一电阻上时，若在一个周期内两者产生的热量相等阻上时，若在一个周期内两者产生的热量相等。那。那么，直流电压的数值么，直流电压的数值U就等于交流电压的有效值。就等于交流电压的有效值。用数学式可表示为：用数学式可表示为：(7.3-3)上式实质上即数学上的上式实质上即数学上的均方根均方根定义，电压有效值也可写定义，电压有效值也可写作作 Urms。第第7章章 电压测量电压测量 4 4波形因数、波峰因数波形因数、波峰因数 交流电压的有效值、

25、平均值和峰值间有一定的关系，交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分别用可分别用波形因数波形因数（波形系数波形系数）和）和波峰因数波峰因数（波峰系数波峰系数）表示。表示。波形因数波形因数 KF：该电压的：该电压的有效值有效值与与平均值平均值之比之比(7.3-4)波峰因数波峰因数 Kp：该电压的：该电压的峰值峰值与与有效值有效值之比之比(7.3-5)第第7章章 电压测量电压测量 5.5.波峰系数和波形系数获取波峰系数和波形系数获取常见波形的波峰系数和波形系数可查表得到：正弦波：Kp=1.41，KF=1.11；方 波：Kp=1，KF=1；三角波：Kp=1.73，KF=1.15；锯齿波：K

26、p=1.73，KF=1.15；白噪声：Kp=3（较大），KF=1.25。第第7章章 电压测量电压测量 国际上国际上交流电压的表征量均为有效值交流电压的表征量均为有效值 电压表电压表几乎都几乎都按正弦波的有效值来定度按正弦波的有效值来定度（除特殊情况外）。（除特殊情况外）。当用交流电压表（当用交流电压表（正弦波的有效值定度正弦波的有效值定度）测量电压时：）测量电压时：被测电压是正弦波被测电压是正弦波，电压表读数（有效值）电压表读数（有效值）峰值和峰值和平均值（利用平均值（利用KF、KP 可以计算）；可以计算）；被测电压是非正弦波被测电压是非正弦波，必须根据电压表读数和电压表，必须根据电压表读数和

27、电压表所采用的所采用的检波方法进行必要的波形换算检波方法进行必要的波形换算，才能得到有关参数。，才能得到有关参数。第第7章章 电压测量电压测量 7.3.2 交流电压的测量方法交流电压的测量方法 1交流电压测量的基本原理交流电压测量的基本原理 测量交流电压的方法：最主要的一种是利用交流测量交流电压的方法：最主要的一种是利用交流/直流直流（AC/DC）转换电路将）转换电路将交流电压交流电压 直流电压直流电压，然后用，然后用直流直流电压表进行测量电压表进行测量。根据根据 AC/DC 转换器的类型，分为：转换器的类型，分为：热电转换法热电转换法 检波法检波法（根据检波特性的不同）（根据检波特性的不同）

28、平均值检波平均值检波 峰值检波峰值检波有效值检波有效值检波第第7章章 电压测量电压测量 2模拟交流电压表的主要类型模拟交流电压表的主要类型 1）检波）检波-放大式放大式 检波检波-放大式电压表：在直流放大器前面接上检波器。放大式电压表：在直流放大器前面接上检波器。频率范围和输入阻抗主要取决于检波器：频率范围从几频率范围和输入阻抗主要取决于检波器：频率范围从几十十Hz到几百到几百MHz，输入阻抗也较大。输入阻抗也较大。“高频毫伏表高频毫伏表”（高频电压表高频电压表）“超高频毫伏表超高频毫伏表”（超高频电压表超高频电压表）如：）如：国产国产DA36型型图图7.3-3检波检波-放大式电压表框图放大式

29、电压表框图第第7章章 电压测量电压测量 2）放大）放大-检波式检波式 当被测电压过低时，直接进行检波误差会显著增大。当被测电压过低时，直接进行检波误差会显著增大。提高交流电压表的测量灵敏度：提高交流电压表的测量灵敏度：先将被测电压进行先将被测电压进行放大；放大；再检波和推动直流电表显示。再检波和推动直流电表显示。放大放大-检波式电压表的频率范围主要取决于：宽带交流检波式电压表的频率范围主要取决于：宽带交流放大器，灵敏度受到放大器内部噪声的限制。放大器，灵敏度受到放大器内部噪声的限制。通常频率范围为通常频率范围为20Hz10MHz “视频毫伏表视频毫伏表”：多用在低频、视频场合。如：多用在低频、

30、视频场合。如：S401型型图图7.3-4放大放大-检波式电压表框图检波式电压表框图第第7章章 电压测量电压测量 3）调制式）调制式 为减小直流放大器的为减小直流放大器的零点漂移零点漂移对测量结果的影响，可采对测量结果的影响，可采用调制式放大器以替代一般的直流放大器。用调制式放大器以替代一般的直流放大器。调制式电压表属于检波调制式电压表属于检波-放大式放大式 放大器：由固体斩波器和振荡器构成的调制式直流放大放大器：由固体斩波器和振荡器构成的调制式直流放大器。器。图图7.3-5调制式电压表框图调制式电压表框图第第7章章 电压测量电压测量 4）外差式）外差式 检波检波-放大式电压表放大式电压表受检波

31、二极管的非线性的限制，受检波二极管的非线性的限制，灵敏度较低灵敏度较低，仅为，仅为mV级。级。放大放大-检波式电压表检波式电压表灵敏度可以保证，但受放大器增灵敏度可以保证，但受放大器增益与带宽矛盾的限制，益与带宽矛盾的限制，频率范围较窄频率范围较窄，一般，一般 10MHz。这两种方式测量电压时，都会受干扰和噪声的影响而这两种方式测量电压时，都会受干扰和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。妨碍了灵敏度的提高。外差式电压测量法可解决上述矛盾。外差式电压测量法可解决上述矛盾。“高频微伏表高频微伏表”图图7.3-6外差式电压表框图外差式电压表框图第第7章章 电压测量电压测量 输入电路中包括：输入衰减器和高

32、频放大器。输入电路中包括：输入衰减器和高频放大器。高频放大器带宽很大，被测电压的放大主要由后面的中高频放大器带宽很大，被测电压的放大主要由后面的中频放大器完成。频放大器完成。被测信号被测信号 输入电路输入电路 混频器（与本振信号一起）混频器（与本振信号一起）频率固定的中频信号频率固定的中频信号 中频放大器中频放大器 放大放大 检波器检波器 直流直流电压显示电压显示 中频放大器：良好的频率选择性、固定中频频率、极窄中频放大器：良好的频率选择性、固定中频频率、极窄的带通滤波特性的带通滤波特性 可实现高增益、削弱干扰和噪声可实现高增益、削弱干扰和噪声图图7.3-6外差式电压表框图外差式电压表框图第第

33、7章章 电压测量电压测量 5）热偶变换式）热偶变换式 热偶元件（热电偶）是由两种不同材料的导体所构成的热偶元件（热电偶）是由两种不同材料的导体所构成的具有热电现象的元件。具有热电现象的元件。由于两种金属表面电子逸出功不相等，在由于两种金属表面电子逸出功不相等，在 A、B 两个接触端两个接触端面交界面上会形成电位差，电位差大小与接触端面温度有关。面交界面上会形成电位差，电位差大小与接触端面温度有关。A、B 端温度相等时，两电位差大小相等，彼此抵消端温度相等时，两电位差大小相等，彼此抵消 A 端温度若高于端温度若高于 B 端，则两端电位差不等端，则两端电位差不等 热电动势热电动势图图7.3-7热电

34、偶原理图热电偶原理图I 热电动势热电动势 TAB U2第第7章章 电压测量电压测量7.4 低频交流电压测量低频交流电压测量 交流电压表（交流毫伏表）：测量低频（交流电压表（交流毫伏表）：测量低频（1MHz）信号电压的电压表。）信号电压的电压表。这类电压表一般采用这类电压表一般采用放大放大-检波式检波式 检波器：一般为检波器：一般为平均值检波器平均值检波器、有效值检波器有效值检波器，分别构成分别构成均值电压表均值电压表和和有效值电压表有效值电压表。第第7章章 电压测量电压测量 7.4.1 均值电压表均值电压表 1平均值检波器的原理平均值检波器的原理 平均值检波器：平均值检波器：4只性能相同的二极

35、管构成只性能相同的二极管构成桥式全波整流电路桥式全波整流电路。|ux|：整流后的波形：整流后的波形 整流器等效为：整流器等效为：Rs串联一电压源串联一电压源|ux|Rm：电流表内阻：电流表内阻 C：滤波电容，滤除交流成分：滤波电容，滤除交流成分图图7.4-1 平均值检波器平均值检波器第第7章章 电压测量电压测量 将整流后的波形将整流后的波形|ux|用傅里叶级数展开，得：用傅里叶级数展开，得：(7.4-1)图图7.4-1 平均值检波器平均值检波器 即：电流表测得值即：电流表测得值 I0 正比于全波整流平均值。正比于全波整流平均值。流过电容流过电容 C：|ux|的基波和各高次谐波；的基波和各高次谐

36、波；流过电流表：直流电流流过电流表：直流电流 I0（和平均值成正比）。（和平均值成正比）。半桥式整流器可改善整流二极管的非线性。半桥式整流器可改善整流二极管的非线性。直流分量直流分量整流平均值整流平均值第第7章章 电压测量电压测量 2检波灵敏度检波灵敏度 表征均值检波器工作特性的一个重要参数是检波灵敏度表征均值检波器工作特性的一个重要参数是检波灵敏度 Sd，定义为：定义为：(7.4-2)全波桥式整流器，可导出：全波桥式整流器，可导出：(7.4-3)要提高测量灵敏度，应减小二极管的单向导通电阻要提高测量灵敏度，应减小二极管的单向导通电阻 Rd 和和 Rm。由于二极管是非线性器件，当电压较低（由于

37、二极管是非线性器件，当电压较低（0.5V）时，）时，Rd 急剧急剧增大至几增大至几k几十几十k，Sd 急剧下降，不宜用这种检波器直接测量急剧下降，不宜用这种检波器直接测量 0.5V 以下的电压。以下的电压。Rd：二极管的单向导通电阻：二极管的单向导通电阻，Rm：电流表内阻。：电流表内阻。第第7章章 电压测量电压测量 3输入阻抗输入阻抗 图图7.4-1(a)所示均值整流器，其输入阻抗为：所示均值整流器，其输入阻抗为：(7.4-6)仍设仍设 Rd=500，Rm=1 k(常规的数值常规的数值)，则，则 Ri 约为约为1.8 k，可见，可见均值检波器输入阻抗很低。均值检波器输入阻抗很低。4均值电压表均

38、值电压表均值电压表：以均值检波器为均值电压表：以均值检波器为AC/DC变换器；变换器；均值检波器：检波灵敏度具有非线性特性、输入阻抗过低。均值检波器：检波灵敏度具有非线性特性、输入阻抗过低。均值电压表：属于放大均值电压表：属于放大-检波式检波式第第7章章 电压测量电压测量 7.4.2 波形换算波形换算 电压表度盘：以正弦波的有效值来定度的电压表度盘：以正弦波的有效值来定度的 均值检波器的输出（流过电流表的电流）均值检波器的输出（流过电流表的电流）Ua：与被测：与被测信号电压的平均值信号电压的平均值 成线性关系，有：成线性关系，有：(7.4-7)式中，式中，Ua：电压表示值，：电压表示值，：被测

39、电压平均值，：被测电压平均值，Ka：定度系数。：定度系数。对于对于全波检波（整流）电路构成的均值电压表，定度系数全波检波（整流）电路构成的均值电压表，定度系数 Ka 即为：正弦信号的波形因数即为：正弦信号的波形因数 KF，有：，有：(7.4-8)第第7章章 电压测量电压测量 若被测信号为若被测信号为正弦波形正弦波形：电压表示值就是被测电压的：电压表示值就是被测电压的有效值。有效值。若被测信号为若被测信号为非正弦波形非正弦波形：先进行：先进行“波形换算波形换算”，再，再由示值和被测信号的具体波形，推算出被测信号的数值。由示值和被测信号的具体波形，推算出被测信号的数值。具体方法是：根据具体方法是：

40、根据 可知，可知，电压表表头示值电压表表头示值 Ua相等相等平均值平均值 相等相等。先得到任意波形电压的平均值：先得到任意波形电压的平均值：(7.4-9)再由波形系数再由波形系数 KF 定义：定义：(7.4-10)任意波形电压的有效值任意波形电压的有效值：(7.4-11)第第7章章 电压测量电压测量 例例1 用全波整流均值电压表分别测量正弦波，三角波和方波，用全波整流均值电压表分别测量正弦波，三角波和方波，若电压表示值均为若电压表示值均为10V，问被测电压的有效值各为多少问被测电压的有效值各为多少?解：对于正弦波，由于电压表本来就是按其有效值定度，即解：对于正弦波，由于电压表本来就是按其有效值

41、定度，即电压表的示值就是正弦波的有效值，所以正弦波的有效值为：电压表的示值就是正弦波的有效值，所以正弦波的有效值为：对于三角波，查表得其波形系数对于三角波，查表得其波形系数 KF=1.15，有效值为：，有效值为：对于方波，查表对于方波，查表 可得其波形系数可得其波形系数 KF=1，有效值为：，有效值为：任意波形的有效值为：任意波形的有效值为：第第7章章 电压测量电压测量 7.4.3 有效值检波器有效值检波器 电压有效值的定义：电压有效值的定义：(7.4-13)为获得有效值（均方根）响应，必须使为获得有效值（均方根）响应，必须使AC/DC变换器变换器具有平方律关系的伏安特性。具有平方律关系的伏安

42、特性。这类变换器有四种：这类变换器有四种：二极管平方律检波式二极管平方律检波式 分段逼近式检波式分段逼近式检波式 热电变换式热电变换式 模拟计算式模拟计算式第第7章章 电压测量电压测量 1二极管平方律检波式二极管平方律检波式 真空或半导体二极管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方真空或半导体二极管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律关系。律关系。可推出流经微安表的电流为：可推出流经微安表的电流为：实现了有效值转换实现了有效值转换图图7.4-5 二极管的平方律特性二极管的平方律特性优点优点：结构简单；灵敏度高：结构简单；灵敏度高缺点缺点：有效值检波的动态范围窄；特性不易控制且不稳定：有效值

43、检波的动态范围窄；特性不易控制且不稳定 逐渐被逐渐被分段逼近式有效值检波器分段逼近式有效值检波器替代替代第第7章章 电压测量电压测量 2分段逼近式检波式分段逼近式检波式 链式网络相当于与链式网络相当于与 R2 并联的可变负载。二极管并联的可变负载。二极管VD1、VD2对对被测电压进行全波检波。被测电压进行全波检波。u 增大时，增大时，VD3、VD4、VD5、VD6依次导通，伏安特性斜率也依次导通，伏安特性斜率也依次增大。依次增大。选择合适的链式网络值，可使流过微安表的电流正比于被测选择合适的链式网络值，可使流过微安表的电流正比于被测电压有效值的平方。电压有效值的平方。（直接接微安表时，刻度是非

44、线性的直接接微安表时，刻度是非线性的）图图7.4-6平方律伏安特性和二极管链式电路平方律伏安特性和二极管链式电路第第7章章 电压测量电压测量 3模拟计算式模拟计算式 利用集成乘法器、积分器、开方器等实现电压有效值测量利用集成乘法器、积分器、开方器等实现电压有效值测量图图7.4-7模拟计算式有效值电压表原理模拟计算式有效值电压表原理 第一级：由乘法器构成的平方器，输出正比于第一级：由乘法器构成的平方器，输出正比于 u2x(t)第二级：积分器，第二级：积分器，输出正比于输出正比于 第三级：实现开方运算第三级：实现开方运算 末级：放大器，末级：放大器，输出正比于有效值（均方根值）输出正比于有效值（均

45、方根值）模拟计算式电压表的刻度是线性的模拟计算式电压表的刻度是线性的 有效值电压表的优点：有效值电压表的优点：输出示值就是被测电压的有效值，而与被测输出示值就是被测电压的有效值，而与被测电压的波形无关。电压的波形无关。第第7章章 电压测量电压测量7.5 高频交流电压测量高频交流电压测量测量高频信号测量高频信号的电压表：采用的电压表：采用检波检波-放大式放大式，不采用放大，不采用放大-检检波式（放大器频率特性的限制）。波式（放大器频率特性的限制）。检波检波-放大式结构：放大器放大的是检波后的直流信号，其频放大式结构：放大器放大的是检波后的直流信号，其频率特性不会影响整个电压表的频率响应。率特性不

46、会影响整个电压表的频率响应。测量电压的频率范围主要取决于检波器的频率响应。测量电压的频率范围主要取决于检波器的频率响应。在检波在检波-放大式放大式高频毫伏表高频毫伏表中，中，检波器多采用峰值式检波器多采用峰值式。第第7章章 电压测量电压测量 7.5.1 峰值检波器峰值检波器 1串联式峰值检波器（串联式峰值检波器（测正、负峰值测正、负峰值）元件参数满足：元件参数满足：(7.5-1)图图7.5-1串联式峰值检波器的原理图及检波波形串联式峰值检波器的原理图及检波波形 式中，式中，Tmax、Tmin：被测信号的最大周期、最小周期：被测信号的最大周期、最小周期 Rd=二极管正向导通电阻二极管正向导通电阻

47、 RD+被测电路的等效信号源内阻被测电路的等效信号源内阻 Rx 被测电压被测电压 ux 正半周：充电时间常数正半周：充电时间常数 RdC 非常小，电容非常小，电容 C上的电压迅速达到上的电压迅速达到 ux 峰值峰值 Up。第第7章章 电压测量电压测量 被测电压被测电压 ux 负半周：放电时间常数负半周：放电时间常数 RC 很大。很大。电容上电压跌落很小，从而使得其平均值电容上电压跌落很小，从而使得其平均值 或或 始终接近始终接近 ux 的峰值，即：的峰值，即：实际上检波器输出电压平均值实际上检波器输出电压平均值 略小于略小于 UP，即，即 kd 表示峰值检表示峰值检波器的检波系数，有：波器的检

48、波系数，有：若把二极管若把二极管 VD 反接，可以测得反接，可以测得 ux 的负峰值的负峰值图图7.5-1串联式峰值检波器的原理图及检波波形串联式峰值检波器的原理图及检波波形(7.5-2)第第7章章 电压测量电压测量 2双峰值检波器（双峰值检波器（测峰测峰-峰值峰值）双峰值检波电路：两个串联式检波电路结合在一起。双峰值检波电路：两个串联式检波电路结合在一起。C1 或或 R1 上的平均电压近似于上的平均电压近似于 ux 的正峰值的正峰值 Up+C2 或或 R2 上的平均电压近似于上的平均电压近似于 ux 的负峰值的负峰值 Up-检波器输出电压检波器输出电压 ，即输出电压近似等于被即输出电压近似等

49、于被测电压的峰测电压的峰-峰值。峰值。图图7.5-2双峰值检波电路双峰值检波电路第第7章章 电压测量电压测量 7.5.3 波形换算波形换算 1定度定度 峰值电压表示值峰值电压表示值 Ua 与与峰值检波器输出峰值检波器输出 Up 间满足：间满足：(7.5-9)式中，式中，ka：定度系数。：定度系数。电压表是以正弦波有效值定度的电压表是以正弦波有效值定度的，有，有(7.5-10)第第7章章 电压测量电压测量 2波形换算波形换算 当被测电压为非正弦波时当被测电压为非正弦波时，应进行波形换算才能得到被，应进行波形换算才能得到被测电压的有效值。测电压的有效值。波形换算的原理是：波形换算的原理是：示值示值

50、 Ua 相等相等 峰值峰值 Up 相等相等 可得峰值：可得峰值：(7.5-11)再由给出的波峰因数再由给出的波峰因数 Kp=Up/U 得到有效值：得到有效值：(7.5-12)注意：上式仅适用于单峰值电压表注意：上式仅适用于单峰值电压表第第7章章 电压测量电压测量7.6 脉冲电压测量脉冲电压测量 测量脉冲电压的方法有两种：测量脉冲电压的方法有两种：示波器示波器：方便、：方便、直观地观察和测量脉冲信号的直观地观察和测量脉冲信号的波形和各有关参数（波形和各有关参数（更常用更常用）；）；脉冲电压表脉冲电压表：高压脉冲测量，：高压脉冲测量，脉冲间隔时间很脉冲间隔时间很长的脉冲信号测量长的脉冲信号测量第第