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1、电子测量原理课件第电子测量原理课件第五章五章现在学习的是第1页，共123页1 1）电压测量的重要性）电压测量的重要性电压测量是电测量与非电测量的基础电压测量是电测量与非电测量的基础电压测量是电测量与非电测量的基础电压测量是电测量与非电测量的基础,具体有：具体有：具体有：具体有：A A 电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率
2、表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率其中：电流、功率其中：电流、功率其中：电流、功率其中：电流、功率电压，再进行测量电压，再进行测量电压，再进行测量电压，再进行测量B B 电路工作状态：电路工作状态：饱和与截止，线性度、失真度饱和与截止，线性度、失真度饱和与截止，线性度、失真度饱和与截止，线性度、失真度电压表征电压表征电压表征电压表征 C C 非电测量中，物理量非电测量中，物理量非电测量中，物理量非电测量中，物理量电压信号，再进行测量电压信号，再进行测量电压信号，再进行测量电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度如：温度、压力、振动、（加）速度5.1 5.1 概述概述5.
3、1.1 5.1.1 电压测量的意义、特点电压测量的意义、特点 现在学习的是第2页，共123页2 2）电压测量的特点）电压测量的特点1.1.频率范围广：零频（直流）频率范围广：零频（直流）10109 9HzHz低频：低频：1MHz1MHz以下；高频（射频）：以下；高频（射频）：1MHz1MHz以上。以上。2.2.测量范围宽测量范围宽 微弱信号微弱信号:心电医学信号、地震波等心电医学信号、地震波等,纳伏级纳伏级(10(10-9-9V V）；）；超高压信号：电力系统中，数百千伏。超高压信号：电力系统中，数百千伏。3.3.电压波形的多样化电压波形的多样化电压信号波形是被测量信息的载体。电压信号波形是被
4、测量信息的载体。各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。梯形波；随机噪声。现在学习的是第3页，共123页4.4.阻抗匹配阻抗匹配 被测信号接入电压测量仪器后，仪器等效输入被测信号接入电压测量仪器后，仪器等效输入阻抗将对测量结果产生影响。阻抗将对测量结果产生影响。直流测量中直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。形成分压，使测量结果偏小。如：采用电压表与电流表测量电阻，如：采用电压表与电流表测量电阻，当测量小电阻时，应采用电压表并联方案；当测量小电阻时，应采用电压表并
5、联方案；当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。交流测量中交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。，输入阻抗的不匹配引起信号反射。现在学习的是第4页，共123页5.5.测量精度的要求差异很大测量精度的要求差异很大 工业测控场合有时只是需要监测电压的大致范工业测控场合有时只是需要监测电压的大致范围，其精度较低，高精度测量有时则要达到围，其精度较低，高精度测量有时则要达到1010-1-1至至1010-9-9精度。精度。6.6.测量速度的要求差异很大测量速度的要求差异很大 静态测量：直流（慢变化信号）静态测量：直流（慢变化信号）,几次几次/秒秒;动态测量：高速瞬
6、变信号动态测量：高速瞬变信号,数亿次数亿次/秒秒(几百几百MHz)MHz)精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。7.7.抗干扰性能抗干扰性能 工业现场测试中，存在较大的干扰。电压测量工业现场测试中，存在较大的干扰。电压测量要特别重视抗干扰措施，提高测量仪器的抗干扰能要特别重视抗干扰措施，提高测量仪器的抗干扰能力。力。现在学习的是第5页，共123页5.1.2 电压测量的方法和分类电压测量的方法和分类电压测量方法的分类电压测量方法的分类按对象：直流电压测量；交流电压测量按对象：直流电压测量；交流电压测量 按技术：模拟测量；数字测量按技术：模拟测量；数字测量1 1）
7、交流电压的模拟测量方法）交流电压的模拟测量方法表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。平均值。以有效值测量为主。方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电流直流电流-驱动表头驱动表头-指示指示有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。现在学习的是第6页，共123页2）数字化直流电压测量方法）数字化直流电压测量方法模拟直流电压模拟直流电压-A/DA/D转换器转换器-数字量数字量-数字数字显示（直观）显示（直观）数字电压表（数字电压表（DVMDVM），数
8、字多用表（），数字多用表（DMMDMM）。）。3 3）交流电压的数字化测量）交流电压的数字化测量交流电压（有效值、峰值和平均值）交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电直流电压压-A/DA/D转换器转换器-数字量数字量-数字显示数字显示DVMDVM（DMMDMM）的扩展功能。）的扩展功能。现在学习的是第7页，共123页4 4）基于采样的交流电压测量方法）基于采样的交流电压测量方法交流电压交流电压-A/DA/D转换器转换器-瞬时采样值瞬时采样值u(k)-u(k)-计算，如有效值计算，如有效值式中，式中，N N为为u(t)u(t)的一个周期内的采样点数。的一个周期内的采样点数。5 5）示波测量方法
9、）示波测量方法交流电压交流电压-模拟或数字示波器模拟或数字示波器-显示波形显示波形-读出结果读出结果现在学习的是第8页，共123页5 52 2 电压标准电压标准 5.2.1 直流电压标准直流电压标准电压和电阻是电磁学中的两个基本量。电压和电阻是电磁学中的两个基本量。其他电磁量基准可由电压基准和电阻基准导出。其他电磁量基准可由电压基准和电阻基准导出。电压标准有：电压标准有：标准电池（实物基准，标准电池（实物基准，1010-6-6）；）；齐纳管电压标准齐纳管电压标准 （固态标准，（固态标准，1010-6-6）；）；约瑟夫森量子电压基准（量子化自然基准，约瑟夫森量子电压基准（量子化自然基准，1010
10、-10-10）。）。电阻标准有：电阻标准有：精密线绕电阻（实物标准）；精密线绕电阻（实物标准）；霍尔电阻基准（量子化自然基准，霍尔电阻基准（量子化自然基准，1010-9-9）。）。现在学习的是第9页，共123页5.2.1 5.2.1 直流电压标准直流电压标准1.1.标准电池标准电池原理：原理：利用化学反应产生稳定可靠的电动势利用化学反应产生稳定可靠的电动势 （1.01860V1.01860V）。）。有饱和型和不饱和型有饱和型和不饱和型两种类型。两种类型。饱和型特点：饱和型特点：电动势非常稳定（年稳定性可小于电动势非常稳定（年稳定性可小于0.5V0.5V，相当于，相当于510510-7-7），但
11、温度系数较大（约），但温度系数较大（约40V/40V/）。用于计量部门）。用于计量部门恒温条件下恒温条件下的电压标的电压标准器。准器。不饱和型特点：不饱和型特点：温度系数很小（约温度系数很小（约4V/4V/），），但稳定性较差。用于一般工作量具，如实验室中常但稳定性较差。用于一般工作量具，如实验室中常用的便携式用的便携式电位差计电位差计。现在学习的是第10页，共123页使用中应注意：使用中应注意：1 1）不能倾倒；不能震动、冲击（不易运输）。）不能倾倒；不能震动、冲击（不易运输）。2 2）温度修正（特别是对饱和型）。）温度修正（特别是对饱和型）。“温度温度电动势电动势”修正公式修正公式 ：式中
12、，式中，E Et t、E E2020分别为分别为tt（使用时的温度）和（使用时的温度）和2020（出厂检定时温度）时标准电池的电动势（出厂检定时温度）时标准电池的电动势 。3 3）标准电池存在内阻，仪表输入电阻应较大。）标准电池存在内阻，仪表输入电阻应较大。现在学习的是第11页，共123页2.2.齐纳管电压标准齐纳管电压标准 u原理原理利用利用齐纳二极管的稳压特性齐纳二极管的稳压特性制作的电子式电压标制作的电子式电压标准（也称为固态电压标准）。准（也称为固态电压标准）。u齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响，齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响，采用高稳定电源和内部恒温控制电路可使其温
13、度采用高稳定电源和内部恒温控制电路可使其温度系数非常小系数非常小 。u将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压基准源，如基准源，如LM199/299/399LM199/299/399、REFREF系列。系列。现在学习的是第12页，共123页u为克服输出电压的波动，还可将多个精密电压基为克服输出电压的波动，还可将多个精密电压基准源并联，得到它们的平均值。准源并联，得到它们的平均值。现在学习的是第13页，共123页上图中，假设运放是理想的，上图中，假设运放是理想的，则流入运放同相端电流则流入运放同相端电流I+=0，即，即若若R R1 1=R=R2 2=R
14、=R3 3=R=R4 4，则，则 而输出电压而输出电压 现在学习的是第14页，共123页u齐纳管电压标准器整机输出电压有：齐纳管电压标准器整机输出电压有：10V10V、1V1V和和1.0186V1.0186V。10V10V输出便于检定和传递到高电压，且运输、保存输出便于检定和传递到高电压，且运输、保存和使用方便。和使用方便。如如WUK7000WUK7000系列直流电压参考标准：系列直流电压参考标准：10V10V输出的年稳定性可达输出的年稳定性可达0.5100.510-6-6 ；1V1V和和1.018V1.018V输出的年稳定性可达到输出的年稳定性可达到210210-6-6，温度，温度系数为系数
15、为0.05100.0510-6-6。现在学习的是第15页，共123页3.3.约瑟夫森量子电压基准约瑟夫森量子电压基准 u原理原理基于约瑟夫森（基于约瑟夫森（Josephson）效应的量子电压基准效应的量子电压基准效应的量子电压基准效应的量子电压基准u约瑟夫森效应约瑟夫森效应约瑟夫森隧道结：在两块相互隔开（约约瑟夫森隧道结：在两块相互隔开（约约瑟夫森隧道结：在两块相互隔开（约约瑟夫森隧道结：在两块相互隔开（约10101010埃的绝缘层）埃的绝缘层）埃的绝缘层）埃的绝缘层）的超导体之间，由于的超导体之间，由于的超导体之间，由于的超导体之间，由于量子隧道效应量子隧道效应，超导电流（约，超导电流（约，
16、超导电流（约，超导电流（约mAmAmAmA量量量量级）可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦级）可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦级）可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦级）可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦合，这种超导体合，这种超导体合，这种超导体合，这种超导体-绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体-超导体（超导体（SISSISSISSIS）结构称为约瑟）结构称为约瑟夫森隧道结。夫森隧道结。约瑟夫森效应：当在约瑟夫森结两边加上约瑟夫森效应：当在约瑟夫森结两边加上约瑟夫森效应：当在约瑟夫森结两边加上约瑟夫森效应：当在约瑟夫森结两边加上电压电压电压电压V V V V时，将得
17、时，将得时，将得时，将得到穿透绝缘层的到穿透绝缘层的到穿透绝缘层的到穿透绝缘层的超导电流超导电流超导电流超导电流，这是一种交变电流，这种，这是一种交变电流，这种现象称为现象称为交流约瑟夫森效应交流约瑟夫森效应。现在学习的是第16页，共123页u约瑟夫森电压基准约瑟夫森电压基准根据约瑟夫森效应，根据约瑟夫森效应，根据约瑟夫森效应，根据约瑟夫森效应，通过时间（频率）单位得到通过时间（频率）单位得到量量子化电压基准。子化电压基准。由稳定的频率（由稳定的频率（由稳定的频率（由稳定的频率（f f）确定电压确定电压确定电压确定电压V V V V。量子化电压基准的准确度可接近量子化电压基准的准确度可接近量子
18、化电压基准的准确度可接近量子化电压基准的准确度可接近时间（频率）准确度。时间（频率）准确度。时间（频率）准确度。时间（频率）准确度。国际计量委员会的建议：国际计量委员会的建议：国际计量委员会的建议：国际计量委员会的建议：从从1990199019901990年年1 1月月月月1 1 1 1日开始，在世界范围内同时启用日开始，在世界范围内同时启用日开始，在世界范围内同时启用日开始，在世界范围内同时启用了约瑟夫森电压量子基准（了约瑟夫森电压量子基准（了约瑟夫森电压量子基准（了约瑟夫森电压量子基准（JJAVSJJAVSJJAVSJJAVS，10101010-10-10）。）。）。）。现在学习的是第17
19、页，共123页我国的约瑟夫森量子电压基准我国的约瑟夫森量子电压基准由中国计量科学研究院由中国计量科学研究院(NIM)(NIM)(NIM)(NIM)量子部建立。量子部建立。量子部建立。量子部建立。1993199319931993年底，年底，年底，年底，1V1V1V1V约瑟夫森结阵电压基准，测量不确定度约瑟夫森结阵电压基准，测量不确定度约瑟夫森结阵电压基准，测量不确定度约瑟夫森结阵电压基准，测量不确定度达到达到达到达到610610-9-9-9-9 ；1999199919991999年底，年底，10V10V10V10V约瑟夫森结阵电压基准，合成不确约瑟夫森结阵电压基准，合成不确定度为定度为5.410
20、5.4105.4105.410-9-9(1)(1)。应用：对标准电池、固态电压标准的量值传递，应用：对标准电池、固态电压标准的量值传递，高精度数字多用表等的计量检定，测量不确定度高精度数字多用表等的计量检定，测量不确定度为为110110-8-8-8-8)。现在学习的是第18页，共123页5.2.2 5.2.2 交流电压标准交流电压标准u原理由直流电压标准建立。由直流电压标准建立。因而，需经过交流因而，需经过交流-直流变直流变直流变直流变换。换。换。换。u测热电阻桥式高频电压标准基本原理：基本原理：基本原理：基本原理：将高频电压通过一电阻（称为测热电阻，将高频电压通过一电阻（称为测热电阻，将高频
21、电压通过一电阻（称为测热电阻，将高频电压通过一电阻（称为测热电阻，如热敏电阻），该电阻由于吸收高频电压功率，如热敏电阻），该电阻由于吸收高频电压功率，如热敏电阻），该电阻由于吸收高频电压功率，如热敏电阻），该电阻由于吸收高频电压功率，其阻值将发生变化，再将一其阻值将发生变化，再将一其阻值将发生变化，再将一其阻值将发生变化，再将一标准直流电压标准直流电压同样施同样施加于该电阻，若引起的阻值变化相等，则加于该电阻，若引起的阻值变化相等，则高频电高频电压的有效值压的有效值就等于该直流电压。就等于该直流电压。就等于该直流电压。就等于该直流电压。现在学习的是第19页，共123页双测热电阻电桥的原理图双测
22、热电阻电桥的原理图 如图：标准电阻如图：标准电阻(如如R=R=200)200)组成三个桥臂，两个完全组成三个桥臂，两个完全相同的测热电阻相同的测热电阻RTRT（如（如RT=100RT=100）组成一个桥臂。）组成一个桥臂。测量过程测量过程 1.1.电桥置于电桥置于“DCDC”（直流）。调（直流）。调节直流电压源到节直流电压源到V0V0，使电桥平衡，使电桥平衡，则测热电阻则测热电阻2RT=R2RT=R。2.2.置于置于“RFRF”（射频，即高频电（射频，即高频电压，设有效值为压，设有效值为VRFVRF）。）。此时，测热电阻上同时施加有交此时，测热电阻上同时施加有交流和直流功率，两测热电阻流和直流
23、功率，两测热电阻RTRT对对交流为并联，对直流为串联。交流为并联，对直流为串联。再次调节直流电压源到再次调节直流电压源到V1V1，使电桥平衡。使电桥平衡。由两次电桥平衡由两次电桥平衡的功率关系，有：的功率关系，有：高频电压高频电压 有效值为：有效值为：现在学习的是第20页，共123页对上述电路的要求对上述电路的要求1 1 1 1 两个测热电阻的一致性好两个测热电阻的一致性好两个测热电阻的一致性好两个测热电阻的一致性好(阻值和温度特性相同阻值和温度特性相同阻值和温度特性相同阻值和温度特性相同)；2 2 2 2 检流计要非常灵敏检流计要非常灵敏(特别是测量小的高频电压时特别是测量小的高频电压时特别
24、是测量小的高频电压时特别是测量小的高频电压时)；3 3 3 3 隔直电容隔直电容隔直电容隔直电容C C C C应保证满足：应保证满足：应保证满足：应保证满足：，使交流功率在电容，使交流功率在电容，使交流功率在电容，使交流功率在电容C C C C上上上上的损耗可以忽略。的损耗可以忽略。的损耗可以忽略。的损耗可以忽略。测热电阻电桥的缺点测热电阻电桥的缺点测热电阻对环境温度敏感，操作较复杂；测热电阻对环境温度敏感，操作较复杂；测热电阻对环境温度敏感，操作较复杂；测热电阻对环境温度敏感，操作较复杂；一般不能直接读数（需换算）。一般不能直接读数（需换算）。一般不能直接读数（需换算）。一般不能直接读数（需
25、换算）。准确度：准确度：若直流电压标准准确度为若直流电压标准准确度为1010-5-5，则得到的高频电，则得到的高频电压标准准确度可达压标准准确度可达1010-3-3 。应用：应用：对模拟电压表检定。对模拟电压表检定。现在学习的是第21页，共123页5 53 3 交流电压的测量交流电压的测量 5 53 31 1 表征交流电压的基本参量表征交流电压的基本参量峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。1 1 峰值峰值以零电平为参考的最大电压幅值（用以零电平为参考的最大电压幅值
26、（用以零电平为参考的最大电压幅值（用以零电平为参考的最大电压幅值（用V V V Vp p p p表示表示表示表示 ）。）。）。）。注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用（通常用（通常用（通常用U U U Um m m m表示）。表示）。表示）。表示）。现在学习的是第22页，共123页2 2 平均值（均值）平均值（均值）数学上定义为：数学上定义为：数学上定义为：数学上定义为：相当于交流电压相当于交流电压相当于交流电压相当于交流电压u(t)u(t
27、)u(t)u(t)的的的的直流分量直流分量直流分量直流分量。交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vu(t)=Vu(t)=Vp p p psin(t)sin(t)sin(t)sin(t)，若，
28、若，若，若=2/T=2/T=2/T=2/T 现在学习的是第23页，共123页3 3 有效值有效值定义：交流电压定义：交流电压u(t)u(t)u(t)u(t)在一个周期在一个周期在一个周期在一个周期T T内，通过某纯电阻内，通过某纯电阻负载负载R R R R所产生的热量，与一个直流电压所产生的热量，与一个直流电压所产生的热量，与一个直流电压所产生的热量，与一个直流电压V V V V在同一负载上在同一负载上在同一负载上在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压产生的热量相等时，则该直流电压产生的热量相等时，则该直流电压产生的热量相等时，则该直流电压V V的数值就表示了交流的数值就表示了交流的数值就
29、表示了交流的数值就表示了交流电压电压电压电压u(t)u(t)u(t)u(t)的有效值。的有效值。的有效值。的有效值。表达式：表达式：表达式：表达式：直流电压直流电压直流电压直流电压V V在在在在T T T T内电阻内电阻内电阻内电阻R R上产生的热量上产生的热量上产生的热量上产生的热量Q_=IQ_=I2 2RT=RT=RT=RT=交流电压交流电压交流电压交流电压u(t)u(t)u(t)u(t)在在T T T T内电阻内电阻内电阻内电阻R R R R上产生的热量上产生的热量上产生的热量上产生的热量Q=Q=Q=Q=由由由由Q_=QQ_=Q得，有效值得，有效值得，有效值得，有效值现在学习的是第24页
30、，共123页u有效值有效值意义：有效值在数学上即为意义：有效值在数学上即为意义：有效值在数学上即为意义：有效值在数学上即为均方根值均方根值。有效值反映了。有效值反映了。有效值反映了。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vp p p psin(t)sin(t)sin(t)sin(t)，若，若=2/T=2/T=2/T=2/T 现在学习的是第25页，共123
31、页4 4 波峰因数和波形因数波峰因数和波形因数 波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用K Kp p表示，表示，对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vu(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)sin(t)sin(t)，若，若，若，若=2/T=2/T波形因数定义：有效值与平均值的比值，用波形因数定义：有效值与平均值的比值，用波形因数定义：有效值与平均值的比值，用波形因数定义：有效值与平均值的比值，用K K K KF F F F表示，表示，表示，表示，对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电
32、压u(t)=Vu(t)=Vu(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)sin(t)sin(t)，若，若，若，若=2/T=2/T=2/T=2/T现在学习的是第26页，共123页常见波形的波峰因数和波形因数可查表常见波形的波峰因数和波形因数可查表常见波形的波峰因数和波形因数可查表常见波形的波峰因数和波形因数可查表(P188)(P188)(P188)(P188)得到：得到：得到：得到：如正弦波：如正弦波：如正弦波：如正弦波：K K K Kp p p p=1.41=1.41=1.41=1.41，K K K KF F F F=1.11=1.11=1.11=1.11；方波：方波：方波：方波：K
33、K K Kp p p p=1=1=1=1，K K K KF F F F=1=1=1=1；三角波：三角波：三角波：三角波：K K K Kp p p p=1.73=1.73=1.73=1.73，K K K KF F F F=1.15=1.15=1.15=1.15；锯齿波：锯齿波：锯齿波：锯齿波：K K K Kp p p p=1.73=1.73=1.73=1.73，K K K KF F F F=1.15=1.15=1.15=1.15；脉冲波：脉冲波：脉冲波：脉冲波：K K K Kp p p p=，K K K KF F F F=，为脉冲宽度，为脉冲宽度，为脉冲宽度，为脉冲宽度，T T T T为周期为周
34、期为周期为周期 白噪声：白噪声：白噪声：白噪声：K K K Kp p p p=3=3=3=3（较大），（较大），（较大），（较大），K K K KF F F F=1.25=1.25=1.25=1.25。现在学习的是第27页，共123页5 53 32 2 交流交流/直流转换器的响应特性及直流转换器的响应特性及误差分析误差分析 模拟电压表的交流电压测量原理：模拟电压表的交流电压测量原理：交流电压交流电压-直流电压（有效值、峰值和平均值）直流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电流驱动表头直流电流驱动表头直流电流驱动表头直流电流驱动表头-指示。指示。指示。指示。交流电压交流电压交流电压交流电压-有效值
35、、峰值和平均值的转换，称为有效值、峰值和平均值的转换，称为有效值、峰值和平均值的转换，称为有效值、峰值和平均值的转换，称为检检检检波或波或波或波或AC-DCAC-DCAC-DCAC-DC转换转换。由不同的检波电路实现。由不同的检波电路实现。一、交流一、交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理现在学习的是第28页，共123页（1 1）峰值检波原理）峰值检波原理 由二极管峰值检波电路完成。有二极管串联和并由二极管峰值检波电路完成。有二极管串联和并由二极管峰值检波电路完成。有二极管串联和并由二极管峰值检波电路完成。有二极管串联和并联两种形式。如下图。联两种形式。如下图。联两
36、种形式。如下图。联两种形式。如下图。二极管峰值检波电路二极管峰值检波电路二极管峰值检波电路二极管峰值检波电路(a.(a.串联式串联式串联式串联式,b.,b.并联式并联式并联式并联式,c.,c.波形波形波形波形)现在学习的是第29页，共123页二极管峰值检波电路工作原理二极管峰值检波电路工作原理 通过二极管通过二极管通过二极管通过二极管正向快速充电正向快速充电正向快速充电正向快速充电达到输入电压的峰值，而二达到输入电压的峰值，而二达到输入电压的峰值，而二达到输入电压的峰值，而二极管极管极管极管反向截止时反向截止时反向截止时反向截止时“保持保持保持保持”该峰值。该峰值。该峰值。该峰值。为此，要求：
37、为此，要求：为此，要求：为此，要求：即满足电容即满足电容即满足电容即满足电容C C上的快速充电和慢速放电的需求上的快速充电和慢速放电的需求上的快速充电和慢速放电的需求上的快速充电和慢速放电的需求 式中，式中，式中，式中，R R R Rs s s s和和和和r r r rd d d d分别为等效信号源分别为等效信号源u(t)u(t)u(t)u(t)的内阻和二的内阻和二极管正向导通电阻，极管正向导通电阻，C C为充电电容（并联式检波电路中为充电电容（并联式检波电路中为充电电容（并联式检波电路中为充电电容（并联式检波电路中C C C C还起到隔直流的作用），还起到隔直流的作用），还起到隔直流的作用）
38、，还起到隔直流的作用），R R R RL L L L为等效负载电阻，为等效负载电阻，T T T Tminminminmin和和T T T Tmaxmax为为为为u(t)u(t)u(t)u(t)的最小和最大周期。的最小和最大周期。从波形图可以看出，峰值检波电路的输出存在较从波形图可以看出，峰值检波电路的输出存在较小的波动，其小的波动，其平均值略小于实际峰值平均值略小于实际峰值平均值略小于实际峰值平均值略小于实际峰值。现在学习的是第30页，共123页(2)(2)平均值检波原理平均值检波原理 由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。由二极管桥式
39、整流（全波整流和半波整流）电路完成。由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。如图，整流电路输出直流电流如图，整流电路输出直流电流如图，整流电路输出直流电流如图，整流电路输出直流电流I I0 0，其平均值与被测输入，其平均值与被测输入电压电压u(t)u(t)u(t)u(t)的平均值成正比（与的平均值成正比（与的平均值成正比（与的平均值成正比（与u(t)u(t)u(t)u(t)的波形无关）。的波形无关）。的波形无关）。的波形无关）。（电容（电容（电容（电容C C C C用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）现在学习的是第31页，共123页以全波整流
40、电路为例，以全波整流电路为例，以全波整流电路为例，以全波整流电路为例，I I I I0 0 0 0的平均值为的平均值为 式中，式中，T T T T为为u(t)u(t)u(t)u(t)的周期，的周期，r rd d d d和和和和r r r rm m分别为检波二分别为检波二分别为检波二分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数极管的正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数极管的正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数极管的正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数（它反映了检波器的灵敏度（它反映了检波器的灵敏度（它反映了检波器的灵敏度（它反映了检波器的灵敏度 ）。）。）。）。于是，于是，I I I
41、I0 0 0 0的平均值的平均值的平均值的平均值 与与与与u(t)u(t)u(t)u(t)的平均值的平均值的平均值的平均值 成正比。成正比。成正比。成正比。现在学习的是第32页，共123页(3)有效值检波原理有效值检波原理方法方法方法方法1 1 1 1：利用二极管平方律伏安特性检波：利用二极管平方律伏安特性检波 检波原理：检波原理：检波原理：检波原理：根据根据根据根据 为得到有效值为得到有效值为得到有效值为得到有效值,首先需对首先需对首先需对首先需对u(t)u(t)平方。平方。平方。平方。小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系方关系方关系方关系。
42、缺点：精度低且动态范围小。缺点：精度低且动态范围小。缺点：精度低且动态范围小。缺点：精度低且动态范围小。现在学习的是第33页，共123页方法方法2 2：利用模拟运算的集成电路检波利用模拟运算的集成电路检波 原理图原理图原理图原理图通过多级运算器级连实现通过多级运算器级连实现通过多级运算器级连实现通过多级运算器级连实现模拟乘法器（平方）模拟乘法器（平方）模拟乘法器（平方）模拟乘法器（平方）积分积分积分积分开方开方开方开方比例运算。比例运算。比例运算。比例运算。单片集成单片集成单片集成单片集成TRMS/DCTRMS/DCTRMS/DCTRMS/DC电路，如电路，如电路，如电路，如AD536AKAD
43、536AKAD536AKAD536AK等。等。等。等。现在学习的是第34页，共123页方法方法3 3：利用热电偶有效值检波利用热电偶有效值检波热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个闭合回路，当两节点处温度不同时，回路中将成一个闭合回路，当两节点处温度不同时，回路中将产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，所产生的电动势称为所产生的电动势称为热电动势热电动势。热电效应原理图热电效应原理图热电效应原理图热电效应原理图当热端当热端当热端当热端T T T T和冷端和冷端和冷端和冷端T0T
44、0T0T0存在温差时（即存在温差时（即TT0TT0），则存在热），则存在热电动势，且电动势，且热电动势的大小与温差热电动势的大小与温差热电动势的大小与温差热电动势的大小与温差T=T-T0T=T-T0成正比。成正比。成正比。成正比。现在学习的是第35页，共123页热电偶：热电偶：热电偶：热电偶：将两种不同金属进行特别封装并标定后，称将两种不同金属进行特别封装并标定后，称为一对热电偶（简称热偶）。为一对热电偶（简称热偶）。热电偶温度测量原理：热电偶温度测量原理：热电偶温度测量原理：热电偶温度测量原理：若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势若冷端温度为恒
45、定的参考温度，则通过热电动势若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势就可得到热端（被测温度点）的温度。就可得到热端（被测温度点）的温度。就可得到热端（被测温度点）的温度。就可得到热端（被测温度点）的温度。热电偶有效值检波原理：热电偶有效值检波原理：热电偶有效值检波原理：热电偶有效值检波原理：若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，则热电动势将反映该交流电压的有效值，从而实现则热电动势将反映该交流电压的有效值，从而实现则热电动势将反映该交流电压的有效值，从而实现则热电
46、动势将反映该交流电压的有效值，从而实现了有效值检波。如下图。了有效值检波。如下图。了有效值检波。如下图。了有效值检波。如下图。现在学习的是第36页，共123页 直流电流直流电流I I I I与被测电压与被测电压与被测电压与被测电压u(t)u(t)u(t)u(t)的有效值的有效值V V V V的关系：的关系：的关系：的关系：电流电流IIII热电动势热电动势热电动势热电动势热端与冷端的温差，而热端与冷端的温差，而热端与冷端的温差，而热端与冷端的温差，而 热端温度热端温度热端温度热端温度u(t)u(t)u(t)u(t)功率功率u(t)u(t)u(t)u(t)的有效值的有效值的有效值的有效值U U U
47、 U的平方，的平方，故，故，故，故，I I和和和和U U的关系为非线性，不利于检波。的关系为非线性，不利于检波。热电偶有效值检波原理图热电偶有效值检波原理图2I U现在学习的是第37页，共123页 表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别称为称为称为称为测量热电偶和平衡热电偶测量热电偶和平衡热电偶测量热电偶和平衡热电偶测量热电偶和平衡热电偶，形成一个电压负反馈系统。，形成一个电压负反馈系统。，形成一个电压负反馈系统。，形成一个电压负反馈系统。E E E
48、 Ex x x x=k=k=k=k1 1 1 1U U U U2 2 2 2 ；E E E Ef f f f=k=k=k=k2 2 2 2U U U Uo o o o2 2 2 2 ；假如两对热偶假如两对热偶假如两对热偶假如两对热偶具有相同特性，具有相同特性，具有相同特性，具有相同特性，即即即即k k k k1 1 1 1=k=k=k=k2 2 2 2=k=k=k=k，=则差放输入电压则差放输入电压则差放输入电压则差放输入电压V V V Vi i i i=E=E=E=Ex x x x-E-E-E-Ef f f f=k(U=k(U=k(U=k(U2 2 2 2-U-U-U-Uo o o o2 2
49、 2 2)放大器增益足够大放大器增益足够大放大器增益足够大放大器增益足够大则有则有则有则有V V V Vi i i i=0,=0,=0,=0,=U U U Uo o o o=U=U=U=U 即输出电压等于即输出电压等于u(t)u(t)有效值有效值U U，从而实现了有效值电压表的线性化，从而实现了有效值电压表的线性化刻度，有效值电压表的读数为被测电压的有效值。刻度，有效值电压表的读数为被测电压的有效值。U0现在学习的是第38页，共123页 有效值电压表的特点有效值电压表的特点1 1 1 1 理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数理论上
50、不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。与波形无关）。与波形无关）。与波形无关）。对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成，若其有对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成，若其有对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成，若其有对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成，若其有效值分别为效值分别为效值分别为效值分别为V V V V1 1 1 1,V,V,V,V2 2 2 2,V,V3 3 3 3、，则读数，则读数，则读数，则读数2 2 2 2 但实际有效值电压表，下面两种情况使读数偏小：但实际有效值电压表，下面两种情况使读数偏小：但实际有