现代电子测量技术5.pptx
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1、5.1 5.1 概述概述511 电压测量的意义、特点 1)电压测量的重要性阐述电压测量的意义、重要性及应用。2)电压测量的特点从电压测量的频率、范围、要求等方面阐述其特点,这些特点也反映了电子测量的主要特点。第1页/共84页1 1)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、功率其中:电流、功率电压,再进行测量电路工作状态:饱和与截止,线性度、失真度电压表征非电测量中,物理量电压信号,再进行测量如:温度、压力、振动、(加)速度第2页/共84页2 2)电压测量的特点1.频率范围广:零频(直流)109Hz低
2、频:1MHz以下;高频(射频):1MHz以上。2.测量范围宽微弱信号:心电医学信号、地震波等,纳伏级(10-9V);超高压信号:电力系统中,数百千伏。3.电压波形的多样化电压信号波形是被测量信息的载体。各种波形:纯正弦波、失真的正弦波,方波,三角波,梯形波;随机噪声。第3页/共84页2 2)电压测量的特点4.阻抗匹配在多级系统中,输出级阻抗对下一输入级有影响。直流测量中,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。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;当测量大电阻时,应采用电流表串联方案。交流测量中,输入阻抗的不匹配引起信号反射。第4页/共84页2 2
3、)电压测量的特点5.测量精度的要求差异很大10-1至10-9。6.测量速度的要求差异很大静态测量:直流(慢变化信号),几次/秒;动态测量:高速瞬变信号,数亿次/秒(几百MHz)精度与速度存在矛盾,应根据需要而定。7.抗干扰性能工业现场测试中,存在较大的干扰。第5页/共84页5 51 12 2 电压测量的方法和分类2.电压测量方法的分类按对象:直流电压测量;交流电压测量 按技术:模拟测量;数字测量1)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)-直流电流-驱动表头-指示有效值、峰值和平均值电压表,电平表等。第6页
4、/共84页5 51 12 2 电压测量的方法和分类2)数字化直流电压测量方法模拟直流电压-A/D转换器-数字量-数字显示(直观)数字电压表(DVM),数字多用表(DMM)。3)交流电压的数字化测量交流电压(有效值、峰值和平均值)-直流电压-A/D转换器-数字量-数字显示DVM(DMM)的扩展功能。第7页/共84页5 51 12 2 电压测量的方法和分类4)基于采样的交流电压测量方法交流电压-A/D转换器-瞬时采样值u(k)-计算,如有效值式中,N为u(t)的一个周期内的采样点数。5)示波测量方法交流电压-模拟或数字示波器-显示波形-读出结果第8页/共84页5 52 2 电压标准 直流电压标准电
5、压和电阻是电磁学中的两个基本量。电压基准和电阻基准其他电磁量基准。电压标准有:标准电池(实物基准,10-6);齐纳管电压标准(固态标准,10-6);约瑟夫森量子电压基准(量子化自然基准,10-10)。电阻标准有:精密线绕电阻(实物标准);霍尔电阻基准(量子化自然基准,10-9)。第9页/共84页交流电压标准原理由直流电压标准建立。因而,需经过交流-直流变换。测热电阻桥式高频电压标准基本原理: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,其阻值将发生变化,再将一标准直流电压同样施加于该电阻,若引起的阻值变化相等,则高频电压的有效值就等于该直流电压。双测热电阻电桥的
6、原理图第10页/共84页5 53 3 交流电压的测量 531 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。峰值以零电平为参考的最大电压幅值(用Vp表示)。注:以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅,(通常用Um表示)。第11页/共84页5 53 31 1 表征交流电压的基本参量平均值(均值)数学上定义为:相当于交流电压u(t)的直流分量。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u(t)=Vpsin(t),若=2/T 第12页/共84页5 53 31 1 表征交流电压的基本参量有效值定义:交流电压u(t)在一
7、个周期T内,通过某纯电阻负载R所产生的热量,与一个直流电压V在同一负载上产生的热量相等时,则该直流电压V的数值就表示了交流电压u(t)的有效值。表达式:直流电压V在T内电阻R上产生的热量Q_=I2RT=交流电压u(t)在T内电阻R上产生的热量Q=由Q_=Q得,有效值第13页/共84页5 53 31 1 表征交流电压的基本参量有效值意义:有效值在数学上即为均方根值。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。对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t),若=2/T 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Kp表示,第14页/共84页5 53 31 1 表征交流电压的基本
8、参量波峰因数和波形因数对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t),若=2/T波形因数定义:有效值与平均值的比值,用KF表示,对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t),若=2/T第15页/共84页5 53 31 1 表征交流电压的基本参量波峰因数和波形因数常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到:如正弦波:Kp=1.41,KF=1.11;方波:Kp=1,KF=1;三角波:Kp=1.73,KF=1.15;锯齿波:Kp=1.73,KF=1.15;脉冲波:Kp=,KF=,为脉冲宽度,T为周期 白噪声:Kp=3(较大),KF=1.25。第16页/共84页5 53 32 2 交流/直流转换器的响应
9、特性及误差分析 1)交流/直流电压(AC-DC)转换原理 模拟电压表的交流电压测量原理:交流电压-直流电流(有效值、峰值和平均值)-驱动表头-指示。交流电压-有效值、峰值和平均值的转换,称为 AC-DC转换。由不同的检波电路实现。峰值检波原理由二极管峰值检波电路完成。有二极管串联和并联两种形式。如下图。第17页/共84页1 1)交流/直流电压(AC-DCAC-DC)转换原理二极管峰值检波电路(a.串联式,b.并联式,c.波形)第18页/共84页1 1)交流/直流电压(AC-DCAC-DC)转换原理二极管峰值检波电路工作原理通过二极管正向快速充电达到输入电压的峰值,而二极管反向截止时“保持”该峰
10、值。为此,要求:式中,Rs和rd分别为等效信号源u(t)的内阻和二极管正向导通电阻,C为充电电容(并联式检波电路中C还起到隔直流的作用),RL为等效负载电阻,Tmin和Tmax为u(t)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小的波动,其平均值略小于实际峰值。第19页/共84页1 1)交流/直流电压(AC-DCAC-DC)转换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。如图,整流电路输出直流电流I0,其平均值与被测输入电压u(t)的平均值成正比(与u(t)的波形无关)。(电容C用于滤除整流后的交流成分,避免指针摆动)第20页/共84页1 1)交流/直
11、流电压(AC-DCAC-DC)转换原理平均值检波原理以全波整流电路为例,I0的平均值为 式中,T为u(t)的周期,rd和rm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(它反映了检波器的灵敏度)。于是,I0的平均值 与u(t)的平均值 成正比。第21页/共84页1 1)交流/直流电压(AC-DCAC-DC)转换原理有效值检波原理利用二极管平方律伏安特性检波 根据 为得到有效值,首先需对u(t)平方 小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系。缺点:精度低且动态范围小。因此,实际应用中,采用分段逼近平方律的二极管伏安特性曲线图的电路。第22页/共84页1 1)交流/直流电压(AC-
12、DCAC-DC)转换原理利用模拟运算的集成电路检波 原理图通过多级运算器级连实现模拟乘法器(平方)积分开方比例运算。单片集成TRMS/DC电路,如AD536AK等。第23页/共84页1 1)交流/直流电压(AC-DCAC-DC)转换原理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,所产生的电动势称为热电动势。热电效应原理图当热端T和冷端T0存在温差时(即TT0),则存在热电动势,且热电动势的大小与温差T=T-T0成正比。第24页/共84页1 1)交流/直流电压(AC-DCAC-DC
13、)转换原理利用热电偶有效值检波热电偶: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)。热电偶温度测量原理:若冷端温度为恒定的参考温度,则通过热电动势就可得到热端(被测温度点)的温度。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,则热电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。第25页/共84页1 1)交流/直流电压(AC-DCAC-DC)转换原理热电偶有效值检波原理图图中,直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系:电流I热电动势热端与冷端的温差,而热端温度u(t)功率u(t)的有效值V的平方,故,第26页/共84页1 1)交流/直流电压(
14、AC-DCAC-DC)转换原理表头刻度线性化处理:采用两对相同的热电偶,分别称为测量热电偶和平衡热电偶,如下图。第27页/共84页1 1)交流/直流电压(AC-DCAC-DC)转换原理上图中,通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。测量热偶的热电动势ExV2,令Ex=k1V2;平衡热偶的热电动势EfVo2,及Ef=k2Vo2;假如两对热偶具有相同特性,即k1=k2=k,=则差分放大器输入电压Vi=Ex-Ef=k(V2-Vo2),若放大器增益足够大,则有Vi=0,=Vo=V(即输出电压等于u(t)有效值)有效值电压表的特点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)。第28页/共8
15、4页1 1)交流/直流电压(AC-DCAC-DC)转换原理有效值电压表的特点比如,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V1、V2、V3、,则读数但实际有效值电压表,下面两种情况使读数偏小:对于波峰因数较大的交流电压波形,由于电路饱和使电压表可能出现“削波”;高于电压表有效带宽的波形分量将被抑制。它们都将损失有效值分量。缺点:受环境温度影响较大,结构复杂,价格较贵。实际应用中,常采用峰值或均值电压表测有效值。第29页/共84页2 2)峰值电压表原理、刻度特性和误差分析 原理峰值响应,即:u(t)峰值检波放大驱动表头刻度特性表头刻度按(纯)正弦波有效值刻度。因此:当输入u(t)
16、为正弦波时,读数即为u(t)的有效值V(而不是该纯正弦波的峰值Vp)。对于非正弦波的任意波形,读数没有直接意义(既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V)。但可由读数换算出峰值和有效值。第30页/共84页2 2)峰值电压表原理、刻度特性和误差分析刻度特性由读数换算出峰值和有效值的换算步骤如下:第一步,把读数想象为有效值等于的纯正弦波输入时的读数,即第二步,将V转换为该纯正弦波的峰值第三步,假设峰值等于Vp的被测波形(任意波)输入,即注:“对于峰值电压表,(任意波形的)峰值相等,则读数相等”。第四步,由 ,再根据该波形的波峰因数(查表可得),其有效值第31页/共84页2 2)峰值电压表原理、刻度特性
17、和误差分析刻度特性上述过程可统一推导如下:该式表明:对任意波形,欲从读数得到有效值,需将乘以因子k。(若式中的任意波为正弦波,则k=1,读数即为正弦波的有效值)。第32页/共84页2 2)峰值电压表原理、刻度特性和误差分析刻度特性综上所述,对于任意波形而言,峰值电压表的读数没有直接意义,由读数到峰值和有效值需进行换算,换算关系归纳如下:式中,为峰值电压表读数,为波峰因数。波形误差。若将读数直接作为有效值,产生的误差。第33页/共84页3 3)平均值电压表原理、刻度特性和误差分析 原理均值响应,即:u(t)放大均值检波驱动表头刻度特性表头刻度按(纯)正弦波有效值刻度。因此:当输入u(t)为正弦波
18、时,读数即为u(t)的有效值V(而不是该纯正弦波的均值)。对于非正弦波的任意波形,读数没有直接意义(既不等于其均值也不等于其有效值V)。但可由读数换算出均值和有效值。第34页/共84页3 3)平均值电压表原理、刻度特性和误差分析刻度特性由读数换算出均值和有效值的换算步骤如下:第一步,把读数想象为有效值等于的纯正弦波输入时的读数,即第二步,由 计算该纯正弦波均值第三步,假设均值等于 的被测波形(任意波)输入,即注:“对于均值电压表,(任意波形的)均值相等,则读数相等”。第四步,由 ,再根据该波形的波形因数(查表可得),其有效值第35页/共84页3 3)平均值电压表原理、刻度特性和误差分析刻度特性
19、上述过程可统一推导如下:上式表明,对任意波形,欲从均值电压表读数得到有效值,需将乘以因子k。(若式中的任意波为正弦波,则k=1,读数即为正弦波的有效值)。第36页/共84页3 3)平均值电压表原理、刻度特性和误差分析刻度特性综上所述,对于任意波形而言,均值电压表的读数没有直接意义,由读数到峰值和有效值需进行换算,换算关系归纳如下:式中,为均值电压表读数,KF为波形因数。波形误差。若将读数直接作为有效值,产生的误差第37页/共84页4 4)实例分析 例 用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压,读数为1.0V,问如何从该读数得到方波电压的有效值?解 根据上述峰值电压表的刻度特性,由读数=
20、1.0V,第一步,假设电压表有一正弦波输入,其有效值=1.0V;第二步,该正弦波的峰值=1.4V;第三步,将方波电压引入电压表输入,其峰值Vp=1.4V;第四步,查表可知,方波的波峰因数Kp=1,则该方波的有效值为:V=Vp/Kp=1.4V。波形误差为:(可见若不换算,波形误差是很大的可见若不换算,波形误差是很大的可见若不换算,波形误差是很大的可见若不换算,波形误差是很大的)第38页/共84页4 4)实例分析例 用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压,读数为1.0V,问该方波电压的有效值为多少?解 根据上述均值电压表的刻度特性,由读数=1.0V,第一步,假设电压表有一正弦波输入,其有
21、效值 =1.0V;第二步,该正弦波的均值 =0.9=0.9V;第三步,将方波电压引入电压表输入,其均值 0.9V;第四步,查表可知,方波的波形因数 =1,则该方波的有效值为:0.9V。波形误差为第39页/共84页5 53 33 3 模拟式交流电压表模拟电压表组成方案检波器是实现交流电压测量(AC-DC变换)的核心部件,同时,为了测量小信号电压,放大器也是电压表中不可缺少的部件,因此,组成方案有两种类型:一种是先检波后放大,称为检波-放大式;一种是先放大后检波,称为放大-检波式。模拟电压表的两个重要指标:带宽和灵敏度(分辨力)。1)检波-放大式电压表组成框图第40页/共84页1 1)检波-放大式
22、电压表a.组成框图;b.提高灵敏度措施检波器决定电压表的频率范围、输入阻抗和分辨力。峰值电压表常用这种类型。第41页/共84页1 1)检波-放大式电压表检波器为提高频率范围,采用超高频二极管检波,其频率范围可从直流到几百兆赫,并具有较高的输入阻抗。检波二极管的正向压降限制了其测量小信号电压的能力(即灵敏度限制),同时,检波二极管的反向击穿电压对电压测量的上限有所限制。为减小高频信号在传输过程中的损失,通常将峰值检波器直接设计在探头中。放大器采用桥式直流放大器,它具有较高的增益。直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。第42页/共84页1 1)检波-放大式电压表放大器为提高灵敏度,采用高增益
23、、低漂移的直流放大器,如斩波稳零式直流放大器,其灵敏度可达几十微伏。称之为“调制式电压表”,如国产HFJ-8型高频毫伏表,最低量程为3mV,最高工作频率300MHz。主要指标:检波-放大式电压表常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表”。如国产DA36型超高频毫伏表,频率范围为10kHz1000MHz,电压范围(不加分压器)1mV10V。国产HFJ-8型高频毫伏表(调制式),最低量程为3mV,最高工作频率300MHz。第43页/共84页5 5)电压表的使用了解不同电压表的性能特点,根据应用场合加以选用。峰值电压表检波-放大式。峰值响应、频率范围较宽(达1000MHz)但灵敏度低(mV级)。“调制式
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