第七章电压的测量.

第七章电压测量§7.1概述一、电压测量的重要性电压是一个基本物理量，是集总电路中表征电信号能量的三个基本参数（电压、电流、功率）之一，电压测量是电子测量中的基本内容。在电子电路中，电路的工作状态如谐振、平衡、截止、饱和以及工作点的动态范围，通常都以电压形式表现出来。电子设备的控制信号、反馈信号及其它信息，主要表现为电压量。在非电量的测量中，也多利用各类传感器件装置，将非电参数转换成电压参数。电路中其他电参数，包括电流和功率，以及如信号的调幅度、波形的非线性失真系数、元件的Q值、网络的频率特性和通频带、设备的灵敏度等等，都可以视作电压的派生量，通过电压测量获得其量值。最后也是最重要的，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。作为比较，电量测量就不具备这些优点，首先需要把电流表串接在被测支路中，很不方便，其次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。由此不难得出结论：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。二、电压测量的特点第一章中介绍的电子测量的基本特点，同样在电压测量中得到体现，电压测量的特点就对电压测量的主要仪器——电压表的性能，提出了相应的要求。这些主要包括下面几个方面。⒈频率范围电子电路中电压信号的频率范围相当广，除直流外，交流电压的频率从Hz(甚至更低)到Hz，频段不同，测量方法手段也各异。⒉测量范围电子电路中待测电压的大小，低至v，高到几十伏，几百伏甚至上千伏。信号电压电平低，就要求电压表分辨力高，而这些又会受到干扰、内部噪声等的限制。信号电压电平高，就要考虑电压表输入级中加接分610910910压网络，而这又会降低电压表的输入阻抗。⒊信号波形电子电路中待测电压的波形，除正弦波外，还包括失真的正弦波以及各种非正弦波（如脉冲电压等），不同波形电压的测量方法以及对测量准确度的影响是不一样的。⒋被测电路的输出阻抗由待测电压两端看去的电子电路的等效电路，可以用图7.1-1（b）表示，其中为电路的输出阻抗，为电压表的输入阻抗。在实际的电子电路中，的大小不一，有些电路很低，可以小于几十欧姆，有些电路ozizozoz很高，可能大于几百千欧，前面已经讲过，电压表的负载效应对测量结果的准确度有影响，尤其是对输出阻抗比较高的电路。ozoz被测电路电压表xu＋－（a）（b）xuoziciR＋－图7图7.1-1电压表测量电压及其等效电路⒌测量精度由于被测电压的频率、波形等因素的影响，电压测量的准确度有较大差异。电压值的基准是直流标准电压，直流测量时分布参数等的影响也可以忽略，因而直流电压测量的精度较高。目前利用数字电压表可使直流电压测量精度优于量级。但交流电压测量精度要低得多，因为交流电压须经交流/直流（AC/DC）变换电路变成直流电压，交流电压的频率和电压大小对AC/DC变换电路的特性都有影响。710同时高频测量时分布参数的影响很难避免和准确估算，因而目前交流电压测量的精度一般在量级。⒍干扰电压测量易受外界干扰影响，当信号电压较小时，干扰往往成为影响测量精度的主要因素，相应要求高灵敏度电压表（如数字式电压表、高频毫伏表等）必须具有较高的抗干扰能力，测量时也要特别注意采取相应措施（例如正确的接线方式，必要的电磁屏蔽），以减少外界干扰的影响。210～410三、电压测量仪器的分类⒈按显示方式分类电压测量仪器只要指各类万用表。在一般工频（50Hz）和要求不高的低频（低于几十kHz）测量时，可使用一般万用表电压档，其他情况大都使用电子电压表。按显示方式不同，电子电压表分为模拟式电子电压表和数字式电子电压表。前者以模拟式电表显示测量结果，后者用数字显示器显示测量结果。模拟式电压表准确度和分辨力不及数字式电压表，但由于结构相对简单，价格较为便宜，频率范围也宽，另外在某些场合，并不需要准确测量电压的真实大小，而只需要知道电压大小的范围或变化趋势，例如作为零示器或者谐振电路调谐时峰值、谷值的观测，此时用模拟式电压表反而更为直观。数字式电压表的优点表现在：测量准确度高，测量速度快，输入阻抗大，过载能力强，抗干扰能力和分辨率优于模拟电压表。此外，由于测量结果是数字形式输出、显示，除读数直观外，还便于和计算机及其他设备联用组成自动化测试仪器或自动测试系统。目前由于微处理器的运用，高中档数字式电压表已普遍具有数据存贮、计算及自检、自校、自动故障诊断功能，并配有IEEE-488或RS232C接口，很容易构成自动测试系统。数字式电压表当前存在的不足是频率范围不及模拟式电压表。除上面介绍的按显示方式进行的分类外，还有下述几种分类方法。⒉模拟式电压表分类（1）按测量功能分类分为直流电压表、交流电压表和脉冲电压表。其中脉冲电压表主要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测量已逐渐被示波器测量所取代。（2）按工作频段分类可分为超低频电压表（低于10Hz）、低频电压表（低于1MHz）、视频电压表（低于30MHz）、高频或射频电压表（低于300MHz）和超高频电压表（高于300MHz）。（3）按测量电压量级分类分为电压表和毫伏表。电压表的主量程为V（伏）量级，毫伏表的主量程mV（毫伏）。主量程是指不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程。（4）按电压测量准确度等级分类分为0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0和10.0等级，其满度相对误差分别为0.05%、0.1%、...、10.0%。（5）按刻度特性分类可分为线性刻度、对数刻度、指数刻度和其他非线性刻度。此外，还可以按测量原理分类。这将在交流电压测量中介绍。按现行国家标准，模拟电压表的主要技术指标有固有误差、电压范围、频率范围、频率特性误差、输入阻抗、峰值因数（波峰因数）、等效输入噪声、零点漂移等共19项。⒊数字式电压表数字式电压表目前尚无统一的分类标准。一般测量功能分为直流数字电压表和交流数字电压表。交流数字电压表按其AC/DC变换原理分为峰值交流数字电压表、平均值交流数字电压表和有效值交流数字电压表。数字式电压表的技术指标较多，包括准确度、基本误差、工作误差、分辨力、读数稳定度、输入阻抗、输入零电流、带宽、串模干扰抑制比（SMR）、共模干扰抑制比（CMR）、波峰因数等30项指标。在本章后面的几节中，我们将分别介绍直流电压、交流电压、和脉冲电压的测量原理和测量仪器。因为不同的测量仪器是基于不同的测量原理而后由电子电路实现的装置，所以我们把原理与仪器结合在一起加以叙述。§7.2模拟式直流电压测量一、动圈式电压表图7.2-1是动圈式电压表示意图。图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为，满偏电流（或满度电流）为，若作为直流电压表，满度电压=例如满偏电流为50A,电流表内阻为20K，则满偏电压为1V。为了扩大量程，通常串接ReImUmReIm若干倍压电阻，如图7.2-1中、、。这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程外，又增加了、、三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的阻值分别为（7.2-2）1R2R3R0U1U2U3U○AeR1R2R3R0U1U2U3U图7.2-1直流电压表电路11me221m332m(/)()/()/RUIRRUUIRUUI为了估计电压表的负载效应影响，在电压测量时要估计电压表内阻，而上述磁电式（动圈式）电压表的内阻与电压量程有关，而且也与电流表表头灵敏度有关。量程一定是表头越灵敏（即满偏电流越小）内阻就越大。通常把内阻与量程U之比定义为模拟磁电式电压表的“每伏欧姆（/V）数”,也称电压灵敏度。“/V”数越大，表明为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（如万用表电压档）电压表表盘上，可依据它推算出不同量程时电压表的内阻。如上面列举的数据例中=50则“/V”为“20k/V”，那么用10V电压档时vRmIA，电压表的内阻即为200k。由上面叙述不难看出，给出了“/V”,实际上也就给出了电流表的满偏电流。动圈式直流电压表的结构简单，使用方便。误差除来源于读数误差外，主要决定于表头本身和倍压电阻的精确度，一般在1%左右，精密电压表可达0.1%。其主要缺点是灵敏度不高和输入电阻低，当量程较低时，输入阻抗更小，其负载效应对被测电路工作状态即测量结果的影响不可忽略。相比之下，模拟式电子电压表可以有效地提高电压表的灵敏度和输入阻抗。有时也可以根据电路原理利用公式计算来消除电压表的负载效应，得到被测电压接近实际值的数据。【例一】在图7.2-2中，虚框内表示高输出电阻的被测电路，电压表的“/V”数为20k/V，分别用5V量程和25V量程测量端电压，分析输入电阻的影响及用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。VxU5VV＋－xU100k0RvR0E解：如果是理想情况，电压表内阻应为无穷大，此时电压表示值与被测电压实际值相等：当电压表输入电阻为时，电压表测得值：（7.2-3）相对误差为（7.2-4）将有关数据值代入上面两式，可得vRxU0EvR05xUEV00vxvREURR00000000vxvvREEUERRREERR5V电压档：25V电压档：120k/5100vRVVk111005.02.50100100100100%50%100100xUV220/25500vRkVVk2250054.17100500100100%16.7%100500xUV由此不难看出电压表输入阻抗尤其是低电压档时输入电阻对测量结果的影响。根据式（7.2-3），我们可以推导出消除负载效应影响的计算公式，进而计算出待测电压的近似值：（7.2-5）同理可得（7.2-6）1101010011vxvvvxRUERRRERRU20022vvxRERRU由此解出（7.2-7）式中（7.2-8）10201212vvvvxxRERERRUU2021(1)xxxkUEUkU21vvRkR因此，如果内阻不同的两只电压表，或者同一电压表的不同电压档（此时即等于电压量程之比），根据上述两式，即可由两次测得值得到近似的实际值。例如将本题中有关数据代入式（7.2-7），可得待测电压近似值除了利用上面的公式计算来消除负载效应之外，当然也可以其他除了方法，如零示法（如电桥）和微差法（比如利用微差电压表），但一般操作都比较麻烦，通常用在精密测量中。在工程21/vvkRR0E0(51)4.175.014.1752.5EV测量中提高输入阻抗和灵敏度以提高测量质量最常用的办法是利用电子电压表进行测量。二、电子电压表⒈电子电压表原理电子电压表中，通常使用高输入阻抗的场效应管（FET）源极跟随器或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度，当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。分压电路的接入将使输入电阻有所降低，但只要分压电阻取值较大，仍然可以使输入电阻较动圈式电压表大得多。图7.2-3是这种电子电压表的示意图。图中、、、组成分压器，由于FET源极跟随器输入电阻很大（几百以上），因此由测量端看进去的输入电阻基本上由、……等串联决定，通常使它们的串联和大于10，以满足高输入阻抗的要求。同时，在这种结构下，电压表的输入阻抗基本上是个常量，与量程无关。0R1R2R3RMxU0R1RM＋－源极跟随器FET放大器A0R1R2R3RmRk1U2U3U图7.2-3电子电压表框图图7.2-4是MF-65集成运放型电子电压表的原理图。图7.2-4集成运放电压表原理在第三章§3.3节我们曾对运放进行过理想化和分析。当运放开环放大系数A足够大时，可以认为，（虚短路和虚断路），因而有分压器及FET跟随器＋＋－＋－＋－＋－AAxUiUfUUmRFRFI0I1I0U0iI0iFFUUII所以（7