电子测量4第1部分

分析电压信号的特点、交流电压信号的表征形式和表征量值的相互转换；介绍直流电压、交流电压和电平的测量方案；对常用的模拟直流电压表、交流电压表、电子电压表的构成和工作原理进行分析；并介绍基于电压测量的其它参数的测量方法。了解电压信号的特点；掌握交流电压信号的表征形式和表征量值的相互转换；掌握电压测量仪器的工作原理，能提出电压测量系统方案。交流电压信号的表征形式和表征量值的相互转换。本章使用的主要仪器模拟万用表数字万用表有效值数字万用表图形万用表多重显示数字多用表台式数字多用表有效值电压(电平)表超高频毫伏表视频毫伏表电压是最常用的表征电信号能量大小的基本参数。电路中电流的状态可用电压形式来描述；电参数也可视为电压的派生量；许多电子测量仪器都用电压量作指示。因此，电压测量是其他许多电参数量，也包括非电参数量测量的基础，是相当重要和相当普及的一种参数测量。电压主要具有以下几个特征：①量值的范围宽②波形的多样化③频率各不相同④不同端点的输出阻抗不同⑤电压成分多样化常见的波形如图4.1所示。一个交流电压的大小，可用平均值、峰值和有效值等多种方式来表示。①峰值的基本概念交流电压的峰值，是指交流电压u(t)在一个周期内（或一段观察时间内）电压所达到的最大值。用Ù（或Up）表示。②平均值的基本概念平均值一般用Ū表示，Ū在数学上定义为(4-1)PUTdttuTU0)(1式中T－被测信号的周期；u(t)－被测信号，为时间的函数。对于一个纯粹的交流电压，正半周和负半周完全相同中，Ū等于零。此时，无法用平均值来表征电压的大小。交流电压的测量中，交流电压的平均值是指经过测量仪器的检波器后的全波平均值。定义为(4-2)TdttuTU0|)(|1③有效值的基本概念交流电压的有效值是指均方根值（rms)，用U或Urms表示。它的数学表示式为U=(4-3)它的物理意义为：在交流电压的一个周期，这个交流电压在某电阻负载中所产生的热能如果与一个直流电压在同样的电阻负载中产生的热能相等时，这个相当的直流电压值就是该交流电压的有效值。各类交流电压表的示值，除特殊情况外，都是用正弦有效值来刻度的。dttTu)(120.7070.637UUUPUPP图4.2正弦波参数表示图①波形因数KF电压的有效值与平均值之比称为波形因数KF，即(4-4)②波峰因数KP交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数KP，即(4-4)表4.1为几种典型的交流电压波形的参数。UUKFUUKPP序号名称波形因数KF波峰因数KP有效值平均值1正弦波1.111.414UP/—UP2半波整流1.472UP/—UP3全波整流1.111.414UP/—UP4三角波1.141.73UP/UP/24锯齿波1.141.73UP/UP/6方波11UPUP7白噪声1.243—UP——UP2121313.74222233表4.1几种典型的交流电压波形的参数①模拟式电压表一般是指“指针式电压表”，它把被测电压加到磁电式电流表，转换成指针偏转角度α的大小来度量。包括模拟万用表和电子电压表。另一种模拟测量是把被测量电压变换成图形高度来测量的仪表，如示波器等。②数字式电压表指把被测电压的数值通过数字技术，变换成数字量，然后用数码管以十进制数字显示被测量电压值。电路如图4.3所示。图中RV分压电阻，阻值为RV＝(U－Ig·Rg)/Ig(4-6)式中RV—串接的分压电阻；Ig—磁电式表头流过的电流；Rg—磁电式表头内阻。gggvIRIUR/)(RgRVI0图4.3单量程直流电压表原理图图4.4多量程直流电压表原理图RV4I0RgRV1RV2RV3U1U2U3U4图4.4所示为四量程的直流电压表。分压电阻分别以下式计算。RV1=——————RV2＝——————(4-7)RV3＝——————RV4＝——————U1–IgRgIgU2–U1IgU3-U2IgU4-U3Ig式中U1、U2、U3、U4——各量程的满量程电压。模拟式交流电压表使用时应注意：（1）交流电压灵敏度低于直流电压灵敏度，所以测量交流电压的误差大于测量直流电压的误差。（2）表盘上表针的偏转角度近似于交流电压的半波（或全波）整流电压平均值，但表盘上刻度是按正弦有效值刻度的。（3）模拟万用表测量交流电压的频率范围在44Hz－100Hz。（4）一般在交流电压低量程档刻度是非线性的，因此，交流电压10V档单独刻度。电子电压表在万用表的基础上加上放大环节，把微弱的被测电压加以放大，然后再利用磁电式表头进行测量的仪表。电子电压表一般由分压器、磁电式指示表头、检波器、放大器和整机电源等五部分组成。按检波器在放大器之前或之后，电子电压表有两种组成形式，即放大-检波式和检波-放大式。①放大-检波式（如图4.4所示。）放大-检波式的通频带一般为2Hz~10MHz，测量的最小幅值为几百微伏或几毫伏，因此一般称为低频毫伏表。图4.4放大-检波式电压表组成框图阻抗变换电路分压器宽带放大器检波器被测信号Rg②检波-放大式（如图4.6所示。）这种方案的主要特点是被测信号先检波后放大，其带宽可很宽，上限频率可达1000MHz，故有超高频毫伏表之称。图4.6检波-放大式电压表组成框图阻抗变换电路分压器直流放大器被测信号Rg（1）工作频率范围指电子电压表按规定的准确度进行测量的的电压范围。（2）灵敏度和量程量程是指电子电压表可以测量的电压范围；灵敏度则是指量程的下限。（3）准确度和工作误差电子电压表的准确度通常由基本误差、频率附加误差、温度附加误差等系统误差来表征。（4）输入阻抗指输入电阻Ri和输入电容Ci的并联值。可变分压器的电路如图4.7所示。这种分压器也常称为低阻分压器。uiu0R1R2R3R4R5K12345图4.7可变分压器的电路图4.8所示为补偿式分压器，也称作高阻分压器。C1uiR1R2C2u0图4.8补偿式分压器的电路补偿式分压器的分压比为输出电压u0与输入电压ui之比，也等于R1C1的并联阻抗Z1与R2C2的并联阻抗Z2的阻抗比。即当，即R1C1=R2C2时。输出响应为临界补偿状态，如4.9（a）所示。当，即R1C1R2C2时。输出响应为欠补偿状态，如4.9（b）所示。ZZZvvio212RRRCCC211211RRRCCC211211当，即R1C1R2C2时。输出响应为过补偿状态，如4.9（c）所示。RRRCCC211211(a)补偿合适的波形(b)欠补偿的波形(c)过补偿的波形图4.9不同补偿时的波形图峰值检波器检波后的直流电压UDC正比于输入的交流电压的峰值。图4.10峰值检波器电路12DRC+-Ui①工作原理实现峰值检波的基本电路如图4.10所示。波形如图4.11所示。uCUP图4.11峰值检波的波形图②刻度特性峰值检波器检波后的直流电压UDC正比于被测电压的峰值UP。而一般情况下，峰值电压表的读数刻度是按正弦波的有效值刻度的，即表头上的读数α正比于被测正弦信号的有效值。所以，采用峰值检波器的电压表进行测量时，读出的数据已通过一个因数KP～进行正弦波峰值－有效值的变换。式中α——电压表读数；U——正弦电压有效值；KP~——正弦电压的波峰因数。同理，当用峰值电压表测量非正弦波电压时，读数α更是没有直接意义，把读数值乘以KP~等于被测电压与正弦波对应的峰值。按“峰值相等则读数相等”的原则，再经过波形换算可求得被测波形的实际值。KUPPU~(4-10)均值检波器是对放大后的被测电压ux进行检波，使检波后的直流电压UDC正比于输入交流电压的平均值。①工作原理实现均值检波的基本电路如图4.12所示。uxD2D4D1D3图4.12均值检波器的电路设输入电压为Ux(t)，D1～D4具有相同的正向电阻Rd、相同的反向电阻为Rr，微安表内阻rm。于是正向平均电流为反向平均电流则为流过微安表为rRrRuImdTmdxUdttT22|)(|101rRrRuImrTmrxUdttT22|)(|102)2121(21rRrRIImrmdUI(4-11)通常，Rd为100~400Ω，rm为1~4kΩ，Rr≥300~400kΩ，故式（4-8）可简化为Ī≈———(4-12)2Rd+rmŪ②刻度特性均值检波后的直流电压UDC是正比于被测电压的平均值U的。而一般情况下，均值电压表的读数刻度也是按正弦波有效值刻度的，即表头上的读数α正比于被测正弦信号的有效值。所以，采用均值检波器的电压表进行刻度时，应通过一个因数KF~进行变换。α=U=KF～×Ū(4-14)式中α——电压表读数；U——正弦电压有效值；KF~——正弦电压的波形因数。与峰值电压表一样，只有测量正弦电压时，从电表上读得的数值才有实际意义。当用均值电压表测量非正弦波电压时，读数α没有直接意义，只有把读数值除以KF~才等于被测电压ux的平均值U。要求被测电压的有效值，须经过波形换算，按“平均值相等则读数相等”的原则。3.有效值-直流变换电路有效值—直流变换电路有分段逼近式检波器、热电偶式变换电路和模拟计算式变换电路。（1）分段逼近式检波器采用二极管的链式电路，适当选择直流电源和分压电阻值，使二极管轮流导通，获得近似平方律的伏安特性。TxdttTUu02)(1（2）热电偶式变换电路有效值—直流变换电路是根据热电变换原理来完成交流电压有效值到直流电流之间变换的。（3）模拟计算变换式即利用集成乘法器、积分器和开方器等计算电路，按公式，直接完成有效值的运算。例3.2.1用平均值表（全波式）分别测量方波及三角波电压，电压表均指在10V位置，问被测电压的有效值分别是多少？对于方波，先将示值（10V）折算成正弦波的平均值再用波形系数换算成有效值。对于三角波，因示值与方波相同，表明它的平均值也是9V,有效值（1）输入阻抗高，可达数兆欧姆，工作频率宽，高频可达数百MHz以上，低频小于10KHz。（2）读数按正弦有效值刻度，只有测量正弦电压时，其有效值才是被测波形得真正有效值。测量非正弦电压时，其有效值必须通过波形换算获得。（3）波形误差大。（4）读数刻度不均匀，因为它是在小信号时进行检波。（1）均值检波器的输入阻抗低，必须采用过阻抗变换来提高电压表的输入阻抗。工作频率一般为20Hz～1MHz。（2）读数是按正弦波有效值刻度，只有测量正弦电压时，读数才正确，若测量非正弦电压，也要进行波形换算。（3）波形误差相对不大。（4）因为是对大信号进行检波，读数刻度均匀。（1）读数是按正弦电压有效值刻度，测量正弦波或非正弦电压的有效值，可直接从表上读数，无需换算。（2）输入阻抗高，工作频率在峰值与均值电压表之间。高频可达几十MHz，低频小于40Hz。