电子测量第5章

第5章电压的测量5.1概述•电压、电流和功率是表征电信号能量大小的三个基本参数，其中又以电压最为常用。•要正确测量电压值，必须先了解被测电压的特征和测试要求，选用适当的电压测量仪器、采用切实可行的测量方法，才能较好地完成测量任务。1．电压的主要特征•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2．交流电压的量值表示•一个交流电压的大小，可用多种方式来表示，如平均值、峰值和有效值。0.7070.637UP-PUPUU图5.2正弦波参数表示图3．交流电压量值相互转换•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UUKF•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UUKPP4．常用电压测量仪器•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•是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。•数字式电压表具有高精度、量程宽、显示位数多、分辨率高、易于实现测量自动化等优点，在电压测量中也占据了越来越重要的地位。5.2模拟式电压表•5．2．1简单模拟直流电压表•1．单量程电压表•2．多量程电压表图5.3单量程直流电压表原理图正弦波参数表示图+－RVRgI图5.4多量程直流电压表原理图RV1－RgIU1U2U3U4RV2RV3RV45．2．2简单模拟交流电压表•模拟式万用表的交流电压档可用于进行交流电压的测量。•模拟式交流电压表的原理与模拟式直流电压表类似，只不过增加了整流电路。模拟式交流电压表先将交流电流变换成直流电流，然后采用串联电阻的方法构成多量程电压表。5.3电子电压表•电子电压表是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。与万用表相比，电表的测量灵敏度大为提高，特别是扩大了测量量程的下限。5．3．1概述•1．电子电压表的结构•①放大-检波式图5.5放大-检波式电压表组成框图阻抗变换电路被测信号分压器宽带放大器检波器Rg②检波-放大式图5.6检波-放大式电压表组成框图被测信号分压器直流放大器检波器Rg2．电子电压表的性能指标•（1）工作频率范围•（2）灵敏度和量程•（3）准确度和工作误差•（4）输入阻抗5．3．2电子电压表分压器•当被测电压较高时，需用分压器将较高的电压变成低电压。特别是为了适应多量程测量，分压器常做成多档步进式。•1．可变分压器，也常称为低阻分压器。•2．补偿式分压器，也称作高阻分压器。5．3．3电子电压表检波器•1．峰值检波器•对被测电压进行检波，使检波后的直流电压正比于输入的交流电压的峰值。•2．均值检波器•均值检波器是对放大后的被测电压进行检波，使检波后的直流电压正比于输入交流电压的平均值。3．有效值-直流变换电路•（1）分段逼近式检波器•采用二极管的链式电路，使二极管轮流导通，获得近似平方律的伏安特性。•（2）热电偶式变换电路•热电偶两端由于存在温差产生热电动热，让直流电流正比于所产生的热电动势。即电流不正比于被测电压的有效值，而是正比于被测电压有效值的平方。5．3．4电子电压表放大器•电子电压表中的放大器应具有的特点是：输入阻抗高、频带宽、动态范围大、线性好。为满足上述要求，电路中常采取一些措施。如前置级采用射极输出器或源极输出器，用较高的电源供电，采用饱和压降小的三极管和选取合适的静态工作点以扩大动态范围等等。5．3．5三种检波方式电压表的比较•峰值电压表、均值电压表和有效值电压表各有其特点，测量时应结合被测信号特点合理选择，以获得最佳测量效果。•1．峰值电压表•2．均值电压表•3．有效值电压表5.4数字式多用表图5.13数字多用表的框图VDCKI-DC变换器Ω-DC变换器数字电压表AC-DC变换器VACIΩ5．4．1数字电压表的分类•1．斜坡式数字电压表•2．双积分式数字电压表•3．比较式数字电压表•4复合式数字电压表5．4．2数字电压表的主要技术指标•1．测量范围•（1）显示位数（2）量程的范围•（3）超量程能力•2．分辨率•3．测量速率4．输入特性•5．抗干扰能力6．固有误差和工作误差5．4．3数字电压表的工作原理图5.14数字电压表的组成框图模拟部分被测信号A/变换器逻辑控制电路计数器输入电路显示器时钟信号发生电路数字部分2．逐次逼近比较式DVM的基本原理图5.15逐次逼近比较式A/D转换框图D/A转换器_+_-+A逻辑控制电路输出缓冲器并行数字输出（MSB）（LSB）基准电压Vref模拟输入ux钟脉冲起始脉冲模拟输入ux模拟输入ux逐次逼近寄存器SAR3．双积分式DVM基本原理•双积分型A/D转换器是在V-T变换型中用得最多的A/D转换器。•V-T变换原理是用积分器将被测电压转换为时间间隔，然后用电子计数器在此间隔内累计脉冲数，数字显示测量结果，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。-++∞KUOR2逻辑控制休止脉冲转换控制时钟脉冲源计数译码显示（MSB）（LSB）数字量输出过零比较器CR1Vref–Vrefux输入电路图5.18双积分型A/D转换器的原理框图5.5电压测量的应用•5．5．1直流电压的测量•直流电压的测量一般可采用直接测量法和间接测量法两种。直接测量法测量时，将电压表直接并联在被测支路的两端，如果电压表的内阻为无限大，则电压表的示值即是被测支路两点间的电压值；间接测量法则是先分别测量两端点的对地电位，然后求两点的电位差，差值即为要测量的电压值。•1．用数字式万用表测量直流电压•2．用模拟式万用表测量直流电压•3．用零示法测量直流电压•4．用电子电压表测量直流电压•5．用示波器测量直流电压•6．微安法测量直流电压•7．含交流成分的直流电压的测量5．5．2交流电压的测量•交流电压的测量一般可分为两大类，一类是具有一定内阻的交流信号源，另一类是电路中任意一点对地的交流电压。•交流电压的常用测量方法有电压表法和示波器法。1．交流电压表法•交流电压表分为模拟式与数字式两大类。不论是模拟式还是数字式交流电压表，测量交流电压时都是先将交流电压经过检波器转换成直流电压后再进行测量。•①模拟式万用表测量交流电压•②示波器测量交流电压5．5．3分贝的测量•1．电平的概念•①绝对功率电平②相对功率电平•③相对功率电平与绝对功率电平之间的关系④绝对电压电平•⑤相对电压电平•⑥绝对电压电平与相对电压电平的关系•⑦绝对电压电平与绝对功率电平的关系2．采用电平概念的意义•如希望同时显示一组幅值很大和幅值很小的信号，而使用分贝作为单位，可以把大范围内的幅值压缩到较小的范围。这样，就可同时看到最大值和最小值的的所有振幅。3．电平与电压的关系•电平的测量实际上也是电压的测量。任何一块电压表都可以作为测量电压电平的电平表，只是表盘的刻度不同而已。电平表和交流电压表上dB刻度线都是按绝对电压电平刻度，要注意的是电平刻度是以1mW功率消耗于600Ω电阻为零分贝进行计算的，即0dB＝0.775V。4．分贝的测量方法和刻度•分贝测量实质上是交流电压的测量，与电压表不同的只是电表的读数是以分贝（dB）刻度。5．5．4失真度的测量•1非线性失真和线性失真•线性失真又称为频率失真，是由于器件内部电抗效应和外部电抗元件的存在，使得电路对同一信号中不用的频率分量的传输系数不同或相位移不同而引起的。线性失真一般采用频率特性来描述。•非线性失真是由于器件的非线性引起的。两种失真的区别在于非线性失真使得电路的输出信号中产生了不同于输入信号的新的频率成分；线性失真则不会产生新的频率成分。非线性失真一般用非线性失真系数来描述。2非线性失真系数的定义•非线性失真系数，也称为失真度，可以衡量非线性失真的大小。定义为%100....122322UUUUn3抑制基波法测量非线性失真图5.22简单的失真度仪测试仪被测信号输入电路电压表带阻滤波器电路12标准电位器5．5．5噪声电压的测量•在电子测量中，习惯上把信号电压以外的电压统称为噪声。从这个意义上说，噪声应包括外界干扰和内部噪声两大部分。•1．用交流电压表测量噪声电压•2．用示波器测量噪声电压•谢谢！