第4章 电子电压表

电子测量1第4章电子电压表教学目的和要求本章主要讲述了对各种电压的测量方法、测量所用的仪表的基本组成和原理以及仪表的使用方法。要求同学们重点掌握电压的基本测量原理、各种仪表的基本组成及正确使用。关键词汇电压测量(voltagedetect)、峰值(peakvalue)、平均值(averagevalue)、有效值(efficientvalue)、AC/DC转换(AC/DCconvert)、A/D转换(A/Dconvert)。4.1概述电压、电流、功率是表征电信号能量大小的三个基本参量。在电子电路中，只要测量出其中一个参量就可以根据电路的阻抗求出其它二个参量。考虑到测量的方便性、安全性、准确性等因素，几乎都用测量电压的方法来测定表征电信号能量大小的三个基本参量。此外，许多参数，例如频率特性、谐波失真度、调制度等都可视为电压的派生量。所以电压的测量是其它许多电参量，也包括非电量测量的基础。电压测量主要是采用电子电压表对正弦电压的稳态值及其它典型的周期性非正弦电压参数进行测量。本章重点讨论模拟和数字式两种电压表的结构、原理和使用方法。4.1.1电压测量的特点和基本要求电子电路中的电压具有频率范围宽、幅度差别大、波形多样化等特点，所以对测量电压时所采用的电子电压表也提出了相应的要求，主要有：（1）频率范围宽被测信号电压的频率可以从0Hz到几千兆赫茲范围内变化，这就要求测量信号电压仪表的频帶要覆盖较宽的率频范围。（2）测量电压范围广通常，被测信号电压小到微伏级，大到千伏以上。这就要求测量电压仪表的量程相当宽。电压表所能测量的下限值定义为电压表的灵敏度，目前只有数字电压表才能达到微伏级的灵敏度。（3）输入阻抗高电子测量2电压测量仪表的输入阻抗是被测电路的附加并联负载。为了减小电压表对测量结果的影响，就要求电压表的输入阻抗很高，即输入电阻大，输入电容小，使附加的并联负载对被测电路影响很小。（4）测量精度高一般的工程测量，如市电的测量、电路电源电压的测量等都不要求高的精度。但对一些特殊电压的测量确要求有很高的测量精度。如对A/D变換器的基准电压的测量，对稳压电源的稳压系数的测量都要求有很高的测量精度。（5）抗干扰能力強测量工作一般都在存在干扰的环境下进行，所以要求测量仪表具有较強的抗干扰能力。特别是高灵敏度、高精度的仪表都要具备很強的抗干扰能力，否则就会引入明显的测量误差，达不到测量精度的要求。对于数字电压表来说，这个要求更为突出。4.1.2电子电压表的分类电压表按其工作原理和读数方式分为模拟式电压表和数字式电压表两大类。（1）模拟式电压表模拟式电压表又叫指针式电压表，一般都采用磁电式直流电流表头作为被测电压的指示器。测量直流电压时，可直接或经放大或经衰减后变成一定量的直流电流驱动直流表头的指针偏转指示。测量交流电压时，必需经过交流-直流变换器即检波器，将被测交流电压先转换成与之成比例的直流电压后，再进行直流电压的测量。模拟式电压表按不同得方式又分为如下几种类型：①按工作频率分类：分为超低频（1kHz以下）、低频（1MHz以下）、视频（30MHz以下）、高频或射频（300MHz以下）、超高频（300MHz以上）电压表。②按测量电压量级分类：分为电压表（基本量程为V量级）和毫伏表（基本量程为mV量级）。③按检波方式分类：分为均值电压表、有效值电压表和峰值电压表。④按电路组成形式分类：分为检波-放大式电压表、放大-检波式电压表、外差式电压表三类。图4.1检波-放大式电压表方框图电子测量3a、检波-放大式：电路结构如图4.1所示。它将被测电压Ux先变成直流电压，再经直流放大器放大，然后驱动直流微安表指针偏转。电压表的频带宽度主要取决于检波电路的频率响应。通常所称“高频电压表”或“超高频电压表”都属于这一类。由于二极管导通时有一定的起始电压，电表刻度的非线性，如采用普通直流放大器会有零点漂移，故其灵敏度不高，不适宜测小信号。b、放大-检波式：这种类型的电压表方框图见图4.2。图4.2放大-检波式电压表方框图被测电压先经宽带放大器放大，然后再检波，变成直流电信号，驱动微安表指针偏转。这种电压表灵敏度由于先行放大而提高，但受放大器内部噪声的限制；其频率范围主要受放大器带宽的限制，典型的频率范围为20HZ～10MHZ,称“视频毫伏表”。c、外差式电压表：前面所讲的检波-放大式和放大-检波式两种电压表，频率响应和灵敏度互相矛盾，很难兼顾，这可以通过外差测量方法来解决。外差式电压表的电路结构图如图4.3所示，其原理与外差式收音机相似。被测信号通过输入电路（包括输入衰减器及高频放大器）在混频器中与本机振荡器的振荡信号混频，输出的中频信号经中频放大器选频放大，然后检波，驱动微安表指针偏转。图4.3外差式电压表方框图外差测量法的中频是固定不变的，中频放大器有良好的选择性和相当高的增益，这样就解决了放大器的带宽与增益的矛盾，削弱噪声的影响，提高了测量灵敏度，扩展了频率范围。一般的高频微伏表属于这一类。特别注意：不管哪类模拟式电压表，都要将被测信号电压转换成直流电流通过表头才能测量出电压结果。所以，测量机构(表头)、测量线路以及转换开关是模拟式电压表不可缺少的组成部分。（2）数字式电压表数字式电压表实际上就是一种用A/D变換器作测量机构，用数字显示器显示测量结果的电压表。测量交流电压及其它电参量的数字式电压表必须在A/D变換器之前对被测电参量进行转换处理，将被测电电子测量4参量变換成直流电压。A/D变換器是数字式电压表的核心部分，它的变換精度、分辨力、抗干扰能力直接影响数字式电压表的测量精度、灵敏度和抗干扰能力。数字电压表一般按功能分为直流数字电压表和交流数字电压表。直流数字电压表按A/D（模拟/数字）转换器方式分为比较型、积分型和复合型。交流数字电压表按AC/DC（交流/直流）变换原理分为峰值型、平均值型和有效值型交流数字电压表。4.2模拟式交流电压表4.2.1交流电压的基本参数交流电压的峰值、平均值和有效值是交流电压的基本参数，一个交流电压的幅度特性可用峰值、平均值、有效值基本参数和其基本参数的相互关系的波形因数、波峰因数五个参数来表征。（1）峰值PU一个周期性交流电压u(t)在一个周期内所出现的最大瞬时值称为该交流电压的峰值Up。峰值Up是参考零电平计算的。有正峰值和负峰值之分，分别用Up+和Up-表示。含直流分量的交流电压，其正峰值Up+和负峰值Up-的绝对值大小是不相等的；与交流电压的振幅值Um也是不相等的。但当交流电压的直流分量为零时，其正峰值Up+和负峰值Up-的绝对值及交流电压的振幅值Um都是相等的。这里要特别注意峰值Up与振幅Um的区别，区别点在参考电平不相同，峰值Up是相对于零电平值，而振幅Um是相对于直流分量值。不同情况下的峰值与振幅值的含义如图4.4所示。图4.4交流电压的峰值与振幅值电子测量5（2）平均值U交流电压的平均值在数学上定义为U＝TdttuT0)(1(4.1)显然，不含直流分量的正弦信号的电压平均值为零。用这种定义来表征正弦信号的幅度特性就没有实际意义的，所以在实际的测量中是用检波后的平均值来表征正弦信号的幅度特性。检波分半波检波和全波检波两种，检波后的波形如图4.5所示。（a）全波检波波形（b）半波检波波形图4.5正弦信号经检波后的波形通常用全波检波后的波形的平均值来表征正弦信号的幅度特性，故有：U＝dttuTT0)(1(4.2)半波检波后的平均值是全波检波后的平均值的一半，即为正弦信号电压平均值的一半。上述以理想正弦信号为典型例子来定义平均值，实际上各种交流信号波形电压的平均值都是用（4.2）式定义。（3）有效值U交流电压的有效值理论上定义为：在交流电压的一个周期内，该交流电压在一纯电阻负载中产生的热量与一个直流电压在同样情况下产生的热量相等时，则定义这个直流电压值为该交流电压的有效值。数学上交流电压的有效值定义为它的均方根值。U＝TdttuT02)(1(4.3)没有特殊说明时，交流电压的测量值都是指有效值。（4）波形因数fK交流电压的有效值与平均值之比称为该交流电压的波形因数，用fK表示。电子测量6fK＝UU(4.4)正弦信号的波形因数fK＝11.1三角波的波形因数fK＝32方波信号的波形因数fK＝1（5）波峰因数PK波峰因数PK定义为峰值与有效值之比PK＝UUP(4.5)正弦信号的波峰因数PK＝2三角波的波峰因数PK＝3方波信号的波峰因数PK＝14.2.2均值型电压表在均值型电压表内，电压的平均值指被测电压经检波后的平均值，这通常是对全波检波而言，即输入电压的绝对值在一个周期的平均值。U＝dttuTT0)(1（4.6）均值电压表一般采用放大-检波式电路组成低频电压表，或采用外差式电路组成高频微伏表。（1）检波器电路电子电压表内常用的均值检波器电路如图4.6所示，图（a）为桥式电路，图（b）中使用了两只电阻代替图（a）中的两只二极管，称半桥式电路。电子测量7图4.6均值检波器原理图均值响应检波器输出平均电流outI正比于输入电压的平均值。由于电流表动圈转动的惯性，其指针将指示outI的值。为了使指针稳定，在表头两端跨接滤波电容，滤去检波器输出电流中的交流成分。（2）定度系数和波形换算考虑到正弦波是最基本的和应用最普通的波形以及有效值的实际意义，几乎所有的交流电压表都是按照正弦波电压有效值定度的。显然，如果检波器不是有效值响应，则有标称值（即示值U）与实际响应值之间存在一个系数，此系数即为定度系数，记作K。对于均值响应检波器，在额定频率下加正弦波电压时的示值U＝UK(4.7)所以K＝UU＝fK＝11.1(4.8)由此可知，如果用均值电压表测量纯正弦波电压，其示值U就是被测电压正弦波的有效值。如果被测电压是非正弦波电压时，其示值并无直接的物理意义，只有把示值经过换算后，才能得到被测电压的有效值。首先按“平均值相等示值也相等”的原则将示值U折算成被测电压的平均值：U＝UKU9.0（4.9）再用波形因数fK（如果被测电压的波形已知）求出被测电压的有效值：xU＝UKUKff9.0(4.10)综上所述，波形换算的方法是：当测量任意波形电压时，将测量结果（即表盘上的示值）先除以定度系数折算成被测电压的平均值，再乘以被测电压的波形因数（如果被测电压的波形已知）即可得到被测的非正弦电压有效值。对于采用全波检波电路的电压表来说电子测量8xUUKf9.0(4.11)【例4.1】用全波式均值表分别测量方波及三角波电压，示值均为1V，问被测电压的有效值分别为多少？解：（1）对于方波UU9.0＝9.0VxU＝UKf＝9.0V（2）对于三角波UU9.0＝9.0VxU＝UKf＝32×9.0＝035.1V（3）误差分析均值电压表误差的主要来源有：指示电流表的误差，检波二极管的不稳定性以及被测电压超过频率范围及波形所造成的误差，这里着重分折波形误差。以全波均值表为例，当以示值U作为被测电压的有效值xU时所引起的绝对误差为U＝U－UKf9.0＝（1－fK9.0）U示值相对误差uu＝UUKf)9.01(＝1—fK9.0(4.12)当被测电压为方波时(fK＝1)u＝1—fK9.0＝10％即产生＋10％的误差。当被测电压是三角波时(fK＝32＝15.1)u＝1—fK9.0＝1－9.0×15.1－5.3％电子测量9即产生－3.5％的误差。由上述可见，对于不同的波形，所产生的误差大小和方向是不同的。不过，如果知道检波器的类型及被测电压的波形因数，进行换算也是很方便的。4.2.3有效值电压表（1）检波式有效值电压表的基本原理电压有效值的定义是U＝TdttuT02)(1(4.13)如果通过检波器来实现，就要求这种检波器具有平方律关系的伏安特性。图4.7给出一种基本电路形式。图（a）利用二极管正向特性曲线的起始部分，得到近似平方关系。选择合适的偏压E0（大于被测电压ux(t)的峰值），可得到图（b）所示波形图。设检波二极管D的检波系数为k，则流过它的电流i＝20)(tuEkx(4.14