第5章 电子电压表

第5章电压测量仪器•5.1概述(电压测量仪器的特点）•5.2数字式电压表•5.3模拟式电子电压表•5.4脉冲电压的测量•习题五5.1概述（电压测量仪器的特点）•电压是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。•l.频率范围•电子电路中电压信号的频率范围相当广:•直流、交流（几赫兹-几百兆赫兹）•HFJ-8D:5Hz-1GHz;1mv-10v•2．测量范围•十几微伏-几百伏3．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)。4．高输入阻抗电阻大于10MHz；电容小于50PF5．测量精度交流电压测量精度：10-2～10-4直流数字电压表测量精度：10-6～10-7图5-1电压表输入阻抗等效电路Ri尽量大，Ci尽量小6．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。5.2数字式电压表5.2.1数字式电压表(DVM)的组成原理图5.2数字电压表组成框图•1．直流数字式电压表•直流数字电压表的组成如图5.2所示。图中模拟部分包括输入电路(如阻抗变换，放大电路、量程控制)和A／D变换器，A／D完成模拟量到数字量的转换。数字部分完成逻辑控制，译码(比如将二进制数字转换成十进制数字)和显示等功能。•2．数字多用表(DMM)•在数字直流电压表前端配接相应的转换器：•交流—直流转换器(AC／DC)；•电流—电压转换电路(I/V)；•电阻—电压转换电路(Ω／V)，•构成数字多用表，如图5.3所示。图5.3数字式多用表组成框图(1)线性AC／DC变换器平均值AC／DC和有效值AC／DC。有效值AC／DC可以采用热偶变换式和模拟计算式。平均值AC／DC通常利用负反馈原理以克服检波二极管的非线性，以实现线性AC／DC转换。图5.4是线性平均值检波器的原理，其中图a为运算放大器构成的负反馈放大器。这里用它说明图b半波线性检波的原理。设运放的开环增益为k，并假设其输入阻抗足够高，则：ioxiiokuuRuuRuu12xouRkRkRu122)1(解得：一般k1(通常k在105-108之间)，因此上式简化为：xouRRu12图5.4线性检波原理图5.5线性平均值AC／DC框图(2)I／V变换器xsIRRRU)1(120xxIRU0(3)Ω／V变换器xssRRUU01.逐次比较A／D主要电路单元比较器、控制器、逐次逼近寄存器SAR、缓冲寄存器、译码器和模／数(D／A)转换器。比较器:模拟输入电压Ux、反馈电压U0分别作用在比较器输入端，若U0Ux，Qc＝0(低电平)，•若U0≤Ux，则Qc＝1(高电平)控制器：节拍脉冲发生器，根据Qc值控制SAR各位的输出状态。5.2.2A/D转换器逐次逼近寄存器SAR：一组双稳触发器，如果是n位A／D，则SAR中就有n个双稳触发器，各位的输出由控制器控制，并送往缓冲寄存器锁存和送往D／A变换成模拟量U0。数模转换器D／A：将二进制数字量转换成模拟量。图5.6逐次逼近式数字电压表原理框图•2．逐次比较A／D工作原理•逐次比较A／D的工作原理非常类似于天平称质量过程(因而逐次比较也叫称量法)。它利用对分搜索原理，依次按二进制递减规律减小，从数字码的最高位(1MB或MSB，相当于满度值FS的一半)开始，逐次比较到低位，使U0逐次逼近Ux。图5.7三位逐次比较流程图图5.83比特逐次比较A／D工作波形图5.3模拟式电子电压表1、检波—放大式（峰值电子电压表）在直流放大器前面接上检波器，就构成了如图5-9所示的检波—放大式电压表。这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。采用超高频检波二极管并在电表结构工艺上仔细设计，可使这种电压表的频率范围从几十Hz到几百MHz，输入阻抗也较大。•一般将这种电压表称为“高频毫伏表”(“高频电压表”)或“超高频毫伏表”(“超高频电压表”)，如国产DA36型超高频毫伏表，其测量频率范围为10kHz～l000MHz。电压范围1mV～10V(不加分压器)。输入阻抗分别为：100kHz时，3V量程，输入阻抗100kΩ；50MHz时，3V量程，输入阻抗50kΩ，输入电容2pF。图5-9检波—放大式电压表框图（1）框图（2）峰值检波器串联式峰值检波器图5-10。是串联式峰值检波器原理电路及检波波形，元件参数满足：minmax,TCRTRCd图5-10串联峰值检波电路及波形双峰值检波器将两个串联式检波电路结合在一起，就构成了图5-11所示的双峰值检波电路。由上面的分析不难判断，C1或R1上的平均电压近似于ux的正峰值Up+，C2或R2上的平均电压近似于ux的负峰值Up-，检波器输出电压，即输出电压近似等于被测电压的峰-峰值.HFJ-8型超高频毫伏表的高频探头内就装了一个双峰值检波器，如图5-5所示。检波器输出端接的是调制式高增益的直流放大器，可以有效地抑制零点漂移和提高测量灵敏度。ppUUU0图5-11峰值检波电路图5-12HFJ—8超高频毫伏表检波电路并联式检波器图5-13(a)、(b)分别画出了并联式峰值检波原理电路和检波波形，在ux正半周，ux通过二极管D迅速给电容C充电，ux负半周，电容上电压经过电压源及只缓慢放电，电容C上平均电压接近ux峰值，因此电阻只的电压如图(b)中uR所示，滤除高频分量，其平均值等于电容上平均电压，近似等于ux峰值，即pCRUUU图5-13并联峰值检波电路及波形负值(3)刻度特性峰值电压表的表头偏转正比于被测电压的峰值，按正弦有效值来刻度。即:~~ppKVVa式中：α—电压表读数；Vp—正弦电压峰值；V~—正弦电压有效值；KP~=Vp/V~—正弦波的波峰因子。正弦时：2~PK这样，当用峰值电压表测量任意波形的电压时，其读数没有直接意义，只有把读数乘以√2时，才等于被测电压的峰值，然后再除以被测波形的波峰因数Kp，可得到被测波形的有效值。[例]用峰值电压表测量一个方波电压，读数为10V，问该方波电压的有效值多少？[解]被测方波电压的峰值为：VVP1.14102从附录Ⅰ查得方波电压的波峰因子KP=1，故被测方波有效值为VKVVPPx1.14•从上例可见，当用峰值电压表测量非正弦电压时，若不换算，将产生很大误差，这种误差称“波形误差”。上例方波电压实际的有效值为14.1V，而若直接从表头读数只有10V，波形误差竟达（14.1-10）/14.1≈29%。•峰值电压表的一个优点是，可以把检波二极管及其电路从仪器引出放置在探头内，这对高频电压测量特别有利。但是，峰值电压表的一个缺点就是对被测信号波形的谐波失真所引起的波形误差非常敏感。这种失真的正弦波极难确知其波峰因子KP，故对读数无法换算，所以，使用时应特别小心。•（4）调制式直流放大器•在上述使用直流放大器的电子电压表中，直流放大器的零点漂移限制了电压表灵敏度的提高，为此，电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使电子电压表能测量微伏量级的电压。调制式直流放大器的原理示于图5-14,图中微弱的直流电压信号经调制器(又称斩波器)变换为交流信号，再由交流放大器放大，经解调器还原为直流信号(幅度已得到放大)。振荡器为调制器和解调器提供固定频率的同步控制信号。各点波形如图5-15所示。图5-14调制式直流放大器原理图5-15调制器工作原理Usr为正，Usc与开关方波同相Usr为负，Usc与开关方波反相•解调器工作原理和各点波形示于图5-16。Usr与开关方波同相时，输出为正极性；Usr与开关方波同相时，输出为负极性。图5-16解调器工作原理Usr与开关方波同相时，输出为正极性Usr与开关方波同相时，输出为负极性2、放大—检波式（均值电子电压表）当被测电压过低时，直接进行检波误差会显著增大。为了提高交流电压表的测量灵敏度，可先将被测电压进行放大，而后再检波和推动直流电表显示，于是构成图5。所示的放大—检波式电压表。这种电压表的频率范围主要取决于宽带交流放大器，灵敏度受到放大器内部噪声的限值。通常频率范围为20Hz～10MHz，因此也称这种电压表为“视频毫伏表”，多用在低频、视频场合。例如S401视频毫伏表，其频率范围为20Hz～10MHz。测量电压范围为100μV～1V。输入阻抗为Ri≥lMΩ，Ci≤20pF。图5-17放大—检波式电子电压表框图(1)框图•（2）平均值检波器•这类电压表一般采用平均值检波器•平均值检波器电路如图所示：图5-18平均值检波器检波灵敏度：pmddURRUS/2输入阻抗：mdiRRR282图5-19DA—16型均值电压表原理•DA-16均值电子电压表•均值电压表虽然是均值响应，但是，仍以正弦电压有效值刻度。定义信号电压的有效值与平均值之比为波形因子，即_~VVKf信号电压波形不同，波形因子KF亦不同，对正弦电压来说11.122_~~VVKF•均值电压表读数为：__~~11.1VVKVaF当测量非正弦时，其读数α就没有直接的物理意义，只有把读数α除以1.11，得被测电压的平均值,然后再乘以实际波形的波形因数。得到实际波形的有效值。•[例]用平均值电压表测量一个三角波电压，读得测量值为1V，求有效值为多少。•[解]首先从α=1V换算成平均值，即VKaVFx9.011.11~_VVKVxFx04.19.015.1_查表得三角波的,15.1FK表5.1不同波形交流电压的参数•3、外差式•检波二极管的非线性，限制了检波—放大式电压表的灵敏度，因此虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般仅达到mV级。而对于放大—检波式电压表，由于受到放大器增益与带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围却较窄，一般在土0MHz以下。，同时两种方式测量电压时，都会由于干扰和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。外差式电压测量法在相当大的程度上解决了上述矛盾。其原理框图如图5-15所示。输入电路中包括输入衰减器和高频放大器，衰减器用于大电压测量，高频放大器带宽很大，但不要求有很高的增益，图5-20外差式电子电压表框图•被测电压的放大主要由后面的中频放大器完成。被测信号经输入电路，与本振信号一起进入混频器转变成频率固定的中频信号，经中频放大器放大后进入检波器转变成直流电压推动表头显示。由于中频放大器具有良好的频率选择性和固定中频频率，从而解决了放大器增益带宽的矛盾，又因为中频放大器的极窄的带通滤波特性，因而可以在实现高增益的同时，有效地削弱干扰和噪声(它们都具有很大的带宽)的影响，使测量灵敏度提高到llV级，因此称为“高频微伏表”，典型的外差式电压表如DW—1型高频微伏表，最小量程15,V，最大量程15mV(加衰减器可扩展到1.5v)，频率范围从100kHz到300MHz，分8个频段，基本误差为13％。•4、热偶变换式•在对波形未知或波形复杂的电压测量时，例如对噪声电压的测量、失真度测量，都要求能测出电压的真正有效值。这种测量要求AC／DC变换器的输出与输入电压的有效值成正比。利用二极管链式检波器可以实现这种功能，但频率范围不大，一般为几十Hz到几百kHz。另外用得较多的是热偶元件，其基本工作原理如下。热偶元件又称热电偶，是由两种不同材料的导体所构成的具有热电现象的元件，如图5-16所示。图5-21热电偶原理图图5-22热电偶式电子电压表框图5.3脉冲电压测量一、用示波器测量脉冲电压1．直接测量法直接测量法也称灵敏度换算法。它是将被测电压信号接