电子电压表讲义

第2章电子电压表2.1概述2.2模拟式交流电压表2.3数字式多用表本章小结2.1概述链接2.1.1电压测量的重要性和特点1.电压测量的重要性电压测量是电子测量与非电量测量的基础。许多电量的测量可以转化为电压的测量，如表征电信号能量的三个基本参数（电压、电流、功率）。其中，电流、功率可转换为电压再进行测量。电路工作状态，如饱和与截止、线性度、失真度均是电压的派生量。非电量测量中，将非电量转化为电压信号，再进行测量。如温度、压力、振动、（加）速度等。2.电压测量的特点频率范围宽。最低为零（直流），最高可达109Hz。测量范围广。微弱信号、超高压信号。适应多样化的电压波形。电压信号波形是被测量信息的具体反映，有各种波形。如纯正弦波、失真的正弦波、方波、三角波、梯形波、随机噪声等。阻抗匹配。在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。测量精度要求高。目前可达10-4，精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。抗干扰性能要求高。工业现场测试中，存在较大的干扰，所以抗干扰性能好坏非常重要。3.电压测量仪器常见的测量电压的仪器是电压表和示波器。电压表可分为模拟和数字两大类。2.1.2交流电压的表征峰值VP周期性的交流电压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，以VP表示。峰值有正峰值（VP+）和负峰值（VP-）之分，其几何意义如图所示。峰值是从参考零电平开始计算的，有正峰值VP+和负峰值VP-之分。正峰值与负峰值之差称为峰-峰值Vp-p。常用的还有振幅Vm，它是以直流电压为参考电平计算的。当电压中包含直流成分时，VP与Vm是不相同的，只有纯交流电压才有VP＝Vm。平均值平均值在数学上的定义为原则上，求平均值的时间为任意时间，对周期性号而言，T为信号周期。根据以上定义若包含直流成分，则平均值等于直流分量；若仅含有交流成分，则平均值等于零。这样对纯粹的交流电压来说，其平均值为零，将无法用平均值来表征它的大小。将交流电压通过整流器变换成单一方向的脉动电压后(相当于数学上的求平均值),再求平均,则不为零,且该平均值反映了原交流信号的大小.故交流电压的平均值通常是指检波或整流后的平均值。VTdttuTV0)(1有效值一个交流电压和一个直流电压分别加在同一纯电阻上，若它们在相同的时间内产生的热量相等，则交流电压的有效值等于该直流电压值，即作为交流电压的一个参数，有效值比峰值、平均值用得更为普遍，当不特别指明时，交流电压的测量值均指有效值，各类交流电压表的示值，除特殊情况外，都是按标准正弦波的有效值来刻度的。TdttuTV02)(12.2模拟式交流电压表测量交流电压大小的仪表统称交流电压表。交流电压表分为模拟式电压表与数字式电压表两大类。模拟式电压表是先将交流电压经过检波器转换成直流电压后推动微安表头，由表头指针指示出被测电压的大小。检波器有三种类型，分别是平均值检波器、峰值检波器、有效值检波器，故电压表有三种类型，分别是平均值电压表、峰值电压表、有效值电压表。2.2.1平均值电压表1.平均值检波器2.平均值电压表平均值电压表的基本原理方框图先对被测电压进行放大，然后检波，最后由表头指示。这种构成方案的均值电压表的工作频率范围主要受放大器带宽的限制，而灵敏度受放大器噪声的限制，所以当测量小信号时，容易淹没到放大器的噪声中。因此主要用于低频和视频信号的测量，如视频毫伏表。3.平均值电压表刻度方法在表的输入端输入不同幅度的标准正弦波，而在表头的对应位置上刻度该正弦波的有效值。故利用平均值电压表测量纯正弦波时读数为该被测电压的有效值；而测量非正弦波电压时，读数没有实际意义，但可根据读数求得被测电压的平均值。可变量程分压器宽带交流放大器检波器u(t)2.2.2峰值电压表1.峰值检波器串联式峰值检波器并联式峰值检波器2.峰值电压表峰值电压表的基本原理方框图先对被测电压进行检波，然后放大，最后由表头指示。这种构成方案的峰值电压表的工作频率范围主要受检波二极管频率特性的限制，灵敏度受二极管非线性限制，所以测量信号的电压值小于二极管的导通电压时，是测不到的。它主要用于高频信号的测量，如高频毫伏表。3.峰值电压表刻度方法在表的输入端输入不同幅度的标准正弦波，而在表头的对应位置上刻度该正弦波的有效值。故利用峰值电压表测量纯正弦波时读数为该被测电压的有效值；而测量非正弦波电压时，读数没有实际意义，但可根据读数求得被测电压的峰值。检波器可变量程分压器直流放大器u(t)2.2.3有效值电压表有效值的物理意义是：交流电压一个周期内，在一纯电阻负载中所产生的热量与另一直流电压在同样情况下产生的热量相等时，这个直流电压的值就是该交流电压的有效值，记为V。1.有效值检波器检波器的输出与被测电压的有效值成正比。2.热电偶式有效值电压表两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个热电偶，当两节点处温度不同时，回路中将产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，所产生的电动势称为热电动势。ux电压表可变量程分压器宽带放大器调制式直流放大器T1T2+++-ΔVExEfV0mV2.2.4模拟电压表的使用1.峰值电压表用峰值交流电压表测量非正弦交流电压时，电压表仍然可以反映出被测电压的峰值。但由于电压表刻度是以正弦波有效值定度的，它比正弦波峰值小1.414倍，因此，必须把指示值乘以1.414倍才能表示被测电压的峰值，而要知道被测电压的有效值时，必须根据其波形的性质，按关系换算出有效值。2.均值电压表由于正弦波是最基本的和应用最普遍的波形，同时考虑到有效值的实际意义，所以平均值电压表亦按有效值定度。如果是全波平均值检波器，则根据正弦波有效值与平均值的换算关系，电压表的刻度就是按被测交流电压的平均值乘以系数1.11后定度的。当用这种电压表去测量非正弦电压时，因为非正弦波的有效值与平均值的比值同正弦波不一样，其读数并不等于被测电压的有效值。这时可先将电压表的读数除以1.11求出被测电压的平均值，然后再根据波形换算关系，求出被测的非正弦电压的有效值，也可以求出其峰值。3.有效值电压表可以直接读出有效值，非常方便。由于削波和带宽限制，将可能损失一部分被测信号的有效值，带来负的测量误差。2.2.5HFJ-8D超高频毫伏表的使用HFJ-8D超高频毫伏表为一峰值电压表，采用峰峰值检波电路，低噪声深负反馈放大电路，轻触开关电子切换功能的新型超高频电压测量仪器。2.3数字式多用表DMM2.3.1直流数字电压表（DVM）直流数字电压表（DVM）测量直流电压的方框图如图所示，包括模拟和数字两部分。输入电路对输入电压衰减/放大、变换等。核心部件是A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter，简称ADC），实现模拟电压到数字量的转换。逻辑控制电路在同一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。输入电路A/D转换显示器逻辑控制电路时钟发生器模拟部分数字部分Vx2.3.2.数字电压表主要技术指标1.测量范围量程:包括基本量程和扩展量程显示位数:显示位数包括完整显示位和不完整显示位,显示位书越多,测量范围越宽。超量程能力：指电压表在某量程上应用时，其显示数值超过该量程，则该表具有超量程能力。具有超量程能力的表测量范围宽。2.分辨力：电压表在最小量程上末位跳变一个字所对应的输入电压大小。3.测量速度4.测量精度5.输入阻抗2.3.3A/D转换原理A/D转换器是数字仪器中的主要部件，常见的有直接型和间接型两类。直接型A/D转换器具有转换速度快的特点，典型的有并行比较型ADC和逐次比较型ADC。间接型的A/D转换器则是先将模拟信号转换成某一中间变量，然后再转换成数字量。此类ADC的转换速度教慢，典型的是双积分型ADC和电压-频率转换型ADC。2.3.4电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表（DMM）电流、电压、阻抗变换技术AC/DC变换：将交流电压变换（检波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。I/V变换：基于欧姆定律，将被测电流通过一个已知的取样电阻，测量取样电阻两端的电压，即可得到被测电流。为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。R/V变换：同样基于欧姆定律。对于纯电阻，可用一个恒流源流过被测电阻，测量被测电阻两端的电压，即可到被测电阻阻值。2.数字多用表数字多用表（DMM）的主要特点①DVM的功能扩展。DMM可进行直流电压、交流电压、电流、阻抗等测量。②测量分辨力和精度有低、中、高三个档级，位数3位半～8位半。③一般内置有微处理器。可实现开机自检、自动校准、自动量程选择，以及测量数据的处理（求平均、均方根值）等自动测量功能。④一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于组成自动测试系统。AC/DCI/VR/VCPUDVMDCACIZ数字多用表GDM-8245的使用电源开关功能选择按键保险丝20A插孔接地插孔电压、电阻、二极管2A插孔显示窗口（1）主要技术指标①直流电压：量程有500mV,5V,50V,500V,1200V共5档；测量误差为±(0.03%示值+4个字)；1200V档：±(0.03%示值+9个字)；输入阻抗10MΩ。②交流电压绝对有效值(交流或交流加直流绝对有效值)：有500mV,5V,50V,500V,1000V共5档。500mV～50V分3档，误差在频率范围是20Hz～45Hz时为±(1%示值+15个字)；45Hz～2kHz：±(0.5%示值+15个字)；2kHz～10kHz：±(1%示值+15个字)；10kHz～20kHz：±(2%示值+30个字)；20kHz～50kHz：±(5%示值+30个字)。1000V,500V档：45Hz～1kHz：±(0.5%示值+15个字)；输入阻抗10MΩ。③直流电流：有500μA,5mA,50mA,500mA,2A,20A共6档。500μA～500mA分4档，误差在频率范围是45Hz～2kHz时，为±(0.5%示值+15个字)；2kHz～10kHz：±(1%示值+15个字)；10kHz～20kHz：±(2%示值+15个字）；2A～20A分2档，45Hz～2kHz±：(0.5%示值+15个字)。④交流电流绝对有效值(交流或交流加直流绝对有效值)：有500μA,5mA,50mA,500mA,2A,20A共6档。500μA～500mA4档误差为±(0.2%示值+2个字)，2A～20A2档，±(0.3%示值+2个字)。⑤电阻：有500Ω,5kΩ,50kΩ,500kΩ,5MΩ,20MΩ共6档。500Ω档：误差±(0.1%示值+4个字)。5kΩ～500kΩ分3档：±(0.1%示值+2个字)。5MΩ档：±(0.2%示值+2个字)。20MΩ档：±(0.3%示值+2个字)。⑥二极管测试：可测量二极管的正向导通电压，最大正向电压1.5V，开路电压2.8V。⑦电容测量：有5nF,50nF,500nF,5μF,50μF5档；误差为±(2%示值+4个字)。⑧频率：测量灵敏度mV档：大于120mV，在副显示区可得到被测信号频率，测频范围为10Hz～50kHz；大于200mV，为50k～150kHz；5V档：大于1V为10Hz～200kHz。⑨短路蜂鸣测试:当接触电阻小于5Ω时，蜂鸣器会响。⑩串模干扰抑制比：NMRR＞60dB；共模干扰抑制比：CMRR＞90dB；操作模式自动换档（AUTO）/（MAN）手动换档。（2）操作说明①电压测量（DCV、ACV、DCmV、ACmV）：首先选择测量功能（如测量直流电压则选择DCV）；按AUTO/MAN钮选择手动或自动调整档位，如选择手动调整档位，按（▲）或（▼）到所需的档位，为保证安全，要从最高档开始，然后将测试导线的红线连接到V输入端，黑线接到COM输入端（黑线位置始终不动），将测试导线的另一端和被测点接触读其显示值。②电流测量（DCA、DC20A、ACA、AC20A）：首先选择测量功能（如测量直流电流则选择DCA）；按AUTO/MAN钮选择手动或自动调整档位，如选择手动调整档位，按（▲）或（▼）到所需的档位，为保证安全，要从最高档开始；然后将测试导线