电子测量技术-第3章-模拟测量方法

电子测量技术第1页第3章模拟测量方法3.1概述3.2交流电压的测量3.3噪声电压的测量3.4分贝的测量3.5失真度的测量3.6功率的测量3.7Q值的测量电子测量技术第2页3.1电压测量概述电压测量是电测量与非电测量的基础电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：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）电压，再进行测量。电路工作状态：（饱和与截止，线性度、失真度）电压表征非电测量中，物理量电压信号，再进行测量。如：温度、压力、振动、（加）速度第3章模拟测量方法电子测量技术第3页1、电压测量的基本要求（1）频率范围广低频：10-6Hz以下；高频（射频）：109MHz以上。（2）测量范围宽微弱信号:心电医学信号、地震波等在纳伏级；超高压信号：电力系统中，数百千伏。（3）电压波形的多样化电压信号波形是被测量信息的载体。各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。3.1电压测量概述电子测量技术第4页（4）阻抗匹配在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。如：采用电压表与电流表测量电阻，当测量小电阻时，应采用电压表并联方案；当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。1、电压测量的基本要求（5）测量精度的要求差异很大10-1至10-9。电子测量技术第5页（6）测量速度的要求差异很大静态测量：直流（慢变化信号），几次/秒;动态测量：高速瞬变信号，数亿次/秒（几百MHz）精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。（7）抗干扰性能工业现场测试中，存在较大的干扰。1、电压测量的基本要求电子测量技术第6页2、电压测量仪器的分类·按对象：直流电压测量；交流电压测量。·按技术：模拟测量；数字测量。（1）交流电压的模拟测量方法表征交流电压的三个基本参量：有效值U、峰值UP和平均值U。以有效值测量为主。方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）直流电流驱动表头指示——有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。（2）数字化直流电压测量方法模拟直流电压A/D转换器数字量数字显示—数字电压表（DVM），数字多用表（DMM）。3.1电压测量概述电子测量技术第7页（3）交流电压的数字化测量交流电压（有效值、峰值和平均值）直流电压A/D转换器数字量数字显示——DVM（DMM）的扩展功能。2、电压测量仪器的分类（5）示波测量方法交流电压模拟或数字示波器显示波形读出结果（4）基于采样的交流电压测量方法交流电压A/D转换器瞬时采样值u(k)计算，如有效值式中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。电子测量技术第8页tu(t)Vp0UmTU3.2交流电压的测量3.2.1表征交流电压的基本参量峰值UP、平均值U、有效值U、波峰系数KP和波形系数KF。1、峰值以零电平为参考的最大电压幅值（用UP表示）。注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）。当没有直流分量时：UP=Um。第3章模拟测量方法电子测量技术第9页3.2.1交流电压的表征2、平均值（均值）数学上定义为：相当于交流电压u(t)的直流分量。交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：对理想的正弦交流电压u(t)=UPsin(ωt)，若ω=2π/T)1.2.3()(10dttuTUTdttuTUT0)(1PPUUU~637.0~2~电子测量技术第10页3.2.1交流电压的表征3、有效值定义：交流电压u(t)在一个周期T内，通过某纯电阻负载R所产生的热量，与一个直流电压V在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压V的数值就表示了交流电压u(t)的有效值。数学上为均方根值)2.2.3()(102TdttuTUTRURTIQ22dttuRQT02)(1表达式：直流电压U在T内电阻R上产生的热量：交流电压u(t)在T内电阻R上产生的热量：由两式相等得，有效值：电子测量技术第11页例写出图2.1所示电压波形的正半周平均值、负半周平均值、全波平均值、有效值、正峰值、负峰值、峰-峰值。ut0123-1.1.2.3.4.5.6.7.8公式数值平均值正半周30.1/0.4=0.75V负半周10.3/0.4=0.75V全波1.5V有效值峰值正峰值3V负峰值1V峰-峰值4VdttuU1.00)(4.01VdtdtdttuTUT73.13134.01)(11.004.01.02202dttuTUT0)(1dttuU4.01.0)(4.01dttuU4.00)(4.01电子测量技术第12页正弦波u(t)=UPsin(ωt)的波形系数和波峰系数分别是：11.122)/2(~2/~~~PPFUUUUK41.122/~~~~PPPPUUUUK常见波形的波峰系数和波形系数可查表3.2.1，其中有：TtUTtUtTtTUUUUUUUUKKWPWPWWPPPPPPPF////112/3/73.115.1)/2(2/41.111.1脉冲方波三角正弦波形PPUUU~707.02~~PPUUU~637.0~2~波形系数：)3.2.3(UUKF波峰系数：)4.2.3(UUKPP三者关系：电子测量技术第13页3.2.2交流电压的测量方法。2、平均值电压表结构：UI放大检波指示。频率十几兆。3、有效值电压表结构：UI热电转换直流指示。频率不高。1、峰值电压表结构：UI检波放大指示。频率几百兆。4、外差式电压表结构：UI混频中放检波指示。频带宽灵敏度高四种表区别在于检波器（重点）、放大器（从略）前后位置不同，度盘均按正弦波有效值刻度。当测量非正弦波时，其读数a是没有意义的，a要通过波形系数、波峰系数的换算才能得到有意义的PXXXUUU、、3.2交流电压的测量电子测量技术第14页峰值检波器步进分压器直流放大器uA步进分压器斩波稳零式放大器uA(a)峰值检波器(探头内)(b)检波放大式电压表框图检波-放大式电压表检波器：为提高频率范围，采用超高频二极管检波，其频率范围可从直流到几百兆赫，并具有较高的输入阻抗。检波二极管的正向压降限制了其测量小信号电压的能力（即灵敏度限制），同时，检波二极管的反向击穿电压对电压测量的上限有所限制。为减小高频信号在传输过程中的损失，通常将峰值检波器直接设计在探头中。3.2.2交流电压的测量方法电子测量技术第15页主要指标：检波放大式电压表常称为高频毫伏表或超高频毫伏表。如国产DA36型超高频毫伏表，频率范围为10kHz～1000MHz，电压范围（不加分压器）1mV～10V。国产HFJ-8型高频毫伏表（调制式），最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。放大器：为提高灵敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如图（b）斩波稳零式直流放大器，其灵敏度可达几十微伏。称之为“调制式电压表”，如国产HFJ-8型高频毫伏表，最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。（a）图放大器采用桥式直流放大器，它具有较高的增益。直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。3.2.2交流电压的测量方法电子测量技术第16页步进分压器宽带交流放大器均值检波器uA放大-检波式电压表输入电路中频放大器均值检波器dB混频器2fZ2(固定)f2(固定)带通滤波器窄带滤波器混频器1f1(可调)fZ1(固定)fx(第一本振)(第二本振)外差式选频电平表特点：大大提高灵敏度可达120dB，相当于0.775μV常称为“高频微伏表”。如DW-1型，频率范围为100kHz～300MHz，最小量程15μV。组成：外差式接收机＋宽频电平表。3.2.2交流电压的测量方法电子测量技术第17页应用：小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。放大器谐波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。输入电路：衰减或小增益高频放大。两级变频：输入fx与第一本振f1（可调）混频，经带通滤波器选出固定的第一中频fZ1=f1fx；fZ1再与第二本振输出f2（固定）混频，经窄带滤波器选出得到固定的第二中频fZ2=f2fZ1。中频放大器：在窄带中频上有很高的增益（从而实现高灵敏度）。表头：dB刻度。外差式选频电平表通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现高灵敏度。很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。3.2.2交流电压的测量方法电子测量技术第18页3.2.3平均值电压表的测量1、平均值检波原理由二极管桥式全波整流或半波整流电路完成。整流电路输出直流电流I0，其平均值I0与被测输入压u(t)的平均值u(t)成正比（与u(t)的波形无关）电容C用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动。二极管导通电阻rd和电流表内阻rm为常数（反映了检波器的灵敏度）。mdTmdrrturrtuTI2)(2)(100以全波整流电路为例，I0的平均值为：I0u(t)D1D2D3D4C3.2交流电压的测量电子测量技术第19页2、波形换算法3.2.3均值表的测量注：对均值表，任意波形的均值相等，则读数相等。由读数α换算出均值和有效值的换算步骤如下：第一步：把读数α想象为有效值等于α的纯正弦波输入时的读数，即：第二步：由计算该纯正弦波均值aaKUUF9.011.1~~~aU~U~第三步：假设均值等于的被测波形（任意波）输入，即：第四步：由，再根据该波形的波形因数（查表可得），其有效值：U~aUUX9.0~XUaKUKUFXXFXX9.0VaKUVaUFXXX13.14109.057.19.099.0解：[例]用均值表测半波整流波读值a=10V，求UX、UX。电子测量技术第20页3、波形误差分析以均值表的示值当作有效值而产生的误差是非常大的3.2.3均值表的测量[上例]均值表测半波整流波示值a=10V，求示值误差。VaKUFXX13.14109.057.19.0解：%3.411013.413.4109.057.1109.0aUVaKaUaUFXX[例]被测电压为脉冲波，周期T=64μs，脉宽tw=12μs，用全波平均值表测量，电压表示值Ua=6V。求其有效值Ux.rms和有效值误差。%525.125.126VUKUaFXX5.1269.012649.0解：除了波形误差外还有电流表、二极管等引起的误差(略)电子测量技术第21页3.2.4有效值电压表的测量EDviEvD2210DDvvi去除直流、c、2c分量后平均项为：sosDvvEvv)14.2.3(2122smAVVi∴称二极管平方律检波tVcsmcos10)2cos1(2122tVcsm1、有效值检波原理（1）二极管平方律检波根据有效值定义,首先对u(t)平方,当小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系.缺点：精度低且动态范围小，非线性刻度等。TdttuTU02)(1电子测量技术第22页3.2.4有效值电压表的测量（2）利用热电偶有效值检波热电偶：将两种不同金属进行特别封装并标定后称为一对热电偶（简称热偶）。热电偶温度测量原理：若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势就可得到热端（被测温度点）的温度。若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，则热电动势将反映该交流电压的有效值，从而实现了有效值检波。如下图。冷端T0热端T电子测量技术第23页3.2.4有效值电压表的测量热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个闭合回路，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。热电效应原理图当热端T和冷端T0存在温差时(即T≠T0)，则存在热电动势，且热电动势的大小与温差ΔT=T-T0成正比。Ru(t)冷端T0加热丝热端T热偶MuA连接导线IRu(t)