第2章 电子电压表

第2章电压的测量与电压表2.1概述2.2模拟式交流电压表2.3数字电压表2.4万用表信息职业技术学院本章要点·电压测量的特点及要求·模拟式交流电压表的组成、原理及使用·数字电压表的组成、原理及使用（毫伏表）·数字多用表的基本原理及使用本章难点·电压测量的误差分析·数字电压表的A/D转换原理信息职业技术学院2.1概述2.1.1电压测量的特点和基本要求2.1.2电子电压表的分类信息职业技术学院2.1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。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。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和原理及使用方法。信息职业技术学院一、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、幅度差别大和波形多样化等特点，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。信息职业技术学院（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。信息职业技术学院（4）测量精度高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。否则就会引入明显的测量误差，达不到测量精度的要求。信息职业技术学院二、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。信息职业技术学院模拟式电压表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。信息职业技术学院（2）数字式电压表数字式电压表实际上就是用A/D变換器作测量机构，用数字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，变换成直流电压进行测量。A/D变換器是数字式电压表的核心部分。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。信息职业技术学院2.2.1交流电压的基本参数2.2.2均值型电压表2.2模拟式交流电压表2.2.3有效值型电压表2.2.4峰值型电压表信息职业技术学院2.2模拟式交流电压表一、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。信息职业技术学院1、峰值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。不同情况下的峰值与振幅值的含义如图2.所示。图2.1交流电压的峰值与振幅值信息职业技术学院2、平均值（波形中的直流成分）交流电压的平均值在数学上定义为(2.1)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2.2所示。TdttuTU0__)(1信息职业技术学院（a）全波检波波形（b）半波检波波形图2.2正弦信号经检波后的波形信息职业技术学院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：(2.2)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。实际上各种交流信号波形电压的平均值都是用（2.2）式定义。dttuTUT0)(1信息职业技术学院3、有效值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。(2.3)没有特殊说明时，交流电压的测量值都是指有效值。TdttuTU02)(1信息职业技术学院4、波形因数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，用表示。fK5、波峰因数波峰因数定义为峰值与有效值之比PKPK信息职业技术学院常见波形的波形因素和波峰因素二、主要类型检波——放大式电压表放大检波式外差式被测输入检波衰减直流放大被测输入衰减交流放大检波被测输入混频中频放大均值检波二、均值型电压表信息职业技术学院1.组成：阻抗转换器可变量程衰减器宽带交流放大器均值检波器被测信号图2-3均值电压表组成2.基本工作原理：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，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。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毫伏表。（1）检波器电路电子电压表内常用的均值检波器电路如图2.6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。图4.6均值检波器原理图信息职业技术学院图（C)半波整流式指针式电压表一般是采用半波整流，并以正弦波进行标定，测量频率低，误差大。一般用于电工测量。图C（2）刻度特性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）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信息职业技术学院均值电压表通常以输入正弦波电压的有效值来标度的。电压表的读书等于正弦波电压的有效值，即是：当测量的是非正弦波时，电压表的读数没有明确的物理意义，那么怎样测量非正弦波呢？非正弦波的均值非正弦波的有效值非正小波的峰值均值电压表的定地系数系数见上表【例2.1】均值电压表测量正弦波、三角波是电压表的读数均为10V，试分别计算正弦波、三角波电压的有效值、平均值和峰值各是多少？解（1）正弦波时：（2）对于三角波（3）对于方波信息职业技术学院三、有效值电压表（1）分段逼近式：电压有效值的定义是201U()TutdtT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2.7给出一种基本电路形式。信息职业技术学院图（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。设检波二极管D的检波系数为k，则流过它的电流20i=()xkEut图2.7平方律特性的获得信息职业技术学院直流电流表指针的偏转角与电流的平均值成正比：2220000011()()2TTxxxIitdtkEutdtkEkEUkUTT式中，为静态工作点电流，即无信号输入时的起始电流；为被测电压的平均值，对于正弦波或周期性对称的电压＝0；是与被测电压有效值平方成比例的电流平均值。先设法在电路中抵消起始电流，则送到直流电流表电流为从而实现了有效值转换。xUxU2xkU2IxkU信息职业技术学院2、热电转换式有效值电压表热电转换式电压表是实现有效值电压测量的一种重要方法。它利用具有热电变换功能的热电偶来实现有效值变换。图2.9是热电转换电压表的示意图。信息职业技术学院图2-9热电转换原理图2-10热电式有效值电压表的原理框图图中，AB为不易熔化的金属丝，称加热丝，M为热电偶，它由两种不同材料的导体连接而成，其交界面与加热丝耦合，故称“热端”，而D、E为“冷端”。当加入被测电压时，热电偶的热端C点温度将高于冷端D、E，产生热电动势，故有直流电流流过微安表。该电流正比于热电动势。因为热端温度正比于被测电压有效值Ux的平方，热电势正比于热、冷端的温度差，因而通过电流表的电流I将正比于。这就完成了被测交流电压有效值到热电偶电路中直流电流之间的变换，从广义来讲，也就完成了有效值检波。ux信息职业技术学院2xU3、计算式有效值电压表交流电压的有效值即其均方根值。根据这一概念，利用模拟电路对信号进行平方、积分、开平方等运算即可得到测量结果。图2.11是计算式转换器方框图。信息职业技术学院图2.11是计算式转换器方框图四、峰值电压表1、组成：被测输入峰值检波分压器直流放大图2—12峰值电压表的组成方框图测量高频电压一般不用均值电压表和有效值电表，原因是它们的检波器件在测量时导通时间较长，因而其输入阻抗较低。为了使不因电压表的接入而对被测电路产生较大影响，在检波前要加入跟随器进行隔离。测量高频电压时，由于放大器的带宽限制，会产生较大的频率误差。为了避免这种情况，采用检波－放大式电压表来测量高频电压，将被测交流信号首先通过探极进行检波，使其变成直流电压，然后再放大。这种电压表多为峰值电压表，其检波器为峰值检波器。信息职业技术学院1）峰值电压表的工作原理对于任意波形的周期性交流电压，在所观察的时间或一个周期内其电压所能达到的最大值即称为峰值，用Up表示。对于正弦波而言，峰值就等于其振幅值Um。峰值响应检波器电路如图4.12所示。其中图（a）为串联式，图（b）为并联式，其电路形式与均值响应检波器无显著差别，但其参数选取必须满足：RCTmaxRΣCTmin式中，Tmax―被测交流电压的最大周期Tmin―被测交流电压的最小周期RΣ―信号源内阻和二极管正向电阻之和信息职业技术学院信息职业技术学院图2---13峰值检波电路在图2.13（a）中因为电容C充电时间短放电时间长，从而保持其两端的电压始终接近于输入电压的峰值，保持不变。在图2.13（b）所示的并联峰值检波器中，正半周通过二极管D给电容迅速充电，而负半周C两端电压缓慢向R放电.上述两种电路相比较，并联式检波电路中的电容C还起着隔直流的作用，便于测量含有直流成分的交流电压。但R上除直流电压外。还叠加有交流电压，增加了额外的交流通路，故其输入电阻低于串联式电路。信息职业技术学院。（2）定度系数及波形换算方法峰值表和均值表类似，一般也是按正弦波有效值进行定度，即是：对于非正弦波时，换算如下：非正弦波的峰值非正弦波的有效值非正弦波的均值峰值电压表的丁度系数信息职业技术学院【例2.2】峰值电压表测量正弦波、三角波是电压表的读数均为10V，试分别计算正弦波、三角波电压的有效值、平均值和峰值各是多少？解（1）正弦波时：（2）对于三角波（3）对于方波可见，用峰值电压表测量非正弦波电压时，直接把度盘示值作为被测电压的有效值是不对的，必须进行换算。信息职业技术学院