电子测量第三章 模拟测量方法(教学用)

第3章模拟测量方法第四节噪声电压的测量第五节分贝的测量第三节交流电压的测量第一节电压测量概述第六节失真度的测量第七节功率的测量第八节Q值的测量HOME第二节直流电压的测量电压是电子测量的一个主要参数。电参量的基础：U=IRI=U/RR=U/IP=IU=U2/R=I2R电压的派生量，例如，调幅度，波形的非线性失真系数等等。在非电量测量中，大多数物理量（如温度、压力、振动、速度等）的传感器大多是电压作输出的。因此，电压测量是其它许多电参量、非电参数测量的基础。3.1电压测量概述一.电压测量的重要性HOME1.应有足够宽的频率范围交流电压的频率范围约从几Hz到几百MHz，甚至达GHz量级。目前，模拟电压表可测量的频率范围要比数字表高得多。例如，92C型模拟射频电压表频率上限达1.2GHz，而DP100型数字多用表只能达25MHz。二.对电压测量的基本要求由于在电子电路测量中所遇到的待测电压具有频率范围宽、幅度差别悬殊、波形的形式多等特点，所以对电压测量提出了一系列的要求，主要概括如下：2.应有足够宽的电压测量范围nV→μV→mV→V→→kV目前，已经出现灵敏度高达1nV的数字电压表。HOME3.应有足够高的测量准确度电压测量准确度可以用以下三种方式之一来表示：（1）β%Vm，即精确到满度值的百分数，一般具有线性刻度的模拟电压表中都采用这种方式，也是最常用的方式。（2）α%Vx，即精确到读数值的百分数，这种方式在对数刻度的电压表中用得最多。（3）β%Vm+α%Vx，是目前用在具有线性刻度电压表的一种较严格的精确度表征，数字电压表都用这种方式。HOME4.应有足够高的输入阻抗在直流测量中，各种分布性参量的影响极小，因此，直流电压的测量可获得很高的准确度。例如，目前数字电压表测量直流电压的准确度可达±(0.0005%Ux+0.001%Um)，即可达10-6量级；而模拟电压表一般只能达到10-2量级。在交流测量中，一般需要通过交流/直流（AC/DC）变换（检波）电路，而且当测量高频电压时，分布性参量的影响不容忽视，再加上波形误差，即使采用数字电压表，交流电压的测量准确度目前也只能达到10-2～10-4量级。电压表的输入阻抗是指它的两个输入端之间的等效阻抗，它是被测电路的额外负载，为了减小测量仪表在接入时对被测电路的影响，希望仪器具有较高的输入阻抗。HOME直流数字电压表的输入电阻在小于10V量程可高达10GΩ，甚至更高（可达1000GΩ）；高量程时，由于分压器的接入，一般可达10MΩ。交流电压的测量时，由于需通过AC/DC变换电路，故即使采用数字电压表，其输入阻抗也做不高，一个典型数值为1MΩ//15pF（表示并联）。5.应有足够高的抗干扰能力由于被测电压具有不同的特点，所以测量任务和要求也不相同。如在工程测量中，对电压的测量准确度要求不高，用一般的电压表就可以满足测量要求。但是也有一些场合，例如，测量稳压电源的稳定度，使用的标准电压表就要求有较高的准确度。还有一些场合，要求能实现自动测量、自动校准、自动处理数据。在制定测量方案或选择测量仪器时，必须根据被测电压的特点和测量任务的要求，既要全面考虑，又要有所侧重。HOME一般常用的电压测量仪器：模拟万用表数字万用表HOME有效值数字万用表图形万用表多重显示数字多用表HOME台式数字多用表HOME有效值电压(电平)表HOME超高频毫伏表HOME视频毫伏表HOME三.电压测量仪器的分类根据测量结果的显示方式和测量原理的不同，通常将电压测量仪器分为模拟式和数字式两大类。1.模拟式电压表模拟电压表用磁电式电流表作指示器，在电流表盘上以电压（或dB）刻度，用指针指示电压值。（1）分类①根据功能分：直流电压表、交流电压表、脉冲电压表和多用途电压表等。②根据使用频率范围分为：超低频电压表、低频（音频）电压表、高频电压表、超高频电压表和选频电压表等。③根据测量目的的不同，可以选用不同特性的检波器，有峰值检波、平均值检波和有效值检波三种，分别简称为峰值电压表、平均值电压表和有效值电压表。HOME（2）应用模拟式电压表由于电路简单、价廉，特别是在测量高频电压时，其测量准确度不亚于数字式电压表，故目前以至今后在电压测量中仍将占有重要地位。2.数字式电压表数字式电压表先将模拟电压通过模/数（A/D）变换器变为数字量，再用电子计数器对其进行计数，测量结果以十进制形式显示出来。数字式电压表准确度高、输入阻抗高、功能齐全，显示直观，可靠性好，过载能力强，耗电少，小巧轻便等，因此，数字式电压表获得了迅速普及和广泛应用。HOME3.2直流电压的测量1.表头：三用表中直流电流、电压通常由磁电式高灵敏度直流电流表作指示。直流电流表俗称表头，下图给出了动圈式电流表头结构的双视图。一、三用表中的直流电流、电压测量HOME1.表头：其工作原理是利用载流导体与磁场之间的作用来产生转动力矩，使导体框架转动而带动指针偏转，其偏转角度正比于通过线圈的被测电流。I=Kθ式中K由设计决定的恒量，它与线圈匝数、线圈面积、磁场强度及游丝扭转力矩有关。K值表示电流表偏转单位角度时所需通过的电流，K值越小，电流表越灵敏。这样就可以从指针所指角度位置来测电流。HOME2．电流表量程扩展表头的等效电路如下图所示，它允许通过的最大电流值称为量程Im，如50μA、100μA、1mA等。由于电流线圈匝数很多，其内阻较大。设现有一表头，Im=50μA，r=3kΩ.现要测量500μA电流怎么办？如下图，需要并联分流电阻RS以扩展量程。因两路A、B端电压相等，即：Im-+rB50μA+Rs3KImIIsA-SmmRIIrI)(rnrIIrIIIRmmmS1111式中n称电流量程扩大倍数，也称分流系数。HOME3.直流电压测量用电流表头能否直接测量电压？由于表头的内阻是一定的，当在表头两端加上不同电压时，表针偏转角也不同，因此经过校准，在表盘上按照电压数值刻度后，就可以用来测量电压。不过，由于表头内阻较小，容许通过的电流又很小，所以它能测量的电压范围也很小。如下图所示，在指针指示满刻度时，它两端的电压是：U用表头直接测电压50μAr3KIm1.5V6350103100.15mmUIrv即它所能测量的最大电压为0.15V。为了能测量较高的电压，需串联倍压电阻RP来扩展量程。HOME为了能测量较高的电压，需串联倍压电阻RP来扩展量程。rIURRrIUmPPm)(RPrIm下图给出了三用表直流电压档量程扩展的原理电路图。图中除最小量程U0=Im×r外，又增加了U1、U2、U3三个量程。根据所需扩展的量程，不难算出3个倍压电阻值：直流电压表电路R0R1R2R3U3U0U1U22.5v10v50v250vmmmIUURIUURrIUR/)(/)()/(23312211HOME电压灵敏度“Ω/V”通常把电压表内阻RV与量程Um之比定义为电压表的电压灵敏度(每伏欧姆数Ω/V)：mmVVIURK1“Ω/V”数越大，表明为使指针偏转同样角度所需驱动电流越小。“Ω/V”数一般标明在磁电式电压表表盘上，可依据它推算出不同量程时的电压表内阻，即mVVUKR例如某电压表的“Ω／V”数为20kΩ／V，则5V量程和25V量程时电压表内阻分别为100kΩ和500kΩ。HOME直流电压表电路R0R1R2R3U3U0U1U22.5v10v50v250v磁电式直流电压表的结构简单，使用方便，其误差除来源于读数误差外，主要取决于表头本身和扩展电阻的准确度。磁电式直流电压表的误差一般在±1％左右，精密电压表可达±0.1％。其主要缺点是灵敏度不高和输入电阻低。在量程较低时，输入电阻更小，其负载效应对被测电路工作状态及测量结果的影响不可忽略。R0100kΩRVVE05VU0+-右图表示用普通直流电压表测量高输出电阻电路的直流电压。设被测电路输出电阻为R0，设被测电压实际值为E0，电压表内阻为RV，则电压表读数值为：HOMER0100kΩRVVE05VU0+-右图表示用普通直流电压表测量高输出电阻电路的直流电压。设被测电路输出电阻为R0，设被测电压实际值为E0，电压表内阻为RV，则电压表读数值为：VVRRREU000读数的相对误差为：VRRREEU00000mmVIUR02010201UUUKKE又因为：可见，低压档时，RV更小，对测量结果影响更大。为了消除这一影响，可使用两个不同量程档U1、U2进行测量。将电压表的两次读数值U01、U02代入下式，计算出被测电压的近似值：12UUK式中：HOME例如，在图中，电压表的“Ω/V”数为20kΩ/V，先后用5V量程和25V量程测量端电压U0的读数值分别为2.50V和4.17V，代入上式计算得E0＝5.01V。R0100kΩRVVE05VU0+-虽然采用上述方法可以消除RV对测量结果的影响，但是比较麻烦。在工程测量中，为了满足测量准确度的要求，最常用的办法是采用电子电压表进行测量。直流电子电压表通常是由磁电式表头加装跟随器（以提高输入阻抗）和直流放大器（以提高测量灵敏度）构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路。电子电压表组成框图如下图所示。二、直流电子电压表HOME电子电压表框图＋－R0U1KU2U3R1R3R2UxFET源极跟随器放大器RvμAUx＋－＋－ΔU＋－AI0IIFRFUf＋－μAUi分压器及跟随器FET直流电子电压表通常是由磁电式表头加装跟随器（以提高输入阻抗）和直流放大器（以提高测量灵敏度）构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路。电子电压表组成框图如右图所示。右下图所示即为集成运放型电子电压表(MF-65)的原理图。在理想运放情况下：UF≈Ui，IF≈I0，所以：FxFiRKURUI0上式中，K为分压器和跟随器的电压传输系数。即流过电流表的电流I0与被测电压Ux成正比。HOME为保证该电压表的准确度，各分压电阻和反馈电阻RF都要使用精密电阻。3.3交流电压的测量HOME一、模拟交流电压的基本测量原理根据被测信号的频率，模拟式电压测量分为不同频段。对于不断变化的电压信号，电压表只能得到其某些特定的特征参数。实际上，对于信号的变化速度通常远大于人的反应速度，因此电压表不得不将电压转变成变化速度相对很低的某种形式才能进行测量。所有电压测量系统都是将变化的电压信号首先变换为直流电压，然后再进行比较。直流电压的模拟测量方法是将被测电压成比例地转换为电流，再采用机械动圈式电流表进行测量。将交流信号转变为直流信号地基本方法是检波，检波器是测量的核心部件。二、交流电压的表征交流电压可以用峰值、平均值、有效值、波形系数及波峰系数来表征。1.峰值UP(1)定义：一个周期性交流电压在一个周期内（或一段时间内）以零电平为参考基准的最大瞬时值，记为UP或。(2)分类：正峰值（或UP+）、负峰值(或UP–)。计算峰值时，都是从参考0电平开始计算的，如果电压是双极性且不对称，则Up+≠Up-。振幅Um定义：一个周期性交流电压u(t)在一个周期内偏离直流成分uo的最大值。也分为Um+和Um-。注意：UP和Um的参考电平不同，UP的参考电平是零电平，而Um的参考电平是直流分量。UˆUˆUˆHOME交流电压的峰值与振幅值曲线2.平均值UT0(t)dt1uTU0UU0U如果周期性的交流电压含有直流分量和交流分量，交流分量的周期为T，那么其平均值为：当直流分量为U0时，；当不含直流分量时，。这样来表征交流信号的幅度特性是没有实际意义的。所以在实际的测量中，针对电压测量，对平均值进行了修改，即交流电压的平均值是检波后的平均值来表征正弦信号的幅度特性。HOME检波分为半波检波和全波检波两种，检波后的波形如下图所示：(a)全波检波波形(b)半波检波波形交流电压经全波检波后的波形的平均值称为全波平均值，即：dtuTUT0(t)1通常用全波平均值来表征正弦信号的幅度特性。半波检波后的平均值是全波检波后的平均值的一半。上述以