电子测量与仪器第五章电压测量-数字万用表1

第五章电压测量─数字万用表Ⅰ5.1电压测量概述5.2模拟直流电压测量5.3电压的表征和测量5.4电压的数字式测量5.5数字多用表仪器科学与工程系档位：直流电压，交流电压，直流电流，交流电流，电阻，电容，晶体管档位切换量程自动选择5.1电压测量概述电压测量包括直流测量和交流测量，以及其延伸出来的电流测量、电阻测量等。电压测量的特点：1、频率范围包括直流，交流(10-6~109Hz)。频段不同，测量方法手段也不同。2、测量范围测量电压范围低至几十μV，上限可达几十kV。测量电压低，要求电压表具有较高的分辨力，测量电压高，要加入分压网络，这会降低电压表的输入阻抗。3、输入阻抗电子测量仪器的输入阻抗就是被测电路的额外负载。为减小测量仪器对被测量的影响，要求仪器具有很高的输入阻抗。4、抗干扰能力仪器工作在高灵敏度时，干扰会引入测量误差。5、测量准确度测量准确度受被测电压的频率、波形等因素影响，在不同条件下准确度的差异较大。不同参数的测量,其准确度相差很大。电压值的基准是直流标准电压。利用数字电压表可使直流电压测量精度优于10-7量级。交流电压测量精度要低得多，在10-2～10-4量级。受AC/DC变换影响，高频时电路分布参数影响不容忽视。准确度的表示方法：①满度的百分数---β%Um②读数值的百分数---α%Ux③满度百分数+读数百分数---α%Ux+β%Um第一种是比较通用的，用于具有线性刻度的电压表；第二种在对数刻度电压表中用得多；第三种用于线性刻度电压表，是一种较严格的准确度表示方法，常用在数字电压表中。在数字电压表中常有“几位半”，误差是“几个字”的说法，指的是数字电压表的精度和误差。具体含义在DVM中叙述。电压测量仪器的分类：1、按频率范围分直流电压表，交流电压表。交流电压表又分低、高、超高等不同频段。2、按测量功能分类分为直流电压表、交流电压表和脉冲电压表。其中脉冲电压表用于测量脉冲间隔很长的脉冲，一般情况下脉冲电压的测量已逐渐被示波器测量所取代。3、按测量技术分类模拟式电压测量和数字式电压测量。4、按测量电压量级分类分为电压表和毫伏表。电压表的主量程为V(伏)量级，毫伏表的主量程mV(毫伏)量级。主量程是指不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程5.2模拟直流电压测量一、表头动圈式电压表表头，其工作原理是利用载流导体与磁场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。其偏转角度正比于流过线圈的被测电流大小。图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为Re，满偏电流(或满度电流)为Im，若作为直流电压表，满度电压：memIRUImRe表头等效电路二、扩大量程的测量方法动圈中容许通过的电流很小，例如满偏电流为50μA，电流表内阻为20kΩ，则满偏电压为1V。为了扩大量程，通常采用并联分流法(扩大电流测量范围)或串接倍压电阻(扩大电压测量范围)。ImReRs并联分流法I串接倍压电阻扩大测量范围除了不串接倍压电阻的最小电压量程U0外，又增加了三个电压量程U1、U2、U3，对应三个量程，所串三个电阻的阻值分别为：mmemIUURIUURRIUR/)(/)()/(23312211ImReR1R2R3U0U1U2U3电压灵敏度通常把电压表的内阻与量程之比定义为电压表的电压灵敏度（Ω/V）。1VVmmRKUI电压表在不同档位/量程，其内阻是不同的。可以由电压灵敏度，算出在不同档位时的内阻。用普通电压表测量高输出电阻的直流电压00RRERUvvx如果用内阻不同的两只电压表，或者同一电压表的不同电压档(可以知道其量程比值或内阻比值)测量，可由两次测得值计算得到近似的实际值E0。RVV+--UxR0100kΩE05V表头的缺点三、直流电子电压表为了改善普通表头的缺点（阻抗不高，不够灵敏），在表头中加装跟随器（提高输入阻抗）或直流放大器（提高测量灵敏度）。R1R2R3放大器FET源极跟随器+--UxR0U1U2U3RmR1R2R3放大器FET源极跟随器+--UxR0U1U2U3RmRF放大倍数A=1+Rm/RF图中R0、R1、R2、R3组成分压器，由于FET源极跟随器输入电阻很大(几百MΩ以上)，因此由Ux测量端看进去的输入电阻基本上只由R0、R1、R2、R3、等串联电阻决定，通常使它们的串联电阻和大于10MΩ，以满足高输入阻抗的要求。同时，在这种结构下，电压表的输入阻抗基本上是个常量，与量程无关。(1)R0、R1、R2、R3可以用更大的电阻。(2)电压表输入阻抗基本为常数即流过电流表的电流I0与被测电压成正比，只要分压系数和RF足够精确和稳定，就可以获得良好的准确度，因此，各分压电阻及反馈电阻RF都要使用精密电阻。四、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: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。两大特点:(1)抑制直流漂移(2)采用交流选频,提高抗干扰能力.调制式直流放大器的工作原理交流放大器一般采用选频放大器，只对与图中振荡器同频率的信号进行放大而抑制其他频率的噪声和干扰。在实际直流电子电压表中，还采用了其他措施以提高性能，比如在解调器输出端和调制器输入端间增加负反馈网络以提高整机稳定性等。振荡器交流放大器解调器调制器UitUAtUotUiUBt调制工作原理(斩波器)toTUM(c)toUi(b)toUA(d)123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeCDate:20-May-2008SheetofFile:F:\mydocument\我的课件\电子测量技术与仪器课件\PPT\circuit.ddbDrawnBy:RCR1KMUiUMUA开闭解调器工作原理：图中KD是与调制器中KM同步动作的机械式振子开关或场效应管电子开关，C为隔直流电容，正是由于它的隔直流作用，使放大器的零点漂移被阻断，不至传输到后面的直流电压表表头。R为限流电阻，Rf、Cf成滤波器，滤波后得到放大后的直流信号。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeCDate:20-May-2008SheetofFile:F:\mydocument\我的课件\电子测量技术与仪器课件\PPT\circuit.ddbDrawnBy:CRRfKDCfUBUDUOtttoooTUBUDUo(c)(d)(b)123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeCDate:20-May-2008SheetofFile:F:\mydocument\我的课件\电子测量技术与仪器课件\PPT\circuit.ddbDrawnBy:CRRfKDCfUBUDUO解调工作原理开闭5.3交流电压的表征和测量一、交流电压的表征交流电压除用具体的函数关系式表达其大小随时间的变化规律外，通常还可以用峰值、幅值、平均值、有效值等参数来表征。1、峰值周期性交变电压u(t)在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值，用Up表示。正、负峰值不等时分别用Up+和Up-表示。u(t)在一个周期内偏离直流分量U0的最大值称为幅值或振幅，用Um表示，正、负幅值不等时分别用Um+和Um-表示。（峰值与振幅的区别）2、平均值u(t)的平均值的数学定义为UTdttuTU0)(1按照这个定义，实质上就是周期性电压的直流分量U0。U在电子测量中，平均值通常指交流电压检波(也称整流)以后的平均值，又可分为半波整流平均值(简称半波平均值)和全波整流平均值(简称全波平均值)。未检波前电压波形半波整流和全波整流后的波形全波平均值定义为dttuTUT)(10如不另加说明，本章所指平均值均为全波平均值。3、有效值在电工理论中曾定义：某一交流电压的有效值等于直流电压的数值U，当该交流电压和数值为U的直流电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产生的热量相等。则数学式可表示为TdttuTU02)(1实质上即数学上的均方根定义。4、波形因数、波峰因数交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分别用波形因数(或称波形系数)及波峰因数(或称波峰系数)表示。波形因数为KF，定义为该电压的有效值与平均值之比UUKF波峰因数Kp，定义为该电压的峰值与有效值之比UUKpp正弦波：,峰值1,有效值1/2平均值2/=0.63661、交流电压测量的基本原理测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同。其中最主要的是利用交流／直流(AC／DC)转换电路将交流电压转换成直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。根据AC／DC转换器的类型，可分成检波法和热电转换法。根据检波特性的不同，检波法又可分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等二、交流电压的测量方法2、模拟交流电压表的主要类型(1)检波—放大式在直流放大器前面接上检波器，就构成了检波—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。由此可以做成“高频微伏表”(2)放大—检波式当被测电压过低时，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，于是构成了放大—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制。(3)调制式（高频测量）在前面分析直流电压表时即已提到，为了减小直流放大器的零点漂移对测量结果的影响，可采用调制式放大器以替代一般的直流放大器，这就构成了调制式电压表。实际上这种方式仍属于检波—放大式。(4)外差式(针对高频电压测量)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10MHz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。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。两个矛盾：先检波，电压受检波器限制先放大，增益受放大器限制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(它们可认为是宽带的)的影响，使测量灵敏度提高到μV级。可于制成“高频微伏表”。(5)热偶变换式(有效值测量)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。若将被测电压变换成热能加在热电偶上，热电偶将产生相应的电势E=kU2。测量时要求消除热电偶的非线性。电压热能加于热电偶产生热电势输入信号u(t)经宽带放大器放大后送入T1，产生热电势E1=k1Ui2。E1经直流放大器A放大后加热平衡热电偶T2，T2产生热电势Ef=k2Uo2。Ef作为负反馈与E1一起加到放大器的A端，直至Ef=E1，放大器保持输出不变。T1与T2完全相同时，