电子测量技术教案《5》电压表

11111目录退出下一页上一页最后一页15.1电子电压表的简介5.2模拟式交流电压表5.3数字电压表5.4实训章节目录22222目录退出下一页上一页最后一页2第5章电子电压表本章要点电子电压表的基本要求、分类及基本参数模拟式交流电压表基本组成、原理框图及应用数字电压表的主要技术性能、A/D转换原理积极应用33333目录退出下一页上一页最后一页35.1电子电压表的简介电压测量是电子测量的一个重要内容。在集总参数电路里，表征电信号能量的三个基本参量是：电压、电流和功率；测量的主要参量是电压。电子设备的许多工作特性均可视为电压的派生量，电压测量是其他许多电参量，也包括非电测量的基础。电子电压表是测量正弦波电压有效值的一种表，具有输入阻抗大、输入电容小、频带宽、灵敏度高等优点，是一种常用的电压测量仪器。44444目录退出下一页上一页最后一页45.1.1对电子电压表的基本要求1．应具有足够宽的频率范围信号电压的频率在几Hz~几百MHz，甚至更高。2．有足够宽的电压测量范围测量的电压的零点几μV~10KV以上。3．应具有足够高的测量精确度。测量精确度一般有下列三种：55555目录退出下一页上一页最后一页5（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。66666目录退出下一页上一页最后一页64．用足够高的输入阻抗直流数字电压表的输入电阻在小于10V量程可高达10GΩ，高量程档一般可达10MΩ。交流电压的测量时输入阻抗的典型值为1MΩ//15pF。5．应具有高的抗干扰能力77777目录退出下一页上一页最后一页75.1.2电子电压表的分类和性能指标1．电子电压表的分类根据测量原理和显示方式的不同，电子电压表可分为模拟式交流电压表和数字式电子电压表两大类。模拟式交流电压表根据电路组成的方式不同可分Y以下三种：。放大—检波式交流电压表。图5-1放大—检波式交流电压表的组成框图88888目录退出下一页上一页最后一页8优点：信号首先被放大，在检波时，避免了小信号检波时非线性的影响。缺点：工作的频率范围要受放大器通频带限制。这种电压表常用作低频毫伏表，工作的上限频率为MHz级，通常在工作频率为10MHz以下的电压表中采用。检波--放大式交流电压表图5-2检波—放大式交流电压表的组成框图99999目录退出下一页上一页最后一页9优点：被测信号先检波再进行直流放大。其测量频率范围可不受电压表内部放大电路频率响应的限制，工作频率上限可达GHz级，常用作超高频电压表。缺点：其灵敏度由于谐波失真等原因受到限制，最小量程为mV级。外差式交流电压表的组成框图如图5-3所示。图5-3外差式交流电压表的组成框图1010101010目录退出下一页上一页最后一页10外差式电压表首先将输入的被测信号变换为固定的中频信号，再进行选频放大、检波。由于中频放大器的通带可以做得很窄，从而有可能在高增益的条件下，大大削弱内部噪声的影响。外差式电压表既有较高的上限工作频率，又有很高的灵敏度。常用作高频微伏表，其上限频率可达几百MHz，最小量程达μV级。1111111111目录退出下一页上一页最后一页11（1）工作频率范围被测信号超过了1kHz就一定要用电子电压表。不同类型的电子电压表，工作频率范围也不一样。性能愈好的电子电压表，它的工作频率范围应愈宽。（2）灵敏度和电压量程电子电压表因为有放大环节，不但可以测到mV级，而且还可以测到μV级。利用量程转换开关，其量程范围可以做得比较宽。2．电子电压表的性能指标1212121212目录退出下一页上一页最后一页12（3）输入阻抗测量电压，电压表输入阻抗越大，分流越小，对电路的原有工作状态影响就越小。输入电容也影响电压表本身的工作频率范围，输入电容大，工作频率就要下降，高频测量误差就加大。一般电子电压表的输入电阻都大于1MΩ，输入电容都小于40μF。（4）刻度的线性刻度的线性就是针对指刻度是否均匀而言的。电压表的刻度应该力求指针的偏转角度与被测电压成正比，这样就可以做到刻度完全等分。1313131313目录退出下一页上一页最后一页135.2模拟式交流电压表5.2.1毫伏表的基本组成和原理框图1．晶体管毫伏表的基本组成常用的晶体管毫伏表主要有音频毫伏表和高频毫伏表。音频毫伏表的组成有高阻分压器、射极跟随器、低阻分压器、放大器、检波器、指示器和稳压电源。高频毫伏表的组成有检波器、分压器、宽频带稳定放大器、指示器和稳压电源。1414141414目录退出下一页上一页最后一页142．毫伏表的原理框图（1）音频毫伏表原理框图图5-4DA-16FS双路音频毫伏表原理框图1515151515目录退出下一页上一页最后一页15（2）音频毫伏表的基本原理图5-4是DA-16FS双路音频毫伏表原理框图，它可以由A或B两路输入被测电压。A路输入电压经过上端的高阻分压器、射极跟随器、低阻分压器，再经过A、B转换开关送入放大器放大后，在送入检波器检波，最后送入指示器显示读数。B路输入电压经过下端的高阻分压器、射极跟随器、低阻分压器，再经过A、B转换开关送入放大器放大后，在送入检波器检波，最后送入指示器显示读数。1616161616目录退出下一页上一页最后一页16分压器高阻分压器接在射随器的输入端，保证了有高的输入电阻。低阻分压器接在射随器的输出端，以适应射随器的输出阻抗低的特点。这种分压器有效地克服了双路测量时的相互影响。射极跟随器毫伏表是以输入阻抗高为佳。实际电路中射极跟随器是采用两只低噪声三极管串接而构成，使输入电阻更高。由于高阻分压器频率响应不易做好，所以实际电路将0.3V以下信号变换成低阻抗电压进行分压，对大于0.3V的信号，为避免输出失真及烧坏晶体管，就在前级衰减之后，才进入跟随器。1717171717目录退出下一页上一页最后一页17放大器放大器有电压放大器和功率放大器。放大器应尽量具有高灵敏度、高增益、高稳定性。实际电路由5只三极管组成，电压增益约60dB，第一级采用射极跟随器，以减小对前级低阻分压器的影响，放大器具有反馈式线性补偿和频响补偿，有效地克服了检波二极管的非线性及温度系数，并改善了毫伏表的频率响应特性。1818181818目录退出下一页上一页最后一页18检波器检波器有平均值检波器、有效值检波器、峰值检波器等。实际检波器中所采用的是桥式全波整流这种类型。电源针对电源而言，可采用电源变压器降压，全波桥式整流，串联式稳压电源这三种。显示针对显示而言，一般采用指针式电表显示。1919191919目录退出下一页上一页最后一页195.2.2毫伏表简介（1）按照毫伏表所采用的电路元件各不相同这个标准来划分：电子管毫伏表、晶体管毫伏表、集成电路元件毫伏表。（2）按照毫伏表的测量电压频率高低各不相同这个标准来划分：直流毫伏表、音频毫伏表（20Hz—1MHz）、视频毫伏表（30Hz—10MHz）、高频毫伏表（20Hz—400MHz）、超高频毫伏表（50kHz—1000MHz）。2020202020目录退出下一页上一页最后一页202．毫伏表的主要工作特性以DA-16FS双路晶体管毫伏表为例，说明毫伏表的主要工作特性。（1）测量电压范围：100μV—300V。（2）量程为1、3、10、30、100、300mV；1、3、10、30、300V共十一档。（3）测量电平范围：-72dB~+30dB(600Ω)（4）被测电压频率范围：20Hz~1MHz（5）固有误差：≦±3%（基准频率1kHz）2121212121目录退出下一页上一页最后一页21（6）频率响应误差：20Hz~100kHz≦±3%；100kHz~1MHz≦±5%；以上误差均为满度值之百分比。（7）输入阻抗：在1kHz时输入电阻大于1MΩ；输入电容在1mV~0.3V各档约70pF，1V~300V各档约50pF。（8）使用电源：220V50Hz±4%消耗电力3W。2222222222目录退出下一页上一页最后一页225.2.3毫伏表的应用1．调节与使用（以DA-16FS双路晶体管毫伏表为例）（1）使用毫伏表时，其表面应垂直放置。（2）接通电源，指示灯亮，待电表指针摆动数次后，将测量选择置于A（或B），输入线短接A（或B），校正调零旋钮，使指针在零位置，即可进行测量。（3）测量前，将测量范围放置适当的档级，以免过载太大而烧坏晶体管。（4）所测交流电压中的直流分量不得大于300V。2323232323目录退出下一页上一页最后一页23（5）由于本仪器灵敏度较高，使用时必须正确选择接地点，以免造成错误测试。（6）用本表测量市电，相线接输入端，中线接地，不应反接，测量36V以上的电压，注意机壳带电。2424242424目录退出下一页上一页最后一页242．用毫伏表对直流稳压电源进行调试和测试（1）通电前，先测量电路阻值。开关接通时，电源插头两端约55Ω（即电源变压器初级绕组的电阻值）。插头对地电阻应大于数十MΩ。如果电阻值小，应检查电源变压器初级。测量直流输出端对地正向电阻值应大于12Ω，反向应大于30Ω。（2）将电源板与仪器连接，如图5-5所示。2525252525目录退出下一页上一页最后一页25图5-5电视机电源调试连接图2626262626目录退出下一页上一页最后一页26接通电源，将交流电源调节在200V，负载电阻RL约为10Ω。将电流表串接在2A保险丝夹上，负载电流IL应为1.2A。调节稳压电路中的调压可变电阻，使输出电压在12V±0.2V的位置上。改变负载电阻RL的大小，输出电压变化应小于0.2V。（3）将交流电源电压调节在198V，用毫伏表测量交流纹波电压应小于30mV。2727272727目录退出下一页上一页最后一页275.2.4均值型电压表1．平均值（1）数学平均值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，。这样无法表征纯交流电压的大小。所以针对电压测量，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。T0(t)dt1uTU0UU0U2828282828目录退出下一页上一页最后一页28（2）半波平均值交流电压经半波整流后剩下正半周或者负半周，正半周在一个周期内的平均值称为正半波平均值，相反为负半波平均值。对于纯交流电压，正半波平均值与负半波电压平均值的绝对值相等。（3）全波平均值交流电压经全波检波后的平均值称为全波平均值，即。dt(t)1T0uTU2929292929目录退出下一页上一页最后一页292．平均值检波器平均值检波器是指检波器的输出（流过指示电流表的电流）正比于检波器输入电压的平均值。图5-6a为半波平均值检波器电路，图5-6b为全波平均值检波器电路。图5-6平均值检波器3030303030目录退出下一页上一页最后一页30分析图5-6b的工作情况：假定被测电压为u(t)，二极管正向电阻为RZ，反向电阻为Rf，表头内阻为Rg,在u(t)的正半周时，V1、V4导通，V2、V3截止；负半周时，V1、V4，截止V2、V3导通。在一个周期内，正向导通电流的平均值，反向截止电流的平均值及流过表头的实际平均电流。1II2I3131313131目录退出下一页上一页最后一页31gZT0gZ12dt2t1RRURRuTI)(gfT0gf22dt2)t(1RRURRuTIgZgfgZ21212121RRU)RRRR(UIII结论：表头流过的电流值与检波器的输入电压的平均值成正比故称这种检波器为平均值检波器。图5-6中表头跨接滤波电容的作用是滤除检波器输出电流中的交流成分，使指针稳定不晃动。3232323232目录退出下一页上一页最后一页3