电子测量第四章

电子测量第四章电压的测量4电压的测量电压测量的意义电压信号波形是被测量信息的载体电压测量的优势测量范围宽、精度高、信号变换灵活电压测量的不足信号变换寄生参数影响大4.1直流电压基准1、标准电池利用化学反应产生标准电压（1.01860V）饱和型：电压年稳定性可小于0.5μV，相当于5×10-7），温度系数较大（约－40μV/℃）。用于计量部门恒温条件下的电压标准器。不饱和型特点：温度系数很小（约－4μV/℃），但稳定性较差。2、半导体电压基准利用齐纳二极管的稳压特性制作的电压基准4.1直流电压基准4.1直流电压基准3、量子电压基准基于约瑟夫森（Josephson）效应的量子电压基准约瑟夫森量子隧道结将2块超导体通过厚度约10埃的绝缘层隔开，构成的超导体-绝缘体-超导体（SIS）结构称为约瑟夫森隧道结4.1直流电压基准约瑟夫森量子效应在约瑟夫森结两边加上电压V时，产生穿透绝缘层的超导电流，这是一种交变电流，这种现象称为交流约瑟夫森效应。2JefVKVh4.1直流电压基准约瑟夫森量子逆效应将约瑟夫森结置于微波场中，约瑟夫森结上得到量子化阶梯电压Vn的现象，称为约瑟夫森量子逆效应2JefVKVh4.1直流电压基准约瑟夫森量子电压基准国际计量委员会的建议：从1990年1月1日开始，在世界范围内同时启用了约瑟夫森电压量子基准（JJAVS，10-10）。并给出KJ-90=483597.9GHz/V。约瑟夫森量子阵约瑟夫森结产生的量子电压较低（mv级）。将成千上万个或更多的约瑟夫森结串联得到约瑟夫森结阵（JJA），可产生1V至10V的电压。我国的约瑟夫森量子电压基准中国计量科学研究院(NIM)量子部建立1993年底，1V约瑟夫森结阵电压基准，测量不确定度达到6×10-91999年底，10V约瑟夫森结阵电压基准，合成不确定度为5.4×10-94.1直流电压基准交流电压基准建立的问题交流电压有效值（RMS）4.2交流电压基准4.3交流电压的测量双测热电桥高频电压V0V1RFDCDCRFRGRRRTRTCCVRF2201222222RFTTTVVVRRR22014RFVVV准确度：直流电压标准准确度为10-5，则得到的高频电压标准准确度可达10-3。4.3交流电压的测量双测热电桥----自动平衡Ru(t)冷端T0加热丝热端T测量热偶电流表平衡热偶+-VoExEfVi热端T连接导线差分放大器4.3交流电压的测量交流电压的基本参量峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数峰值tu(t)Vp0UmTU平均值数学定义01()TUutdtT交流测量中的平均值01()TUutdtT平均值与峰值的关系~20.637ppUVV4.3交流电压的测量交流电压有效值数学上有效值即为均方根。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。4.3交流电压的测量有效值与峰值的关系~10.7072ppVVV峰值、平均值和有效值的关系波峰因数：峰值与有效值之值ppVKV峰值有效值~21.41/2pppVKV波形因数：有效值与平均值之值FVKV有效值平均值~(1/2)1.112/22pFpVKV（）4.3交流电压的测量4.3交流电压的测量利用峰值、平均值测量有效值的问题正弦波：Kp=1.41KF=1.11方波：Kp=1KF=1三角波：Kp=1.73KF=1.15锯齿波：Kp=1.73KF=1.15白噪声：Kp=3KF=1.25真有效值电路4.3交流电压的测量2()ut0TAu(t)Vrms交流电压的数字测量技术4.3交流电压的测量211()NkVukN数字电压表组成DigitalVoltageMeter--DVM4.3直流电压的数字测量输入电路A/D转换器数字显示器逻辑控制电路时钟发生器模拟部分数字部分Vx逐次逼近式A/D转换器4.3直流电压的数字测量逐次逼近移位寄存器(SAR)D/A转换器Vx+-比较器CLKSTARTA/D转换结果2-12-nMSBLSBVrN4.3直流电压的数字测量单斜式A/D转换器斜波电压发生器QQSETCLRSR&000时钟计数器主门VrVx+-+-门控信号输入比较器接地比较器a计数输入4.3直流电压的数字测量单斜式A/D转换器0VxVx、Vr门控信号计数输入NVrt1bT0TrVkRC0xVkTkTN0rxVVTNRCxVN双积分式A/D转换器两次积分过程(“对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分”)的比较，得到被测电压值4.3直流电压的数字测量双积分式A/D转换器4.3直流电压的数字测量对被测电压定时积分4.3直流电压的数字测量2111tomxxtTVVdtVRCRC对基准电压定值积分32210()tomromrtTVVdtVVRCRC4.3直流电压的数字测量21xrTVVTT1=N1T;T2=N2T,T为时钟221xrNVVeNN4.3直流电压的数字测量主门高位计数器A逻辑控制电路数字输出时钟S1S2CRVx-Vr积分器比较器-+-+S1S2Vot0t1复零t2t31VoVomT1T2N1N2t积分波形计数器输入a.b.清零低位计数器B主门清零-+ABR1R2R3t32T3N3VtVr/10nVtN2N3f0T0T0T04.4数字多用表AC/DCI/VZ/VDVMCPUDCACIZ1、电流测量4.4电压测量中的变换技术Ix900Ω90Ω9Ω0.9Ω0.1Ω(200mV)200μA(200mV)2mA(200mV)20mA(200mV)200mA(200mV)2A2、电阻测量4.4电压测量中的变换技术恒流源(可调)A/DRxIr-+Amp恒流源(可调)A/D-+AmpIrVrR1Rx精密电阻VoVr取样电阻数字多用表误差固有误差和附加误差4.5数字多用表误差1、附加误差由输入阻抗、输入零电流及温度漂移等引起4.5数字多用表误差HLI0DVMRsVxRi2、固有误差积分器误差；比较器误差；模拟开关误差；基准电压源误差；4.5数字多用表误差UosIB-+RC积分器ViVoUosVot实际积分器输出理想积分器输出自动调零技术4.6自动调零技术Uos+-AViVo=A(Vi+Uos)Uos+-AViVo=AVi+Uos+-+-K1K2K3+-C0A1+AosU1oososAVUUA11oiososiosiosAAVAVUUAVUAVUAA自动量程4.6自动量程技术0199.9mV180mV1.999V1.8V19.99V18V199.9V180V1200V