1、第二章第二章 電壓測量電壓測量2.1 電壓測量概述電壓測量概述2.2 交流電壓的模擬測量交流電壓的模擬測量2.3 分貝的測量分貝的測量2.4 電壓的數(shù)字化測量電壓的數(shù)字化測量2.1 電壓測量概述電壓測量概述一、電壓測量的特點一、電壓測量的特點n頻率范圍寬頻率范圍寬n電壓測量范圍寬電壓測量范圍寬n電壓波形的多樣化電壓波形的多樣化n要求有足夠高的輸入阻抗要求有足夠高的輸入阻抗n要求有足夠高的測量準確度要求有足夠高的測量準確度n要求有高的測量速度要求有高的測量速度n要求有高的抗干擾能力要求有高的抗干擾能力二、電壓測量儀器的分類二、電壓測量儀器的分類n直流電壓測量和交流電壓測量直流電壓測量和交流電壓測

2、量n脈沖電壓測量、有效值電壓測量等脈沖電壓測量、有效值電壓測量等n模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表 模擬式電壓表是指針式的模擬式電壓表是指針式的,通常由動圈式直通常由動圈式直流電流表串聯(lián)適當?shù)碾娮铇嫵闪麟娏鞅泶?lián)適當?shù)碾娮铇嫵?數(shù)字式電壓數(shù)字式電壓表將模擬量通過模表將模擬量通過模/數(shù)數(shù)(A/D)轉換器轉換為數(shù)轉換器轉換為數(shù)字量進行測量字量進行測量.n示波器測量示波器測量2.2 交流電壓的模擬測量交流電壓的模擬測量一、交流電壓的表征一、交流電壓的表征1.峰值峰值峰值是指以零點平峰值是指以零點平為參考的最大電壓為參考的最大電壓幅值，用幅值，用UP表示。表示。以直流分量為參考以直

3、流分量為參考的最大電壓幅值稱的最大電壓幅值稱為振幅，通常用為振幅，通常用Um 表示表示。圖2.2.1 交流電壓的峰值與振幅值UPUm 2.平均值: 對周期信號而言，T為信號的周期。 從交流電壓的測量觀點看，平均是指全波整流后的平均值，不加說明時，通常指全波整流平均值，即：TdefdttuTU0)(1TdefdttuTU0| )(|101201sin22sin0.637TpTpppUUtdtTUtdtUUT正弦波交流電壓的全波整流平均值為 3.有效值： 當不特別指明時，交流電壓的量值均指有效值。各類電壓表的示值，除特殊情況外，都是按正弦波有效值來定度的TdefdttuTU02)(1UttUTUP

4、TP21d)sin(102 4.波形因數(shù)和波峰因數(shù) 為了表征同一信號的峰值、有效值及平均值的關系，引入波形因數(shù)KF和波峰因數(shù)KP：UUKdefFUUKPdefP三角波 矩形波 1.156KF3PK 2KP正弦波 11. 1KF1KF1PK 二、交流電壓的測量方法用檢波器把交流電壓轉換成直流電流，驅動直流電流表指針偏轉。 1.峰值電壓表（檢波放大式）圖2.2.2 常見峰值表檢波電路 串聯(lián)式要求RCTmax, RCTmax的條件容易滿足。但由于分布參數(shù)及高頻特性的影響仍會產(chǎn)生誤差。n如果應用于低頻場合，因為信號的周期較長， 下降，測量誤差增加，經(jīng)分析可知，低頻時相對誤差：L-1/(2fRC)n其中

5、，f為被測電壓的頻率。低頻誤差也是一個負誤差，頻率越低，誤差越大。n當利用峰值電壓表測量正弦波電壓時，若信號的失真度較大，由于峰值檢波電路對波形的凸起部分非常敏感，所以將會造成較大的波形失真。因此在測量諧波失真較大的信號電壓時，盡量不要選用峰值電壓表，必須使用時應進行誤差修正。CU 一般峰值電壓表按正弦波有效值定度，所以若測量非正弦波電壓，必須進行波形換算設儀表盤示值電壓為，則被測峰值電壓為：其中 為正弦波的波峰因數(shù)KUPPKP 例：用具有正弦波有效值的峰值表測量三角波電壓，電壓表指在10V處，問被測電壓有效值？V8.1531/.14/V1 .14210KUUKUPPPP三角波有效值三角波峰值

6、峰值檢波器電路圖2.2.3 高精度峰值表檢波器（反相型）反向放大器電壓跟隨器半波檢波二極管存儲電容反饋回路，通過調(diào)節(jié)RP可改變環(huán)路增益。n工作原理：A1對輸入信號反相放大，當VD2導通,VD1截止時，A1輸出經(jīng)VD2對C充電，uouc跟隨ui；當VD1導通，VD2截止時，C與A1隔離， uo uC保持ui峰值。因此，只要輸出和輸入電壓不等，負反饋的作用便不斷對輸出電壓校正，直到二者相等為止。2.平均值電壓表（放大檢波式）ui衰減器寬帶放大器檢波器A圖2.2.4 平均值電壓表的組成原理圖 在平均值電壓表中，檢波器對被測電壓的平均值產(chǎn)生響應。一般的“寬頻帶毫伏表”基本屬于這一類。這種電壓表的頻率范

7、圍主要受放大器帶寬的限制，典型的頻率范圍為20Hz10MHz。電容作用：濾除檢波后的交流成分圖2.2.5 常用的平均值檢波電路 設u(t)為純交流電壓，VD1VD4具有相同的正向電阻Rd和反向電阻Rr，且Rr，A表內(nèi)阻rm，則通過電流表的平均電流為： 所以 ，與波形無關。 一般均值電壓表采用正弦波電壓有效值定度，所以若測量非正弦波電壓，必須進行波形換算 設儀表盤示值電壓為，則： ，其中 為正弦波的波形因數(shù)KFmdTmdrRUdtrRtuTI22| )(|10成正比與UIUUKF11. 1對于非正弦波，必須進行示值換算，得出被測電壓的有效值：9 . 0FKU 例1.用平均值電壓表（全波式）測量三

8、角波，示值為1V，求三角波的有效值。 測量非正弦波會引起波形誤差。V94. 09 . 015. 115. 1,V9 . 011. 11UKUKKUFFF圖2.2.5 極性顯示交、直流平均值檢波器電壓表電路平均值檢波器電壓表圖4.2.5 極性顯示交、直流平均值檢波器電壓表電路R6R10與R1及S組成輸入量程分壓衰減器A1及外圍元件與微安表組成測試電路圖4.2.5 極性顯示交、直流平均值檢波器電壓表電路VD1, VD2為輸入保護二極管RP3為A1的調(diào)0電位器圖4.2.5 極性顯示交、直流平均值檢波器電壓表電路電位器RP1, RP2分別用于校正交、直流刻度R2為平衡電阻C1為濾波電容，并接在電流表兩

9、端，可抑制測量低頻信號時所引起的表針抖動A2及LED1，LED2組成極性顯示電路：輸入電壓為正時，A2輸出正電壓，LED1點亮；輸入電壓為負時，A2輸出負電壓，LED2點亮3.有效值電壓表有效值電壓表A、利用熱電偶實現(xiàn)（熱電轉換法）、利用熱電偶實現(xiàn)（熱電轉換法）被測電壓被測電壓ux使加熱絲使加熱絲AB發(fā)熱，熱電偶發(fā)熱，熱電偶M的熱端的熱端C的的溫度將高于冷端溫度將高于冷端D的溫度，產(chǎn)生熱電勢，有直流的溫度，產(chǎn)生熱電勢，有直流電流流過微安表，此電流與熱電勢成正比，熱端電流流過微安表，此電流與熱電勢成正比，熱端溫度正比于被測電壓有效值的平方，所以直流電溫度正比于被測電壓有效值的平方，所以直流電流正

10、比于被測電壓有效值的平方。流正比于被測電壓有效值的平方。圖2.2.7 熱電轉換原理圖2.2.8 熱電式有效值電壓表原理圖 圖2.2.8所示是利用熱電偶制作的有效值電壓表。熱電偶M1用于實現(xiàn)交流到直流的轉換。被測電壓Ux經(jīng)分壓器及寬帶放大器后加到M1的加熱絲上，獲得與U2x,rms成正比的熱電勢，當分壓器及寬帶放大器的總傳輸系數(shù)為1時， Ex= KU2x,rms 第四章 模擬測量方法熱電偶M2與M1性能相同，有兩個作用，一是使電壓表盤刻度線性化，二是提高熱穩(wěn)定性。If使M2工作，產(chǎn)生熱電勢 。當放大器A的增益足夠大時，特點：儀表靈敏度和頻率范圍取決于寬帶放大器的增益和帶寬，刻度線性，基本上沒有波

11、形誤差；主要缺點是具有熱慣性，使用時需等指針偏轉穩(wěn)定后才能讀數(shù)。2oxKUE rmsxofxUUEEE0圖2.2.8 熱電式有效值電壓表原理圖圖2.2.9 直接運算式有效值變換器原理圖(a) 方框圖(b) 原理圖B、計算式：利用模擬運算電路實現(xiàn)有效值電壓的測量模擬乘法器2.3 分貝的測量一、數(shù)學定義1、功率比的對數(shù)2、電壓比的對數(shù)3、絕對電平功率電平dBm：被測功率Px相對于1mW的電平：10lgPx(mW)/1mW電壓電平dBV：被測電壓Ux相對于0.775V的電平： 20lgUx/0.775二、分貝值的測量：實質(zhì)上是電壓的測量，但以dB刻度。圖2-8 逐次逼近型A/D轉換器結構圖一、逐次比

12、較型一、逐次比較型AD轉換轉換 2.4 電壓的數(shù)字化測量電壓的數(shù)字化測量 二、雙積分式DVM 雙積分型雙積分型AD轉換器由積分器、比較器、基準轉換器由積分器、比較器、基準電壓、計數(shù)器和開關組成。電壓、計數(shù)器和開關組成。 (1)將模擬電壓將模擬電壓v1進行一定時間的積分，在積進行一定時間的積分，在積分電容分電容C中存儲電荷。中存儲電荷。 (2)在基準電壓在基準電壓v2下再次進行積分下再次進行積分(反向積分反向積分)，使電容放電。使電容放電。 (3)利用比較器進行檢測，直到積分器的輸出利用比較器進行檢測，直到積分器的輸出為為0，在此期間利用計數(shù)對所需時間進行計數(shù)即，在此期間利用計數(shù)對所需時間進行計

13、數(shù)即可得到數(shù)字量輸出數(shù)據(jù)?？傻玫綌?shù)字量輸出數(shù)據(jù)。圖2.10準備階段(t0t1)：由邏輯控制電路先將圖中的電子開關S4接通，其余斷開，使積分器輸入電壓ui0，則其輸出電壓uo0，同時計數(shù)器復0，作為初始狀態(tài)。采樣階段(t1 t2)：設被測電壓Ux為負值。在t1時刻，S1接通，同時斷開S4，積分器對Ux進行正向積分，輸出電壓uo1線性增加，同時邏輯控制電路將閘門打開，釋放時鐘脈沖。設計數(shù)器容量為5999，當釋放過的脈沖個數(shù)N16000時，即在t2時刻計數(shù)器由一個進位脈沖，通過邏輯控制電路將開關S1斷開，獲得時間間隔，則xomxxxxomottxttxoURCTUUUUURCTUutdtUTRCTd

14、tURCu1112111,112121則有為直流時，當時刻，在設時鐘脈沖的周期T010s，則T1=N1T0=600010s 60ms，T1是預先設定的，所以采樣階段的積分是定時積分。比較階段(t2 t3)：在t2時刻S1斷開，同時將S2合上，接入正基準電壓UN，則積分器從t2時刻開始對UN進行反向積分，同時在t2時刻計數(shù)器清0，閘門仍然開啟，重新計數(shù)，送入寄存器。到t3時刻，積分器輸出電壓uo20，獲得時間間隔T2，在此期間有因此：設在T2期間計數(shù)值為N2，則：NomNomottNomoURCTUURCTUutdtURCUu222203,132時刻，在12TUTUNx12NUNUNxn若取UN

15、=N1(mV), 則Ux=N2(mV)n在t3時刻，uo20，由0電平比較器發(fā)出信號，通過邏輯控制電路關閉閘門，停止計數(shù)，并令寄存器釋放計數(shù)值到譯碼顯示電路，顯示出Ux的值。同時將開關S2斷開，合上S4，C放電，進入休止階段（ t3 t4），即下一周期的準備階段，自動進入第二個測量周期。n特點：雙積分式DVM的準確度主要取決于基準電壓UN的準確度和穩(wěn)定度，而與積分器的測試等基本無關，從而提高了整個儀表的準確度。由于兩次積分都是對同一時鐘脈沖計數(shù)，從而降低了對脈沖源頻率準確度的要求。n由于測量結果所反映的是被測電壓在采樣時間T1內(nèi)的平均值，故串入被測電壓信號中的各種干擾成分將通過積分過程而減弱。

16、一般選擇T1為工頻干擾的整數(shù)倍，使電于干擾電壓的均值接近0，因而這種DVM具有較強的抗干擾能力。但它的測量速度較低，一個測量周期約為幾十至一百毫秒。三.DVM主要工作特性1.顯示位數(shù)一般顯示位能顯示09十個數(shù)字。最高位可以采用只能顯示0和1的非完整顯示位。例如，一臺DVM的最大計數(shù)容量為9999，它是4位DVM，另一臺的最大計數(shù)容量為19999，它是4位。2.量程DVM的量程顯示位數(shù)以及超量程能力反映它的測量范圍。DVM 的量程由輸入通道中的步進衰減器及輸入放大器適當配合來實現(xiàn)。例如，某DVM有0.5V, 5V, 50V及 500V四個量程，其中5V是未經(jīng)衰減和放大的量程，稱為基本量程，即AD

17、C的檢波工作范圍?；鶞孰妷哼x為6V，因而允許在超量程20%的情況下使用，即可測量到5.999V(500V量程可測到599.9V)。3.分辨力分辨力DVM能夠分辨最小被測電壓變化量的能力，能夠分辨最小被測電壓變化量的能力，稱為稱為分辨力，分辨力，即最小量程時顯示器末位跳即最小量程時顯示器末位跳一個字所需要的最小輸入電壓值。一個字所需要的最小輸入電壓值。 4.測量速度測量速度 每秒完成的測量次數(shù)為每秒完成的測量次數(shù)為測量速度測量速度。它取決于。它取決于ADC的轉換速度。的轉換速度。5.準確度準確度通常用固有誤差表示通常用固有誤差表示U=( Ux+ Um)6.輸入阻抗輸入阻抗取決于輸入電路，并與量程

18、有關。輸入阻抗越大越好。直流電壓檔，輸入阻抗用輸入電阻表示。在小量程時，輸入電阻較大；而在較大量程上，由于輸入電路使用了衰減器，所以輸入電阻減小。交流電壓檔，輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容（幾十幾百pF）表示。n7、抗干擾能力n由于DVM的靈敏度較高，因而干擾信號對測量精確度的影響是一個重要問題。通常存在兩種干擾：n（1）串模干擾n串模干擾指干擾源電壓Usm以串聯(lián)形式與被測電壓Ux疊加后接至DVM的輸入端，如圖2.11。nDVM對串模干擾的抑制能力用串模抑制比（SMR）表示。圖2.11 串模干擾示意圖lg20maxdBUUSMRsmp其中Usmp為串模干擾電壓的峰值；Umax為由Usm引起的最大

19、顯示誤差。SMR越大，表示DVM的抗串模干擾能力越強，一般為2060dB。非積分型DVM對被測電壓的瞬時值產(chǎn)生響應，因此對串模干擾沒有抑制能力。而積分型DVM可能平均掉疊加在被測電壓上的串模干擾電壓，因而具有很高的SMR圖2.12 共模干擾示意圖 n（2）共模干擾）共模干擾n如果干擾源對兩根信號傳輸線的干擾大小相等、如果干擾源對兩根信號傳輸線的干擾大小相等、相位相同相位相同, 就屬于共模干擾。就屬于共模干擾。如圖如圖2.12所示，在測所示，在測量電壓時，若被測信號源的地線與量電壓時，若被測信號源的地線與DVM的地線間的地線間存在電位差，這個電位差相當于一個干擾源。存在電位差，這個電位差相當于一

20、個干擾源。n一般DVM的輸入都是浮置的單端輸入，即兩個輸入端都是對地浮置的，但并不對稱，分別稱為高（H）端和低（L）端。圖中Z1和Z2分別表示高端和低端對DVM機殼間的絕緣阻抗（包括漏電流及分布電容），一般Z1Z2。R1和R2為輸入信號線的電阻。n當被測信號的地端與DVM的機殼間存在共模干擾電壓Ucm時，將產(chǎn)生干擾電流I1和I2，分別串入R1和R2兩個支路（因而稱為共模干擾）。I1在信號源內(nèi)阻Rs及R1上的壓降，以及I2在R2上的壓降，轉換成串模干擾，對測量產(chǎn)生影響。n對共模干擾的抑制能力用共模抑制比（CMR）表示：n其中Ucm為共模干擾電壓的峰值；Usm為由共模干擾轉化成的串模電壓。n由于Z

21、1 Z2 ，若不計I1的影響， 則Usm I2R2, nZ2中的電阻成分反映對直流信號的共模抑制比，電容成分反映對交流信號的共模抑制比。可見，當R2一定時，增大Z2可提高CMR。n將DVM中的ADC進行浮置或多層屏蔽可提高CMR 。lg20lg202222222222dBRZRIZICMRZUZRRUIcmCcmlg20dBUUCMRsmcm測量準確度通常用固有誤差表示：U=（a%Uxb%Um）其中Ux為測量值，Um為該量程的滿度值。a%Ux稱為讀數(shù)誤差，它與儀器各單元電路的不穩(wěn)定性有關；b%Um不隨讀數(shù)變化，稱為滿度誤差，由量化誤差和0點誤差等組成。滿度誤差只與所取量程有關，所以常常用“幾個

22、字”表示。為了避免滿度誤差對測量結果的影響，應選擇合適的量程，使被測電壓顯示的位數(shù)盡量多。例如，用某DVM測0.5V電壓時，若使用500V量程，顯示000.52V，2個字誤差的影響很大；而用0.5V量程時，能顯示0.5002，誤差小多了。例：用一只四位DVM的5V量程分別測量5V和0.1V電壓，已知該儀表的的準確度為0.01%Ux1個字，求由儀表的固有誤差引起的測量誤差的大小。（1）測量5V電壓時的誤差因為該儀表是四位的，用5V量程時， 1個字相當于0.001V，所以：（2）測量0.1V電壓時的誤差所以，當不接近滿量程顯示時，誤差很大，因此，當測量小電壓時，應用較小的量程。 “1個字”的誤差對

23、測量結果的影響也較大，不可忽視。%03. 0%10050015. 0%100)(0015. 0001. 00005. 015%01. 0 xUUUVU個字%1%1001 . 00011. 0%100)(0011. 0001. 00001. 011 . 0%01. 0 xUUUVU個字n由于DVM采樣大規(guī)模集成電路（LSI），它的外圍電路比較簡單，體積小、重量輕、耗電省、可靠性高、操作靈活、裝配或維修都較為方便。nDVM不能反映被測電量的連續(xù)變化過程及變化趨勢。例如，用來觀察電解電容器的充、放電過程，就不如模擬式電壓表方便直觀，也不適于做電橋調(diào)平衡的0位指示器。nDVM不能完全取代模擬式電壓表。n近年來廣泛使用模擬和數(shù)字混合式儀表。四. 數(shù)字多用表數(shù)字多用表可測量多種電氣參數(shù)，其基本測量方法仍以測電壓的DVM為基礎，通過各種參數(shù)變換器將其他參數(shù)變換為等效的直流電壓U，通過測量U的值來獲得所測參數(shù)