1第四章電壓測量技術(shù)電壓測量的特點。模擬交流電壓表的基本組成和特點及交流電壓的三種表征參數(shù)。(模擬)比較型直流數(shù)字電壓表和積分型直流數(shù)字電壓表的組成及工作原理。(數(shù)字)（選）余數(shù)再循環(huán)技術(shù)在電壓測量中的應(yīng)用。2§4.1概述電信號的三個基本參量：V、I、P一、電壓測量的基本要求和特點1.確定被測電壓的量值范圍。2.確定被測電壓的頻率范圍。3.確定被測電壓的波形。4.確定被測電壓的輸出阻抗 。（負載效應(yīng)）直流DVM<10V量程10G——1000G>10V10MDT—830數(shù)字三用表R=10M

交流DVM（經(jīng)AC/DC變換）1M//15PF5.注意測量精確度:三用表1%;高檔:1ppm,8位半3

測量數(shù)據(jù)精確度要與電壓基準（直流標準電池）對比。(計量）6.高的抗干擾能力。（為減小測量誤差）二、測量方法模擬式：磁電系儀表（指針式）表頭特點：高靈敏度（最小量程10uA）,高準確度0.1%，

刻度呈線性，受外磁場及溫度影響小。

特點：電路簡單，價格低廉，適于測高頻。數(shù)字式：A/D變換計數(shù)器顯示器（十進制）特點:直觀、高速、精度高。4+_+_§4.2模擬式電壓測量一、測直流

直放指示器二、測交流AC/DC變換器檢波器：峰值、均值、有效值。I0=f（vx）刻（一）峰值檢波器1、二極管峰值檢波器V(t)V(t)

串聯(lián)并聯(lián)度特性（定度系數(shù)）+_UR=Uc=UmUR=-Um條件：RC>>Tmax;

(

RD+R內(nèi))C<<TminRD-二級管電阻；R內(nèi)-信號源內(nèi)阻5V(t)VcVcV(t)V(t)+VpVp+Vmt-VpVv

谷值峰值峰值是指任一周期性交變電壓，在所觀測的時間或一周期內(nèi)，電壓所達到的最大值。計算峰值時都是從參考零電平開始計算

峰值62、檢波—放大式Vx檢波分壓直放指示器特點：(1)f：20Hz——x100MHz(2)V：V級（1V——100V）

(3)靈敏度：0.1V(早期）典型儀器：超高頻電壓表DYC—50.1Vf：20Hz—300MHz3、斬波式Vx檢波器衰減器斬波器交放檢波器指示器特點：f：10KHz—1GHzV：mV級靈敏度：幾十uV典型儀器：國產(chǎn)DA—1型超高頻mV表7（二）平均值檢波器：半波及橋式整流均值檢波器定義——檢波后的直流電壓與輸入的交流電壓的平均值成比例而與波形無關(guān)。1、檢波電路：半波整流：全波整流：82、放大——檢波式V(t)分壓器寬帶放大器檢波器指示器特點：f：20Hz—10MHz（帶寬和增益的矛盾）

V：mV級（一般幾十uV—300V）典型儀器：寬頻帶mv表、視頻mv表（三）外差法

V(t)輸入電路混頻中放檢波指示器

f：100KHz—x100MHz

本振

v：uV—mV級靈敏度：15uVDW3甚高頻毫伏表FL9(四)有效值檢波:常見兩種方式1、熱電變換式（熱電偶）ADVx(t)MuABFAB：加熱絲M：熱電偶IET(有效值的平方）

Vx分壓器寬放10MHzM1ExAVOM2

2M2M2缺點：1)熱慣性;2)要先置大量程;DA—24型10Hz—10MHz0—1mv—300VC(I正比于)A8IEK—轉(zhuǎn)換系數(shù)G=1如何確定比例系數(shù);克服干擾?102、模擬計算電路：Ac---Dc變換數(shù)學表達式：

模擬運算集成電路AD637KRms---dc

三、交流電壓的三種表征參數(shù)測量V~模擬乘法器積分器開方三種：峰值、平均值、有效值檢波器：峰值檢波器、均值檢波器、有效值檢波器刻度：均按正弦電壓的有效值刻度。Ac/DcI-電流表（刻度特性）靈敏度S：與放大器增益、熱電偶類型等有關(guān)。11峰值檢波電壓表結(jié)構(gòu)及刻度特性：峰值檢波正弦有效值刻度表頭除1.414均值檢波電壓表結(jié)構(gòu)及刻度特性：均值檢波正弦有效值刻度表頭有效值檢波電壓表結(jié)構(gòu)及刻度特性：有效值檢波正弦有效值刻度表頭乘1.1112(一)峰值電壓表

a——電壓表讀數(shù)

Vp——被測電壓峰值

——正弦電壓有效值——正弦電壓的波峰因數(shù)注意：由于測量表的動態(tài)特性限制，Kp有一個允許極限，例：如Kp=10，則電壓表的滿度波峰因數(shù)應(yīng)10,否則產(chǎn)生削波。

對于正弦波，Kp~=Vx——被測電壓有效值則Kp——被測電壓波峰因數(shù)

=

用峰值電壓表測任意波形電壓其讀數(shù)沒有直接意義；乘以Kp~換算成正弦電壓峰值，再據(jù)“峰值相等示值也相等”的原則，除以被測波形Kp，得到被測波形的有效值。(Kp~=Vp~/V~=Kp三角波=)13（二）均值電壓表==V~/V=0.707Um/0.637Um，正弦電壓波形因數(shù)——被測電壓平均值對正弦波=測量非正弦時，讀數(shù)無直接物理意義，只有乘以1/kf折算成正弦電壓的平均值，再根據(jù)“平均值相等示值也相等”的原則，用波形系數(shù)乘

換算出被測非正弦電壓的有效值、峰值。V()dttvTVTò=01數(shù)學上：14（三）有效值電壓表數(shù)學上：可寫成：

特點是不需進行換算,可直接從表頭讀出被測電壓有效值。有效值定義：交流電壓在一周期內(nèi)在純阻負載所產(chǎn)生的熱量與一個直流電壓在同一負載上產(chǎn)生的熱量相等時，該直流電壓值既交流電壓的有效值。有效值既均方根值。缺點：對諧波失真引起的波形誤差非常敏感，又無法確知其波峰因數(shù)，讀數(shù)無法換算，小心使用。由有效值定義求出---真有效值用有效值電壓表測非正弦波時，15舉例說明測量一個非正弦波時，如何對讀數(shù)進行換算eg、用均值電壓表測正弦波、三角波、方波，示值均為a=10V，求各自的有效值、峰值、波形誤差。解：已知a=正弦波Vp~=Kp*V~=1.414×10=14.14vr=(10-10)/10=0三角波=1.15×9=10.4vVp=1.73×10.4=18vr=(10.4-10)/10.4×100%3.85%

方波V==1×9=9vVp=1×9=9vr=(10-9)/9×100%11%改用峰值？波形誤差=(V~—a)/V~×100%,V~=Kf~*a/Kf~=a16§4.4直流數(shù)字電壓表(DVM)（數(shù)字測量方法）數(shù)字化過程可表示為：模擬量A/D變換器電子計數(shù)器數(shù)字顯示器數(shù)字萬用表被測信號衰減器AC/DCI/DC/DCDVM核心數(shù)字化方法：把待測的隨時間作連續(xù)變化的模擬量變成相應(yīng)的數(shù)字量，最后以數(shù)字顯示測量結(jié)果。根據(jù)A/D原理分為：積分式、非積分式、余數(shù)再循環(huán)式（比較）核心17一、逐次比較式（逼近式）DVM——非積分基本原理：把參考電壓分解成若干基準碼再與未知電壓依次進行比較，大者棄小者留，逐次逼近被測電壓。天平稱重量：設(shè)天平滿量程重量為W,分成若干基準碼Wx則保留,再增加則丟棄，換上則天平平衡，即是被測重量18原理圖：

時序脈沖發(fā)生器

逐次比較寄存器SARA比較器D/A轉(zhuǎn)換器譯碼器基準電壓Es轉(zhuǎn)換基準電壓Vs（滿量程電壓）19

信號節(jié)拍第一拍第二拍第三拍第四拍第五拍第六拍時鐘脈沖SARVs與Vx比較V。SAR取舍100000010000001000000100000010000001(100000)(010000)(011000)(010100)

(010110)(010101)舍舍舍留留留000000010000010000010100010101譯碼器輸出Eg:6bit位A/D變換器Es=10v，被測電壓Vx=3.285v010100D/A轉(zhuǎn)換誤差=0.004v222示值二進制20特點：

1、DVM的準確度與基準電壓、D/A轉(zhuǎn)換器及比較器的準確度有關(guān)。準確度較高。

4位半

2、抗干擾能力差，它是對瞬時值產(chǎn)生響應(yīng)，對串模干擾沒有抑制能力。3、測量速度快。每秒10萬次以上，易采用集成度高的器件。4、對器件質(zhì)量要求高，價格較貴。21二、雙斜式積分（雙積分）DVM

對應(yīng)于單斜式

T時段計數(shù)N∝VXVX高則T長N大顯然,測量是瞬態(tài)響應(yīng);斜波的線性等都將影響測量的精度

雙斜:包括兩次積分；a、對被測電壓Vx進行定時（T1=C)積分b、對基準電壓Vr進行定值（Vr＝C)反向積分（直至積分器輸出為0)VX0vT22t通通通：定時采樣階段：定量比較階段積分波形

邏輯控制十進制計數(shù)器譯碼顯示主門時鐘脈沖寄存Vom=T1/RC*VxVom=T2/RC*VrT1/T2=Vr/Vx

Vx=T2/T1*VrTo:系統(tǒng)復位積分器鑒零器“溢出”23三個階段：

1、準備階段:（0－〕2、定時采樣階段：():24由于在采樣期間有干擾電壓存在，因此實際被采樣電壓為：市電50Hz交流干擾的抑制：選擇此時積分器最大輸出電壓為：若則253、定量比較階段

∴又已知：則：

為時鐘脈沖周期∵Vom=T1/RC*Vx若：則：只要改變小數(shù)點的位置就可是使計數(shù)值等于測量值。26(四)雙斜式積分的特點1、因為、則適當選擇值使

(n為整數(shù))就可用

值直接表示

,而10的n次方則可由改變小數(shù)點位置解決Eg：優(yōu)利得UT型數(shù)字多用表:

均值響應(yīng),準確度2、只與有關(guān)，并不單獨與、、、有關(guān)，所以、可用同一個鐘源，、可用同一個計數(shù)器,即簡化了儀表，且對振蕩器、計數(shù)器的精確度要求不高。3、測量結(jié)果與積分元件R、C無關(guān)，即對R、C穩(wěn)定性的要求不高。4、抗干擾能力強，具有高的串模抑制比(SMR)。5、測量速率低(2－5次/s)，但準確度高。xVNμ227三、DVM的測量誤差(一)固有誤差：數(shù)字電壓表在標準條件下的誤差。常見表示方法有：－被測電壓讀數(shù)－該量程滿度值讀數(shù)誤差滿度誤差目前一般DVM測直流電壓的準確度可達1讀數(shù)誤差（與讀數(shù)成正比）包括刻度系數(shù)、非線性等產(chǎn)生的誤差。刻度系數(shù)（概念）－DVM每個字所代表的電壓值。例如：雙積分型DVM就有－DVM內(nèi)部基準電壓為了擴展量程，需加入步進衰減器與前置放大器計數(shù)顯示器刻度系數(shù)28為了使讀數(shù)直接代表的電壓值，N為隨量程而變的整數(shù)非線性誤差－－其原因主要是放大器和積分器(對于交流還有檢波器)的非線性。2、滿度誤差：包括A/D變換器產(chǎn)生的量化誤差、零電壓點沒有調(diào)

準所造成的偏移誤差和儀器的內(nèi)部噪聲引起的誤差等。

上述三種誤差與被測電壓Ux的大小無關(guān)，只取決于不同量程

的滿度值Um，因此有些DVM用個字來表示滿度誤差?？潭认禂?shù)29

(二)附加誤差：包括輸入電阻、輸入零電流、環(huán)境溫度變化和儀器長期工作的穩(wěn)定性差所產(chǎn)生的誤差。輸入電阻Ri引入的附加誤差是由于電壓表的輸入電阻Ri與被測源內(nèi)阻

Rs的比值不夠大而引起的誤差。它表示為；被測源0L30輸入零電流是指從DVM輸入端流入或流出的一種電流。用Io表示。它是DVM的前置放大器輸入級產(chǎn)生的。以場效應(yīng)管為例，其誤差為：四、測量速率－每秒鐘對被測電壓的測量次數(shù)，或一次測量全過程所需的時間。逐次逼近式測量速率快雙積分式-------------慢31五、輸入阻抗

DVM在基本量程以下由于未接輸入電壓衰減器則輸入電阻Ri較高。而經(jīng)過衰減器在基本量程以上各量程Ri較低，且隨著量程上升而Ri

下降。一般DVM：Ri對于多用表（DMM）除了Ri外還有Ci六、抗干擾能力以和VX串聯(lián)的形式加到DVM的輸入端1、串模干擾(常態(tài)干擾)：串模干擾電壓包括如下兩種形式：DVMDVM被測源被測源(a)信號源引入(b)聯(lián)線感應(yīng)引入32

對于快速變化的干擾通常采用兩種抑制方法：浮置（浮地）：既DVM的倆輸入端和地線沒有直流聯(lián)系屏蔽(電,磁)：用金屬材料把電路封閉，形成法拉第屏蔽網(wǎng)。DVM對串模干擾的抑制能力用串模干擾抑制比（SMR〕來表征：如果SMR＝60dB即相當于外界干擾電壓造成顯示數(shù)字變化僅為干擾電壓峰值的1/1000。33舉例說明積分式DVM具有很高的SMR。解：積分式DVM是響應(yīng)于被測信號在測量周期（采樣時間)的平均值設(shè)DVM輸入端的電壓為串模干擾設(shè)積分式DVM的采樣周期為T，則在時間T內(nèi)的平均值就是DVM的顯示值，于是產(chǎn)生的示值誤差為T34干擾抑制10倍周程4035由上圖可見：A、積分時間T一定，干擾頻率越高，則SMR越大.即低頻危害大。B、干擾信號周期Tsm一定，積分時間T越長，則SMR越大。C、若選T＝nTsm，則SMR,此時串模干擾被完全抑制，外界干擾將不引入誤差。2、共模干擾（共態(tài)干擾)是指在測量電壓時被測信號源的地線與DVM的地線間存在電位差Uc,Uc就是干擾源。如下圖，由于這種干擾對DVM高低兩條輸入線都產(chǎn)生影響，故稱共模干擾。Ucm只有轉(zhuǎn)化成串模時才影響測量

浮置單端輸入和雙重屏蔽的等效電路

I1、I2分別在R1、R2上產(chǎn)生串模干擾電壓；因為Z1>>Z2，故I1<<I2I1的影響可忽略。36抑制共模干擾能力用共模抑制比CMR來表示：其定義為：Ucm---共模干擾電壓有效值。Usm---由于Ucm引起的DVM輸入端串模干擾電壓。

欲提高CMR、必須減少UCM到

USM的轉(zhuǎn)化，既增大Z2。采用浮置和多重屏蔽結(jié)構(gòu)。六、DVM的主要工作特性(一)測量范圍DVM的測量范圍是以A/D變換器的電壓變換范圍為基本量程（1、2、6、10v)，以基本量程為單位，利用分壓器，可使測量上限、下限擴展。除了量程，還要看顯示位數(shù)，超量程能力反映測量范圍。(見教材)37顯示位數(shù)：指能夠顯示0－9十個數(shù)碼的完整顯示位。如：的含義：

第一種：基本量程是1v或10v，絕大多數(shù)DVM都帶有位，表示具有超量程能力。Eg:10.000v量程。如最大顯示9.999v，

4位

如最大顯示19.999，第二種：(例外)，fluxe7050型，基本量程2v，基本量程上最大顯示

為顯示1.99999v，

DVM。38Eg:測試10.0001，如用5位DVM測，無超量程能力,10v檔測是9.9999v。

那么0.1mv不能讀，換到100v檔測是10.000v。則0.1mv不能分辨。如有超量程能力，則10v檔測是10.0001v，首位1是附加首位，被測電壓超過量程則這一位顯示1。所以具有超量程能力的DVM

精度高。(分辨力高)(二)、分辨力－－－即顯示器末位跳一個字所需的最小輸入電壓。即DVM

能夠顯示出的被測電壓的最小變化值。在最小量程上具有最高的分辨力。Eg:最小量程0.100000v則末位跳一個字為1,即分辨力為1。(三)、測量速度：39………即每秒鐘對被測電壓的測量次數(shù)或一次測量全過程所需時間。它主要取決于A/D變換器的變換速度。七、雙積分型數(shù)字表的現(xiàn)時水平：基本上是以英國SOLARTRON

公司（7081型）、DATRON公司（1081型）、美國HP公司

(HP3458A)為最，其中83年生產(chǎn)的7081型8位半數(shù)字萬用表，準確度高達1.2PPM(),分辨率為10微伏，該公司的8位半數(shù)字電壓表分辨力達到一億四千萬分之一；轉(zhuǎn)換準確度為

0.00003%。目前DVM的靈敏度可達1納伏。作業(yè)：5.1、5.3、5.6、5.12、5.13、5.1440余數(shù)再循環(huán)技術(shù)在電壓測量中的應(yīng)用技術(shù)背景：FLUKE8520A,微機化數(shù)字多用表技術(shù)指標：電壓范圍：1uV---1000V

頻率范圍：10---1mHz(加探頭500mHz)

電阻范圍：0.