第3章-电学基本量的测量5

3.6电子电压表13.6电子电压表模拟式电子电压表3.6.1数字电压表3.6.2万用表3.6.3数字多用表3.6.43.6电子电压表2正弦有效值定度逐次比较式数字电压表和双积分式数字电压表的结构和原理重点3.6电子电压表3电子电压表电子电压表，分为模拟式电压表和数字式电压表。3.6.1模拟式电压表模拟式电压表即指针式电压表，它用磁电式直流电流表（俗称表头）作为指示器，有直流电压表和交流电压表之分。交流电压表的核心为交直流变换器AC/DC。一般利用检波器来实现交直流变换。1.检波器按其响应特性分为均值、峰值和有效值检波器三种，交流电压表则相应地分为均值电压表、峰值电压表和有效值电压表。3.6电子电压表41）均值电压表被测电压输入阻抗变换器可变量程衰减器宽带交流放大器均值检波器图3.10均值电压表组成框图1。按其响应特性分类均值电压表属于低频电压表，它的灵敏度可以达到毫伏数量级，频率范围一般为20Hz～10MHz，故又称之为视频毫伏表。3.6电子电压表5刻度特性均值电压表一般以输入正弦波有效值的大小来定度，即正弦波有效值定度。当测量正弦波电压时，正弦波的有效值U~就等于电压表的读数值Uα，即U~=Uα；当测量非正弦波电压时，电压表的读数值无明确的物理意义，只说明非正弦波电压平均值与读数值相等的正弦波电压平均值相等。111.UUK~式中，Kα为电压表的定度系数，反映的是电压表实际响应值与读数值Uα之间的关系；U3.6电子电压表62）.有效值电压表有效值电压表类型繁多，例如，检波式（常用分段逼近式有效值检波器）、热偶式、计算式等。一般认为有效值电压表的读数就是被测电压的有效值，而与被测电压波形无关，称之为真有效值电压表。3.6电子电压表73)峰值电压表峰值检波器分压器直流放大器图3.17峰值电压表的组成被测输入刻度特性峰值电压表也以正弦波有效值进行定度。当测量正弦波电压时，正弦波电压有效值U等于电压表的读数值Uα，即U=Uα。当测量非正弦波电压时，电压表的读数值Uα没有明确的物理意义，只说明非正弦电压的峰值与读数值相等的正弦波的峰值相等。3.6电子电压表8[例3-1]用正弦有效值定度的峰值电压表测量正弦波、三角波电压，已知电压表的读数均为20V，试分别计算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？解：测量正弦波时：U~=Uα=20VV18V209.09.0α~UUV3.28V2022ˆα~UU3.6电子电压表9测量三角波时：答：（略）V3.28V2022ˆUUV3.1638.3V23ˆˆPUKUUV1.14326.3V1FKUU3.6电子电压表10[例3-2]用正弦有效值定度的均值电压表测量正弦波、三角波电压时，已知电压表的读数均为20V，试分别计算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？解：测量正弦波时：U~=Uα=20VV18V209.09.0α~UUV3.28V2022ˆα~UU3.6电子电压表11测量三角波时：V18V209.09.0αUUV8.20V1832UKUFV0.36V8.203ˆUKUP答：（略）。3.6电子电压表12按照测量电压频率范围的不同，交流电压表还可分为超低频电压表（低于10Hz）、低频电压表（低于1MHz）、视频电压表（低于30MHz）、高频或射频电压表（低于300MHz）和超高频电压表（高于300MHz）。2为了满足不同测量对象的要求，模拟式交流电压表有直接检波式、放大—检波式、检波—放大式和外差式等四种不同的结构形式。（1）检波—放大式电压表检波—放大式电压表如图所示。检波器衰减器直流放大器被测输入(a)uA3.6电子电压表13（2）放大—检波式电压表放大—检波式电压表如图所示。衰减器检波器交流放大器(b)被测输入uA（3）外差式电压表外差式电压表又称为选频电压表或测量接收机，其灵敏度可以提高到微伏级。一般称之为高频微伏表。输入电路混频器中频交流放大器图3.4外差式电压表组成框图被测输入均值检波器本振3.6电子电压表14此外，还有热偶式电压表。热偶式电压表是利用被测电压加在电热丝上对热偶元件加热而产生热电势，再根据热电势与加热温度的函数关系来测出被测电压。热偶式电压表的优点是测量结果与被测信号波形无关，是一种真正的有效值电压表，可以测量直流至上百兆赫兹的交流信号。它的缺点是灵敏度低、输入电阻低、受环境温度影响大、个别电压表的刻度非线性。3.6电子电压表153.2.6．数字式电压表数字式电压表（DVM，DigitalVoltmeter）是利用A/D（模/数）变换器将模拟量变换成数字量，并以十进制数字形式显示被测电压值的一种电压测量仪器。直流数字电压表的核心是A/D变换器。A/D变换器分为积分式、比较式和复合式三种类型，直流数字电压表相应地分为积分式、比较式和复合式三种类型。目前，应用比较广泛的是双积分式DVM，其次是逐次比较式DVM。3.6电子电压表16数字电压表由模拟电路、数字逻辑电路和显示电路三大部分组成，如图所示。图中A/D变换器是数字电压表的核心。输入电路A/D变换器计数器图3.5数字电压表组成框图被测输入寄存显示电路逻辑控制电路模拟电路数字逻辑电路显示电路3.6电子电压表17数字电压表还具有测量准确度高、分辨力强、测速快、输入阻抗高、过载能力强、抗干扰能力强等优点。由于微处理器的应用，目前高中档数字电压表已普遍具有数据存储、自检等功能，并配有标准接口，可以方便构成自动测试系统。而模拟式电压表具有结构简单，价格低廉，频率范围宽等特点，并且还可以更直观地观测信号电压变化情况。因此数字式电压表还不能完全代替模拟式电压表。1主要技术指标1).电压测量范围3.6电子电压表18（1）量程数字电压表一般有好几个量程。信号未经衰减器衰减和放大器放大的量程称为基本量程，基本量程的测量误差最小。（2）显示位数数字电压表中能显示0～9十个数码的数位称为满位，否则，称为半位或1/2位。例如，最大显示数字为9.999的称为4位数字电压表；最大显示数字为19.999的称为位数字电压表。2143.6电子电压表19（3）超量程能力超量程能力是指数字电压表在一个量程上所能测量的最大电压超出量程值的能力，是数字电压表的一个重要指标。数字电压表有无超量程能力，要根据它的量程分档情况以及能够显示的最大数字情况来决定，其计算式如下：例如，最大显示数字分别为9.999、19.999、5.999,对应量程分别为10V、20V、5V的数字电压表的超量程能力分别为0%、0%、20%.%100量程值量程值）（能测量出的最大电压超量程能力3.6电子电压表20有了超量程能力，在有些情况下可以提高测量精度，例如：被测电压为10.001V，若采用不具有超量程能力的4位DVM10V档测量，读数为9.999V；用100V挡测量，读数为10.00V，若改用有超量程能力的四位半DVM10V档测量，均可读出10.001V，显然提高了精度。3.6电子电压表212.分辨力分辨力即灵敏度，是指数字电压表能够反映出的被测电压最小变化值，实际上就等于所选量程最右边数字的一个单位，即末尾的“1”表示出的电压值。不同量程的分辨力不同，最小量程的分辨力最高。通常以最小量程的分辨力作为数字电压表的分辨力。3.测量误差数字电压表的固有误差一般采用以下两种表示方法：3.6电子电压表22ΔU=±(α%Ux+β%Um)或ΔU=±α%Ux±n字式中:Ux为被测电压读数值；Um为数字电压表量程满度值；α%Ux称为读数误差，随被测电压的变化而变化；α、β称为相对项系数、固定项系数；β%Um=n字，称为满度误差。量程确定后，满度误差为固定值，可用n字来表示，n字等于满度误差与末尾数字1个单位电压（即分辨力）的比值。3.6电子电压表23[例3-3]某5位DVM在5V量程测得电压为2V，已知5V量程的固有误差计算式为ΔU=±(0.005%Ux+0.004%Um)，试求DVM的固有误差、读数误差和满度误差各是多少？满度误差相当于几个字？解：因为DVM位数为5，且量程为5V，所以电压表末尾1个单位为0.0001V。读数误差为：±0.005%Ux=±0.005%×2V=±0.0001V满度误差为：±0.004%Um=±0.004%×5V=±0.0002V满度误差相当于：固有误差：±（0.0001V+0.0002V）=±0.0003V答：（略）字2V0001.0V0002.03.6电子电压表244.输入电阻和输入零电流数字电压表的输入电阻一般不小于10MΩ，可达1GΩ，一般情况下基本量程的输入电阻最高。为了提高数字电压表的输入阻抗而用场效应管等有源器件构成电压表的输入电路，故当电压表输入端短路时，测试线上会有电流通过，该电流称为输入零电流或输入偏置电流。测量电压时该电流是始终存在的，应尽量减小输入零电流。5.抗干扰能力数字电压表的抗干扰能力较强，通常用串模干扰抑制比和共模干扰抑制比来表示，干扰抑制比的数值越大，表明数字电压表抗干扰的能力越强。3.6电子电压表256.测量速度测量速度是指在单位时间内，以规定的准确度完成的最大测量次数，或完成单次测量所用的时间。数字电压表的测量速度主要取决于A/D变换器的类型，不同类型的DVM的测量速度差别很大，测速较快的是比较式DVM，测速较慢的是积分式DVM。测量速度是描述数字电压表的一项重要技术指标，而不是模拟式电压表的技术指标。另外，数字电压表DVM通常具有自动调零、自动切换量程和显示极性等自动功能。3.6电子电压表262)A/D变换器数字电压表的核心是A/D变换器，应用比较广泛的是双积分式A/D变换器以及逐次比较式A/D变换器。1.双积分式A/D变换器双积分式A/D变换器即双斜式A/D变换器，属于V-T型积分式A/D变换器。它将直流电压与基准电压的比较通过两次积分变换为两个时间段的比较，并由此将模拟电压变换为与其输入电压的平均值（即输入直流电压）成正比的时间段，时间段的长短则由计数器来测定，计数器所得的计数值即A/D变换的结果。3.6电子电压表27基准电压±URUx－∞++运放逻辑控制电路零比较器闸门计数器时钟脉冲显示复零溢出CRS1S2图3.20双积分式A/D变换器原理框图准备阶段，S1闭合、S2接地，使积分电容C完全放电，为取样作准备。3.6电子电压表28基准电压±URUx－∞++运放逻辑控制电路零比较器闸门计数器时钟脉冲显示复零溢出CRS1S2取样阶段，S1断开、S2将积分器的输入端接输入电压Ux，积分器对Ux定时积分（设正向充电），当计数器计数为N1（常数），即t2时刻，定时取样完毕。t0tp(t)N1N2N'203.6电子电压表29基准电压±URUx－∞++运放逻辑控制电路零比较器闸门计数器时钟脉冲显示复零溢出CRS1S2比较阶段，S1仍断开、S2打在与Ux极性相反的基准电压UR积分器对UR反向积分(即反向放电)。当积分器输出电压下降为零，即t3时刻，逻辑控制电路控制计数器停止计数，本次A/D变换结束。t0tp(t)N1N2N'203.6电子电压表30T1定时正向积分T2定值反向积分t0uo(t)t1t0t2t3t'3URt0ui(t)UxU'xtp(t)N1N2N'20图3.21双积分式A/D变换器工作波形3.6电子电压表31显然，电容t2时刻充上的电荷与t3时刻放去的电荷相等。经推导得知：式中，为Ux在时间T1内的平均值；T1=t2－t1，为定时取样时间；T2=t3－t2，为定值比较时间；UR/N1称为A/D变换器的变换灵敏度，双积分式A/D变换器具有稳定性好，准确度高，抗干扰能力强等的优点。xR12UUTTxR12UUNN21RxNNUUxU3.6电子电压表322.逐次比较式A/D变换器逐次比较式数字电压表又称为反馈编码式数字电压表，其核心是逐次比较式A/D变换器。(1)逐次比较式A/D变换器工作原理逐次比较式A/D变换器的原理框图Ux电压比较器数码寄存器译码显示D/A变换器基准电压