第7章--电压测量

第7章电压测量第7章电压测量7.1概述7.2模拟式直流电压测量7.3交流电压表征和测量方法7.4低频交流电压测量7.5高频交流电压测量7.6脉冲电压测量7.7电压的数字式测量习题七第7章电压测量7.1概述一、电压测量的重要性电压是一个基本物理量，是集总电路中表征电信号能量的三个基本参数(电压、电流、功率)之一，电压测量是电子测量中的基本内容。在电子电路中，电路的工作状态如谐振、平衡、截止、饱和以及工作点的动态范围，通常都以电压形式表现出来。电子设备的控制信号、反馈信号及其它信息，主要表现为电压量。在非电量的测量中，也多利用各类传感器件装置，将非电参数转换成电压参数。第7章电压测量电路中其他电参数，包括电流和功率，以及如信号的调幅度、波形的非线性失真系数、元件的Q值、网络的频率特性和通频带、设备的灵敏度等等，都可以视作电压的派生量，通过电压测量获得其量值。最后也是最重要的，电压测量直接、方便，将电压表并接在被测电路上，只要电压表的输入阻抗足够大，就可以在几乎不对原电路工作状态有所影响的前提下获得较满意的测量结果。作为比较，电流测量就不具备这些优点，首先须把电流表串接在被测支路中，很不方便，其次电流表的接入改变了原来电路的工作状态，测得值不能真实地反映出原有情况。由此不难得出结论：电压测量是电子测量的基础，在电子电路和设备的测量调试中，电压测量是不可缺少的基本测量。第7章电压测量二、电压测量的特点第一章中介绍的电子测量的基本特点，同样在电压测量中得到体现，电压测量的特点就对电压测量的主要仪器——电压表的性能，提出了相应的要求，这些主要包括下面几个方面。第7章电压测量l.频率范围电子电路中电压信号的频率范围相当广，除直流外，交流电压的频率从10-6(甚至更低)到109Hz，频段不同，测量方法手段也各异。2．测量范围电子电路中待测电压的大小，低至10-9V，高到几十伏，几百伏甚至上千伏。信号‘江压电平低，就要求电压表分辨力高，而这些又会受到干扰、内部噪声等的限制信号，辽压电子高，就要考虑电压表输入级中加接分压网络，而这又会降低电压表的输入阻抗。第7章电压测量3．信号波形电子电路中待测电压的波形，除正弦波外，还包括失真的正弦波以及各种非正弦波(如脉冲电压等)，不同波形电压的测量方法及对测量准确度的影响是不一样的。4．被测电路的输出阻抗由待测电压两端看去的电子电路的等效电路，可以用图7．1—l(b)表示，其中Z。为电路的输出阻抗，Zi为电压表输入阻抗。第7章电压测量在实际的电子电路中，Z0的大小不一，有些电路Z0很低，可以小于几十欧姆，有些电路Z0很高，可能大于几百干欧姆，前面已经讲过，电压表的负载效应对测量结果的准确度有影响，尤其是对输出阻抗Z0比较高的电路。第7章电压测量图7.1—1电压表测量电压及其等效电路第7章电压测量5．测量精度由于被测电压的频率、波形等因素的影响，电压测量的准确度有较大差异。电压值的基准是直流标准电压，直流测量时分布参数等的影响也可以忽略，因而直流电压测量的精度较高。目前利用数字电压表可使直流电压测量精度优于10-7量级。但交流电压测量精度要低得多，因为交流电压须经交流／直流(AC／DC)变换电路变成直流电压，交流电压的频率和电压大小对AC／DC变换电路的特性都有影响，同时高频测量时分布参数的影响很难避免和准确估算，因此目前交流电压测量的精度一般在10-2～10-4量级。第7章电压测量6．干扰电压测量易受外界干扰影响，当信号电压较小时，干扰往往成为影响测量精度的主要因素，相应要求高灵敏度电压表(如数字式电压表、高频毫伏表等)必须具有较高的抗干扰能力，测量时也要特别注意采取相应措施(例如正确的接线方式，必要的电磁屏蔽)，以减少外界干扰的影响。第7章电压测量三、电压测量仪器的分类1．按显示方式分类电压测量仪器主要指各类电压表。在一般工频(50Hz)和要求不高的低频(低于几十kHz)测量时。可使用一般万用表电压档，其他情况大都使用电子电压表。按显示方式不同，电子电压表分为模拟式电子电压表和数字式电子电压表。前者以模拟式电表显示测量结果，后者用数字显示器显示测量结果。模拟式电压表准确度和分辨力不及数字式电压表，但由于结构相对简单，价格较为便宜，频率范围也宽，另外在某些场合，并不需要准确测量电压的真实大小，而只需要知道电压大小的范围或变化趋势，第7章电压测量例如作为零示器或者谐振电路调谐时峰值、谷值的观测，此时用模拟式电压表反而更为直观。数字式电压表的优点表现在：测量准确度高，测量速度快，输入阻抗大，过载能力强，抗干扰能力和分辨率优于模拟电压表。此外，由于测量结果是数字形式输出、显示，除读数直观外，还便于和计算机及其他设备联用组成自动化测试仪器或自动测试系统。目前由于微处理器的运用，高中档数字式电压表已普遍具有数据存贮、计算及自检、自校、自动故障诊断功能，并配有IEEE—488或RS232C接口，很容易构成自动测试系统。数字式电压表当前存在的不足是频率范围不及模拟式电压表。第7章电压测量2．模拟式电压表分类(1)按测量功能分类分为直流电压表、交流电压表和脉冲电压表。其中脉冲电压表主要用于测量脉冲间隔很长(即占空系数很小)的脉冲信号和单脉冲信号，一般情况下脉冲电压的测量已逐渐被示波器测量所取代。第7章电压测量(2)按工作频段分类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)。(3)按测量电压量级分类分为电压表和毫伏表。电压表的主量程为V(伏)量级，毫伏表的主量程mV(毫伏)量级。主量程是指不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程。第7章电压测量(4)按电压测量准确度等级分类分为0.05、0.1、0.2、0.5、10、l.5、2.5、5.0和10.0等级，其满度相对误差分别为0.05％、0.1％、…、10.0％。第7章电压测量(5)按刻度特性分类可分为线性刻度、对数刻度、指数刻度和其他非线性刻度。此外，还可以按测量原理分类。这将在交流电压测量中介绍。按现行国家标准，模拟电压表的主要技术指标有固有误差、电压范围、频率范围、频率特性误差、输入阻抗、峰值因数(波峰因数)、等效输入噪声、零点漂移等共19项。第7章电压测量3．数字式电压表数字式电压表目前尚无统一的分类标准。一般按测量功能分为直流数字电压表和交流数字电压表。交流数字电压表按其AC／DC变换原理分为峰值交流数字电压表、平均值交流数字电压表和有效值交流数字电压表。数字式电压表的技术指标较多，包括准确度、基本误差、工作误差、分辨力、读数稳定度、输入阻抗、输入零电流、带宽、串模干扰抑制比(SMR)、共模干扰抑制比(CMR)、波峰因数等30项指标。第7章电压测量7.2模拟式直流电压测量一、动圈式电压表图7.2-1是动圈式电压表示意图。图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为Re，满偏电流(或满度电流)为Im，若作为直流电压表，满度电压memIRU(7.2-1)第7章电压测量例如满偏电流为50A，电流表内阻为20kΩ，则满偏电压为1V。为了扩大量程，通常串接若干倍压电阻，如图7．2—1中。这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程U0外，又增加了三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的阻值分别为221RRR、、221UUU、、mmemIUURIUURRIUR/)(/)()/(23312211（7.2-2）第7章电压测量图7.2—1直流电压表电路第7章电压测量[例1]在图7．2—2中，虚框内表示高输出电阻的被测电路，电压表V的“Ω／V’数为20kΩ／V，分别用5V量程和25V量程测量端电压Ux，分析输入电阻的影响及用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。解：如果是理想情况，电压表内阻Rv应为无穷大，此时电压表示值Ux，与被测电压实际值E0相等：VEUx50第7章电压测量当电压表输入电阻为Rv时，电压表测得值：00RRERUvvx（7.2-3）直流电压vvvxRRREEERRREEU00000000（7.2-4）将有关数据值代入上面两式，可得5V电压档：Rv1＝20kΩ／V．5V＝100kΩ，第7章电压测量图7.2—2测量高输出电阻电路的第7章电压测量%50%10010010010050.20.510010010011VUx25V电压档：Rv2＝20kΩ／V.25V＝500kΩ，%7.16%10050010010017.4550010050022VUx由此不难看出电压表输入电阻尤其是低电压档时输入电阻对测量结果的影响。第7章电压测量根据式(7．2—3)，我们可以推导出消除负载效应影响的计算公式，进而计算出待测电压的近似值：1101000111vxvvvxRURRRERRRU(7.2-5)第7章电压测量同理可得22020vxvRUERR因此22021101vxvvxvRUERRUER解出121220)1(vvxxxRRkUUkUkE式中(7.2-6)(7.2-7)(7.2-8)第7章电压测量因此，如果用内阻不同的两只电压表,或者同一电压表的不同电压档(此时即等于电压量程之比)，根据上述两式，即可由两次测得值得到近似的实际值E0。例如将本题中有关数据代入式(7．2—7)，可得待测电压近似值12/vvRRkVE01.55.217.4517.4)15(0第7章电压测量除了利用上面的公式计算来消除负载效应之外，当然也可以利用其他测量方法，如零示法(如电桥)和微差法(比如利用微差电压表)，但一般操作都比较麻烦，通常用在精密测量中。在工程测量中提高输入阻抗和灵敏度以提高测量质量最常用的办法是利用电子电压表进行测量。第7章电压测量二、电子电压表1．电子电压表原理电子电压表中，通常使用高输入阻抗的场效应管(FET)源极跟随器或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度，当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。第7章电压测量分压电路的接入将使输入电阻韦‘所降低，但只要分压电阻取值较大，仍然可以使输入电阻较动圈式电压表大得多。图7．2—3是这种电子电压表的示意图。图中组成分压器，由于FET源极跟随器输入电阻很大(几百MΩ以上)，因此由Ux测量端看进去的输入电阻基本上由只。等串联决定，通常使它们的串联和大于10MΩ，以满足高输入阻抗的要求。同时，在这种结构下，电压表的输入阻抗基本上是个常量，与量程无关。3210RRRR、、、、、10RR第7章电压测量图7.2—3电子电压表框图第7章电压测量图7．2-4是MF-65集成运放型电子电压表的原理图。在第三章§3．3节我们曾对运放进行过理想化处理和分析。当运放开环放大系数A足够大时，可以认为(虚短路和虚断路)，因而有0,0iIU0IIUUFiF所以FiRUI0(7.2-9)第7章电压测量图7.2—4集成运放电压表原理第7章电压测量分压器和电压跟随器的作用使Ui正比于待测电压UxxFxURkIkUUi0(7.2-10)因而即流过电流表的电流I0与被测电压成正比，只要分压系数和RF足够精确和稳定，就可以获得良好的准确度，因此，各分压电阻及反馈电阻RF都要使用精密电阻。第7章电压测量2．调制式直流放大器在上述使用直流放大器的电子电压表中，直流放大器的零点漂移限制了电压表灵敏度的提高，为此，电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使电子电压表能测量微伏量级的电压。调制式直流放大器的原理示于图7．2—50图中微弱的直流电压信号经调制器(又称斩波器)变换为交流信号，再由交流放大器放大，经解调器还原为直流信号(幅度已得到放大)。振荡器为调制器和解调器提供固定频率的同步控制信号。第7章电压测量图7．2—5调制式直流放大器原理第7章电压测量图7．2—6调制器工作原理第7章电压测量图7．2—6调制器工作原理第7章电压测量解调器工作原理和