交流电压测量

2020/1/231第二章电压测量与电压表第一节概述一、电压测量的基本要求（一）频率范围宽（二）量程宽（三）输入阻抗高（四）抗干扰能力强（五）测量精确度高（六）被测电压波形种类多二、交流电压的表征（一）平均值平均值又称为均值，指波形中的直流成分，因此纯交流电压的平均值为0。一般所指的交流电压的平均值特指为交流电压经过均值检波（即整流）后波形的平均值，分为半波平均值和全波平均值两种。2020/1/232TTTttudttuTUTttudttuTU021021]0,0)([)(1]0,0)([)(1][0)(10TtdttuTUT21U21UU22121UUU式中，、分别为正、负半波平均值；为全波平均值；T为被测电压u（t）的周期。对于纯交流电压（二）峰值交流电压的峰值是指交流电压在一个周期内（或一段时间内）以零电平为参考基准的最大瞬时值，记为（或UP），分为正峰值（或UP+）和负峰值（或UP-）。对于双极性对称的纯交流电压，如纯正弦波，数值上存在如下关系：UUU＝＝Um＝2020/1/233表征交流电压的参量还经常用到谷值和峰峰值UP-P，如图2－1所示，注意图中的平均值为未经均值检波的波形平均值。（图2－1见课本P16）（三）有效值U交流电压的有效值U，即均方根值。数学计算式为：交流电压的大小通常指的是它的有效值。（四）波形因数KF1.定义：（五）波峰因数KP1.定义：UUKFUUKP表2－1常见波形的波形因数和波峰因数2020/1/234三、电子电压表的分类按测量结果的显示方式分为模拟式电压表和数字式电压表。（一）模拟式电压表模拟式电压表即指针式电压表，是用磁电式直流电流表（表头）作为指示器，有直流电压表和交流电压表之分。1.直流电压表是交流电压表构成的基础，用于测量直流电压。2.交流电压表用来测量交流电压，测量时应先将交流变成直流，再按照测量直流电压的方法进行测量，其核心为交直流转换器AC/DC。交直流转换器AC/DC大多利用检波器来实现。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，应用比较广泛的是均值电压表。3.模拟式电流电压表有放大－检波式、检波－放大式和外差式等三种不同的结构形式。（1）检波－放大式电压表结构形式如图2－2a所示，被测电压的频率范围很宽，其电压灵敏度较低。（2）放大－检波式电压表如图2－2b所示，被测电压的频率范围较窄，一般为20HZ～10MHZ，电压灵敏度比检波－放大式要高。2020/1/235（3）外差式电压表又称选频电压表或测量接收机，其组成框图如图2－3所示。其测量电压频率范围可从100kHZ到数百兆赫兹，电压灵敏度很高，属于高频微伏表。（二）数字式电压表DVM数字式电压表DVM是利用A/D（模/数）转换器将模拟量转换成相应的数字量，并以十进制数字形式显示出被测电压值的一种电压测量仪器。◆最基本的数字电压表是直流数字电压表。直流数字电压表配上交直流转换器即构成交流数字电压表。如在直流数字电压表的基础上，配上交流电压/直流电压（AC/DC）转换器、电流/直流电压（I/V）转换器和电阻/直流电压（R/V）转换器，就构成数字式万用表。◆直流数字电压表的核心是A/D转换器。A/D转换器分为积分式、比较式和复合式三种类型，直流数字电压表则相应地分为积分式、比较式和复合式三种类型。◆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2－4所示。◆按照测量电压频率范围的不同，电子电压表还可分为超低频电压表、低频电压表、视频电压表、高频或射频电压表和超高频电压表。2020/1/236第二节电流、电压测量基本方法一、电流的测量◆电流有直流电流和交流电流之分，此处仅介绍直流电流的测量。◆磁电式直流电流表（表头）可以直接作为直流电流表使用，使用时应与被测电路相串联。表头允许通过的电流很小，如果电流过大，将损坏表头，通常用作检流计、微安表和小量程毫安表。为了扩大表头的电流量程，常采用与表头并联电阻的方法，此并联电阻称为分流电阻或分流器。图2－5a、b所示分别为开路式分流器和闭路式环行分流器。改变分流器的大小可以改变电流表的量程，r为电流表表头内阻。图2－5多量程电流表电路连接示意图（见课本P20）开路式分流器量程转换开关的接触电阻对分流器电阻值的影响很大，尤其是对大电流量程，严重时会烧毁仪表，所以很少采用。目前，大多数多量程电流表采用环形分流器。◆测量直流电流时，可选用万用表等电工仪表。2020/1/237◆测量电流时，电流表不能并接于被测电路两端，而应将电流表串接入被测电路中。测量直流电流时，还应注意使被测电流经正表笔（“+”端）流入电流表，经负表笔（“-”端）流出，否则，有可能损坏电流表。二、电压的测量◆电压的测量分为直流电压和交流电压的测量，此处仅介绍直流电压的测量。◆磁电式电流表指针偏转角度α与被测电流I成正比，当它具有一定内阻时，偏转角度与其两端的电压也成正比，它可以用来测量电压。2020/1/238第三节模拟式电压表一、复习二、均值电压表三、峰值电压表四、有效值电压表五、应用实例2020/1/239复习1、电压测量的重要性电压测量是非常重要的测量。因为①电压是基本电能量参数（电压、电流、功率等）之一；②电压可派生其它量，如幅频特性、调幅特性、失真度，灵敏度等；③自控系统中的反馈量和控制量大都是用电压量；④非电量检测通常将非电量转换成电压量来测量；⑤电气设备和电子仪器，大多以电压来指示。2020/1/23102、电压的特点分类：性质上分直流、交流电压（包括所有非正弦电压）两种；应用上分工频、电子电路电压。工频电压特点：强电，电压范围大，波形、频率等规则。电子电路电压特点：（1）频率范围宽从直流到上GHz。（2）电压范围广nV级到MV级，常见微伏级电压。（3）波形多种多样除正弦波外，大量的是非正弦波，且交直并存，甚至串入噪声干扰。（4）电子电路的等效阻抗一般都高，有的达兆欧级。2020/1/23113、对电压测量的基本要求针对电压特点，主要有以下几方面要求：（1）有足够宽的频率范围。（2）有足够宽的电压测量范围。（3）有足够高的测量准确度。直流电压测量准确度最高，目前可达，甚至更高。交流电压测量因受频率、波形和分布参数等的影响，测量准确度不高。（4）有足够高的输入阻抗（因电子电路等效阻抗高）。目前模拟电压表的输入阻抗在MΩ级，数字电压表的输入阻抗达GΩ级，甚至可达数千GΩ。（5）应具有高的抗干扰能力。测微小电压需高灵敏度，则干扰影响大。此外，还应要求高的测量速度和高的自动化程度，以实现智能测试和自动测试。2020/1/23124、电压测量方法要根据被测电压的不同和测量的具体要求及客观条件的限制，合理选择测量方法。归结起来有以下几种：1.电工仪表测量法电工仪表主要是指针式仪表，如磁电系、电动系、电磁系等，其中磁电系仪表只能测直流量。工程应用普遍。2.电子电压表测量法电子电压表由电子技术制成的，属电子仪器类，是模拟式电压表。电子电路交流电压测量中广为应用。据交流转换成直流原理的不同分：（1）公式法：按正弦交流电压有效值公式制成有效值电压表。主要是频带窄、准确度低。（2）热电转换法：利用热电偶转换制成有效值电压表。优点是没2020/1/2313有波形误差，但有热惯性、频带不宽、维修不便等缺点。（3）检波法：将交流整流成直流制成电压表。据整流的不同有均值检波、峰值检波、有效值检波三种。据整流器位置的不同有“检波——放大”、“放大——检波”式电压表。3.数字电压表测量法将模拟量“模/数（A/D）”转换成数字量，再计数显示。测交流电压，还须先“交流/直流（AC/DC）”转换。严格讲，数字电压表属电子电压表，但因数字电路在整个仪器中占重要地位，人们往往直呼数字电压表。4.示波器测量法见波形测试技术中的示波器测电压。2020/1/23145、电压测量中的误差问题电压测量是接触性测量，除仪器仪表误差外，负载效应必然要产生方法误差。图示测直流电动势Eo，直流电压表内阻为，测量结果为误差为注意：式中“－”表明测量值比实际值小；电压表的输入阻抗越高，测量误差就越小。VEoRv+-Ro2020/1/23151、交流电压的表征峰值VP周期性的交流电压u(t)，在一个周期内所出现的最大瞬时值，称为该交流电压的峰值，以VP表示。峰值有正峰值（VP+）和负峰值（VP-）之分，其几何意义如图所示。峰值是从参考零电平开始计算的，有正峰值VP+和负峰值VP-之分。正峰值与负峰值之差称为峰-峰值Vp-p。常用的还有振幅Vm，它是以直流电压为参考电平计算的。当电压中包含直流成分时，VP与Vm是不相同的，只有纯交流电压才有VP＝Vm。交流电压测量2020/1/2316平均值平均值在数学上的定义为根据以上定义若包含直流成分，则平均值等于直流分量；若仅含有交流成分，则平均值等于零。这样对纯粹的交流电压来说，其平均值为零，将无法用平均值来表征它的大小。将交流电压通过整流器变换成单一方向的脉动电压后(相当于数学上的求平均值),再求平均,则不为零,且该平均值反映了原交流信号的大小.故交流电压的平均值通常是指检波或整流后的平均值。2020/1/23172020/1/2318交流电压的有效值U定义为一个交流电压和一个直流电压分别加在同一纯电阻上，若它们在相同的时间内产生的热量相等，则交流电压的有效值等于该直流电压值TdttuTU02)(12020/1/23192.三个参数间的关系三参数间关系用波形因数（或系数）和波峰因数来表示。波形因数KF：指电压有效值与平均值的比值，即波峰因数KP：指电压峰值与有效值的比值，即正弦波及常见非正弦波电压的KF、KP值见表所示。UUKFUUKPP2020/1/2320二、均值电压表低频电压指1MHz以下的电压。用平均值电压表（平均值检波）来测量。1.均值检波原理RUdtRtuTIIt00|)(|1检波就是整流，有半波、全波。图示二极管桥式（全波）整流。实际中D3、D4常用电阻代替。在理想情况下，流过微安表表头的电流为式中R为微安表的等效电阻。2020/1/23212.均值电压表组成：一般为“放大——检波”式框图：可变量程分压器宽带交流放大器检波器u(t)被测电压进行放大，然后检波，最后由表头指示工作频率范围主要受放大器带宽的限制灵敏度受放大器噪声的限制主要用于低频和视频信号的测量2020/1/23223.均值表的刻度及误差（1）刻度按正弦有效值刻度，即Uα=1.11（将平均值扩大1.11倍）。原因：正弦电压有效值具有普遍意义；驱动微安表的电流I正比于被测电压平均值。（2）误差波形误差：测非正弦波电压（如三角波、方波等电压），示值存在波形误差。测失真的正弦波电压，误差取决于各次谐波的幅度、相位。分析可知，误差随谐波初相角周期性变化，0°或180°时最大；而奇次谐波比偶次谐波的误差大。（课本P23）表头误差（等级决定）。此外，检波二极管老化或变值以及超频率范围的误差等。2020/1/23234.波形换算（波形误差消除）均值表测正弦电压，示值即为结果；测非正弦波电压产生波形误差，须通过波形换算来消除。方法：先将测量示值除以1.11，求得被测电压的平均值，然后按被测电压的KF或KP值来求出被测电压的有效值或峰值。例用按正弦有效值刻度的均值表测三角波电压，得示值为1V，求被测电压的有效值。被测三角波电压平均值为因三角波电压KF=1.15，则三角波电压的有效值为：VUU9.011.1111.1aVU04.115.19.0´2020/1/2324练习：学生参照课本P22例2-11、求出上题的三角波的峰值、正弦波、三角波的峰值、有效值、平均值？2、若直接把他的读数作为三角波、方波的有效值，试计算波形误差