第4章-电压测量技术与仪器

第4章电压测量技术及电压表第4章电压测量技术及电压表电压是最基本的被测量，电压表是基本测量仪器之一。要求通过学习了解电流的测量方法，理解电压表的工作原理，熟练掌握电压表的使用方法及读数换算方法，明确积分式A/D变换器的工作原理，了解逐次比较式、三次积分式A/D变换器的工作原理。内容提要＊本章内容主要有：●电压测量的特点和技术要求；●模拟式电压表及其使用方法；●电压的数字化测量技术。第4章电压测量技术及电压表（一）学习目标【基本了解】了解电压测量的基本要求及电压测量仪器的分类；掌握交流电压的测量的原理；理解模拟式电压表的基本原理，并掌握其使用方法和刻度特性。【重点掌握】数字电压表的基本原理，并掌握其测量结果的表示方法。第4章电压测量技术及电压表（二）技能目标学会用电子电压表测量不同波形的电压参数。第4章电压测量技术及电压表4.1电压测量的特点和技术要求电压测量是电子测量的基础，基本的电压测量仪器是电压表。4.1.1电压测量的基本要求在实际测量中，被测电压具有频率范围宽、幅度差别大、波形种类多等特点，电压测量应满足下列基本要求：第4章电压测量技术及电压表被测电压的频率范围自零赫兹到数百兆赫兹，大致分为直流、低频、视频、高频和超高频等。所用电压表必须具有足够宽的频率范围。1.频率范围宽被测电压的量值范围很宽，小到几纳伏，大到几百伏，甚至几千伏至几万伏。测量之前，应对被测电压有大概的估计，所用电压表应具有相当宽的量程或具有针对性。测量小信号时应选用高灵敏度电压表，测量高电压时应选用绝缘强度高的电压表来测量。2.量程宽第4章电压测量技术及电压表测量电压时，电压表等效为输入电阻Ri和输入电容Ci的并联，其输入阻抗（Ri//Ci）是被测电路的额外负载。为了使被测电路的工作状态尽量少受影响，电压表应具有足够高的输入阻抗，即Ri应尽量大、Ci应尽量小。3.输入阻抗高低频测量时，因为交流电压表的输入电阻、输入电容一般为1MΩ、1～10pF，二者对被测电路的影响很小，故一般不考虑电压表输入阻抗对被测电路的影响。但在高频测量时，输入电阻Ri和输入电容Ci的容抗将变小，二者对被测电路的影响变大，一般要考虑电压表输入阻抗的影响，当它的影响不可忽略时，应对测量结果进行修正。第4章电压测量技术及电压表测量工作一般是在受各种干扰的情况下进行的。当电压表工作在高灵敏度时，干扰会引入明显的测量误差，这就要求电压表具有较强的抗干扰能力。必要时，应采取一些抗干扰措施，如良好接地、使用短的测试线、进行屏蔽等，以减小干扰的影响。4.抗干扰能力强第4章电压测量技术及电压表直流电压的测量可获得较高的测量精确度，例如直流数字电压表一般可达10-4～10-7量级；交流电压表的测量精确度可达10-2～10-4量级。在测量精确度要求不高时，可选用测量精确度在1%～3%左右的电压表。电压表精确度表示方法如下：5.测量精确度高具有线性刻度的模拟式电压表一般采用这种表示方法，式中±β%为满度相对误差，Um为电压表满刻度值。（1）满度值的百分数±β%Um第4章电压测量技术及电压表具有读数刻度的电压表一般采用这种表示方法，式中±α%为读数相对误差，Ux为电压表测量读数值。（2）读数值的百分数±α%Ux数字电压表一般采用这种表示方法。（3）±(α%Ux+β%Um)不同类型电压表的适用对象和使用方法是不同的，测量时，应根据电压表的类型和电压波形来确定被测电压的大小。（六）被测电压波形种类多第4章电压测量技术及电压表4.1.2交流电压的表征交流电压的表征量包括平均值、峰值、有效值U以及波形因数KF、波峰因数KP。UpU（一）平均值U平均值简称为均值，是指波形中的直流成分，所以纯交流电压的平均值为零。为了更好地表征交流电压的大小，交流电压的平均值特指交流电压经过均值检波后波形的平均值，它分为半波平均值1/2和全波平均值。如无特别说明，纯交流电压的平均值均为全波平均值。UUU第4章电压测量技术及电压表式中+1/2、-1/2分别为正、负半波平均值；为全波平均值；T为被测电压的周期。UUU对于纯交流电压，存在如下关系：第4章电压测量技术及电压表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UP，分为正峰值UP+和负峰值UP-。经常用到的交流电压表征量还有峰峰值Up-p。（二）峰值UP一般情况下，正峰值UP+和负峰值UP-并不相等，峰值与振幅值Um也不相等，这是因为振幅值是以电压波形的直流成分为参考基准的最大瞬时值。第4章电压测量技术及电压表对于双极性对称的纯交流电压，数值上存在关系：经常用到的交流电压表征量还有谷值和峰峰值UP-P，如图4.1所示，注意图中的平均值是未经均值检波的波形平均值。UP+=UP-=Um=UP图4.1交流电压的峰值、振幅值第4章电压测量技术及电压表（三）有效值U交流电压的大小通常是指它的有效值U，有效值又称为均方根值，是根据它的物理定义来确定的。数学计算式为：有效值的物理定义：若某一交流电压u(t)在一个周期内通过纯电阻负载所产生的热量，与一个直流电压U在同样情况下产生的热量相等，则U的数值即为u(t)的有效值。第4章电压测量技术及电压表（四）交流电压量值的相互转换交流电压的量值可用平均值、峰值和有效值等多种形式来表示。采用的表示形式不同，其数值也不相同。但是平均值、峰值和有效值所反映的是同一个被测量，这些数值之间可以相互转换。第4章电压测量技术及电压表（1）波形因素KF交流电压的波形因数KF定义为交流电压的有效值U与平均值之比，即:UUUKF第4章电压测量技术及电压表（2）波峰因素KP交流电压的波峰因数KP定义为交流电压的峰值UP与有效值U之比，即：UUKPP第4章电压测量技术及电压表不同波形的波形因数和波峰因数具有不同的定值，如表4-1所示。图4.2所示为表4-1所用的波形图。表4-1常见波形的波形因数和波峰因数图4.2表4-1所用波形图第4章电压测量技术及电压表4.1.3电压测量仪器的选择一般的，用来测量电压的方法主要有两种：（1）示波器测量法示波器测量电压时，由于其测量精度较低、误差较大、读数需要转换等原因，一般只能用作波形的监视和定性测量。万用表主要是用来测量直流电压的常用工具，有时也用它来完成工频（50Hz）交流电压的测量。但是万用表的结构决定了其交流电压档，无论是频率范围，还是测量精度都远远不能满足交流电压测量的需要。第4章电压测量技术及电压表（2）电压表测量法电子电路中电压的测量选用的是电子电压表（毫伏表）。它能完成对各种波形、各种频率的交流电压的测量。第4章电压测量技术及电压表4.2电子电压表的分类电子电压表简称为电压表，分为模拟式电压表和数字式电压表。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。1.模拟式电压表第4章电压测量技术及电压表直流电压表是构成交流电压表的基础，用于测量直流电压。交流电压表用来测量交流电压，测量时，首先利用交直流变换器将交流变成直流，再依照测量直流电压的方法进行测量，其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。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。第4章电压测量技术及电压表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）。第4章电压测量技术及电压表为了满足不同测量对象的要求，模拟式交流电压表有放大—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—放大式电压表检波—放大式电压表如图4.3(a)所示，先检波再放大。这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。图4.3检波-放大式电压表组成框图特点：通频带宽很宽、灵敏度较高。第4章电压测量技术及电压表采用超高频检波二极管时，可使这种表的频率范围从几十赫兹至数百兆赫兹，甚至可达1GHz，输入阻抗也比较大，一般称之为高频毫伏表或超高频毫伏表。为了使测量灵敏度不受直流放大器零点漂移等的影响，一般利用调制式（即斩波式）直流放大器放大检波后的直流信号。而且将检波器做成探头直接与被测电路连接，从而减小分布参数及外部干扰信号的影响。目前，高频毫伏表的灵敏度已由以前的约0.1V提高到了毫伏级。如国产DA36型超高频毫伏表即采用了调制式直流放大器，其频率范围为10kHz～1000MHz；电压范围为1mV～10V；3V量程，100kHz时的输入阻抗＞100kΩ，50MHz时的输入阻抗＞50kΩ。第4章电压测量技术及电压表放大—检波式电压表如图4.3(b)所示，先放大再检波。（2）放大—检波式电压表图4.3放大-检波式电压表组成框图主要特点：灵敏度较低、测量的最小幅值为几百微伏或几毫伏；输入阻抗高、通频带窄，一般为2Hz~10MHz。第4章电压测量技术及电压表由于宽带放大器增益与带宽的矛盾（二者乘积为常数），使放大—检波式电压表的频宽难以扩展，灵敏度也受到内部噪声和外部干扰的限制。其频率范围一般为2Hz～10MHz，灵敏度达毫伏级，通常称之为视频毫伏表，多用在低频、视频场合。如S401型视频毫伏表的频率范围为20Hz～10MHz，电压测量范围为100μV～1V，输入电阻≥1MΩ，输入电容≤20pF。第4章电压测量技术及电压表外差式电压表又称为选频电压表或测量接收机，其组成框图如图4.4所示。（3）外差式电压表图4.4外差式电压表组成框图第4章电压测量技术及电压表虽然也属于放大—检波式，但因外差式电压表利用混频器，将输入信号变为固定中频信号后进行交流放大，可以较好地解决交流放大器增益与带宽的矛盾，其灵敏度可以提高到微伏级。其频带宽度取决于本振频率范围，可从100kHz至数百兆赫兹，一般称之为高频微伏表。如DW-1型高频微伏表，最小量程为15μV，最大量程为15mV（加衰减器可扩展到1.5V），频率范围为100kHz～300MHz，分8个频段，基本误差为±3%。第4章电压测量技术及电压表三种结构形式电压表的性能比较如表4-2所示。表4-2三种结构形式电压表的性能比较第4章电压测量技术及电压表此外，还有热偶式电压表。热偶元件是由两种不同材料的导体连接而成的具有热电效应的元件。热电效应——如果把两种不同材料的导体（如镍铬—镍硅）组成一个闭合回路时，若两接触点温度不同时，在电路中将产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。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。第4章电压测量技术及电压表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。例如DA24型热偶表的频率范围为10Hz～10MHz，最小量程为300V，满度误差为±1.5%。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。第4章电压测量技术及电压表2.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。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变换器即构成交流数字电压表。如果在直流数字电压表的基础上，配上交流电压/直流电压（AC/DC）变换器、电流/直流电压（I/V）变换器和电阻/直流电压（R/V）变换器，就构成数字万用表。第4章电压测量技术及电压表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。随着科学技术的发展和对测量要求的提高，现在已有复合式DVM和双积分式DVM的改进型—三次积分式DVM等多种类型的数字电压表供应市场。第4章电