《电子测量技术基础》(张永瑞第三版)第7章电压测量

1第7章电压测量第7章电压测量7.1电压测量概述7.2模拟式直流电压测量7.3交流电压的表征和测量方法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电压的数字式测量小结2第7章电压测量7.1电压测量概述7.1.1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。3第7章电压测量7.1.2电压测量的特点(1)测量频率范围广。(2)测量幅度范围宽。(3)测量信号波形多样。(4)对被测电路的输出阻抗变化适应性较好。(5)测量精度不高。(6)易受外界干扰。4第7章电压测量图7.1-1电压表测量电压及其等效电路5第7章电压测量7.1.3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(低于几十千赫兹)测量时，可使用一般万用表电压挡，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。6第7章电压测量2.模拟式电压表分类(1)按测量功能分类：(2)按工作频段分类：(3)按测量电压量级分类：(4)按电压测量准确度等级分类：(5)按刻度特性分类：7第7章电压测量3.数字式电压表分类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。8第7章电压测量7.2模拟式直流电压测量7.2.1动圈式电压表图7.2-1是动圈式电压表示意图。图中，虚线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，则满度电压为Um=Re·Im(7.2-1)9第7章电压测量例如满偏电流为50μA，电流表内阻为20kΩ，则满偏电压为1V。为了扩大量程，通常串接若干个倍压电阻，如图7.2-1中的R1、R2、R3。这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程U0外，又增加了U1、U2、U3三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的阻值分别为(7.2-2)10第7章电压测量图7.2-1直流电压表电路11第7章电压测量【例7.2-1】在图7.2-2中，虚线框内表示高输出电阻的被测电路，电压表的“Ω/V”数为20kΩ/V，分别用5V量程和25V量程测量端电压Ux，分析电压表输入电阻的影响并用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。12第7章电压测量图7.2-2测量高输出电阻电路的直流电压13第7章电压测量解：如果是理想情况，则电压表内阻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，即Ux=E0=5V当电压表输入电阻为RV时，电压表测得值为(7.2-3)14第7章电压测量相对误差为(7.2-4)15第7章电压测量将有关数据值代入式(7.2-3)和式(7.2-4)，可得：5V电压挡：16第7章电压测量25V电压挡：17第7章电压测量由此不难看出，电压表输入电阻尤其是低电压挡时输入电阻对测量结果的影响还是相当严重的。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：(7.2-5)18第7章电压测量同理可得：(7.2-6)因此19第7章电压测量解出(7.2-7)式中：(7.2-8)20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挡(此时k=RV2/RV1，即等于电压量程之比)，则根据式(7.2-7)和式(7.2-8)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为21第7章电压测量7.2.2电子电压表1.电子电压表的原理电子电压表中，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。分压电路的接入将使输入电阻有所降低，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的内阻大得多。图7.2-3是这种电子电压表的示意图。22第7章电压测量图7.2-3电子电压表框图23第7章电压测量图7.2-4是MF-65集成运放电压表的原理图。在3.3节中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ΔU≈0(虚短路)，“+”、“-”输入端的Ii≈0(虚断路)，因而有UF≈UiIF≈I0所以(7.2-9)24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Ux，设Ui=kUx因而(7.2-10)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。25第7章电压测量图7.2-4集成运放电压表的原理图26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，这可使电子电压表测量微伏量级的电压。调制式直流放大器的原理图如图7.2-5所示。27第7章电压测量图7.2-5调制式直流放大器的原理图28第7章电压测量调制器和解调器实质上是一对同步开关，开关控制信号由振荡器提供。调制器的工作原理及各点波形如图7.2-6所示。29第7章电压测量图7.2-6调制器的工作原理及各点波形30第7章电压测量图7.2-7解调器的工作原理和各点波形31第7章电压测量7.3交流电压的表征和测量方法7.3.1交流电压的表征1.峰值周期性交变电压u(t)在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值，用Up表示，正、负峰值不等时分别用Up+和Up-表示，如图7.3-1(a)所示。u(t)在一个周期内偏离直流分量U0的最大值称为幅值或振幅，用Um表示，正、负幅值不等时分别用Um+和Um-表示，如图7.3-1(b)所示，图中U0=0，且正、负幅值相等。32第7章电压测量2.平均值u(t)的平均值U的数学定义为(7.3-1)按照这个定义，U实质上就是周期性电压的直流分量U0，如图7.3-1(a)中虚线所示。33第7章电压测量在电子测量中，平均值通常指交流电压检波(也称整流)以后的平均值，又可分为半波整流平均值(简称半波平均值)和全波整流平均值(简称全波平均值)，如图7.3-2所示。其中，图(a)为未检波前的电压波形，图(b)、图(c)分别为半波整流和全波整流后的波形。全波平均值定义为(7.3-2)34第7章电压测量图7.3-1交流电压的峰值与幅值35第7章电压测量图7.3-2半波和全波整流36第7章电压测量3.有效值在电工理论中曾定义：某一交流电压的有效值等于这样一个直流电压的数值U，即当该交流电压和数值为U的直流电压分别施加于同一个电阻上时，在一个周期内两者消耗的电能相等，用数学式可表示为(7.3-3)37第7章电压测量4.波形因数、波峰因数交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分别用波形因数(或称波形系数)及波峰因数(或称波峰系数)表示。波形因数KF定义为该电压的有效值与平均值之比，即(7.3-4)波峰因数Kp定义为该电压的峰值与有效值之比，即(7.3-5)38第7章电压测量39第7章电压测量7.3.2交流电压的测量方法1.交流电压测量的基本原理测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同。其中最主要的是利用交流/直流(AC/DC)转换电路将交流电压转换成直流电压，然后接到直流电压表上进行测量。根据AC/DC转换器的类型，可分成检波法和热电转换法。根据检波特性的不同，检波法又可分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等。40第7章电压测量2.模拟交流电压表的主要类型1)检波-放大式在直流放大器前面接上检波器，就构成了如图7.3-3所示的检波-放大式电压表。41第7章电压测量图7.3-3检波-放大式电压表框图42第7章电压测量2)放大-检波式当被测电压过低时，直接进行检波误差会显著增大。为了提高交流电压表的测量灵敏度，可先将被测电压进行放大，而后检波和推动直流电表显示，于是构成图7.3-4所示的放大-检波式电压表。43第7章电压测量图7.3-4放大-检波式电压表框图44第7章电压测量3)调制式在前面分析直流电压表时即已说明，为了减小直流放大器的零点漂移对测量结果的影响，可采用调制式放大器替代一般的直流放大器，这就构成了图7.3-5所示的调制式电压表。45第7章电压测量图7.3-5调制式电压表框图46第7章电压测量4)外差式检波二极管的非线性限制了检波-放大式电压表的灵敏度，因此虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般仅达到mV级。对于放大-检波式电压表，由于受到放大器增益与带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围较窄，一般在10MHz以下。同时用这两种方式测量电压时，都会由于干扰和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。外差式电压测量法在相当大的程度上解决了上述矛盾。其原理框图如图7.3-6所示。47第7章电压测量图7.3-6外差式电压表框图48第7章电压测量5)热偶变换式热偶元件又称热电偶，是由两种不同材料的导体所构成的具有热电现象的元件，如图7.3-7所示。49第7章电压测量图7.3-7热电偶原理图50第7章电压测量在实际热偶式电压表中，为了克服直流电流与被测电压有效值的非线性关系(I∝kU2x)，利用两个性能相同的热电偶构成热电偶桥，称为双热偶变换器，其原理如图7.3-8所示。51第7章电压测量图7.3-8热电偶式电压表框图52第7章电压测量6)其他方式交流电压表还有其他一些方式，例如锁相同步检波式、取样式、测热电桥式等。锁相同步检波式利用同步检波原理，滤除噪声，削弱干扰，它适用于被噪声、干扰淹没情况下电压信号的检测。取样式实质上是一种频率变换技术，利用取样信号中含有被取样信号的幅度信息(随机取样)或者含有被取样信号的幅度、相位信息(相关取样)，将高频被测电压信号变换成低频电压信号进行测量。53第7章电压测量7.4低频交流电压测量7.4.1均值电压表1.平均值检波器的原理平均值检波器的基本电路如图7.4-1(a)所示，4只性能相同的二极管构成桥式全波整流电路，图(c)是其等效电路，整流后的波形为|ux|，整流器可等效为Rs串联一电压源|ux|，Rm为电流表内阻，C为滤波电容，滤除交流成分。将|ux|用傅里叶级数展开，其直流分量为(7.4-1)54第7章电压测量恰为其整流平均值，加在表头上，流过表头的电流I0正比于U，即正比于全波整流平均值。|ux|傅里叶展开式中的基波和各高次谐波均被并接在表头上的电容C旁路而不流过表头，因此，流过表头的仅是和平均值成正比的直流电流I0。为了改善整流二极管的非线性，实际电压表中也常使用图(b)所示的半桥式整流器。55第7章电压测量图7.4-1平均值检波器56第7章电压测量2.检波灵敏度表征均值检波器工作特性的一个重要参数是检波灵敏度Sd，定义为(7.4-2)对于图7.4-1(a)所示的全波桥式整流器，可导出：(7.4-3)57第7章电压测量若ux(t)=Umsinωt，则根据表7.3-1有(7.4-4)所以(7.4-5)58第7章电压测量3.输入阻抗可以证明，对于图7.4-1(a)所示的均值整流器，其输入阻抗(7.4-6)仍设Rd=500Ω，Rm=1kΩ(这是常规的数值)，则Ri约为1.8kΩ，可见均值检波器输入阻抗很低。59第7章电压测量4.均值电压表由于均值检波器的检波灵敏度具有非线性特性且输入阻抗过低，因此以均值检波器为AC/DC变换器的均值电压表一般都设计成放大-检波器，如图7.3-4所示。放大器的主要作用是放大被测电压，提高测量灵敏度，使检波器工作在线性区域，同时它的高输入阻抗可以大大减小