电子测量技术电压测量

电子测量原理第1页第5章电压测量5.1概述5.2交流电压测量5.3噪声电压测量5.4电压测量的数字化方法电子测量原理第2页5.1概述5.1.1电压测量的重要性电压测量是非常重要的测量。因为，电压是基本电能量参数（电压、电流、功率等）之一，从测量角度主要是测量电压，因为测出电路端电压后根据电路阻抗就可计算出电流和功率；电压可以派生出其它量，如幅频特性、调幅特性、失真度，灵敏度等；自动控制系统中，反馈量和控制量大都是用电压量；非电量检测中，通常将非电量转换成电压量来测量；电气设备和电子仪器，大多以电压来指示。所以，电压测量在电测技术中占有重要地位。电子测量原理第3页5.1.2电压的特点电压在性质上可分为直流电压和交流电压（包括所有非正弦电压）两种。在应用上，有工频电压和电子电路电压。前者是强电，除电压范围大外，波形、频率等都是规则的。而后者，却具有更多的特点：1.频率范围宽。电子电路信号的频率往往是从直流到上GHz范围内变化。2.电压范围广。电子电路中的电压可在nV级到MV级，其中微伏级的电压是非常多见的。3.波形多种多样。电子电路中除正弦波外，大量的是非正弦波，同时交直并存，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。电子测量原理第4页5.1.3对电压测量的基本要求针对电压量的特点，对电压测量提出了一系列要求，主要有以下几方面：1.应有足够宽的频率范围。以满足测量从直流到上GHz的频率要求。2.应有足够宽的电压测量范围。以满足测量从nV级到上MV级的要求。3.应有足够高的测量准确度。由于电压测量的基准是直流标准电压，同时直流测量中不存在分布参数的影响或影响极小，因而直流电压的测量准确度最高，目前可达10，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，一般在10～10。电子测量原理第5页4.应有足够高的输入阻抗。由于电子电路等效阻抗高，为了减小仪器接入后对电路的影响，要求仪器输入阻抗要高。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。一般来说，测量都是在充满各种干扰的条件下进行的。对于微小电压的测量，需要的灵敏度就高，其干扰的影响就大。所以，电压表的抗干扰能力要强，对数字电压表更是如此。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。电子测量原理第6页5.1.4电压测量方法电压的测量方法很多，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，电压测量的方法有以下几种：1.电工仪表测量法电工仪表主要是指针式仪表，主要有磁电系、电动系、电磁系等，其中磁电系仪表只能测直流量。用电工仪表测电压在工程中应用十分普遍，因为电工仪表成本低,操作简便，特别是一般工程测量对准确度要求不太高更是为用电工仪表测电压大开“绿灯”。对交流高电压，通过互感器等亦可用电工仪表进行测量。电子测量原理第7页2.电子电压表测量法电子电压表是利用电子技术制成的，属于电子仪器类，是模拟式电压表，在电子电路交流电压测量中广为应用。电子电压表根据将交流转换成直流原理的不同分为三种类型：(1)公式法：按正弦交流电压有效值公式制成的有效值电压表，该类电子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的有效值电压表，其优点是没有波形误差，但有热惯性、频带不宽、维修不便等缺点。电子测量原理第8页(3)检波法：通过整流将交流转换成直流制成的电压表，据整流电路的不同可分为均值检波、峰值检波、有效值检波三种。同时，据整流电路的不同可分为均值检波、峰值检波、有效值检波三种。同时，据整流器的位置又分为“检波——放大”、“放大——检波”式电压表。可见，无论那种类型的电子电压表都具有由交流转换为直流的过程，包括“调制式”电子电压表也不例外。3.数字电压表测量法严格讲，数字电压表也属于电子电压表，但因数字部分电路在整个仪器中占有重要地位，因而人们往往对它叫着数字电压表。电子测量原理第9页数字电压表首先将模拟量通过模/数（A/D）转换为数字量，然后用计数器计数，并用十进制数字显示被测电压值。作为交流数字电压表，还必须有交流/直流（AC/DC）转换过程。4.示波器测量法前章介绍的示波器，除了直观形象地显示波形外，测电压（信号幅度）具有它独特的优点，即能测各种波形的电压幅值，特别是能测脉冲电压的各参数。利用示波器测量电压的基本方法，在波形测试技术一章已介绍，故不再重述。电子测量原理第10页5.1.5电压测量中的误差问题电压测量是一种接触性测量，除仪器仪表误差外，由于负载效应必然要产生方法误差。对于图5-1所示的直流电动势Eo的测量，被测真值为Eo，接入内阻为R的直流电压表进行测量，其测量结果为：误差为：（5-1）图5-1用电压表测电动势式（5-1）中，“一”表明测量值比实际值小；VEoRv+-Ro电子测量原理第11页5.2交流电压测量5.2.1交流电压的表征表征周期性交流电压的参数有峰值Up、平均值、有效值U，三者之间存在一定的关系。正是如此，构成了不同工作原理的电子电压表。1.电压的Up、、U值交流电压的峰值，指一周内能达到的最大值。它以零电位（时间轴）为参考。对于含直流分量的正弦交流电压来说，正负峰值是不相等的，而正负振幅是相等的，因为振幅以振荡中心为参考的。UU电子测量原理第12页交流电压的平均值，指一个周期内等效的直流量，其数学定义式为：（5-2）交流电压的有效值，按式（5-3）定义为：（5-3）2.三个参数间的关系峰值、均值、有效值三者之间的关系，用波形因数和波峰因数来表示（有的书称波形系数和波峰系数。）波形因数是指电压的有效值与平均值的比值，用Kf表示，即：（5-4）TdttuTU0)(1TdttuTU02)(1UUKF电子测量原理第13页波峰因数是指电压的峰值与有效值的比值，用Kp来表示，即：（5-5）无论任何波形的电压，只要知道峰值和按式（5-2）、（5-3）求出平均值和有效值，便可按式（5-4）、（5-5）求出对应的波形因数和波峰因数值。正弦波及常见非正弦波电压的Kf、Kp值，可见表5-1所示。UUKPP电子测量原理第14页电子测量原理第15页5.2.2低频电压测量频率在1MHz以下的电压叫低频电压，多用平均值电压表来测量。平均值电压表由平均值检波而得名。1.均值检波原理（5-6）图5-2均值检波电路式中R是微安表的等效电阻。RUdtRtuTIIt00|)(|1检波就是整流的意思，有半波和全波整流两种，通常采用二极管全波（即桥式）整流电路，如图5-2所示。实际中D、D常用电阻代替。二极管受正向偏压才导通，均值检波时工作在乙类。在理想情况下，流过微安表表头的电流为：电子测量原理第16页式（5-6）表明，流过表头的电流与输入电压的平均值成正比，即具有平均值响应。2.均值电压表以均值检波构成的电压表，一般是“放大——检波”式结构，例如DA-16型均值电压表（图5-3所示）。阻抗变换电路由场效应管构成，以获得低噪声电平和高输入阻抗。步进分压器以扩展量程。放大器由两级组成，一级是A，另一级是由T、T组成的串联负反馈放大器，其频带范围宽。检波电路由D、D、R、R组成，指示表头是磁电系微安表。R是用来调整满量程时使指针能满偏的，而R是用来调零的。因检波后的一部分量负反馈到放大器，有效地解决了温度影响和刻度的非线性。电子测量原理第17页20K3K交流放大器3DG8GX25602K100μF100μF100μF20μF1K1K1M15K2AP10X24.7K4.7K4.7K+12v步进分压器AFET阻抗变换器均值检波宽带放大器Rw1Rw2T1T2图5-3DA-16型均值电压表的原理电路电子测量原理第18页3.均值表的刻度及误差由于驱动微安表的电流I正比于被测电压平均值，同时正弦电压有效值具有普遍意义，因此微安表的刻度按正弦有效值刻度，也就是说将被测电压的平均值扩大1.11倍来刻度。不难理解，用均值电压表测非正弦电压（如三角波、方波等电压）时，其示值不具有直接的物理意义，也就是存在波形误差。但用于测正弦电压时，则示值即为被测结果。当用均值电压表测失真的正弦波电压时，其误差不仅取决于各次谐波的幅度，还取决于各次谐波的相位。因为相同的谐波次数，其各次谐波的幅度不同而相位相同，合电子测量原理第19页成的波形各不相同；反之，在相同的各次谐波幅度下，若相位不同，合成的波形也是各不相同的。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。除了波形误差外，还有直流微安表本身的误差（等级决定）、检波二极管老化或变值以及超过频率范围所造成的误差等，但主要是波形误差。4.波形换算均值电压表测非正弦波电压时产生的波形误差，通过波形换算来消除。方法是：先将测量时从表上得到的示值除以1.11，求得被测电压的平均值，然后按被测电压的Kf电子测量原理第20页或Kp值来求出被测电压的有效值或峰值。例如，用按正弦有效值刻度的均值电压表测三角波电压，得电压表的测量示值为1V，要求被测电压的有效值，先按上述方法求被测电压的平均值为：因三角波电压的Kf=1.15，则被测电压的有效值为：VUU9.011.1111.1VU04.115.19.0电子测量原理第21页5.2.3高频电压测量上述均值电压表测高频电压时，会产生较大的频率误差。解决办法用“检波——放大”式，把检波器置于探头内，将高频交流变为直流后再放大显示。能实现这种结构的，常采用“峰值电压表”。1.峰检波原理峰值表的检测电路，有“串联式”和“并联式”两种，如图5-4所示。图5-4峰值检波原理（a）（b）（c）电子测量原理第22页（a）图是串联式峰值检波，电路要求：（5-7）式中Tmax、Tmin是被测电压最大周期和最小周期，RC是电容放电时间常数，RΣC是电容充电时间常数。式（5-7）说明，充电要快，放电要慢。这样，电容的端压平均值近似为峰值电压，即：电路处于稳定工作状态时，只有时D才导通，电容C被充电；而时，D截止，C向R放电。可见检波二极管工作在丙类。minmaxTCRTRCΣPCRUUUxucuxucu电子测量原理第23页（b）图是并联式峰值检波，原理同串联式，只是R上的电压极性相反。并联式的优点在于，具有隔直作用，测出的电压是的交流部分（当中含有直流分量时），因而实际中应用较多。但R上叠加有交流电压，增加了额外的交流通路。（c）图实际是倍压检波，是并联式与串联式的组合，构成“峰——峰”值电压表。2.峰值电压表峰值电压表的结构为“检流——放大”式，同时因检波电路简单，所以可以将检波电路置于探头中，从而消除高频情况下探头引线分布参数的影响。国产DYC-5型高频电xu电子测量原理第24页压表就是典型的峰值电压表。其检波电路是采用并联式峰值检波，高频二极管置于探极中，上限频率可达300MHz。原理框图见图5-5。为了提高“检波——放大”式电压表的灵敏度，普遍采用斩波式直流放大器，即“交——直——交”放大器，增益很高，而噪声和零点漂移都很小，可较好地解决增益与零漂之间的矛盾。如国产HEJ-8型超高频毫伏表就是如此。图5-5DYC-5型高频电压表的原理框图峰值检波直流放大衰减ui电子测量原理第25页3.峰值表的刻度及误差和均值电压表一样，峰值电压表也是按正弦有效值刻度。可见，用于测正弦电压示值即为测量结果，而用于测非正弦电压时，示值也不具有直接物理意义，也存在波形误差。此外，还存在两方面的误差。一是充放电时间常数的影响，总有，峰值检波得峰值只是相对的，存在着理论上的误差。分析可得：（5-8）可见，R越大，误差越小，这也正是采用“检波——放大”式的原因。因为放大器采用射极输出器有很高的输入3/2)(2.2RRΣ电子测量原理第26页阻抗，即有很高的R值。另一种误差是频率误差。频率太低时，式（5-7）中的第一式RCTmax很难满足而产生误差，因而下限频率一般限制在20Hz。频率太高时RC