電子測量與儀器第五章電壓測量數(shù)字萬用表

1、電巫測字萬用 I5.1電壓測量概述52模擬直流電壓測量53 電壓的表征和測量54電壓的數(shù)字式測量5.5數(shù)字多用表y儀器科修鳥工程系1AC fi AiAoRkot u3 ,對(duì)應(yīng)三個(gè)量程，所串三個(gè)電阻 的阻值分別為：R嚴(yán)（UJQ-R,鳥=（匕）/”電壓靈敏度通常把電壓表的內(nèi)阻與量程之比定義為電壓表的電壓靈 敏度（Q/V） o電壓表在不同檔位/量程，其內(nèi)阻是不同的。 可以由電壓靈敏度，算出在不同檔位時(shí)的內(nèi)阻。用普通電壓表測量高輸出電阻的直流電壓Ro lOOkQ ：IIEI5VI+5RjERy + R。計(jì)算得到近似的實(shí)際值E。表頭的缺點(diǎn)如果用內(nèi)阻不同的兩只電壓表，或者同一電壓表的不同電壓檔（可以知道其

2、量程比值或內(nèi)阻比值）測量，可由兩次測得值直流電子電壓表為了改善普通表頭的缺點(diǎn)（阻抗不高，不夠靈敏），在表 頭中加裝跟隨器（提高輸入阻抗）或直流放大器（提高測量靈 敏度）。放大倍數(shù)A=l+Rm/RF圖中R。、R、R2 R3組成分壓器，由于FET源極跟隨 器輸入電阻很大(幾百M(fèi)Q以上)，因此由匕測量端看進(jìn)去的 輸入電阻基本上只由R。、RP R2 R3、等串聯(lián)電阻決定， 通常使它們的串聯(lián)電阻和大于10MQ ,以滿足高輸入阻抗 的要求。同時(shí)，在這種結(jié)構(gòu)下，電壓表的輸入阻抗基本上 是個(gè)常量，與量程無關(guān)。(1) RO、RK R2、R3可以用更大的電阻。(2) 電壓表輸入阻抗基本為常數(shù)即流過電流表的電流厶與

3、被測電壓成正比，只要分壓 系數(shù)和Rf足夠精確和穩(wěn)定，就可以獲得良好的準(zhǔn)確度，因 此，各分壓電阻及反饋電阻Rf都要使用精密電阻。、調(diào)制式直流放大器在上述使用直流放大器的電子電壓表中，直流放大器的零 點(diǎn)漂移限制了電壓表靈敏度的提高，為此，電子電壓表中常采 用調(diào)制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使電子電壓表 能測量微伏量級(jí)的電壓。調(diào)制式直流放大器的原理：微弱的直流電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)制器(又稱斬波器)變換為交流信 號(hào)，再由交流放大器放大，經(jīng)解調(diào)器還原為直流信號(hào)(幅度已 得到放大)。振蕩器為調(diào)制器和解調(diào)器提供固定頻率的同步控 制信號(hào)。兩大特點(diǎn)：(1)抑制直流漂移 (2)采用交流選頻，提高抗干擾能力.調(diào)制式

4、直流放大器的工作原理交流放大器一般米用選頻放大器，只對(duì)與圖中振蕩器同頻 率的信號(hào)進(jìn)行放大而抑制其他頻率的噪聲和干擾。在實(shí)際直流 號(hào)子號(hào)壓表中，還采用了其他措施以提高性能，比如在解調(diào)器 輸出端和調(diào)制器輸入端間增加負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)以提高整機(jī)穩(wěn)定性等。調(diào)制工作原理（斬波器）解調(diào)器工作原理：圖中Kd是與調(diào)制器中心同步動(dòng)作的機(jī)械式振 子開關(guān)或場效應(yīng)管電子開關(guān)，C為隔直流電容，正是由于它的隔 直流作用，使放大器的零點(diǎn)漂移被阻斷，不至傳輸?shù)胶竺娴闹?流電壓表表頭。R為限流電阻，吟、C/成濾波器，濾波后得到放 大后的直流信號(hào)。解調(diào)工作原理Zb(d)5.3交流電壓的幀和測量一、交流電壓的表征交流電壓除用具體的函數(shù)關(guān)系

5、式表達(dá)其大小隨時(shí)間的 變化規(guī)律外，通常還可以用峰值、幅值、平均值、有效值 等參數(shù)來表征。1、峰值周期性交變電壓%在一個(gè)周期內(nèi)偏離零電平的最大 值稱為峰值，用q表示。正、負(fù)峰值不等時(shí)分別用q”和 5表示。“在一個(gè)周期內(nèi)偏離直流分量/的最大值稱 為幅值或振幅，用Um表示，正、負(fù)幅值不等時(shí)分別用 匕+和表示。（峰值與振幅的區(qū)別）2、平均值%的平均值U的數(shù)學(xué)定義為U = 一 J utdt按照這個(gè)定義,u實(shí)質(zhì)上就是周期性電壓的直流分量&。在電子測量中，平均值通常指交流電壓檢波（也稱 整流）以后的平均值，又可分為半波整流平均值（簡稱半 波平均值）和全波整流平均值（簡稱全波平均值）。未檢波前電壓波形半波整流

6、和全波整流后的波形全波平均值定義為_1 tU=tL 嘰如不另加說明，本章所指平均值均為全波平均值。3、有效值在電工理論中曾定義：某一交流電壓的有效值等 于直流電壓的數(shù)值S當(dāng)該交流電壓和數(shù)值為U的直流 電壓分別施加于同一電阻上時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)兩者產(chǎn) 生的熱量相等。則數(shù)學(xué)式可表示為實(shí)質(zhì)上即數(shù)學(xué)上的均方根定義。4、波形因數(shù)、波峰因數(shù)交流電壓的有效值、平均值和峰值間有一定的關(guān)系, 可分別用波形因數(shù)（或稱波形系數(shù)）及波峰因數(shù)（或稱波峰 系數(shù)）表示。波形因數(shù)為僑，定義為該電壓的有效值與平均值之比波峰因數(shù)鳥，定義為該電壓的峰值與有效值之比正弦波：峰值1，有效值1/A 平均值2/療二0.6366二、交流電壓的

7、測量方法1、交流電壓測量的基本原理測量交流電壓的方法很多，依據(jù)的原理也不同。其中 最主要的是利用交流/直流(AC / DC)轉(zhuǎn)換電路將交流電 壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后再接到直流電壓表上進(jìn)行測量。 根據(jù)AC/DC轉(zhuǎn)換器的類型，可分成檢波法和熱電轉(zhuǎn)換法。 根據(jù)檢波特性的不同，檢波法又可分成平均值檢波、峰值 檢波、有效值檢波等2.模擬交流電壓表的主要類型(1)檢波一放大式在直流放大器前面接上檢波器，就構(gòu)成了檢波一放大式電壓表。這種電壓表的頻率范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器。采用超高頻檢波二極管并在電表結(jié)構(gòu)工藝上仔細(xì)設(shè)計(jì)， 可使這種電壓表的頻率范圍從幾十Hz到幾百M(fèi)Hz，輸入阻抗也較大。由此可以做成“高

8、頻微伏表”it放大一檢波式當(dāng)被測電壓過低時(shí)，直接進(jìn)行檢波誤差會(huì)顯著增大。為 了提高交流電壓表的測量靈敏度，可先將被測電壓進(jìn)行放 大，而后再檢波和推動(dòng)直流電表顯示，于是構(gòu)成了放大一 檢波式電壓表。這種電壓表的頻率范圍主要取決于寬帶交 流放大器，靈敏度受到放大器內(nèi)部噪聲的限制。(3)調(diào)制式(高頻測量)在前面分析直流電壓表時(shí)即已提到，為了減小直流放大 器的零點(diǎn)漂移對(duì)測量結(jié)果的影響，可采用調(diào)制式放大器以 替代一般的直流放大器，這就構(gòu)成了調(diào)制式電壓表。實(shí)際 上這種方式仍屬于檢波一放大式。娠蕩器檢波二極管的非線性，限制了檢波一放大式電壓表的靈 敏度，因此雖然其頻率范圍較寬，但測量靈敏度一般僅達(dá)到 mV級(jí)。

9、而對(duì)于放大一檢波式電壓表，由于受到放大器增益與 帶寬矛盾的限制，雖然靈敏度可以提高，但頻率范圍卻較窄， 一般在10MHz以下。同時(shí)兩種方式測量電壓時(shí)，都會(huì)由于干擾 和噪聲的影響而妨礙了靈敏度的提高。外差式電壓測量法在相 當(dāng)大的程度上解決了上述矛盾。輸入電路中包括輸入衰減器和 高頻放大器，衰減器用于大電壓測量，高頻放大器帶寬很大， 但不要求有很高的增益。兩個(gè)矛盾：先檢液,電壓受檢液器限制先放大”增益受放大器限制被測電壓的放大主要由后面的中頻放大器完成。被測信號(hào)經(jīng)輸入 電路，與本振信號(hào)一起進(jìn)入混頻器轉(zhuǎn)變成頻率固定的中頻信號(hào)， 經(jīng)中頻放大器放大后進(jìn)入檢波器轉(zhuǎn)變成直流電壓推動(dòng)表頭顯示。 由于中頻放大器

10、具有良好的頻率選擇性和固定中頻頻率，從而解 決了放大器增益帶寬的矛盾，又因?yàn)橹蓄l放大器的極窄的帶通濾 波特性，因而可以在實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí)，有效地削弱干擾和噪聲 （它們可認(rèn)為是寬帶的）的影響，使測量靈敏度提高到y(tǒng)V級(jí)?？捎?制成“高頻微伏表”。(5)熱偶變換式(有效值測量)在對(duì)波形未知或波形復(fù)雜的電壓測量時(shí)，例如對(duì)噪聲電 壓的測量、失真度測量，都要求能測出電壓的真正有效值。 這種測量要求AC / DC變換器的輸出與輸入電壓的有效值成 正比。利用二極管鏈?zhǔn)綑z波器可以實(shí)現(xiàn)這種功能，但頻率范 圍不大，一般為幾十Hz到幾百kHz。另外用得較多的是熱偶 元件，其基本工作原理如下。熱偶元件又稱熱電偶，是由兩

11、種不同材料的導(dǎo)體所構(gòu)成 的具有熱電現(xiàn)象的元件。若將被測電壓變換成熱能加在熱電 偶上，熱電偶將產(chǎn)生相應(yīng)的電勢E=kU測量時(shí)要求消除熱 電偶的非線性。電壓9熱能9加于熱電偶產(chǎn)生熱電勢輸入信號(hào)經(jīng)寬帶放大器放大后送入T1,產(chǎn)生熱電勢 E=kU?。巧經(jīng)直流放大器A放大后加熱平衡熱電偶T2, T2 產(chǎn)生熱電勢Ef=k2Uo2 o與作為負(fù)反饋與El起加到放大器的 A端，直至E尸E,放大器保持輸出不變。T1與T2完全相同時(shí)，E尸Ep實(shí)現(xiàn)了有效值的測量及測量的線性化。其它方法三.交流電壓的測量（低頻測量）交流電壓測量通常把測量低頻（1MHz以下）信號(hào)電壓的 電壓表稱作交流電壓表或交流毫伏表。這類電壓表一般采用

12、放大一檢波式，檢波器有平均值檢波器、有效值檢波器和峰 值檢波器。1、均值電壓表平均值檢波器原理：平均值檢波器的基本釆用4只 性能相同的二極管構(gòu)成橋式全波整流電路，圖（c）是其 等效電路，整流后的波形為I如，整流器可等效為用串 聯(lián)一電壓源仏1, 為電流表內(nèi)阻，C為濾波電容，濾 除交流成分。dt =+ RmRd為二極管正向電阻，Rm為電表內(nèi)阻，上式忽略整流 管反向電流的作用。流經(jīng)表頭電流的平均值只與被測電壓的平均值有關(guān)， 全波檢波器響應(yīng)反應(yīng)被測電壓的均值。檢波靈敏度：表征均值檢波器工作特性的一個(gè)重要參數(shù)是檢波靈 敏度Sd，定義為對(duì)于全波橋式整流器，可導(dǎo)出k 2Rd + Rm 丿要提高測量靈敏度，應(yīng)

13、減小心和Rm。輸入阻抗：可以證明，對(duì)于全波均值整流器，其輸入阻抗QR.I= 2RJ+-Rd2 m7T仍設(shè)他=5000, Rm = UQ （這是常規(guī)的數(shù)值），貝國 約為1.8kQ ,可見均值檢波器輸入阻抗很低。放大一檢波式2、有效值檢波器由式可見，為了獲得有效值（均方根）響應(yīng)，必須使AC/DC變換器具有平方律關(guān)系的伏安特性。這類變換 器有二極管平方律檢波式、分段逼近式檢波式、熱電變 換式和模擬計(jì)算式等四種。二極管平方律檢波式真空或半導(dǎo)體二極管在其正向特性的起始部分，具有 近似的平方律關(guān)系。圖中為偏置電壓，當(dāng)信號(hào)電壓叭較 小時(shí)，有i = kEQ +0（小式中k是與二極管特性有關(guān)的系數(shù)（稱為檢波系數(shù)

14、）由于電 容C的積分（濾波）作用,流過微安表的電流正比于i的平均值,I = kU2從而實(shí)現(xiàn)了有效值轉(zhuǎn)換。3、峰值檢波器峰值檢波器輸出的直流電壓與輸入交流信號(hào)峰值成比 例的檢波器。分為串聯(lián)式和并聯(lián)式。串聯(lián)式(W充電時(shí)間常數(shù)要短，放電時(shí)間常數(shù)要長并聯(lián)式（具有隔直能 力，較常用）要求：充電時(shí)間常數(shù)RdC遠(yuǎn)小于放電時(shí)間常數(shù)Tmg，同時(shí) 放電時(shí)間常數(shù)RC要遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)中的最大周期Tmax。RCmax，R& A/D分類1）比較式：逐次逼近式，直接比較式，.2）積分式：雙斜式，S-A, .2、雙斜式A/D雙斜式A/D通過控制積分器對(duì)被測信號(hào)及基準(zhǔn)電壓分別積 分，得到與輸入電壓平均值成正比的時(shí)間間隔。實(shí)現(xiàn)U

15、T 的轉(zhuǎn)換。屯對(duì)被測信號(hào)國定時(shí)間敘今，后對(duì)固定電壓定斜率張今Uo積分斜率固定積分器反向積分，過 零比較固定積分時(shí)間-r準(zhǔn)備時(shí)鐘周期幾r2NT取樣時(shí)間MIT2測量時(shí)間積分斜率與時(shí)間常數(shù)及被積信號(hào)有關(guān).缺點(diǎn)：精度低、速度低優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng),對(duì)積分、時(shí)鐘要求不高，靈敏度不錯(cuò)3、逐次逼近比較式A/D耆輛逐次比較式A/D主要電路單元有比較器、控制器、逐次 逼近寄存器SAR、緩沖寄存器、譯碼器和模/數(shù)(D/A)轉(zhuǎn) 換器。(“天平”思想)T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A變換原理：韋躍的T網(wǎng)輅Uo= I * 2R權(quán)電阻D/A變換原理:我是金餉磯器電虹激蕪修正逐次逼近式A / D原理:3V/5V=0.6 (99H/FFH)

16、1001 1001結(jié)束置 02 = 0去碼去碼置5=0逐次逼近式A/D工作流程4、并聯(lián)比較式A/D最快的A/D轉(zhuǎn)換器編碼器參考 信號(hào)輸入 信號(hào)式A/D5.5數(shù)字多用表一、數(shù)字多用表（DMM的組成umOlxRx5直流數(shù)字電壓表DVM將各種被測量變換為電壓信號(hào)o二、多用表中的轉(zhuǎn)換技術(shù)1、AC-DC轉(zhuǎn)換器均值、有效值、峰值。前面介紹的轉(zhuǎn)換方法。集成電路實(shí)現(xiàn)：按有效值的定義，用集成電路來實(shí)現(xiàn)，用集成電路 的乘法器、除法器能進(jìn)行均方根運(yùn)算。XY/ZT平均值電 路，輸出再送入Z端。最終輸出為輸入信號(hào)的有效值。2、IU轉(zhuǎn)換器R3內(nèi)阻大信號(hào)I U轉(zhuǎn)換器受Rs的影響，大信號(hào)要 用小電阻，小信號(hào)可能 要進(jìn)行放大。

17、此時(shí)多采 用下一個(gè)電路。小信號(hào)I一U轉(zhuǎn)換器運(yùn)放具有高輸入阻抗（受運(yùn)放輸岀電流限制, 不宜用來測量大電流）思考：怎么用萬用表測電流?3、QU轉(zhuǎn)換器（恒流法）Rs思考：如何用放大器組成電流源?采用跟隨器加恒流輸出管后，可增大恒流的調(diào)節(jié)范圍。三、DMM的干擾及抑制由于DVM的靈敏度很高，因而對(duì)干擾的抑制能力就成為保證它的高精度測量能力的重要因素。干擾可分為隨機(jī)性干擾和確定性干擾，確定性干擾可分為串模干擾和共模干擾兩種。1、串模干擾串模干擾是指干擾電壓4m以串聯(lián)形式與被測電壓匕迭加 后加到DVM輸入端。圖(a)表示串模干擾來自被測信號(hào)源內(nèi)部, 圖(b)表示串模干擾是由于測量引線受外界電磁場感應(yīng)所引起

18、的。串模干擾一般來自被測信號(hào)本身，如穩(wěn)壓電源中的紋波、 測量線上的感應(yīng)工頻等，其頻率范圍從直流、低頻到高頻都 有可能。(a) 串模干擾來自被測信號(hào)源內(nèi)部，(b) 串模干擾是由于測量引線受外界電磁場感應(yīng)所引起串模干擾的抑制抑制串模干擾的方法有輸入濾波法和積分平均法。輸入濾波法是利用濾波器的特性把干擾頻率分量濾除， 或是僅保留被測信號(hào)的頻率分量。這會(huì)影響儀表的響應(yīng)速度, 當(dāng)被測信號(hào)與干擾同頻率時(shí)，無法奏效。積分平均法是在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行積分，取平 均值，若干擾信號(hào)為平均值為零的干擾電壓，則通過積分后 可抑制或減小干擾對(duì)測量結(jié)果的影響。在DVM中，采用雙斜積分式的A/D對(duì)串模干擾有抑制作用。 當(dāng)采樣周期一定時(shí)，干擾信號(hào)的頻率越高，積分的平均作用 越明顯，抑制干擾能力越強(qiáng)。當(dāng)干擾頻率一定時(shí)，A/D的釆 樣周期越長，串模