電子測量與儀器第五章電壓測量數字萬用表

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電壓的數字式測量5.5數字多用表y儀器科修鳥工程系1AC fi AiAoRkot u3 ,對應三個量程，所串三個電阻 的阻值分別為：R嚴（UJQ-R,鳥=（匕）/”電壓靈敏度通常把電壓表的內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，其內阻是不同的。 可以由電壓靈敏度，算出在不同檔位時的內阻。用普通電壓表測量高輸出電阻的直流電壓Ro lOOkQ ：IIEI5VI+5RjERy + R。計算得到近似的實際值E。表頭的缺點如果用內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（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MQ以上)，因此由匕測量端看進去的 輸入電阻基本上只由R。、RP R2 R3、等串聯電阻決定， 通常使它們的串聯電阻和大于10MQ ,以滿足高輸入阻抗 的要求。同時，在這種結構下，電壓表的輸入阻抗基本上 是個常量，與量程無關。(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 系數和Rf足夠精確和穩(wěn)定，就可以獲得良好的準確度，因 此，各分壓電阻及反饋電阻Rf都要使用精密電阻。、調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 能測量微伏量級的電壓。調制式直流放大器的原理：微弱的直流電壓信號經調制器(又稱斬波器)變換為交流信 號，再由交流放大器放大，經解調器還原為直流信號(幅度已 得到放大)。振蕩器為調制器和解調器提供固定頻率的同步控 制信號。兩大特點：(1)抑制直流漂移 (2)采用交流選頻，提高抗干擾能力.調制式

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，只對與圖中振蕩器同頻 率的信號進行放大而抑制其他頻率的噪聲和干擾。在實際直流 號子號壓表中，還采用了其他措施以提高性能，比如在解調器 輸出端和調制器輸入端間增加負反饋網絡以提高整機穩(wěn)定性等。調制工作原理（斬波器）解調器工作原理：圖中Kd是與調制器中心同步動作的機械式振 子開關或場效應管電子開關，C為隔直流電容，正是由于它的隔 直流作用，使放大器的零點漂移被阻斷，不至傳輸到后面的直 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。解調工作原理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關系

5、式表達其大小隨時間的 變化規(guī)律外，通常還可以用峰值、幅值、平均值、有效值 等參數來表征。1、峰值周期性交變電壓%在一個周期內偏離零電平的最大 值稱為峰值，用q表示。正、負峰值不等時分別用q”和 5表示。“在一個周期內偏離直流分量/的最大值稱 為幅值或振幅，用Um表示，正、負幅值不等時分別用 匕+和表示。（峰值與振幅的區(qū)別）2、平均值%的平均值U的數學定義為U = 一 J utdt按照這個定義,u實質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 于直流電壓的數值S當該交流電壓和數值為U的直流 電壓分別施加于同一電阻上時，在一個周期內兩者產 生的熱量相等。則數學式可表示為實質上即數學上的均方根定義。4、波形因數、波峰因數交流電壓的有效值、平均值和峰值間有一定的關系, 可分別用波形因數（或稱波形系數）及波峰因數（或稱波峰 系數）表示。波形因數為僑，定義為該電壓的有效值與平均值之比波峰因數鳥，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，依據的原理也不同。其中 最主要的是利用交流/直流(AC / DC)轉換電路將交流電 壓轉換成直流電壓，然后再接到直流電壓表上進行測量。 根據AC/DC轉換器的類型，可分成檢波法和熱電轉換法。 根據檢波特性的不同，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構工藝上仔細設計， 可使這種電壓表的頻率范圍從幾十Hz到幾百MHz，輸入阻抗也較大。由此可以做成“高

8、頻微伏表”it放大一檢波式當被測電壓過低時，直接進行檢波誤差會顯著增大。為 了提高交流電壓表的測量靈敏度，可先將被測電壓進行放 大，而后再檢波和推動直流電表顯示，于是構成了放大一 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部噪聲的限制。(3)調制式(高頻測量)在前面分析直流電壓表時即已提到，為了減小直流放大 器的零點漂移對測量結果的影響，可采用調制式放大器以 替代一般的直流放大器，這就構成了調制式電壓表。實際 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到 mV級。

9、而對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。同時兩種方式測量電壓時，都會由于干擾 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。被測信號經輸入 電路，與本振信號一起進入混頻器轉變成頻率固定的中頻信號， 經中頻放大器放大后進入檢波器轉變成直流電壓推動表頭顯示。 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，又因為中頻放大器的極窄的帶通濾 波特性，因而可以在實現高增益的同時，有效地削弱干擾和噪聲 （它們可認為是寬帶的）的影響，使測量靈敏度提高到yV級?？捎?制成“高頻微伏表”。(5)熱偶變換式(有效值測量)在對波形未知或波形復雜的電壓測量時，例如對噪聲電 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。利用二極管鏈式檢波器可以實現這種功能，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、種不同材料的導體所構成 的具有熱電現象的元件。若將被測電壓變換成熱能加在熱電 偶上，熱電偶將產生相應的電勢E=kU測量時要求消除熱 電偶的非線性。電壓9熱能9加于熱電偶產生熱電勢輸入信號經寬帶放大器放大后送入T1,產生熱電勢 E=kU?。巧經直流放大器A放大后加熱平衡熱電偶T2, T2 產生熱電勢Ef=k2Uo2 o與作為負反饋與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，E尸Ep實現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 聯一電壓源仏1, 為電流表內阻，C為濾波電容，濾 除交流成分。dt =+ RmRd為二極管正向電阻，Rm為電表內阻，上式忽略整流 管反向電流的作用。流經表頭電流的平均值只與被測電壓的平均值有關， 全波檢波器響應反應被測電壓的均值。檢波靈敏度：表征均值檢波器工作特性的一個重要參數是檢波靈 敏度Sd，定義為對于全波橋式整流器，可導出k 2Rd + Rm 丿要提高測量靈敏度，應

13、減小心和Rm。輸入阻抗：可以證明，對于全波均值整流器，其輸入阻抗QR.I= 2RJ+-Rd2 m7T仍設他=5000, Rm = UQ （這是常規(guī)的數值），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，必須使AC/DC變換器具有平方律關系的伏安特性。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 換式和模擬計算式等四種。二極管平方律檢波式真空或半導體二極管在其正向特性的起始部分，具有 近似的平方律關系。圖中為偏置電壓，當信號電壓叭較 小時，有i = kEQ +0（小式中k是與二極管特性有關的系數（稱為檢波系數

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從而實現了有效值轉換。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峰值成比 例的檢波器。分為串聯式和并聯式。串聯式(W充電時間常數要短，放電時間常數要長并聯式（具有隔直能 力，較常用）要求：充電時間常數RdC遠小于放電時間常數Tmg，同時 放電時間常數RC要遠大于輸入信號中的最大周期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通過控制積分器對被測信號及基準電壓分別積 分，得到與輸入電壓平均值成正比的時間間隔。實現U

15、T 的轉換。屯對被測信號國定時間敘今，后對固定電壓定斜率張今Uo積分斜率固定積分器反向積分，過 零比較固定積分時間-r準備時鐘周期幾r2NT取樣時間MIT2測量時間積分斜率與時間常數及被積信號有關.缺點：精度低、速度低優(yōu)點：抗干擾能力強,對積分、時鐘要求不高，靈敏度不錯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(D/A)轉 換器。(“天平”思想)T型電阻網絡D/A變換原理：韋躍的T網輅Uo= I * 2R權電阻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、并聯比較式A/D最快的A/D轉換器編碼器參考 信號輸入 信號式A/D5.5數字多用表一、數字多用表（DMM的組成umOlxRx5直流數字電壓表DVM將各種被測量變換為電壓信號o二、多用表中的轉換技術1、AC-DC轉換器均值、有效值、峰值。前面介紹的轉換方法。集成電路實現：按有效值的定義，用集成電路來實現，用集成電路 的乘法器、除法器能進行均方根運算。XY/ZT平均值電 路，輸出再送入Z端。最終輸出為輸入信號的有效值。2、IU轉換器R3內阻大信號I U轉換器受Rs的影響，大信號要 用小電阻，小信號可能 要進行放大。

17、此時多采 用下一個電路。小信號I一U轉換器運放具有高輸入阻抗（受運放輸岀電流限制, 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，可增大恒流的調節(jié)范圍。三、DMM的干擾及抑制由于DVM的靈敏度很高，因而對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源內部, 圖(b)表示串模干擾是由于測量引線受外界電磁場感應所引起

18、的。串模干擾一般來自被測信號本身，如穩(wěn)壓電源中的紋波、 測量線上的感應工頻等，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源內部，(b) 串模干擾是由于測量引線受外界電磁場感應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的頻率分量。這會影響儀表的響應速度, 當被測信號與干擾同頻率時，無法奏效。積分平均法是在一定時間內對被測信號進行積分，取平 均值，若干擾信號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測量結果的影響。在DVM中，采用雙斜積分式的A/D對串模干擾有抑制作用。 當采樣周期一定時，干擾信號的頻率越高，積分的平均作用 越明顯，抑制干擾能力越強。當干擾頻率一定時，A/D的釆 樣周期越長，串模