電子測量技術基礎電壓的測量PPT課件

1、3.1 3.1 概述概述311 電壓測量的意義、特點 1）電壓測量的重要性闡述電壓測量的意義、重要性及應用。 2）電壓測量的特點從電壓測量的頻率、范圍、要求等方面闡述其特點，這些特點也反映了電子測量的主要特點。 第1頁/共99頁1 1）電壓測量的重要性 電壓測量是電測量與非電測量的基礎； 電測量中，許多電量的測量可以轉化為電壓測量：表征電信號能量的三個基本參數(shù)：電壓、電流、功率其中：電流、功率電壓，再進行測量電路工作狀態(tài)： 飽和與截止，線性度、失真度電壓表征 非電測量中，物理量電壓信號，再進行測量如：溫度、壓力、振動、（加）速度第2頁/共99頁2 2）電壓測量的特點1.頻率范圍廣：零頻（直流）

2、109Hz低頻：1MHz以下；高頻（射頻）：1MHz以上。2.測量范圍寬微弱信號:心電醫(yī)學信號、地震波等,納伏級（10-9V）； 超高壓信號：電力系統(tǒng)中，數(shù)十千伏。3.電壓波形的多樣化電壓信號波形是被測量信息的載體。各種波形：純正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；隨機噪聲。第3頁/共99頁2 2）電壓測量的特點4.阻抗匹配電壓表的輸入阻抗是指它的兩個輸入端之間的等效阻抗，是被測電路的額外負載。 -測量儀器應具有較高的輸入阻抗直流測量中，輸入阻抗與被測信號源等效內阻形成分壓，使測量結果偏小。 如：采用電壓表與電流表測量電阻， 當測量小電阻時，應采用電壓表并聯(lián)方案； 當測量大電阻時，應采用

3、電流表串聯(lián)方案。交流測量中，輸入阻抗的不匹配引起信號反射。輸入阻抗典型數(shù)值為1M和15并聯(lián)。第4頁/共99頁2 2）電壓測量的特點5.測量精度的要求差異很大10-1至10-9。6.測量速度的要求差異很大靜態(tài)測量：直流（慢變化信號）,幾次/秒;動態(tài)測量：高速瞬變信號,數(shù)億次/秒（幾百MHz）精度與速度存在矛盾，應根據(jù)需要而定。7.抗干擾性能工業(yè)現(xiàn)場測試中，存在較大的干擾。第5頁/共99頁3 31 12 2 電壓測量的方法和分類按對象：直流電壓測量；交流電壓測量 按技術：模擬測量；數(shù)字測量 1）數(shù)字化直流電壓測量方法模擬直流電壓-A/D轉換器-數(shù)字量-數(shù)字顯示（直觀）數(shù)字電壓表（DVM），數(shù)字多用

4、表（DMM）。第6頁/共99頁3 31 12 2 電壓測量的方法和分類2）交流電壓的模擬測量方法表征交流電壓的三個基本參量： 有效值、峰值和平均值。以有效值測量為主。方法：交流電壓（有效值、峰值和平均值）-直流電流-驅動表頭-指示有效值、峰值和平均值電壓表，電平表等。3）交流電壓的數(shù)字化測量交流電壓（有效值、峰值和平均值）-直流電壓-A/D轉換器-數(shù)字量-數(shù)字顯示DVM（DMM）的擴展功能。第7頁/共99頁3 31 12 2 電壓測量的方法和分類4）基于采樣的交流電壓測量方法交流電壓-A/D轉換器-瞬時采樣值u(k) -計算，如有效值式中，N為u(t)的一個周期內的采樣點數(shù)。5）示波測量方法交

5、流電壓-模擬或數(shù)字示波器-顯示波形-讀出結果211( )NkVukN第8頁/共99頁直流電壓的測量 1 普通直流電壓表 由動圈式高靈敏度直流電流表串聯(lián)適當?shù)碾娮铇嫵伞?設電流表的滿偏電流為Im ,電流表本身內阻為Re,串聯(lián)電阻Rn 所構成的電壓表的滿度電壓為:)(nemmRRIUAReR1R2R3UoU1U2U3emRIU0第9頁/共99頁直流電壓的測量1 普通直流電壓表 所構成的電壓表的內阻為: 圖中電流表串接了3個電阻后除了最小量程外增加了3個量程U1、U2、U3，根據(jù)擴展的量程，可以估算出3個擴展電阻的阻值： emRIUR)/(11mmneVIURRRmIUUR/ )(122mIUUR/

6、 )(233AReR1R2R3UoU1U2U3第10頁/共99頁直流電壓的測量u1 1 普通直流電壓表普通直流電壓表 通常把內阻通常把內阻RvRv與與UmUm之比（每伏歐姆數(shù)）定義為電壓表之比（每伏歐姆數(shù)）定義為電壓表的的電壓靈敏度電壓靈敏度。 數(shù)越大，表明使指針偏轉同樣角度所需要的電數(shù)越大，表明使指針偏轉同樣角度所需要的電流越小。一般標明在電磁式電壓表的表盤上，可以根據(jù)電流越小。一般標明在電磁式電壓表的表盤上，可以根據(jù)電壓靈敏度推算出不同量程時的電壓表內阻。壓靈敏度推算出不同量程時的電壓表內阻。 優(yōu)點：結構簡單、使用方便、誤差來源表頭本身和擴優(yōu)點：結構簡單、使用方便、誤差來源表頭本身和擴展電

7、阻的準確度。展電阻的準確度。1%1% 缺點：靈敏度不高、輸入電阻低。在量程較低時，輸缺點：靈敏度不高、輸入電阻低。在量程較低時，輸入電阻更小，其負載效應對被測電路工作狀態(tài)及測量結果入電阻更小，其負載效應對被測電路工作狀態(tài)及測量結果的影響不可忽略。的影響不可忽略。mmvvIURK1V/第11頁/共99頁直流電壓的測量u普通直流電壓表的誤差普通直流電壓表的誤差 用普通直流電壓表測量高輸出電阻電路的直流電壓，設被用普通直流電壓表測量高輸出電阻電路的直流電壓，設被測電路輸出電阻為測電路輸出電阻為RoRo，被測電壓實際值為，被測電壓實際值為EoEo，電壓表內阻為，電壓表內阻為R RV V，則電壓表度數(shù)值

8、為則電壓表度數(shù)值為: :相對誤差為：相對誤差為： mmV00V000IUURRERRREVVRRREEU00000第12頁/共99頁直流電壓的測量為了消除這一影響，可使用兩個不同量程為了消除這一影響，可使用兩個不同量程U U1 1、U U2 2 進行測進行測量。將電壓表的兩次讀數(shù)值量。將電壓表的兩次讀數(shù)值U UO1O1、U Uo2o2 代入下式，即可計算得代入下式，即可計算得到被測電壓的近似值：到被測電壓的近似值： 上例中，電壓表的每伏歐姆數(shù)為上例中，電壓表的每伏歐姆數(shù)為20k20k/V/V，先后用，先后用5V5V和和25V25V量程測量端電壓量程測量端電壓UoUo的讀數(shù)值分別為的讀數(shù)值分別為

9、2.5V2.5V和和4.17V4.17V，代入，代入上式得上式得EoEo=5.01V=5.01V21201OOOUUUKKE12UUK 第13頁/共99頁直流電壓的測量直流電子電壓表通常由磁電式表頭加裝直流電子電壓表通常由磁電式表頭加裝跟隨器跟隨器、直直流放大器流放大器構成，當需要測量高直流電壓時，輸入端接入高構成，當需要測量高直流電壓時，輸入端接入高阻值電阻構成的分壓電路。阻值電阻構成的分壓電路。提高輸提高輸入阻抗入阻抗提高測量提高測量靈敏度靈敏度第14頁/共99頁直流電壓的測量在理想運放情況下：在理想運放情況下：式中式中 K-K-分壓器和跟隨器的電壓傳輸系數(shù)分壓器和跟隨器的電壓傳輸系數(shù)若電

10、流表滿偏電流為若電流表滿偏電流為ImIm，則由上式可得該直流電子電壓，則由上式可得該直流電子電壓表的量程為：表的量程為：FxFiORKURUIKRIUFmm第15頁/共99頁直流電壓的測量為了保證該電壓表的準確度，各分壓電阻和反饋電為了保證該電壓表的準確度，各分壓電阻和反饋電阻阻R RF F都要使用精密電阻。都要使用精密電阻。 缺點：直流放大器的零點漂移限制了電壓靈敏度的提缺點：直流放大器的零點漂移限制了電壓靈敏度的提高。高。 故電子電壓表中常采用斬波式放大器（調制式放大器）故電子電壓表中常采用斬波式放大器（調制式放大器）以抑制零點漂移，可使電子電壓表能測量微伏級的電壓。以抑制零點漂移，可使電

11、子電壓表能測量微伏級的電壓。第16頁/共99頁直流電壓的測量 將直流數(shù)字電壓表的表頭用將直流數(shù)字電壓表的表頭用A/DA/D轉換器和數(shù)字顯示器代轉換器和數(shù)字顯示器代替，即構成直流數(shù)字電壓表。替，即構成直流數(shù)字電壓表。第17頁/共99頁3 32 2 交流電壓的測量 峰值、平均值、有效值、波峰系數(shù)和波形系數(shù)。 峰值以零電平為參考的最大電壓幅值（用Vp表示 ）。注：注：振幅：振幅：以直流分量為參考的最大電壓幅值（通常以直流分量為參考的最大電壓幅值（通常用用U Um m表示）。表示）。第18頁/共99頁3 32 21 1 表征交流電壓的基本參量 平均值（均值） 數(shù)學上定義為： 相當于交流電壓u(t)的直

12、流分量。 交流電壓測量中，平均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后波形的平均值（一般若無特指，均為全波整流）： 對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 01( )TUu t dtT01( )TUu t dtT20.637ppUVV第19頁/共99頁3 32 21 1 表征交流電壓的基本參量 有效值 定義：交流電壓u(t)在一個周期T內，通過某純電阻負載R所產(chǎn)生的熱量，與一個直流電壓V在同一負載上產(chǎn)生的熱量相等時，則該直流電壓V的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)的有效值。 表達式：直流電壓V在T內電阻R上產(chǎn)生的熱量Q_=I2RT= 交流電壓u(t) 在T內電阻R上產(chǎn)生的熱量Q=由Q_=

13、Q，有效值2VTR20( )TutdtR201( )TVut dtT第20頁/共99頁3 32 21 1 表征交流電壓的基本參量 有效值 意義：有效值在數(shù)學上即為均方根值。有效值反映了交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。 對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 波峰系數(shù)和波形系數(shù) 波峰系數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用Kp表示，u對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T10.7072ppVVVppVKV峰值有效值21.41/2pppVKV第21頁/共99頁3 32 21 1 表征交流電壓的基本參量 波峰系數(shù)和波形系數(shù) 波形系數(shù)定義：有效值與平均值的比值

14、，用KF表示， 對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/TFVKV有效值平均值(1/2)1.112/2 2pFpVKV（）第22頁/共99頁3 32 21 1 表征交流電壓的基本參量 波峰系數(shù)和波形系數(shù) 常見波形的波峰系數(shù)和波形系數(shù)可查表得到：如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方 波：Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 鋸齒波：Kp=1.73，KF=1.15； 脈沖波：Kp= ，KF= ， 為脈沖寬度，T為周期 白噪聲：Kp=3（較大），KF=1.25。TT第23頁/共99頁3 32 22 2 交流/ /直流轉換器的響應特性及誤差分析 1

15、）交流/直流電壓（AC-DC）轉換原理 模擬電壓表的交流電壓測量原理： 交流電壓-直流電流（有效值、峰值和平均值） -驅動表頭-指示。 交流電壓-有效值、峰值和平均值的轉換，稱為 AC-DC轉換。由不同的檢波電路實現(xiàn)。 峰值檢波原理由二極管峰值檢波電路完成。有二極管串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。第24頁/共99頁1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理二極管峰值檢波電路（a.串聯(lián)式,b.并聯(lián)式,c.波形）DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc第25頁/共99頁1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理 二極管峰值檢波電路工作原理 通過二極管正向快速

16、充電達到輸入電壓的峰值，而二極管反向截止時“保持”該峰值。為此，要求： 式中，Rs和rd分別為等效信號源u(t)的內阻和二極管正向導通電阻，C為充電電容（并聯(lián)式檢波電路中C還起到隔直流的作用），RL為等效負載電阻，Tmin和Tmax為u(t)的最小和最大周期。 從波形圖可以看出，峰值檢波電路的輸出存在較小的波動，其平均值略小于實際峰值。minmax(),sdLRr CTR CT第26頁/共99頁 平均值檢波原理 由二極管橋式整流（全波整流和半波整流）電路完成。 如圖，整流電路輸出直流電流I0，其平均值與被測輸入電壓u(t)的平均值成正比（與u(t)的波形無關）。（電容C用于濾除整流后的交流成分

17、，避免指針擺動）1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I0第27頁/共99頁1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理 平均值檢波原理 以全波整流電路為例，I0的平均值為 式中，T為u(t)的周期，rd和rm分別為檢波二極管的正向導通電阻和電流表內阻，可視為常數(shù)（它反映了檢波器的靈敏度 ）。 于是，I0的平均值 與u(t)的平均值 成正比。 01( )( )22Todmdmu tu tIdtTrrrroI( )u t第28頁/共99頁1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理 有效值檢波原理(三

18、種) 利用二極管平方律伏安特性檢波 根據(jù) ， 為得到有效值,首先需對u(t)平方。小信號時二極管正向伏安特性曲線可近似為平方關系。 缺點：精度低且動態(tài)范圍小。 因此，實際應用中，采用分段逼近平方律的二極管伏安特性曲線圖的電路。201( )TVu t dtT第29頁/共99頁1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理 利用模擬運算的集成電路檢波 原理圖通過多級運算器級連實現(xiàn)模擬乘法器（平方）積分開方比例運算。 單片集成TRMS/DC電路，如AD536AK等。2( )ut0TAu(t)Vrms第30頁/共99頁1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理 利用熱電偶有

19、效值檢波 熱電效應：兩種不同導體的兩端相互連接在一起，組成一個閉合回路，當兩節(jié)點處溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電動勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應，所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。 熱電效應原理圖 當熱端T和冷端T0存在溫差時（即TT0），則存在熱電動勢，且熱電動勢的大小與溫差T=T-T0成正比。冷冷端端T T0 0熱熱端端T T第31頁/共99頁1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理 利用熱電偶有效值檢波 熱電偶： 將兩種不同金屬進行特別封裝并標定后，稱為一對熱電偶（簡稱熱偶）。 熱電偶溫度測量原理： 若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過熱電動勢就可得到熱端（被測溫度點）的溫

20、度。 熱電偶有效值檢波原理： 若通過被測交流電壓對熱電偶的熱端進行加熱，則熱電動勢將反映該交流電壓的有效值，從而實現(xiàn)了有效值檢波。第32頁/共99頁1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理 熱電偶有效值檢波原理圖 圖中，直流電流I與被測電壓u(t)的有效值V的關系： 電流I熱電動勢熱端與冷端的溫差，而熱端溫度u(t)功率u(t)的有效值V的平方，故， 2IVR Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加熱熱絲絲熱熱端端T T熱熱偶偶M Mu uA A連連接接導導線線I I第33頁/共99頁1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理 表頭刻度線性化處理：

21、采用兩對相同的熱電偶，分別稱為測量熱電偶和平衡熱電偶，如下圖。通過平衡熱偶形成一個電壓負反饋系統(tǒng)。R Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加熱熱絲絲熱熱端端T T測測量量熱熱偶偶電電流流表表平平衡衡熱熱偶偶+ +- -V Vo oE Ex xE Ef fV Vi i熱熱端端T T連連接接導導線線差差分分放放大大器器第34頁/共99頁1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理 測量熱偶的熱電動勢ExV2，令Ex=k1V2 ；平衡熱偶的熱電動勢EfVo2，及Ef =k2Vo2 ；假如兩對熱偶具有相同特性，即k1=k2=k ，=則差分放大器輸入電壓Vi=Ex-Ef=k(V

22、2- Vo2) ，若放大器增益足夠大，則有Vi=0，=Vo=V （即輸出電壓等于u(t)有效值） 有效值電壓表的特點 理論上不存在波形誤差，因此也稱真有效值電壓表（讀數(shù)與波形無關）。第35頁/共99頁1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理 有效值電壓表的特點 比如，對非正弦波，可視為由基波和各次諧波構成，若其有效值分別為V1、V2、V3、，則讀數(shù) 但實際有效值電壓表，下面兩種情況使讀數(shù)偏?。簩τ诓ǚ逡驍?shù)較大的交流電壓波形，由于電路飽和使電壓表可能出現(xiàn)“削波” ；高于電壓表有效帶寬的波形分量將被抑制。它們都將損失有效值分量。 缺點：受環(huán)境溫度影響較大，結構復雜，價格較貴。 實

23、際應用中，常采用峰值或均值電壓表測有效值。2212(.)kVkVV第36頁/共99頁 原理 峰值響應，即：u(t)峰值檢波放大驅動表頭 二極管峰值檢波電路DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc2 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析第37頁/共99頁2 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此： 當輸入u(t)為正弦波時，讀數(shù)即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的峰值Vp）。 對于非正弦波的任意波形，讀數(shù)沒有直接意義（既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)換算出峰值和有效值。峰峰值值檢檢波波表表頭頭( (讀

24、讀數(shù)數(shù)= =) )Vpu(t)第38頁/共99頁2 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 由讀數(shù)換算出峰值和有效值的換算步驟如下： 第一步，把讀數(shù)想象為有效值等于的純正弦波輸入時的讀數(shù)，即 第二步，將V轉換為該純正弦波的峰值V22pVV第39頁/共99頁2 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 第三步，假設峰值等于Vp 的被測波形（任意波）輸入 ，即注：“對于峰值電壓表，（任意波形的）峰值相等，則讀數(shù)相等” 。 第四步，由 ，再根據(jù)該波形的波峰系數(shù)（查表可得），其有效值2ppVV任意pV任意2pppVVKK任意任意任意任意第40頁/共99頁2 2）峰值電壓表原理、刻度特

25、性和誤差分析 刻度特性 上述過程可統(tǒng)一推導如下： 該式表明：對任意波形，欲從讀數(shù)得到有效值，需將乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數(shù)即為正弦波的有效值）。2,pppppppppVVK VKVkkKKKKK任意任意任意任意任意任意任意第41頁/共99頁2 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 綜上所述，對于任意波形而言，峰值電壓表的讀數(shù)沒有直接意義，由讀數(shù)到峰值和有效值需進行換算，換算關系歸納如下： 式中，為峰值電壓表讀數(shù)，Kp為波峰系數(shù)。 波形誤差: 若將讀數(shù)直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差。21.4121.41ppKKp（任意波）峰值V（任意波）有效值V221222pp

26、ppKKKK第42頁/共99頁3 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 原理 均值響應，即：u(t) 放大均值檢波驅動表頭 均值檢波器由二極管橋式整流電路組成 整流電路輸出直流電流整流電路輸出直流電流I I0 0，其平均值與被測輸入電壓，其平均值與被測輸入電壓u(t)u(t)的平均值成正比（與的平均值成正比（與u(t)u(t)的波形無關）。的波形無關）。I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I001( )( )22Todmdmu tu tIdtTrrrr第43頁/共99頁 刻度特性 表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此：當輸入u(t)為正弦波時，讀數(shù)即為u(t)的有效值V（而不

27、是該純正弦波的均值）。對于非正弦波的任意波形，讀數(shù)沒有直接意義（既不等于其均值也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)換算出均值和有效值。3 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 V平平均均值值檢檢波波表表頭頭( (讀讀數(shù)數(shù)= =) )u(t)第44頁/共99頁3 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 由讀數(shù)換算出均值和有效值的換算步驟如下： 第一步，把讀數(shù)想象為有效值等于的純正弦波輸入時的讀數(shù)，即 第二步，由 計算該純正弦波均值 第三步，假設均值等于 的被測波形（任意波）輸入 ，即注：“對于均值電壓表，（任意波形的）均值相等，則讀數(shù)相等” 。 第四步，由 ，再根據(jù)該波形的波形系數(shù)（

28、查表可得），其有效值V0.91.112 2FVVVKV0.9VV任意V任意0.9FFVKVK任 意任 意任 意任 意V第45頁/共99頁3 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 上述過程可統(tǒng)一推導如下： 上式表明，對任意波形，欲從均值電壓表讀數(shù)得到有效值，需將乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1.，讀數(shù)即為正弦波的有效值）。 ,FFFFVVKVKVKkK任意任意任意任意任意0.91.11FFFFKKkKK任意任意任意第46頁/共99頁3 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 綜上所述，對于任意波形而言，均值電壓表的讀數(shù)沒有直接意義，由讀數(shù)到峰值和有效值需進

29、行換算，換算關系歸納如下：式中，為均值電壓表讀數(shù)，KF為波形系數(shù)。 波形誤差。若將讀數(shù)直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差0.90.9FK（任意波）均值V（任意波）有效值V0.910.91.1110.90.9FFFFFKKKKK第47頁/共99頁4 4）實例分析 例 用具有正弦有效值刻度的峰值電壓表測量一個方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問如何從該讀數(shù)得到方波電壓的有效值？解 根據(jù)上述峰值電壓表的刻度特性，由讀數(shù)=1.0V，第一步，假設電壓表有一正弦波輸入，其有效值=1.0V；第二步，該正弦波的峰值=1.4V；第三步，將方波電壓引入電壓表輸入，其峰值Vp=1.4V；第四步，查表可知，方波的波峰系數(shù)Kp=1，則

30、該方波的有效值為：V=Vp/Kp=1.4V。波形誤差為：11.4100%29%1.4 %3 .22%1001414.173.1%1001PPKKVKVVpp82. 032三角波三角波第48頁/共99頁4 4）實例分析例 用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測量一個方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問該方波電壓的有效值為多少？解 根據(jù)上述均值電壓表的刻度特性，由讀數(shù)=1.0V，第一步，假設電壓表有一正弦波輸入，其有效值 =1.0V；第二步，該正弦波的均值 =0.9=0.9V；第三步，將方波電壓引入電壓表輸入，其均值 0.9V；第四步，查表可知，方波的波形系數(shù) =1，則該方波的有效值為: 0.9V。波形誤差為

31、FVKV方波VVVVFK方波1 0.9100%11%0.9VKVF035.10.19.015.19.0%5.3%100115.111.1%100111.1FK三角波三角波第49頁/共99頁3 33 3 直流電壓的數(shù)字化測量及A/DA/D轉換原理 數(shù)字化測量：將連續(xù)的模擬量轉換成斷續(xù)的數(shù)字量，然后進行編碼、存儲、顯示及打印等。 進行這種處理，比較方便的量是直流電壓和脈沖的頻率，對應的測量儀器是數(shù)字電壓表和電子計數(shù)器。第50頁/共99頁3 33 3 直流電壓的數(shù)字化測量及A/DA/D轉換原理 331 DVM的組成原理及主要性能指標 1）DVM的組成 數(shù)字電壓表（Digital Voltage Me

32、ter，簡稱DVM）。 組成框圖輸輸入入電電路路A A/ /D D轉轉換換器器數(shù)數(shù)字字顯顯示示器器邏邏輯輯控控制制電電路路時時鐘鐘發(fā)發(fā)生生器器模模擬擬部部分分數(shù)數(shù)字字部部分分Vx第51頁/共99頁3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標 1）DVM的組成 組成框圖 包括模擬和數(shù)字兩部分。 輸入電路：對輸入電壓衰減/放大、變換等。 核心部件是A/D轉換器（Analog to Digital Converter，簡稱ADC），實現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉換。 數(shù)字顯示器：顯示模擬電壓的數(shù)字量結果。 邏輯控制電路：在統(tǒng)一時鐘作用下，完成內部電路的協(xié)調有序工作。第52頁/共99頁3 33

33、31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標 應用 直流或慢變化電壓信號的測量（通常采用高精度低速A/D轉換器）。 通過AC-DC變換電路，也可測量交流電壓的有效值、平均值、峰值，構成交流數(shù)字電壓表。 通過電流-電壓、阻抗-電壓等變換，實現(xiàn)電流、阻抗等測量，進一步擴展其功能。 基于微處理器的智能化DVM稱為數(shù)字多用表（DMM，Digital MultiMeter）。 DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的數(shù)據(jù)處理能力（平均、方差計算等）和通信接口(如GPIB)。第53頁/共99頁3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標 2）主要性能指標 顯示位數(shù) 完整顯示位：能夠顯示09的

34、數(shù)字。 非完整顯示位(俗稱半位)：只能顯示0和1（在最高位上）。 如4位DVM，具有4位完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為9999 。 而 位（4位半）DVM，具有4位完整顯示位，1位非完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為19999 。 量程 基本量程：無衰減或放大時的輸入電壓范圍，由A/D轉換器動態(tài)范圍確定。 通過對輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴展量程。142第54頁/共99頁3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標 如基本量程為10V的DVM，可擴展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五檔量程； 基本量程為2V或20V的DVM，可擴展出200mV、2V、20V、200V

35、、2000V等五檔量程。 分辨力 指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映DVM靈敏度。 用每個字對應的電壓值來表示，即V/字。 不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同，顯然，在最小量程上具有最高分辨力。 例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以測量的最大輸入電壓為199.9mV，其分辨力為0.1mV/字（即當輸入電壓變化0.1mV時，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個字” ）。第55頁/共99頁3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標 分辨力 分辨率：用百分數(shù)表示，與量程無關，比較直觀。如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力為0.1mV，則分辨率為：分辨率也可直接

36、從顯示位數(shù)得到（與量程無關），如3位半的DVM，可顯示出1999（共2000個字），則分辨率為 測量速度 每秒鐘完成的測量次數(shù)。它主要取決于A/D轉換器的轉換速度。 一般低速高精度的DVM測量速度在幾次/秒幾十次/秒。0.1mV100%0.05%200mV1100%0.05%2000第56頁/共99頁3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標 測量精度 取決于DVM的固有誤差和使用時的附加誤差（溫度等）。 固有誤差表達式：式中，Vx被測電壓的讀數(shù)；Vm該量程的滿度值（Full Scale, FS）； 誤差的相對項系數(shù)； 誤差的固定項系數(shù)。 固有誤差由兩部分構成：讀數(shù)誤差和滿度誤差

37、。 讀數(shù)誤差： 與當前讀數(shù)有關。主要包括DVM的刻度系數(shù)誤差和非線性誤差。 滿度誤差： 與當前讀數(shù)無關，只與選用的量程有關 示值（讀數(shù)）相對誤差為：( %)xmVVV ( %)mxxVVVV%xV%mV第57頁/共99頁3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標 測量精度 有時將 等效為“n字”的電壓量表示，即 如某臺3位半DVM，說明書給出基本量程為2V， =（0.01%讀數(shù)+1字）。則在2V量程上，1字=0.1mV，由 2V=0.1mV可知， =0.005%， 即表達式中“1字”的滿度誤差項與“0.005%”的表示是完全等價的： 當被測量（讀數(shù)值）很小時，滿度誤差起主要作用，

38、當被測量較大時，讀數(shù)誤差起主要作用。為減小滿度誤差的影響，應合理選擇量程，以使被測量大于滿量程的2/3以上%mV( %)xVVn 字V%mV%(0.01% 0.005% )mxVV第58頁/共99頁3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標 輸入阻抗 輸入阻抗取決于輸入電路（并與量程有關）。 輸入阻抗宜越大越好，否則將影響測量精度。 對于直流DVM，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般在10M1000M之間。 對于交流DVM，輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容表示，電容值一般在幾十幾百pF之間。第59頁/共99頁3 33 32 A/D2 A/D轉換原理 A/D轉換器分類 積分型：首先對輸入的模

39、擬電壓通過積分器變成時間或頻率等中間量，再把中間量轉換成數(shù)字量。 雙積分式、三斜積分式、脈沖調寬（PWM）式、電壓-頻率（V-F）變換式等。 比較型：采用對輸入模擬電壓與標準電壓進行比較的方法。 比較式（逐次逼近式、零平衡式）第60頁/共99頁1 1）逐次逼近比較式ADCADC 基本原理：用被測電壓和一個可變的已知電壓（基準電壓）進行比較，直至達到平衡，測出被測電壓。 所謂逐次逼近比較式，就是將基準電壓分成若干基準碼，未知電壓按指令從大到小與基淮電壓碼（通過DA轉換）像天平一樣比較，比較時大者棄，小者留，直至逼近被測電壓。將被測電壓和一可變的基準電壓進行逐次比較，最終逼近被測電壓。即采用一種“

40、對分搜索”的策略，逐步縮小Vx未知范圍的辦法。第61頁/共99頁1 1）逐次逼近比較式ADCADC 假設基準電壓為Vr=10V，為便于對分搜索，將其分成一系列（相差一半）的不同的標準值。Vr可分解為： 上式表示，若把Vr不斷細分（每次取上一次的一半）足夠小的量，便可無限逼近，當只取有限項時，則項數(shù)決定了其逼近的程度。如只取前4項，則其逼近的最大誤差為9.375V-10V =-0.625V。111112481625V+2.5V+1.25V+0.625V+=10VrrrrrrnVVVVVV52.51.250.6259.375rVVVVVV第62頁/共99頁1 1）逐次逼近比較式ADCADC 現(xiàn)假設

41、有一被測電壓Vx8.5V，若用上面表示Vr的4項5V、2.5V、1.25V、0.625V來“湊試”逼近Vx，逼近過程如下：Vx5V（首先，取5V項，由于5V8.5V，則保留該項，記為數(shù)字1） +2.5V（再取2.5V項，此時5V+2.5V=7.5V8.5V，則應去掉該項，記為數(shù)字0） 第63頁/共99頁1 1）逐次逼近比較式ADCADC 上述逼近結果與Vx的誤差為8.125V8.5V0.375V。 顯然，當Vx(7.8125V8.4375V)之間時，采用上面Vr的4個分項逼近的結果相同，均為8.125V， 其誤差為Vx(0.3125V0.3125V)，最大誤差限相當于Vr最后一個分項的一半，即

42、 V。 上述逐次逼近比較過程表示了該類A/D轉換器的基本工作原理。它類似天平稱重的過程，Vr的各分項相當于提供的有限“電子砝碼”，而Vx是被稱量的電壓量。逐步地添加或移去電子砝碼的過程完全類同于稱重中的加減法碼的過程，而稱重結果的精度取決于所用的最小砝碼。10.6252第64頁/共99頁1 1）逐次逼近比較式ADCADC比較流程：比較流程：第65頁/共99頁1 1）逐次逼近比較式ADCADC SAR的最后輸出即是A/D轉換結果，用數(shù)字量N表示。 最后的D/A轉換器輸出已最大限度逼近了Vx，且有式中， NA/D轉換結果的數(shù)字量，nA/D位數(shù)，Vr參考電壓，VxA/D輸入電壓上式還可寫成：Vx=e

43、N， e=Vr/2n稱為A/D轉換器的刻度系數(shù)，單位為“V/字”，表示了A/D轉換器的分辨力。2xrnNVV第66頁/共99頁1 1）逐次逼近比較式ADCADC 刻度系數(shù)也表示了A/D轉換結果的每個“字”（1LSB）代表的電壓量。它是逼近時可用的最小“電子砝碼”。 如上面Vx8.5V，Vr10V，當用Vr的4個分項逼近時（相當于4位A/D轉換器），A/D轉換的結果為N（1101）213，即 單片集成逐次比較式ADC。常見的產(chǎn)品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等。 241101)108.1252xVVV（第67頁/共99頁1 1）逐次逼近比較式ADCADC 權

44、電阻D/A變換原理圖第68頁/共99頁1 1）逐次逼近比較式ADCADC T型電路D/A變換原理圖 這種解碼電路電阻個數(shù)較多，但阻值僅為兩種，很適宜這種解碼電路電阻個數(shù)較多，但阻值僅為兩種，很適宜集成制造工藝。對于任何一個節(jié)點，左右兩側的等效電阻都集成制造工藝。對于任何一個節(jié)點，左右兩側的等效電阻都為為2R2R，因此，節(jié)點電位為：，因此，節(jié)點電位為：SiUU31第69頁/共99頁1 1）逐次逼近比較式ADCADC T型電路D/A變換原理圖 當該節(jié)點電位傳送到輸出端，要經(jīng)過多節(jié)電阻網(wǎng)絡衰減，當該節(jié)點電位傳送到輸出端，要經(jīng)過多節(jié)電阻網(wǎng)絡衰減，每節(jié)衰減數(shù)均為每節(jié)衰減數(shù)均為1/21/2，比如，比如“0

45、 0”節(jié)點電位傳送到輸出時，要節(jié)點電位傳送到輸出時，要經(jīng)過七節(jié)電阻網(wǎng)絡衰減，所以傳送到輸出端的電壓為經(jīng)過七節(jié)電阻網(wǎng)絡衰減，所以傳送到輸出端的電壓為 根據(jù)疊加原理，對于任意二進制數(shù)根據(jù)疊加原理，對于任意二進制數(shù) 輸出電壓輸出電壓為：為： 00min71123SUUU01234567aaaaaaaamin07002UaUiii）或（10iiaa第70頁/共99頁2 2）雙斜積分式ADCADC 基本原理： 通過兩次積分過程的比較，得到被測電壓值。對被測電壓的定時積分對參考電壓的定值積分 原理框圖包括積分器、0比較器、計數(shù)器及邏輯控制、閘門、電子開關等。第71頁/共99頁2 2）雙斜積分式）雙斜積分式

46、ADCADC 第72頁/共99頁主主門門計計數(shù)數(shù)器器邏邏輯輯控控制制電電路路數(shù)數(shù)字字輸輸出出時時鐘鐘S1S2CRVx-VrVr積積分分器器比比較較器器-+-+S S1 1 S S2 2Vot0t1復復零零t2t3VoVomT1T2N1N2t積積分分波波形形計計數(shù)數(shù)器器輸輸入入a.b.清清零零T0f0T011T0被測電壓Ux為正被測電壓Ux為負 xttxomURCTdtURCU121101322ttNomodtURCUu第73頁/共99頁2 2）雙斜積分式ADCADC 工作過程 準備 階段（t0-t1）。開關S4接通T0時間，積分電容C短接，使積分器輸出電壓Uo回到零（Vo=0）。 采樣階段 (

47、t1-t2)。接入被測電壓（設Ux為正），則積分器輸出Uo從零開始線性地負向增長，經(jīng)過規(guī)定的時間T1，Uo達到最大Uom，式中， 為Ux的平均值， 為積分波形的斜率(定值) 比較階段(t2-t3)。接入?yún)⒖茧妷?若Ux為正，則接入-UN)，積分器輸出uo從Uom開始線性地正向增長(與Ux的積分方向相反)直至零。1TRCxxttxomoURCTURCttdtURCUu12111211011TxxdtUTU第74頁/共99頁2 2）雙斜積分式ADCADC 此時，零比較器翻轉。經(jīng)歷的反向積分時間為T2，則有： 將Uom代入可得： 由于T1、T2是通過對同一時鐘信號（設周期T0）計數(shù)得到（設計數(shù)值分別

48、為N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是 式中， 為A/D轉換器的刻度系數(shù)（“V/字”）。 可見計數(shù)結果N2（數(shù)字量）即可表示被測電壓Ux，N2即為雙積分A/D轉換結果。NxUTTU12012322NttomNomoURCTUdtURCUu22112eNNNUUTTUNNx1NUeN第75頁/共99頁2 2）雙斜積分式ADCADC 雙斜積分式ADC特點： 基于V-T變換的比較測量原理。 一次測量包括3個連續(xù)過程，所需時間為T0+T1+T2，其中，T0、T1是固定的，T2則與被測電壓Vx有關，Ux愈大T2愈大。一般轉換時間在幾十ms幾百ms，（轉換速度為幾次/秒幾十次/秒），其速度

49、是較低的，常用于高精度慢速測量的場合。 積分器的R、C元件對A/D轉換結果不會產(chǎn)生影響，因而對元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高。 參考電壓UN的精度和穩(wěn)定性對A/D轉換結果有影響，一般需采用精密基準電壓源。 （例如，一個16bit的A/D轉換器，其分辨率1LSB=1/216 =1/655361510-6，那么，要求基準電壓源的穩(wěn)定性（主要為溫度漂移）優(yōu)于15ppm（即百萬分之15）。第76頁/共99頁2 2）雙斜積分式ADCADC 雙積分式ADC特點： 比較器要求具有較高的電壓分辨力（靈敏度）和時間分辨力（響應帶寬）。如一個6位數(shù)字電壓表的A/D轉換器，若滿度時積分器輸出電壓為10V，則ADC的

50、1LSB=10V/106=10uV，則要求比較器的靈敏度優(yōu)于10uV。響應帶寬則決定了比較器及時響應積分器輸出信號快速（斜率較陡峭）過零時的能力。 積分器響應的是輸入電壓的平均值，因而具有較好的抗干擾能力。如輸入電壓Ux=Ux+usm，則T1階段結束時積分器的輸出為 DVM的最大干擾來自于電網(wǎng)50Hz工頻電壓（周期為20ms），因此，只要選擇T1時間為20ms的整倍數(shù)，則干擾信號usm的平均值為零。smxttsmxomRCTURCTdtuURCUu11121第77頁/共99頁3 3）U-FU-F積分型ADCADC 基本原理: 將被測的模擬電壓轉換成與之成正比的脈沖頻率，然后用計數(shù)的方法測出此頻

51、率，從而測出被測的模擬電壓大小。 電壓反饋式Uf轉換電路由高增益放大器A,Uf轉換器和高精度fU轉換器組成一閉環(huán)系統(tǒng)。原理框圖原理框圖 UUo第78頁/共99頁3 3）U-FU-F積分型ADCADC 基本原理: 當被測電壓Ux經(jīng)A放大后，輸出電壓Uo,經(jīng)過U-f 變換后獲得頻率為f的序列脈沖，經(jīng)過f-U 電路轉換為Uf, 再與Ux進行比較，產(chǎn)生電壓差 ，當放大器的增益足夠大時， ，即UfUx 電路達到平衡。因為Uf與頻率f成正比，所以Ux與f成正比： 從而實現(xiàn)了電壓-頻率的轉換。 (具體電路請大家在課后學習) fxUUU0UfkUx第79頁/共99頁3 34 4 電流、電壓、阻抗變換技術及數(shù)字

52、多用表 341 電流、電壓、阻抗變換技術 AC/DC變換 在一般模擬電壓表中，我們介紹過用二極管濾波器構成簡單的ACDC轉換器，但這種ACDC轉換器的轉換特性是非線性的，這種非線性在模擬式電壓表中可以用非線性刻度來校正但是直流數(shù)字電壓表是線性化的測量儀器，它本身無法作這樣的校正，因此這種簡單的ACDC轉換器不適用交流電壓的測量。第80頁/共99頁341 電流、電壓、阻抗變換技術 AC/DC變換1 1、當輸入信號電壓、當輸入信號電壓為正極性，為正極性，U Ux x 00時，時，U U1 1 0; D 0; D1 1導通、導通、D D2 2截止，截止，輸出電壓輸出電壓U Uo o=0=0。2 2、

53、當輸入電壓為負、當輸入電壓為負極性，極性， Ux 0Ux 0, 0, D D1 1截止、截止、D D2 2導通，導通，U Uo o=U=U1 1=R=R2 2U Ux x/R/R1 1運放式精密半波檢波運放式精密半波檢波第81頁/共99頁341 電流、電壓、阻抗變換技術 AC/DC變換1 1、當輸入信號為正時當輸入信號為正時，即，即ui0, Aui0, A點為負，點為負，VD1VD1截止，截止，VD2VD2導通，由半導通，由半波檢波器的輸出波檢波器的輸出- -輸入關系可知，輸入關系可知，半波檢波器輸出電壓為半波檢波器輸出電壓為iouRRu121加法電路對加法電路對UxUx和和Uo1 Uo1 兩

54、個電壓進行兩個電壓進行求和運算求和運算 iioiuRRuRRRRuRRuRRu351245)4535(10如果取如果取 R1= R2= R3= R5= 2R4R1= R2= R3= R5= 2R4iiiouuuu2運放式精密全波檢波運放式精密全波檢波加法器 精密半波檢波Uo1R4R5R3R2R1UxA第82頁/共99頁341 電流、電壓、阻抗變換技術 AC/DC變換2 2、當輸入信號為負半周時當輸入信號為負半周時，ui0ui0，A A點為正，點為正，VD1VD1導通，導通，VD2VD2截止，跟前截止，跟前面講述的半波檢波器相同，面講述的半波檢波器相同，uo1uo1被箝被箝位到位到0 0伏。那么

55、加法電路的輸出為伏。那么加法電路的輸出為 ：iiuuRRu350綜上所述，精密全波檢波電路的輸綜上所述，精密全波檢波電路的輸出電壓為出電壓為： 0,0,iiiiouuuuu運放式精密全波檢波運放式精密全波檢波加法器 精密半波檢波Uo1R4R5R3R2R1UxA第83頁/共99頁341 電流、電壓、阻抗變換技術I/V變換 基于歐姆定律，將被測電流通過一個已知的取樣電阻，測量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測電流。為實現(xiàn)不同量程的電流測量，可以選擇不同的取樣電阻。假如變換后采用的電壓量程為200mV，則通過量程開關選擇取樣電阻分別為1k、100、10、1、0.1，便可測量200A、2mA、20mA、

56、200mA、2A的滿量程電流。Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A A第84頁/共99頁 Z/V變換 對于純電阻，可用一個恒流源流過被測電阻，測量被測電阻兩端的電壓，即可得到被測電阻阻值。 而對于電感、電容參數(shù)的測量，則需采用交流參考電壓，并將實部和虛部分離后分別測量得到。 電阻-電壓（R/V）變換原理圖。 3 34 41 1 電流、電壓、阻抗變換技術恒流源( (可調) )A A/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p取樣電阻弊端：弊端： 直接通過被測電阻采直接通過被測電

57、阻采樣，對大電阻測量不利。樣，對大電阻測量不利。實現(xiàn)R/V變換的簡單原理第85頁/共99頁3 34 41 1 電流、電壓、阻抗變換技術 改進型R/V變換電路 被測電阻作為反饋電阻，將恒流源輸出Ir流過一個已知的精密電阻，從而得到參考電壓Vr放大器輸出 ,于是 若將Vo作為A/D轉換器的輸入，并將Vr直接作為A/D轉換器的參考電壓，即可實現(xiàn)比例測量。1xorRVVR 1oxrVRRV 恒流源( (可調) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精密電阻VoVr通過運放實現(xiàn)比例測量R/V變換第86頁/共99頁 組成框圖3 34 42 2 數(shù)字多用表A AC C/ /D DC CI

58、 I/ /V VZ Z/ /V VD DV VM MC CP PU UD DC CA AC CI IZ Z第87頁/共99頁3 34 42 2 數(shù)字多用表數(shù)字多用表 數(shù)字多用表（數(shù)字多用表（DMMDMM）的主要特點）的主要特點 DVMDVM的的功能擴展功能擴展。DMMDMM可進行直流電壓、交流電壓、可進行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測量。電流、阻抗等測量。 測量分辨力和精度測量分辨力和精度有低、中、高三個檔級，位數(shù)有低、中、高三個檔級，位數(shù)3 3位半位半8 8位半。位半。 一般一般內置有微處理器內置有微處理器?？蓪崿F(xiàn)開機自檢、自動校準、。可實現(xiàn)開機自檢、自動校準、自動量程選擇，以及測量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均自動量程選擇，以及測量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均方根值）等自動測量功能。方根值）等自動測量功能。 一般具有一般具有外部通信接口外部通信接口，如，如RS-232RS-232、GPI