電子測(cè)量第四章匯編

1、電子測(cè)量第四章電壓的測(cè)量第四章電壓的測(cè)量4 4電壓的測(cè)量電壓的測(cè)量n電壓測(cè)量的意義電壓測(cè)量的意義n電壓信號(hào)波形是被測(cè)量信息的載體電壓信號(hào)波形是被測(cè)量信息的載體n電壓測(cè)量的優(yōu)勢(shì)電壓測(cè)量的優(yōu)勢(shì)n測(cè)量范圍寬、精度高、信號(hào)變換靈活測(cè)量范圍寬、精度高、信號(hào)變換靈活n電壓測(cè)量的不足電壓測(cè)量的不足n信號(hào)變換寄生參數(shù)影響大信號(hào)變換寄生參數(shù)影響大4.1直流電壓基準(zhǔn)直流電壓基準(zhǔn)n1 1、標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)電池 利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓 （1.01860V1.01860V）飽和型飽和型：電壓年穩(wěn)定性可小于：電壓年穩(wěn)定性可小于0.5V0.5V，相當(dāng)于，相當(dāng)于5 51010-7-7），溫度系數(shù)較大（

2、約），溫度系數(shù)較大（約40V/40V/）。）。用于計(jì)量部門恒溫條件下的電壓標(biāo)準(zhǔn)器。用于計(jì)量部門恒溫條件下的電壓標(biāo)準(zhǔn)器。不飽和型不飽和型特點(diǎn)：溫度系數(shù)很小（約特點(diǎn)：溫度系數(shù)很?。s4V/4V/），），但穩(wěn)定性較差。但穩(wěn)定性較差。n2 2、半導(dǎo)體電壓基準(zhǔn)、半導(dǎo)體電壓基準(zhǔn)n利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性制作的電壓利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性制作的電壓基準(zhǔn)基準(zhǔn)4.1直流電壓基準(zhǔn)直流電壓基準(zhǔn)4.1直流電壓基準(zhǔn)直流電壓基準(zhǔn)n3 3、量子電壓基準(zhǔn)、量子電壓基準(zhǔn)基于約瑟夫森（基于約瑟夫森（JosephsonJosephson）效應(yīng)的量子電壓基）效應(yīng)的量子電壓基準(zhǔn)準(zhǔn)n約瑟夫森量子隧道結(jié)約瑟夫森量子隧道結(jié)n將將2 2塊超導(dǎo)

3、體通過厚度約塊超導(dǎo)體通過厚度約1010埃的絕緣層隔開，構(gòu)成埃的絕緣層隔開，構(gòu)成的的超導(dǎo)體超導(dǎo)體- -絕緣體絕緣體- -超導(dǎo)體超導(dǎo)體（SISSIS）結(jié)構(gòu)稱為約瑟夫）結(jié)構(gòu)稱為約瑟夫森隧道結(jié)森隧道結(jié)4.1直流電壓基準(zhǔn)直流電壓基準(zhǔn)n約瑟夫森量子效應(yīng)約瑟夫森量子效應(yīng)n在約瑟夫森結(jié)兩邊加上電壓在約瑟夫森結(jié)兩邊加上電壓V V時(shí)，產(chǎn)生穿透絕緣時(shí)，產(chǎn)生穿透絕緣層的超導(dǎo)電流，這是一種交變電流，這種現(xiàn)象稱層的超導(dǎo)電流，這是一種交變電流，這種現(xiàn)象稱為交流約瑟夫森效應(yīng)。為交流約瑟夫森效應(yīng)。2JefVK Vh4.1直流電壓基準(zhǔn)直流電壓基準(zhǔn)n約瑟夫森量子逆效應(yīng)約瑟夫森量子逆效應(yīng)n將約瑟夫森結(jié)置于微波場(chǎng)中，約瑟夫森結(jié)上得到量

4、子化將約瑟夫森結(jié)置于微波場(chǎng)中，約瑟夫森結(jié)上得到量子化階梯電壓階梯電壓VnVn的現(xiàn)象，稱為約瑟夫森量子逆效應(yīng)的現(xiàn)象，稱為約瑟夫森量子逆效應(yīng)2JefVK Vh4.1直流電壓基準(zhǔn)直流電壓基準(zhǔn)n約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)n國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的建議：國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的建議： 從從19901990年年1 1月月1 1日日開始，在世界范圍內(nèi)同開始，在世界范圍內(nèi)同時(shí)時(shí)啟用了約瑟夫森電壓量子基準(zhǔn)啟用了約瑟夫森電壓量子基準(zhǔn)（JJAVSJJAVS，1010-10-10）。并給出）。并給出K KJ-90J-90=483597.9GHz/V=483597.9GHz/V。n約瑟夫森量子陣約瑟夫森量子陣約瑟夫森結(jié)產(chǎn)

5、生的量子電壓較低（約瑟夫森結(jié)產(chǎn)生的量子電壓較低（mvmv級(jí)）。級(jí)）。將成千上萬(wàn)個(gè)或更多的約瑟夫森結(jié)串聯(lián)將成千上萬(wàn)個(gè)或更多的約瑟夫森結(jié)串聯(lián) 得到約瑟夫森得到約瑟夫森結(jié)陣（結(jié)陣（JJAJJA），可產(chǎn)生），可產(chǎn)生1V1V至至10V10V的電壓的電壓 。n我國(guó)的約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)我國(guó)的約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)n中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)(NIM)量子部建立量子部建立n19931993年底，年底，1V1V約瑟夫森結(jié)陣電壓基準(zhǔn)，測(cè)量不約瑟夫森結(jié)陣電壓基準(zhǔn)，測(cè)量不確定度達(dá)到確定度達(dá)到6 61010-9-9n19991999年底，年底，10V10V約瑟夫森結(jié)陣電壓基準(zhǔn)，合成約瑟夫森結(jié)陣電壓基

6、準(zhǔn)，合成不確定度為不確定度為5.45.41010-9-94.1直流電壓基準(zhǔn)直流電壓基準(zhǔn)n交流電壓基準(zhǔn)建立的問題交流電壓基準(zhǔn)建立的問題n交流電壓有效值（交流電壓有效值（RMSRMS）4.2交流電壓基準(zhǔn)交流電壓基準(zhǔn)4.3交流電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量n雙測(cè)熱電橋雙測(cè)熱電橋高高頻頻電電壓壓V0V1RFDCDCRFR RGR RR RR RT TR RT TC CC CVRF2201222222RFTTTVVVRRR22014RFVVV準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度：直流電壓標(biāo)準(zhǔn)：直流電壓標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度為準(zhǔn)確度為1010-5 -5，則得到，則得到的高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度的高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度可達(dá)可達(dá)1010-3 -3 。4.3交流

7、電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量n雙測(cè)熱電橋雙測(cè)熱電橋-自動(dòng)平衡自動(dòng)平衡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(cè)測(cè)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(dǎo)導(dǎo)線線差差分分放放大大器器4.3交流電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量n交流電壓的基本參量交流電壓的基本參量n峰值、平均值、有效值、波峰因數(shù)和波形峰值、平均值、有效值、波峰因數(shù)和波形因數(shù)因數(shù)n峰值峰值t tu(t)Vp0UmTUn平均值平均值n數(shù)學(xué)定義數(shù)學(xué)定義01( )TUu t dtTn交流測(cè)量中的平均值交流測(cè)量中的平均值01( )TUu

8、 t dtTn平均值與峰值的關(guān)系平均值與峰值的關(guān)系20.637ppUVV4.3交流電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量n交流電壓有效值交流電壓有效值n數(shù)學(xué)上有效值即為數(shù)學(xué)上有效值即為均方根均方根。有效值反映了交。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。流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。4.3交流電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量n有效值與峰值的關(guān)系有效值與峰值的關(guān)系10.7072ppVVVn峰值、平均值和有效值的關(guān)系峰值、平均值和有效值的關(guān)系n波峰因數(shù)：峰值與有效值之值波峰因數(shù)：峰值與有效值之值ppVKV峰值有效值21.41/2pppVKVn波形因數(shù)：有效值與平均值之值波形因數(shù)：有效值與平均值之

9、值FVKV有效值平均值(1/2)1.112/2 2pFpVKV（）4.3交流電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量4.3交流電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量n利用峰值、平均值測(cè)量有效值的問題利用峰值、平均值測(cè)量有效值的問題 正弦波：正弦波： K Kp p= =1.411.41 K KF F= =1.111.11 方方 波：波： K Kp p= =1 1 K KF F= =1 1 三角波：三角波： K Kp p= =1.731.73 K KF F= =1.151.15 鋸齒波：鋸齒波： K Kp p= =1.731.73 K KF F= =1.151.15 白噪聲：白噪聲： K Kp p= =3 3 K KF F=

10、=1.251.25n真有效值電路真有效值電路4.3交流電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量2( )ut0TAu(t)Vrmsn交流電壓的數(shù)字測(cè)量技術(shù)交流電壓的數(shù)字測(cè)量技術(shù)4.3交流電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量211( )NkVukNn數(shù)字電壓表組成數(shù)字電壓表組成nDigital Voltage Meter-DVMDigital Voltage Meter-DVM4.3直流電壓的數(shù)字測(cè)量直流電壓的數(shù)字測(cè)量輸輸入入電電路路A A/ /D D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(shí)時(shí)鐘鐘發(fā)發(fā)生生器器模模擬擬部部分分?jǐn)?shù)數(shù)字字部部分分Vxn逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器4.3直流電壓的數(shù)

11、字測(cè)量直流電壓的數(shù)字測(cè)量逐逐次次逼逼近近移移位位寄寄存存器器( (S SA AR R) )D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器Vx+-比比較較器器C CL LK KSTARTA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換結(jié)結(jié)果果2-12-nMSBLSBVrN N4.3直流電壓的數(shù)字測(cè)量直流電壓的數(shù)字測(cè)量n單斜單斜式式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器斜斜波波電電壓壓發(fā)發(fā)生生器器QQSETCLRSR&000時(shí)時(shí)鐘鐘計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器主主門門VrVx+-+-門門控控信信號(hào)號(hào)輸輸入入比比較較器器接接地地比比較較器器a計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)輸輸入入4.3直流電壓的數(shù)字測(cè)量直流電壓的數(shù)字測(cè)量n單斜單斜式式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器0VxVx、V Vr r門門控控信信號(hào)號(hào)計(jì)計(jì)數(shù)

12、數(shù)輸輸入入NV Vr rt1bT0TrVkRC0 xVkTkT N0rxVVT NRCxVNn雙積分式雙積分式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器n兩次積分過程兩次積分過程( (“對(duì)被測(cè)電壓的定時(shí)積分和對(duì)參考電壓對(duì)被測(cè)電壓的定時(shí)積分和對(duì)參考電壓的定值積分的定值積分”) )的比較，得到被測(cè)電壓值的比較，得到被測(cè)電壓值4.3直流電壓的數(shù)字測(cè)量直流電壓的數(shù)字測(cè)量n雙積分式雙積分式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器4.3直流電壓的數(shù)字測(cè)量直流電壓的數(shù)字測(cè)量n對(duì)對(duì)被測(cè)電壓定時(shí)積分被測(cè)電壓定時(shí)積分4.3直流電壓的數(shù)字測(cè)量直流電壓的數(shù)字測(cè)量2111tomxxtTVV dtVRCRC n對(duì)基準(zhǔn)電壓定值積分對(duì)基準(zhǔn)電壓定值積分3221

13、0()tomromrtTVV dtVVRCRC4.3直流電壓的數(shù)字測(cè)量直流電壓的數(shù)字測(cè)量21xrTVVTnT T1 1=N=N1 1T;TT;T2 2=N=N2 2T,TT,T為時(shí)鐘為時(shí)鐘221xrNVVeNN4.3直流電壓的數(shù)字測(cè)量直流電壓的數(shù)字測(cè)量主主門門高高位位計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器A A邏邏輯輯控控制制電電路路數(shù)數(shù)字字輸輸出出時(shí)時(shí)鐘鐘S1S2CRVx-Vr積積分分器器比比較較器器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1復(fù)復(fù)零零t2t31VoVomT1T2N1N2t積積分分波波形形計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器輸輸入入a.b.清清零零低低位位計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器B B主主門門清清零零-+ABR1R2R3t32T3N3V

14、tVr/10nVtN N2 2N3f0T0T0T04 4. .4 4數(shù)字多用表數(shù)字多用表A AC C/ /D DC CI I/ /V VZ Z/ /V VD DV VM MC CP PU UD DC CA AC CI IZ Zn1 1、電流測(cè)量電流測(cè)量4 4. .4 4電壓測(cè)量中的變換技術(shù)電壓測(cè)量中的變換技術(shù)Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A An2 2、電阻測(cè)量電阻測(cè)量4 4. .4 4電壓測(cè)量中的變換技術(shù)電壓測(cè)量中的變換技術(shù)恒恒流流源源( (可可調(diào)調(diào)) )A A/ /D DR

15、 Rx xIr-+A Am mp p恒恒流流源源( (可可調(diào)調(diào)) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精精密密電電阻阻VoVr取取樣樣電電阻阻n數(shù)字多用表誤差數(shù)字多用表誤差n固有誤差和附加誤差固有誤差和附加誤差4 4. .5 5數(shù)字多用表誤差數(shù)字多用表誤差n1 1、附加誤差附加誤差n由輸入阻抗、輸入零電流及溫度漂移等引起由輸入阻抗、輸入零電流及溫度漂移等引起4 4. .5 5數(shù)字多用表誤差數(shù)字多用表誤差HLI0DVMRsVxRin2 2、固有固有誤差誤差n積分器誤差；比較器誤差；模擬開關(guān)誤差；基積分器誤差；比較器誤差；模擬開關(guān)誤差；基準(zhǔn)電壓源誤差；準(zhǔn)電壓源誤差；4 4. .5 5數(shù)字多用表誤差數(shù)字多用表誤差UosIB-+RC積積分分器器ViVoUosVot