電子測量 第6章 電壓測量(第三版)課件

1、第六章第六章 電壓測量電壓測量6.1 電壓測量的重要性及電壓表的分類6.2 電壓測量中的模-數(shù)（A/D）變換6.3 交流電壓的測量6.4 以電壓測量為基礎(chǔ)的其他測量( %)xmVVV ( %)mxxVVVV %xV%mV%mV( %)xVVn 字VxmxmxmxxVVVVVVVVV%005. 0%01. 0200001%01. 0/ )200001%01. 0(142字字）總字?jǐn)?shù)（最大顯示值最小量程滿度電壓值分辨力/1 . 0) 11999(2001mVmV215字字）總字?jǐn)?shù)（最大顯示值最小量程電壓值分辨力/1) 1199999(2 . 01VV位位位位位218 ,217 ,216 ,215

2、;434 ,214 ;433 ,323 ,213干干擾擾信信號號un被被測測電電壓壓VxHLDVM被被測測電電壓壓VxHLDVM干干擾擾信信號號ucm)(lg20dBVVSMRRsm)/sin(/lg20TsmTTsmTSMRR5 50 06 60 01 10 00 02 20 00 05 50 00 00 02 20 04 40 0N NM MR R( (d dB B) )f fn n= =1 1/ /T Tn n( (H Hz z) )T T1 1= =1 10 0m ms sT T1 1= =1 10 00 0m ms s2 20 0d dB B/ /1 10 0倍倍頻頻程程smcmVV

3、dBCMRlg20)(22lg20)(lRZdBCMR22lsmRIV2222/ZVZRVIcmlcmpF1000/109dBCMRDC120100010lg20)(961221031010005021211fCCjZdBCMRAC701000103lg20)(6 電壓測量儀器的分類電壓測量儀器的分類1. 模擬式電壓表模擬式電壓表指針式電壓表：用磁電式電流表作為指示器指針式電壓表：用磁電式電流表作為指示器模擬示波器：模擬示波器： 刻度比較刻度比較 2. 數(shù)字式電壓表數(shù)字式電壓表經(jīng)經(jīng)A/D將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 各有千秋各有千秋 模擬表模擬表-駕駛臺儀表多，一目了然；高

4、頻電壓表駕駛臺儀表多，一目了然；高頻電壓表 數(shù)字表數(shù)字表-精度高，輸入阻抗高，便于與計算機聯(lián)接精度高，輸入阻抗高，便于與計算機聯(lián)接211( )NkVukN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時鐘鐘發(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Vx美國美國FLUKE公司的公司的DMM以余數(shù)循環(huán)比較式以余數(shù)循環(huán)比較式A/D著稱，該公司著稱，該公司的的8520A型型DMM在進(jìn)行直流電壓測量時，最高分辨力達(dá)在進(jìn)行直流電壓測量時，最高分辨力達(dá)1V，讀數(shù)速率為讀數(shù)速率為500次次/秒。秒。 (2)轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快 完成一次完成一次22bit轉(zhuǎn)換約需

5、轉(zhuǎn)換約需1.6ms時間。時間。 (1)分辨力高分辨力高 目前余數(shù)循環(huán)比較式目前余數(shù)循環(huán)比較式A/D的分辨力可達(dá)到的分辨力可達(dá)到 10-610-7量級。量級。 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 KS T A R TA /D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換結(jié)結(jié)果果2-12-nM S BL S BVrN N逐次逼近比較式逐次逼近比較式A/DA/D工作原理工作原理8 8盤盤1 1未知重量未知重量WWx x盤盤2 2指示標(biāo)尺指示標(biāo)尺2 2 1 14 4砝碼砝碼refnxVNV2VVVVVVVVVrefrefrefr

6、efr625. 025. 15 . 25161814121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(fù)復(fù)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 xttxomVRCTdtVRCV1211xomVVT232210()tomromrtTVV dtVVRCRC21xrTVVTrxVNNV1221111()tsmomxsmxtTTVVvdtVvRCRCRC 雙斜積分式雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點和缺點轉(zhuǎn)換器的優(yōu)

7、點和缺點1)抗串模干擾能力強抗串模干擾能力強輸輸入入電電壓壓積積分分器器輸輸出出輸輸入入電電壓壓積積分分器器輸輸出出工頻干擾工頻干擾U Ui i0 0T T1 1T T2 2T T1 1T T2 20 00 00 0t tt tt tt t尖峰干擾尖峰干擾U Ui i有干擾有干擾無干擾無干擾D VD VMMU Ui iU Un n(a)(a)(b)(b)(c)(c)圖圖5.28 5.28 雙斜式電壓數(shù)字轉(zhuǎn)換器雙斜式電壓數(shù)字轉(zhuǎn)換器所謂串模干擾是指與被測信號相串聯(lián)地加到所謂串模干擾是指與被測信號相串聯(lián)地加到DVM輸入端的輸入端的干擾信號，如果取干擾信號，如果取 T1= nT =n20mS n=1,

8、2,3,。 對脈沖性質(zhì)的干擾信號，雙斜積分式對脈沖性質(zhì)的干擾信號，雙斜積分式A/D也有一定的平均作用。也有一定的平均作用。 2)對積分元件及時鐘信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度要求大為降低對積分元件及時鐘信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度要求大為降低 因為，在采樣和比較測量兩個階段內(nèi)使用的是同一積分器和時因為，在采樣和比較測量兩個階段內(nèi)使用的是同一積分器和時鐘信號，其影響可以相互抵消。對它們只要求有足夠的短期穩(wěn)鐘信號，其影響可以相互抵消。對它們只要求有足夠的短期穩(wěn)定性即可。定性即可。 3)測量靈敏度較高測量靈敏度較高 雙積分式雙積分式DVM有效地解決干擾問題，只要適當(dāng)選擇有效地解決干擾問題，只要適當(dāng)選擇R、C、T1，積

9、分放大器可以得到很高的增益積分放大器可以得到很高的增益(AT1RC)，可測，可測mV級電壓。級電壓。4)測量速度慢是其主要缺點測量速度慢是其主要缺點為了抑制電源為了抑制電源50Hz工頻干擾，一般工頻干擾，一般T1取取20l00 ms，再加上，再加上T2等時間，故測量速率一般只有等時間，故測量速率一般只有5 30次次s左右。左右。 主主門門高高位位計計數(shù)數(shù)器器A A邏邏輯輯控控制制電電路路數(shù)數(shù)字字輸輸出出時時鐘鐘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計數(shù)數(shù)器器輸輸入入a.b.清清零

10、零低低位位計計數(shù)數(shù)器器B B主主門門清清零零-+ABR1R2R3t32T3N3VtVr/10nVtN N2 2N3f0T0T0T00111321dtkRVCdtRVCdtRVCTrTrTx)(321kTTRCVVRCTrx132kTTkTVx132kNNkNVx得到由于T1，T2，T3都采用同一時鐘，因此有：01( )TUu t dtT01( )TUu t dtTI0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I0峰峰值值檢檢波波器器步步進(jìn)進(jìn)分分壓壓器器直直流流放放大大器器uA步步進(jìn)進(jìn)分分壓壓器器斬斬波波穩(wěn)穩(wěn)零零式式放放大大器器uA(a)峰峰值值檢檢波波器器( (探探頭頭內(nèi)內(nèi)) )(b)DVp

11、CRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc2VTR20( )Tu tdtR201( )TVu t dtT2( )ut0TAu(t)VrmsniitvNV12)(1冷冷端端T T0 0熱熱端端T T2IVR 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(dǎo)導(dǎo)線線I IVI 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(dǎo)導(dǎo)線線差差分分放放大大器器)(22212VVkkVI

12、x221232221212fxKVVVVVVFVKV有效值平均值V平平均均值值檢檢波波表表頭頭( (讀讀數(shù)數(shù)= =) )u(t)11. 1/avavVavV被測FrmsKV0.90.9FK（任意波）均值V（任意波）有效值V0.910.91.1110.90.9FFFFFKKKKKFK方波1 0.9100%11%0.9avavavV9 . 011. 1/V9 . 09 . 01Vav方波FrmsKV峰峰值值檢檢波波表表頭頭( (讀讀數(shù)數(shù)= =) )Vpu(t)VVKppPpV414. 1被測被測PK/PrmsVVP2,pppppppppVVK VKVkkKKKKK任意任意任意任意任意任意任意21.

13、4121.41ppKKp（任意波）峰值V（任意波）有效值V221222ppppKKKK1 1.4100%29%1.4 輸輸入入電電路路中中頻頻放放大大器器均均值值檢檢波波器器dB混混頻頻器器2 2fZ2(固固定定)f2(固固定定)帶帶通通濾濾波波器器窄窄帶帶濾濾波波器器混混頻頻器器1 1f1(可可調(diào)調(diào))fZ1(固固定定)fx(第第一一本本振振)(第第二二本本振振)6.4.2 電平電平(分貝分貝)的測量的測量 在通信系統(tǒng)傳輸中，關(guān)心傳輸過程中各部位在通信系統(tǒng)傳輸中，關(guān)心傳輸過程中各部位幅度的相對變化幅度的相對變化情況。這里幅度統(tǒng)稱作情況。這里幅度統(tǒng)稱作“電平電平”，它可以是功率、電壓或電流，它可

14、以是功率、電壓或電流，但大多是指電壓電平。但大多是指電壓電平。6.3.1.分貝的概念分貝的概念分貝值是被測量與同類的某一基準(zhǔn)量比值的對數(shù)。常用的被分貝值是被測量與同類的某一基準(zhǔn)量比值的對數(shù)。常用的被測量是功率和電壓。對于功率比測量是功率和電壓。對于功率比 0lgPPx這是個無量綱的比值，叫做這是個無量綱的比值，叫做1貝爾貝爾(Bel)。在實際應(yīng)用中，貝。在實際應(yīng)用中，貝爾太大，常用分貝，寫作爾太大，常用分貝，寫作dB(deci Bel)來度量，即來度量，即1貝爾等于貝爾等于10dB，所以，以，所以，以dB表示的功率比為表示的功率比為 0lg10PPx當(dāng)當(dāng)PxP0時時dB值為正，而值為正，而Px

15、P0時時dB值為負(fù)，值為負(fù)，Px=P0時為時為0dB。 由由P=UI=U2/R關(guān)系式可得電壓比的對數(shù)關(guān)系式可得電壓比的對數(shù)02020lg20/lg10lg10UURURUPPxxx實際應(yīng)用中，設(shè)功率基準(zhǔn)量實際應(yīng)用中，設(shè)功率基準(zhǔn)量P0=1mW，稱絕對功率電平，稱絕對功率電平 此時，若負(fù)載電阻為通信中的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載此時，若負(fù)載電阻為通信中的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載R=600，則基準(zhǔn)電壓，則基準(zhǔn)電壓 VRPU775. 000，則絕對電壓電平，則絕對電壓電平 1mW1mW600600U UI IP P0 0 絕對功率電平示意圖絕對功率電平示意圖）（）（）絕對功率電平（W1WPlg10dBmxmm)(775. 0)(lg2

16、0VVVdBux）絕對電壓電平（)( 1)(lg20VVVdBVx）絕對電壓電平（103.162120lg1010dB 6.4.2.分貝的測量分貝的測量實質(zhì)上，分貝測量就是交流電壓的測量，只是表盤以實質(zhì)上，分貝測量就是交流電壓的測量，只是表盤以dB分度。分度。 0.775V0.549VU UX X步進(jìn)衰減器（dB）+10、20、30例：例： Ux=+10dB-2dB=8dB0 10lgWmViZP dBP dBZ當(dāng)被測點負(fù)載（電平表的輸入電阻）為當(dāng)被測點負(fù)載（電平表的輸入電阻）為600時，電壓時，電壓電平等于功率電平電平等于功率電平Pu=PW=P。若非為標(biāo)準(zhǔn)電阻若非為標(biāo)準(zhǔn)電阻600時，要時，要

17、加修正項：加修正項： ZPZUZUPuxxw600lg10600lg10775. 0lg20600775. 0lg1022（6-30） 功率電平與電壓電平的換算功率電平與電壓電平的換算010lgiZZ2022-1-211036.4.5 矢量電壓表E EU UE EV V長度：飽和度長度：飽和度角度：色調(diào)角度：色調(diào)2022-1-211046.4.5 矢量電壓表 矢量電壓表能同時測量信號的幅度和相位 1）高頻寬帶微伏級的電壓的測量； 2）相位差的測量。1.取樣、鎖相技術(shù)在寬頻電壓測量中的應(yīng)用 非實時取樣分為：步進(jìn)取樣（取樣示波器）和差頻取樣 差頻取樣是從頻域角度來看的，兩個信號存在頻差：fs:信號

18、頻率。fq:取樣頻率。n:每隔n個信號周期取一個樣點。qsnfff2022-1-21105差頻取樣差頻取樣 圖7-2 正比于正比于 ，為使，為使 滿足時域取樣定理，滿足時域取樣定理， 必須很小必須很小。fnfffffnfnTTtqssqsqsq)(11tf率為信號頻譜中的最高頻mmfft,21tf2022-1-21106矢量電壓表中的頻率變換矢量電壓表中的頻率變換 圖7-3 第第1路被測信號電壓波形路被測信號電壓波形Vs1通過取樣門被保持，通過取樣門被保持，差頻取樣的結(jié)果，將被測信號的高頻差頻取樣的結(jié)果，將被測信號的高頻fs轉(zhuǎn)化為差轉(zhuǎn)化為差頻信號頻信號 ，然后進(jìn)行測量。，然后進(jìn)行測量。qsnf

19、ff2022-1-21107差頻取樣 當(dāng)信號頻率改變時，為了保持中頻 （即差頻，通常為20kHz)不變，fq必須自動跟蹤fs的變化。利用鎖相技術(shù)可以做到。即 加到自動相位控制電路并與20kHz的參考信號進(jìn)行比較，如果 20KHz，則自動控制電路輸出的控制電壓Vd增大，使得壓控振蕩器輸出fq增大，從而使 保持不變。 保存了Vs的幅度和相位信息。l 第2路輸入信號同樣經(jīng)取樣、保持和窄帶濾波變?yōu)橹蓄l信號。這樣兩個中頻信號的之間的相位差就等于Vl1和Vl2之間的相位差。fffqsnffff2022-1-211082.相位的測量方法 采用脈沖觸發(fā)式。若兩個信號同相，經(jīng)過+60和-120 移相后，形成方波

20、，然后通過微分形成負(fù)的觸發(fā)脈沖，兩路脈沖信號控制恒流源開關(guān)S.通過Ir的大小可以判斷相位差的大小和方向。2022-1-21109相位差的測量相位差的測量高高頻頻電電壓壓V0V1RFDCDCRFR RGR RR RR RT TR RT TC CC CVRF2201222222RFTTTVVVRRR22014RFVVVRC1Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A A12,xlxlRRRR34,linlinRRRRR Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2R Rx xIrIrVxDMMRl

21、1Rl2Rl3Rl4恒恒流流源源( (可可調(diào)調(diào)) )A A/ /D DR 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1xorRVVR 1oxrVRRV tVvrrcos)cos(tVvxxcos21)2cos(21)cos(cosxrxrxrxrVVtVVttVVvv坐標(biāo)方向電壓坐標(biāo)方向電壓被測電壓被測電壓將兩者相乘：將兩者相乘：用低通濾波器濾除交流分量，留下直流分量，與被測電壓在坐標(biāo)電壓方向投影成正比。用低通濾波器濾除交流分量，留下直流分量，與被測電壓在坐標(biāo)電壓方向投影成正

22、比。2022-1-21122智能化智能化LCR測量儀測量儀 國內(nèi)外主要儀器廠家還生產(chǎn)了內(nèi)含微處理器的各種國內(nèi)外主要儀器廠家還生產(chǎn)了內(nèi)含微處理器的各種LCR參數(shù)參數(shù)測量儀。這種專用的測量儀。這種專用的LCR測量儀具有測量儀具有多功能、多參量、多頻多功能、多參量、多頻率、高速度、高精度、大屏幕、菜單方式顯示等優(yōu)點率、高速度、高精度、大屏幕、菜單方式顯示等優(yōu)點，不過，不過價格較昂貴價格較昂貴。 帶微處理器的智能化帶微處理器的智能化LCR測量儀都是根據(jù)測量儀都是根據(jù)歐姆定律歐姆定律，采用，采用矢矢量電壓量電壓-電流法電流法。即將阻抗看成正弦交流電壓與電流的復(fù)數(shù)比。即將阻抗看成正弦交流電壓與電流的復(fù)數(shù)比

23、值，即值，即 jXRIUZ（7.40） 思路思路：矢量電壓電流比矢量電壓電流比兩矢量電壓比兩矢量電壓比兩標(biāo)量電壓比兩標(biāo)量電壓比2022-1-21123ssxxZUUZ（7.41） 這樣，這樣，對阻抗對阻抗 xZ的測量變成了兩個矢量電壓比的測量的測量變成了兩個矢量電壓比的測量。 完成兩個矢量電壓的測量方法通常是用一臺電壓表通過開關(guān)完成兩個矢量電壓的測量方法通常是用一臺電壓表通過開關(guān)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換分時測量分時測量US和和UX。 基本原理：基本原理：但是實現(xiàn)對但是實現(xiàn)對矢量電壓矢量電壓-電流電流的測量比較困難的測量比較困難，這里，這里是將一個是將一個標(biāo)準(zhǔn)阻抗標(biāo)準(zhǔn)阻抗 sZ與被測阻抗與被測阻抗 xZ串聯(lián)串聯(lián)

24、，如圖，如圖7.27所示，則所示，則可得到可得到 圖圖7.277.27引入標(biāo)準(zhǔn)阻抗測試原理引入標(biāo)準(zhǔn)阻抗測試原理U Ux xU Us su ux x2022-1-21124實現(xiàn)兩個實現(xiàn)兩個矢量除法運算矢量除法運算有有固定軸法固定軸法和自由軸法和自由軸法，將矢量除法將矢量除法轉(zhuǎn)換成標(biāo)量除法轉(zhuǎn)換成標(biāo)量除法。早期產(chǎn)品中采用的固定軸法如圖。早期產(chǎn)品中采用的固定軸法如圖6-27（a）所示，因所示，因難以保證兩個矢量相位嚴(yán)格保持一致難以保證兩個矢量相位嚴(yán)格保持一致，使硬件電路，使硬件電路相當(dāng)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，可靠性低?，F(xiàn)代產(chǎn)品中大多采用了自相當(dāng)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，可靠性低?，F(xiàn)代產(chǎn)品中大多采用了自由軸法，如圖由軸法

25、，如圖6-27（b）所示。）所示。自由軸法不是把復(fù)數(shù)阻抗坐標(biāo)自由軸法不是把復(fù)數(shù)阻抗坐標(biāo)固定在某一指定的矢量電壓的方向上固定在某一指定的矢量電壓的方向上，坐標(biāo)軸的選擇可以是，坐標(biāo)軸的選擇可以是任意的，參考電壓可以不與任何一個被測電壓的方向相同，任意的，參考電壓可以不與任何一個被測電壓的方向相同，但應(yīng)與被測電壓之一保持固定的相位關(guān)系，如相差但應(yīng)與被測電壓之一保持固定的相位關(guān)系，如相差，且在，且在整個測量過程中保持不變。由下圖可得整個測量過程中保持不變。由下圖可得 tVvrrsintRLVjtRrVVxrxrosinsin11)(11同相分量 rRVVxr)(12正交分量xrLRVV2022-1-2

26、1128自由軸法不是把復(fù)數(shù)阻抗坐標(biāo)固定在某一指定的矢量電壓的方自由軸法不是把復(fù)數(shù)阻抗坐標(biāo)固定在某一指定的矢量電壓的方向上向上，坐標(biāo)軸的選擇可以是任意的，參考電壓可以不與任何一，坐標(biāo)軸的選擇可以是任意的，參考電壓可以不與任何一個被測電壓的方向相同，但應(yīng)與被測電壓之一保持固定的相位個被測電壓的方向相同，但應(yīng)與被測電壓之一保持固定的相位關(guān)系，如相差關(guān)系，如相差，且在整個測量過程中保持不變。由下圖可得，且在整個測量過程中保持不變。由下圖可得 2022-1-21129自由軸法自由軸法的測量原理方框圖如圖所示，圖中相敏檢波器的測量原理方框圖如圖所示，圖中相敏檢波器的參考電壓是受微處理器控制的自由軸坐標(biāo)發(fā)生

27、器提供，它的參考電壓是受微處理器控制的自由軸坐標(biāo)發(fā)生器提供，它是任意方向的精確的正交基準(zhǔn)信號。是任意方向的精確的正交基準(zhǔn)信號。相敏檢波器通過開關(guān)選相敏檢波器通過開關(guān)選xUsU擇擇和和 ，便可得到它們的投影分量便可得到它們的投影分量，然后由，然后由A/D轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)接口電路送到微處理器系統(tǒng)中存儲，最后，數(shù)字量，經(jīng)接口電路送到微處理器系統(tǒng)中存儲，最后，CPU對其進(jìn)行計算得到待測數(shù)。對其進(jìn)行計算得到待測數(shù)。 自由軸法原理方框圖自由軸法原理方框圖前端前端電路電路A/DA/D前端前端電路電路相敏檢波器相敏檢波器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 P P交流電壓交流電壓 xUsU和和 的測量包括幅度和相位，方法是采用相敏的測量包括幅度和相位，方法是采用相敏檢波器對每個電壓進(jìn)行兩次測量。檢波器對每個電壓進(jìn)行兩次測量。在兩次測量中，相敏檢波在兩次測量中，相敏檢波器參考電壓是正交的，應(yīng)有精確的器參考電壓是正交的，應(yīng)有精確的90的相位差關(guān)系。的相位差關(guān)系。而對而對于于參考電壓與