電子測量與儀器課件 第三章 電壓測量與電壓表1

1、第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 13.1 概述概述3.2 直流電流、直流電壓的測量直流電流、直流電壓的測量3.3 模擬式交流電壓表模擬式交流電壓表3.4 數(shù)字電壓表數(shù)字電壓表本章要點(diǎn)：本章要點(diǎn)：交流電壓的表征，交流電壓的表征， 模擬式交流電壓表的結(jié)構(gòu)、檢波器、模擬式交流電壓表的結(jié)構(gòu)、檢波器、 正弦波有效值定度及電壓測量，正弦波有效值定度及電壓測量， 數(shù)字電壓表的組成、性能指標(biāo)及數(shù)字電壓表的組成、性能指標(biāo)及A/DA/D變換器。變換器。第第3 3章章 電壓測量與電壓表電壓測量與電壓表第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 23.1.1 電壓測量的基本要求電壓測量的基本要求1. 頻率范圍寬頻

2、率范圍寬2. 量程寬量程寬3. 輸入阻抗高輸入阻抗高4. 抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)5. 測量精確度高測量精確度高 電壓表精確度表示方法如下：（1）滿度值的百分?jǐn)?shù)滿度值的百分?jǐn)?shù)%Um 線性刻度的模擬式電壓表 （2）讀數(shù)值的百分?jǐn)?shù)讀數(shù)值的百分?jǐn)?shù)%Ux 對數(shù)刻度的電壓表 （3）(%Ux+%Um) 數(shù)字電壓表6.被測電壓波形種類多被測電壓波形種類多第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 33.1.2 交流電壓的表征交流電壓的表征交流電壓的表征量包括平均值交流電壓的表征量包括平均值 、峰值、峰值 、有效值、有效值U以及以及波形因數(shù)波形因數(shù)KF、波峰因數(shù)、波峰因數(shù)KP。1.平均值平均值平均值簡稱為均值，是

3、指波形中的直流成分交流電壓的平均值2. 峰值峰值UP指交流電壓在一個(gè)周期內(nèi)（或一段時(shí)間內(nèi)）以零電平為參考基準(zhǔn)的最大瞬時(shí)值，記為 （或UP）UU第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 4u(t) t0a） UP-P tu(t)0b）UP-PUm圖3.1 交流電壓的峰值、振幅值 3. 有效值有效值U 交流電壓的大小通常是指它的有效值U，有效值又稱為均方根值，是根據(jù)它的物理定義來確定的。數(shù)學(xué)計(jì)算式為：TdttuTU02)(1UUUUU第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 5 4. 波形因數(shù)波形因數(shù)KF交流電壓的波形因數(shù)KF定義為交流電壓的有效值U與平均值 之比，即5. 波峰因數(shù)波峰因數(shù)KP交流電壓

4、的波峰因數(shù)KP定義為交流電壓的峰值 與有效值U之比，即UUKFUUUKP不同波形的波形因數(shù)和波峰因數(shù)具有不同的定值，如表3-1所示。圖3.2所示為表3-1所用的波形圖。 U第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 6表表3-1 常見波形的波形因數(shù)和波峰因數(shù)常見波形的波形因數(shù)和波峰因數(shù)名稱名稱波形波形UKFKP正弦波正弦波A0.637A A1.11方波方波AAA11三角波三角波A0.5AUU2A23A323000圖3.2 表3-1所用波形圖第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 73.1.3 電子電壓表的分類電子電壓表的分類電子電壓表，分為模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表。1. 模擬式電壓表模擬式電壓表

5、用磁電式直流電流表作為指示器用磁電式直流電流表作為指示器直流電壓表直流電壓表交流電壓表交流電壓表: 核心為交直流變換器AC/DC。檢波器按其響應(yīng)特性分為均值均值、峰值峰值和有效值檢波器有效值檢波器三種結(jié)構(gòu)形式:放大檢波式、 檢波放大式 外差式第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 8（1）檢波放大式電壓表如圖3.3(a)所示。其頻率范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器（2）放大檢波式電壓表如圖3.3(b)所示。檢波器檢波器衰減器衰減器直流放大器直流放大器被測輸入被測輸入(a)衰減器衰減器檢波器檢波器交流放大器交流放大器(b)被測輸入被測輸入uAuA圖3.3 檢波-放大式、放大-檢波式電壓表組成框圖第

6、 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 9（3）外差式電壓表組成框圖如圖3.4所示。外差式電壓表利用混頻器，將輸入信號變?yōu)楣潭ㄖ蓄l信號后進(jìn)行交流放大，可以較好地解決交流放大器增益與帶寬的矛盾，其靈敏度可以提高到微伏級。其頻帶寬度取決于本振頻率范圍，可從100kHz至數(shù)百兆赫茲，一般稱之為高頻微伏表。輸入電路輸入電路混頻器混頻器中頻交流放大器中頻交流放大器圖圖3.4 外差式電壓表組成框圖外差式電壓表組成框圖被測輸入被測輸入均值檢波器均值檢波器本振本振第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 10表表3-2 三種結(jié)構(gòu)形式電壓表的性能比較三種結(jié)構(gòu)形式電壓表的性能比較結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式靈敏度靈敏度頻帶寬度頻

7、帶寬度電壓表類型電壓表類型外差式外差式很高很高很寬很寬高頻微伏表高頻微伏表檢波檢波放大式放大式稍高稍高很寬很寬超高頻毫伏表超高頻毫伏表放大放大檢波式檢波式稍低稍低較窄較窄高頻毫伏表、視頻毫高頻毫伏表、視頻毫伏表伏表第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 112. 數(shù)字式電壓表數(shù)字式電壓表 DVM核心：A/D（模/數(shù)）變換器將模擬量變換成數(shù)字量，十進(jìn)制數(shù)字形式顯示被測電壓值直流數(shù)字電壓表。直流數(shù)字電壓表配上交直流變換器即構(gòu)成交流數(shù)字電壓表數(shù)字萬用表。A/D變換器分為 積分式積分式、（直流數(shù)字電壓表） 比較式比較式 復(fù)合式復(fù)合式第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 12數(shù)字電壓表組成，如圖3.5

8、所示。輸入輸入電路電路A/D變換器變換器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器圖圖3.5 數(shù)字電壓表組成框圖數(shù)字電壓表組成框圖被測輸入被測輸入寄存顯示電路寄存顯示電路邏輯控制電路邏輯控制電路模擬電路模擬電路數(shù)字邏輯電路數(shù)字邏輯電路顯示電路顯示電路數(shù)字電壓表的特點(diǎn)：不能完全代替模擬式電壓表。第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 133.2 直流電流、直流電壓的測量直流電流、直流電壓的測量3.2.1 直流電流的測量直流電流的測量磁電式直流電流表可以直接用來測量較小的直流電流擴(kuò)大電流量程：3.2.2 直流電壓的測量直流電壓的測量磁電式電流表指針偏轉(zhuǎn)角度與被測電流I成正比擴(kuò)大電壓表量程：還可以用示波器、失真度測量儀、頻譜儀等

9、儀器測量電壓。第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 143.3 模擬式交流電壓表模擬式交流電壓表主要分為高頻電壓表：峰值電壓表 多采用檢波放大式結(jié)構(gòu) 多采用峰值檢波器檢波 低頻電壓表：均值電壓表和有效值電壓表 一般采用放大檢波式結(jié)構(gòu) 平均值檢波器或有效值檢波器檢波3.3.1 低頻交流電壓表低頻交流電壓表1. 均值電壓表均值電壓表均值電壓表以均值檢波器作為交直流變換器。第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 15（1）均值檢波器）均值檢波器均值檢波器輸出的直流電壓即電容C兩端的電壓，均值檢波器的輸出始終等于整流后波形的平均值。(a)(b)(c)圖3.8 常用均值檢波器u(t)C+(d)CCu(

10、t)u(t)u(t)+CU第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 16（2）刻度特性均值電壓表一般以即正弦波有效值定度。 9 . 0FNUKUUU FNNNKUU PNNNKUU 11. 1UUK只要確定出檢波輸出電壓后，不管是哪種均值檢波器的電壓表，均可采用上述計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算。第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 17例例3-1 用均值電壓表測量正弦波、三角波電壓時(shí)，已知電壓表的讀數(shù)均為20V，試分別計(jì)算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？解：解： 測量正弦波時(shí)： U=U=20V測量三角波時(shí)：答：（略）。V18V209 . 09 . 0UUV8 .20V1832UKUFV0 .

11、36V8 .203UKUPV18V209 . 09 . 0UUV3 .28V2022UU第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 18均值電壓表的組成如圖3.10所示，屬于放大放大檢波式電壓表。檢波式電壓表。被測電被測電壓壓輸入輸入阻抗變換阻抗變換器器可變量程衰可變量程衰減器減器寬帶交流放寬帶交流放大器大器均值檢波均值檢波器器圖圖3.10 均值電壓表組成框圖均值電壓表組成框圖第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 19（4） 誤差分析均值電壓表測量誤差的主要來源包括：指示電流表的誤差、檢波元器件的不穩(wěn)定性誤差、波形誤差及頻率誤差等。1）波形誤差 波形誤差是在用均值電壓表測量非正弦波電壓時(shí)，將電壓

12、表的讀數(shù)值當(dāng)成被測電壓的有效值而產(chǎn)生的誤差。波形誤差的絕對誤差為：U=U0.9KFNU=(10.9KFN)U波形誤差的示值相對誤差為：=U/U=10.9KFN例如，測量三角波時(shí)的波形誤差為：%5 . 3329 . 019 . 01FK第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 202）頻率誤差頻率誤差是在檢波器對高頻輸入信號檢波時(shí)，由于二極管結(jié)電容容抗減小而使本應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)的二極管失去單向?qū)щ娦远鴰淼母哳l頻響誤差。除此之外，交流放大器增益與帶寬的矛盾也是產(chǎn)生頻率誤差的原因之一。+u(t)圖3.11 圖3.8(a)均值檢波器負(fù)半周高頻等效電路CdCdRdRdLRm第 3 章 電 壓 測 量 與

13、儀 器 212. 有效值電壓表有效值電壓表有效值電壓表類型繁多，例如，檢波式（常用分段逼近式有效值檢波器）、熱偶式、計(jì)算式等。一般認(rèn)為有效值電壓表的讀數(shù)就是被測電壓的有效值，而與被測電壓波形無關(guān)與被測電壓波形無關(guān)，稱之為真有效值電壓表。（1）分段逼近式有效值檢波器 經(jīng)推導(dǎo)得知，只要電路的輸出特性曲線具有平方律特性，電路就可以實(shí)現(xiàn)有效值檢波。圖3.12(b)圖中，由三條不同斜率的曲線逼近成為具有平方率特性的曲線。（2）熱偶式（即熱電變換式）有效值檢波器根據(jù)交流電壓有效值的定義，利用具有熱電變換效應(yīng)的熱電偶來實(shí)現(xiàn)有效值檢波。該方式的電壓表頻率范圍很寬，上限頻率達(dá)幾十兆赫。（3）計(jì)算式有效值檢波器+

14、-u(t)Ri(t)0i(t)u(t)u1u2u3abc(a)(b)圖3.12 分段逼近式有效值檢波器第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 22圖3.15 常見峰值檢波器(c)(e)+u(t)+RC2C1+u(t)(d)+RC1C2+(b)(a)+u(t)CR+u(t)+CR+u(t)+UP+UP-C1C2R1R2RURURURURU3.3.2 高頻交流電壓表（峰值交流電壓表高頻交流電壓表（峰值交流電壓表）1. 峰值檢波器峰值檢波器第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 232. 刻度特性刻度特性 :峰值電壓表也以正弦波有效值進(jìn)行定度例例3-2 用峰值電壓表測量正弦波、三角波電壓，已知電壓表

15、的讀數(shù)均為20V，試分別計(jì)算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少？解：解： 測量正弦波時(shí)： U=U=20V 測量三角波時(shí)：答：（略）V18V209 . 09 . 0UUV3 .28V2022UUV3 .28V2022UUV3 .1638.3V23PUKUUV1 .14326.3V1FKUU第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 243. 峰值電壓表的組成峰值電壓表的組成 超高頻毫伏表峰值檢波器峰值檢波器分壓器分壓器直流放大器直流放大器圖3.17 峰值電壓表的組成被測輸入被測輸入4. 誤差分析誤差分析（1）理論誤差（2）波形誤差（3）頻率誤差第 3 章 電 壓 測 量 與 儀 器 253.3.4 使用方法及注意事項(xiàng)使用方法及注意事項(xiàng) 選擇量程、頻率范圍、誤差和輸入阻抗合適的電壓表外，還應(yīng)注意： （1）調(diào)零 （2）量程選擇 （3）拆接線順序 （4）測量非正弦波電壓 （5）測量音頻電壓 （6）測量電平值 電平即絕對電平，有功率電平Pw和電壓電平Pu之分。 1）功率電平LP(Power Level)的定義式為rxPlg1