電子測量技術(shù)第四章課件

1、二：電壓測量的特點(diǎn)(1) 頻率范圍寬。(2) 測量范圍寬。(3) 電壓波形的多樣化。(4) 要求有足夠高的輸入阻抗。(5) 要求有足夠高的測量準(zhǔn)確度。(6) 要求有高的測量速度。(7) 要求有高的抗干擾性能。按對象：直流電壓測量；交流電壓測量按技術(shù)：模擬測量；數(shù)字測量模擬式電壓表 一般是指“指針式電壓表”，它把被測電壓加到磁電式電流表，轉(zhuǎn)換成指針偏轉(zhuǎn)角度的大小來度量。包括模擬萬用表和電子電壓表。另一種模擬測量是把被測量電壓變換成圖形高度來測量的儀表，如示波器等。數(shù)字式電壓表指把被測電壓的數(shù)值通過數(shù)字技術(shù)，變換成數(shù)字量，然后用數(shù)碼管以十進(jìn)制數(shù)字顯示被測量電壓值。三、電壓測量方法分類四、 電壓標(biāo)準(zhǔn)

2、 1、 直流電壓標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)電池（實物基準(zhǔn)， 10-6）；齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn) （固態(tài)標(biāo)準(zhǔn)， 10-6 ）；約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn) （量子化自然基準(zhǔn)，10-10）2、 交流電壓標(biāo)準(zhǔn) 原理 由直流電壓標(biāo)準(zhǔn)建立。因而，需經(jīng)過交流-直流變換。 測熱電阻橋式高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)有效值電壓(電平)表本章使用的主要儀器超高頻毫伏表視頻毫伏表臺式數(shù)字多用表4.2 直流電壓的測量一、普通直流電壓表圖4-1 普通直流電壓表電路電壓表內(nèi)阻串接3個電阻后除了最小電壓量程U0=ImRe 外， 又增加了U1、U2、U3三個量程動圈式直流電壓表優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單， 使用方便， 缺點(diǎn)：誤差較大（輸入阻抗低）。例如用普通直流電壓表測量高輸出電阻電路

3、直流電壓RV越小， 越大式中,K=U2/U1。為了消除負(fù)載影響1、 可使用兩個不同量程擋U1、U2進(jìn)行測量。 將電壓表的兩次讀數(shù)值U01、U02代入下式， 可計算出被測電壓的近似值2、采用直流電子電壓表二、直流電子電壓表圖4-3 電子電壓表組成原理框圖跟隨器，直流放大器構(gòu)成和分壓電路的作用？三、直流數(shù)字電壓表圖4-5 直流數(shù)字電壓表基本結(jié)構(gòu)框圖A/D轉(zhuǎn)換器是直流數(shù)字電壓表的核心電路。4-3、交流電壓的模擬測量方法交流電壓測量的核心是AC/DC變換，此部分是帶共性的，即模擬式和數(shù)字式交流電壓表都必須完成這一變換過程。模擬式電壓表分類先檢波，后放大先放大，后檢波模擬電壓表的交流電壓測量原理：交流電

4、壓-直流電流（有效值、峰值和平均值） -驅(qū)動表頭-指示。交流電壓-有效值、峰值和平均值的轉(zhuǎn)換，稱為 AC-DC轉(zhuǎn)換。由不同的檢波電路實現(xiàn)。一、交流電壓值的表示方法2、平均值交流信號檢波（整流）后的平均值1、峰值:以零電平為參考的最大電壓幅度，UP3、有效值表征交流電壓的參數(shù)有：根據(jù)檢波方式的不同，有三種電壓表。均值峰值有效值峰值電壓表均值電壓表有效值電壓表模擬式電壓表4、兩個概念波形因數(shù)KF波峰因數(shù)KP該交流電壓的有效值與平均值之比該交流電壓的峰值與有效值之比 不同的電壓波形，其KF、KP亦不相同。 序號 名稱波形因數(shù) KF波峰因數(shù)KP有效值平均值1正弦波1.111.414UP/UP2半波整流

5、1.572UP/UP3全波整流1.111.414UP/UP4三角波1.151.73UP/UP/25鋸齒波1.151.73UP/UP/6方波11UPUP7白噪聲1.253UPUP2121313.751、峰值檢波式電壓表電路形式步進(jìn)分壓器斬波式直流放大器峰值檢波器（探頭）先檢波、后放大高頻電壓測量時誤差較小二、交流電壓的模擬測量方法檢波電路形式二極管峰值檢波電路（a.串聯(lián)式,b.并聯(lián)式,c.波形）檢波-放大式電壓表主要指標(biāo)：常稱為“高頻毫伏表”或“超高頻毫伏表” 如國產(chǎn)DA36型超高頻毫伏表，頻率范圍為10kHz1000MHz，電壓范圍（不加分壓器）1mV10V。 國產(chǎn)HFJ-8型高頻毫伏表（調(diào)制

6、式），最低量程為3mV，最高工作頻率300MHz。 刻度特性=I0Vp表頭的刻度：以正弦有效值刻度。=V（正弦波有效值）波峰因數(shù)：=V=Vp/1.414=0.707Vp測量任意波形（正弦波除外）,其讀數(shù)沒有直接意義例4-1用一塊峰值電壓表測量一個三角波電壓，讀數(shù)為10 V ，問該方波電壓的有效值為多少？解：被測三角波電壓的峰值為三角波電壓的波峰因數(shù)故(若不換算)波形誤差為：例:已知三角波,Vp=5V, 用Vp電壓表,求 和V(為sint的有效值)2、均值電壓表（“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表”） 電路形式輸入寬帶放大器檢波A先放大、后檢波大信號檢波時線性較好，波形誤差較小常由二極管橋式整流（全波

7、整流和半波整流）電路完成檢波以全波整流電路為例，I0的平均值為檢波電路形式刻度特性=I 0 ，與波形無關(guān)表頭的刻度：以正弦有效值刻度。=V（正弦波有效值）波形因數(shù)：第五章 電壓測量技術(shù)例4-2：用一塊平均值電壓表測量一個三角波電壓，讀數(shù)為1 V ，問該三角波電壓的有效值為多少？解：三角波的均值為三角波的波形因數(shù)故 若用均值電壓表,求例:已知三角波,Vp=5V, 用Vp電壓表,求 和V(為sint的有效值)3、有效值電壓表檢波三種方法：1、熱電變換2、模擬計算電路：（1）直流變換的原理 ：熱端、：冷端3、數(shù)字采樣式 CD和CE為兩種不同材料制作兩熱電偶受T的影響將相互抵消,提高熱穩(wěn)定性。以DA-

8、24型為例平衡熱偶的作用：使表頭刻度線形化，并提高熱穩(wěn)定性。熱偶式電壓表缺點(diǎn)：具有熱慣性，過載能力差，易燒毀。（2）、利用模擬運(yùn)算的集成電路檢波單片集成TRMS/DC電路，如AD536AK等模擬乘法器積分器開方波形誤差的比較峰值電壓表對被測信號波形的諧波失真所引起的波形誤差非常敏感，故不能測量失真波形的電壓。 均值電壓表測量含有諧波成分的失真正弦電壓的有效值時有如下結(jié)論：1、誤差與諧波幅度及初相角有關(guān)，當(dāng)初相角為00或1800時誤差最大。2、二次諧波誤差比三次諧波要小，推廣到一般，奇次諧波比偶次諧波影響大。3、均值表波形誤差與峰值檢波相比較小。有效值電壓表測量非正弦波時理論上不會產(chǎn)生波形誤差，

9、實際上由于以下兩個原因使產(chǎn)生讀數(shù)偏低的誤差。1、電壓表線形工作范圍的限制。2、電壓表帶寬的限制。電壓表的比較峰值電壓表檢波-放大式。峰值響應(yīng)、頻率范圍較寬（達(dá)1000MHz）但靈敏度低（mV級）。改進(jìn)：“調(diào)制式電壓表”，采用高增益低漂移的調(diào)制式直流放大器，使測量靈敏度大為提高，從mV級提高到幾十V 。讀數(shù)需換算需注意：測量波峰因數(shù)大的非正弦波時，由于削波可能產(chǎn)生誤差。 均值電壓表放大-檢波式。均值響應(yīng)，靈敏度比峰值表有所提高，但頻率范圍較?。?0MHz），主要用于低頻和視頻場合。讀數(shù)需換算：有效值電壓表可以直接讀出有效值，非常方便。由于削波和帶寬限制，將可能損失一部分被測信號的有效值，帶來負(fù)的

10、測量誤差。 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價格較貴。以分貝表示：2、電壓之比的對數(shù)取對數(shù)4.4 電平表1、功率之比的對數(shù)聲學(xué)中，分貝是表示音量強(qiáng)弱的一個單位。通信系統(tǒng)中，也常用分貝表示電平或功率。一、分貝的定義電壓電平:功率電平：3、絕對電平取基準(zhǔn)量P0=1mW（或1W） ，若P2= P0取基準(zhǔn)量V0=0.775V（或1V,1微伏），若V2=V0和 之間可換算或查表二、電平的測量實質(zhì)：均值電壓表表頭刻度為dB，可以是dBu（測量電壓電平）或dBm（測量功率電平），也可以是兩者兼容。刻度不均勻通常指測絕對電平1、寬頻電平表選取Rx=600歐作為零刻度基準(zhǔn)阻抗電壓電平=衰減器讀數(shù)表頭讀數(shù) (量程值)（2）、功率電

11、平測量：功率電平=（1）、電壓電平測量：此時表頭的功率電平刻度與電壓電平刻度一致2、外差式選頻電平表 原理外差式接收原理。組成：外差式接收機(jī)寬頻電平表特點(diǎn)大大提高靈敏度（可達(dá)-120dB，相當(dāng)于0.775V）。常稱為“高頻微伏表” 。如DW-1型，頻率范圍為100kHz300MHz，最小量程15V 。 應(yīng)用小信號電壓的測量以及從噪聲中測量有用信號。放大器諧波失真的測量、濾波器衰耗特性測量及通信傳輸系統(tǒng)中。一、概述關(guān)鍵：A/D變換4-5、電壓測量的數(shù)字化方法數(shù)字電壓表的組成框圖非積分式逐次逼近式比較式斜坡電壓式代表:代表:線性斜坡式階梯斜坡式積分式代表:雙斜式多斜式根據(jù)A/D變換的不同方法分類：

12、積分式非積分式二、非積分式DVM1、逐次逼近式原理：與天平稱重相似砝碼待測W/2W/4W/8W/16原則：大者棄，小者留鐘脈沖起始脈沖逐次逼近寄存器SAR顯示器譯碼器比較器D/A變換器VrefVfMSB2-12-2例:三位二進(jìn)制,Vr=5V,Vx=4VSAR輸出順序D/A送出比較比較器輸出結(jié)果1100Vr/2=2.52.50保留2110Vr/2+Vr/22=3.753.750保留3111Vr/2+Vr/22+Vr/23=4.3754.3754Vo0舍棄0000000110 經(jīng)過譯碼顯示3.75VSAR的最后輸出即是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，用數(shù)字量N表示。逐次逼近比較式A/D變換過程最后的D/A轉(zhuǎn)換器輸

13、出已最大限度逼近了Vx，且有常見的單片集成逐次比較式ADC有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等NA/D轉(zhuǎn)換結(jié)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=eN 其中e =Vr/2n稱為A/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)，單位為“V/字”， 表示了A/D轉(zhuǎn)換器的分辨力逐次逼近比較式存在量化誤差.結(jié)論:其準(zhǔn)確度由基準(zhǔn)電壓、D/A變換器、比較器的漂移所決定。變換時間與輸入電壓大小無關(guān)，僅由它的數(shù)碼的位數(shù)（比特數(shù)）和鐘頻決定。逐次逼近比較式的A/D變換能兼顧速度和精度和成本三個方面的要求。由于測量值對應(yīng)于瞬時值，而不是平均值，所以抗串模干擾能力差

14、。2、斜坡電壓式DVM原理框圖特點(diǎn)、應(yīng)用:1、線路簡單，成本低。2、轉(zhuǎn)換速度較慢3、抗干擾能力差，多在早期DVM中采用波形圖【例4-3】 某斜波式DVM， 4位數(shù)字讀出，已知基本量程為10 V， 斜坡發(fā)生器的斜率為10 V/50 ms。試計算時鐘信號頻率， 若計數(shù)值N6223， 則被測電壓值是多少？ 解：時鐘信號頻率為現(xiàn)若計數(shù)值N6223， 則門控時間又由斜率k10 V/50 ms，即可得被測電壓為1、雙斜式積分(雙積分式)DVM（1）、簡化組成方框圖V-T變換特點(diǎn):在一次測量過程中，用同一積分器先后進(jìn)行兩次積分。三、積分式A/D邏輯控制電路十進(jìn)計數(shù)器主門A1A2-+-+c積分器比較器時鐘Vo

15、-VxVrefs1s212t1VxVxVoVomVomT1T2T2（2）、工作（二次積分）過程：首先：對VX定時積分其次：對Vr定值積分比較（屬于VT變換）1、無干擾時2、有串模干擾Vsm時則：定時積分結(jié)論：平均值減少了影響在T1內(nèi)：（1）（3）、基本關(guān)系式t1VxVxVoVomVomT1T2T2定值反向積分在T2內(nèi)：將（1）式代入（2）式，有（2）t1VxVxV0VomVomT1T2T2將V轉(zhuǎn)化為T（時間間隔）來測量討論：優(yōu)點(diǎn)：a、b、與RC無關(guān)（積分元件），對RC的準(zhǔn)確度要求下降。c、Vx與 T2/T1有關(guān)，而不決定于T1和T2本身的大小，由于T1和T2采用同一個時鐘源提供時鐘脈沖計數(shù)，故

16、對fosc要求降低。d、抗干擾能力強(qiáng)例如：當(dāng)當(dāng)則Vx=2V。:為A/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)（“V/字”）缺點(diǎn)：a、測量速度低。b、量化誤差影響C、積分器非線性帶來誤差2、三斜積分式ADC（1）基本原理：三次積分過程。在雙斜積分式ADC基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高ADC的分辨力而設(shè)計的將雙斜積分式ADC的第二次積分過程，分解為兩次，使積分器輸出即將到達(dá)零點(diǎn)時，加長積分過程（緩慢積分），以降低對比較器的分辨力和帶寬要求。組成：包括積分器、2個比較器、2個計數(shù)器及邏輯控制電路。復(fù)零階段定時積分斜率大大降低了（2）工作過程當(dāng)積分完成時，有考慮到， (其中T0為時鐘周期)則式中， 為刻度系數(shù)（V/字）；而 即為A/

17、D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量（由計數(shù)器A和計數(shù)器B的計數(shù)值N2和N3加權(quán)得到）。四、 電壓測量的常用技術(shù)指標(biāo)1、被測電壓的電壓幅度、頻率范圍量程：基本量程：A/D變換器的電壓范圍通過對輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴(kuò)展其他量程如：基本量程為10V的DVM，可擴(kuò)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(kuò)展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五檔量程。2、DVM的顯示位數(shù)1.9992.000檔19.99910.00檔4位9.99910.00檔表示顯示檔位3、超量程能力：最大計數(shù)可超過量程。 完整顯示位 09十位1/2位，指的是最高位只能

18、取“1”或“0”；以及“0”到“4”5.000檔4.9995、測量速度：取決于A/D變換器的變換速度。4、分辨力：DVM能夠顯示出的VX的最小變化值。200mV檔：最大顯示199.9mV，最大分辨力0.1mV即顯示器末位跳動一個數(shù)字所需的電壓值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。一般低速高精度的DVM測量速度在幾次/秒幾十次/秒固有誤差表達(dá)式：6、測量誤差（不確定度）組成：固有誤差+附加誤差（溫度等）。 誤差的相對項系數(shù)； 誤差的固定項系數(shù)；U x 被測電壓讀數(shù)；U m 該量程的滿度值。固有誤差由兩部分構(gòu)成：讀數(shù)誤差： 與當(dāng)前讀數(shù)有關(guān)。 滿度誤差： 與

19、當(dāng)前讀數(shù)無關(guān)，只與選用的量程有關(guān)示值（讀數(shù)）相對誤差為：有時將 等效為“n字”的電壓量表示，即例如：某臺4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% 式中“n字”的滿度誤差項與“ Vm”的表示是完全等價的為減小滿度誤差的影響，應(yīng)合理選擇量程，以使被測量大于滿量程的2/3以上【例4-4】 用某位DVM測量1.5 V的電壓， 分別用2 V擋和200 V擋測量， 已知2 V擋和200 V擋固有誤差分別為(0.025Ux1字)和(0.03Ux1字)。 試問兩種情況下由固有誤差引起的測量誤差各為多少？解：

20、該DVM為四位半顯示， 最大顯示為19 999， 所以2 V擋和200 V擋1個字分別代表和用2 V擋測量的示值相對誤差為用200 V擋測量的示值相對誤差為7、輸入阻抗及輸入零電流輸入等效電路：Rs為Vx的等效內(nèi)阻，Ri為等效輸入電阻I0為輸入零電流。典型DVM的輸入放大器的輸入電阻為1000M(接入分壓器時輸入電阻為10M),輸入零電流約為0.5nA。 （1）串模干擾和串模抑制比：措施：a、輸入端設(shè)置濾波器；b、A/D轉(zhuǎn)換原理上采用雙積分式消除。串模干擾定義：指干擾源以串聯(lián)形式與被測電壓一起疊加到DVM輸入端。Vsm來源：穩(wěn)壓電源的紋波電壓，外界大的用電器強(qiáng)磁場穿過測量電路產(chǎn)生的感應(yīng)電勢。8、抗干擾能力VsmVxRl1Rl2Zi高端低端DVM衡量DVM對串模干擾的抑制能力：串模干擾電壓峰值由Vsm造成的最大顯示誤差SMR越大，DVM抗干擾能力越強(qiáng)。一般DVM的串模抑制比為（5090）dB。結(jié)論（1）低頻干擾影響大（2）（3）當(dāng)T=nTSm，干擾信號被完全平均掉用平均法抑制正弦串模干擾，得（2）共模干擾和共模抑制比：共模干擾定義：通過環(huán)路地電流對兩根測試線都產(chǎn)生影響的干擾。被測信號源地線