電壓測量儀器設計

1、 電壓測量儀器設計1一、電壓測量的重要性電壓測量是電測量與非電量測量的基礎； 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3.1 概述3.1.1 電壓測量的意義、特點 2二、電壓測量的特點1.頻率范圍廣：零頻（直流）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)百千伏。3.電壓波形的多樣化電壓

2、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。34.阻抗匹配在多級系統(tǒng)中，輸出級阻抗對下一輸入級有影響。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。二、電壓測量的特點45.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

3、性能工業(yè)現(xiàn)場測試中，存在較大的干擾。二、電壓測量的特點53.1.2 電壓測量的方法和分類電壓測量方法的分類按對象：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）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-指示如：有效值、峰值和平均值電壓表，電平表等。62）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)字多用表（DMM）。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（DM

4、M）的擴展功能。3.1.2 電壓測量的方法和分類74）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）示波測量方法交流電壓-模擬或數(shù)字示波器-顯示波形-讀出結果3.1.2 電壓測量的方法和分類The End81）交流/直流電壓（AC-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）9二極管峰值檢波電路工作原理通過二極管正向快速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

5、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。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉換原理101）交流/直流電壓（AC-DC）轉換原理平均值檢波原理全/半波整流電路：I0的平均值(全波)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 ）。I0的平均值 與u(t)的平均值 成正比。 111）交流/直流電壓（AC-DC）轉換原理有效值檢波原理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

6、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。 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。121）交流/直流電壓（AC-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。131）交流/直流電壓（AC-DC）轉換原理利用熱電偶有效值檢波熱電效應：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

7、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。14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。如下圖。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉換原理15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，

8、故， 1）交流/直流電壓（AC-DC）轉換原理16表頭刻度線性化處理：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。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉換原理形成一個電壓負反饋系統(tǒng)17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(V2- 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）。1）交流/直流電壓（AC-DC

9、）轉換原理18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。實際應用中，常采用峰值或均值電壓表測有效值。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉換原理193.3.3 模擬式交流電壓表模擬電壓表組成方案檢波器是實現(xiàn)交流電壓測量（AC-DC變換）的核心部件，同時，為了測量小信號電壓，放大器也是電壓表中不可缺少的部件，因此，組

10、成方案有兩種類型：一種是先檢波后放大，稱為檢波-放大式；一種是先放大后檢波，稱為放大-檢波式。 模擬電壓表的兩個重要指標：帶寬和靈敏度(分辨力)。1）檢波-放大式電壓表組成框圖201）檢波-放大式電壓表a. 組成框圖; b.提高靈敏度措施檢波器決定電壓表的頻率范圍、輸入阻抗和分辨力。 峰值電壓表常用這種類型。 超高頻二極管檢波頻率范圍可從直流到幾百兆赫；具有較高的輸入阻抗缺點：1.正向壓降限制小信號電壓；2.反向擊穿電壓限制上限高增益、低漂移靈敏度幾十微伏211）檢波-放大式電壓表檢波器為減小高頻信號在傳輸過程中的損失，通常將峰值檢波器直接設計在探頭中。放大器采用橋式直流放大器，它具有較高的增

11、益。直流放大器的零點漂移也將影響電壓表的靈敏度。主要指標檢波-放大式電壓表常稱為“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（調制式），最低量程為3mV，最高工作頻率300MHz。223.3.3 模擬式交流電壓表2）放大-檢波式電壓表組成框圖先放大再檢波，因此靈敏度很高。均值電壓表常用這種方式。放大器寬帶交流放大器決定了電壓表的頻率范圍。一般上限為10MHz。常稱為“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表” 。靈敏度受仍受寬帶交流放大器內部噪聲限制。233.3.3 模擬式交流電壓表3）

12、分貝測量及寬頻電平表分貝聲學中，分貝是表示音量強弱的一個單位。通信系統(tǒng)中，也常用分貝表示電平或功率。當用分貝表示功率時，定義為：當用分貝表示電壓時，由功率與電壓的關系： 和當R1=R2時，有243）分貝測量及寬頻電平表分貝分貝是一個用對數(shù)表示的相對量值（記作dB），如果相對于一個確定的參考基準量，此時的分貝值則表示了一個絕對電平。若P2= P0（基準量），并取P0=1mW；P1=被測功率，用Px表示，其分貝值用dBm表示（下標m指示以mW為單位表示被測功率絕對值）。則功率電平：顯然，當Px=P0=1mW為0dBm時，若Px1mW，分貝值為正，若Px1mW，分貝值為負。253.4 直流電壓數(shù)字化

13、測量及A/D轉換原理 3.4.1 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 Meter，簡稱DVM）。組成框圖輸入電路A/D轉換器數(shù)字顯示器邏輯控制電路時鐘發(fā)生器模擬部分數(shù)字部分Vx26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

14、力（平均、方差計算等）和通信接口(如GPIB)。3.4.1 DVM的組成原理及主要性能指標272）主要性能指標顯示位數(shù)完整顯示位：能夠顯示09的數(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，可擴展其他量程。3.4.1 DVM的組成原理及主要性能指標28如基本量程為10V的DVM，可擴展出0.1V、1V、10V、100V

15、、1000V等五檔量程；基本量程為2V或20V的DVM，可擴展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五檔量程。分辨力指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映了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” ）。3.4.1 DVM的組成原理及主要性能指標29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

16、200mV上分辨力為0.1mV，則分辨率為：分辨率也可直接從顯示位數(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。3.4.1 DVM的組成原理及主要性能指標30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：示值（讀數(shù)）相對誤差為：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。讀數(shù)誤差： 與當前讀數(shù)有

17、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。3.4.1 DVM的組成原理及主要性能指標31測量精度有時將 等效為“n字”的電壓量表示，即 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%，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，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。3.4.1 DVM的組成原理及主要

18、性能指標32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。3.4.1 DVM的組成原理及主要性能指標333.5 電流、電壓、阻抗變換技術及數(shù)字多用表5.5.1 電流、電壓、阻抗變換技術AC/DC變換將交流電壓變換（檢波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。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。如下圖。343.5.1 電流、電壓、阻抗變換技術如圖，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、200mA、2A的滿量程電流。Z/V變換同樣基于歐姆定律。上圖中為什么沒有10？35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。