第7章電壓測量-7-3

第7章．電壓測量7.1電壓測量概述

7.2模擬式直流電壓表

7.3交流電壓的表征和測量方法√7.4低頻交流電壓測量√7.5高頻交流電壓測量√7.6脈沖電壓測量7.7電壓的數(shù)字式測量√1.超量程能力7.7.6DVM的其他技術(shù)指標(biāo)

DVM的量程以基本量程(即A/D變換器的電壓范圍)為基礎(chǔ)，通過步進(jìn)分壓器或前置放大器向高、低兩端擴(kuò)展?；玖砍掏ǔ?V或10V，也有2V或5V。

DVM的位數(shù)是指能顯示0～9十個(gè)數(shù)碼的位數(shù)。通常術(shù)語中，3位、4位或5位(三位半、四位半、五位半)中的1/2位指最高位只能取“1”或“0”。1/2位和基本量程結(jié)合起來，能說明DVM有無超量程能力。

如某3位DVM的基本量程為1V，那么該DVM具有超量程能力，因?yàn)樵?V擋上它的最大顯示為1.999V。

對于基本量程為2V的DVM，它就不具備超量程能力，因?yàn)樗?V擋上的最大顯示仍是1.999V。

如果DVM有超量程能力，那么當(dāng)被測電壓超過該量程滿度值時(shí)，所得結(jié)果沒有降低精度和分辨力。例如，被測電壓為13.04V如果所用三位DVM無超量程能力，則必須使用100V量程擋，顯示13.0V。如果DVM有超量程能力(實(shí)際上為三位半DVM)，則仍可使用10V擋測量，顯示結(jié)果為13.04V。顯然，后者沒有降低測量精度和分辨力。

2.抗干擾能力由于DVM的靈敏度很高，因而對外部干擾的抑制能力就成為保證它的高精度測量能力的重要因素。外部干擾可分為串模干擾和共模干擾兩種。1)串模干擾

串模干擾是指干擾電壓usm以串聯(lián)形式與被測電壓Ux疊加后加到DVM輸入端，見圖7.7-14。圖(a)表示串模干擾來自被測信號(hào)源內(nèi)部，圖(b)表示串模干擾是由于測量引線受外界電磁場感應(yīng)所引起的。圖7.7-14串模干擾示意圖

通常用串模干擾抑制比SMR來表示DVM對串模干擾的抑制能力。SMR定義為SMR(dB)=20lg(7.7-18)式中，Usmp表示串模干擾電壓峰值；ΔUsm表示由串模干擾usm所引起的測量誤差。SMR值愈大，表示DVM抗串模干擾能力愈強(qiáng)。一般DVM的SMR值為20～60dB。PZ8直流DVM對50Hz交流干擾的串模抑制比SMR≥20dB。DS26直流DVM對50Hz干擾的串模抑制比SMR≥40dB。

設(shè)串模干擾源為正弦波：usm(t)=Usmpsinωt=Usmpsin(7.7-19)式中，Tsm為正弦型串模干擾的周期。對于積分型DVM而言，由于積分過程就是取平均值的過程，因此對于正弦型串模干擾的抑制能力很強(qiáng)。積分型DVM的串模干擾抑制比為(7.7-20)T1為積分式A/D的取樣周期。T1值越大，SMR值越高；相反，Tsm值越大，即干擾信號(hào)頻率越低，SMR值越小。

因此串模干擾的危害主要在低頻，實(shí)際測量中主要是50Hz工頻，其周期Tsm=20ms。若令取樣周期即積分時(shí)間T1為20ms的整數(shù)倍，則SMR值將趨于無窮大，即串模干擾得到完全抑制。T1一般取60ms或80ms。很難保證T1始終是Tsm的整數(shù)倍，所以為使SMR盡可能高，T1應(yīng)盡量大一些，但這將降低測量速度。

2)共模干擾

Z1、Z2是DVM兩個(gè)輸入端與機(jī)殼間的絕緣阻抗，一般Z1>>Z2;

R1、R2是測量引線的電阻。

當(dāng)被測信號(hào)源地端與DVM機(jī)殼間存在電位差時(shí)，這個(gè)電位差就相當(dāng)于一個(gè)干擾源Ucm。Ucm將串入兩根信號(hào)引線，由于(R1+Z1)不等于(R2+Z2)，

因此Ucm的作用等效于信號(hào)通道中的串聯(lián)干擾源，對測量結(jié)果發(fā)生影響，如圖7.7-14中Usm的作用。圖7.7-15共模干擾示意圖

如果(R1+Z1)=(R2+Z2)，則盡管有Ucm存在，等效的Usm也等于零，不會(huì)影響測量結(jié)果。因此將Ucm與Usm的比值定義為DVM的共模抑制比：CMR(dB)=20lg(7.7-21)式中，Ucmp和Usmp分別為共模干擾的峰值和它等效的串模干擾的峰值。

一般Z1>>Z2，故可忽略圖7.7-15中I1的影響，所以有

Usmp≈R2I2≈R2·即CMR(dB)≈20lg(7.7-22)由式(7.7-22)可知，當(dāng)R2一定時(shí)，盡量增大|Z2|，可以增大CMR。通常DVM中將A/D浮置并采取多層屏蔽措施就是為了這一目的。7.7.7電流、電壓、阻抗變換技術(shù)

及數(shù)字多用表7.7.7.1.電流、電壓、阻抗變換技術(shù)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(gè)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(shí)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。7.7.7.1電流、電壓、阻抗變換技術(shù)如圖，假如變換后采用的電壓量程為200mV，則通過量程開關(guān)選擇取樣電阻分別為1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω、0.1Ω，便可測量200μA、2mA、20mA、200mA、2A的滿量程電流。Z/V變換同樣基于歐姆定律。7.7.7.1電流、電壓、阻抗變換技術(shù)對于純電阻，可用一個(gè)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(shí)部和虛部分離后分別測量得到。電阻-電壓（R/V）變換原理圖。a.實(shí)現(xiàn)R/V變換的簡單原理b.通過運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比例測量的R/V變換如圖a，直接通過恒流源Ir流過被測電阻Rx，并對Rx兩端的電壓放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)不同量程電阻的測量，要求恒流源可調(diào)。圖a對于大電阻的測量不利，因?yàn)橐蟮暮懔髟措娏鱅r很小，對測量精度影響較大。圖b中，將被測電阻作為反饋電阻，將恒流源輸出Ir流過一個(gè)已知的精密電阻，從而得到參考電壓Vr 如圖，放大器輸出,于是如果將Vo作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，并將Vr直接作為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，即可實(shí)現(xiàn)比例測量。7.7.7.1電流、電壓、阻抗變換技術(shù)7.7.7.2數(shù)字多用表組成框圖數(shù)字多用表（DMM）的主要特點(diǎn)DVM的功能擴(kuò)展。DMM可進(jìn)行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測量。測量分辨力和精度有低、中、高三個(gè)檔級(jí)，位數(shù)3位半~8位半。數(shù)字多用表（DMM）的主要特點(diǎn)一般內(nèi)置有微處理器?？蓪?shí)現(xiàn)開機(jī)自檢、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)量程選擇，以及測量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均方根值）等自動(dòng)測量功能。一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于組成自動(dòng)測試系統(tǒng)。數(shù)字多用表的使用二端法和四端法測電阻。如下圖（圖中Rl1、Rl2、Rl3、Rl4為等效導(dǎo)線電阻和接觸電阻）。7.7.7.2數(shù)字多用表

a.二端法 b.四端法圖a中，實(shí)際測量得到的電阻值為Rx+Rl1+Rl2（即包含了引線電阻和接觸電阻），使測量值偏大。

只有當(dāng)

(即測量大電阻時(shí))Rl1和Rl2才可忽略。圖b中，由于(Rin為DMM輸入電阻)，Rl3和Rl4上基本上無電流流過（線上無壓降），所測電壓為Rx兩端的電壓。7.7.7.2數(shù)字多用表實(shí)際產(chǎn)品

Agilent3458A： 8位半DMM。 主要技術(shù)指標(biāo)：Math/statistics； ◆20kBmemory；Self-adjustingautocalibration； ◆dcVolts；100mVto1000Vranges； ◆10nVsensitivity0.05ppmtransferaccuracy； ◆acVolts；10m