儀器儀表 模擬測量方法

儀器儀表模擬測量方法第一頁，共七十九頁，2022年，8月28日第3章模擬測量方法

3.1電壓測量概述3.2交流電壓的測量（*）3.3噪聲電壓的測量3.4分貝的測量3.５失真度的測量第二頁，共七十九頁，2022年，8月28日第3章模擬測量方法重點：交流電壓的測量方法均值電壓表有效值電壓表峰值電壓表其讀數(shù)原理噪聲電壓的測量難點：交流電壓的測量方法及其讀數(shù)原理第三頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.1電壓測量概述電壓測量是電測量與非電測量的基礎電測量中，電量的測量可以轉化為電壓測量電流、功率電壓飽和與截止，線性度、失真度電壓非電測量中，先轉化為電壓信號，再進行測量如：溫度、壓力、振動、（加）速度一、電壓測量的重要性第四頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.1電壓測量概述——從直流到數(shù)百兆赫茲——二、電壓測量的基本要求直流—10－7級交流—10－4∽10－2級————1、寬頻率2、寬量程3、高準確度5、高抗干擾能力4、高輸入阻抗第五頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.1電壓測量概述β%Um——滿度值的百分數(shù)常用于線性刻度的模擬電壓表中α%Ux——讀數(shù)值的百分數(shù)多用于對數(shù)刻度的電壓表中β%Um+α%Ux用在具有線性刻度電壓表的一種較嚴格的精確度表征，數(shù)字電壓表都用這種方式。

3、準確度的表示第六頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.1電壓測量概述(續(xù))三、電壓測量儀器的分類1、按顯示方式分：模擬式電壓表數(shù)字式電壓表DVM2、按功能分：直流電壓表交流電壓表低頻電壓表高頻電壓表超高頻電壓表3、按檢波器分：峰值電壓表均值電壓表有效值電壓表第七頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2交流電壓的測量3.2.1交流電壓的表征3.2.2交流電壓的測量方法3.2.3平均值電壓的測量3.2.4有效值電壓的測量3.2.5峰值電壓的測量3.2.6脈沖電壓的測量第八頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2.1交流電壓的表征1、峰值UP—波形正方向或負方向的最高點從參考0電平開始算起2、平均值數(shù)學上：電壓測量—全波整流振幅峰值平均值第九頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2.1交流電壓的表征(續(xù))3、有效值U定義：－Note：①各類電壓表都是按正弦波有效值定度的；②若被測電壓都是正弦波，且角頻率成倍數(shù)關系，則有效值滿足疊加性：第十頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2.1交流電壓的表征(續(xù))4、波形系數(shù)KF5、波峰系數(shù)KP第十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2.1交流電壓的表征(續(xù))常見波形的KF與KP（P67）1.731.15三角波鋸齒波UPUP11方波1.4141.11正弦波ˉUKPKF波形U第十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2.2交流電壓的測量方法直流電壓表—分壓電阻＋直流表頭R交流電壓表—整流＋直流表頭AC—DC交流直流整流第十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2.2交流電壓的測量方法（續(xù)）整流方式——按靈敏度和頻帶分：交流直流①放大－檢波式放大器檢波器整流特點：A、靈敏度受放大器內部噪聲限制，mV級B、頻率受放大器帶寬限制，20～10MHz第十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2.2交流電壓的測量方法（續(xù)）整流方式——按靈敏度和頻帶分：交流直流②檢波－放大式檢波器放大器整流特點：A、靈敏度受放大器影響B(tài)、頻率取決于檢波二極管的高頻特性，20Hz∽300MHz第十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2.2交流電壓的測量方法（續(xù)）整流方式——按靈敏度和頻帶分：交流f直流③外差式特點：A、靈敏度高（）B、測高頻（20Hz∽300MHz）放大器檢波器混頻器本振fc可調第十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.３平均值電壓的測量一、組成（視頻毫伏表）二、均值檢波器半波整流全波整流濾除交流，避免指針抖動交流直流放大器平均值檢波器分壓器保護二極管第十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.３平均值電壓的測量（續(xù)）三、刻度特性—以正弦波的有效值為刻度非正弦波換算—“示值同則均值同”第十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.３平均值電壓的測量（續(xù)）例1：用均值表分別測方波、三角波、正弦波，電壓表讀數(shù)均為10V，問被測電壓的有效值分別為多少？①平均值：②有效值：正弦波不用換算第十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.３平均值電壓的測量（續(xù)）四、誤差分析1、可能引起的誤差指示微安表自身誤差、檢波二極管性能參數(shù)變化、被測電壓超過頻率范圍、波形不同都會帶來誤差。2、非正弦波的波形誤差

絕對誤差：相對誤差：

第二十頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.３平均值電壓的測量（續(xù)）例：接上例波形誤差：第二十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.３平均值電壓的測量（續(xù)）四、誤差分析3、失真正弦波的波形誤差

設測一個包含二次或三次諧波失真的正弦波電壓：n次諧波幅度相對于基波的百分數(shù)初相角平均值：指示值：第二十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.３平均值電壓的測量（續(xù)）四、誤差分析3、失真正弦波的波形誤差

真正的有效值：波形誤差：n次諧波的非線性失真系數(shù)第二十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.３平均值電壓的測量（續(xù)）四、誤差分析4080120160200240280320360400012345D2＝30％20％10％二次諧波產生的波形誤差第二十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.３平均值電壓的測量（續(xù)）四、誤差分析三次諧波產生的波形誤差40801201602002402803203604000-404812D2＝30％20％10％-816第二十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.３平均值電壓的測量（續(xù)）四、誤差分析3、失真正弦波的波形誤差

結論：①②二次諧波的產生的誤差比三次諧波的小③推廣：奇次諧波誤差比偶次諧波大，偶次諧波誤差可忽略。當Dn<10%，奇次諧波的波形誤差可估算：第二十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.4有效值電壓的測量一、組成二、有效值檢波器平方律檢波器分段逼近式檢波器熱電偶式檢波器模擬運算式RMS檢波器交流直流放大器有效值檢波器分壓器第二十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.4有效值電壓的測量（續(xù)）1、平方律檢波器趨向0起始電流去掉起始電流的影響，則：特點：①無波形誤差②刻度非線性③動態(tài)范圍小第二十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.4有效值電壓的測量（續(xù)）2、分段逼近式檢波器利用二極管和電阻網(wǎng)絡，人為地制造一條用折線逼近的平方率曲線。特點：大大地擴展有效值檢波器的動態(tài)范圍，此種方法用得較為廣泛。第二十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.4有效值電壓的測量（續(xù)）3、熱電偶式檢波器（1）基本原理第三十頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.4有效值電壓的測量（續(xù)）3、熱電偶式檢波器（2）熱電偶式有效值電壓表原理圖Ui=0完全對稱作用:①刻度線性化②提高熱穩(wěn)定性第三十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.4有效值電壓的測量（續(xù)）3、熱電偶式檢波器（3）特點①儀表的靈敏度和頻率范圍取決于放大器的增益和帶寬②刻度線性，基本無波形誤差③熱慣性，讀數(shù)較慢例DA－24型量程：1mV-300V頻率：10Hz-10MHzS＝1.5第三十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.4有效值電壓的測量（續(xù)）（3）特點—測量誤差④頻率誤差⑤波形誤差原因：受放大器頻率寬度的限制范圍：抑制方波中的高次諧波而產生誤差原因：受放大器動態(tài)范圍的限制范圍：對過高的尖峰可能產生削峰第三十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日飽和失真截止失真第三十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.4有效值電壓的測量（續(xù)）4、模擬運算式RMS檢波器原理:通過多級運算器級連實現(xiàn)5、單片式RMS－DC轉換器如AD536AK等。特點:響應時間短、過載性能好特點:準確度高、穩(wěn)定度高第三十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.5峰值電壓的測量一、組成（高頻毫伏表）交流直流橋式直流放大器峰值檢波器分壓器特點:①靈敏度（幾十mV）和頻率范圍（<300MHz）

②電壓上限取決于檢波二極管的反向擊穿電壓。改進:①采用高A、低漂移的放大器，靈敏度（幾十V）②用超高頻二極管，頻率范圍（<1GHz）③檢波器置于探頭內—減少高頻信號的傳輸損失。第三十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.5峰值電壓的測量（續(xù)）二、峰值檢波器uc(t)充電＋＋放電串聯(lián)式并聯(lián)式Tmax、Tmin是被測電壓的最大周期和最小周期起隔直流作用第三十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.5峰值電壓的測量（續(xù)）三、刻度特性—以正弦波的有效值為刻度非正弦波換算—“示值同則峰值同”第三十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.5峰值電壓的測量（續(xù)）例3：用峰值表分別測方波、三角波，電壓表讀數(shù)均為5V，問被測電壓的有效值分別為多少？①峰值：②有效值：第三十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.5峰值電壓的測量（續(xù)）四、誤差分析①理論誤差②頻率誤差③波形誤差原因：放電使測量值小于實際值（固有負誤差）正弦波的相對誤差：原因：周期長，放電長，誤差大（適合高頻測量）低頻相對誤差：原因：對波形的凸起部分非常敏感失真正弦波：盡量不用峰值表第四十頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2.6脈沖電壓的測量方法：1、峰值表測量——較大的q值2、脈沖電壓表——帶脈沖保持電路3、示波器——寬頻帶第四十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3噪聲電壓的測量3.3.1噪聲電壓的基本特性3.3.2用平均值表測量噪聲電壓3.3.3放大器的噪聲參數(shù)及其測量第四十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.1噪聲電壓的基本特性一、分類1、按噪聲來源：2、按功率譜：有色噪聲白噪聲熱噪聲散粒噪聲人為噪聲自然噪聲電路內部噪聲第四十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.1噪聲電壓的基本特性（續(xù)）1、按噪聲來源分①人為噪聲鄰近電臺干擾、高壓線的電暈放電等②自然噪聲打雷放電、雨點靜電、太陽的噪聲電波等③電路內部噪聲由元器件（晶體管、R等）內部帶電質點運動不規(guī)則造成的現(xiàn)象。一、分類第四十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.1噪聲電壓的基本特性（續(xù)）2、按功率譜分①有色噪聲在頻率范圍內能量分布不均勻②白噪聲—在頻率范圍內能量分布均勻熱噪聲由于材料內部微粒不規(guī)則的熱運動產生的散粒噪聲在晶體管的PN結中，由于電荷運動不連續(xù)而產生的晶體管內部噪聲一、分類第四十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.1噪聲電壓的基本特性（續(xù)）1、白噪聲電壓的瞬時值呈正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)：二、白噪聲的統(tǒng)計特性噪聲電壓瞬時值噪聲電壓的有效值2、白噪聲的功率譜密度：第四十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.2用平均值表測量噪聲電壓一、讀數(shù)修正KF未知刻度換算：KF的求解：第四十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.2用平均值表測量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問題1、帶寬準則2、測量時間的影響3、波峰因數(shù)的影響第四十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.2用平均值表測量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問題1、帶寬準則修正后的噪聲電壓被測系統(tǒng)的噪聲帶寬測得的噪聲電壓被測系統(tǒng)＋電壓表的噪聲帶寬第四十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.2用平均值表測量噪聲電壓（續(xù)）B3dBBwn0.786-21.4%2Bwn0.872-12.8%5Bwn0.941-5.9%8Bwn0.962-3.8%電壓表的3dB帶寬<5%帶寬準則：電壓表的3dB帶寬為被測系統(tǒng)的8∽10倍第五十頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.2用平均值表測量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問題2、測量時間的影響時間影響：窄帶時間長寬帶時間短例：測5Hz和1KHz系統(tǒng)的噪聲，使誤差<1%，則所需時間分別為1000s和5s。低頻測量：通常記錄其波形，測其峰－峰值再換算。T時間內的測得值被測系統(tǒng)的噪聲帶寬測量時間第五十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.2用平均值表測量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問題3、波峰因數(shù)的影響量程準則：表頭示值不得超過滿刻度值的一半半滿度測量第五十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.3器件和放大器噪聲的測量一、與噪聲相關的參數(shù)1、等效輸入噪聲Uni2、噪聲帶寬Bwn3、信噪比SNR4、噪聲系數(shù)F二、測量方法：①正弦信號法②噪聲發(fā)生器法——中、低頻——高頻第五十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.3器件和放大器噪聲的測量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測量（1）定義：把放大器的全部噪聲折算為輸入端的噪聲電壓Uni或噪聲電流IniA無噪聲放大器UniUsRsUnoA無噪聲放大器IniUsRsUO電壓源電流源第五十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.3器件和放大器噪聲的測量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測量（2）測量A無噪聲放大器UniRsUno被測器件的輸出噪聲電壓電壓增益Au①正弦信號法②噪聲發(fā)生器法第五十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.3器件和放大器噪聲的測量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測量①正弦信號法步驟：UniRsUnoAB、去掉Us，保留Rs，測得UnoC、Note：a、Uni<<Usb、測Uno時，Rs保留，并要符合帶寬準則源內阻信號源C、UsRsUoAA、測出放大器增益Au第五十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.3器件和放大器噪聲的測量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測量②噪聲發(fā)生器法UnsRsUno2A步驟：C、計算UniRsUno1AB、只接Rs，A、接上噪聲信號源輸出Uns，測得Uno2第五十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.3器件和放大器噪聲的測量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測量③兩種方法比較方法步驟設備范圍準確度正弦信號法多通用中低頻低噪聲發(fā)生器法少標準源高頻高第五十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.3器件和放大器噪聲的測量（續(xù)）2、噪聲帶寬Bwn（1）定義：最大功率增益最大電壓增益fG(f)G0Bwn（2）測量方法：①正弦信號法②噪聲發(fā)生器法第五十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.3器件和放大器噪聲的測量（續(xù)）3、信噪比SNR（1）定義：（2）測量方法：見P90圖3.3-7純電阻網(wǎng)絡分貝表示：第六十頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.3器件和放大器噪聲的測量（續(xù)）4、噪聲系數(shù)F－表征信噪比降低的程度（1）定義：（2）測量方法：見P91圖3.3-8分貝表示：放大器功率增益第六十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.4分貝的測量3.4.1數(shù)學定義1、功率之比的對數(shù)——分貝（dB）（2）分貝P1＝10P2貝爾（1）貝爾1Bel＝10dB（deciBel）取正，P1>P2取負，P1<P2第六十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.4分貝的測量（續(xù)）3.4.1數(shù)學定義2、電壓比的對數(shù)R1＝R2取正，U1>U2取負，U1<U2注意系數(shù)區(qū)別第六十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.4分貝的測量（續(xù)）3.4.1數(shù)學定義3、絕對電平注意單位一致（1）功率電平dBm假定：以基準量P0＝1mW作為0功率電平（0dBm），則PX的功率電平定義為：第六十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.4分貝的測量（續(xù)）3.4.1數(shù)學定義3、絕對電平（2）電壓電平dBV假定：以基準量U0＝0.775V（正弦有效值）作為0電壓電平（0dBV），則UX的電壓電平定義為：Note：①PV并未指定阻抗，應指任意阻抗②當R＝600歐，Pw＝PV第六十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.4分貝的測量（續(xù)）3.4.1數(shù)學定義4、音量單位（VU－VolumeUnits）0VU：600歐阻抗上吸取功率為1mW，則當600歐阻抗上吸取功率為PX[mW]時VU為:第六十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.4分貝的測量（續(xù)）3.4.2分貝值的測量應用范圍：測量放大器增益或與音響設備有關的參數(shù)讀數(shù)：讀數(shù)＝量程讀數(shù)＋指示值例：P97例2和例3實質：仍是交流電壓的測量，只是表盤以dB刻度例：P97MF－20表第六十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.５失真度的測量失真：特點：在線性電路中，由于電路的工作點選擇不當或信號幅度超過了電路的線性范圍，使信號進入了非線性區(qū)而產生非線性失真。產生新的頻率分量用非線性系數(shù)（失真度）表示第六十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.５失真度的測量截止失真飽和失真統(tǒng)稱平頂失真第六十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.５失真度的測量純R負載：3.5.1失真度的定義定義：全部諧波分量的功率之和與基波功率之比的平方根值。全部諧波電壓的有效值與基波電壓的有效值之比。公式：