電子測量3模擬測量方法091016課件

Chapter3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失真度測量§3.6功率的測量§3.7Q值的測量§3.1電壓測量概述

在電子測量領(lǐng)域中，電壓、電流和功率

是表征電信號能量大小的三個基本參量。電壓測量占有極為重要的地位。因為：

①在集中參數(shù)電路里，測量的主要參量是電壓。

②許多電參數(shù)，如頻率特性、失真度、靈敏度等都可視為電壓量的派生量。③各種電路工作狀態(tài),如飽和、截止及動態(tài)范圍等都以電壓的形式反映出來。④電子設(shè)備的各種控制信號、反饋信號等信息也主要表現(xiàn)為電壓量。

∴電壓的測量是其他許多電參量測量的基礎(chǔ)。很多電子測量儀器，如信號發(fā)生器、各種電子式電壓表、Q表、示波器等，以及其他電子設(shè)備都是用電壓表作為它們的指示裝置或輔助監(jiān)測裝置的。在調(diào)試電子設(shè)備或進行各種測量工作時，電壓的測量是必不可少的。1.電壓測量的特點與要求

1)電子技術(shù)中被測電壓的主要特點(1)被測電壓頻率可能為直流、超低頻、低頻、高頻及超高頻。(2)被測電壓值可小到微伏甚至毫微伏級，大到幾千伏、幾十千伏，甚至更高量級。(3)被測電壓波形有正弦波、失真正弦波及各種非正弦波。如圖示幾種電壓波形圖。(4)被測電壓所在電路內(nèi)阻可能很高，也可能很低，有時還可能是一個諧振回路。(5)被測交流電壓中，往往含有直流及噪聲干擾等不需要測量的成份。

2)電壓測量的基本要求由于被測電壓具有以上一些特點，因而在制訂電壓測量方案時，必須根據(jù)具體情況及測量的目的，對電壓測量提出如下要求：(1)應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍(2)應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y量范圍(3)應(yīng)有足夠高的測量準確度(4)應(yīng)有足夠高的輸入阻抗(5)應(yīng)有足夠高的抗干擾能力

2.電壓測量儀器的分類

電壓測量儀器一般分為兩大類：模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表。(1)模擬式電壓表(采用指針式模擬顯示的電壓表)

根據(jù)電壓性質(zhì)：

按電壓特點分為：直流電壓表、交流電壓表、脈沖電壓表和多用途電壓表等。

按使用頻率范圍分為：超低頻/低頻/高頻/超高頻電壓表和選頻電壓表等。

根據(jù)測量方法分為：峰值電壓表、平均值電壓表和有效值電壓表。

根據(jù)儀表結(jié)構(gòu)分為：磁電式、電磁式和電動式電壓表等。(2)數(shù)字式電壓表(采用數(shù)字顯示的電壓表)

主要優(yōu)點是：準確度高，輸入阻抗高，功能齊全，顯示直觀，可靠性好．過載能力強，耗電少、小巧輕便表2-1-2

儀表工作原理的圖形符號儀表的標志儀表的標志表2-1-4

準確度等級的圖形符號~~~~表2-1-3

電流種類的圖形符號1.51.51.52）平均值

U

：

對周期信號3）有效值

U

：在不特別指明時，交流電壓的量值均指有效值。各類電壓表的示值，除特殊情況外，都是按正弦波有效值來定度的。

4)

波形系數(shù)KF

：表征同一信號的有效值與平均值之比。5)波峰系數(shù)KP：表征同一信號的峰值與有效值的比值。*各種波形的波峰系數(shù)KF和波峰系數(shù)KP參表3.2.1§3.2交流電壓的測量一、交流電壓的表征交流電壓可以用峰值、平均值、有效值來表征；它們相互間的關(guān)系可用波形系數(shù)、波峰系數(shù)來表征。1）峰值：交變電壓在一個周期內(nèi)所能達到的最大值。記為UP。二、交流電壓的測量方法交流電壓的測量方法很多，其中最主要的方法是用檢波器將交流變換為直流、然后再接到直流表頭進行測量。根據(jù)檢波特性不同，有平均值檢波、峰值檢波和有效值檢波，相應(yīng)的電壓表簡稱為平均值電壓表、峰值電壓表和有效值電壓表。三、平均值電壓表1.結(jié)構(gòu)組成：

該表又稱放大—檢波式電子電壓表，即先放大后檢波。

2.特點：

該表檢波器對被測電壓的平均值產(chǎn)生響應(yīng),

頻率范圍主要受放大器帶寬限制,典型頻率范圍為20Hz~10MHz,故又稱為視頻毫伏表、主要用于低頻電壓測量。

靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲限制，一般可做到毫伏級。

一般的“寬頻帶毫伏表”基本屬于這一類。三、平均值電壓表

3.平均值表頭的工作原理①檢波電路如圖3.2-5所示。

②微安表指針偏轉(zhuǎn)角與輸入電壓關(guān)系<以圖(c)為例>∴平均值檢波表頭偏轉(zhuǎn)角正比于其輸入電壓平均值，與其波形無關(guān)。

其中：R=103~104Ω、且微安表兩端并聯(lián)電容用于濾除檢波后電流中的交流成分，避免表針抖動；電容的充放電時間常數(shù)相等。(a)半波整流(b)(a)的簡化式(c)全波整流(d)(c)的簡化式3.平均值電壓的測量4.電壓測量

再根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)，計算其有效值：①正弦量測量

直讀②非正弦量測量

首先按“平均值相等示值也相等”的原則，將示值Ua折算成被測電壓的平均值：測量方法：例：用全波平均值電壓表測得三角波電壓的示值為10V，則其平均值為：其有效值為：3.平均值電壓的測量5.誤差分析

②測量非正弦波或失真的正弦波時，引起的波形誤差。以全波平均值表為例，當以平均值表的示值直接作為被測電壓的有效值時，引起的絕對誤差為：引起的相對誤差為：

①用平均值表測量交流電壓會因直流微安表本身的誤差及檢波二極管的老化，超過頻率范圍等而產(chǎn)生誤差。當以平均值表的示值直接作為被測電壓的有效值時，引起的絕對誤差為：引起的相對誤差為：例：用全波平均值電壓表測得三角波電壓的示值為10V，則其平均值為：其有效值為：可見，不管被測非正弦電壓的波形如何，直接將電壓表示值當做被測電壓的有效值將會造成波形誤差。3.平均值電壓的測量

③用平均值電壓表測失真正弦波電壓的誤差分析：設(shè)被測電壓為：其中：Kn為n次諧波幅度相對于基波幅度的百分數(shù)，n諧波次數(shù)(取n＝2或3)；φ

n為n次諧波初相角。被測電壓的平均值

被測電壓的指示值但被測電壓的實際有效值為：測量失真波形電壓誤差：*諧波失真波形誤差可由P79圖3.2.6查得。四、峰值電壓的測量1.結(jié)構(gòu)原理：電路組成如圖所示，被測交流電壓先檢波后放大，然后驅(qū)動直流電流表偏轉(zhuǎn)。該表又稱檢波—放大式電子電壓表.

2.特點：

在峰值電壓表中，檢被器峰值響應(yīng)。由于采用橋式直流放大器，增益不高。這類電壓表靈敏度較低，一般為幾十毫伏。測量電壓的上限取決于檢波二極管的反向擊穿電壓。工作頻率范圍取決于檢波二極管的高頻特性，一般可達幾百兆赫。為了提高檢波一放大式電子電壓表的靈敏度，目前普遍采用斬波式直流放大器，如圖3.2-2(b)所示．其增益較高，噪聲、0點漂移都很小，其最高靈敏度可達幾十微伏。

①檢波電路如圖3.2-19所示。

3.峰值表頭的工作原理串聯(lián)式：倍壓式：~ux(t)RxRCRd＋i充i放~ux(t)RxR＋RdC－i放i充-+~ux(t)RxRC1＋C2Rd2Rd1并聯(lián)式：四、峰值電壓的測量其中：R=107~108Ω、且

②微安表指針偏轉(zhuǎn)角(示值)正比于其輸入電壓峰值，與其波形基本無關(guān)。式中:是被測任意波形電壓的峰值，Ka是定度系數(shù)。

設(shè)正弦有效值電壓為1V時，其峰值電壓：

定度系數(shù):由于儀表刻度采用正弦波有效值定度。即將正比于輸入電壓峰值的指針偏轉(zhuǎn)乘以定度系數(shù)Ka作為儀表刻度值?！嚯妷罕砑诱医涣麟妷篣a時的指示值為：四、峰值電壓的測量4.電壓測量

*根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)，計算其有效值：①正弦量測量-----直讀②非正弦量測量-------首先按“峰值相等----示值也相等”的原則，將示值Ua折算成被測電壓的峰值：方法：四、峰值電壓的測量5.誤差分析四、峰值電壓的測量(1)理論誤差

由于峰值檢波器負載電阻上總要消耗一部分能量，為了維持檢波器正常工作，負載電阻上的電壓一直處于不斷進行充放電的動態(tài)平衡狀態(tài)，其輸出電壓平均值UR總是低于實際峰值。這是峰值檢波器的理論誤差，屬固有誤差。峰值表的誤差來源主要有：理論誤差、頻率誤差、波形誤差經(jīng)數(shù)學(xué)分析可知，當被測電壓為正弦波時產(chǎn)生的理論誤差為：絕對誤差四、峰值電壓的測量(2)頻率誤差峰值表比較適用于高頻測量，因為阻容放電時間變換較快，當工作頻率很低時，T很大，使放電時間增加。在一定的放電時間常數(shù)RC之下，UR之值便降低愈多，誤差也就愈大。為了把低頻誤差控制在一定限度之內(nèi)．工作頻率下限不能太低。如果應(yīng)用在低頻，因為信號周期較長，而產(chǎn)生的頻率相對誤差為：當利用峰值表測量正弦波電壓時，峰值檢波電路對波形的凸起部分非常敏感。若信號失真度較大,將會造成較大的波形誤差。∴在測量諧波失真較大的電壓時，盡量不要選用這種儀表，必須使用時應(yīng)進行誤差修正。如果被測信號是有規(guī)則的非正弦波電壓，與平均值表情況類似，可以進行波形換算，以減小波形誤差，(3)波形誤差3.平均值電壓的測量6.峰值檢波器電壓表這是反相型峰值檢波器。運放Al對輸入信號進行反相放大，VD2為半波檢波二極管，C為存儲電容，A2為電壓跟隨器，具有較高的輸入阻抗，在電容和輸出之間緩沖。電阻R1和R2與電位器RP組成反饋回路，通過調(diào)節(jié)電位器可以改變環(huán)路增益。被測輸入信號<0時，Al的輸出>0；VD2導(dǎo)通，VD1截止時；電容C被充電；使uo跟隨ui。被測輸入信號>0時，Al的輸出<0；VD1導(dǎo)通，VD2截止時；電容C與Al隔離；使uc保持uimax

。

(1)熱電轉(zhuǎn)換法：將交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。

①實現(xiàn)方法利用熱電偶來實現(xiàn)有效值轉(zhuǎn)換的基本電路如圖所示，圖中AB是加熱絲，當接入被測電壓ux時，加熱絲發(fā)熱，熱電偶M的熱端C點的溫度將高于冷端D，E的溫度，∴產(chǎn)生熱電勢；∴有直流電流I流過微安表。②電路實現(xiàn)一例：當分壓器及放大器總傳輸系數(shù)為1時，

Ex＝KUx

2熱電偶M2與M1性能相同，

∴Ef＝K·Uo2當放大器A的增益足夠大時，

ΔE=Ex-Ef≈0；即：K·Uo2-KUx

2≈0Uo≈Ux

可見：輸出直流電壓Uo

與被測電壓的有效值Ux成正比。該電路完成了RMS→DC的線性轉(zhuǎn)換；表盤可均勻刻度。

特點：

*可測任意周期性波形的電壓有效值，同諧波與基波的相角無關(guān)，不會產(chǎn)生波形誤差。*當用正弦波電壓有效值刻度時，表盤刻度是線性的。

*該法頻率范圍受放大器帶寬限制,在測矩形方波時,其高次諧波會受抑制而產(chǎn)生誤差。

*其量程受限于放大器的動態(tài)范圍。當被測電壓波形上的尖蜂過高時．會受到電壓表放大器動態(tài)范圍的限制，因此還