第3章模擬測(cè)量方法(講)

3.1電壓測(cè)量概述1電壓測(cè)量的意義1)電壓測(cè)量是電量測(cè)量的基礎(chǔ)；

2)非電測(cè)量中，物理量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再進(jìn)行測(cè)量

電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.1電壓測(cè)量概述2電壓測(cè)量的特點(diǎn)a.應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍直流（零頻）到數(shù)百兆赫

b.應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y(cè)量范圍

微弱信號(hào)：心電醫(yī)學(xué)信號(hào)、地震波信號(hào)納伏級(jí)，超高壓信號(hào)：電力系統(tǒng)中，數(shù)百千伏電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四c.應(yīng)有足夠高的測(cè)量準(zhǔn)確度電壓測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度可用三種方式表示

1).滿度值的百分?jǐn)?shù)，用于具有線性刻度的模擬電壓表中

2).讀數(shù)值的百分?jǐn)?shù)，用于具有對(duì)數(shù)刻度的電壓表

3).兩者之和，用在線性刻度電壓表中的一種比較嚴(yán)格的準(zhǔn)確度表征

3.1電壓測(cè)量概述電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四d.應(yīng)有足夠高的輸入阻抗電壓表的輸入阻抗是被測(cè)電路的額外負(fù)載，為減小測(cè)量?jī)x表在接入時(shí)對(duì)被測(cè)電路的分壓影響，希望儀器具有較高輸入阻抗e.應(yīng)有足夠高的抗干擾能力工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，有較大的干擾電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四e.能夠測(cè)量各種波形的電壓。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.1電壓測(cè)量概述3電壓測(cè)量的方法和分類電壓測(cè)量方法的分類按對(duì)象：直流電壓測(cè)量；交流電壓測(cè)量按技術(shù)：模擬測(cè)量；數(shù)字測(cè)量電壓測(cè)量?jī)x器的分類模擬式電壓表；數(shù)字式電壓表電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量1表征交流電壓的基本參量峰值、平均值、有效值、波峰系數(shù)和波形系數(shù)。(1)峰值以零電平為參考的最大電壓幅值（用Up表示）。注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱為振幅（通常用Um表示）。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量(2)平均值（均值）數(shù)學(xué)上定義為：

相當(dāng)于交流電壓u(t)的直流分量。（與信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān)）交流電壓測(cè)量中，平均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后的波形（一般若無特指，均為全波整流）：對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四定義：表達(dá)式：

3.2交流電壓的測(cè)量(3)有效值意義：有效值在數(shù)學(xué)上即為均方根值。有效值反映了交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量(4)波峰系數(shù)和波形系數(shù)波峰系數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用KP表示，波形系數(shù)定義：有效值與平均值的比值，用KF

表示，電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量常見波形的波峰因數(shù)和波形因數(shù)可查表得到：如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方波：Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 鋸齒波：Kp=1.73，KF=1.15； 脈沖波：Kp=，KF=，為脈沖寬度，T為周期

白噪聲：Kp=3（較大），KF=1.25。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量2.交流電壓的測(cè)量方法

模擬電壓表:(最主要的測(cè)量方法、儀器）

檢波器：實(shí)現(xiàn)交流電壓測(cè)量（AC-DC變換）的核心部件。放大器：為了測(cè)量小信號(hào)電壓，也是電壓表中不可缺少的部件。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四組成方案有兩種類型： 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。目的：為了獲得兩個(gè)重要指標(biāo)：帶寬和靈敏度(分辨力)電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量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。檢波-放大式電壓表a.組成框圖;b.提高靈敏度電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量放大-檢波式電壓表先放大再檢波，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(nèi)部噪聲限制。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四有效值電壓表：熱電轉(zhuǎn)換法；公式法外差式電壓表原理：外差式接收原理。是解決靈敏度和頻率范圍的一種方法。3.2交流電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量特點(diǎn):

由于外差測(cè)量法的中頻是固定不變的，中頻放大器有良好的選擇特性，這樣就解決了放大器的增益與帶寬的矛盾。且可以削弱噪聲的影響。應(yīng)用小信號(hào)電壓的測(cè)量以及從噪聲中測(cè)量有用信號(hào)。放大器諧波失真的測(cè)量、濾波器衰耗特性測(cè)量及通信傳輸系統(tǒng)中。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四1)平均值檢波原理

a.由二極管橋式整流（全波整流和半波整流）電路完成。如圖，整流電路輸出直流電流I0，其平均值與被測(cè)輸入電壓u(t)的平均值成正比（與u(t)的波形無關(guān)）。 （電容C用于濾除整流后的交流成分，避免指針擺動(dòng)）3.平均值電壓的測(cè)量3.2交流電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四2)電壓表工作原理均值響應(yīng)，即：u(t)放大均值檢波驅(qū)動(dòng)表頭3.2交流電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四

3.2交流電壓的測(cè)量

3)刻度特性表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此：當(dāng)輸入u(t)為正弦波時(shí)，讀數(shù)α即為u(t)的有效值U（而不是該純正弦波的均值）。對(duì)于非正弦波的任意波形，讀數(shù)α沒有直接意義（既不等于其均值也不等于其有效值U）。但可由讀數(shù)α換算出均值和有效值。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四由讀數(shù)α換算出均值和有效值的換算步驟如下：第一步，把讀數(shù)α想象為有效值等于α的純正弦波輸入時(shí)的讀數(shù)，即第二步，由計(jì)算該純正弦波均值第三步，假設(shè)均值等于的被測(cè)波形（任意波）輸入，即

注：“對(duì)于均值電壓表，（任意波形的）均值相等，則讀數(shù)相等”。第四步，由，再根據(jù)該波形的波形系數(shù)（查表可得），其有效值3.2交流電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四上述過程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下：上式表明，對(duì)任意波形，欲從均值電壓表讀數(shù)α得到有效值，需將α乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數(shù)α即為正弦波的有效值）。3.2交流電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四綜上所述，對(duì)于任意波形而言，均值電壓表的讀數(shù)α沒有直接意義，由讀數(shù)α到均值和有效值需進(jìn)行換算，換算關(guān)系歸納如下： 式中，α為均值電壓表讀數(shù)，KF為波形系數(shù)。波形誤差。若將讀數(shù)α直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差3.2交流電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四例：用平均值表（全波式）分別測(cè)量方波及三角波電壓，電壓表均指在10V位置，問被測(cè)電壓的有效值分別是多少？對(duì)于方波，先將示值（10V）折算成正弦波的平均值再用波形系數(shù)換算成有效值。對(duì)于三角波，因示值與方波相同，表明它的平均值也是9V,有效值3.2交流電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量誤差分析電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量1）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(duì)u(t)平方小信號(hào)時(shí)二極管正向伏安特性曲線可近似為平方關(guān)系。缺點(diǎn)：精度低且動(dòng)態(tài)范圍小。因此，實(shí)際應(yīng)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。5有效值電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量2）利用模擬運(yùn)算的集成電路檢波原理圖通過多級(jí)運(yùn)算器級(jí)連實(shí)現(xiàn) 模擬乘法器（平方）—〉積分—〉開方—〉比例運(yùn)算。單片集成TRMS/DC電路，如AD536AK等。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量3）利用熱電偶有效值檢波熱電效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。熱電效應(yīng)原理圖當(dāng)熱端T和冷端T0存在溫差時(shí)（即T≠T0），則存在熱電動(dòng)勢(shì)，且熱電動(dòng)勢(shì)的大小與溫差ΔT=T-T0成正比。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量熱電偶： 將兩種不同金屬進(jìn)行特別封裝并標(biāo)定后，稱為一對(duì)熱電偶（簡(jiǎn)稱熱偶）。熱電偶溫度測(cè)量原理：若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過熱電動(dòng)勢(shì)就可得到熱端（被測(cè)溫度點(diǎn)）的溫度。熱電偶有效值檢波原理： 若通過被測(cè)交流電壓對(duì)熱電偶的熱端進(jìn)行加熱，則熱電動(dòng)勢(shì)將反映該交流電壓的有效值，從而實(shí)現(xiàn)了有效值檢波。如下圖。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量熱電偶有效值檢波原理圖圖中，直流電流I與被測(cè)電壓u(t)的有效值U的關(guān)系：電流I∝?zé)犭妱?dòng)勢(shì)∝?zé)岫伺c冷端的溫差，而熱端溫度∝u(t)功率∝u(t)的有效值U的平方，故電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量1）峰值檢波原理：4.峰值電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量熱電偶有效值檢波原理圖圖中，直流電流I與被測(cè)電壓u(t)的有效值U的關(guān)系：電流I∝?zé)犭妱?dòng)勢(shì)∝?zé)岫伺c冷端的溫差，而熱端溫度∝u(t)功率∝u(t)的有效值U的平方，故電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量表頭刻度線性化處理：采用兩對(duì)相同的熱電偶，分別稱為測(cè)量熱電偶和平衡熱電偶，如下圖。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四上圖中，通過平衡熱偶形成一個(gè)電壓負(fù)反饋系統(tǒng)。測(cè)量熱偶的熱電動(dòng)勢(shì)Ex∝U2，令Ex=k1U2

； 平衡熱偶的熱電動(dòng)勢(shì)Ef∝U02，及Ef=k2U02

； 假如兩對(duì)熱偶具有相同特性，即k1=k2=k，==〉

則差分放大器輸入電壓Ui=Ex-Ef=k(U2-U02)， 若放大器增益足夠大，則有Ui=0，==〉 U0=U（即輸出電壓等于u(t)有效值）3.2交流電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量有效值電壓表的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：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(guān)）。比如，對(duì)非正弦波，可視為由基波和各次諧波構(gòu)成，若其有效值分別為U1、U2、U3、……，則讀數(shù)不足：下面兩種情況使讀數(shù)偏?。孩賹?duì)于波峰系數(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”；②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(diǎn)：受環(huán)境溫度影響較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。實(shí)際應(yīng)用：常采用峰值或均值電壓表測(cè)有效值。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量1）峰值檢波原理：4.峰值電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四當(dāng)V1〉V。時(shí)：

信號(hào)由（+）端加入，OPA的輸出Va為正電壓，二級(jí)管D導(dǎo)通，于是輸出電流經(jīng)D對(duì)電容C充電一直充至與Vi相等之電壓。

（當(dāng)D導(dǎo)電時(shí)此電路作用如同—電壓跟隨器）當(dāng)V1〈V。時(shí)：

OPA的輸出Va為逆向偏壓，相當(dāng)于開路，于是電容C既不充電也不放電，維持于輸入之最大值電壓右圖為輸出與輸入的充放電情形，其中輸出波形V。，一直保持在輸入波形Vi的最大峰值。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量2）峰值電壓表工作原理：峰值響應(yīng)，即：u(t)峰值檢波放大驅(qū)動(dòng)表頭3）刻度特性：表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此： 當(dāng)輸入u(t)為正弦波時(shí)，讀數(shù)α即為u(t)的有效值U（而不是該純正弦波的峰值Up）。

對(duì)于非正弦波的任意波形，讀數(shù)α沒有直接意義（既不等于其峰值Up也不等于其有效值U）。但可由讀數(shù)α換算出峰值和有效值。4.峰值電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量由讀數(shù)α換算出峰值和有效值的換算步驟如下：第一步，把讀數(shù)α想象為有效值等于α的純正弦波輸入時(shí)的讀數(shù)，即第二步，將U~轉(zhuǎn)換為該純正弦波的峰值第三步，假設(shè)峰值等于Up~的被測(cè)波形（任意波）輸入，即

注：“對(duì)于峰值電壓表，（任意波形的）峰值相等，則讀數(shù)相等”。第四步，由，再根據(jù)該波形的波峰系數(shù)（查表可得），其有效值電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量上述過程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下：該式表明：對(duì)任意波形，欲從讀數(shù)α得到有效值，需將α乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數(shù)α即為正弦波的有效值）。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量綜上所述，對(duì)于任意波形而言，峰值電壓表的讀數(shù)α沒有直接意義，由讀數(shù)α到峰值和有效值需進(jìn)行換算，換算關(guān)系歸納如下：

電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.2交流電壓的測(cè)量

式中，α為峰值電壓表讀數(shù)，Kp為波峰系數(shù)。波形誤差。若將讀數(shù)α直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差。電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四例:用峰值表分別測(cè)量方波及三角波電壓，電壓表均指在5V位置，問被測(cè)電壓有效值是多少？對(duì)于方波，3.2交流電壓的測(cè)量對(duì)于三角波，電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四6.脈沖電壓的測(cè)量3.2交流電壓的測(cè)量脈沖電壓表的原理電容器C充電時(shí)放電時(shí)電路平衡時(shí)Q1=Q2電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四理論誤差代入U(xiǎn)p后得3.2交流電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四定義：電子測(cè)量中，習(xí)慣上把信號(hào)電壓以外的電壓統(tǒng)稱為噪聲。產(chǎn)生：電子電路中，各種元器件內(nèi)部帶電質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則造成的現(xiàn)象。分類：

熱噪聲：材料一定溫度下，內(nèi)部微粒不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生

散粒噪聲：電荷運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)產(chǎn)生的晶體管噪聲

白噪聲：各頻率能量分布均勻的光稱為白光性質(zhì)：隨機(jī)信號(hào)、波形非周期、變化無規(guī)律3.3噪聲電壓的測(cè)量1噪聲的基本特性電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四采用平均值表測(cè)量。波形系數(shù)有效值注意問題：①選用表頻率范圍盡量寬②利用量程開關(guān)，克服“削波”現(xiàn)象2噪聲電壓的測(cè)量3.3噪聲電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3器件噪聲的測(cè)量3.3噪聲電壓的測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.3噪聲電壓的測(cè)量正弦信號(hào)法噪聲發(fā)生器法電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.3噪聲電壓的測(cè)量噪聲帶寬的測(cè)量正弦信號(hào)法電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四3.3噪聲電壓的測(cè)量噪聲發(fā)生器法信噪比的測(cè)試電子測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有63頁(yè)\編輯于星期四1.分貝的數(shù)學(xué)定義：聲學(xué)中，分貝