電子測量與儀器課件

電子測量與儀器書名：電子測量與儀器書號：978-7-111-50266-1作者：李宗寶出版社：機械工業(yè)出版社目錄第1章電子測量與儀器的基本認識第2章測量用的信號發(fā)生器第3章電壓測量與儀器第4章頻率和時間測量及儀器第5章示波器測量技術(shù)與儀器應(yīng)用第6章電子元器件參數(shù)測量與儀器第7章頻域測量與儀器第8章數(shù)據(jù)域測量與儀器第9章自動測量技術(shù)

用數(shù)字萬用表測量市電的交流電壓電壓測量與儀器的使用相關(guān)的知識與技能。1）電壓測量的基本要求、交流電壓的表征、電子電壓表的分類。2）直流電流的測量、直流電壓的測量。3）模擬式交流電壓表、低頻交流電壓表、高頻交流電壓表（峰值交流電壓表）。4）數(shù)字電壓表主要技術(shù)指標、A-D轉(zhuǎn)換器。5）萬用表、電壓表的使用。掌握交流電壓的表征，掌握模擬式交流電壓表,數(shù)字電壓表的核心構(gòu)成及工作原理。掌握DA-16型晶體管毫伏表是以測正弦波時的有效值來刻度的。理解模擬式和數(shù)字式萬用電表的基本原理。掌握模擬式和數(shù)字式萬用表的面板結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能和測量技能。熟練使用萬用表進行參數(shù)測量。第3章電壓測量與儀器

任務(wù)引領(lǐng)：主要內(nèi)容：學(xué)習(xí)目標：3.1電壓測量的要求與分類

電壓是電子測量技術(shù)中最基本的電參數(shù)之一，電子設(shè)備的許多工作特性，都可視為電壓的派生量；而電子設(shè)備的各種控制信號、反饋信號、報警信號等，往往也直接表現(xiàn)為電壓量；電壓測量是電子測量的基本任務(wù)之一。測量電壓所采用的儀器主要是電子電壓表。模擬式和數(shù)字式兩種電壓表。1.頻率范圍寬2.量程寬3.輸入阻抗高4.抗干擾能力強5.測量精確度高3.1.1電壓測量的基本要求電壓表精確度表示方法:（1）滿度值的百分數(shù)±β%Um:具有線性刻度模擬式電壓表采用，±β%為滿度相對誤差，Um為電壓表滿刻度值。（2）讀數(shù)值的百分數(shù)±α%Ux:具有對數(shù)刻度電壓表采用，±α%為讀數(shù)相對誤差，Ux為電壓表測量讀數(shù)值。（3）±(α%Ux+β%Um):數(shù)字電壓表采用。6.被測電壓波形種類多應(yīng)根據(jù)電壓表類型和電壓波形確定被測電壓大小。3.1.1電壓測量的基本要求3.1.2電壓測量儀器的分類1.模擬式電壓表指針式電壓表：用磁電式直流電流表作為指示器2.數(shù)字式電壓表經(jīng)A/D將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號

各有千秋

模擬式電壓表----直觀，一目了然數(shù)字式電壓表----精度高，輸入阻抗高分類：模擬式、數(shù)字式3.1.2電壓測量儀器的分類

1.模擬電壓表的類型直流電壓表用于測量直流電壓，交流電壓表用于測量交流電壓。交流電壓表測量必須進行AC/DC轉(zhuǎn)換檢波器分類：均值、峰值和有效值檢波器交流電壓表分類：均值、峰值和有效值電壓表交流電壓表按頻率范圍分類：超低頻電壓表（低于10Hz）、低頻電壓表（低于1MHz）、視頻電壓表（低于30MHz）、高頻或射頻電壓表（低于300MHz）和超高頻電壓表（高于300MHz）交流電壓表按結(jié)構(gòu)不同分類：放大—檢波式、檢波—放大式和外差式（1）檢波—放大式電壓表檢波器衰減器直流放大器被測輸入（a）衰減器檢波器交流放大器（b）被測輸入μAμA圖3-1檢波—放大式電壓表組成框圖3-2放大—檢波式電壓表組成框圖（1）檢波—放大式電壓表特點：頻率范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器。這種表的頻率范圍從幾十赫茲至數(shù)百兆赫茲，甚至可達1GHz，輸入阻抗也比較大，一般稱之為高頻毫伏表或超高頻毫伏表。為了使測量靈敏度不受直流放大器零點漂移等的影響，一般利用調(diào)制式（即斬波式）直流放大器放大檢波后的直流信號。1.模擬式電壓表（2）放大—檢波式電壓表缺點：由于寬帶放大器增益與帶寬的矛盾使放大—檢波式電壓表的頻寬難以擴展，靈敏度也受到內(nèi)部噪聲和外部干擾的限制。頻率范圍一般為20Hz～10MHz，靈敏度達毫伏級，通常稱之為視頻毫伏表，多用在低頻、視頻場合。（3）外差式電壓表（選頻電壓表或測量接收機）輸入電路混頻器中頻交流放大器圖3-3外差式電壓表組成框圖被測輸入均值檢波器本振（3）外差式電壓表特點1：因外差式電壓表用混頻器將輸入信號變?yōu)楣潭ㄖ蓄l信號后進行交流放大，可以較好地解決交流放大器增益與帶寬的矛盾，靈敏度可以提高到微伏級。特點2：頻率范圍取決于本振頻率范圍，但當(dāng)本振頻率很高時，不僅對本振電路的屏蔽要求更高，而且電壓表造價也要提高。若屏蔽不良，本振會對電壓表產(chǎn)生干擾而降低測量準確度。所以一般為高頻電壓表而不是超高頻電壓表。表3-1三種結(jié)構(gòu)形式電壓表的性能比較結(jié)構(gòu)形式靈敏度頻帶寬度電壓表類型放大-檢波式稍低較窄高頻毫伏表、視頻毫伏表檢波-放大式稍高很寬超高頻毫伏表外差式很高很寬高頻微伏表輸入電路A/D變換器計數(shù)器圖3-4數(shù)字電壓表組成框圖被測輸入寄存顯示電路邏輯控制電路模擬電路數(shù)字邏輯電路顯示電路2.數(shù)字式電壓表DVM分類1：直流、交流。直流DVM+交直流變換器=交流數(shù)字電壓表。分類2：積分式、比較式和復(fù)合式。應(yīng)用較多的是雙積分式DVM，其次是逐次比較式DVM，另有三次積分式DVM。組成：模擬電路、數(shù)字邏輯電路、顯示電路2.數(shù)字式電壓表DVM特點：測量準確度高、分辨力強、測速快、輸入阻抗高、過載能力強、抗干擾能力強。注意：數(shù)字式電壓表不能完全代替模擬式電壓表。3.1.3交流電壓的參數(shù)及表征方法

1.交流電壓的表征包括平均值、峰值、有效值U以及波形因數(shù)KF、波峰因數(shù)KP。(1)平均值

平均值簡稱為均值，是指波形中的直流成分。交流電壓的平均值特指交流電壓經(jīng)過均值檢波后波形的平均值。(2)峰值交流電壓的峰值是指交流電壓在一個周期內(nèi)（或一段時間內(nèi)）以零電平為參考基準的最大瞬時值，記為（或UP），分為正峰值（或UP+）和負峰值(或UP-)。圖3-5交流電壓的峰值、振幅值波形圖(3)有效值U交流電壓的大小通常是指它的有效值U，有效值又稱為均方根值，是根據(jù)它的物理定義來確定的。(4)波形因數(shù)KF交流電壓的波形因數(shù)KF定義為交流電壓的有效值U與平均值之比，即(5)波峰因數(shù)KP交流電壓的波峰因數(shù)KP定義為交流電壓的峰值與有效值U之比，即表3-2常見波形的波形因數(shù)和波峰因數(shù)

A/A/名稱UKFKP正弦波①A0.637A1.11方波②AAA11三角波③AA/2圖3-6三種波形圖3.2.1低頻交流電壓表：放大-檢波式1.均值電壓表-晶體管毫伏表檢波器類型：均值檢波器均值檢波器特性：輸出直流電壓（即檢波后波形平均值）與輸入交流電壓平均值成正比。響應(yīng)特性定義：檢波器輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系。電壓表特性：均值電壓表指針偏轉(zhuǎn)角度與被測交流電壓平均值成正比。均值電壓表以均值檢波器作為交直流變換器。3.2模擬交流電壓表

（1）均值檢波器

圖3-7均值檢波器原理圖

（2）刻度特性均值電壓表是按照正弦波電壓有效值定度的。是指在均值檢波器的輸入端加上不同的波形，表頭指針偏轉(zhuǎn)響應(yīng)于平均值，而在表頭的刻度盤上一律按照正弦波的有效值進行標度。均值電壓表的定度系數(shù)，記作

如果被測信號是正弦波，示值Uα為有效值。如果被測信號是非正弦波，則必須進行“波形換算”。【例3-1】用均值電壓表測量正弦波、三角波、方波電壓時，已知電壓表的讀數(shù)均為10V，試分別計算正弦波、三角波、方波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？

解：測量正弦波時：測量三角波時：測量方波時：（3）均值電壓表的組成

圖3-8放大-檢波式電壓表原理框圖

（4）誤差分析如果被測信號是非正弦波，直接將電壓表的示值作為被測電壓的有效值帶來的誤差稱為“波形誤差”或“示值誤差”。測方波時，波形誤差為

測三角波時，波形誤差為

2.有效值電壓表刻度特性：Uα≡Ux，是真有效值電壓表。滿足特性：只要電路的輸出特性曲線具有平方律特性，該電路就可以實現(xiàn)有效值檢波。特性：電壓表的刻度是非線性的有效值檢波器

3．典型儀器—DA-16型晶體管毫伏表

（1）面板

①顯示窗口②機械調(diào)零電位器③電源指示燈④量程開關(guān)⑤電源開關(guān)⑥電氣調(diào)零旋鈕⑦輸入端口（2）主要技術(shù)指標1）電壓測量范圍：100μV～300V，量程分為1mV、3mV、10mV、30mV、100mV、300mV；1V、3V、10V、30V、100V、300V，共十二檔級。2）電平測量范圍：-72～+32dB（600Ω）。3）工作頻率范圍：20Hz～1MHz。4）固有誤差：≤±3%（基準頻率1kHz）。5）頻率響應(yīng)誤差：頻率范圍在100Hz～100kHz時，頻率響應(yīng)誤差≤±3%；頻率范圍在20Hz～1MHz時，頻率響應(yīng)誤差≤±5%。6）工作誤差極限：≤±8%。7）輸入阻抗：工作頻率為1kHz時輸入阻抗大于1MΩ。輸入電容：在1～300mV各檔時輸入電容約為70pF，在1～300V各檔時輸入電容約為50pF。8）使用電源：220（1±10%）V，50（1±4%）Hz，功耗為3W。（3）操作方法及注意事項①通電前，進行機械調(diào)零，使表指針指準零位。②接通電源待表指針擺動數(shù)次至穩(wěn)定后，將輸入線短接進行電氣調(diào)零。③測量時，被測信號由“輸入“端口送入，先連通地線，再接測試線。④量程合適，盡量使表指針在滿量程的2/3以上區(qū)域，未知時，量程放到最大擋位，逐漸減小量程至合適位置，以免打壞表針。⑤表讀數(shù)要根據(jù)指針位置和量程擋位來進行。⑥測量交流電壓中的直流分量不得超過300V。⑦測量市電，相線接輸入端，中線接地，不可接反；測36V以上電壓，機殼帶電，以防觸電。⑧測量完畢，將量程置于最大量程處，按順序拆線，斷電。3.2.2高頻交流電壓表：檢波-放大式

1．峰值電壓表-超高頻毫伏表檢波器：峰值檢波器峰值檢波器特性：輸出的直流電壓與輸入交流電壓的峰值成正比。結(jié)論：峰值電壓表指針偏轉(zhuǎn)角度與被測交流電壓的峰值成正比峰值電壓表以峰值檢波器作為交直流變換器。

（1）峰值檢波器圖3-10常見峰值檢波器（2）刻度特性峰值電壓表也是按照正弦波有效值進行定度的。是指在峰值檢波器的輸入端加上不同的波形，表頭指針偏轉(zhuǎn)響應(yīng)于峰值，而在表頭的刻度盤上一律按照正弦波的有效值進行標度。峰值電壓表的定度系數(shù)，記作如果被測信號是正弦波，示值Uα為有效值。如果被測信號是非正弦波，則必須進行“波形換算”?！纠?-2】用峰值電壓表測量正弦波、三角波、方波電壓，已知電壓表的讀數(shù)均為20V，試分別計算正弦波、三角波、方波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？解：測量正弦波時：測量三角波時：測量方波時：

（3）峰值電壓表的組成

如果被測信號是非正弦波，直接將電壓表的示值作為被測電壓的有效值帶來的誤差稱為“波形誤差”或“示值誤差”。圖3-11峰值電壓表的組成（4）誤差分析

測電壓為三角波時誤差為

測電壓為方波時誤差為

2．典型儀器——DA22B型超高頻毫伏表（1）面板①顯示窗口②機械調(diào)零電位器③量程開關(guān)④電源開關(guān)⑤電源指示燈⑥輸入端口⑦校準輸出端口⑧校準按鈕⑨電氣調(diào)零旋鈕⑩校準調(diào)節(jié)旋鈕圖3-12DA22B超高頻晶體管毫伏表面板圖（2）主要技術(shù)指標

1）測量電壓范圍交流電壓的測量范圍為1mV～10V。量程為：3mV，10mV，30mV，100mV，300mV，1V，3V，10V共八檔。2）測量電壓的頻率范圍被測電壓頻率范圍為10KHz～500MHz。3）輸入阻抗在100KHz時，輸入電阻大于50KΩ，輸入電容在100MHz時小于2pF。4）基本準確度：±2%。5）基準條件下的頻率影響誤差(100kHz)（3）使用方法及注意事項

1）先進行機械調(diào)零。2）通電，預(yù)熱15分鐘，將檢波頭電纜插入“輸入”插座內(nèi)，并將探頭的芯線和地線短路，進行電氣調(diào)零；然后將探頭插入“校準輸出”插孔，轉(zhuǎn)動“校準”旋鈕進行校準，使指針滿刻度，方可進行測量。3）測量高頻信號從“輸入”端口接入，選擇合適測量擋位，對應(yīng)量程讀出數(shù)值。4）測量高于10V電壓時，先校準，將高頻探測器插入100∶1分壓器測量，讀出指示值后倍乘100。5）當(dāng)調(diào)零正常，信號加不進時，一般是探測器損壞，先檢查電容是否脫焊、破裂，檢查檢波二極管是否開路失效。表3-3三種電子電壓表主要特性比較電壓表組成原理主要適用場合實測讀數(shù)Uα讀數(shù)Uα的物理意義正弦波非正弦波均值放大-均檢低頻信號、視頻信號均值U-1.11U-有效值UU=KFU-峰值峰檢-放大高頻信號峰值UP0.707UP有效值UU=UP/KP有效值熱電偶式、計算式非正弦信號有效值UU真有效值U1．分類按用途分：直流數(shù)字電壓表、交流數(shù)字電壓表和數(shù)字萬用表按A/D轉(zhuǎn)換器的原理分：比較式、積分式和復(fù)合式。2．主要技術(shù)指標電壓測量范圍分辨力測量速度輸入特性測量誤差抗干擾能力3.3數(shù)字電壓表（DVM）3.3.1數(shù)字電壓表主要技術(shù)指標（1）測量范圍包括顯示位數(shù)、量程和超量程能力。①量程是以基本量程為基礎(chǔ)，常為1V或10V，也有2V或5V。②顯示位數(shù)指能顯示0～9共十個數(shù)碼的位數(shù)。?位指最高位只能取“1”或“0”。?位和基本量程結(jié)合起來，能說明DVM有無超量程能力。例如某3?位DVM基本量程為1V，該DVM具有超量程能力。最高位只能取0~5的位稱為?位。5?位DVM指數(shù)字電壓表的最大顯示為599999。（2）分辨力指DVM能夠顯示被測電壓的最小變化值，即最小量程時顯示器末位跳一個字所需的最小輸入電壓。通常以最小量程的分辨率作為數(shù)字萬用表的分辨率。例如，4位DMM在1V、10V量程上的分辨率分別為0.0001V、0.001V，則DMM的分辨率為0.0001V。例如SX1842DVM最小量程20mV，最大顯示數(shù)為19999V，其分辨力為20mV/19999，即1V。Ux——測量示值；Um——滿量程值；a%Ux——讀數(shù)誤差；b%Um——滿度誤差?！纠?-3】五位數(shù)字電壓表（DVM）在10V量程測得電壓為8V，已知ΔU=±（0.005%Ux+0.004%Um），求讀數(shù)誤差、滿度誤差和固有誤差各是多少？滿度誤差相當(dāng)于幾個字？（3）測量誤差-固有誤差DVM的固有誤差通常用絕對誤差表示：

解：經(jīng)分析得知，電壓表分辨率為±0.0001V。讀數(shù)誤差為：±α%Ux=±0.005%Ux=±0.005%×8V=±0.0004V滿度誤差為：±β%Um=±0.004%Um=±0.004%×10V=±0.0004V滿度誤差相當(dāng)于：n=±0.0004V/（±0.0001V）=±4字固有誤差為：ΔU=±（α%Ux+β%Um）=±（0.0004V+0.0004V）=±0.0008V3.3.2

A-D轉(zhuǎn)換器直流數(shù)字電壓表是許多數(shù)字式電測儀表的核心部件。直流數(shù)字電壓表的核心是A-D轉(zhuǎn)換器。雙積分式A-D轉(zhuǎn)換器以及逐次比較式A-D轉(zhuǎn)換器。

1．雙積分式A-D轉(zhuǎn)換器工作原理：將被測電壓與基準電壓的比較通過正、反兩次積分變換為兩個時間段的比較，積分正向積分為定時積分，反向積分為定值積分，時間段又與電壓成正比，時間段的長短則由計數(shù)器來測定，由此計數(shù)器所得的數(shù)字量即A-D變換的結(jié)果。

圖3-13雙積分式A-D轉(zhuǎn)換器原理框圖雙積分式A-D轉(zhuǎn)換器的工作過程分為準備、取樣和比較三個階段。

圖3-14雙積分式A-D轉(zhuǎn)換器工作波形雙積分式A/D變換器具有穩(wěn)定性好，準確度高，抗干擾能力強等優(yōu)點。積分式A/D變換器的轉(zhuǎn)換速度快不了，決定了其測量速度慢，它的轉(zhuǎn)換速度一般低于20次/s雙積分型DVM特點：2．逐次比較式A-D轉(zhuǎn)換器

工作原理：將被測電壓Ux與分級可變基準電壓UB逐一進行比較，順序是從大到小，若UB<Ux，則將保留UB，否則舍棄；然后將下一級基準電壓加到保留的基準電壓上，再作為基準電壓與比Ux較，直到累加到最后的基準電壓，則最后的累加結(jié)果即為被測電壓值，對應(yīng)的被測電壓值用二進制數(shù)表示。圖3-15逐次比較式A-D轉(zhuǎn)換器原理框圖逐次比較DVM特點：變換速度快、準確度高。但抗干擾能力差。3.4數(shù)字萬用表3.4.1

數(shù)字萬用表的功能特點

數(shù)字萬用表又稱數(shù)字多用表（DMM）1.功能特點

（1）功能多（2）指標高（3）用途廣2．?dāng)?shù)字萬用表的構(gòu)成圖3-16數(shù)字萬用表組成框圖3.4.2典型儀器——DT9205型數(shù)字萬用表1．面板①為電源開關(guān)②為LCD顯示器③為功能和量程轉(zhuǎn)換開關(guān)④為電壓、電阻和二極管測試插口⑤為公共插口⑥為0.2A電流測試插口⑦為20A電流測試插口⑧為電容測試插口⑨為hFE測試插座。2．主要技術(shù)指標

測試功能量程準確度：±（%讀數(shù)±字數(shù)）直流電壓200mV、2V、20V、200V1000V±（0.5%讀數(shù)+3）±（0.8%讀數(shù)+3）交流電壓200mV2V、20V、200V750V±（1.2%讀數(shù)+3）±（0.8%讀數(shù)+3）±（1.2%讀數(shù)+3）直流電流2mA、20mA200mA20A±（0.8%讀數(shù)+2）±（1.2%讀數(shù)+2）