電子測(cè)量與儀器 第五章 電壓測(cè)量-數(shù)字萬用表1

第五章電壓測(cè)量─數(shù)字萬用表Ⅰ5.1電壓測(cè)量概述5.2模擬直流電壓測(cè)量5.3電壓的表征和測(cè)量5.4電壓的數(shù)字式測(cè)量5.5數(shù)字多用表儀器科學(xué)與工程系檔位：直流電壓，交流電壓，直流電流，交流電流，電阻，電容，晶體管檔位切換量程自動(dòng)選擇5.1電壓測(cè)量概述

電壓測(cè)量包括直流測(cè)量和交流測(cè)量，以及其延伸出來的電流測(cè)量、電阻測(cè)量等。電壓測(cè)量的特點(diǎn)：1、頻率范圍包括直流，交流(10-6~109Hz)。頻段不同，測(cè)量方法手段也不同。2、測(cè)量范圍測(cè)量電壓范圍低至幾十μV，上限可達(dá)幾十kV。測(cè)量電壓低，要求電壓表具有較高的分辨力，測(cè)量電壓高，要加入分壓網(wǎng)絡(luò)，這會(huì)降低電壓表的輸入阻抗。3、輸入阻抗電子測(cè)量?jī)x器的輸入阻抗就是被測(cè)電路的額外負(fù)載。為減小測(cè)量?jī)x器對(duì)被測(cè)量的影響，要求儀器具有很高的輸入阻抗。4、抗干擾能力儀器工作在高靈敏度時(shí)，干擾會(huì)引入測(cè)量誤差。5、測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)量準(zhǔn)確度受被測(cè)電壓的頻率、波形等因素影響，在不同條件下準(zhǔn)確度的差異較大。不同參數(shù)的測(cè)量,其準(zhǔn)確度相差很大。電壓值的基準(zhǔn)是直流標(biāo)準(zhǔn)電壓。利用數(shù)字電壓表可使直流電壓測(cè)量精度優(yōu)于10-7量級(jí)。交流電壓測(cè)量精度要低得多，在10-2～10-4量級(jí)。受AC/DC變換影響，高頻時(shí)電路分布參數(shù)影響不容忽視。準(zhǔn)確度的表示方法：

①滿度的百分?jǐn)?shù)---β%Um②讀數(shù)值的百分?jǐn)?shù)---

α%Ux③滿度百分?jǐn)?shù)+讀數(shù)百分?jǐn)?shù)---α%Ux+β%Um第一種是比較通用的，用于具有線性刻度的電壓表；第二種在對(duì)數(shù)刻度電壓表中用得多；第三種用于線性刻度電壓表，是一種較嚴(yán)格的準(zhǔn)確度表示方法，常用在數(shù)字電壓表中。在數(shù)字電壓表中常有“幾位半”，誤差是“幾個(gè)字”的說法，指的是數(shù)字電壓表的精度和誤差。具體含義在DVM中敘述。電壓測(cè)量?jī)x器的分類：1、按頻率范圍分直流電壓表，交流電壓表。交流電壓表又分低、高、超高等不同頻段。2、按測(cè)量功能分類分為直流電壓表、交流電壓表和脈沖電壓表。其中脈沖電壓表用于測(cè)量脈沖間隔很長(zhǎng)的脈沖，一般情況下脈沖電壓的測(cè)量已逐漸被示波器測(cè)量所取代。3、按測(cè)量技術(shù)分類模擬式電壓測(cè)量和數(shù)字式電壓測(cè)量。4、按測(cè)量電壓量級(jí)分類分為電壓表和毫伏表。電壓表的主量程為V(伏)量級(jí)，毫伏表的主量程mV(毫伏)量級(jí)。主量程是指不加分壓器或外加前置放大器時(shí)電壓表的量程5.2模擬直流電壓測(cè)量一、表頭動(dòng)圈式電壓表表頭，其工作原理是利用載流導(dǎo)體與磁場(chǎng)間的作用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使導(dǎo)體框架轉(zhuǎn)動(dòng)而帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)。其偏轉(zhuǎn)角度正比于流過線圈的被測(cè)電流大小。圖中虛框內(nèi)為一直流動(dòng)圈式高靈敏度電流表，內(nèi)阻為Re，滿偏電流(或滿度電流)為Im，若作為直流電壓表，滿度電壓：ImRe表頭等效電路二、擴(kuò)大量程的測(cè)量方法動(dòng)圈中容許通過的電流很小，例如滿偏電流為50μA，電流表內(nèi)阻為20kΩ，則滿偏電壓為1V。為了擴(kuò)大量程，通常采用并聯(lián)分流法(擴(kuò)大電流測(cè)量范圍)或串接倍壓電阻(擴(kuò)大電壓測(cè)量范圍)。

ImReRs并聯(lián)分流法I串接倍壓電阻擴(kuò)大測(cè)量范圍除了不串接倍壓電阻的最小電壓量程U0外，又增加了三個(gè)電壓量程U1、U2、U3，對(duì)應(yīng)三個(gè)量程，所串三個(gè)電阻的阻值分別為：ImReR1R2R3U0U1U2U3電壓靈敏度通常把電壓表的內(nèi)阻與量程之比定義為電壓表的電壓靈敏度（Ω/V）。電壓表在不同檔位/量程，其內(nèi)阻是不同的?？梢杂呻妷红`敏度，算出在不同檔位時(shí)的內(nèi)阻。用普通電壓表測(cè)量高輸出電阻的直流電壓如果用內(nèi)阻不同的兩只電壓表，或者同一電壓表的不同電壓檔(可以知道其量程比值或內(nèi)阻比值)測(cè)量，可由兩次測(cè)得值計(jì)算得到近似的實(shí)際值E0。RVV+--UxR0100kΩE05V表頭的缺點(diǎn)三、直流電子電壓表為了改善普通表頭的缺點(diǎn)（阻抗不高，不夠靈敏），在表頭中加裝跟隨器（提高輸入阻抗）或直流放大器（提高測(cè)量靈敏度）。R1R2R3放大器FET源極跟隨器+--UxR0U1U2U3RmR1R2R3放大器FET源極跟隨器+--UxR0U1U2U3RmRF放大倍數(shù)A=1+Rm/RF圖中R0、R1、R2、R3組成分壓器，由于FET源極跟隨器輸入電阻很大(幾百M(fèi)Ω以上)，因此由Ux測(cè)量端看進(jìn)去的輸入電阻基本上只由R0、R1、R2、R3、等串聯(lián)電阻決定，通常使它們的串聯(lián)電阻和大于10MΩ，以滿足高輸入阻抗的要求。同時(shí)，在這種結(jié)構(gòu)下，電壓表的輸入阻抗基本上是個(gè)常量，與量程無關(guān)。(1)R0、R1、R2、R3可以用更大的電阻。(2)電壓表輸入阻抗基本為常數(shù)即流過電流表的電流I0與被測(cè)電壓成正比，只要分壓系數(shù)和RF足夠精確和穩(wěn)定，就可以獲得良好的準(zhǔn)確度，因此，各分壓電阻及反饋電阻RF都要使用精密電阻。四、調(diào)制式直流放大器在上述使用直流放大器的電子電壓表中，直流放大器的零點(diǎn)漂移限制了電壓表靈敏度的提高，為此，電子電壓表中常采用調(diào)制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使電子電壓表能測(cè)量微伏量級(jí)的電壓。調(diào)制式直流放大器的原理:微弱的直流電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)制器(又稱斬波器)變換為交流信號(hào)，再由交流放大器放大，經(jīng)解調(diào)器還原為直流信號(hào)(幅度已得到放大)。振蕩器為調(diào)制器和解調(diào)器提供固定頻率的同步控制信號(hào)。兩大特點(diǎn):(1)抑制直流漂移(2)采用交流選頻,提高抗干擾能力.調(diào)制式直流放大器的工作原理

交流放大器一般采用選頻放大器，只對(duì)與圖中振蕩器同頻率的信號(hào)進(jìn)行放大而抑制其他頻率的噪聲和干擾。在實(shí)際直流電子電壓表中，還采用了其他措施以提高性能，比如在解調(diào)器輸出端和調(diào)制器輸入端間增加負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)以提高整機(jī)穩(wěn)定性等。振蕩器交流放大器解調(diào)器調(diào)制器UitUAtUotUiUBt調(diào)制工作原理(斬波器)toTUM(c)toUi(b)toUA(d)RCR1KMUiUMUA開閉解調(diào)器工作原理：圖中KD是與調(diào)制器中KM同步動(dòng)作的機(jī)械式振子開關(guān)或場(chǎng)效應(yīng)管電子開關(guān)，C為隔直流電容，正是由于它的隔直流作用，使放大器的零點(diǎn)漂移被阻斷，不至傳輸?shù)胶竺娴闹绷麟妷罕肀眍^。R為限流電阻，Rf、Cf成濾波器，濾波后得到放大后的直流信號(hào)。

CRRfKDCfUBUDUOtttoooTUBUDUo(c)(d)(b)CRRfKDCfUBUDUO解調(diào)工作原理開閉5.3交流電壓的表征和測(cè)量一、交流電壓的表征交流電壓除用具體的函數(shù)關(guān)系式表達(dá)其大小隨時(shí)間的變化規(guī)律外，通常還可以用峰值、幅值、平均值、有效值等參數(shù)來表征。1、峰值周期性交變電壓u(t)在一個(gè)周期內(nèi)偏離零電平的最大值稱為峰值，用Up表示。正、負(fù)峰值不等時(shí)分別用Up+和Up-表示。u(t)在一個(gè)周期內(nèi)偏離直流分量U0的最大值稱為幅值或振幅，用Um表示，正、負(fù)幅值不等時(shí)分別用Um+和Um-表示。（峰值與振幅的區(qū)別）2、平均值u(t)的平均值的數(shù)學(xué)定義為按照這個(gè)定義，實(shí)質(zhì)上就是周期性電壓的直流分量U0。在電子測(cè)量中，平均值通常指交流電壓檢波(也稱整流)以后的平均值，又可分為半波整流平均值(簡(jiǎn)稱半波平均值)和全波整流平均值(簡(jiǎn)稱全波平均值)。未檢波前電壓波形半波整流和全波整流后的波形

全波平均值定義為如不另加說明，本章所指平均值均為全波平均值。3、有效值在電工理論中曾定義：某一交流電壓的有效值等于直流電壓的數(shù)值U，當(dāng)該交流電壓和數(shù)值為U的直流電壓分別施加于同一電阻上時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)兩者產(chǎn)生的熱量相等。則數(shù)學(xué)式可表示為實(shí)質(zhì)上即數(shù)學(xué)上的均方根定義。4、波形因數(shù)、波峰因數(shù)

交流電壓的有效值、平均值和峰值間有一定的關(guān)系，可分別用波形因數(shù)(或稱波形系數(shù))及波峰因數(shù)(或稱波峰系數(shù))表示。波形因數(shù)為KF，定義為該電壓的有效值與平均值之比波峰因數(shù)Kp，定義為該電壓的峰值與有效值之比正弦波：1、交流電壓測(cè)量的基本原理測(cè)量交流電壓的方法很多，依據(jù)的原理也不同。其中最主要的是利用交流／直流(AC／DC)轉(zhuǎn)換電路將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后再接到直流電壓表上進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)AC／DC轉(zhuǎn)換器的類型，可分成檢波法和熱電轉(zhuǎn)換法。根據(jù)檢波特性的不同，檢波法又可分成平均值檢波、峰值檢波、有效值檢波等二、交流電壓的測(cè)量方法2、模擬交流電壓表的主要類型(1)檢波—放大式在直流放大器前面接上檢波器，就構(gòu)成了檢波—放大式電壓表。這種電壓表的頻率范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器。采用超高頻檢波二極管并在電表結(jié)構(gòu)工藝上仔細(xì)設(shè)計(jì)，可使這種電壓表的頻率范圍從幾十Hz到幾百M(fèi)Hz，輸入阻抗也較大。由此可以做成“高頻微伏表”(2)放大—檢波式當(dāng)被測(cè)電壓過低時(shí)，直接進(jìn)行檢波誤差會(huì)顯著增大。為了提高交流電壓表的測(cè)量靈敏度，可先將被測(cè)電壓進(jìn)行放大，而后再檢波和推動(dòng)直流電表顯示，于是構(gòu)成了放大—檢波式電壓表。這種電壓表的頻率范圍主要取決于寬帶交流放大器，靈敏度受到放大器內(nèi)部噪聲的限制。(3)調(diào)制式（高頻測(cè)量）在前面分析直流電壓表時(shí)即已提到，為了減小直流放大器的零點(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，可采用調(diào)制式放大器以替代一般的直流放大器，這就構(gòu)成了調(diào)制式電壓表。實(shí)際上這種方式仍屬于檢波—放大式。(4)外差式(針對(duì)高頻電壓測(cè)量)檢波二極管的非線性，限制了檢波—放大式電壓表的靈敏度，因此雖然其頻率范圍較寬，但測(cè)量靈敏度一般僅達(dá)到mV級(jí)。而對(duì)于放大—檢波式電壓表，由于受到放大器增益與帶寬矛盾的限制，雖然靈敏度可以提高，但頻率范圍卻較窄，一般在10MHz以下。同時(shí)兩種方式測(cè)量電壓時(shí)，都會(huì)由于干擾和噪聲的影響而妨礙了靈敏度的提高。外差式電壓測(cè)量法在相當(dāng)大的程度上解決了上述矛盾。輸入電路中包括輸入衰減器和高頻放大器，衰減器用于大電壓測(cè)量，高頻放大器帶寬很大，但不要求有很高的增益。兩個(gè)矛盾：先檢波，電壓受檢波器限制先放大，增益受放大器限制被測(cè)電壓的放大主要由后面的中頻放大器完成。被測(cè)信號(hào)經(jīng)輸入電路，與本振信號(hào)一起進(jìn)入混頻器轉(zhuǎn)變成頻率固定的中頻信號(hào)，經(jīng)中頻放大器放大后進(jìn)入檢波器轉(zhuǎn)變成直流電壓推動(dòng)表頭顯示。由于中頻放大器具有良好的頻率選擇性和固定中頻頻率，從而解決了放大器增益帶寬的矛盾，又因?yàn)橹蓄l放大器的極窄的帶通濾波特性，因而可以在實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí)，有效地削弱干擾和噪聲(它們可認(rèn)為是寬帶的)的影響，使測(cè)量靈敏度提高到μV級(jí)。可于制成“高頻微伏表”。(5)熱偶變換式(有效值測(cè)量)在對(duì)波形未知或波形復(fù)雜的電壓測(cè)量時(shí)，例如對(duì)噪聲電壓的測(cè)量、失真度測(cè)量，都要求能測(cè)出電壓的真正有效值。這種測(cè)量要求AC／DC變換器的輸出與輸入電壓的有效值成正比。利用二極管鏈?zhǔn)綑z波器可以實(shí)現(xiàn)這種功能，但頻率范圍不大，一般為幾十Hz到幾百kHz。另外用得較多的是熱偶元件，其基本工作原理如下。熱偶元件又稱熱電偶，是由兩種不同材料的導(dǎo)體所構(gòu)成的具有熱電現(xiàn)象的元件。若將被測(cè)電壓變換成熱能加在熱電偶上，熱電偶將產(chǎn)生相應(yīng)的電勢(shì)E=kU2。測(cè)量時(shí)要求消除熱電偶的非線性。電壓熱能加于熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)輸入信號(hào)u(t)經(jīng)寬帶放大器放大后送入T1，產(chǎn)生熱電勢(shì)E1=k1Ui2。E1經(jīng)直流放大器A放大后加熱平衡熱電偶T2，T2產(chǎn)生熱電勢(shì)Ef=k2Uo2。Ef作為負(fù)反饋與E1一起加到放大器的A端，直至Ef=E1，放大器保持輸出不變。T1與T2完全相同時(shí)，Ef=E1，Uo=Ui，實(shí)現(xiàn)了有效值的測(cè)量及測(cè)量的線性化。其它方法1、均值電壓表

平均值檢波器原理：平均值檢波器的基本采用4只性能相同的二極管構(gòu)成橋式全波整流電路，圖(c)是其等效電路，整流后的波形為|ux|，整流器可等效為Rs串聯(lián)一電壓源|ux|，Rm為電流表內(nèi)阻，C為濾波電容，濾除交流成分。三、交流電壓的測(cè)量(低頻測(cè)量)交流電壓測(cè)量通常把測(cè)量低頻(1MHz以下)信號(hào)電壓的電壓表稱作交流電壓表或交流毫伏表。這類電壓表一般采用放大—檢波式，檢波器有平均值檢波器、有效值檢波器和峰值檢波器。Rd為二極管正向電阻，Rm為電表內(nèi)阻，上式忽略整流管反向電流的作用。流經(jīng)表頭電流的平均值只與被測(cè)電壓的平均值有關(guān)，全波檢波器響應(yīng)反應(yīng)被測(cè)電壓的均值。檢波靈敏度：表征均值檢波器工作特性的一個(gè)重要參數(shù)是檢波靈敏度Sd，定義為對(duì)于全波橋式整流器，可導(dǎo)出要提高測(cè)量靈敏度，應(yīng)減小Rd和Rm。輸入阻抗：可以證明，對(duì)于全波均值整流器，其輸入阻抗仍設(shè)(這是常規(guī)的數(shù)值)，則Ri約為1.8kΩ，可見均值檢波器輸入阻抗很低。放大—檢波式2、有效值檢波器由式可見，為了獲得有效值(均方根)響應(yīng)，必須使AC／DC變換器具有平方律關(guān)系的伏安特性。這類變換器有二極管平方律檢波式、分段逼近式檢波式、熱電變換式和模擬計(jì)算式等四種。二極管平方律檢波式真空或半導(dǎo)體二極管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律關(guān)系。圖中E0為偏置電壓，當(dāng)信號(hào)電壓ux較小時(shí)，有式中k是與二極管特性有關(guān)的系數(shù)(稱為檢波系數(shù)).由于電容C的積分(濾波)作用，流過微安表的電流正比于i的平均值，從而實(shí)現(xiàn)了有效值轉(zhuǎn)換。３、峰值檢波器峰值檢波器輸出的直流電壓與輸入交流信號(hào)峰值成比例的檢波器。分為串聯(lián)式和并聯(lián)式。串聯(lián)式并聯(lián)式(具有隔直能力，較常用)充電時(shí)間常數(shù)要短,放電時(shí)間常數(shù)要長(zhǎng).要求：充電時(shí)間常數(shù)RdC遠(yuǎn)小于放電時(shí)間常數(shù)Tmin，同時(shí)放電時(shí)間常數(shù)RC要遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)中的最大周期Tmax。雙峰值檢波器：將兩個(gè)串聯(lián)式檢波電路結(jié)合在一起，就構(gòu)成了雙峰值檢波電路。由上面的分析不難判斷，C1或R1上的平均電壓近似于ux的正峰值Up+，C2或R2上的平均電壓近似于ux的負(fù)峰值Up-，檢波器輸出電壓Up+

-Up-，即輸出電壓近似等于被測(cè)電壓的峰—峰值。雙峰值檢波電路四、高頻交流電壓的測(cè)量(略)

采用混頻技術(shù)5.4電壓的數(shù)字式測(cè)量一、數(shù)字電壓表(DVM)的組成A/D是數(shù)字電壓表的核心。輸入電路A/D變換計(jì)數(shù)器顯示邏輯控制電路時(shí)鐘發(fā)生器模擬部分?jǐn)?shù)字部分ux二、數(shù)字電壓表的主要技術(shù)指標(biāo)１、測(cè)量范圍1)量程：借助分壓器和輸入放大器實(shí)現(xiàn)量程擴(kuò)大。

基本量程：不經(jīng)衰減或放大的量程。2)位數(shù)：數(shù)字電壓表的位數(shù)是以完整顯示位來決定的。3)超量程能力