電壓測量1教材

第七章電壓測量本章要點：·電壓測量的重要性，對電壓測量的要求和分類·模擬式直流電壓、交流電壓的測量·數(shù)字電壓表組成原理、工作特性和分類·積分式和比較式A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字多用表的組成原理與特點·數(shù)字電壓表的誤差與干擾7.1

概述7.1.1

電壓測量的重要性電壓是電子測量的一個主要參數(shù)。電參量的基礎(chǔ)：U=IRI=U/RR=U/IP=IU=U2/R=I2R在非電量測量中，大多數(shù)物理量（如溫度、壓力、振動、速度等）的傳感器大多是電壓作輸出的。因此，電壓測量是其它許多電參量、非電參數(shù)測量的基礎(chǔ)。7.1.2

對電壓測量的基本要求1.應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y量范圍nV→μV→mV→V→→kV

2.應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍交流電壓的頻率范圍約從幾Hz到幾百MHz，甚至達(dá)GHz量級。目前，模擬電壓表可測量的頻率范圍要比數(shù)字表高得多。例如，92C型模擬射頻電壓表頻率上限達(dá)1.2GHz，而DP100型數(shù)字多用表只能達(dá)25MHz。3.應(yīng)有足夠小的測量不確定度即可達(dá)10-6微伏量級4.應(yīng)有足夠高的輸入阻抗5.應(yīng)具有高的抗干擾能力7.1.3

電壓測量儀器的分類1.模擬式電壓表指針式電壓表：用磁電式電流表作為指示器模擬示波器：刻度比較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表----駕駛臺儀表多，一目了然；高頻電壓表數(shù)字表----精度高，輸入阻抗高，便于與計算機聯(lián)接7.2模擬式直流電壓的測量7.2.1萬用表中的直流電流、電壓、電阻測量表頭：萬用表中直流電流、電壓通常由磁電式高靈敏度直流電流表作指示。直流電流表俗稱表頭，圖7.1給出了動圈式電流表頭結(jié)構(gòu)的雙視圖。其工作原理是利用載流導(dǎo)體與磁場之間的作用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，使導(dǎo)體框架轉(zhuǎn)動而帶動指針偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角度正比于通過線圈的被測電流。圖7.1動圈式儀表的結(jié)構(gòu)雙視圖游絲SNNSPPPPSK永久磁鐵標(biāo)尺指針軟心鐵K吸靴可動線圈K軸軸承游絲S指針游絲S可動線圈K軸承直流萬用表的設(shè)計1、電流表量程擴展設(shè)現(xiàn)有一表頭，Im=50μA，r=3kΩ.現(xiàn)要測量500μA電流怎么辦？圖7.2表頭等效電路Im-+rB圖7.3電流量程擴展50μA+Rs3KImIIsA-式中n稱電流量程擴大倍數(shù)，也稱分流系數(shù)。2.直流電壓測量能測，但測量的電壓范圍很小。現(xiàn)以圖7.4，在指針指示滿刻度時，它兩端的電壓是：U圖7.4用表頭直接測電壓50μAr3KIm1.5V即它所能測量的最大電壓為0.15V。設(shè)計一個多擋電流表：有滿偏電流5、50、500（mA）三擋，已知表頭的滿偏電流為0.1mA,內(nèi)阻等于800Ω。用電流表頭能否直接測量電壓？為了能測量較高的電壓，需串聯(lián)倍壓電阻RP來擴展量程。（7.2）RPrIm圖7.5給出了萬用表直流電壓檔量程擴展的原理電路圖。圖中除最小量程U0=Im×r外，又增加了U1、U2、U3三個量程。根據(jù)所需擴展的量程，不難算出3個倍壓電阻值：圖7.5直流電壓表電路ReR1R2R3U3U0U1U22.5v10v50v250v電壓靈敏度“Ω/V”通常把電壓表內(nèi)阻RV與量程Um之比定義為電壓表的電壓靈敏度(每伏歐姆數(shù)Ω/V)：（7.4）“Ω/V”數(shù)越大，表明為使指針偏轉(zhuǎn)同樣角度所需驅(qū)動電流越小?！唉?V”數(shù)一般標(biāo)明在磁電式電壓表表盤上，可依據(jù)它推算出不同量程時的電壓表內(nèi)阻，即（7.5）例如某電壓表的“Ω／V”數(shù)為20kΩ／V，則5V量程和25V量程時電壓表內(nèi)阻分別為100kΩ和500kΩ。由全電路歐姆定律式中R０—歐姆調(diào)零電阻；

r—電池內(nèi)阻；

R1——限流電阻；

RC——測量機構(gòu)內(nèi)阻；

RZ——歐姆表總內(nèi)阻。

上式說明，若歐姆表總內(nèi)阻RZ和電池電動勢E保持不變，則線路中的電流I將隨被測電阻RX而改變，且I與RX成反比關(guān)系?？梢姡瑲W姆表測量電阻的實質(zhì)是測量電流。3、電阻測量當(dāng)RX＝0時，調(diào)整R0，使I＝Im，指針指在滿刻度位置，規(guī)定此位置為“歐姆0”。RX＝RZ時，RX＝2RZ時，

…RX＝∞時，I＝0，指針不動，規(guī)定此位置為“歐姆∞”。

由于儀表指針的偏轉(zhuǎn)角與電流I成正比，而電流I與RX成反比。因此，儀表指針的偏轉(zhuǎn)角就能夠反映RX的大小。由以上分析可知，歐姆表的標(biāo)度尺是不均勻的，而且是反向的500型萬用表的標(biāo)度尺特別地，當(dāng)RX＝RZ時，指針將指在儀表標(biāo)度尺的中心位置，所以RZ又叫歐姆中心值。因為歐姆中心值正好等于該擋歐姆表的總內(nèi)阻，因此，歐姆表量程的設(shè)計都是以標(biāo)度尺的中央刻度為標(biāo)準(zhǔn)，然后再求出其他電阻的刻度值擴大歐姆表量程的兩種措施（1）保持電池電壓不變，改變分流電阻值。

低阻擋（如R×1）用小的分流電阻，高阻擋（如R×l000）用大的分流電阻。這樣雖然在高阻擋時的總電流減小了，但通過測量機構(gòu)的電流仍可保持不變。圖中各擋的總內(nèi)阻應(yīng)等于該擋的歐姆中心值。一般萬用表中R×1～R×1k擋都采用這種方法擴大量程。（2）提高電池電壓

當(dāng)被測電阻和歐姆表總內(nèi)阻增大后，仍可保持其電流值不變。通常萬用表中R×10k擋都采用這種方法來擴大量程。

3.電阻測量試在上述完成的電路中、再加裝多檔歐姆表電路。電阻測量有×1、×10、×100、×1K、×10K五個檔。

[例]在下圖中，虛框內(nèi)表示高輸出電阻的被測電路，電壓表V的“Ω／V’數(shù)為20kΩ/V，分別用5V量程和25V量程測量端電壓Ux，分析輸入電阻的影響及用公式計算來消除負(fù)載效應(yīng)對測量結(jié)果的影響。解：如果是理想情況，電壓表內(nèi)阻Rv應(yīng)為無窮大，此時電壓表示值Ux，與被測電壓實際值E0相等：測量高輸出電阻電路的電源

當(dāng)電壓表輸入電阻為Rv時，電壓表測得值：相對誤差

將有關(guān)數(shù)據(jù)值代入上面兩式，可得5V電壓檔：Rv1＝20kΩ／V*5V＝100kΩ

，25V電壓檔：Rv2＝20kΩ／V×25V＝500kΩ

，

由此不難看出電壓表輸入電阻，尤其是低電壓檔時輸入電阻對測量結(jié)果的影響。

在工程測量中提高輸入阻抗和靈敏度以提高測量質(zhì)量;

最常用的辦法是利用電子電壓表進行測量。7.2.2

直流電子電壓表直流電子電壓表通常是由磁電式表頭加裝跟隨器（以提高輸入阻抗）和直流放大器（以提高測量靈敏度）構(gòu)成，當(dāng)需要測量高直流電壓時，輸入端接入由高阻值電阻構(gòu)成的分壓電路。電子電壓表組成框圖如圖7.7所示。圖7.7電子電壓表框圖＋－R0U1KU2U3R1R3R2UxFET源極跟隨器放大器RvμAUx＋－＋－ΔU＋－AI0IIFRFUf＋－μAUi分壓器及跟隨器FET圖7.8集成運放電壓表原理2．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，直流放大器的零點漂移限制了電壓表靈敏度的提高。

為了使電子電壓表能測量微伏量級的電壓，放大器采用調(diào)制式直流放大器。

原理：微弱的直流電壓信號交流信號直流信號(幅度已得到放大)。圖

調(diào)制式直流放大器原理7.3交流電壓的測量模擬萬用表數(shù)字萬用表本章使用的主要儀器有效值數(shù)字萬用表圖形萬用表多重顯示數(shù)字多用表臺式數(shù)字多用表有效值電壓(電平)表超高頻毫伏表視頻毫伏表7．3交流電壓的測量

7．3．1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)。峰值以零電平為參考的最大電壓幅值（用Vp表示）。

注：振幅：以直流分量為參考的最大電壓幅值（通常用Um表示）。7．3．1表征交流電壓的基本參量平均值（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。交流電壓測量中，平均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后波形的平均值（一般若無特指，均為全波整流）：對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T7．3．1表征交流電壓的基本參量有效值定義：交流電壓u(t)在一個周期T內(nèi)，通過某純電阻負(fù)載R所產(chǎn)生的熱量，與一個直流電壓V在同一負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時，則該直流電壓V的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)的有效值。表達(dá)式： 有效值7．3．1表征交流電壓的基本參量有效值(續(xù))意義：有效值在數(shù)學(xué)上即為均方根值。反映交流電壓的功率。對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T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表示對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T7．3．1表征交流電壓的基本參量波峰系數(shù)和波形系數(shù)波形系數(shù)定義：有效值與平均值的比值，用KF表示，對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/TAtAttA正弦波半波整流波名稱波形峰值有效值U平均值U波形因數(shù)KF波峰因數(shù)KPAAA全波整流波7．3．2模擬式交流電壓表模擬電壓表的交流電壓測量原理：

交流電壓--〉直流電流

--〉驅(qū)動表頭--〉指示。檢波器：交流/直流變換，分為峰值響應(yīng)、有效值響應(yīng)、平均值響應(yīng)三類檢波器電壓表：峰值電壓表、均值電壓表、有效值電壓表輸出直流電流待測交流電壓模擬電壓表組成方案檢波器是實現(xiàn)交流電壓測量（AC-DC變換）的核心部件，同時，為了測量小信號電壓，放大器也是電壓表中不可缺少的部件，因此，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。模擬電壓表的兩個重要指標(biāo)：帶寬和靈敏度(分辨力)。一、放大-檢波式電壓表（均值電壓表）均值電壓表先放大再檢波，靈敏度很高。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”。靈敏度仍受寬帶交流放大器內(nèi)部噪聲限制。特點：均值響應(yīng)、靈敏度比峰值表有所提高但頻率范圍較小（<10MHz），主要用于低頻和視頻場合。一、放大-檢波式電壓表（均值電壓表）典型產(chǎn)品——DA16型頻率范圍5Hz～2MHz，測量范圍100μV～300V。誤差±3%，輸入電阻1.5MΩ。1、平均值檢波原理

半波檢波全波檢波二、放大-檢波式電壓表（均值電壓表）對于全波均值檢波器：

流過電表的平均電流

與被測電壓的平均值成正比，而與波形無關(guān)。靈敏度

提高靈敏度，就應(yīng)減小Rd和rm的值，為提高輸入阻抗檢波前要加放大器輸入阻抗圖7.4-2DA—16型均值電壓表原理

原理均值響應(yīng)，即：u(t)

放大

均值檢波驅(qū)動表頭定度：表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度?？潭忍匦裕壕惦妷罕淼臋z波器響應(yīng)的是待測信號平均值，讀數(shù)卻是正弦波有效值當(dāng)輸入u(t)為正弦波時，讀數(shù)Ua即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的均值）。

對于非正弦波的任意波形，讀數(shù)Ua沒有直接意義（既不等于其均值也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)Ua換算出均值和有效值。由于正弦波及有效值的實際意義，電壓表的讀數(shù)都用正弦電壓的有效值進行定度刻度特性由讀數(shù)Ua換算出均值和有效值的換算步驟如下：第一步，把讀數(shù)Ua想象為有效值等于Ua的純正弦波輸入時的讀數(shù)，即第二步，由計算該純正弦波均值第三步，假設(shè)均值等于的被測波形（任意波）輸入，即 注：“對于均值電壓表，（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），其有效值刻度特性上述過程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下：上式表明，對任意波形，欲從均值電壓表讀數(shù)Ua得到有效值，需將Ua乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1.，讀數(shù)Ua即為正弦波的有效值）?？潭忍匦跃C上所述，對于任意波形而言，均值電壓表的讀數(shù)Ua沒有直接意義，由讀數(shù)Ua到峰值和有效值需進行換算，換算關(guān)系歸納如下：

波形誤差。若將讀數(shù)Ua直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差4）實例分析[例]用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測量一個方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問該方波電壓的有效值為多少？[解]根據(jù)上述均值電壓表的刻度特性，讀數(shù)α=1.0V， 第一步，假設(shè)電壓表有一正弦波輸入， 其有效值=1.0V； 第二步，該正弦波的均值=0.9α=0.9V； 第三步，將方波電壓引入電壓表輸入， 其均值0.9V； 第四步，查表可知，方波的波形系數(shù)=1，則該方波的有效值為: 0.9V。

波形誤差為 三角波結(jié)論：1、被測信號為正弦波形，則電壓表示值就是被測電壓的有效值。

2、被測信號是非正弦波形，那么需進行“波形換算”。由示值和被測信號的具體波形，推算出被測信號的有效值。

典型產(chǎn)品：TH2172型：頻率范圍5Hz～2MHz，測量范圍DA16型：頻率范圍20Hz～2MHz，測量范圍100μV～300V。最小量程lmV，誤差±3%，輸入電阻1.5MΩ。指針式萬用表：交流電壓測量檔采用了半波均值檢波器，并以正弦有效值刻度，由于它依據(jù)直接測量原理，且靈敏度低，因此，指針式萬用表主要用于工頻（50Hz）及要求不高的低頻（一般為幾到幾十kHz以下）電壓的測量中。TH2172500型2、有效值電壓表

均值表、峰值表的檢波器響應(yīng)的都不是有效值，只是表盤按有效值刻度而已，故實為偽有效值表。而有效值電壓表，是采用電路方法直接獲得有效值，是真有效值表。有效值檢波原理——

有效值的物理定義:熱電偶式檢波有效值的數(shù)學(xué)定義:模擬運算的集成電路檢波1）利用熱電偶有效值檢波熱電偶：將兩種不同金屬進行特別封裝并標(biāo)定后，稱為一對熱電偶（簡稱熱偶）熱電效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一個閉合回路，當(dāng)兩節(jié)點處溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電動勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。當(dāng)熱端T和冷端T0存在溫差時（即T≠T0），則存在熱電動勢，且熱電動勢的大小與溫差ΔT=T-T0成正比。實驗----熱電偶工作原理演示熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）左端稱為：測量端（工作端、熱端）熱電極B熱電勢AB1、利用熱電偶有效值檢波熱電偶溫度測量原理：若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過熱電動勢就可得到熱端（被測溫度點）的溫度。熱電偶有效值檢波原理：若通過被測交流電壓對熱電偶的熱端進行加熱，則熱電動勢將反映該交流電壓的有效值，從而實現(xiàn)了有效值檢波。直流電流I與被測電壓u(t)的有效值V的關(guān)系：電流I∝?zé)犭妱觿荨責(zé)岫伺c冷端的溫差，而熱端溫度∝u(t)功率∝u(t)的有效值V的平方，故表頭刻度線性化處理：采用兩對相同的熱電偶，分別稱為測量熱電偶和平衡熱電偶。E1=k1V2Ef=k2Vo2假如兩對熱偶具有相同特性，即k1=k2=k，差分放大器輸入電壓