第4章模拟测量方法剖析

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1、第3章 模拟测量方法,第3章 模拟测量方法,3.1 电压测量概述 3.2 交流电压的测量（*） 3.3 噪声电压的测量 3.4 分贝的测量 3.失真度的测量,第3章 模拟测量方法,重点： 交流电压的测量方法 均值电压表 有效值电压表 峰值电压表 其读数原理 噪声电压的测量 难点： 交流电压的测量方法及其读数原理,3.1 电压测量概述,电压测量是电测量与非电测量的基础 电测量中，电量的测量可以转化为电压测量 电流、功率 电压 饱和与截止，线性度、失真度 电压 非电测量中，先转化为电压信号，再进行测量 如：温度、压力、振动、（加）速度,一、电压测量的重要性,3.1 电压测量概述,从直流到数百兆赫兹

2、,二、电压测量的基本要求,1、宽频率,2、宽量程,3、高准确度,5、高抗干扰能力,4、高输入阻抗,3.1 电压测量概述(续),三、电压测量仪器的分类,1、按显示方式分：,2、按功能分：,3、按检波器分：,3.2 交流电压的测量,3.2.1 交流电压的表征 3.2.2 交流电压的测量方法 3.2.3 平均值电压的测量 3.2.4 有效值电压的测量 3.2.5 峰值电压的测量,3.2.1 交流电压的表征,1、峰值UP波形正方向或负方向的最高点 从参考0电平开始算起 2、平均值 数学上： 电压测量全波整流,3.2.1 交流电压的表征(续),3、有效值U 定义：,Note： 各类电压表都是按正弦波有效

3、值定度的； 若被测电压都是正弦波，且角频率成倍数关系， 则有效值满足叠加性：,3.2.1 交流电压的表征(续),4、波形系数KF,5、波峰系数KP,3.2.1 交流电压的表征(续),常见波形的KF 与KP（P67）,3.2.2 交流电压的测量方法,直流电压表分压电阻直流表头,交流电压表整流直流表头,3.2.2 交流电压的测量方法（续）,整流方式按灵敏度和频带分：,放大检波式,整流,特点：,A、灵敏度受放大器内部噪声限制，mV级,B、频率受放大器带宽限制，2010MHz,3.2.2 交流电压的测量方法（续）,整流方式按灵敏度和频带分：,检波放大式,整流,特点：,A、灵敏度低（几十mV）,B、频率

4、取决于检波二极管的高频特性，20Hz 300MHz,3.2.2 交流电压的测量方法（续）,整流方式按灵敏度和频带分：,外差式,特点：,A、灵敏度高,B、测高频（20Hz 300MHz）,fc可调,3.3.平均值电压的测量,一、组成（视频毫伏表）,二、均值检波器,半波整流,全波整流,3.3.平均值电压的测量（续）,三、刻度特性以正弦波的有效值为刻度,非正弦波换算“示值同则均值同”,3.3.平均值电压的测量（续）,例1：,用均值表分别测方波、三角波、正弦波，电压表 读数均为10V，问被测电压的有效值分别为多少？,平均值：,有效值：,3.3.平均值电压的测量（续）,四、误差分析,1、可能引起的误差

5、指示微安表自身误差、检波二极管性能参数变化、被测电压超过频率范围、波形不同都会带来误差。 2、非正弦波的波形误差 绝对误差： 相对误差：,3.3.平均值电压的测量（续）,例：接上例,波形误差：,3.3.平均值电压的测量（续）,四、误差分析,3、失真正弦波的波形误差 设测一个包含二次或三次谐波失真的正弦波电压：,n次谐波幅度相对于基波的百分数,初相角,平均值：,指示值：,3.3.平均值电压的测量（续）,四、误差分析,3、失真正弦波的波形误差,真正的有效值：,波形误差：,3.3.平均值电压的测量（续）,四、误差分析,二次谐波产生的波形误差,3.3.平均值电压的测量（续）,四、误差分析,三次谐波产生

6、的波形误差,3.3.平均值电压的测量（续）,四、误差分析,3、失真正弦波的波形误差,结论：,二次谐波的产生的误差比三次谐波的小,推广：奇次谐波误差比偶次谐波大，偶次谐波误差可忽略。,当Dn10%，奇次谐波的波形误差可估算：,3.3.4 有效值电压的测量,一、组成,二、有效值检波器,3.3.4 有效值电压的测量（续）,1、平方律检波器,趋向0,去掉起始电流的影响，则：,特点：无波形误差刻度非线性动态范围小,3.3.4 有效值电压的测量（续）,2、分段逼近式检波器,利用二极管和电阻网络，人为地制造一条用折线逼近的平方率曲线。 特点：大大地扩展有效值检波器的动态范围，此种方法用得较为广泛。,3.3.

7、4 有效值电压的测量（续）,2、分段逼近式检波器,利用二极管和电阻网络，人为地制造一条用折线逼近的平方率曲线。 特点：大大地扩展有效值检波器的动态范围，此种方法用得较为广泛。,3.3.4 有效值电压的测量（续）,3、热电偶式检波器,（1）基本原理,3.3.4 有效值电压的测量（续）,3、热电偶式检波器,（2）热电偶式有效值电压表原理图,Ui=0,作用:刻度线性化 提高热稳定性,3.3.4 有效值电压的测量（续）,3、热电偶式检波器,（3）特点,仪表的灵敏度和频率范围取决于放大器的增益和带宽,刻度线性，基本无波形误差,热惯性，读数较慢,例DA24型,3.3.4 有效值电压的测量（续）,（3）特点

8、测量误差,频率误差,波形误差,原因：受放大器频率宽度的限制,范围：抑制方波中的高次谐波而产生误差,原因：受放大器动态范围的限制,范围：对过高的尖峰可能产生削峰,3.3.4 有效值电压的测量（续）,4、模拟运算式RMS检波器,原理:,通过多级运算器级连实现,单片式RMSDC转换器如AD536AK等。,特点:响应时间短、过载性能好,特点:准确度高、稳定度高,3.3.5 峰值电压的测量,一、组成（高频毫伏表）,特点:灵敏度（几十mV）和频率范围（300MHz） 电压上限取决于检波二极管的反向击穿电压。,改进:采用高A、低漂移的放大器，灵敏度（几十 V） 用超高频二极管，频率范围（1GHz） 检波器置

9、于探头内减少高频信号的传输损失。,3.3.5 峰值电压的测量（续）,二、峰值检波器,uc(t),串联式,并联式,Tmax 、Tmin是被测电压的最大周期和最小周期,（a）负半周 （b）正半周,3.3.5 峰值电压的测量（续）,三、刻度特性以正弦波的有效值为刻度,非正弦波换算“示值同则峰值同”,3.3.5 峰值电压的测量（续）,例3：,用峰值表分别测方波、三角波，电压表读数均为 5V，问被测电压的有效值分别为多少？,峰值：,有效值：,例：一只串联式峰值电压表和一只并联式峰值电压表分别测量电压， 判断两只电压表内检波器的输出时多少V？,串联式峰值电压表：15V,并联式峰值电压表：5V,3.3.5

10、峰值电压的测量（续）,四、误差分析,理论误差, 频率误差,波形误差,uc(t),三种电子电压表主要特性比较,3.3 噪声电压的测量,3.3.1 噪声电压的基本特性 3.3.2 用平均值表测量噪声电压 3.3.3 放大器的噪声参数及其测量,3.3.1 噪声电压的基本特性（续）,1、按噪声来源分 人为噪声 邻近电台干扰、高压线的电晕放电等 自然噪声 打雷放电、雨点静电、太阳的噪声电波等 电路内部噪声 由元器件（晶体管、R等）内部带电质点运动不规则造成的现象。,一、分类,3.3.1 噪声电压的基本特性（续）,2、按功率谱分 有色噪声 在频率范围内能量分布不均匀 白噪声在频率范围内能量分布均匀 热噪声

11、 由于晶体管内部微粒不规则的热运动产生的 散粒噪声 在晶体管的PN结中，由于电荷运动不连续而产生的晶体管内部噪声,一、分类,3.3.1 噪声电压的基本特性（续）,1、白噪声电压的瞬时值呈正态分布，其概率密度函数：,二、白噪声的统计特性,3.3.2 用平均值表测量噪声电压,一、读数修正,刻度换算：,3.3.2 用平均值表测量噪声电压（续）,二、需要考虑的问题,1、带宽准则,2、测量时间的影响,3、波峰因数的影响,3.3.2 用平均值表测量噪声电压（续）,二、需要考虑的问题,1、带宽准则,3.3.2 用平均值表测量噪声电压（续）,3.3.2 用平均值表测量噪声电压（续）,二、需要考虑的问题,2、测

12、量时间的影响,例：测5Hz和1KHz系统的噪声，使误差1%，则所需时间分别为1000s和5s。,低频测量：通常记录其波形，测其峰峰值再换算。,3.3.2 用平均值表测量噪声电压（续）,二、需要考虑的问题,3、波峰因数的影响,半满度测量,3.3.3 器件和放大器噪声的测量,一、与噪声相关的参数,1、等效输入噪声Uni 2、噪声带宽Bwn 3、信噪比SNR 4、噪声系数F,二、测量方法：,正弦信号法 噪声发生器法,3.3.3 器件和放大器噪声的测量（续）,1、等效输入噪声Uni的测量,（1）定义：把放大器的全部噪声折算为输入端的噪声电压Uni或噪声电流Ini,电压源,电流源,3.3.3 器件和放大

13、器噪声的测量（续）,1、等效输入噪声Uni的测量,（2）测量,正弦信号法 噪声发生器法,3.3.3 器件和放大器噪声的测量（续）,1、等效输入噪声Uni的测量,正弦信号法,步骤：,C、,信号源,C、,3.3.3 器件和放大器噪声的测量（续）,1、等效输入噪声Uni的测量,噪声发生器法,步骤：,C、计算,A、只接Rs，,B、保留Rs，接上噪声信号源输出Uns，测得Uno2,3.3.3 器件和放大器噪声的测量（续）,1、等效输入噪声Uni的测量,两种方法比较,3.3.3 器件和放大器噪声的测量（续）,2、噪声带宽Bwn,（1）定义：,（2）测量方法：,正弦信号法 噪声发生器法,3.3.3 器件和放

14、大器噪声的测量（续）,3、信噪比SNR,（1）定义：,（2）测量方法：,见P90图3.3-7,分贝表示：,3.3.3 器件和放大器噪声的测量（续）,4、噪声系数F表征信噪比降低的程度,（1）定义：,（2）测量方法：,见P91图3.3-8,分贝表示：,3.4 分贝的测量,3.4.1 数学定义,1、功率之比的对数分贝（ dB ）,（2）分贝,（1）贝尔,1Bel10dB（deci Bel）,3.4 分贝的测量（续）,3.4.1 数学定义,2、电压比的对数,3.4 分贝的测量（续）,3.4.1 数学定义,3、绝对电平,（1）功率电平dBm,假定：以基准量P01mW作为0功率电平（0dBm），,则PX

15、的功率电平定义为：,3.4 分贝的测量（续）,3.4.1 数学定义,3、绝对电平,（2）电压电平dBV,假定：以基准量U00.775V（正弦有效值）作为0电 压电平（0dBV），,则UX的电压电平定义为：,3.4 分贝的测量（续）,3.4.1 数学定义,4、音量单位（VUVolume Units）,0VU：600欧阻抗上吸取功率为1mW，,则当600欧阻抗上吸取功率为PXmW时VU为:,例：在150的电阻上，测得其电压电平为20dBV， 其对应的功率电平为多少？,3.4 分贝的测量（续）,3.4.2 分贝值的测量,应用范围：,测量放大器增益或与音响设备有关的参数,读数：,实质：,3. 失真度的

16、测量,失真：,特点：,在线性电路中，由于电路的工作点选择不当或信号幅度超过了电路的线性范围，使信号进入了非线性区而产生非线性失真。,产生新的频率分量,3. 失真度的测量,纯R负载：,3.5.1 失真度的定义,定义：,全部谐波分量的功率之和与基波功率之比的平方根值。,全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比。,公式：,多次谐波分量的总有效值,基波有效值,U1难于测量,3. 失真度的测量,3.5.1 失真度的定义,常用公式：,3. 失真度的测量,3.5.1 失真度的定义,两者关系：,3. 失真度的测量,3.5.2 失真度测量仪原理,方法：,1、基波抑制法（单音法）,2、交互调制法（双音法）,3、白噪声法,3. 失真度的测量,3.5.2 失真度测量仪原理,1、基波抑制法