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1、第 4 章 电压测量,1. 引言 2. 采用模拟技术的电压测量 3. 采用数字技术的电压测量 3.1 数字电压表的基本原理 3.2 数字电压表中的模数转换器 3.3 数字电压表的技术参数 4. 基于电压测量的其他仪器 4.1 数字万用表,1. 引 言,（a）便携式模拟万用表 （b）手持式数字万用表 （c）台式数字万用表,1.1 电压测量的仪器,1.2 电压测量的技术要求,（1）频率测量的范围 （2）电压测量范围 （3）测量准确度 （4）分辨力 （5）输入阻抗 （6）抗干扰 （7）测量速度 （8）自动化和多功能,动圈式检流计的原理图,模拟直流电压表的原理框图,2 采用模拟技术的电压测量,2.1
2、模拟直流电压表,交流电压幅度的三种表征方式，峰值、平均值和有效值,（1）峰值、平均值和有效值,2.2 交流电压的表征,在电子测量中，平均值 是一个波形完整周期中所有瞬时值取绝对值后的平均值，也可以认为是全波整流之后波形的平价值，其数学定义为：,交流电压的有效值等同于由等效直流电压驱动电阻性负载所消耗的功率，定义为交流电压在周期T内的均方根值，即：,（2）波峰因数和波形因数,交流电压的峰值、平均值和有效值之间有一定的转换关系，可分别用波峰因数或波形因数来表示。 波峰因数定义为交流电压的峰值与有效值之比，即：,波形因数定义为交流电压的有效值与平均值之比，即：,几种典型信号波形的波形因数和波峰因数,
3、注：表中脉冲信号的周期为T，脉宽为,（3） 波形换算 国际上一直以有效值来作为交流电压的表征 通常以正弦波的有效值作为电压表的刻度 有效值电压表测量非正弦波时，理论上不会有波形误差 均值电压表或者峰值电压表测量非正弦波的电压，必须根据电压表采用的检波方式及电压表的读数，进行必要的计算才能得到真实的电压值。 如何计算-下一节给出例题,（1） 均值电压表,放大-检波式交流电压测量原理框图,2.3 模拟交流电压表,均值检波器的输出是与被测电压的平均值成正比的，但均值电压表的表盘通常是以正弦有效值来刻度的。,含义：以被测电压的均值与正弦波波形因数的乘积来表示的。,可变量程分压器,宽带交流放大器,检波器
4、,A,例4-2-1 使用均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，电压表的示值均为10V，问被测电压的有效值各是多少？ 解： 对于正弦波，不需要进行波形换算，被测正弦信号的有效值为10V。 对于三角波，需要进行波形换算。根据公式(4-2-5)，被测三角波的均值为：,查表，得三角波的波形因数为1.15，因此：,对于方波，也需要进行波形换算:,讨论： 若不知道被测波形的波形因数，就无法进行波形换算。如果只能以均值电压表的示值作为测量结果，此时的波形误差可能很大，这称为“波形误差”。 均值电压表还存在频率响应误差。放大-检波结构中的放大器虽然能够提高电压表的灵敏度，但是放大器的有限带宽和内部噪声对于电
5、压表的测量频率范围有较大的影响。 一般地，对于放大-检波结构的均值电压表，频率上限一般在几MHz到十几MHz。,（2）峰值电压表,缺陷：直流放大器导致电压表的灵敏度不能很高,检波-放大式,采用峰值检波器实现交流-直流变换功能 。,检波放大检波式,检波器,可变量程分压器,直流放大器,A,检波器,衰减器,斩波器,A,交流放大器,检波器,峰值电压表也是按正弦有效值来刻度的。 对于其他非正弦波，当不能通过波峰系数进行换算时，将带来了波形误差。 已知被测信号波形的波峰因数为，峰值电压表的读数为Ua，则被测信号的有效值为：,（3） 有效值电压表,隐含运算式：,有效值检波的方法： 热电耦变换式 模拟计算式,
6、直接运算式：,有效值电压表理论上不会产生波形误差 由于受电压表线性工作范围的限制及带宽限制，在测量波峰因数较大的非正弦波时，存在波形误差 有效值电压表常采用放大-检波式结构 频率测量范围受限于宽带交流放大器的带宽。通常仅频率范围在几百kHz内 为了兼顾测量灵敏度和带宽，高频电压表采用外差变频的方法,（4）电平表,1. 电平的表示形式,相对电平用来表示两个信号功率之间的比例关系。以分贝表示的相对功率电平为：,相对功率电平（dB）=,相对电压电平（dB）=,绝对功率电平（dBm）=,绝对电压电平 （dBu）=,2.宽频电平表,3. 采用数字技术的电压测量,3.1 数字电压表的基本原理,数字直流电压
7、表的原理框图,（1）数字直流电压表,直流电压输入调节,ADC,存储器 / 输出缓存,显示器,被测直流电压,逻辑控制电路,若被测交流信号电压为u(t)，离散采样值为ui，则,（2）数字交流电压表,模拟检波式：Agilent 34401A 直接计算式： Agilent 34410A和34411A,交流电压输入调节,ADC,存储器 / 输出缓存,显示器,检测交流电压,逻辑控制电路,有效值检波器,Agilent 3458A支持三种真有效值交流电压测量模式： 模拟计算式： 带宽在10Hz 至2MHz 内，测量准确度可达0.03%，测量速度为每秒0.850个读数； 基于随机采样的数值计算式：带宽为20Hz
8、 至10MHz，适合宽带的噪声测量，测量速度为每秒0.02545个读数，精度仅为0.1%； 基于顺序采样（同步子采样）的数值计算式：带宽为1Hz 至10MHz，测量准确度高达0.010%，测量速度为每秒0.850个读数，但要求输入是重复信号（例如不是随机噪声）。,3.2 数字电压表中的模数转换器,根据其实现原理分为三大类：直接型、间接型、复合型,1. 斜坡电压式ADC 2. 逐次逼近式ADC 3. 余数再循环式ADC 4. 双斜积分式ADC 5. 三斜积分式ADC 6. 多斜积分式ADC 7. 脉冲调宽式ADC,电压测量的ADC需要兼顾准确度、测量速率、抗干扰性能等,1. 斜坡电压式ADC,2
9、. 逐次逼近式ADC,结论： 逐次逼近比较式存在量化误差。 逐次逼近比较式的A/D变换能兼顾速度、精度和成本三个方面的要求。,3. 余数再循环式ADC,三种模式：自动调零模式、比较模式、余数存贮模式,测量结果计算公式：,特点：增加循环的次数，就可以提高测量的分辨力 Fluke 8840A 余数再循环式ADC 5位的显示位数 直流电压准确度达0.005,4. 双斜积分式ADC,在一次测量过程中，用同一积分器先后进行两次积分。,相关的工作波形图：,在定时积分时间T1内，,在定值积分时间T2内，,因此，,由于T1=N1T0，T2=N2T0,在被测电压受到串模干扰电压Usm的干扰时，ADC的输入电压为
10、：,则，,结论 优点：转换准确度高、灵敏度高、抑制干扰能力强、造价低 缺点：转换速度比较低，对积分线性度要求高等,5三斜积分式ADC,第一个积分阶段所用时间：T1=N1T0,反向积分分为两个子阶段：T21=N21T0，T22=N22T0,可得,Uref,Uref/k,三斜积分式ADC的计数误差明显减小，类似于内插扩展法； 在考虑达到同样的显示位数和计数误差条件下，三斜积分式测量速度提高了很多。,误差分析：,6多斜积分式ADC,工作过程分为两个大的阶段：定时积分阶段、比较阶段,7脉冲调宽式ADC,优点： 克服双斜积分式ADC中积分器的动态范围问题 抗串模干扰能力 - Ts为干扰信号周期的整数倍,
11、实现对被测电压的连续测量 为被测信号源提供稳定的负载,时间波形图,按照电荷平衡原理，在方波的一个周期内，积分电容器净得电荷量为零：,3.3 数字电压表的技术参数,（1）测量范围,1. 量程 nV-kV,2. 显示位数及超量程能力,只能够显示0和1两个数码的那些位-1/2位,能够显示0到9十个数码的那些位-完整显示位,*基本量程为1或10V时， 表示具有超量程能力。,例10V，4位DVM，最大为9.999V，无超量程能力；而 最大为19.999V，则具有超量程能力，为 位。,*基本量程为2V或20V等，最大显示为1.9999V或19.999V时, 我们说它为 位，但无超量程能力。,超量程能力用超
12、过量程的百分数表示。,例如9999 19999，称为超100%。,（2）分辨力和灵敏度,指出最低电压量程上末位1个字所对应的电压值,例如，最小量程为0.100000V，则末位变一个字为1V， 则分辨力为1V。,（3）测量误差和准确度,DVM的测量误差有固有误差、附加误差等。,固有误差：,输入阻抗和输入零电流的附加误差：,设被测信号源为U0，内阻为R0，DVM的输入阻抗为Ri，零电流为I0，则由于输入阻抗和输入零电流产生的附加误差分别为：,环境温度变化引起的误差,（4）输入阻抗,低电平输入 几千M,高电平测量 10M上下,（5）测量速度,定义：指每秒钟对被测电压的测量次数。 单位：“次/s” 或
13、者“读数/s” 主要取决于A/D变换器的变换速度,（6）抗干扰能力,两类基本干扰：串模干扰、共模干扰 表征：串模抑制比（SMRR）、共模抑制比（CMRR）,1. 串模干扰与串模抑制比,Usm-串模干扰电压峰值 -由Usm所造成的最大显示误差,2. 共模干扰与共模抑制比,共模干扰及其等效电路,CMRR定义为：,Ucm: 共模干扰电压峰值； Usm: 由共模干扰电压转化成的串模干扰电压峰值,若不计I1对DVM高端的影响，则Usm=I2Rl2，而,则：,4.基于电压测量的其他仪器,4.1 数字万用表（DMM ）,（1）DMM的基本构成和原理,1. 电流-电压转换器,让被测电流流过一个阻值已知的标准电
14、阻，测出标准电阻两端的电压，便能确定被测电流的大小 。,2. 电阻测量,a）基于二端测量的恒流源法,测量准确度主要取决于: 恒流源的准确度和稳定性 DVM内阻是否足够大,b）基于四端测量的恒流源法,在测量小电阻时,电阻测量,两端测量,四端测量,原理：一个恒流源电流通过被测电阻产生一个压降，测量被测电阻两端电压，可完成电阻的数字化测量。,c）恒压源法,适合较高阻值的测量, Ux和Rx之间的关系为：,（2） 数字万用表的其他测量功能,1) 通断指示 2) 频率和周期测量 最小、最大和平均读数 电容测量 温度测量,（3）数字万用表的自动功能,自动量程转换、自动调零、自动校准、自动关机等,习题和思考题,习题 4-1,4-2,4-6,4-8,4-9,4-10,4-12,4-14 选作 4-19, 4-20 有兴趣的，阅读标记为*的章节,
