ian湖南工业大学电子仪器测量p第5章电压测量课件

《ian湖南工业大学电子仪器测量p第5章电压测量课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ian湖南工业大学电子仪器测量p第5章电压测量课件（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章 电压测量,授课内容：,一、电压标准,二、电压测量概述,三、直流电压的测量,四、交流电压测量,1、基本概念,2、三种电压表,五、数字电压表,1、基本概念,2、三种A/D转换器,5.1 概 述,5.1.1 电压测量的重要性,电压是电子测量的一个主要参数。,电参量的基础：U=IR I=U/R R=U/I P=IU=U2/R=I2R,电压的派生量，例如，调幅度，波形的非线性失真系数等等。,在非电量测量中，大多数物理量（如温度、压力、振动、速度 等）的传感器大多是电压作输出的。,因此，电压测量是其它许多电参量、非电参数测量的基础。,5.1.2 对电压测量的基本要求,1. 应有足够宽的电压测量范围

2、,nV VmVVkV,2. 应有足够宽的频率范围,交流电压的频率范围约从几Hz到几百MHz，甚至达GHz量级。,目前，模拟电压表可测量的频率范围要比数字表高得多。,例如，92C型模拟射频电压表频率上限达1.2GHz，而DP100 型数字多用表只能达25MHz。,3. 应有足够小的测量不确定度,即可达10-6微伏量级,4. 应有足够高的输入阻抗,5. 应具有高的抗干扰能力,5.1.3 电压测量仪器的分类,1. 模拟式电压表,指针式电压表：用磁电式电流表作为指示器 模拟示波器： 刻度比较,2. 数字式电压表,经A/D将模拟信号转换为数字信号,5.2 模拟式直流电压的测量,5.2.1 三用表中的直流

3、电流、电压测量,1.表头：,三用表中直流电流、电压通常由磁电式高灵敏度直流电流表作 指示。直流电流表俗称表头，图5.1给出了动圈式电流表头结 构的双视图。其工作原理是利用载流导体与磁场之间的作用来 产生转动力矩，使导体框架转动而带动指针偏转，其偏转角度 正比于通过线圈的被测电流。,I=K,式中K由设计决定的恒量，它与线圈匝数、线圈面积、磁场强 度及游丝扭转力矩有关。K值表示电流表偏转单位角度时所需 通过的电流，K值越小，电流表越灵敏。这样就可以从指针所 指角度位置来测电流。,2电流表量程扩展,允许通过的最大电流值称为量程Im，如50A、100A。1mA 等。由于电流线圈匝数很多，其内阻较大。,

4、设现有一表头，Im=50A，r=3k.现要测量500A电流怎么办？,要并联分流电阻RS以扩展量程。因两路端电压相等,（5.1）,式中n称电流量程扩大倍数，也称分流系数。,3. 直流电压测量,用电流表头能否直接测量电压？能测，但测量的电压范围很小。 现以图5.4，在指针指示满刻度时，它两端的电压是：,即它所能测量的最大电压为0.15V。,为了能测量较高的电压，需串联倍压电阻RP来扩展量程。,（5.2）,图5.5给出了三用表直流电压档量程扩展的原理电路图。图中除 最小量程U0=Imr外，又增加了U1、U2、U3三个量程。根据所 需扩展的量程，不难算出3个倍压电阻值：,电压灵敏度 “/V”,通常把电

5、压表内阻RV与量程Um之比定义为电压表的电压灵 敏度(每伏欧姆数/V)：,（5.4）,“/V”数越大，表明为使指针偏转同样角度所需驱动电流越小。 “/V”数一般标明在磁电式电压表表盘上，可依据它推算出不 同量程时的电压表内阻，即,（5.5）,例如某电压表的“V”数为20kV，则5V量程和25V量程 时电压表内阻分别为100k和 500k。,5.2.2 直流电子电压表,直流电子电压表通常是由磁电式表头加装跟随器（以提高输入 阻抗）和直流放大器（以提高测量灵敏度）构成，当需要测量 高直流电压时，输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路。电 子电压表组成框图如图5.7所示。,5.3 交流电压的测量,5.

6、3.1 交流电压的表征,交流电压可以用峰值、平均值、有效值、波形系数以及波峰系 数来表征。,3. 有效值,若某一交流电压u（t）在一个周期内通过纯阻负载所产生的 热量，与一个直流电压U在同样情况下产生的热量相等，则 U的数值即为u(t)的有效值，U和u(t)的数学关系为,（5.10）,实际中，有效值是最广泛应用的参数。例如，电压表的读数除 特殊情况外，几乎都是按正弦波有效值进行定度的。有效值获 得广泛应用的原因，一方面是它直接反应出交流信号能量的大 小，这对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度、能量转换等 是十分重要的；另一方面，则是它具有十分简单的叠加性质， 计算起来极为方便。,4. 波形因数

7、,交流电压的波形因数的定义为该电压的有效值与平均值之比， 即,（5.11）,5. 波峰因数,交流电压的波峰因数的定义为该电压的峰值与其有效值之比， 即,（5.12）,正 弦 波,半波 整流 波,全波 整流 波,5.3.2 交流电压的测量,1.均值电压表,1)均值电压表的组成,2)均值检波器,余弦脉冲的直流频率分量 当=90,2,对于全波均值检波器：,流过电表的平均电流,与被测电压的平均值成正比，而与波形无关。,灵敏度,提高灵敏度，就应减小Rd和rm的值，为提高输入阻抗检波前要加放大器,输入阻抗,3)刻度特性,角标“”表示正弦波,（5.17）,K定度系数，或称为刻度系数。,由于正弦波及有效值的实

8、际意义，电压表的读数,都用正弦,有效值进行定度。,这里为何等于1.11？对正弦波正好是其波形因数KF,证明：,见P159 表5.1：KF=1.11,因此,均值电压表测的平均值,读数是正弦波有效值（假有效值）,正弦波UP = U,对于非正弦波，KF 1.11，直接读数无物理意义，要通过换 算求得有效值。,例5.l 用平均值电压表测量一个三角波电压，读得测量值为 10V，试求有效值为多少伏？,解: 对于均值表，,读数,（5.17）先求出均值，再通,过KF换算成有效值。,三角波的均值为,查 P159 表5.1，得三角波KF=l.15，故被测三角波的有效值为,4) 波形误差,因读数是按标准无失真正弦波

9、有效值定度的，而实际正弦波 和非正弦波则会有误差。,定义：读数与实际有效值之间的相对误差为波形误差,（5.20）,用均值电压表测量非正弦波电压时，其读数应作修正。,将式（ 5.20）代入上式，则有,求例5.1中波形误差：三角波KF=1.15,典型产品：,TH2172型：频率范围5Hz2MHz，测量范围,DA16型：频率范围20Hz2MHz，测量范围100V300V。 最小量程l mV，误差3%，输入电阻1.5M。,指针式万用表：交流电压测量档采用了半波均值检波器，并以 正弦有效值刻度，由于它依据直接测量原理，且灵敏度低，因 此，指针式万用表主要用于工频（ 50Hz）及要求不高的低频 （一般为几

10、到几十kHz以下）电压的测量中。,TH2172,500型,2. 峰值电压表,峰值电压表的工作频率范围宽、输入阻抗较高，有较高的 灵敏度，但存在非线性失真。,1)峰值电压表组成,峰值电压表，简称峰值表，属检波放大式电子电压表，又 称为超高频毫伏表。它由峰值检波器（置于机箱外探头中）、 分压器、直流放大器和微安表等组成（置于电压表机箱中）， 如图5.13所示。,2)峰值检波器,条件：,3)刻度特性,峰值电压表响应被测电压的峰值UP，读数（峰值表的指示值） 为,K定度系数，,对正弦波读数就是有效值,非正弦波读数无物理意义，要通过：,求出峰值，再由峰值因数KP求出有效值U,例5.2 用峰值电压表测量一

11、个三角波电压，读得测量值为10V， 试求有效值为多少伏？,解：对于峰值表，读数乘以,在就等于被测电压的峰值。因,此，三角波的峰值为,由表5.1查得三角波,故被测三角波的有效值为,4)波形误差,由于峰值电压表的读数没有直接的物理意义，测量非正弦波时，,如果不进行换算，将产生波形误差。其定义为,（5.28）,即,（5.29）,对于例5.2,可见，用峰值表测量失真的正弦电压或非正弦电压时，若将读 数当成输入电压的有效值，就会产生波形误差。而且，峰值电 压表的波形失真较大。,超高频毫伏表都是峰值电压表。,典型产品,DAl型：频率范围10kHz1000MHz，测量范围0.3mV3V， 误差优于l%（3m

12、V档）。,HFJ8型频率范围5kHz300MHz，测量范围lmV3V。,HFJ一8A型频率范围5 Hz1GHz，测量范围lmV3V，可 扩展到300V。,HFJ-8B,3. 有效值电压表,以上均值表、峰值表测的不是有效值，只是按有效值读数， 故实为伪有效值。,而有效值电压表，直接获得有效值，是真有效值表。,1)热电偶式：,不同金属界面逸出功不同， 冷、热端形成电位差,电势 E=kU2,电势正比输入功率， 可作微波功率计。,如何直接测电压？,典型产品：DA30型，频率范围10Hz10MHz，量程范围 1mV300V,2)计算式,硬件实现-有专用IC，如AD637,软件实现-用计算机完成运算,表5

13、.2 三种电子电压表主要特性比较,均值,1.11,U=KF,若在示波器上分别观察峰值相等的正弦波、方波、三角波， 得Up5V；现在分别采用三种不同检波方式并以正弦波 有效值为刻度的电压表进行测量，试求其读数分别为多少？,5.4 数字电压表概述,5.4.1 数字电压表组成原理,数字电压表(DVMDigital Voltmeter),5.4.2 数字电压表的主要工作特性,1. 测量范围,1）量程-借助于分压器和输入放大器来实现,2)位数,显示位数：通常为3位8位。,判定数字仪表的位数有两条原则：, 能显示从09所有数字的位是整数值；, 分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满 量程时最高

14、位数字做分母。,例如，19992000， 3 1/2 三位半,39999 40000， 4 3/4 四又四分之三位,499999 500000， 5 4/5 五又五分之四位,3) 超量程能力,在临界量程处，不会降低精度和分辨力。,10V档： 9.999V（只能显示0.006）,100V档： 99.99V（只能显示10.00）,测量 ： 10.006V,溢出1,丢失6,数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称 做仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示 位数的增加而提高。,例如，3、6位、8位DVM的最高分辨力分别为1mV、 1V、10nV。,分辨率：数字电压表的分辨力指

15、标亦可用分辨率来表示。分 辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分 比。例如，3位DVM的分辨率为1/19990.05。,由于分辨力与数字电压表中A/D的位数有关，位数越多，分辨 力愈高，故有时称具有多少位的分辨力。例如，称12位A/D具 有12位分辨力，有时也用最低有效位LSB的步长表示，把分辨 力说成分辨率1/212或1/4096或。同时，分辨力越高，被测电 压愈小，电压表愈灵敏，故有时把分辨力称作灵敏度。,3.最大允许误差与不确定度,数字电压表的说明书上用绝对误差表示，其表示方式有多种：,U=(aUx十bUm) = (aUx十n个字) = (appmUx十bppmUm),例：

16、DS-14基本量程5V，4 4/5位 U=(0.006Ux十0.002Um) = (0.00006Ux十0.00002*5) =(60*10-6Ux+0.0001V) = (60ppmUx十1个字) 4.9999V 末位跳1个字 100V,满度误差 决定量化误差、内部噪声,读数误差 决定转换系数、非线性,DVM厂家给出的绝对误差 实际上也就是该DVM的最大允许误差，即该仪器的置信区间。这是由厂家产品质量决定的，不是通过多次测量由标准差求得的，故属B类标准不确定度。,由于最大允许误差 在5V量程内对测量值都有影响，即其在5V范围内出现的概率相同，故应属于均匀分布。因此，这里a即为均匀分布的半宽，按表2.10查得 。 故该数字电压表示值的B类标准不确定度为：,第二章已经指出最大允许误差的“模”即绝对值 ，就是置信区间的半宽a，由它可以求得B类标准不确定度。,现仍用例5.3中DS-14 DVM来求其在5V量程上测量3V电