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1、,第3章 电压测量,3.1 概述 3.2 交流电压测量 3.3 直流电压的数字化测量技术 3.4 数字电压表组成原理及性能指标 3.5 电压测量的干扰及抑制技术 3.6 小结,哈尔滨工业大学电气学院 梁军,第3章 电压测量,3.1 概述 3.2 交流电压测量 3.3 直流电压的数字化测量技术 3.4 数字电压表组成原理及性能指标 3.5 电压测量的干扰及抑制技术 3.6 小结,3.1 概述 3.1.1 重要性及特点 3.1.2 电压测量方法及分类 3.1.3 电压标准,第3章 电压测量,第3章 电压测量,3.1 概述 3.1.1 重要性及特点 3.1.2 电压测量方法及分类 3.1.3 电压标
2、准,电压测量的重要性,电压测量是电测量与非电测量的基础,其他电量,电压测量,非电量,传感器,（电流、功率）,（温度、压力、速度）,电压测量的特点,频率范围广 测量范围宽 电压波形的多样化 测量精度的要求差异大 测量速度的要求差异大 抗干扰问题 阻抗匹配问题,第3章 电压测量,3.1 概述 3.1.1 重要性及特点 3.1.2 电压测量方法及分类 3.1.3 电压标准,分类,直流电压测量、交流电压测量 模拟测量、数字测量,测量方法,交流电压的模拟测量方法 直流电压的数字化测量方法 交流电压的数字化测量方法 基于采样的交流电压测量方法 示波测量方法,第3章 电压测量,3.1 概述 3.1.1 重要
3、性及特点 3.1.2 电压测量方法及分类 3.1.3 电压标准,直流电压标准,标准电池 齐纳管电压标准 约瑟夫森量子电压基准,交流电压标准,以直流电压标准为基础建立 准确度低于直流电压标准,第3章 电压测量,3.1 概述 3.2 交流电压测量 3.3 直流电压的数字化测量技术 3.4 数字电压表组成原理及性能指标 3.5 电压测量的干扰及抑制技术 3.6 小结,第3章 电压测量,3.2 交流电压测量 3.2.1 表征交流电压的基本参量 3.2.2 交流电压测量 3.2.3 分贝测量 3.2.4 电压表的使用,峰值,以零电平为参考的最大电压幅值,均值,信号的直流分量,全波整流均值：,半波整流,全
4、波整流,的全波整流均值：,振幅,以直流分量为参考的最大电压幅值,有效值,一个周期T内，交流电压和某直流电压在纯阻上产生的热量相等，则用该直流电压值代表交流电压的有效值,交流电压表的示值按正弦波有效值定度,的有效值：,波峰因数,反映同一交流电压峰值和有效值的比例关系,请牢记！,对纯正弦交流电压,波形因数,反映同一交流有效值和平均值的比例关系,请记牢！,对纯正弦交流电压,第3章 电压测量,3.2 交流电压测量 3.2.1 表征交流电压的基本参量 3.2.2 交流电压测量 3.2.3 分贝测量 3.2.4 电压表的使用,模拟交流电压表的测量原理,检波器,交流 电压,微安表,直流电压-交流电压的峰值/
5、均值/有效值,AC/DC电压转换- 峰值检波器、均值检波器、有效值检波器,交流/直流（AC/DC）电压转换原理,峰值检波原理,串联式峰值检波器,并联式峰值检波器,串联式峰值检波器,快速充电+慢速放电,输出UP略小于实际峰值,均值检波原理,直流电流平均值与交流电压平均值成正比，与交流电压波形无关,C,D,1,D,2,I,0,D,1,D,2,D,3,D,4,C,半波整流,全波整流,有效值检波原理,单片集成TRMS/DC电路，如AD536AK、AD637等,峰值电压表原理、刻度特性和误差分析,原理：峰值电压表对被测电压的峰值作出响应,刻度特性：表头按正弦交流电压有效值刻度,（1）表头读数不是峰值！
6、（2）u(t)为正弦交流时,读数为有效值,非正弦交流电压的峰值和有效值换算,依据：若峰值相等，则表头读数相等,换算过程：,第一步，等于正弦波的有效值：,第二步，求该正弦波的峰值：,第三步，实际被测波形的峰值：,第四步，查表得实际波形的波峰因数，实际有效值：,由上述四步可得：,任意波峰值：,任意波有效值：,波形误差,将表头读数直接作为实际被测交流电压有效值产生的误差,例：正弦有效值刻度的峰值电压表，测量一个方波电压，表头读数为10V，问该方波电压的有效值多少？,均值电压表原理、刻度特性和误差分析,原理：均值电压表对被测电压的均值作出响应,刻度特性：表头按正弦交流电压有效值刻度,（1）表头读数不是
7、均值！ （2）u(t)为正弦交流时读数为有效值,任意波形的均值和有效值换算,换算依据：若均值相等，则表头读数相等,换算过程：,第一步，等于正弦波的有效值：,第二步，求该正弦波的均值：,第三步，实际任意被测波形的均值：,第四步，查表得实际波形的波形因数，实际有效值：,由上述四步可得：,任意波的均值：,任意波的有效值：,波形误差,将表头读数直接作为实际被测波形有效值产生的误差,例：用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压，表头读数为1V，问该方波电压有效值多少？,模拟式交流电压表的组成方案,两种组成方案,先检波后放大，称为检波-放大式,先放大后检波，称为放大-检波式,带宽：工作频率范围,两
8、个重要指标,灵敏度：测量微弱信号的能力,检波-放大式电压表,峰值电压表的常用形式 主要用于高频电压信号的测量,提高指标的措施：,超高频检波二极管 检波器直接设计在探头中 高增益低漂移的直流放大器,带宽、灵敏度、可测电压上限、输入阻抗,放大-检波式电压表,均值电压表的常用形式 灵敏度高,带宽、灵敏度,第3章 电压测量,3.2 交流电压测量 3.2.1 表征交流电压的基本参量 3.2.2 交流电压测量 3.2.3 分贝测量 3.2.4 电压表的使用,分贝（dB）,被测量与同类标准量之比的对数,功率之比的对数,（Bel）,1 （Bel）= 10 （dB）,以分贝为单位表示的功率比：,贝尔,分贝,电压
9、比的对数,绝对电平,功率电平dBm,取P0=1mW，则PX的功率电平,电压电平dBV,取V0=0.775V，则VX的电压电平,分贝测量,表盘按dB刻度的电压测量或功率测量 电平表,第3章 电压测量,3.2 交流电压测量 3.2.1 表征交流电压的基本参量 3.2.2 交流电压测量 3.2.3 分贝测量 3.2.4 电压表的使用*,峰值电压表,检波-放大式,峰值响应、频率范围较宽（达1000MHz）但灵敏度低（mV级）,读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值（或峰值）,均值电压表,放大-检波式,均值响应、灵敏度比峰值表有所提高，主要用于视频场合,读数的换算：根据波形因数，将读数换算成有效值
10、（或均值）,有效值电压表,可以直接读出有效值，非常方便,由于削波和带宽限制，将可能损失一部分被测信号的有效值，带来负的测量误差,较为复杂，价格较贵,第3章 电压测量,3.1 概述 3.2 交流电压测量 3.3 直流电压的数字化测量技术 3.4 数字电压表组成原理及性能指标 3.5 电压测量的干扰及抑制技术 3.6 小结、思考题,模拟式电压表,准确度低,结构简单，价格低廉,数字式电压表,准确度高 数字显示 输入阻抗高 测量速度快 自动化程度高,变换形式：,A/D 变换器,电子 计数器,数字 显示器,数字量,模拟量,读出,直流电压时间间隔,直流电压频率,易于数字化测量,直流电压的数字化测量直流数字
11、电压表,直流电压,第3章 电压测量,3.1 概述 3.2 交流电压测量 3.3 直流电压的数字化测量技术 3.4 数字电压表组成原理及性能指标 3.5 电压测量的干扰及抑制技术 3.6 小结、思考题,DVM组成原理,核心部件，决定主要技术指标,基本部分（直流数字电压表）,功能扩展部分,输入电路增加AC/DC、I/V、/V，构成DMM,DMM,DMM的核心,DVM主要性能指标,显示位数,完整显示位：09,非完整显示位(半位)：0和1，最高位,量程,基本量程：,无衰减放大时输入电压范围，由A/D转换器动态范围决定,扩展量程：,基本量程按10倍放大或衰减扩展,例1：4位DVM，有4位完整显示位，最大
12、显示数字为9999 例2：4又1/2位（4位半）DVM，有4位完整显示位，1位非完整显示位，最大显示数字为19999,分辨力,每跳变一个字对应的输入电压变化量，V/字,分辨最小电压变化量的能力，反映DVM灵敏度,分辨力的表示,不同量程上分辨力不同，最小量程上具有最高分辨力,分辨力=0.1mV/字,输入变化0.1mV，显示数字变化“1个字”,例：3位半DVM，最大显示1999（2000个字），在200mV量程上，最大可测电压为199.9mV，分辨力为0.1mV/字 ；在2V量程上，最大可测电压为1.999V，分辨力为1mV/字,分辨率,百分数表示，与量程无关,例1：前述3位半DVM在量程200m
13、V上的分辨力为0.1mV/字，其分辨率为：0.1mV/200mV=0.05%；在2V量程上分辨力为1mV/字，分辨率同样为：1mV/2V=0.05%,分辨率计算方法1：分辨力与量程之比,分辨率计算方法2：显示字数的倒数,例2：3位半DVM，可显示1999（2000个字），则分辨率为,测量速度,每秒完成的测量次数,主要取决于A/D的转换速度,测量精度,固有误差,示值（读数）相对误差,读数误差：与读数有关,满度误差： 与读数无关，只与选用的量程有关,满度误差可等效为“n字”的电压值,固有误差：,满度误差,合理选择量程，减小满度误差。,被测量大时读数误差起主要作用,被测量小时满度误差起主要作用,合理
14、选择量程，使被测量大于满量程2/3以上,例：4位半DVM，基本量程2V，固有误差为,例：3位半，精度为（0.1%读数+1字），基本量程为020V，测量5.00V和15.00V。求DVM测量的固有误差,由“量程020V”和“3位半”,满度误差=1字 = 0.01V,固有误差：,1字= 0.01V,VX=5.00V时,VX=15.00V时,被测电压接近量程满度，测量相对误差小,输入阻抗,取决于输入电路，与量程有关 输入阻抗越大越好 直流DVM，输入电阻在10M1000M之间 交流DVM，输入阻抗由输入电阻和电容并联，电容值一般在几十几百pF之间,积分型 逐次比较型 并行型 速度 慢 快 最快 精度
15、 高 低 低 抗干扰 强 弱 弱,A/D转换器,二端法测电阻和四端法测电阻,DMM,二端法,四端法,DMM,第3章 电压测量,3.1 概述 3.2 交流电压测量 3.3 直流电压的数字化测量技术 3.4 数字电压表组成原理及性能指标 3.5 电压测量的干扰及抑制技术 3.6 小结、思考题,第3章 电压测量,3.5 电压测量的干扰及抑制技术 3.5.1 干扰来源及分类 3.5.2 串模干扰的抑制 3.5.3 共模干扰的抑制,第3章 电压测量,3.5 电压测量的干扰及抑制技术 3.5.1 干扰来源及分类 3.5.2 串模干扰的抑制 3.5.3 共模干扰的抑制,串摸干扰,以串联叠加形式对被测信号产生的干扰,干扰信号Un,被测电压Ux,H,L,DVM,串摸干扰的起因：,来自于被测信号本身,直流稳压电源,串摸干扰来自被测信号源内部,测量引线受外界电磁场感应,50Hz工频信号、雷电、无线电信号引起的电磁干扰,串摸干扰来自测量引线,干扰信号频率从直流、低频到超高频 干扰信号波形可以是周期性的或非周期性 可以是正弦波、非正弦波，也可是随机的 50Hz工频干扰是最常见的干扰源,共摸干扰,干扰信号同时作用于DVM的两个输入端,干扰信号Ucm,被测电压Ux,H,L,DVM,共摸干扰的起因：,被测电压本身就存在共模电压（被测电压是一个浮置电压）,测量一个直流电桥的输出,Ucm,+E,H,L,DVM
