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1、Chapter 3,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3.5 失真度测量3.6 功率的测量3.7 Q 值的测量,3.1 电压测量概述,在电子测量领域中，电压、电流和功率 是表征电信号能量大小的三个基本参量。电压测量占有极为重要的地位。因为： 在集中参数电路里，测量的主要参量是电压。 许多电参数，如频率特性、失真度、灵敏度等都可视为电压量的派生量。 各种电路工作状态, 如饱和、截止及动态范围等都以电压的形式反映出来。 电子设备的各种控制信号、反馈信号等信息也主要表现为电压量。 电压的测量是其他许多电参量测量的基础。很多电子测量仪器
2、，如信号发生器、各种电子式电压表、Q表、示波器等，以及其他电子设备都是用电压表作为它们的指示装置或辅助监测装置的。在调试电子设备或进行各种测量工作时，电压的测量是必不可少的。,仪表的标志 不同类型的电工仪表，具有不同的技术性能。为了便于选择和使用仪表，通常把这些不同的技术特性采用不同的符号标志，标明在仪表的标度盘或面板上。根据国家标准GB776-76的规定，每只仪表应有测量对象单位、准确度等级、电流种类和相数、工作原理系别、使用条件组别、工作位置、绝缘强度实验电压、仪表型号以及各种额定值的标志。国家标准规定的各种符号标志列于表2-2-1至表2-2-9。表2-1-1 测量单位的符号,表2-1-2
3、 仪表工作原理的图形符号,仪表的标志,仪表的标志,表2-1-4 准确度等级的图形符号,表2-1-3 电流种类的图形符号,1.5,1.5,2）平均值 U ： 对周期信号,3）有效值 U ：,在不特别指明时，交流电压的量值均指有效值。各类电压表的示值，除特殊情况外，都是按正弦波有效值来定度的。,4) 波形系数KF ：表征同一信号的有效值与平均值之比。,5) 波峰系数KP ：表征同一信号的峰值与有效值的比值。,*各种波形的波峰系数KF 和波峰系数KP 参表3.2.1,3.2 交流电压的测量,一、 交流电压的表征,交流电压可以用峰值、平均值、有效值来表征；它们相互间的关系可用波形系数、波峰系数来表征。
4、,1）峰值：交变电压在一个周期内所能达到的最大值。记为UP 。,二、交流电压的测量方法,交流电压的测量方法很多，其中最主要的方法是用检波器将交流变换为直流、然后再接到直流表头进行测量。 根据检波特性不同，有平均值检波、峰值检波 和 有效值检波，相应的电压表简称为平均值电压表、峰值电压表和有效值电压表。,三、 平均值电压表,1.结构组成： 该表又称放大检波式电子电压表，即先放大后检波。,2.特点： 该表检波器对被测电压的平均值产生响应, 频率范围主要受放大器带宽限制, 典型频率范围为20Hz 10MHz, 故又称为视频毫伏表、主要用于低频电压测量。 灵敏度受放大器内部噪声限制，一般可做到毫伏级
5、。 一般的“宽频带毫伏表”基本属于这一类。,三、 平均值电压表,3.平均值表头的工作原理,检波电路如图3.2-5所示。,微安表指针偏转角与输入电压关系 ,平均值检波表头偏转角正比于其输入电压平均值，与其波形无关。,其中：R = 103104、且微安表两端并联电容用于滤除检波后电流中的交流成分，避免表针抖动 ；电容的充放电时间常数相等。,3. 平均值电压的测量,式中: 是被测正弦波电压的平均值，Ka 是定度系数。,当采用全波检波时： 设正弦峰值电压为1V时，其平均电压：,可见：平均值电压表的定度系数 Ka =1.11,定度系数Ka：由于被测交流电压多为正弦波，且希望得到测量的有效值，因而仪表刻度
6、采用正弦波有效值 定度。即将仪表刻度盘按正弦波电压有效值刻度。,电压表被施加正弦交流电压U 时的指示值为：,4.电压测量,3. 平均值电压的测量,4.电压测量,再根据相应的波形系数，计算其有效值：,正弦量测量 直读,非正弦量测量 首先按“平均值相等示值也相等”的原则，将示值Ua 折算成被测电压的平均值：,测量方法：,例：用全波平均值电压表测得三角波电压的示值为10V， 则其平均值为： 其有效值为：,3. 平均值电压的测量,5. 误差分析,测量非正弦波或失真的正弦波时，引起的波形误差。 以 全波平均值表 为例，当以平均值表的示值直接作为被测电压的有效值时，引起的绝对误差为： 引起的相对误差为：,
7、用平均值表测量交流电压会因直流微安表本身的误差及检波二极管的老化，超过频率范围等而产生误差。,当以平均值表的示值直接作为被测电压的有效值时， 引起的绝对误差为： 引起的相对误差为：,例：用全波平均值电压表测得三角波电压的示值为10V， 则其平均值为： 其有效值为：,可见，不管被测非正弦电压的波形如何，直接将电压表示值当做被测电压的有效值将会造成波形误差。,3. 平均值电压的测量, 用平均值电压表测失真正弦波电压的误差分析： 设被测电压为： 其中：Kn为 n 次谐波幅度相对于基波幅度的百分数， n 谐波次数 ( 取n2或3)； n为n次谐波初相角。,被测电压的平均值 被测电压的指示值,但被测电压
8、的实际有效值为：,测量失真波形电压误差：,*谐波失真波形误差可由P79图3.2.6查得。,3. 平均值电压的测量,6. 平均值检波电压表,四、 峰值电压的测量,1.结构原理： 电路组成如图所示，被测交流电压先检波后放大，然后驱动直流电流表偏转。该表又称检波放大式电子电压表.,2.特点：,在峰值电压表中，检被器峰值响应。 由于采用桥式直流放大器，增益不高。这类电压表灵敏度较低，一般为几十毫伏。测量电压的上限取决于检波二极管的反向击穿电压。工作频率范围取决于检波二极管的高频特性，一般可达几百兆赫。,为了提高检波一放大式电子电压表的灵敏度，目前普遍采用斩波式直流放大器，如图3.2-2 (b)所示其增
9、益较高，噪声、0点漂移都很小，其最高灵敏度可达几十微伏。,检波电路如图3.2-19所示。,3. 峰值表头的工作原理,四、 峰值电压的测量,其中：R = 107108、且,微安表指针偏转角(示值 )正比于其输入电压峰值， 与其波形基本无关。,式中: 是被测任意波形电压的峰值，Ka 是定度系数。,设正弦有效值电压为1V时，其峰值电压：,定度系数: 由于仪表刻度采用正弦波有效值定度。即将正比于输入电压峰值的指针偏转乘以定度系数 Ka 作为仪表刻度值。,电压表加正弦交流电压Ua 时的指示值为：,四、 峰值电压的测量,4.电压测量,* 根据相应的波形系数，计算其有效值：,正弦量测量-直读,非正弦量测量-
10、首先按 “峰值相等-示值也相等” 的原则，将示值Ua 折算成被测电压的峰值：,方法：,例 : P90-例3,四、 峰值电压的测量,5. 误差分析,四、 峰值电压的测量,(1) 理论误差 由于峰值检波器负载电阻上总要消耗一部分能量，为了维持检波器正常工作，负载电阻上的电压一直处于不断进行充放电的动态平衡状态，其输出电压平均值UR总是低于实际峰值。这是峰值检波器的理论误差，属固有误差。,峰值表的误差来源主要有： 理论误差 、频率误差、波形误差,经数学分析可知，当被测电压为正弦波时产生的理论误差为： 绝对误差,四、 峰值电压的测量,当利用峰值表测量正弦波电压时，峰值检波电路对波形的凸起部分非常敏感。
11、若信号失真度较大, 将会造成较大的波形误差。在测量谐波失真较大的电压时，尽量不要选用这种仪表，必须使用时应进行误差修正。 如果被测信号是有规则的非正弦波电压，与平均值表情况类似，可以进行波形换算，以减小波形误差，,(3) 波形误差,3. 平均值电压的测量,6. 峰值检波器电压表,这是反相型峰值检波器。运放 Al 对输入信号进行反相放大，VD2为半波检波二极管，C 为存储电容，A2 为电压跟随器，具有较高的输入阻抗，在电容和输出之间缓冲。电阻R1和R2与电位器RP组成反馈回路，通过调节电位器可以改变环路增益。 被测输入信号 0；VD2 导通，VD1截止时；电容C被充电；使uo 跟随ui 。 被测
12、输入信号 0时，Al的输出 0；VD1 导通，VD2截止时；电容C与Al 隔离；使uc 保持uimax 。,五、 有效值电压表,实现方法： 通常实现直接有效值电压测量的方法有两种-热电转换法、公式法 (1)热电转换法：将交流电压的有效值转换成直流电压值。 该法没有波形误差，但有热惯性和频带不宽等缺点。 (2)公式法：利用方均根值公式进行转换。,在实际测量中，有时需要测量非正弦 信号电压的有效值。例如，非线性失真仪需要测量的谐波电压是一种复杂波形，若用峰值检波器或均值检波器去测量，难以换算出实际的电压有效值。需要能直接测出任意波形电压有效值的检波器， 这种能直接测出任意波形电压有效值的检波器称为
13、有效值检波器。,(1) 热电转换法：将交流电压的有效值转换成直流电压值。 实现方法利用热电偶来实现有效值转换的基本电路如图所示，图中AB是加热丝，当接入被测电压 ux 时，加热丝发热，热电偶 M 的热端 C 点的温度将高于冷端 D，E 的温度，产生热电势；有直流电流I 流过微安表。,电路实现一例：,当分压器及放大器总传输系数为1时， Ex KUx 2热电偶 M2 与 M1 性能相同， Ef KUo2当放大器A的增益足够大时， E= Ex -Ef 0；即： KUo2 - KUx 2 0 UoUx 可见：输出直流电压Uo 与被测电压的有效值Ux成正比。 该电路完成了RMS DC 的线性转换；表盘可
14、均匀刻度。,特点： *可测任意周期性波形的电压有效值，同谐波与基波的相角无关，不会产生波形误差。 *当用正弦波电压有效值刻度时，表盘刻度是线性的。 * 该法频率范围受放大器带宽限制, 在测矩形方波时, 其高次谐波会受抑制而产生误差。 * 其量程受限于放大器的动态范围。当被测电压波形上的尖蜂过高时会受到电压表放大器动态范围的限制，因此还会产生一定的波形误差。,(2)公式法1-利用二极管进行方均根值转换。 实现方法,五、 有效值电压表,- 从有效值的定义可知：,由上式可见，有效值检波器的函数特性，应具有平方律关系。可选择二极管检波器，并适当调节其工作点，使该检波器电流为：,表头指针偏转角正比于其直流平均值，而检波电流的平均值为：,式中， 为输入电压平均值，且 ； 为起始电流可以设法抵消掉； 流过表头的电流便是检波器检出的方均值分量。,
