电子测量技术电压测量

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1、电子测量原理第1页第5章 电压测量5.1 概述5.2 交流电压测量5.3 噪声电压测量5.4 电压测量的数字化方法电子测量原理第2页5.1 概述5.1.1 电压测量的重要性电压测量是非常重要的测量。因为，电压是基本电能量参数（电压、电流、功率等）之一，从测量角度主要是测量电压，因为测出电路端电压后根据电路阻抗就可计算出电流和功率；电压可以派生出其它量，如幅频特性、调幅特性、失真度，灵敏度等；自动控制系统中，反馈量和控制量大都是用电压量；非电量检测中，通常将非电量转换成电压量来测量；电气设备和电子仪器，大多以电压来指示。所以，电压测量在电测技术中占有重要地位。电子测量原理第3页5.1.2 电压的

2、特点 电压在性质上可分为直流电压和交流电压（包括所有 非正弦电压）两种。在应用上，有工频电压和电子电路电 压。前者是强电，除电压范围大外，波形、频率等都是规 则的。而后者，却具有更多的特点：1.频率范围宽。电子电路信号的频率往往是从直流到上 GHz范围内变化。2.电压范围广。电子电路中的电压可在nV级到MV级， 其中微伏级的电压是非常多见的。3.波形多种多样。电子电路中除正弦波外，大量的是非 正弦波，同时交直并存，甚至串入噪声干扰。4.电子电路的等效阻抗一般都高，有的达兆欧级。 电子测量原理第4页5.1.3 对电压测量的基本要求针对电压量的特点，对电压测量提出了一系列要求， 主要有以下几方面：

3、1.应有足够宽的频率范围。以满足测量从直流到上 GHz的频率要求。2.应有足够宽的电压测量范围。以满足测量从nV级到 上MV级的要求。3.应有足够高的测量准确度。由于电压测量的基准是 直流标准电压，同时直流测量中不存在分布参数的影响或 影响极小，因而直流电压的测量准确度最高，目前可达 10，甚至更高。交流电压测量因受频率、波形和分布参数 等的影响，测量准确度不高，一般在1010。电子测量原理第5页4.应有足够高的输入阻抗。由于电子电路等效阻抗高， 为了减小仪器接入后对电路的影响，要求仪器输入阻抗要 高。目前模拟电压表的输入阻抗在M级，数字电压表的 输入阻抗达G级，甚至可达数千G。5.应具有高的

4、抗干扰能力。一般来说，测量都是在充满 各种干扰的条件下进行的。对于微小电压的测量，需要的 灵敏度就高，其干扰的影响就大。所以，电压表的抗干扰 能力要强，对数字电压表更是如此。此外，还应要求高的测量速度和高的自动化程度，以实 现智能测试和自动测试。电子测量原理第6页5.1.4 电压测量方法电压的测量方法很多，要根据被测电压的不同和测量 的具体要求及客观条件的限制，合理选择测量方法。归结 起来，电压测量的方法有以下几种：1.电工仪表测量法电工仪表主要是指针式仪表，主要有磁电系、电动 系、电磁系等，其中磁电系仪表只能测直流量。用电工仪 表测电压在工程中应用十分普遍，因为电工仪表成本低,操 作简便，特

5、别是一般工程测量对准确度要求不太高更是为 用电工仪表测电压大开“绿灯”。对交流高电压，通过互感 器等亦可用电工仪表进行测量。 电子测量原理第7页2.电子电压表测量法电子电压表是利用电子技术制成的，属于电子仪器类，是模拟式电压表，在电子电路交流电压测量中广为应用。电子电压表根据将交流转换成直流原理的不同分为三种类型：(1)公式法：按正弦交流电压有效值公式制成的有效值电压表，该类电子电压表主要是频带窄、准确度低。(2)热电转换法：利用热电偶转换制成的有效值电压表，其优点是没有波形误差，但有热惯性、频带不宽、维修不便等缺点。电子测量原理第8页(3)检波法：通过整流将交流转换成直流制成的电压表，据整流

6、电路的不同可分为均值检波、峰值检波、有效值检波三种。同时， 据整流电路的不同可分为均值检波、峰值检波、有效值检波三种。同时，据整流器的位置又分 为“检波放大”、“放大检波”式电压表。可见，无论那种类型的电子电压表都具有由交流转换为直流的过程，包括“调制式”电子电压表也不例外。3.数字电压表测量法严格讲，数字电压表也属于电子电压表，但因数字部分电路在整个仪器中占有重要地位，因而人们往往对它叫着数字电压表。 电子测量原理第9页数字电压表首先将模拟量通过模/数（A/D）转换为数字量，然后用计数器计数，并用十进制数字显示被测电压 值。作为交流数字电压表，还必须有交流/直流（AC/DC）转换过程。4.示

7、波器测量法前章介绍的示波器，除了直观形象地显示波形外，测电压（信号幅度）具有它独特的优点，即能测各种波形的电压幅值，特别是能测脉冲电压的各参数。利用示波器测量电压的基本方法，在波形测试技术一章已介绍，故不再重述。电子测量原理第10页5.1.5 电压测量中的误差问题电压测量是一种接触性测量，除仪器仪表误差外，由于负 载效应必然要产生方法误差。对于图5-1所示的直流电动势 Eo的测量，被测真值为Eo，接入内阻为R的直流电压表进 行测量，其测量结果为： 误差为：（5-1）图5-1 用电压表测电动势 式（5-1）中，“一”表明测量值比实际值小； 电子测量原理第11页5.2 交流电压测量5.2.1 交流

8、电压的表征表征周期性交流电压的参数有峰值Up、平均值 、有效值U，三者之间存在一定的关系。正是如此，构成了不同工作原理的电子电压表。1.电压的Up 、U值交流电压的峰值，指一周内能达到的最大值。它以零电位（时间轴）为参考。对于含直流分量的正弦交流电压来说，正负峰值是不相等的，而正负振幅是相等的，因为振幅以振荡中心为参考的。电子测量原理第12页交流电压的平均值，指一个周期内等效的直流量，其数学定义式为：（5-2）交流电压的有效值，按式（5-3）定义为：（5-3）2.三个参数间的关系峰值、均值、有效值三者之间的关系，用波形因数和波峰因数来表示（有的书称波形系数和波峰系数。）波形因数是指电压的有效值

9、与平均值的比值，用Kf表示，即：（5-4） 电子测量原理第13页波峰因数是指电压的峰值与有效值的比值，用Kp来表示，即：（5-5）无论任何波形的电压，只要知道峰值和按式（5-2）、（5-3）求出平均值和有效值，便可按式（5-4）、（5-5）求出对应的波形因数和波峰因数值。正弦波及常见非正弦波电 压的Kf、K p值，可见表5-1所示。电子测量原理第14页电子测量原理第15页5.2.2 低频电压测量频率在1MHz以下的电压叫低频电压，多用平均值电 压表来测量。平均值电压表由平均值检波而得名。1.均值检波原理（5-6） 图 5-2 均值检波电路式中R是微安表的等效电阻。检波就是整流的意思，有半波和全

10、波整流检波就是整流的意思，有半波和全波整流 两种，通常采用二极管全波（即桥式）整两种，通常采用二极管全波（即桥式）整 流电路，如图流电路，如图5-25-2所示。实际中所示。实际中DD、DD常用常用 电阻代替。二极管受正向偏压才导通，均电阻代替。二极管受正向偏压才导通，均 值检波时工作在乙类。在理想情况下，流值检波时工作在乙类。在理想情况下，流 过微安表表头的电流为：过微安表表头的电流为：电子测量原理第16页式（5-6）表明，流过表头的电流与输入电压的平均值 成正比，即具有平均值响应。2.均值电压表以均值检波构成的电压表，一般是“放大检波”式 结构，例如DA-16型均值电压表（图5-3 所示）。

11、阻抗变换 电路由场效应管构成，以获得低噪声电平和高输入阻抗。 步进分压器以扩展量程。放大器由两级组成，一级是 A，另一级是由T、T组成的串联负反馈放大器，其频带范 围宽。检波电路由D、D、R、R组成，指示表头是磁电系 微安表。R是用来调整满量程时使指针能满偏的，而R是用 来调零的。因检波后的一部分量负反馈到放大器，有效地 解决了温度影响和刻度的非线性。电子测量原理第17页图5-3 DA-16型均值电压表的原理电路电子测量原理第18页3.均值表的刻度及误差由于驱动微安表的电流I正比于被测电压平均值，同时正弦电压有效值具有普遍意义，因此微安表的刻度按正弦 有效值刻度，也就是说将被测电压的平均值扩大

12、1.11倍来刻度。不难理解，用均值电压表测非正弦电压（如三角波、方波等电压）时，其示值不具有直接的物理意义，也就是存在波形误差。但用于测正弦电压时，则示值即为被测结果。当用均值电压表测失真的正弦波电压时，其误差不仅取决于各次谐波的幅度，还取决于各次谐波的相位。因为相同的谐波次数，其各次谐波的幅度不同而相位相同，合电子测量原理第19页成的波形各不相同；反之，在相同的各次谐波幅度下，若相位不同，合成的波形也是各不相同的。分析可知，误差 随谐波初相角周期性变化，0或180时最大；而奇次谐波比偶次谐波的误差大。除了波形误差外，还有直流微安表本身的误差（等级决定）、检波二极管老化或变值以及超过频率范围所

13、造成的误差等，但主要是波形误差。 4.波形换算均值电压表测非正弦波电压时产生的波形误差，通过波形换算来消除。方法是：先将测量时从表上得到的示值 除以1.11，求得被测电压的平均值，然后按被测电压的Kf电子测量原理第20页或Kp值来求出被测电压的有效值或峰值。例如，用按正弦有效值刻度的均值电压表测三角波电压， 得电压表的测量示值为1V，要求被测电压的有效值，先按上述方法求被测电压的平均值为：因三角波电压的Kf=1.15，则被测电压的有效值为： 电子测量原理第21页5.2.3 高频电压测量上述均值电压表测高频电压时，会产生较大的频率误 差。解决办法用“检波放大”式，把检波器置于探头 内，将高频交流

14、变为直流后再放大显示。能实现这种结构 的，常采用“峰值电压表”。1.峰检波原理峰值表的检测电路，有“串联式”和“并联式”两种，如 图5-4所示。 图5-4 峰值检波原理（a） （b） （c）电子测量原理第22页（a）图是串联式峰值检波，电路要求： （5-7）式中Tmax、 Tmin是被测电压最大周期和最小周期，RC是电容放电时间常数，RC是电容充电时间常数。式（5-7）说明，充电要快，放电要慢。这样，电容的端压平均值近似为峰值电压，即：电路处于稳定工作状态时，只有 时D 才导通，电容C被充电；而 Tmax 很难满足而产生误差，因而下限频率一 般限制在20Hz。频率太高时RC 0，双稳2保持不变

15、，4V保存，并将“1”送寄存器. 电子测量原理第51页3.节拍脉冲送双稳3，使其翻转，放出Us=2V，再与4V相加后与U比较，有U=5-60），比较器输出打开主门，则时钟脉冲通过主门进入计数器计数。当计数满预先给定的 N时（即定时积分T= NT（T为时钟周期）时），逻辑控制电路使电子开关K断开，第一次积分（正向积分）结束。 积分电压： （5-18）电子测量原理第56页当t=t时： （5-19）比较阶段（tt），是在t时刻逻辑控制电路在断开K的同时接通K，此刻逻辑控制电路还使计数器清零。积分器开始反向积分，主门仍开启，计数器重新对脉冲计数，直到反向积分输出为零。其计数结果存入寄存器。积分电压：（

16、5-20）当t=t时： 即： （5-21）电子测量原理第57页由式（5-19）、（5-21）得：（5-22）需要注意的是，两次积分过程中，采样阶段是定时积分，即T不变。由式（5-18）知，当U小时积分斜率也小，积满T时的U也小。比较阶段是定值积分，即Us不变，由式（5-20）知，积分斜率不变。当U小就有U也小，从U积到零所需的时间T也就小。所以，式（5-22）中Us、T（或N）均不变，被测电压U正比于时间隔T（或N）。设时钟脉冲周期T=10s，T时间内N=6000个脉冲， Us=6000mV，则式（5-22）变为：（5-23）电子测量原理第58页可见，如果参数选择合适，被测电压U（mV）就等于T时间内填充的脉冲个数N。其次应注意，这