[工学]第2篇 电参量测量

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1、第2篇 电参量测量,第2章 电压测量,2.1 概述,2.1.1 电压测量的意义、特点 1）电压测量的重要性 电压测量是电测量与非电测量的基础； 电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量： 表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率 其中：电流、功率电压，再进行测量 电路工作状态： 饱和与截止，线性度、失真度电压表征 非电测量中，物理量电压信号，再进行测量 如：温度、压力、振动、（加）速度,2）电压测量的特点,1.频率范围广：零频（直流）109Hz 低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。 2.测量范围宽 微弱信号:心电医学信号、地震波等,纳伏级（10-9V）； 超高压信号：电力系

2、统中，数百千伏。 3.电压波形的多样化 电压信号波形是被测量信息的载体。 各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。,2）电压测量的特点,4.阻抗匹配 在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。 直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。 如：采用电压表与电流表测量电阻， 当测量小电阻时，应采用电压表并联方案； 当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。 交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。,2）电压测量的特点,5.测量精度的要求差异很大 10-1至10-9。 6.测量速度的要求差异很大 静态测量：直流（慢变化信号）,几次/秒; 动态测量：高

3、速瞬变信号,数亿次/秒（几百MHz） 精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。 7.抗干扰性能 工业现场测试中，存在较大的干扰。,2.1.2 电压测量的方法和分类,电压测量方法的分类 按对象：直流电压测量；交流电压测量 按技术：模拟测量；数字测量 1）交流电压的模拟测量方法 表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。 方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电流-驱动表头-指示 有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。,2.2模拟直流电压测量,2.2.1动圈式电压表 直流动圈高灵敏度电流表，串接若干倍压电阻,RV/量程U定义为每伏欧姆数/ V,误差来源：读数 表头 内阻

4、准确度 一般误差=1% 缺点：灵敏度不高，输入阻抗低,2.2模拟直流电压测量,负载效应的影响： 例：如图所示，高输出电阻电路，电压表每伏欧姆数为20 K/ V，分别用5V量程和25V量程测端电压Ux,分析电压表输入电阻的影响，如何消除其对测量结果的影响。,5V档相对误差-50% ，25V档相对误差-16.7%,电子电压表 1.原理,2.2模拟直流电压测量,2.3 交流电压的表征和测量方法,2.31 表征交流电压的基本参量 峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。 峰值 以零电平为参考的最大电压幅值（用Vp表示 ）。 注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）。,2.3.

5、1 表征交流电压的基本参量,平均值（均值） 数学上定义为： 相当于交流电压u(t)的直流分量。 交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）： 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T,2.3.1 表征交流电压的基本参量,有效值 定义：交流电压u(t)在一个周期T内，通过某纯电阻负载R所产生的热量，与一个直流电压V在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压V的数值就表示了交流电压u(t)的有效值。 表达式： 直流电压V在T内电阻R上产生的热量Q_=I2RT= 交流电压u(t) 在T内电阻R上产生的热量Q= 由Q_= Q得， 有效值,2.

6、3.1 表征交流电压的基本参量,有效值 意义：有效值在数学上即为均方根值。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T,2.3.1 表征交流电压的基本参量,波峰因数和波形因数 波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用Kp表示， 波形因数定义：有效值与平均值的比值，用KF表示，,2.3.1 表征交流电压的基本参量,波峰因数和波形因数 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T,2.3.1 表征交流电压的基本参量,波峰因数和波形因数 常见波形的波峰因数和波形

7、因数可查表得到： 如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方波： Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 锯齿波：Kp=1.73，KF=1.15；,一.基本原理 利用交流/直流（AC/DC)转换电路，将交流转换为直流电压，然后再接直流电压表进行测量。,2.3.2 交流电压的测量方法,按AC/DC转换类型分 (1)检波法 1.平均值检波 2.峰值检波 3.有效值检波 (2)热电转换法,2.3.2 交流电压的测量方法,二.模拟电压表主要类型 检波器是实现交流电压测量（AC-DC变换）的核心部件，同时，为了测量小信号电压，放大器也是电压表中不可缺少的部件，因此，组成方案

8、有两种类型： 一种是先检波后放大，称为检波-放大式； 一种是先放大后检波，称为放大-检波式。 模拟电压表的两个重要指标：带宽和灵敏度(分辨力)。 1）检波-放大式电压表 组成框图,1）检波-放大式电压表 组成框图,检波器决定电压表的频率范围、输入阻抗和分辨力。 峰值电压表常用这种类型。,检波器 为提高频率范围，采用超高频二极管检波，其频率范围可从直流到几百兆赫，并具有较高的输入阻抗。 检波二极管的正向压降限制了其测量小信号电压的能力（即灵敏度限制），同时，检波二极管的反向击穿电压对电压测量的上限有所限制。 为减小高频信号在传输过程中的损失，通常将峰值检波器直接设计在探头中。 放大器 采用桥式直

9、流放大器，它具有较高的增益。 直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。,检波-放大式电压表常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表” 。如国产DA36型超高频毫伏表，频率范围为10kHz1000MHz，电压范围（不加分压器）1mV10V。,2）放大-检波式电压表 组成框图,先放大再检波，因此灵敏度很高。 均值电压表常用这种方式。 放大器 宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为10MHz。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表” 。 灵敏度仍受宽带交流放大器内部噪声限制。,3)调制式 组成框图,减小零点飘移，提高灵敏度，采用高增益、低漂移的调制式放大器，如斩波稳零式直流放大器，其灵敏度可达

10、几十微伏。 称之为“调制式电压表” ，如国产HFJ-8型高频毫伏表，最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。,4）外差式 组成框图,输入电路：衰减或小增益高频放大。 两级变频：输入fx与第一本振f1（可调）混频，经带通滤波器选出fZ1（固定）； fZ1再与第二本振输出f2（固定）混频，得到固定的第二中频fZ2（经窄带滤波器选出）。 外差式选频电平表通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现高灵敏度。 很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。,5）热偶变换式,测量热偶的热电动势ExV2，令Ex=k1V2 ； 平衡热偶的热电动势EfVo2，及Ef =k2Vo2 ； 假如两对热偶具有相

11、同特性，即k1=k2=k ， 则差分放大器输入电压Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2) ， 若放大器增益足够大，则有Vi=0，= Vo=V （即输出电压等于u(t)有效值）,5）热偶变换式,2.4低频交流电压测量,1.平均值检波 如图，整流电路输出直流电流I0，其平均值与被测输入电压u(t)的平均值成正比（与u(t)的波形无关）。 （电容C用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）,rd和rm分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻 由于二极管的非线性，不适于测0.5V以下的电压。,波形换算： 表头刻度按（纯）正弦波有效值定度。,读数值,定度系数,任意波形的平均值,任意波形的有效值,注：对于

12、均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等。,2.4低频交流电压测量,误差分析 1）直流微安表本身误差 2）检波二极管老化 3）频响误差 4）波形误差,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，读数为1.0V，问该方波电压的有效值为多少？ 解 根据上述均值电压表的刻度特性，由读数U=1.0V， 第一步，计算平均值， 第二步，查表可知，方波的波形因数KF=1 第三步，则该方波的有效值为:,峰值为,波形误差为,2.有效值检波原理 1）利用二极管平方律伏安特性检波 根据 为得到有效值,首先需对u(t)平方 小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系。 缺点：精度低且动态范围小。

13、因此，实际应用中，采用分段逼近平方律的二极管伏安特性曲线图的电路。,2.4低频交流电压测量,2.4低频交流电压测量,2）利用模拟运算的集成电路检波 原理图 通过多级运算器级连实现 模拟乘法器（平方）积分开方比例运算。 单片集成TRMS/DC电路，如AD536AK等。,2.5高频交流电压测量,1.峰值检波器,二极管峰值检波电路工作原理 通过二极管正向快速充电达到输入电压的峰值，而二极管反向截止时“保持”该峰值。 为此，要求：,2.波形换算： 表头刻度按（纯）正弦波有效值定度。,读数值,定度系数,任意波形的峰值,任意波形的有效值,注：对于峰值电压表，（任意波形的）峰值相等，则读数相等。,2.5高频

14、交流电压测量,3. 误差分析 1）理论误差 2）频率误差 3）波形误差 若将读数U直接作为有效值，产生的误差。,2.5高频交流电压测量,例 用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压，读数为1.0V，问如何从该读数得到方波电压的有效值？ 解 根据上述峰值电压表的刻度特性，由读数U=1.0V， 第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值U=1.0V； 第二步，该正弦波的峰值Up=1.4V； 第三步，将方波电压引入电压表输入，其峰值Vp=1.4V； 第四步，查表可知，方波的波峰因数Kp=1，则该方波的有效值为： V=Vp/Kp=1.4V。 波形误差为：,2.5高频交流电压测量,2.6电压的数

15、字式测量,2.6.1 DVM的组成原理 1）DVM的组成 数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。 组成框图,2)DVM的应用 直流或慢变化电压信号的测量（通常采用高精度低速A/D转换器）。 通过AC-DC变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成交流数字电压表。 通过电流-电压、阻抗-电压等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能。 基于微处理器的智能化DVM称为数字多用表（DMM，Digital MultiMeter）。 DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口(如GPIB)。,2.6电压的数字式测量,

16、2.6.2数字多用表 1.数字多用表（DMM)组成框图,2.6电压的数字式测量,2. 电流、电压、阻抗变换技术 1）AC/DC变换 将交流电压变换（检波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。 2）I/V变换 基于欧姆定律，将被测电流通过一个已知的取样电阻，测量取样电阻两端的电压，即可得到被测电流。 为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。 如下图。,2.6电压的数字式测量,3）电阻-电压（R/V）变换原理图。,2.6电压的数字式测量,2.6电压的数字式测量,2.6.3 DVM主要性能指标 1）显示位数 完整显示位：能够显示09的数字。 非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最高位上）。 如4位DVM，具有4位完整显示位，其最大显示数字为9999 。 而 位（4位半）DVM，具有4位完整显示位，1位非完整 显示位，其最大显示数字为19999 。 2）量