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1、第4章 电压、电流测量,4.1 概述 4.2 直流电压的的测量 4.3 交流电压的测量 4.4 分贝的测量 4.5 电压的数字化测量 4.6 电流的测量 思考与练习,4.1 概 述 4.1.1 电压测量的意义和特点 1. 电压测量的意义 电压量广泛存在于科学研究、 航空航天、 现代化生产以及人类生活的各种活动之中， 电压测量是许多电测量与非电测量的基础， 是电子测量的重要内容。 ,在集中参数电路中， 电压、 电流、 功率是表征电信号能量的三个基本参数， 而电流和功率又往往通过电压进行间接测量。 从测量角度看， 测量的主要参量是电压。 另外， 电子电路及电子设备的各种工作状态和特性都可以通过电压
2、量表现出来。 例如， 电路的饱和与截止状态、 线性工作范围、 电路中的控制信号和反馈信号等， 以及频率特性、 调制度、 失真度、 灵敏度等。 所以， 电压测量是电量测量中最基本、 最常见的一种测量。 ,在非电量检测中， 许多物理量(如温度、 压力、 振动、 速度、 加速度等)都可以通过传感器转换成电压量， 通过电压测量即可方便地实现对这些物理量的测量与监测。 所以， 电压测量也是非电量测量的基础。,2. 电压测量的特点 电压测量的特点体现了电子测量的基本特点， 这些特点充分反映在实现电压测量的各种仪器设备和数据采集系统中， 归纳起来主要有下述几大特点： (1) 频率范围宽。 现代的电压测量技术
3、， 其频率覆盖范围相当宽， 包括直流电压(零频)和交流电压的测量， 交流电压的频率可从10-6 Hz至109 Hz以上。 在电子测量中， 习惯上将1 MHz以上(至3 GHz)称为高频或射频， 1 MHz以下称为低频， 10 Hz(或5 Hz)以下称为超低频。 ,(2) 测量范围宽。 现代的电压测量技术， 可测量的电压范围极宽， 低至纳伏级(10-9 V)的微弱信号(如心电医学信号， 地震波等), 高至数百千伏的超高压信号(如电力系统中) 。 通常， 将电压测量范围分为： 超高压(几万伏以上)、 高压(千伏以上)、 大电压(几十伏以上)、 中电压(0.1 V至几十伏)、 小电压(1 V0.1
4、V)及超小(微弱)电压(1 V以下)。 ,(3) 电压波形的多样化。 电压测量除了直流电压以外， 还有交流电压。 交流电压波形多种多样， 除大量存在的正弦电压外， 还包括失真的正弦波及各种非正弦波， 如矩形波、 脉冲波、 三角波、 斜坡电压以及各种调制波形等， 而噪声电压则是一种无规则的随机电压 信号。 ,(4) 要求有足够高的输入阻抗。 被测信号可以视为理想电压源和等效内阻的串联， 被测信号接入电压测量仪器后， 电压测量仪器的输入阻抗就是被测电路的额外负载。 由于仪器输入阻抗的存在会对测量结果产生影响， 要求仪器具有足够高的输入阻抗。,目前， 直流数字电压表的输入阻抗在小于10 V量程时可高
5、达10 G甚至1000 G以上， 高量程由于分压器的接入， 一般可达10 M。 对于交流电压的测量， 由于需通过变换电路， 故即使是数字电压表， 其输入阻抗也做不高， 一个典型数值为1 M15 PF(表示并联)。 对于高频交流电压的测量， 若输入阻抗不匹配会引起被测信号的反射， 所以还要考虑被测电路和测量仪器输入阻抗的匹配。 ,(5) 要求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池， 且在直流电压测量中， 各种分布性参量的影响极小， 因此， 直流电压的测量可获得最高的测量准确度。,目前， 数字电压表测量直流电压的准确度可达10-8。 至于交流电压测量， 一般通过交流/直流(AC/
6、DC)变换(检波)电路， 而且当测量高频电压时， 分布性参量的影响不可忽视， 再加上波形误差， 故即使采用数字电压表， 交流电压的测量准确度目前也只能达到10-5左右。,在实际测量中， 电压测量的准确度要求与具体测量场合有关， 如工业测量领域， 有时只是需要监测电压 的大致范围， 其精度要求可低至百分之几即可， 但有些场合则需要进行高精度的测量， 如10-510-3或更高， 而作为电压标准的计量仪器， 其精度则可达10-910-8。 ,(6) 要求有高的测量速度。 在测量领域， 一般分为静态测量和动态测量， 静态测量速度可以很慢(每秒几次)， 但通常要求测量准确度很高； 动态测量速度很高(每秒
7、百万次以上)， 但测量准确度可以较低一些。 测量速度和准确度始终是一对矛盾体， 人们追求高速度高准确度的测量往往需要付出很大的代价。 ,(7) 要求有高的抗干扰性能。 各种干扰信号(噪声)直接或等效地叠加在被测信号上， 对测量结果产生影响， 特别是微弱信号的测量。 另外， 测量仪器本身也会产生噪声(如内部热噪声)， 以及存在来自测量仪器的供电系统的噪声， 因此， 电压测量需要特别重视 抗干扰措施， 提高测量仪器的抗干扰能力。 需要说明的是， 任何测量仪器不可能覆盖测量所有的电压频率范围、 量程范围、 准确度和速度等要求， 一般只是工作在其中的某一范围。,4.1.2 电压测量的方法和分类 被测电
8、压按对象可以分为直流电压测量和交流电压测量， 按测量的技术手段可以分为模拟电压测量和数字电压测量。 不同的测量方法， 所用的测量仪器有所不同。 ,1. 直流电压的模拟测量 直流电压的模拟测量一般是将被测模拟电压经过放大或衰减后， 驱动直流电流表(动圈式A表)指针偏转， 以指示测量结果。 其结构简单， 但一般测量准确度较低。,2. 交流电压的模拟测量 为了测量交流电压， 需进行交流-直流(AC/DC)变换(或称为检波)， 将交流电压变换成直流电压或再经过放大或衰减后， 驱动直流电流表(动圈式A表)指针偏转， 以指示测量结果。 交流电压的模拟测量方法(电流表指示)简单， 价廉， 特别是在测量高频电
9、压时， 其测量准确度不亚于数字电压表， 因此， 传统的模拟式电压表、 电平表和噪声测量仪表仍在应用。,3. 直流电压数字化测量 直流电压数字化测量是通过模拟-数字(A/D)转换器， 将模拟电压量转换成对应的数字电压量。 然后用电子计数器计数， 并以十进制数字显示被测电压值。 数字化电压测量直观方便， 功耗低， 测量准确度高， 以A/D转换器为核心即可构成数字电压表(DVM)。 ,4. 交流电压的数字化测量 交流电压经过AC/DC变换后得到直流电压， 然后， 通过数字化直流电压测量方法， 即可实现交流电压的数字化测量。 数字多用表(DMM)可以测量直流和交流的电压、 电流、 阻抗等， 因而得到广
10、泛应用。,5. 基于采样的交流电压测量方法 实现交流电压测量的另一种方法是， 直接采用高速A/D转换器， 将被测交流电压波形以奈奎斯特采样频率实时采样， 然后， 对采样数据进行处理， 计算出被测交流电压的有效值、 峰值和平均值。 例如， 根据交流电压有效值定义， 可由有效值公式,计算出交流电压的有效值。 式中N为u(t)的一个周期内的采样点数。 而对被测波形的采样序列u(k)进行平均和求最大值， 很容易地得到平均值和峰值。 上述交流电压的测量方法可称为“采样-计算法”。,6. 示波测量方法 利用模拟示波器或数字存储示波器可直观显示出被测电压波形， 并读出相应的电压参量。 实际上， 示波器是一种
11、广义电压表。,4.2 直流电压的测量 4.2.1 普通直流电压表 普通直流电压表通常由动圈式高灵敏度直流电流表串联适当的电阻构成， 如图4-1所示。 ,图4-1 普通直流电压表电路,设电流表的满偏电流(或满度电流)为Im，电流表本身内阻为Re，串联电阻Rn所构成的电压表的满度电压为 Um=Im(Re+Rn) (4-1) 所构成的电压表内阻为 (4-2),例如， 图4-1中电流表串接3个电阻后除了最小电压量程U0=ImRe 外， 又增加了U1、U2、U3三个量程， 根据所需扩展的量程， 不难估算出三个扩展电阻的阻值分别为,通常把内阻RV与量程Um之比(每伏欧姆/V数)定义为电压表的电压灵敏度。
12、(4-3),“/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， 可依据其大小推算出不同量程时的电压表内阻， 即 RV=KVUm (4-4) 式中， Um为某电压量程的满度电压值， RV为对应量程的内阻， 不同的量程， 其Um和对应的RV不同。 例如， 某电压表的“/V”数为20 k/V， 则5 V量程和25 V量程时电压表内阻分别为100 k和500 k。,动圈式直流电压表结构简单， 使用方便， 但误差较大。 误差除了读数误差外， 主要取决于表头本身和扩展电阻的准确度， 一般直流电压表的准确度等级在1%5%左右， 精密直流电压表的准确度等级可
13、达0.1%。 普通直流电压表的主要缺点是灵敏度不够高和输入电阻偏低， 特别是在较低的量程上， 电压表的输入电阻更低， 这时的负载效应对被测电路工作状态及测量结果的影响不可忽视， 会使测量结果产生大的误差， 在高输出电阻的直流电压测量中， 误差更为明显。 ,图4-2表示用普通直流电压表测量高输出电阻电路直流电压的等效电路图。 设被测电路输出电阻R0为100 k， 被测电压实际值E0为5 V，电压表内阻为RV。 若不考虑其它方面的误差影响， 则电压表读数值为 (4-5),由于负载效应所产生的读数相对误差为 (4-6) 由式(4-6)可以看出， RV越小， 越大，对于低的电压量程挡，RV更小， 则对
14、测量结果的影响更大。,图4-2 用普通直流电压表测量高输出电阻 电路直流电压的等效电路图,例如， 在图4-2中， 若电压表的“/V”数为 20 k/V， 先后用5 V量程和25 V量程测量端电压Uo的读数值分别为2.50 V和4.17 V，代入上式可计算得E05.10 V。 虽然采用上述办法可消除RV对测量结果的影响， 但是比较麻烦。 在工程测量中为了满足测量准确度的要求， 最常用的办法是采用直流电子电压表进行测量。,4.2.2 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
15、成的分压电路。 电子电压表组成原理框图如图4-3所示。,图4-3 电子电压表组成原理框图,图4-4是由集成运放组成的电子电压表的原理电路图。 在理想运放情况下， U=0， I=0， 则电流表头上的电流I0为 式中, K为分压器和跟随器的电压传输系数。 ,图4-4 由集成运放组成的电子电压表的原理电路图,若电流表满偏电流为Im，则由上式可得该直流电子电压表的量程为 (4-8),为保证该电压表的准确度， 各分压电阻和反馈电阻RF都要使用精密电阻。 在上述使用直流放大器的电子电压表中， 直流放大器的零点漂移限制了电压灵敏度的提高。 为此， 电子电压表中常采用斩波式放大器(或称调制式放大器)以抑制零点
16、漂移， 以及使用具有自动稳零电路的高精度放大器， 从而可使电子电压表能测量到微伏级的电压， 测量灵敏度和准确度大大提高。 ,4.2.3 直流数字电压表 如果将图4-3中磁电式表头用A/D转换器及与之相连的数字显示器代替， 即构成直流数字电压表， 如图4-5所示。 图中A/D转换器把模拟直流电压量转换成相应的数字电压量， 送往数字显示器显示出来。 在数字电压表前端配接适当的转换电路， 将被测参数转换成对应的直流电压， 就可构成该被测参数的数字仪表。 因此直流数字电压表是许多数字式电测仪表的核心部件， 用途广泛。 关于直流数字电压的测量及直流数字电压表原理将在4.5节中作比较详细的介绍。 ,图4-5 直流数字电压表基本结构框图,4.3 交流电压的测量 4.3.1 表征交流电压的基本参量 峰值、 平均值
