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1、4.1 概述 4.2 模拟式电子电压表 4.3 数字电子电压表 4.4 电子电压表的使用方法,第4章 电压测量技术,4.1 概述,4.1.1 电子电路中电压的特点 4.1.2 交流电压的基本参数 4.1.3 电子电压表的分类,4.1 概述,电压测量是电子电路测量的一个重要内容。是许多电参量测量的基础。 在科学实验中、生产及仪器设备的检修和调试中，采用普通的电工仪表是不能进行有效测量的，必须借助于电子电压表来进行测量。 本章将讨论模拟式和数字式两种电子电压表，它们是应用最广泛的电压测量仪器。,1频率范围宽 电子电路中电压的频率可以从直流到数百MHz范围内变化。而单纯50Hz的电压是很少的。不同频
2、率的电压量就要用相应的电压表去测量。,谈到电压的测量，很多人会首先想到万用表。的确，万用表的应用是很广泛的，但是在电子电路中它往往是不能适应的。电子电路中的电压具有如下特点：,4.1.1 电子电路中电压的特点,2电压范围广 被测电压的量值范围是选定电压测量仪器量程范围的依据。通常，电子电路中的电压值的下限低至nV数量级，而上限高至几十kV左右。这就要求所使用的电压测量仪器依测量电压的量值进行不同电压表的选择。 3等效电阻高 电压测量仪器的输入电阻就是被测电路的额外负载，为了减小仪器的接入对被测电路的影响，要求其具有较高的输入电阻。,4波形多种多样 电子电路中除了正弦波电压外，还有大量的非正弦电
3、压。这时，从普通指示仪表度盘上直接获得的示值往往含有较大的波形误差。 另外，被测的电压中往往是交流与直流并存，甚至还串入一些噪声干扰等不需要测量的成份。这需要在测量中加以区分。,电子电路中电压量的测量，通常属于工程测量，只要求有一定的精确度即可。但有些场合，要求有较高的精确度。具体测量要识具体情况现而定。,4.1.2 交流电压的基本参数,描述交流电压的基本参数有：峰值、平均值和有效值。,1峰值 任一个交变电压在所观察的时间内或一个周期性信号在一个周期内偏离零电平的最大电压瞬时值称为峰值，通常，用Up表示。如果电压波形是双极性的，且不对称，则正峰值和负峰值是不同的，如图4-1（a）所示。 任一个
4、交变电压在所观察的时间内或一个周期性信号在一个周期内偏离直流分量的最大值称为幅值或振幅，用Um表示，正、负幅值不等时分别用和表示，如图4-1（b）所示，图中=0，且正、负幅值相等。,图4-1 交流电压的峰值,2平均值 任何一个周期性信号u(t)，在一周期内电压的平均大小称为平均值，通常，用 表示。平均值的数学表达式为： 在交流电压测量中，平均值指检波之后的平均值，故又可分为半波平均值及全波平均值。,3有效值 任何一个交流电压，通过某纯电阻所产生的热量与一个直流电压在同样情况下产生的热量相同时，该直流电压的数值即为交流电压的有效值，通常，用Urms表示。有效值的数学表达式为 当不特别指明时，交流
5、电压的值就是指它的有效值，而且各类电压表的示值都是按有效值刻度的。,4. 波形因数和波峰因数 为了表征同一信号的峰值、有效值及平均值的关系，引入了波形因数和波峰因数。 波形因数：交流电压的有效值与平均值之比，通常，用表示，即 波峰因数：交流电压峰值与有效值之比，通常，用表示，即,按测量结果的显示方式将它们分为模拟式电子电压表和数字式电子电压表。,4.1.3 电子电压表的分类,1模拟式电子电压表 模拟式电子电压表，一般是用磁电式电流表头作为指示器。由于磁电式电流表只能测量直流电流，测量直流电压时，可直接经放大或经衰减后变成一定量的直流电流驱动直流表头的指针偏转指示其大小；测量交流电压时，须经过交
6、流-直流变换器，将被测交流电压先转换成与之成比例的直流电压后，再进行直流电压的测量。,在模拟式电子电压表中，大都采用整流的方法将交流信号转换成直流信号，然后通过直流表头指示读数，这种方法称为检波法；另外还有热电偶转换法和公式转换法等。 根据电子电压表电路组成方式的不同，模拟式电子电压表又有不同类型，下面介绍几种典型的类型。, 放大-检波式 放大-检波式电子电压表，是先将被测信号进行放大，再进行检波，然后通过直流表头指示读数，如图4-2所示。,其中放大电路一般采用多级宽带交流放大器，灵敏度很高，可测几十几百微伏左右的电压，频率上限可达10MHz；交直流转换器常采用平均值检波器。这种类型的电子电压
7、表常称为“毫伏表”。,图4-2 检波-放大式电子电压表的原理框图, 检波-放大式 检波放大式电子电压表对被测交流电压采取了先检波后放大的方法，故频率范围、输入阻抗等都主要取决于检波器。如果应用超高频检波二极管检波，则频率范围可达20Hz-1GHz。因此，这类电压表也称为“超高频电子电压表”。原理框图如4-3所示。 检波-放大式电子电压表的交直流转换器采用了峰值检波器。,图4-3检波-放大式电子电压表原理框图, 热电转换式和公式法 热电转换式通过热电偶将交流电有效值转换成直流电压值，这种方法的优点是没有波形误差，但是有热惯性,频带不宽。 公式法是利用有效值公式 进行转换。经过模拟平方器、积分器、
8、开方器等转换环节。这种方法，频带受转换器的限制，准确度较低。常用于较低频率有效值电压的测量。,2数字式电压表 数字式电压表首先利用模/数（A/D）转换原理，将被测的模拟量电压转换成相应的数字量，用数字式直接显示被测电压的量值。 最基本、最常见的数字电压表是直流数字电压表（DVM），在其输入端配以不同的转换器或传感器就可测量交流电压、电流、电阻等电量。,典型的数字式电压表的组成框图如图4-4所示。仪器主要由模拟电路、数字逻辑电路及显示器组成。其中模拟电路中的模/数（A/D）转换器是数字式电压表的核心，应用不同的A/D转换原理就能构成不同类型的数字电压表。,图4-4 直流数字电压表的组成, 逐次比
9、较型数字电压表 以逐次比较型A/D转换器为核心部件，将被测电压与已知的不断递减的基准电压进行逐次比较，最终获得被测电压值。 积分型数字电压表 以积分型A/D转换器为核心部件，利用积分原理把被测电压量转换为与之成正比的时间或频率，再利用计数器测量脉冲的个数来反映电压的数值。,4.2 模拟式电子电压表,4.2.1 均值型电子电压表 4.2.2 峰值型电压表 4.2.3 有效值电子电压表 4.2.4 应用实例,模拟式电子电压表根据交直流转换方式（检波方式）的不同分为均值型、峰值型和有效值型三种。下面分别讨论这三种类型电压表的基本组成、工作及其使用中的误差处理方法。 均值型电子电压表属于放大-检波式电
10、子电压表。被测交流电压先进行放大，然后进行检波。检波器-交直流转换器常采用平均值检波器，所以称为均值型电压表。均值型电压表常用测低频信号电压。 平均值检波器分为半波式和全波式两种，不特别注明时，都指全波式平均检波器。,4.2.1 均值型电子电压表,1均值检波器原理 均值电压表内常用均值检波电路如图4-5所示。图4-5（a）为桥式全波整流器电路，4-5（b）为半桥式的全波整流电路。图4-5（b）中以电阻代替了图4-5（a）中的两只二极管，这在实际电路中是常见的。,图4-5 平均值检波器电路,以图4-5（a）为例，设输入电压为U（t）、D1D4相同其正向电阻为Rd，微安表内阻为rm。理论证明，流过
11、微安表的电流 为 由上式可知，均值电压表的表头偏转正比于被测电压的平均值，即 （K为比例系数）。整流后的平均电流与输入波形无关，只与其平均值有关。,2定度系数与波形换算 由于实际测量中正弦波使用最普遍，因此，电子电压表刻度皆用正弦有效值来定度。微安表的指针偏转角与被测电压平均值 成正比， 其中，式中 是被测任意波形电压的平均值； 是定度系数。由上式可知,如果被测电压是正弦波，又采用全波检波电路，若已知正弦有效值电压为1V时，全波检波后的平均值为 V，故 利用均值表测量非正弦波电压时，其示值 是没有直接意义的，只有把示值转换后，才能得到被测电压的有效值。这是在使用此类电压表要特别注意的一点。,首
12、先按“平均值相等示值也相等”的原则将示值 折算成被测电压的平均值。 再根据波形系数 求出被测电压的有效值。 不同波形的信号电压具有不同的波形系数 ，见表4-1。常用的波形系数有：正弦波 =1.11，方波 =1，三角波 =1.15。,由上可知，用均值型电压表测电压时，对非正弦波要进行波形换算。换算方法是：当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上读取的示值先除以定度系数折算成正弦波电压的平均值；然后按平均值相等示值也相等的原则，用波形系数换算出被测的非正弦电压有效值。 对于采用全波检波电路的电压表，被测电压的有效值与示值的关系是,想一想：用均值型电压表测量正弦波电压时，读数有意义吗？其值是什么？,
13、例4.1 用均值表（全波式）分别测量正弦波、方波及三角波电压，电压表示值为10V，问被测电压的有效值分别是多少伏？ 解： 对于正弦波示值就是有效值，故正弦波的有效值 对于方波 方波的波形因数 =1，示值 方波电压的有效值 对于三角波 三角波的波形因数 =1.15，示值 三角波电压的有效值,3波形误差分析 以全波均值表为例，当以示值 作为被测电压有效值 时所引起的绝对误差 ： 示值相对误差 ： 例如，当被测电压为方波时 即产生正10%的误差。由例4.1可知，实际有效值是9V，但电压表示值为10V，多指示1V，其误差为10%。,当被测电压为三角波时 即产生负3.5%的误差。由例4.1可知，实际有效
14、值为10.35V，但电压表的示值为10V，少指示0.35V，其误差为3.5%。 可见，对于不同的波形，所产生的误差大小及方向是不同的。 用均值表测交流电压，除了波形误差之外，还有直流微安表本身的误差，检波二极管的老化或变值等所造成的误差等，但主要是波形误差。,4.DA-16型毫伏表简介 现以DA-16型晶体管毫伏表为例对均值型电子电压表作简要介绍。 其原理图如图4-6所示。前置级组成阻抗变换器，获得高输入阻抗。步进分压器用于选择量程。放大电路A与T5、T6组成的串联电压负反馈电路构成宽频带放大器。二极管D1、D2及R1、R2组成全波检波电路。微安表及附属元件构成指示电路。,图4-6 DA-16
15、型均值表原理图,4.2.2 峰值型电压表,它属于检波-放大式电子电压表。被测交流电压先进行检波，然后进行放大。检波器-交直流转换器常采用峰值检波器，所以称为峰值型电压表。峰值型电压表常用来测量高频信号电压。 1峰值检波器原理 峰值电压表内常用的峰值检波器如图4-7所示。图4-7（a）为串联式，图4-7（b）为并联式。,图4-7 峰值检波器电路,以图4-7（a）为例，若满足 ， 其中，式中 和 分别是被测交流电压的最大周期和最小周期， 是信号源内阻与二极管正向内阻之和。这样可以使电容C充电时间短、放电时间长，从而保持电容C两端的电压始终接近等于输入电压的峰值，即 。 由上可知，峰值检波器检波后的
16、直流电压与输入的被测交流电压的峰值（正弦波电压的振幅值）成正比。,2定度系数与波形换算 一般的峰值电压表与均值电压表类似，也是按正弦波有效值进行刻度，电表在额定频率下加正弦交流电压时的指示值 其中，式中 是被测任意波形电压的平均值； 是定度系数。当被测电压为正弦波时， 根据波峰因数的定义，正弦波的波峰数为 ，即定度系数的倒数。常用波形的波峰因数还有，方波 ，三角波 。,式中 为正弦波的有效值。,与均值电压表同理，当用峰值电压表测量非正弦波电压时，其指示值是没有直接意久的。只有将示值除以定度系数 ，等于正弦波的峰值，按峰值相等示值也相等的原则，再用波峰因数换算成被测电压 的有效值。即首先将示值折算成正弦波峰值： 再由波峰因数和峰值之间的关系算出有效值： 或者,例4.2 用峰值电压表分别
