电子测量原理古天祥第5章节

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1、,第5章 电压测量,5.1 概述 5.2 电压标准 5.3 交流电压的测量 5.4 直流电压的数字化测量及A/D转换原理 5.5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表 5.6 数字电压表测量的不确定度及 自动校准、自动量程技术 5.7 电压测量的干扰及抑制技术,5.1 概述,511 电压测量的意义、特点 1）电压测量的重要性 阐述电压测量的意义、重要性及应用。 2）电压测量的特点 从电压测量的频率、范围、要求等方面阐述其特点，这些特点也反映了电子测量的主要特点。,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

2、：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

3、。 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。,512 电压测量的方法和分类,2. 电压测量方法的分类 按对象：直流电压测量；交流电压测量

4、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。,512 电压测量的方法和分类,2）数字化直流电压测量方法 模拟直流电压-A/D转换器-数字量-数字显示（直观） 数字电压表（DVM），数字多用表（DMM）。 3）交流电压的数字化测量 交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电压-A/D转换器-数字量-数字显示 DVM（DMM）的扩展功能。,512 电压测量的方法和分类,4）基于采样的交流电压测量方法 交流电压-A/D

5、转换器-瞬时采样值u(k) -计算，如有效值 式中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。 5）示波测量方法 交流电压-模拟或数字示波器-显示波形-读出结果,52 电压标准,5.2.1 直流电压标准 电压和电阻是电磁学中的两个基本量。 电压基准和电阻基准其他电磁量基准。 电压标准有： 标准电池（实物基准， 10-6）； 齐纳管电压标准 （固态标准， 10-6）； 约瑟夫森量子电压基准 （量子化自然基准，10-10）。 电阻标准有： 精密线绕电阻（实物标准）； 霍尔电阻基准（量子化自然基准，10-9）。,5.2.1 直流电压标准,1. 标准电池 原理：利用化学反应产生稳定可靠的电动势 （1.018

6、60V）。有饱和型和不饱和型两种类型。 饱和型特点：电动势非常稳定（年稳定性可小于0.5V，相当于510-7），但温度系数较大（约40V/）。用于计量部门恒温条件下的电压标准器。 不饱和型特点：温度系数很小（约4V/），但稳定性较差。用于一般工作量具，如实验室中常用的便携式电位差计。,1. 标准电池,使用中应注意： 1）不能倾倒；不能震动、冲击（不易运输）。 2）温度修正（特别是对饱和型）。 “温度电动势”修正公式 ： 式中，Et、E20分别为t（使用时的温度）和20（出厂检定时温度）时标准电池的电动势 。 3）标准电池存在内阻，仪表输入电阻应较大。,2. 齐纳管电压标准,原理 利用齐纳二极管

7、的稳压特性制作的电子式电压标准（也称为固态电压标准）。 齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响，采用高稳定电源和内部恒温控制电路可使其温度系数非常小 。 将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压基准源，如LM199/299/399、REF系列。,2. 齐纳管电压标准,为克服输出电压的波动，还可将多个精密电压基准源并联，得到它们的平均值。,2. 齐纳管电压标准,上图中，假设运放是理想的， 则流入运放同相端电流I+=0，即 若R1=R2=R3=R4，则 而输出电压,2. 齐纳管电压标准,齐纳管电压标准器整机输出电压有： 10V、1V和1.0186V。 10V输出便于检定和传递到高电压，且运输、

8、保存和使用方便。 如WUK7000系列直流电压参考标准： 10V输出的年稳定性可达0.510-6 ； 1V和1.018V输出的年稳定性可达到210-6，温度系数为0.0510-6。,3. 约瑟夫森量子电压基准,原理 基于约瑟夫森（Josephson）效应的量子电压基准 约瑟夫森效应 约瑟夫森隧道结：在两块相互隔开（约10埃的绝缘层）的超导体之间，由于量子隧道效应，超导电流（约mA量级）可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦合，这种超导体-绝缘体-超导体（SIS）结构称为约瑟夫森隧道结。 约瑟夫森效应：当在约瑟夫森结两边加上电压V时，将得到穿透绝缘层的超导电流，这是一种交变电流，这种现象称

9、为交流约瑟夫森效应。,3. 约瑟夫森量子电压基准,约瑟夫森效应 即：电压V约瑟夫森结超导电流。 超导交变电流的频率为： 式中：e为电子电荷，h为普朗克常数，因而KJ为一常数。当电压V为mV量级时，频率f相当于厘米波。 逆效应：若将约瑟夫森结置于微波场中（即用微波辐射到处于超导状态下的约瑟夫森结上）时，将在约瑟夫森结上得到量子化阶梯电压Vn。 即：微波（频率f）约瑟夫森结量子化阶梯电压Vn（第n个阶梯）。,3. 约瑟夫森量子电压基准,约瑟夫森电压基准 根据约瑟夫森效应： 由稳定的频率（f）确定电压V。 即：通过时间（频率）单位得到量子化电压基准。 量子化电压基准的准确度可接近时间（频率）准确度。

10、 国际计量委员会的建议： 从1990年1月1日开始，在世界范围内同时启用了约瑟夫森电压量子基准（JJAVS，10-10）。并给出 KJ-90=483597.9GHz/V。,3. 约瑟夫森量子电压基准,约瑟夫森结阵（JJA） 约瑟夫森结产生的量子电压较低（mv级）。 在一个芯片上将成千上万个或更多的约瑟夫森结串联 得到约瑟夫森结阵（JJA），可产生1V至10V的电压 。 我国的约瑟夫森量子电压基准 由中国计量科学研究院(NIM)量子部建立。 1993年底，1V约瑟夫森结阵电压基准，测量不确定度达到610-9 ； 1999年底，10V约瑟夫森结阵电压基准，合成不确定度为5.410-9(1) 。 应

11、用：对标准电池、固态电压标准的量值传递，高精度数字多用表等的计量检定，测量不确定度为1E-8)。,5.2.1 交流电压标准,原理 由直流电压标准建立。因而，需经过交流-直流变换。 测热电阻桥式高频电压标准 基本原理：将高频电压通过一电阻（称为测热电阻，如热敏电阻），该电阻由于吸收高频电压功率，其阻值将发生变化，再将一标准直流电压同样施加于该电阻，若引起的阻值变化相等，则高频电压的有效值就等于该直流电压。 双测热电阻电桥的原理图,双测热电阻电桥的原理图,双测热电阻电桥的原理,如图：标准电阻（如R=200）组成三个桥臂，两个完全相同的测热电阻RT（如RT=100）组成一个桥臂。 测量过程 1.电桥

12、置于“DC”（直流）。 调节直流电压源到V0，使电桥平衡，则测热电阻2RT= R。 2.置于“RF”（射频，即高频电压，设有效值为VRF）。 此时，测热电阻上同时施加有交流和直流功率，两测热电阻RT对交流为并联，对直流为串联。 再次调节直流电压源到V1，使电桥平衡。,双测热电阻电桥的原理,测量过程 由两次电桥平衡关系，有 即高频电压有效值为：,双测热电阻电桥的原理,对上述电路的要求 两个测热电阻的一致性好（阻值和温度特性相同）； 检流计要非常灵敏（特别是测量小的高频电压时）； 隔直电容C应保证满足： ，使交流功率在电容C上的损耗可以忽略。 测热电阻电桥的缺点 测热电阻对环境温度敏感，操作较复杂

13、； 一般不能直接读数（需换算）。 准确度：若直流电压标准准确度为10-5，则得到的高频电压标准准确度可达10-3 。 应用：对模拟电压表检定。,53 交流电压的测量,531 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）。,531 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)，

14、若=2/T,531 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,531 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 波峰因数和波形因数 波峰因数定义：峰值与有效值的比

15、值，用Kp表示，,531 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 波形因数定义：有效值与平均值的比值，用KF表示， 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T,531 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； 脉冲波：Kp= ，KF= ， 为脉冲宽度，T为周期 白噪声：Kp=3（较大），KF=1.25。,532 交

16、流/直流转换器的响应特性及误差分析,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理 模拟电压表的交流电压测量原理： 交流电压-直流电流（有效值、峰值和平均值） -驱动表头-指示。 交流电压-有效值、峰值和平均值的转换，称为 AC-DC转换。由不同的检波电路实现。 峰值检波原理 由二极管峰值检波电路完成。有二极管串联和并联两种形式。如下图。,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,二极管峰值检波电路（a.串联式,b.并联式,c.波形）,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,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： 式中，Rs和rd分别为等效信号源u(t)的内阻和二极管正向导通电阻