电子测量技术夏哲雷第3章

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1、1,电压测量,第3章,第3章电压测量,3.1 概述 3.2 电压的模拟测量 3.3 电压的数字化测量 3.4 电压测量中的模-数转换器 3.5 数字多用表 3.6 数字电压测量的误差分析,3,3.1 电压测量概述,电压测量的重要性,电压测量是电子测量的一个重要内容。 在表征电信号能量的三个基本参数(电压、电流、功率)中,电压测量是最直接也是最普遍的 电路中的其他电参量包括电流、功率以及信号的调幅度、波形的非线性失真系数、网络的频率特性、设备的灵敏度等等,都可视为电压的派生量,通过电压测量获得其量值。 电压比较器结构简单且应用广泛,这使电压的数字化非常容易。 利用各种传感器和变换电路,可以把其他

2、类型的物理信号(如温度、压力、流量、音响等)转换为电压,通过测量电压来实现对这些参量的测量。,电压测量的特点,频率范围 电压测量的频率范围相当广 测量范围 电压幅值的变化范围极宽 电压波形 交流电压波形多种多样 输入特性 被测信号接入电压表后,电压表的等效输入阻抗将对测量结果产生影响。 测量精度 直流电压可获得较高的测量准确度 抗干扰性能 高精度电压测量要求电压表具有足够的抗干扰能力,除直流外,交流电压的频率范围从10-6Hz至1012Hz,下限在1nV几mV, 上限可达kV以上。,直流电压:10-410-7量级 交流电压:10-210-4量级 模拟式电压表:10-2量级,电压测量方法,电压的

3、模拟测量 是将被测电压成比例地转换为电流,再采用机械动圈式电流表进行测量。 直流电压的数字测量 通过ADC实现高精度直流电压的数字测量。 交流电压的数字测量 经过AC-DC变换后得到直流电压再测 交流采样 采用高速ADC直接对高频信号进行数字化采集与处理,通过P换算出有效值、峰值、均值 示波测量,7,电压测量仪器的分类,万用表 电子电压表 模拟式： 磁电式电流表(表头)作指示器 数字式： 利用AD转换器实现电压的测量,均值电压表 峰值电压 有效值电表,数字显示被测电压的值,电压标准,标准电池 标准电池利用化学反应产生稳定、可靠的电动势,它是一种重要的电压实物标准,常作为各级计量、检定、研究和生

4、产部门的直流电压标准量具。 齐纳二极管电压标准 利用了齐纳二极管反向击穿时的稳压特性,系统结构简单,容易实现集成,广泛应用于工程仪表中。 约瑟夫森量子电压基准 电压与频率在约瑟夫森结上存在一个不受时间、空间环境变化的系数KJ。 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并给出了KJ常数值,记为KJ-90 483597.9GHz/V,9,3.2 电压的模拟测量,11,3.2.1 交流电压的表征,交流电压可以用峰值、幅值、平均值、有效值及瞬时值来表征。,交流电压的表征,峰值Up 交流电压u(t)在一个周期内偏离零电平的最大值 一般情况下,正峰值Up+和负峰值Up-并不相等

5、 交流信号的直流成分较大时,可能无Up-(或Up+),从而出现谷值,12,U0:直流分量,Um：振幅,u(t)在一个周期内偏离直流分量U0的最大值,13,交流电压的表征,平均值Uav,通常平均值就指全波平均值,交流电压的平均值定义为,半波整流平均值： 交流电压的正(负)半周在一个周期的平均值 全波整流平均值,14,交流电压的表征,有效值Urms 交流电压有效值,是指该交流电压在一个周期内通过某一纯电阻负载时所产生的热量,与一个直流电压在同样的条件下所产生的热量相等时，该直流电压的量值,记为Urms 直流电压U在时间T内电阻R上产生的热量,交流电压u(t)在时间T内电阻R上产生的热量,15,交流

6、电压的表征,由 得,各类电压表的示值都是按正弦波有效值定度,数学上,有效值与均方根同义 对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(t),若=2/T,16,波形因数和波峰因数,交流电压的波形因数KF定义为该电压的有效值与均值之比:,对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(t),若=2/T,17,波形因数和波峰因数,对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(t),若=2/T,交流电压的波峰因数Kp定义为该电压的峰值与有效值之比,18,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3-1得到 如正弦波: Kp=1.41， KF=1.11； 方波： Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.

7、73， KF=1.15； 锯齿波：Kp=1.73， KF=1.15； 脉冲波： 为脉冲宽度,T为周期 白噪声：Kp=3(较大), KF=1.25。,19,3.2.2 交流-直流转换,模拟测量 模拟电压表 数字测量 数字电压表 虽然数字电压表越来越普及,但就目前的技术条件来说,尤其是对于很高频率信号的测量还不能完全取代模拟电压表。 模拟式电子电压表是通过ACDC变换器将交流电压转换成直流电压后,再变换成直流电流,最后驱动磁电式电流表,通过指针来指示所测得的电压。 测量交流电压的仪表通常称为电子电压表或毫伏表,20,检波特性,根据检波特性不同 平均值检波平均值电压表 峰值 检波 峰值 电压表 有效

8、值检波有效值电压表,21,放大-检波与检波-放大,对于交流电压的测量通常有两种基本方式： 放大检波式： 测量灵敏度高但频率范围只能达到几百kHz 检波放大式： 频率范围可以从直流到几百MHz,但其灵敏度较低。,直流放大,读数显示,检波,宽带放大,检波,读数显示,平均值、有效值电压表,峰值电压表,22,平均值电压测量,放大检波式 可变量程衰减器：通常是阻容分压电路，用来改变均值表的量程，以适应不同幅度的被测电压。 宽带放大器：通常采用多级负反馈电路,其性能往往是整个电压表质量的关键。 平均值检波器：通过整流和滤波提取宽带放大器输出电压的平均值，并输出与它成正比的直流电流，最后驱动微安表指示电压的

9、大小。,检波器,宽带 放大器,衰减器,A,23,平均值检波原理 由二极管桥式整流(全波整流和半波整流)电路完成 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,平均值电压的测量,24,以全波整流电路为例, 在电压信号的正半周,二极管D1和D4导通,D2和D3截止,忽略反向电流的作用,正半周流过电表的平均电流为： 在电压信号的负半周,二极管D2和D3导通,D1和D4截止,忽略反向电流的作用,负半周流过电表的平均电流为：,平均值电压的测量,25,则一个周期流过电表的平均电流为 式中Rd和Rm分别为检

10、波二极管的正向导通电阻和电流表内阻,可视为常数(它反映了检波器的灵敏度 )。 于是,I0的平均值与u(t)的平均值成正比。 均值检波器的输入阻抗较低,用它做成的电子电压表,应在检波前加高输入阻抗的放大器。 均值表一般都是放大检波式。,平均值电压的测量,26,峰值电压的测量,由于放大器频率特性的限制,通常测量高频信号的电压表采用检波放大式。 检波放大式高频毫伏表检波器多采用峰值式 采用这种结构,放大器放大的是检波后的直流信号,其频率特性不会影响整个电压表的频率响应 测量电压的频率范围主要取决于检波器频率响应 高频电压表把用特殊性能的高频检波二极管构成的检波器放置在屏蔽良好的探头(探极)内,用探头

11、的探针直接接触被测点,这样可以大大减小高频信号在传输过程中的损失并减小各种分布参数的影响。这种电压表的频率上限可达1 GHz。,27,峰值电压表,峰值检波器：检波输出的直流电压与输入交流信号峰值成比例。 常见的峰值检波器有串联式和并联式两种。 基本要求： 放电时间常数远大于输入信号中最大的周期Tmax 检波器的充电时间常数远小于放电时间常数； 放Tmax 充放,峰值检波器,二极管峰值检波电路(a.串联式,b.并联式,c.波形),28,29,有效值电压的测量,电压有效值的定义:,为了获得均方根响应,必须具有平方律关系的伏安特性,模拟运算式有效值变换器,直接型RMS-DC运算法如图3-4所示,使用

12、乘法器和运算放大器直接计算有效值 图中第一级接成平方运算的模拟乘法器,其输出正比于 ux2(t),第二级接成积分平均电路,第三级将积分器的输出进行开方,最后输出的电压正比于被测电压的有效值。,30,间接型RMS/DC运算法,间接型RMS/DC运算法如图3-5所示。 图中第一级为模拟乘法/除法器,第二级是由运算放大器组成的低通滤波器。它在电路的输入级使用反馈间接实现平方根运算。 u2x/ U0将随着输入信号的有效值线性变化。,31,数字采样法,采样又称为取样。根据有效值的定义,若把式(3-3)中的连续积分变为在信号周期内足够多采样值平方的代数和,则可得交流电压有效值的另一表达式 数字采样法采用高

13、速A-D器件,对信号进行实时逐点采样,以实现交流信号的真有效值测量,还可以检测出信号的瞬时特性,比如信号峰值、波形畸变因数等其它瞬时信号特性。 只要采样的频率足够高,就可以尽量真实地再现被测信号。,32,33,热电效应： 两种不同导体的两端相互连接在一起,组成一个闭合回路,当两节点处温度不同时,回路中将产生电动势,从而形成电流,这一现象称为热电效应,所产生的电动势称为热电动势。 当热端T和冷端T0存在温差时(即TT0),则存在热电动势，且热电动势的大小与温差T=T-T0成正比。,热电转换原理,铁,铜,热端,热电偶,34,热电转换原理,利用热电偶有效值检波 热电偶： 将两种不同金属进行特别封装并

14、标定后,称为一对热电偶(简称热偶)。 热电偶温度测量原理： 若冷端温度为恒定的参考温度,则通过热电动势就可得到热端(被测温度点)的温度。 热电偶有效值检波原理： 若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热,则热电动势将反映该交流电压的有效值,从而实现了有效值检波。,35,热电转换原理,直流电流I与被测电压u(t)的有效值U的关系： 电流I热电动势热端与冷端的温差,而热端温度u(t)功率u(t)的有效值U的平方,故I U2,ux(t),36,热电式有效值电压表,在实际热偶式电压表中,为了克服直流电流与被测电压有效值的非线性关系(IkUx),利用两个性能相同的热电偶构成热电偶桥,称为双热偶变换器,测

15、量热电偶M1: 产生的热电动势Ex= KUx2,平衡热电偶M2: 产生的热电动势Ef = KU02 E = ExEf0,37,热电式有效值电压表,U = ExEf0 Ex Ef U0 Ux 直流电压表读数U0等于被测电压的有效值Ux 这种方式的电压表频率范围很宽,频率高端可达几十M Hz以上,由于输入端阻抗变换器和衰减器的作用,可使输入阻抗提高到10M左右。,3.2.3 交流电压表的刻度特性,在进行交流电压测量时,国际上一直以有效值表示被测电压的大小,因为有效值反映了被测信号的功率。但在实际测量中由于检波器的工作特性不同所得结果有峰值、平均值、有效值之别。 各种特性的AC-DC变换器都应该将最

16、后的测量结果表示为有效值。,38,均值表测量时的刻度特性,均值电压表的读数都用正弦有效值进行定度 中av为平均值电压表的指示值，K为定度系数，或称刻度系数；Uav为被测电压的平均值。 如果被测电压是正弦波,又采用全波检波电路，已知正弦波有效值电压为1V时,全波检波后的平均电压为22,故,39,40,均值表波形换算方法,平均值电压表的读数都用正弦有效值进行定度 如果不作修正,即将读数当成有效值时,将产生波形误差v,峰值表测量时的刻度特性,峰值电压表的读数都用正弦有效值进行定度 式中p为峰值电压表的指示值,K为定度系数, K= 2/2;Up为被测电压的峰值。 当被测电压为非正弦波形时,应进行波形换算才能得出被测电压的有效值。首先将示值p折算成被测电压的峰值,41,峰值表波形换算方法,有效值： 由于峰值电压表的读数没有直接的物理意义,测量非正弦波时,如果不进行换算,将产生波形误差,42,43,例