第3章-电压测量与电压表课件

第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 3.1 概述概述3.2 直流电流、直流电压的测量直流电流、直流电压的测量3.3 模拟式交流电压表模拟式交流电压表3.4 数字电压表数字电压表本章小结本章小结第第3 3章章 电电压压测测量量与与电电压压表表1第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 第第3 3章章 电压测量与电压表电压测量与电压表学习参考：学习参考：电压是最基本的被测量，电压表是基本测量仪器之一。要求通过学习了解电流的测量方法，理解电压表的工作原理，熟练掌握电压表的使用方法及读数换算方法，明确积分式A/D变换器的工作原理，了解逐次比较式、三次积分式A/D变换器的工作原理。本章要点：本章要点：交流电压的表征，模拟式交流电压表的结构、检波器、正弦波有效值定度及电压测量，数字电压表的组成、性能指标及A/D变换器。2第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 3.1 3.1 概述概述电压测量是电子测量的基础，基本的电压测量仪器是电压表。电压表、示波器、计数器是电子测量三大仪器。3.1.1 电压测量的基本要求电压测量的基本要求在实际测量中，被测电压具有频率范围宽、幅度差别大、波形种类多等特点，电压测量应满足下列基本要求：1.频率范围宽频率范围宽被测电压的频率范围自零赫兹到数百兆赫兹，大致分为直流、低频、视频、高频和超高频等。所用电压表必须具有足够宽的频率范围。2.量程宽量程宽3第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 被测电压的量值范围很宽，小到几纳伏，大到几百伏，甚至几千伏至几万伏。测量之前，应对被测电压有大概的估计，所用电压表应具有相当宽的量程或具有针对性。测量小信号时应选用高灵敏度电压表，测量高电压时应选用绝缘强度高的电压表来测量。3.输入阻抗高输入阻抗高测量电压时，电压表等效为输入电阻Ri和输入电容Ci的并联，其输入阻抗（Ri/Ci）是被测电路的额外负载。为了使被测电路的工作状态尽量少受影响，电压表应具有足够高的输入阻抗，即Ri应尽量大、Ci应尽量小。低频测量时，因为交流电压表的输入电阻、输入电容一般为1M、110pF，二者对被测电路的影响很小，故一般4第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 不考虑电压表输入阻抗对被测电路的影响。但在高频测量时，输入电阻Ri和输入电容Ci的容抗将变小，二者对被测电路的影响变大，一般要考虑电压表输入阻抗的影响，当它的影响不可忽略时，应对测量结果进行修正。4.抗干扰能力强抗干扰能力强测量工作一般是在受各种干扰的情况下进行的。当电压表工作在高灵敏度时，干扰会引入明显的测量误差，这就要求电压表具有较强的抗干扰能力。必要时，应采取一些抗干扰措施，如良好接地、使用短的测试线、进行屏蔽等，以减小干扰的影响。5.测量精确度高测量精确度高直流电压的测量可获得较高的测量精确度，例如直流数字5第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 电压表一般可达10-410-7量级；交流电压表的测量精确度可达10-210-4量级。在测量精确度要求不高时，可选用测量精确度在1%3%左右的电压表。电压表精确度表示方法如下：（1）满度值的百分数%Um 具有线性刻度的模拟式电压表一般采用这种表示方法，式中%为满度相对误差，Um为电压表满刻度值。（2）读数值的百分数%Ux具有对数刻度的电压表一般采用这种表示方法，式中%为读数相对误差，Ux为电压表测量读数值。（3）(%Ux+%Um)数字电压表一般采用这种表示方法。6第 3章 电 压 测 量 与 仪 器（六）被测电压波形种类多不同类型电压表的适用对象和使用方法是不同的，测量时，应根据电压表的类型和电压波形来确定被测电压的大小。3.1.2 交流电压的表征交流电压的表征交流电压的表征量包括平均值 、峰值 、有效值U以及波形因数KF、波峰因数KP。（一）平均值平均值简称为均值，是指波形中的直流成分，所以纯交流电压的平均值为零。为了更好地表征交流电压的大小，交流电压的平均值特指交流电压经过均值检波后波形的平均值，它分为半波平均值 和全波平均值 。如无特别说明，纯交流电压的平均值均为全波平均值 。7第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 式中 、分别为正、负半波平均值；为全波平均值；T为被测电压的周期。对于纯交流电压，存在如下关系：u(t)0，0tT u(t)0，0tT 0tT 8第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 2.峰值峰值交流电压的峰值是指交流电压在一个周期内（或一段时间内）以零电平为参考基准的最大瞬时值，记为 （或UP），分为正峰值 （或UP+）和负峰值 (或UP-)。一般情况下，正峰值 和负峰值 并不相等，峰值与振幅值Um也不相等，这是因为振幅值是以电压波形的直流成分为参考基准的最大瞬时值。对于双极性对称的纯交流电压，数值上存在关系：经常用到的交流电压表征量还有谷值 和峰峰值UP-P，如图3.1所示，注意图中的平均值是未经均值检波的波形平均值。9第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 u(t)t0a）UP-P tu(t)0b）UP-PUm图3.1 交流电压的峰值、振幅值 3.有效值有效值U 交流电压的大小通常是指它的有效值U，有效值又称为均方根值，是根据它的物理定义来确定的。数学计算式为：10第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 4.波形因数波形因数KF交流电压的波形因数KF定义为交流电压的有效值U与平均值 之比，即5.波峰因数波峰因数KP交流电压的波峰因数KP定义为交流电压的峰值 与有效值U之比，即不同波形的波形因数和波峰因数具有不同的定值，如表3-1所示。图3.2所示为表3-1所用的波形图。11第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 表表3-1 常见波形的波形因数和波峰因数常见波形的波形因数和波峰因数名称波形UKFKP正弦波A0.637A1.11方波AAA11三角波A0.5A000图3.2 表3-1所用波形图12第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 3.1.3 电子电压表的分类电子电压表的分类电子电压表简称为电压表，分为模拟式电压表和数字式电压表。1.模拟式电压表模拟式电压表模拟式电压表即指针式电压表，它用磁电式直流电流表（俗称表头）作为指示器，有直流电压表和交流电压表之分。直流电压表是构成交流电压表的基础，用于测量直流电压。交流电压表用来测量交流电压，测量时，首先利用交直流变换器将交流变成直流，再依照测量直流电压的方法进行测量，其核心为交直流变换器AC/DC。一般利用检波器来实现交13第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 直流变换。检波器按其响应特性分为均值、峰值和有效值检波器三种，交流电压表则相应地分为均值电压表、峰值电压表和有效值电压表。按照测量电压频率范围的不同，交流电压表还可分为超低频电压表（低于10Hz）、低频电压表（低于1MHz）、视频电压表（低于30MHz）、高频或射频电压表（低于300MHz）和超高频电压表（高于300MHz）。为了满足不同测量对象的要求，模拟式交流电压表有放大检波式、检波放大式和外差式等三种不同的结构形式。（1）检波放大式电压表 检波放大式电压表如图3.3(a)所示。这种电压表的频率14第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 范围和输入阻抗主要取决于检波器。采用超高频检波二极管时，可使这种表的频率范围从几十赫兹至数百兆赫兹，甚至可达1GHz，输入阻抗也比较大，一般称之为高频毫伏表或超高频毫伏表。为了使测量灵敏度不受直流放大器零点漂移等的影响，一般利用调制式（即斩波式）直流放大器放大检波后的直流信号。而且将检波器做成探头直接与被测电路连接，从而减小分布参数及外部干扰信号的影响。目前，高频毫伏表的灵敏度已由以前的约0.1V提高到了毫伏级。如国产DA36型超高频毫伏表即采用了调制式直流放大器，其频率范围为10kHz1000MHz；电压范围为1mV10V；3V量程，100kHz时的输入阻抗100k，50MHz时的输入阻抗50k。15第 3章 电 压 测 量 与 仪 器（2）放大检波式电压表放大检波式电压表如图3.3(b)所示。由于宽带放大器增益与带宽的矛盾（二者乘积为常数），使放大检波式电压表的频宽难以扩展，灵敏度也受到内部噪声和外部干扰的限制。其频率范围一般为20Hz10MHz，灵敏度达毫伏级，通常称之为视频毫伏表，多用在低频、视频场合，如S401型视频毫伏表的频率范围为20Hz10MHz，电压测量范围为100V1V，输入电阻1M，输入电容20pF。检波器衰减器直流放大器被测输入(a)衰减器检波器交流放大器(b)被测输入uAuA图3.3 检波-放大式、放大-检波式电压表组成框图16第 3章 电 压 测 量 与 仪 器（3）外差式电压表外差式电压表又称为选频电压表或测量接收机，其组成框图如图3.4所示。虽然也属于放大检波式，但因外差式电压表利用混频器，将输入信号变为固定中频信号后进行交流放大，可以较好地解决交流放大器增益与带宽的矛盾，其灵敏度可以提高到微伏级。其频带宽度取决于本振频率范围，可从100kHz至数百兆赫兹，一般称之为高频微伏表。如DW-1型高频微伏表，最小量程为15V，最大量程为15mV（加衰减器可扩展到1.5V），频率范围为100kHz300MHz，分8个频段，基本误差为3%。17第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 三种结构形式电压表的性能比较如表3-2所示。输入电路混频器中频交流放大器图3.4 外差式电压表组成框图被测输入均值检波器本振表表3-2 三种结构形式电压表的性能比较三种结构形式电压表的性能比较结构形式灵敏度 频带宽度电压表类型外差式（选频电压表、测量接收机）很高很宽高频微伏表检波放大式（利用调制式直流放大器）稍高很宽超高频毫伏表放大检波式稍低较窄高频毫伏表、视频毫伏表18第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 此外，还有热偶式电压表。热偶元件是由两种不同材料的导体连接而成的具有热电现象的元件。热偶式电压表是利用被测电压加在电热丝上对热偶元件加热而产生热电势，再根据热电势与加热温度的函数关系来测出被测电压。热偶式电压表的优点是测量结果与被测信号波形无关，是一种真正的有效值电压表，可以测量直流至上百兆赫兹的交流信号。例如DA24型热偶表的频率范围为10Hz10MHz，最小量程为300V，满度误差为1.5%。它的缺点是灵敏度低、输入电阻低、受环境温度影响大、个别电压表的刻度非线性。19第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 2.数字式电压表数字式电压表数字式电压表（DVM，Digital Voltmeter）是利用A/D（模/数）变换器将模拟量变换成数字量，并以十进制数字形式显示被测电压值的一种电压测量仪器。最基本的数字电压表是直流数字电压表。直流数字电压表配上交直流变换器即构成交流数字电压表。如果在直流数字电压表的基础上，配上交流电压/直流电压（AC/DC）变换器、电流/直流电压（I/V）变换器和电阻/直流电压（R/V）变换器，就构成数字万用表。直流数字电压表的核心是A/D变换器。A/D变换器分为积分式、比较式和复合式三种类型，直流数字电压表相应地分为20第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 积分式、比较式和复合式三种类型。目前，应用比较广泛的是双积分式DVM，其次是逐次比较式DVM。随着科学技术的发展和对测量要求的提高，现在已有复合式DVM和双积分式DVM的改进型三次积分式DVM等多种类型的数字电压表供应市场。数字电压表由模拟电路、数字逻辑电路和显示电路三大部分组成，如图3.5所示。图中A/D变换器是数字电压表的核心，它将被测模拟电压变换成数字量，然后由数字逻辑电路进行计数，并由显示电路显示出被测电压的数值。A/D变换器与数字逻辑电路、显示电路一起构成数字电压表表头。21第 3章 电 压 测 量 与 仪 器 数字电压表还具有测量准确度高、分辨力强、测速快、输入阻抗高、过载能力强、抗干扰能力强等优点。由于微处理器的应用，目前高中档数字电压表已普遍具有数据存储、自检等功能，并配有标准接口，可以方便构成自动测试系统。而模拟式电压表具有结构简单，价格低廉，频率范围宽等特点，并且还可以更直观地观测信号电压变化情况。因此数字式电压表还不能完全代替模拟式电压表