电子测量 第4章(电压测量).ppt

1、第4章 电压测量,4.1 概述 4.2 模拟式电压表 4.3 数字式多用表 4.4 电平的测量,一、 电压测量的仪器与应用,常用电压测量仪器有哪些？,4.1 概述,一、 电压测量的仪器与应用,电压是一个基本的物理量，是集中电路中表征电信号的三个基本参数（电压、电流、功率）之一，电压测量是电子测量中的基本内容。 在电子电路中，电路的各种工作都是靠电压来表征的；在非电量测量中，也多利用各类传感器装置，将非电量参数转化为电压参数。,4.1 概述,二. 交流电压的量值表示 【演示与操作】 连接信号发生器与示波器，调节信号发生器，使输出一正弦波（Up-P =10V),二. 交流电压的量值表示 一个交流电

2、压的大小，可用多种方式来表示，如平均值、峰值和有效值。采用不同的量值表示法，其数值也是不同的。,图4.1 正弦波形参数示意图,二. 交流电压的量值表示 【课堂讨论 】 怎样理解交流电压的平均值和有效值？ 如何计算？,（1）峰值的基本概念。 交流电压的峰值是指交流电压U（t）在一个周期内（或在一段观察时间内）电压所达到的最大值，用U（或Up）表示。 图4.1所示为正弦波形参数的表示图。峰值是从参考零电平开始计算的，有正峰值和负峰值包括在一起时称为峰峰值，用Up-p表示。,（2）平均值的基本概念。平均值一般用表示，在数学上定义为:,式中：T被测信号的周期；u(t)被测信号。 对于一个纯粹的交流电压

3、，无法用平均值来表征电压的大小。,在交流电压的测量中，先把交流电压交换成对应的直流电压。 检波器是将交流电整流成直流电的典型电路。 所以，交流电压的平均值是指经过测量仪器的检波器后的平均值。 一般仪器的检波器有半波检波器和全波检波器两种。 因此，平均值也应分为半波平均值和全波平均值两种。 所谓全波平均值，是指交流电压经全波检波后的全波平均值，定义为：,由于全波平均值应用广泛，如果不加说明，提到平均值时都是指全波平均值。,（3）有效值的基本概念。交流电压的有效值是指均方根值（rms），用U或Urms表示。 有效值比峰值和平均值用得更普遍。 它的数学表达式为：,有效值的物理意义为：在交流电压的一个

4、周期内, 这个交流电压在某电阻负载中所产生的热能如果与一个直流电压在同样的电阻负载中产生的热能相等，则这个相当的直流电压值就是该交流电压的有效值。 各类交流电压表的示值。除特殊情况外都是用正弦有效值来表示的。,三、交流电压量值的相互转换 【操作与练习 】 在信号发生器输出不变的情况下，分别用万用表、毫伏表测量交流电压，并与计算值相比较。,三. 交流电压量值的相互转换 交流电压的量值可采用平均值、峰值和有效值等多种形式表示。采用的表示形式不同，数值也不同。但多种表示形式反映的是同一个被测量，这些数值之间可以相互转换。 （1）波形因数Kf电压的有效值与平均值之比称为波形因数KF。,（2）波峰因数K

5、p交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数Kp。,表4-1 几种典型的交流电压波形的参数,4.2 模拟式电压表,4.2 模拟式电压表4.2.1 简单模拟直流电压表,1. 单量程电压表,用单独的一个磁电式表头就可测量小于ug ( ug=IgRg )的直流电压,若要测量较大的电压，可利用串联电阻分压原理，即在表头上串联一个适当阻值的电阻，如图4.2所示。,2. 多量程电压表,若采用多个分压电阻与表头串联，就可制成多量程的直流电压表。,4.2.2 简单模拟交流电压表,模拟式万用表的交流电压挡可用于进行交流电压的测量。 模拟式交流电压表的原理与模拟式直流电压表类似，只不过增加了整流电路。 模拟式交流电压

6、表先将交流电流变换成直流电流，然后采用串联电阻的方法构成多量程电压表。 但模拟式交流电压表有一些特点，使用时应注意。 （1）交流电压灵敏度低于直流电压灵敏度。 （2）表针的偏转角度近似于交流电压的半波（或全波）整流电压的平均值，但表盘上的刻度是按正弦有效值刻度的。 （3）模拟式万用表测量交流电压的颇率范围在45100Hz内。 （4）交流电压表低量程的刻度是不均匀的，10V档单独刻度。,3. 电子电压表的检波器 电子电压表中常用的检波器有峰值检波器、平均检波器和有效值检波器。 （1）峰值检波器 峰值检波器是峰值电 压表的主要组成部分， 它对被测电压Ux进行检 波，使检波后的直流电 压UDC正比于

7、输入的交 流电压的峰值。,可见峰值检波器的输入阻抗较高，适用于检波放大式电压表。 经过峰值检波器后的直流电压UDC是正比于被测电压的峰值Up的。 而一般情况下，峰值电压表的读数刻度是按正弦波有效值刻度的，即表头上的读数正比于被测正弦信号的有效值。 所以，采用峰值检波器的电压表进行刻度时，应通过一个因数Kp进行变换。 当用峰值电压表测量非正弦波电压时，读数没有直接意义，只有把读数值乘以Kp才等于被测电压Ux的峰值Up。 要求被测电压的有效值，可按“峰值相等则读数相”等的原则，经过波形换算求得。,（2）均值检波器 均值检波器是对放大后的被测电压Ux进行检波，使检波后的直流电压UDC正比输入交流电压

8、的平均值。 均值检波后的直流电压UDC是正比于被测电压的平均值 的。,而一般情况下，均值电压表的读数刻度与峰值电压表一样，也是按正波有效值刻度的，即表头上的读数正比于被测正弦信号的有效值。 所以，采用均值检波器的电压表进行刻度时，应通过一个因数Kf进行变换。,与峰值电压表一样，只有测量正弦电压时，从电表上读得的数才有实际意义。 当用均值电压表测量非正弦波电压时，读数没有直接意义，只有把读数值除以KF才等于被测电压U的平均值。 要求被测电压的有效值，须经过波形换算，按“平均值相等则读数相等”的原则。,（3）有效值-直流变换电路 为了获得有效值响应，必须使AC-DC变换器具有平方律关系的伏安特性。

9、 有效值-直流变换电路有分段逼近式检波器、热电偶式变换电路和模拟计算式变换电路。 分段通近式检波器。 分段通近式检波器采用二极管的链式电路，适当选择直流电源和分压电阻值，使二极管轮流导通，获得近似平方律的伏安特性。,热电偶式变换电路。 根据热电变换原理可完成交流电压有效值到直流电流之间的变换。,利用乘法器、积分器和开方器等计算电器， 按 公式直接完成有效值的计算。,【操作与练习】 调节信号发生器，使输出一方波（Up = 5V），用示波器测量和计算电压有效值、峰值和平均值。 在信号发生器输出不变的情况下，分别用万用表、毫伏表测量交流电压，记录两表的读数。,【课堂讨论 】 毫伏表和万用表是哪种检波

10、方式和刻度方式？,作业 63页：4.3、4.4题,4.3 数字式多用表,数字式电压表(DVM)是利用（A/D）转换器，将模拟的被测电压量转换成数字量，热后利用十进制数字显示方式显示被测量数值的电压表。,4.3.1 数字电压表的分类,目前数字电压表的品种很多，按其模/数转换器（A/D）原理来分，可分为斜坡式、双积分式、比较式和复合式四类。 1. 斜坡式数字电压表 斜坡式数字电压表是利用积分器产生的线性斜坡电压与被测电压进行比较，把被测电压转换成与其瞬时值成比例的时间间隔T。 即采用的是VT（电压时间）变换式，并在T时间内，用时钟脉冲进行计数，计数的结果即为被测电压值。,2. 双积分式数字电压表

11、双积分式数字电压表是利用积分器对被测电压进行正向和反向两次积分，得到与输入电压平均值成正比的时间间隔T，并在T的时间间隔内对时钟脉冲进行计数，最后用数字显示被测电压值。 其实质也是VT变换式。,3. 比较式数字电压表 比较式数字电压表是利用输入的模拟电压与基准电压进行比较的方法，把模拟量直接转换成数字量的电压表。 按其工作原理又分为反锁比较式和无反锁式两种。 反锁比较式采用闭环比较系统，将输入的被测电压与内部D/A转换器的输出电压进行比较。 比较的结果再反馈到D/A转换器，不断调整D/A转换器的输出，直至两者相等为止。 在这一类型中目前广泛应用的是逐次逼近比较式数字电压表。 比较式数字电压表广

12、泛用于多点快速检测系统中。,4. 复合式数字电压表 复合式数字电压表是将积分式与比较式结合起来，取长补短发展起来的一种测速快、抗干扰能力强的高精度DVM。 它又分为V-T和V-F（电压频率）两种。,4.3.2 数字电压表的主要技术指标,表征数字电压表工作特性的技术指标有很多，最主要的有以下几项。 1. 测量范围 测量范围包括显示的位数、量程的范围和是否具有超量程能力等。 （1）显示位数。 （2）量程的范围。 （3）超量程能力。,2分辨率 分辨率是指DVM能够显示的被测电压的最小变化值，即显示器末位跳动一个数字所需的电压值。 3.测量速率 测量速率是指每秒钟对被测电压的测量次数，或一次测量全过程

13、所需的时间。 4.输入特性 输人特性包括输入阻抗和零电流两个指标。,5. 抗干扰能力 在DVM中抑制串模干扰的措施有两种，一是在DVM的输入端设置滤波器；二是从A/D转换原理上采用双积分电路来消除干扰。 6. 固有误差和工作误差 DVM的固有测量误差主要是读数误差和满度误差，通常用测量的绝对误差表示即 式中：表示误差的相对项系数；表示误差的固定项系数；Ux为被测电压读数；Um为该量程的满度值。,4.3.3 数字电压表的工作原理,1. 数字电压表的组成 整个电压表包括两大部分，模拟部分包括输入电路（如阻抗变换电路、放大和扩展量程电路）和A/D转换器。 A/D转换器是数字电压表的核心，完成模拟量到

14、数字里的转换。电压表的技术指标如准确度、分辨率等主要取决于这部分的工作性能。 数字部分主要完成逻辑控制、译码和显示功能。,2. 逐次逼近比较式DVM的基本原理 （1）电路组成 它由电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器(SAR)、逻辑控制电路和输出缓冲器等部分组成。,（2）工作原理 逐次逼近比较式A/D转换是属于直接式A/D转换。 其基本原理是用被测电压和一个可变的己知电压基准电压进行比较，直至比较结果相等，达到测出被测电压值的目的。 被测电压和基准电压的比较过程从最高位开始。 当逐次逼近寄存器输出的数码从大到小变化时，D/A转换器也由大到小输出基准电压砝码，该基准电压与被测模拟输入电Ux比

15、较. 按“大者弃、小者留”的原则，并逐次减小寄存器的数值，使输出的基准电压砝码与被测电压逼近相等。 当Ux=Uref时，比较器输出为零，最后数字输出显示的数值即为被测信号的电压值。,（3）工作特点。 由上述比较过程可以看出，逐次逼近比较式A/D转换共有以下特点： 测量速度快。 测量精度取决于标准电阻和基准电压源的精度，还与D/A转换器的位数有关。 由干测量值对应于瞬时值，而不是平均值，所以抗串模干扰能力差。,3双积分式DVM的基本原理 双积分型A/D转换器是在V-T变换中用得最多的A/D转换器。 V-T变换原理是积分器将被测电压转换为时间间隔，然后用电子计数器在此间隔内累计脉冲数，数字显示测量

16、结果，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。,（1）双积分型A/D转换器的工作原理 双积分器的电路模型如图4.9所示，其实质是一个线性的积分器，它利用电容和运算放大器获得线性的充放电电压。,双积分型A/D转换器的原理框图，如图4.11所示，包括积分器、比较器、计数器、逻辑控制和时钟信号源等几部分。,4.4 电平的测量4.4.1 电平的概念,电平是指两功率或电压之比的对数，有时也表示两电流之比的对数，单位为贝尔（Bel）。在实际应用时，常用贝尔的十分之一作为单位，称为分贝，用“dB”表示。 电平概念主要应用在通信系统、电声系统及噪声测试等系统中。 常用的电平有功率电平和电压电平两类，它们各

17、自又可分为绝对电平和相对电平两种。,1. 绝对功率电平Lp 以600电阻上消耗1mw的功率作为基准功率，任意功率与之相比的对数称为绝对功率电平。 2. 相对功率电平Lp 任意两功率之比的对数称为相对功率电平即:,式中：Px任意功率；P0基准功率。,式中：PA、PB为任意两功率。,3. 绝对功率电平与相对功率电平之间的关系,式中，LpA、LpB为任意两功率的绝对功率电平。,由上式可以看出，相对功率电平是两绝对功率电平的电平之差。,4. 绝对电压电平Lu。 当600电阻上消耗电1mW的功率时，600电阻两端的电位差为0.775V，此电位差称为基准电压。,任意两点电压与基准电压之比的对数称为该电压的

18、绝对电压电平。,式中，Ux为任意两点的电压。,5. 相对电压电平Lu 任意两电压之比的对数称为相对电压电平。,式中，UA、UB为任意两电压值。,6.绝对电压电平与相对电压电平的关系,7. 由上式可以看出，相对电压电平是绝对电压电平之差。 由上式可见，当Rx=600时，电阻Rx上的绝对功率电平等于它的绝对电压电平，而当Rx600时，电阻Rx上的绝对功率电平是不等于它的绝对电压电平的。,8. 电平与电压的关系 电平的测量实际上也是电压的测量。任何一块电压表都可以作为测量电压电平的电平表，只是表盘的刻度不同而已。 电平表和交流电压表上dB刻度线都是按绝对电压电平刻度的，只注意的电平刻度是以在600电

19、阻上消耗1mW功率为零分贝进行计算的，即0dB=0.775V。 电平量程的扩大实质上也是电压量程的扩大。 只不过由于电平与电压之间是对数关系，因而电压量程扩大N倍时，电平增加20lgN。,4.4.2 电平的测量方法和刻度,电平测量实质上是交流电压的测量，与电压表不同的是电表的读数是以分贝(dB)刻度的。 取零刻度的基准阻抗Z0=600，即0dB刻度相当于阻抗两端电压等于0.775V。 当Ux0.775V时，测量所得dB值为正； 当Ux0.775V时，测量所得dB值为负。 这样，一定的电压值对应于一定的电平值，就可直接用电压表测量电平了。 如电子式多用表MF-20将1.5v量程刻度线上的0.77

20、5V处定为0dB。 应注意的是，表盘上的分贝值对应的是某挡电压量程，当使用电压表的其他挡测量时，应考虑加上换挡的分贝值。,4.4.3 噪声电压的测量,在电子测量中，习惯上把信号电压以外的电压统称为噪声。从这个意义上说，噪声应包括外界干扰和内部噪声两大部分。 电路中固有噪声主要有热噪声、霰弹噪声和闪烁噪声等。 在这三种主要类型的噪声中，闪烁噪声又称为1/f噪声，主要对低频信号有影响，又称为低频噪声。 而热噪声和霰弹噪声在线性频率范围内部能量分布是均匀的，因而被称为白噪声。 白噪声是一种随机信号，其波形是非周期性的，变化是无规律的，电压瞬时值按高斯正态分布规律分布，噪声电压一般指的是噪声电压的有效

21、值。,白噪声波形图,粉红噪音是自然界最常见的噪音，简单说来，粉红噪音的频率分量功率主要分布在中低频段。从波形角度看，粉红噪音是分形的，在一定的范围内音频数据具有相同或类似的能量。从功率（能量）的角度来看，粉红噪音的能量从低频向高频不断衰减，曲线为1/f，通常为每8度下降3分贝。粉红噪音是最常用于进行声学测试的声音。利用粉红噪音可以模拟出比如瀑布或者下雨的声音。,对于一个放大器，如将其输入端短路，即在输入信号为零时，我们仍能从输出端测得交流电压，这就是噪声电压。 1. 交流电压表测量噪声电压 由于噪声电压一般指有效值（均方根值），因此可直接采用有效值电压表测量噪声电压的有效值，也可采用平均值电压

22、表进行噪声电压的测量。 但要注意几点： （1）刻度的换算我们已经知道，除了有效值电压表以外，其他响应的电压表在测量非正弦波时，都会产生波形误差。所以有必要根据噪声电压的波形系数进行换算。 （2）电压表的频带宽度大于被测电路的噪声带宽。 （3）根据噪声的特性在某些时刻噪声电压的峰值可能很高也可能会超过表中放大器的动态范围而产生削波现象。所以在噪声测量中，平均值电压表指针应指在表盘刻度线的1/3l/2之间读数,以提高测量准确度。,2用示波器测量噪声电压 示波器的频带宽度很宽时，可以用来测量噪声电压。示波器的使用极其方便尤其适合于测量噪声电压的峰值-峰值。 测量时，将被测噪声信号通过AC耦合方式送入示波器的垂直通道，将示波器的垂直灵敏度置于合适的挡位，将扫描速度置较低挡。在荧光屏上即可看到条水平移动的垂直亮线。 这条亮线垂直方向的长度乘以示波器的垂直电压灵敏度就是被测噪