第七章电压测量资料教程

第七章电压测量电压、电流、功率是表征电信号能量大小的三个基本参量。在电子电路中，只要测量出其中一个参量就可以根据电路的阻抗求出其它两个参量。考虑到测量的方便性、安全性、准确性等因素，几乎都用测量电压的方法来测定表征电信号能量大小的三个基本参量。7.1概述一、电压测量的重要性电压测量的重要性此外，许多参数，例如频率特性、谐波失真度、调等都可视为电压的派生量。所以电压的测量是其它许多电参量测量的基础。非电量测量中，物理量——〉电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度二、电压测量的特点电子电路中的电压具有频率范围宽、幅度差别大、波形多样化等特点，所以对测量电压所采用的电子电压表也提出了相应的要求，主要有：1．频率范围宽除直流电压外，交流电压的频率可以从10^-6Hz到10^9赫兹范围内变化电压测量的特点3.被测波形的多样性除正弦波外，电路中还有失真的正弦波和大量的非正弦波。测量时，应考虑不同波形的需要。测非正弦波形时其读数无直接意义，被测电压大小要根据电压表的类型和波形来确定，即需要进行换算。电压测量的特点4．输入阻抗高电压测量仪器以并联方式连入电路，其输入阻抗是被测电路的附加并联负载。为了减小电压表对测量结果的影响，对于直流和低频电压，就要求电压表的输入阻抗很高，即输入电阻大；对于高频电压，要求输入电容小，使附加的并联负载对被测电路影响很小。目前，直流数字电压表在小量程上的输入阻抗高达10GΩ，高量程时可达10MΩ。电压测量的特点5．测量精度高一般的工程测量，如市电的测量、电路电源电压的测量等都不要求高的精度，准确度在1%~3%即可。一般对直流电压的测量可获得最高准确度，达10-4~10-7量级(数字表)；对交流电压的测量可获得10-2~10-4量级的准确度。模拟式电压表一般只能达到10-2量级。电压测量的特点6．抗干扰能力強测量工作一般都在有干扰的环境下进行，所以要求测量仪表具有较強的抗干扰能力。对于数字电压表来说，这个要求更为突出。测量时，采取必要的措施，如接地、屏蔽等，可减小干扰的影响。三、电压测量仪器的分类P1891.按显示方式分类：模拟式电压表和数字式电压表两大类。模拟式电压表又叫指针式电压表，一般都采用磁电式直流电流表头作为被测电压的指示器。测量直流电压时，可直接或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。电压表的分类测量交流电压时，必需经过交流-直流变换器即检波器，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。电压表的分类3.数字式电压表数字式电压表实际上就是一种用A／D变換器作测量机构，用数字显示器显示测量结果的电压表。测量交流电压及其它电参量的数字式电压表必须在A／D变换器之前对被测电参量进行转换处理，将被测电参量变换成直流电压。7.3交流电压的表征和测量方法P195电路中某点的电压是指该点信号的电压，它可能是直流，一般是含有直流成分的复杂信号。波形是指电压随时间变化的U-t图形，反映电压瞬时值的变化情况。一个交流电压的幅度特性可用峰值、平均值、有效值等基本参数来表征。一、交流电压表征1.峰值一个周期性交流电压u(t)在一个周期内所出现的最大瞬时值称为该交流电压的峰值Up。峰值Up是参考零电平计算的。有正峰值和负峰值之分，分别用Up+和Up-表示。含直流分量的交流电压，其正峰值Up+和负峰值Up-的绝对值大小是不相等的；交流电压的基本参数：峰值幅值或振幅Um是参考直流分量值开始计算。下图的直流分量U0大于零，注意Up+、Up-和Um的区别。其中，Upp是峰峰值正峰值Up+≠负峰值Up-的绝对值≠交流电压的振幅值Um！1．峰值下图的直流分量等于零。与前面的直流分量大于零的情况作对比，注意Up+、Up-和Um的区别。正峰值Up+＝负峰值Up-的绝对值＝交流电压的振幅值Um！2．平均值又称为均值。交流电压的平均值在数学上定义为显然，不含直流分量的正弦信号的电压平均值为零。平均值又分为半波平均值和全波平均值。2．平均值半波平均值是指交流电压的正半周或负半周在一个周期内的平均值。(U(t)≥0)(U(t)＜0)通常用全波检波后的波形的平均值来表征正弦信号的幅度特性，故有：2．平均值全波整流波形，表征正弦信号的幅度特性半波整流波形，半波检波后的平均值是全波平均值的一半，即为正弦信号电压平均值的一半。3．有效值交流电压的有效值理论上定义为：交流电压加在某个电阻上产生的功率与一个直流电压在同一个电阻上产生的功率相同时，则定义这个直流电压值为该交流电压的有效值。数学上交流电压的有效值定义为它的均方根值：3．有效值以正弦波为例，代入有效值计算3．有效值对正弦波而言，其有效值为最大值的倍。4．波形因数Kf交流电压的有效值与平均值之比称为该交流电压的波形因数，用Kf表示。正弦信号的波形因数＝1.11三角波的波形因数方波信号的波形因数＝15．波峰因数Kp波峰因数Kp定义为峰值与有效值之比：正弦信号的波峰因数三角波的波峰因数方波信号的波峰因数二、交流电压的测量方法P1971）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。按技术：模拟测量；数字测量交流电压的测量方法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。4）基于采样的交流电压测量方法交流电压--〉A/D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--〉读出结果交流电压的测量方法2.模拟电压表的主要类型P197在模拟式交流电压表中，大都采用整流的方法将交流信号变成直流信号，再以其平均值驱动指示器，给出有效值读数。这种方法在电子测量领域中称检波法。它具有准确度高、频带宽、灵敏度较高等优点，是目前使用比较广泛的方法。模拟电压表的分类另外还有热电转换法和公式法。热电转换法是通过热电偶将交流电有效值转换成直流电压；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、开平方器等转换环节来完成。根据电压表电路组成的方式不同，模拟式电压表又可分为以下几种。1）．检波-放大式检波-放大式电压表的电路结构如图所示。将被测电压Ux先变成直流电压，再经直流放大器放大，然后驱动直流微安表指针偏转。1．检波-放大式电压表的频带宽度主要取决于检波电路的频率响应。通常所称“高频电压表”或“超高频电压表”都属于这一类。由于二极管导通时有一定的起始电压，且采用普通直流放大器会有零点漂移，故其灵敏度不高，不适宜测量小信号。2）．放大-检波式被测电压先经宽带放大器放大，然后再检波，变成直流电信号，驱动微安表指针偏转。这种电压表灵敏度由于先行放大而提高，但受放大器内部噪声的限制；其频率范围主要受放大器带宽的限制，典型2．放大-检波式的频率范围为20HZ～10MHZ,称“视频毫伏表”。平均值电压表属于放大-检波式电压表。4）．外差式P199检波-放大式和放大-检波式两种电压表，频率响应和灵敏度互相矛盾，很难兼顾，可以通过外差测量方法来解决。外差测量法的中频是固定不变的，中频放大器有良好的选择性，相当高的增益，这样就解决了放大器的带宽与增益的矛盾，削弱噪声的影响，提高了测量灵敏度，扩展了频率范围。一般的高频微伏表即属于这一类。7.4低频交流电压测量P201在均值电压表内，电压的平均值指被测电压经整流后的平均值，这通常是就全波整流而言，即输入电压的绝对值在一个周期的平均值。均值电压表一般采用放大-检波式电路组成低频电压表，或采用外差式电路组成高频微伏表。一、均值电压表2.检波器灵敏度P202被测电压为Ux，电表内阻Rm，D1~D4的正反向电阻分别为Rd、Rr。一般Rd为100~500Ω，Rr为1~3KΩ。二、波形换算P2037.5高频交流电压测量P209峰值电压表的工作频率范围宽，输入阻抗高，有较高的灵敏度，但存在非线性失真。峰值电压表简称峰值表，属于检波—放大式电子电压表，又称为超高频毫伏表。一、峰值电压表1.峰值表组成峰值表由峰值检波器、分压器、直流放大器和微安表组成，如下图所示。检波输出的直流电压与输入交流信号峰值成比例的检波器一、峰值检波器u(t)VDRLC+图7.5-1峰值检波器充放u(t)uctT最后输出的平均电压迫近峰值条件：超高频毫伏表都是峰值电压表。典型产品DA－l型：频率范围10kHz～1000MHz，测量范围0.3mV～3V，误差优于±l%（3mV档）。HFJ—8型频率范围5kHz～300MHz，测量范围lmV～3V。HFJ一8A型频率范围5Hz～1GHz，测量范围lmV～3V，可扩展到300V。HFJ-8B7.7电压的数字式测量2171.直流DVMP218数字电压表（DigitalVoltageMeter，简称DVM）。1基本组成包括模拟和数字两部分。输入电路：对输入电压衰减/放大、变换等。核心部件是A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter，简称ADC），实现模拟电压到数字量的转换。数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。2.数字多用表DMM⑴线性AC/DC变换器三、DVM的主要类型221根据A／D变换的基本原理进行分类，分为比较式、积分式和复合式。四、逐次比较型DVM2.逐次比较式A/D变换器223逐次比较式数字电压表又称为反馈编码式数字电压表，其核心是逐次比较式A/D变换器。逐次比较式A/D变换器的工作原理类似于天平称量物体质量，按照“大者弃、小者留”的原则，将被测电压与可变基准电压逐次进行比较，直至逼近出被测电压值。(1)逐次比较式A/D变换器工作原理逐次比较式A/D变换器的原理框图如图3.24所示。数码寄存器SAR(SuccessiveApproximationRegister)在时钟脉冲的作用下逐次提供从高位到低位代表不同电压（即跳步电压）的二进制基准码。例如，设DVM基本量程满度值为10V（即UR=10V），且A/D变换器的位数为6位（二进制），则从高位到低位每个二进制基准码的跳步电压值分别为5V（10×2-1）、2.5V(10×2-2)、1.25V(10×2-3)、0.625V(10×2-4)、0.3125V(10×2-5)、0.15625V(10×2-6)。Ux电压比较器数码寄存器译码显示D/A变换器基准电压逻辑控制电路时钟脉冲UsY1～Y6图3.24逐次比较式A/D变换器原理框图URD/A（数/模）变换器的作用是将输入的数字量变换为模拟电压输出，模拟输出电压等于数码寄存器提供的各数字量与跳步电压乘积之和。设UR=10.000V，Ux=5.625V，逐次比较式A/D变换器工作过程如下：①在起始脉冲作用下，SAR清零；②第一个脉冲到来时，SAR最高位2-1先置为1，数码寄存器输出为（100000）2，US=1×5.000V=5.000V＜Ux，比较器输出为1，得Y1=1，SAR最高位2-1保留为1，即“小者留”。③第二个脉冲到来时，SAR的次高位2-2先置为1，SAR输出为（110000）2，US=5.000V+1×2.500V=7.5V＞Ux，比较器输出为0，得Y2=0，SAR次高位2-2返回为0，即“大者弃”。④第三个脉冲到来时，SAR的2-3位先置为1，SAR输出为（101000）2，US=5.000V+0.000V+1×1.250V=6.250V＞Ux，比较器输出为0，得Y3=0，SAR的2-3位返回为0。⑤第四个脉冲到来时，SAR的2-4位先置为1，SAR输出为（100100）2，US=5.000V+0.000V+0.000V+1×0.625V=5.625V=Ux，比较器输出为1，得Y4=1。此时，电路处于平衡状态，SAR停止计数，A/D变换器停止工作。SAR输出的二进制代码为（100100）2，经过译码显示电路，得到5.625V的显示。否则，电路继续逐次比较，直至最末位为止。（1）量程数字电压表一般有好几个量程，量程的改变通常由电压表的步进衰减器与输入放大器的适当配合来实现。信号未经衰减器衰减和放大器放大的量程称为基本量程，基本量程的测量误差最小。量程变换有手动变换和自动变换两种，自动变换借助于内部逻辑控制电路来实现。（2）显示位数数字电压表中能显示0～9十个数码的数位称为满位，否则，称为半位或1/2位。例如，最大显示数字为9.999的称为4位数字电压表；最大显示数字为19.999的称为位数字电压表。最大显示数字为39.999的称为位数字电压表，因为39.999的六、DVM主要技术指标226左边第一位可以显示的数字为0～3共4个数字，但可以作为有效数字的只有1、2、3共3个数字，而满位位数为4，故称之为位数字电压表。最大显示数字为11.999的也称为位数字电压表，因为由于量程限制等原因，虽然左边第二位在显示最大数字时只能显示为1，但在其他情况下也可以显示0～9这十个数字，该位仍为满位，而左边第一位则可以显示0～1共2个数字，故仍称之为位数字电压表。最大显示数字为19.999、39.999、11.999的数字电压表统称为4位半数字电压表。（3）超量程能力超量程能力是指数字电压表在一个量程上所能测量的最大电压超出量程值的能力，是数字电压表的一个重要指标。数字电压表有无超量程能力，要根据它的量程分挡情况以及能够显示的最大数字情况来决定，其计算式如下：例如，最大显示数字分别为9.999、19.999、5.999、11.999，对应量程分别为10V、20V、5V、10V的数字电压表的超量程能力分别为0%、0%、20%、20%。有了超量程能力，在有些情况下可以提高测量精度，例如被测电压为10.001V，若采用不具有超量程能力的4位DVM10V挡测量，读数为9.999V；用100V挡测量，读数为10.00V，这样就丢掉了0.001V的信息。若改用有超量程能力的四位半DVM10V挡测量，均可读出10.001V，显然提高了精度。2.分辨力分辨力即灵敏度，是指数字电压表能够反映出的被测电压最小变化值，实际上就等于所选量程最右边数字的一个单位，即末尾的“1”表示出的电压值。不同量程的分辨力不同，最小量程的分辨力最高。通常以最小量程的分辨力作为数字电压表的分辨力。例如，4位DVM在1V、10V量程上的分辨力分别为0.0001V、0.001V，则DVM的分辨力为0.0001V。这是因为，4位DVM的最大显示数字为9999，量程为1V、10V时，可以判断出满量程时的显示数字应分别为“.9999”、“9.999”，根据定义即可判断出上述分辨力的大小。3.测量误差数字电压表的测量误差通常以它的固有误差或工作误差来表示，属于允许误差。数字电压表的固有误差一般采用以下两种表示方法：ΔU=±(α%Ux+β%Um)或ΔU=±α%Ux±n字式中，Ux为被测电压读数值；Um为数字电压表量程满度值；α%Ux称为读数误差，随被测电压的变化而变化；α、β称为相对项系数、固定项系数；β%Um=n字，称为满度误差。量程确定后，满度误差为固定值，可用n字来表示，n字等于满度误差与末尾数字1个单位电压（即分辨力）的比值。[例]某5位DVM在5V量程测得电压为2V，已知5V量程的固有误差计算式为ΔU=±(0.005%Ux+0.004%Um)，试求DVM的固有误差、读数误差和满度误差各是多少？满度误差相当于几个字？解：因为DVM位数为5，且量程为5V，所以电压表末尾1个单位为0.0001V。读数误差为：±0.005%Ux=±0.005%×2V=±0.0001V满度误差为：±0.004%Um=±0.004%×5V=±0.0002V满度误差相当于：固有误差：±（0.0001V+0.0002V）=±0.0003V答：（略）4.输入电阻和输入零电流数字电压表的输入电阻一般不小于10MΩ，可达1GΩ，一般情况下基本量程的输入电阻最高。为了提高数字电压表的输入阻抗而用场效应管等有源器件构成电压表的输入电路，故当电压表输入端短路时，测试线上会有电流通过，该电流称为输入零电流或输入偏置电流。测量电压时该电流是始终存在的，应尽量减小输入零电流。5.抗干扰能力数字电压表的抗干扰能力较强，通常用串模干扰抑制比和共模干扰抑制比来表示，干扰抑制比的数值越大，表明数字电压表抗干扰的能力越强。（1）串模干扰串模干扰又称为常模干扰或常态干扰，是指以串联方式与被测信号一起作用于仪表输入端的干扰信号，如图7.19(a)所示。图中ux、usm1为被测电压和其中混有的串模干扰信号，usm2为引线感应产生的干扰信号、H、L为DVM的高、低输入端。HDVMLusm1usm2ux(a)被测信号源HLuxZ2Z1R1R2RCucmRS被测信号源I1I2(b)DVM图7.19串模干扰和共模干扰示意图串模干扰抑制比一般是针对工频干扰而言，计算如下：（2）共模干扰当被测对象为浮置电压或与DVM相距较远时，由于被测信号源地线与DVM地线之间存在电位差而产生共模干扰，该干扰信号对DVM的高、低输入端都产生影响，这种干扰可能是直流，也可能是工频或高频交流。图7.19(b)为共模干扰示意图。图中，Z1、Z2为DVM两个输入端与机壳间绝缘电阻，一般Z1＞＞Z2。R1、R2为输入信号线电阻。共模干扰电压ucm将产生电流I1和I2分别串入R1、R2两个支路，形成两个串模干扰电压I1(R1+R2)和I2R2对测量产生影响。共模干扰抑制比计算如下：6.测量速度测量速度是指在单位时间内，以规定的准确度完成的最大测量次数，或完成单次测量所用的时间。数字电压表的测量速度主要取决于A/D变换器的类型，不同类型的DVM的测量速度差别很大，测速较快的是比较式DVM，测速较慢的是积分式DVM。测量速度是描述数字电压表的一项重要技术指标，而不是模拟式电压表的技术指标。另外，数字电压表DVM通常具有自动调零、自动切换量程和显示极性等自动功能。