第7章-电压测量-3

第7章．电压测量7.1电压测量概述7.2模拟式直流电压7.3交流电压的表征和测量方法7.4低频交流电压测量7.5高频交流电压测量7.6脉冲电压测量7.7电压的数字式测量7．3交流电压的表征和测量方法7．3．1表征交流电压的基本参量函数关系式:表达大小随时间的变化规律。峰值、幅值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。1、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）。7．3．1表征交流电压的基本参量2、平均值（均值）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(ωt)，若ω=2π/T7．3．1表征交流电压的基本参量3、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7．3．1表征交流电压的基本参量3、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(ωt)，若ω=2π/T波峰因数和波形因数波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用Kp表示，7．3．1表征交流电压的基本参量4、波峰因数和波形因数对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/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(ωt)，若ω=2π/T7．3．1表征交流电压的基本参量4、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。4、波峰因数和波形因数4、波峰因数和波形因数7．3．2交流电压的测量方法1、模拟电压表组成检波器是实现交流电压测量（AC-DC变换）的核心部件，同时，为了测量小信号电压，放大器也是电压表中不可缺少的部件，因此，组成方案有两种类型： 一种是先检波后放大，称为检波-放大式； 一种是先放大后检波，称为放大-检波式。平均值检波法、峰值检波法、有效值检波法热电变换法模拟电压表的两个重要指标：带宽和灵敏度(分辨力)。2、模拟交流电压表的主要类型1）检波-放大式电压表组成框图1）检波-放大式电压表a.组成框图;b.提高灵敏度措施检波器决定电压表的频率范围、输入阻抗和分辨力。 峰值电压表常用这种类型。1）检波-放大式电压表检波器为提高频率范围，采用超高频二极管检波，其频率范围可从直流到几百兆赫，并具有较高的输入阻抗。检波二极管的正向压降限制了其测量小信号电压的能力（即灵敏度限制），同时，检波二极管的反向击穿电压对电压测量的上限有所限制。为减小高频信号在传输过程中的损失，通常将峰值检波器直接在探头中。放大器采用桥式直流放大器，它具有较高的增益。直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。1）检波-放大式电压表放大器为提高灵敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斩波稳零式直流放大器，其灵敏度可达几十微伏。 ——称之为“调制式电压表”，如国产HFJ-8型高频毫伏表，最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。主要指标：检波-放大式电压表常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表”。如国产DA36型超高频毫伏表，频率范围为10kHz～1000MHz，电压范围（不加分压器）1mV～10V。国产HFJ-8型高频毫伏表（调制式），最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。7．3．3模拟式交流电压表2）放大-检波式电压表组成框图先放大再检波，因此灵敏度很高。 均值电压表常用这种方式。放大器宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为10MHz。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表”。灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制。为了减小直流放大器的零点漂移对测量结果的影响，可采用调制式放大器替代一般的直流放大器。这种方式仍属于检波-放大式。3)调制式图　调制式电压表框图4）外差式选频电平表原理外差式接收原理。特点大大提高灵敏度（可达-120dB，相当于0.775μV）。 ——常称为“高频微伏表”。如DW-1型，频率范围为100kHz～300MHz，最小量程15μV。应用小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。放大器谐波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。4）外差式选频电平表组成框图组成：外差式接收机＋宽频电平表。输入电路：衰减或小增益高频放大。两级变频：输入fx与第一本振f1（可调）混频，经带通滤波器选出fZ1（固定）；4）外差式选频电平表组成：fZ1再与第二本振输出f2（固定）混频，得到固定的第二中频fZ2（经窄带滤波器选出）。中频放大器：在窄带中频上有很高的增益（从而实现高灵敏度）。表头：dB刻度。外差式选频电平表通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现高灵敏度。 ——很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。5）热偶变换式利用热电偶有效值检波热电效应：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。利用热电偶有效值检波热电效应原理图当热端T和冷端T0存在温差时（即T≠T0），则存在热电动势，且热电动势的大小与温差ΔT=T-T0成正比。5）热偶变换式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。如下图。5）热偶变换式热电偶有效值检波原理图图中，直流电流I与被测电压u(t)的有效值V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V的平方，故，5）热偶变换式表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别称为测量热电偶和平衡热电偶，如下图。5）热偶变换式上图中，通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。测量热偶的热电动势Ex∝V2，令Ex=k1V2； 平衡热偶的热电动势Ef∝Vo2，及Ef=k2Vo2； 假如两对热偶具有相同特性，即k1=k2=k，==〉 则差分放大器输入电压Vi=Ex-Ef=k(V2-Vo2)， 若放大器增益足够大，则有Vi=0，==〉 Vo=V（即输出电压等于u(t)有效值）5）热偶变换式