第七章 电压的测量

1、第七章 电压测量 7.1 概 述一、电压测量的重要性 电压是一个基本物理量，是集总电路中表征电信号能量的三个基本参数（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，电路的工作状态如谐振、平衡、截止、饱和以及工作点的动态范围，通常都以电压形式表现出来。电子设备的控制信号、反馈信号及其它信息，主要表现为电压量。 在非电量的测量中，也多利用各类传感器件装置，将非电参数转换成电压参数。 电路中其他电参数，包括电流和功率，以及如信号的调幅度、波形的非线性失真系数、元件的Q值、网络的频率特性和通频带、设备的灵敏度等等，都可以视作电压的派生量，通过电压测量获得其量值。 最后也是最重要

2、的，电压测量直接、方便，将电压表并接在被测电路上，只要电压表的输入阻抗足够大，就可以在几乎不对原电路工作状态有所影响的前提下获得较满意的测量结果。作为比较，电量测量就不具备这些优点，首先需要把电流表串接在被测支路中，很不方便，其次电流 表的接入改变了原来电路的工作状态，测得值不能真实地反映出原有情况。 由此不难得出结论：电压测量是电子测量的基础，在电子电路和设备的测量调试中，电压测量是不可缺少的基本测量。二、电压测量的特点 第一章中介绍的电子测量的基本特点，同样在电压测量中得到体现，电压测量的特点就对电压测量的主要仪器电压表的性能 ，提出了相应的要求。这些主要包括下面几个方面。 频率范围 电子

3、电路中电压信号的频率范围相当广，除直流外，交流电压的频率从 Hz(甚至更低)到 Hz，频段不同，测量方法手段也各异。 测量范围 电子电路中待测电压的大小，低至 v，高到几十伏，几百伏甚至上千伏。信号电压电平低，就要求电压表分辨力高，而这些又会受到干扰、内部噪声等的限制。信号电压电平高，就要考虑电压表输入级中加接分610910910 压网络，而这又会降低电压表的输入阻抗。 信号波形 电子电路中待测电压的波形，除正弦波外，还包括失真的正弦波以及各种非正弦波（如脉冲电压等），不同波形电压的测量方法以及对测量准确度的影响是不一样的。 被测电路的输出阻抗 由待测电压两端看去的电子电路的等效电路，可以用图

4、7.1-1（b）表示，其中 为电路的输出阻抗， 为电压表的输入阻抗。在实际的电子电路中， 的大小 不一，有些电路 很低，可以小于几十欧姆，有些电路ozizozoz 很高，可能大于几百千欧，前面已经讲过，电压表的负载效应对测量结果的准确度有影响，尤其是对输出阻抗 比较高的电路。 ozoz被测电路电压表xu（a）（b）xuoziciR图 7.1-1 电压表测量电压及其等效电路 测量精度 由于被测电压的频率、波形等因素的影响，电压测量的准确度有较大差异。电压值的基准是直流标准电压，直流测量时分布参数等的影响也可以忽略，因而直流电压测量的精度较高。 目前利用数字电压表可使直流电压测量精度优于 量级。但

5、交流电压测量精度要低得多，因为交流电压须经交流/直流（AC/DC）变换电路变成直流电压，交流电压的频率和电压大小对AC/DC变换电路的特性都有影响。710 同时高频测量时分布参数的影响很难避免和准确估算，因而目前交流电压测量的精度一般在 量级。 干扰 电压测量易受外界干扰影响，当信号电压较小时，干扰往往成为影响测量精度的主要因素，相应要求高灵敏度电压表（如数字式电压表、高频毫伏表等）必须具有较高的抗干扰能力，测量时也要特别注意采取相应措施（例如正确的接线方式，必要的电磁屏蔽），以减少外界干扰的影响。210410 三、 电压测量仪器的分类 按显示方式分类 电压测量仪器只要指各类万用表。在一般工频

6、（50Hz）和要求不高的低频（低于几十kHz）测量时，可使用一般万用表电压档，其他情况大都使用电子电压表。按显示方式不同，电子电压表分为模拟式电子电压表和数字式电子电压表。 前者以模拟式电表显示测量结果，后者用数字显示器显示测量结果。模拟式电压表准确度和分辨力不及数字式电压表，但由于结构相对简单， 价格较为便宜，频率范围也宽，另外在某些场合，并不需要准确测量电压的真实大小，而只需要知道电压大小的范围或变化趋势，例如作为零示器或者谐振电路调谐时峰值、谷值的观测，此时用模拟式电压表反而更为直观。 数字式电压表的优点表现在：测量准确度高，测量速度快，输入阻抗大，过载能力强，抗干扰能力和分辨率优于模拟

7、电压表。此外，由于测量结果是数字形式输出、显示，除读数直观外，还便于和计算机及其他设备联用组成自动化测试仪器或自动测试系统。 目前由于微处理器的运用，高中档数字式电压表已普遍具有数据存贮、计算及自检、自校、自动故障诊断功能，并配有IEEE-488或RS232C接口，很容易构成自动测试系统。数字式电压表当前存在的不足是频率范围不及模拟式电压表。 除上面介绍的按显示方式进行的分类外，还有下述几种分类方法。 模拟式电压表分类 （1）按测量功能分类 分为直流电压表、交流电压表和脉冲电压表。其中脉冲电压表主要用于测量脉冲间隔很长（即占空系数很小）的脉冲信号和单脉冲信号，一般情况下脉冲电压的测量已逐渐被示

8、波器测量所取代。 （2） 按工作频段分类 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）。 （3） 按测量电压量级分类 分为电压表和毫伏表。电压表的主量程为V（伏）量级，毫伏表的主量程mV（毫伏）。主量程是指不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程。 （4） 按电压测量准确度等级分类 分为0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0和10.0等级，其满度相对误差分别为0.05%、0.1%、. 、10.0%。 （5） 按刻度特性分类 可分为线性刻度、对数刻度、

9、指数刻 度和其他非线性刻度。 此外，还可以按测量原理分类。这将在交流电压测量中介绍。 按现行国家标准，模拟电压表的主要技术指标有固有误差、电压范围、频率范围、频率特性误差、输入阻抗、峰值因数（波峰因数）、等效输入噪声、零点漂移等共19项。 数字式电压表 数字式电压表目前尚无统一的分类标准。一般测量功能分为直流数字电压表和交 流数字电压表。交流数字电压表按其AC/DC变换原理分为峰值交流数字电压表、平均值交流数字电压表和有效值交流数字电压表。 数字式电压表的技术指标较多，包括准确度、基本误差、工作误差、分辨力、读数稳定度、输入阻抗、输入零电流、带宽、串模干扰抑制比（SMR）、共模干扰抑制比（CM

10、R）、波峰因数等30项指标。 在本章后面的几节中，我们将分别介绍直流电压、交流电压、和脉冲电压的测量原理和测量仪器。因为不同的测量仪器是基于 不同的测量原理而后由电子电路实现的装置，所以我们把原理与仪器结合在一起加以叙述。7.2 模拟式直流电压测量 一、动圈式电压表 图7.2-1是动圈式电压表示意图。图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为 ，满偏电流（或满度电流）为 ，若作为直流电压表，满度电压 = 例如满偏电流为50 A,电流表内阻为20K，则满偏电压为1V。为了扩大量程，通常串接ReImUmReIm 若干倍压电阻，如图7.2-1中 、 、 。这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程 外

11、，又增加了 、 、 三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的阻值分别为 （7.2-2） 1R2R3R0U1U2U3UAeR1R2R3R0U1U2U3U图7.2-1 直流电压表电路11me221m332m(/)()/()/RUIRRUUIRUUI 为了估计电压表的负载效应影响，在电压测量时要估计电压表内阻，而上述磁电式（动圈式）电压表的内阻与电压量程有关，而且也与电流表表头灵敏度有关。量程一定是表头越灵敏（即满偏电流越小）内阻就越大。 通常把内阻 与量程U之比定义为模拟磁电式电压表的“每伏欧姆（ / V）数”,也称电压灵敏度。“ / V”数越大，表明为使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小。“ /V

12、”数一般标明在磁电式（如万用表电压档）电压表表盘上，可依据它推算出不同量程时电压表的内阻。 如上面列举的数据例中 =50 则“ /V”为“20k /V ”，那么用10V电压档时vRmIA ，电压表的内阻即为200k 。由上面叙述不难看出，给出了“ /V”,实际上也就给出了电流表的满偏电流。 动圈式直流电压表的结构简单，使用方便。误差除来源于读数误差外，主要决定于表头本身和倍压电阻的精确度，一般在 1%左右，精密电压表可达 0.1%。其主要缺点是灵敏度不高和输入电阻低，当量程较低时，输入阻抗更小，其负载效应对被测电路工作状态即测量结果的影响不可忽略。 相比之下，模拟式电子电压表可以有效地提高电压

13、表的灵敏度和输入阻抗。有时也可以根据电路原理利用公式计算来消除电压表的负载 效应，得到被测电压接近实际值的数据。 【例一】在图7.2-2中，虚框内表示高输出电阻的被测电路，电压表 的“ /V”数为20k /V，分别用5V量程和25V量程测量端电压 ，分析输入电阻的影响及用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。 VxU5VVxU100k0RvR0E 解：如果是理想情况，电压表内阻 应为无穷大，此时电压表示值 与被测电压实际值 相等： 当电压表输入电阻为 时，电压表测得值： （7.2-3） 相对误差为 （7.2-4） 将有关数据值代入上面两式，可得 vRxU0EvR05xUEV00vxvR EU

14、RR00000000vxvvREEUERRREERR 5V电压档： 25V电压档： 120k/5100vRVVk111005.02.50100 100100100%50%100 100 xUV220/25500vRkVVk2250054.17100 500100100%16.7%100 500 xUV 由此不难看出电压表输入阻抗尤其是低电压档时输入电阻对测量结果的影响。 根据式（7.2-3），我们可以推导出消除负载效应影响的计算公式，进而计算出待测电压的近似值： （7.2-5） 同理可得 （7.2-6） 1101010011vxvvvxRUERRRERRU20022vvxRERRU由此解出 （

15、7.2-7）式中 （7.2-8） 10201212vvvvxxRERERRUU2021(1)xxxkUEUkU21vvRkR 因此，如果内阻不同的两只电压表，或者同一电压表的不同电压档（此时 即等于电压量程之比），根据上述两式，即可由两次测得值得到近似的实际值 。例如将本题中有关数据代入式（7.2-7），可得待测电压近似值 除了利用上面的公式计算来消除负载效应之外，当然也可以其他除了方法，如零示法（如电桥）和微差法（比如利用微差电压表），但一般操作都比较麻烦，通常用在精密测量中。在工程21/vvkRR0E0(5 1) 4.175.014.1752.5EV 测量中提高输入阻抗和灵敏度以提高测量质

16、量最常用的办法是利用电子电压表进行测量。 二、电子电压表 电子电压表原理 电子电压表中，通常使用高输入阻抗的场效应管（FET）源极跟随器或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度，当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。分压电路的接入将使输入电阻有所降 低 ，但只要分压电阻取值较大，仍然可以使输入电阻较动圈式电压表大得多。 图7.2-3是这种电子电压表的示意图。图中 、 、 、 组成分压器，由于FET源极跟随器输入电阻很大（几百 以上），因此由 测量端看进去的输入电阻基本上由 、 等串联决定，通常使它们的串联和大于10 ，以满足高输入阻抗的要求。同时，在这种结

17、构下，电压表的输入阻抗基本上是个常量，与量程无关。 0R1R2R3RMxU0R1RM源极跟随器FET放大器A0R1R2R3RmRk1U2U3U图7.2-3 电子电压表框图 图7.2-4是MF-65集成运放型电子电压表的原理图。 图7.2-4 集成运放电压表原理 在第三章3.3节我们曾对运放进行过理想化和分析。当运放开环放大系数A足够大时，可以认为 ， （虚短路和虚断路），因而有 分压器及FET跟随器AAxUiUfUUmRFRFI0I1I0U0iI 0iFFUUII 所以 （7.2.-9） 分压器和电压跟随器的作用使 正比于待测电压 ： 因而 （7.2-10） 即流过电流表的电流 与被测电压成正

18、比，只要分压系数和 足够精确和稳定，就可以获得良好的准确度，因此，各分压电阻及反馈电阻 都要使用精密电阻。0iFUIRiUxUixUkU0 xFkIUR0IFRFR 调制式直流放大器 在上述使用直流放大器的电子电压表中，直流放大器的零点漂移限制了电压表灵敏度的提高，为此，电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使电子电压表能测量微伏量级的电压。 调制式直流放大器的原理示于图7.2-5.图中微弱的直流电压信号经调制器（又称斩波器） 变换为交流信号，再由交流放大器放大，经解调器还原为直流信号（幅度已得到放大）。振荡器为调制器和解调器提供固定频率的同步控制信号。 图7.2-5 调制

19、式直流放大器原理 调制器和解调器实质上是一对同步开关，开关控制信号由振荡器提供。调制器工作原理及各点波形示于图7.2-6。（a）图中 为机械式振子开关或场效应管电子开关，R为限流电阻，以防信号源被短路，C为隔直流电容， 为交流放大器等效输入电阻。图（d）中 为输入直流信号，设0T/2区间， 打开如（b）图， ， 0000tttt调制器交流放大器解调器振荡器AiUiUAUBUoUmKiRiUmKmiUU 在T/2T区间， 闭合如（C图）图， ，如此交替，获得如图（f）所示 波形，经电容C滤除直流成分，得到图（e）所示交流信号，由交流放大器进行放大。 mK0mU mUiUmKmUAUiRCR（a）

20、iU0Et（b）iURmKCAUiR（b）（e）mU0tTT/2（c）iURmKCAUiR（f）mU0T/2TtEE/2图7.2-6 调制器个哦那工作原理 解调器工作原理和各点波形示于图7.2-7。其中图（a）中 是与调制器中 同步动作的机械式振子开关或场效应管电子开关，C为隔直流电容，正是由于它的隔直流作用，使放大器的零点漂移被阻断，不至传输到后面的直流电压表表头。R为限流电阻， 、 构成滤波器，滤波后得到放大后的直流信号。解调器中各点波形示于图7.2-7（b）、（c）、（d）。 DKmKfRfC（a）CROUBUDUfRfCDKBU（b）BU0T/2Tt（c）DU0T/2TtOU0t（d）

21、图7.2-7 解调器工作原理 图7.2-5中的交流放大器一般采用选频放大器，只对与图中振荡器同频率的信号进行放大而抑制其他频率的噪声和干扰。 在实际直流电子电压表中，还采用了其他措施以提高性能，比如在解调器输出端和调制解调器输入端间增加负反馈网络以提高整机稳定性等。7.4 分贝值测量 测量实践中，常常用分贝值来表示放大器的增益、噪声电平、音响设备等有关参数。第一章中曾介绍过分贝的概念，实际上分贝值就是被测量对某一同类基准量比值的对数值。例如电压 的分贝值 （dB）为 （7.4-17）式中 为基准电压。一般规定在 上产生 的功率为基准，相应基准电压为 由式（7.4-17）可见，分贝值的测量，实

22、xU()20lgxzsUUdBUsU600sZ 1sPmW31 106000.755sssUPZV际上仍是电压的测量，仅是将原电压示值取对数后在表盘上以分贝定度而已。显然，当 时，分贝值为正， 时，分贝值为负， 时，分贝值为零。 图7.4-8为MF-20电子式多用表表盘上的刻度及电压值与其分贝值的对照表。在1.5V量程刻度线上的0.755处定为0dB， 时，为正分贝值， 时，为负分贝值。 该仪表分贝刻度为-30dB+5dB，相应电压值要根据所使用的量程进行换算。xsUUxsUUxsUU0.755xUV0.755xUV图7.4-8 分贝刻度的读法 【例二】 用1.5V量程测电压， ，问对应的分贝

23、值。 解： 1.38xUV1.38()20lg50.755xUdBdB 即此时该表指针指向+5dB处。 【例三】 用MF-20的30V电压量程，测得电压 ，问其分贝值为多少？ 解： 但此时MF-20表针指出的分贝值为+5dB，显然这不是 的分贝值。原因在于：MF-20多用表的电压基本量程是01.5V，表盘上的分贝值与该量程上电压值相对应。27.5xUV27.5()20lg310.755xUdBdBxU 当使用30V量程时，在该表的可变量程分压器的分压比为30/1.5=20，因此加在后面电压表表头上的电压是衰减20倍的被测电压，或者说实际被测电压应是加在表头上电压的20倍。设表头上电压为 ，则实

24、际被测电压为 ，写成分贝形式为 （7.4-18）例中表针指出的+5dB即式中 的值，因此xU20 xxUU()20lg(20)20lg(20)20lg2620lgxxxxUdBUUdBU20lgxU 的实际分贝值为26dB+5dB=31dB。同样，可以计算出不同量程下被测电压的分贝值。图7.4-8中两侧的对照表就是为了这种计算而列出的。 例如若使用150V电压档，被测电压的分贝值应是表盘上分贝值加上+40dB，若使用60mV电压档，被测电压的分贝值应是表盘上指针对应的分贝值加上（-28）dB，以此类推。 【例四】 用MF-20的300mV档测电压，表针指在-10dB处，被测电压的分贝值为多少？

25、 解：由图7.4-8左侧表格知，使用300mV档时xU被测电压的分贝值应是表盘上指针指出的分贝值减去14dB，所以被测电压 由此可见，对MF-20型表，仅当使用1.5V档时，才能直接读取分贝值，使用其他的电压档，都应进行相应的计算。()10 1424xUdBdB 本次课程结束 谢谢欣赏 7.3 交流电压表征和测量方法 一、交流电压的表征 交流电压除用具体的函数关系式表达其大小随时间的变化规律外，通常还可以用峰值、幅值、平均值、有效值等参数来表征。 峰值 周期性交变电压u（t）在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值，用 表示，正、负峰值不等时分别用 和 表示，如图7.3-1（a）所示。pUpUp

26、Uu（t）在一个周期内偏离直流分量 的最大值称为幅值或振幅，用 表示，正、负幅值不等时分别用 和 表示，如图7.3-1（b）所示，图中 ，且正、负幅值相等。0UmUmUmU00U (a)(b)图 7.3-1 交流电压的峰值与幅值 平均值 u（t）的平均值 的数学定义为 （7.3-1） 按照这个定义， 实质上就是周期性电压的直流分量 ，如图7.3-1（a）中虚线所示。 在电子测量中，平均值通常指交流电压检波（也称整流）以后的平均值，又可分为斑驳整流平均值（简称半波平均值）和全波整流平均值（简称全波平均值），U01( )TUu t dtTU0U 全波平均值定义为 （7.3-2）如不另加说明，本章所

27、指平均值均为式（7.3-2）所定义的全波平均值。 有效值 在电工理论中曾定义：某一交流电压的有效值等于直流电压的数值U，当该交流电压和数值U的直流电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产生的热量相等。用数学式可表示为 01( )TUu t dtT如图7.3-2所示，其中（a）为未检波前电压波形，（b）、（c）分别为半波整流和全波整流后的波形。（a）（b）（c）图 7.3-2 半波和全波整流 （7.3-3）式（7.3-3）实质上即数学上的均方根定义，因此电压有效值有时也写作 。 波形因素、波封因数 交流电压的有效值、平均值和峰值有一定的关系，可分别用波形因数（或称波形系数）及波峰因数（或称

28、波峰系数）表示。 波形因数 定义为该电压的有效值与平均值之比rmsU201( )TUt dtTuFK （7.3-4） 波峰因数 定义为该电压的峰值和有效值之比 （7.3-5） 不同电压波形， 、 值不同，表7.3-1列出了几种常见交流电压的有关参数。 虽然电压量值可以用波峰、有效值和平均值表征，但基于功率的概念，国际上一直以有效值作为交流电压的表征量 PKFUKUPPUKUFKPK例如电压表，除特殊情况外，几乎都按正弦波的有效值来定度。 当用以正弦波的有效值定度的交流电压表测量电压时，如果被测电压时正弦波，那么由表7.3-1，很容易从电压表读数即有效值得知它的峰值和平均值，如果被测电压是非正弦

29、波，那么须根据电压表读数和电压表所采用的检波方法，进行必要的波形换算，才能得到有关参数，参见7.4【例一】。表 7.3-1 不同波形交流电压的参数名称波形系数波峰系数有效值U平均值正弦波1.111.411.414 4半波整流1.571.57 2 2全波整流1.111.111.411.414 4FKPKU2A2A2A2A2AA3A3A2A2A13A13.75AkkTttkkTttkktATtkktATtkTtkTtktATktATktkt三角波方波锯齿波脉冲波隔直流脉冲波白噪声1.151.7311AA1.151.731.153 二、交流电压表的测量方法 交流电压测量的基本原理 测量交流电压的方法

30、很多，依据的原理也不同。其中最主要的是利用交流/直流（AC/DC）转换电路将交流电压转换成直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。根据AC/DC转换器的类型，可分成检波法和热电转换法。根据检波特性的不同，检波法又分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等。 模拟交流电压表的主要类型 （1）检波放大式 在直流放大器前面接上检波器，就构成了如图7.3-3所示的检波放大式电压表。这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。采用高频检波二极管并在电表结构工艺上仔细设计，可使这种电压表的频率范围从几十Hz到几百MHz，输入阻抗也较大。一般将这种电压表称为“高频毫伏表”（“高频电压表”）或“超高频毫伏表

31、”（“超高频电压表”）如国产DA36型超高频毫伏表，其测量频率范围为10kHz1000MHz。 电压范围1mV10V（不加分压器）。输入阻抗分别为：100kHz时，3V量程，输入阻抗100 ；50MHz时，3V量程，输入阻抗50 ，输入电容2pF。KKxu检波器可变量程分压器直流放大器A图 7.3-3 检波放大式电压表框图 （2） 放大检波式 当被测电压过低时，直接进行检波误差会显著增大。为了提高交流电压表的测量灵敏度，可先将被测电压进行放大，而后再检波和推动直流电表显示，于是构成图7.3-4所示的放大检波式电压表。xu可变量程分压器宽带交流放大器检波器A图 7.3-4 放大检波式电压表框图

32、这种电压表的频率范围主要取决于宽带交流放大器，灵敏度受到放大器内部噪声的限值。通常频率范围为20Hz10MHz,因此也称这种电压表为“视频毫伏表”，多用在低频、视频场合。例如S401视频毫伏表，其频率范围为20Hz10MHz。测量电压范围为100 1V。输入阻抗为 1 20pF（含义是输入阻抗可等效为电阻 和电容 并联， 1 ， 20pF参见图7.1-1（b）。 （3） 调制式 VMiRiCiRMiC 在前面分析直流电压表时即已说明，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以替代一般的直流放大器，这就构成了图7.3-5所示调制式电压表。检波器可变量程分压器调制器振荡器交

33、流放大器反馈电路解调器A图 7.3-5 调制式电压表框图 实际上这种方式仍属于检波放大式。DA36型超高频毫伏表就采用了这种方式，其中放大器是由固体斩波器和振荡器构成的调制式直流放大器。 （4） 外差式 检波二极管的非线性，限制了检波放大式电压表的灵敏度，因此虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般一般仅达到mV级。而对于放大检波式电压表，由于受到放大器增益与带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围却较窄， 一般在10MHz 一下。同时两种方式测量电压时，都会由于干扰和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。外差式电压测量法在相当大的程度上解决了上述矛盾。其原理框图如图7.3-6所示。xu输入电路混

34、频器本机振荡器中频放大器检波器A图 7.3-6 外差式电压表框图 输入电路中包括输入衰减器和高频放大器，衰减器用于大电压测量，高频放大器带宽很大，但不要求有很高的增益，被测电压的放大主要由后面的中频放大器完成。被测信号经输入电路，与本振信号一起进入混频器转变成频率固定的中频信号，经中频放大器放大后进入检波器转变成直流电压推动表头显示。 由于中频放大器具有良好的频率选择性和固定中频频率，从而解决了放大器增益带宽的矛盾，又因为中频放大器的极窄的带通滤波特性，因而可以在实现高增益的同时，有效地削弱干扰和噪声（它们都具有很大的带宽）的影响，使测量灵敏度提高到 级 因此称为“高频微伏表”，典型的外差式电

35、压表如DW-1型高频微伏表，最小量程15 ，最大量程15mV（加衰减器可扩展到1.5V），频率范围从100kHz到300MHz,分8个频段，基本误差为 3%。 （5） 热偶变换式 在对波形未知或波形复杂的电压测量时，VV例如对噪声电压的测量、失真度测量，都要求能测出电压的真正有效值。 这种测量要求AC/DC变换器的输出与输入电压的有效值成正比。利用二极管链式检波器可以实现这种功能，但频率范围不大，一般为几十Hz到几百kHz。另外用得较多的是热偶元件，其基本工作原理如下。 热偶元件又称热电偶，是由两种不同材料的导体所构成的具有热电现象的元件，如图7.3-7所示。 图（a）为铁和康铜组成的热电偶，

36、在A、B两个接触端面，由于两种金属表面电子逸出功不相等，交界面上形成电位差，该电位差大小与接触端面温度有关。当A、B端温度相等时，两电位差大小相等彼此抵消。若使A端（热端）温度高于（B）端（冷端），则两端电位差不相等，若像图AB铁康铜（a）A1B2BA（b）xuRFGATDEA（c） （b）那样接入电流表，则由于热电动势的存在，将有电流流过电流表，该电流正比于热电动势，而热电动势又正比于A、B端温差。若像图（c）所示，将被测电压 经限流电阻R加到加热丝FG上，FG的温度与 的有效值平方成正比，热偶元件热端A与加热丝耦合，温度相同。冷端DE分开后接入直流电流表，该电流大小与 成正比。 在实际热偶

37、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（ ），利用两个性能下相同的xuxu2xu2xIkU热电偶构成热电偶桥，称为双热偶变换器，其原理如图7.3-8所示。图中 、 两个热电偶特性一样。 产生的热电动势 ， 称为平衡热电偶， 产生的热电动势 xu可变量程分压器宽带放大器调制式直流放大器1T2TxEfEoUUA图 7.3-8 热电偶式电压表框图1T2T1T21xxEk U2T22foEk U 只要直流放大器的放大倍数足够大，那么输入端电压 ，因而 ，又因为 、 特性一样， ，因而 ，从而直流电压表读数 等于被测电压的有效值 。这种方式的电压表频率范围很宽，频率高端可达几十MHz以

38、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10 左右。 国产DA30、DA24型有效值电压表就是利用这种原理制成的。其中DA24型的频率范围为10Hz10MHz，最小量程0 xfUEE2212xokUk U1T2T12kkoxUUoUxUM为1mV，最大量程为300V，满度误差 （6） 其他方式 交流电压表还有其他一些方式，例如锁相同步检波式、取样式、测热电桥式等。锁相同步检波式利用同步检波原理，滤除噪声，消除干扰，适用于被噪声、干扰淹没情况下电压信号的检测。 取样式实质上是一种频率变换技术，利用取样信号中含有被取样信号的幅度信息（随机取样）或者含有被取样信号的幅度、相位信息（

39、相关取样）的原理1.5% 将高频被测电压信号变换成低频电压信号进行测量。取样电压表可以测量1mV1V、10kHz1000MH（1GHz）的电压。 利用相关采样技术制成的矢量电压表，不仅可以测量两路电压的幅度，还能测量其相位差。 测热电桥式是利用具有正的或负的温度系数的电阻如半导体热敏电阻、镇流电阻、薄膜测热电阻等构成精密电桥，通过对低频或直流电压的测量来代替高频电压的测量，这种方法通常用于精密电压测量。7.6 脉冲电压测量 测量脉冲电压的方法大体有两种，第一种是利用示波器，第二种是利用脉冲电压表。由于使用示波器可以方便、直观地观察和测量脉冲信号的波形和各有关参数，如脉冲峰值（幅值）、脉冲上冲、

40、顶部跌落、脉冲宽度、占空系数等，又由于已成为非常通用的电子测量仪器，所以大多数情况下人们都是使用示波器测量脉冲信号。 只有个别情况下（例如高压脉冲测量、脉冲间隔时间很长的脉冲信号测量），才使用脉冲电压表测量脉冲峰值。一般不使用前面 所述的峰值表测量脉冲电压，因为其测量误差过大。 一、 用示波器测量脉冲电压 用示波器测量信号电压的原理在第四章4.5已做过说明，通常使用较多的是直接测量法和比较测量法。 直接测量法 直接测量法也称灵敏度换算法。它是将被测电压信号接在示波器Y（垂直）通道，根据示波管荧光屏上电压波形的高度及Y轴偏转因数，直接计算书脉冲峰值 （7.6-1） 其中H是荧光屏上脉冲波形高度，

41、d是Y轴偏转因数（V/cm或V/div）。要注意的是：探极有无衰减，是否使用“倍率”，当然信号接入时还应将Y轴微调置“校正位”（参看第四章图4.5-3SR-8面板布置图）。 直接测量法是最常用的方法。由于光迹较宽，视差及衰减器、放大器误差等因数限制，测量误差约为 。 【例1】 用SR-8示波器测量脉冲电压。Y轴微调已置校正位，开关“V/div”置0.2处，探极衰减10倍，脉冲在荧光屏上高度H=1.4div（格），求被测电压峰值（实际上pUdH5% 是峰峰值）。 解：由于探极已将信号衰减10倍（为方便，写作 ），所以脉冲电压的峰-峰值 【例2】 用SBM-14示波器测量脉冲电压峰峰值。波形高度H

42、=3div，开关“V/div”置0.2处，探极衰减 ，“倍率”置5位（ ，信号放大5倍后接于Y偏转系位），求被测电压峰峰值。 解：110k 110k 25k 12()0.2/105 3/1.2ppUkHdkkHVdivVdivV 10.2/10 1.42.8ppUkHdkHVdivdivV 比较测量法 比较测量法就是用已知电压值（一般为峰峰值）的信号（一般为方波）与被测信号电压波形比较而求得被测电压值。设在保持输入衰减和Y轴增益不变的情况下，被测信号和标准信号在荧光屏上的高度分别为 、 ，标准信号的峰峰值为 ，则被测电压峰峰值为 （7.6-2) 以SR-8双踪示波器为例，机器内的标准信号发生器

43、可产生1kHz峰峰值为1V的矩形波。首先将被测电压信号经探极（设衰减为1）接1H2HsppU12xppsppHUUH 至 通道，记下其高度 ，然后用同轴电缆将标准信号（校准信号）与 输入端相连，记下矩形波标准信号的高度 ，即可得到被测信号的峰峰值。还可以首先用校准信号将 、 两通道偏转灵敏度调至相等，然后将被测电压和校准信号分别经 、 通道输入，比较其各自高度，计算出被测电压值。 由于比较测量法的测量准确度主要取决于标准信号的电压准确度，而与Y通道增益无关，因此测量误差比直接测量法小。AY1HAY2HAYBYAYBY 二、 用脉冲电压表测量脉冲电压 脉冲保持型电压表 在7.5，曾分析过峰值电压

44、表测量脉冲电压的误差（见7.5式（7.5-8），其主要原因是在脉冲期间，由于充电时常数不够小而使电容上电压充不到脉冲峰值，而在脉冲休止期间又由于放电时常数不够大而使原充电电压降落过多，从而电容上电压的平均值 小于脉冲峰值 。 如果能尽量减小充电时常数而增大放电时常数，使在脉冲存在期间能充电至脉冲幅值，脉冲休止期间电压保持基本不变，那么CUpU 就可以有效地减小测量误差，图7.6-1就是基于这种原理而构成的脉冲保持电路。 补偿式脉冲电压表xUxUpU1cu2cu（a）（b）图 7.6-1 脉冲保持电路及波形 图7.6-2是一种补偿式脉冲电压表。原理如图（a）所示：待测电压 经二极管D改电容C充电

45、至峰值 ，并输入到直流差分放大器A端，B端加入可调的直流补偿电压 ，当调整可调电压使差分放大器输出为0时， ，用电压表测出 即得到了 。图（b）是自动补偿式脉冲电压表的原理。被测电压 经二极管 对电容 充电， 上电压 峰值为 ，并在脉冲休止期间按指数规律下降。 经放大器放大后经 对 充电（ ）， 经反馈电阻 加至电容 上作补偿电压。适当选择时常数 ，使脉冲休止期 上放电很xupU0U0pUU0UpUxu1D1C1C1cupU1cu2D2C2cufR1C22RC2C21CC? 少。随着输入脉冲增多， 逐渐增大，当 时， 不再增加，由后面的直流电压表测出 。 高压脉冲电压表2cu2cpUU2cU2

46、cpUUxuDpUR0UCAB差分放大器可调电压源VV（a）xu1D2D1C2C2RfR1cu2cu放大器直流电压表（b）图 7.6-2 补偿式脉冲电压表 在雷达发射机等设备的测试中，会碰到高万伏的高压脉冲，除利用电容分压法使用示波器测试外，还可以使用高压脉冲电压表进行测量，图7.6-3是用充放电法测高压脉冲的原理。 0.1uFuA数字电压表几十 几百MM图 7.6-3 用充放电法测高压脉冲 图中D为高压硅堆，经限流电阻 和电容 构成峰值检波器。 与微安表可用来直接指示被测脉冲峰值。 为标准电阻，限值小于 ，其上电压为毫伏级， 是旁路电容，该电压可送直流电压表（数字电压表）显示。开关K在测量时

47、闭合，测量后断开，以保护电压表。 当正向脉冲输入时，D导通， 充电。脉冲休止期D截止 ， 放电，由电表读取脉冲电压峰值。 本章前几节，着重介绍了模拟电压测量技术和模拟电压表。自1982年商品化电压1R1C2R3R2R2C1C1C 表问世以来，模拟电压表的类型不断增多，性能不断完善。虽然数字电压表有着许多优点，尤其是带微处理器和通用总线接口（GPIB）数字电压表的出现使电压测量进入自动化、智能化阶段，但由于数字电压表还存在一些不足，尤其是测量上限频率不够高，因此模拟电压表及模拟电压测量技术仍得到广泛应用。 80年代以来，国内先后解决了1GHz超高频毫伏表线性化刻度和1GHz以下真有效值测量等技术

48、难题，使我国在电压的模拟测量技术领域，达到了和国际先进水平大体相当的水平。表7.6-1列举了不同频段国外和国内有代表性电压表的主要技术性能，供读者参考。 表 7.6-1 国内外模拟电压表性能对照表（1）低频电压表指标指标日本利达LMV181中国苏州电讯仪器厂 SX2172电压量程1mV300V1mV300V频率范围5Hz2MHz5Hz2MHz固有误差满刻度的满刻度的频率响应误差输入阻抗电阻 并联电容45pF电阻 并联电容45pF2%2%2% 10%2% 10%8 10M8 10M （2）视频电压表指标荷兰飞利浦PM2254中国上海无线电仪器厂AS401电压测量1mV300V1mV100V频率范

49、围2Hz12MHz20Hz10MHz固有误差满刻度的满刻度的频率响应误差输入阻抗电阻 ，并联电容30pF电阻 ，并联电容 ，并联电容2050pF1010HzMHz1010HzMHz1% 5%1% 5%0.75% 5%1% 5%峰值因数 *10:110:11M7M* 有效值电压表测量脉冲或非正弦电压的峰值与有效值之比4）射频毫伏表指标指标日本立安公司ML69A中国中原无线电厂HW2281电压量程1mV3V线性刻度1mV10V线性刻度频率范围固有误差满刻度的满刻度的频率响应误差驻波系数1.31 （通常k在 之间），因此上式简化为 （7.7-3） 即由于反馈电阻 的负反馈作用，放大器的输出和输入间成线性关系，而与运放的开环增益无关。 基于上述原理，分析图（b）电路的特性：在 负半周，A点电压 为正值， 导 通，设 检波增益为 ，则 ，由于k值很大，因而 值也很大，引入 5810 10221(1)oxkRuuRk R 21oxRuuR 2RxuAu1D1Ddk/oiduuk k dkk 图（a）分析结论，此负半周 输出满足式（7.7-3