电子测量与仪器PPT教学课件-第4章 电压测量.ppt

1,第四章 电压测量,4.1 概 述 4.2 电压标准 4.3 交流电压的测量 4.4 直流电压的数字化测量 4.5 数字多用表 4.6 电压测量的干扰及抑制技术,2,4.1 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，将非电参数转换电压测量。,3,1. 频率范围广 2. 测量范围宽 超高压(几万伏以上)、高压(千伏以上)、大电压(几十伏以上)、中电压(0.1v至几十伏)、小电压(1mv0.1v)及超小(微弱)电压(1mv以下)。 3波形多样化 4被测电路的输出阻抗匹配 5测量精度 6测量速度 7 抗干扰性能,二、电压测量的特点,4,三、电压测量的分类 1交流电压的模拟测量方法 2数字化直流电压测量方法 3交流电压的数字化测量 4基干采样的交流电压测量方法 5示波测量方法,5,42 电压标准,一、直流电压标准,1标准电池 标准电池是利用化学反应产生稳定可靠的电动势(1.01860v) 。 标准电池有饱和型和不饱和型(指标准电池的两个电极所置于的电解液为饱和型或不饱和型)，其特性有所不同，饱和型标准电池的电动势非常稳定(年稳定性可小于0.5mv，相当于510-7)，但温度系数较大(约40mv/)，可用于计量部门恒温条件下的电压标准器；而不饱和型标准电池温度系数很小(约4mv/)，在较宽的温度范围内不需进行温度修正，但稳定性较差，可用于一般工作量具，如实验室中常用的便携式电位差计就是用不饱和型标准电池制作的。,6,2齐纳二极管电压标准,用齐纳二极管的电压标准器一般具有10v、1v和10186v等多种标准电压输出，其中10v输出的年稳定度达1l0-6级，可取代0.0005级(5l0-6)以下的标准电池，并且运输、保存和使用方便。1v和1.018v输出的年稳定性可达到2l0-6，温度系数为0.05l0-6。,7,3约瑟夫森量子电压基准,在两块相互隔开(约10 的绝缘层)的超导体之间，由于量子隧道效应，超导电流(约ma量级)可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦合，这种超导体-绝缘体-超导体(sis)结构称为约瑟夫森隧道结。当在约瑟夫森结两边加上电压u时，将得到穿透绝缘层的超导电流，这是一种交变电流，这种现象称为交流约瑟夫森效应，交变电流的频率为,8,若将约瑟夫森结置于微波场中(即用微波辐射到处于超导状态下的约瑟夫森结上)时，将在约瑟夫森结上得到量子化阶梯电压un，各电压阶梯的高度相等并与所加微波频率f成正比，第n个阶梯的电压为,约瑟夫森效应的重要意义就在于，它揭示了电压与频率的自然关系，电压与频率在约瑟夫森结上存在一个不受时间、空间环境变化的系数 ，而且由于时间(频率)基准具有最高准确度(10-14量级)，所以基于约瑟夫森效应就可实现接近时间(频率)基准准确度的电压自然基准(实际可达10-10)，比实物基准提高23个数量级。也可以说，约瑟夫森量子电压基准是通过时间(频率)单位得到的。,kj-90=4835979ghz/v,9,二、高频电压标准,1测热电阻桥式高频电压标准,隔直电容c应保证满足,2rt=r,10,2高频电压标准的传递,根据国家高频电压计量检定系统，高频电压标准分为级： i级为国家标准，级为省级标准，级为厂级标准，各级标准之间的准确度至少为1：3，当用级标准检定工作仪表(一般高频电压表准确度为百分之几)时，所采用的级标准的准确度也应为被检定仪表的3倍，若精度在5倍以上，则标准源的误差可以忽略。,11,4.3 交流电压的测量,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。 波峰因数和波形因数是表征交流电压的另两个基本参量。,12,1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up表示，正、负峰值不等时分别用up+和up-表示。 u(t)在一个周期内偏离直流分量u0的最大值称为幅值或振幅，用um表示，正、负幅值不等时分别用um+和um-表示。,图4.2 交流电压的峰值,13,物理意义为：,为交流电压波形u(t)在一个周期内与时间轴所围成的面积,当u(t)0部分与u(t)0部分所围面积相等时，平均值,(亦即直流分量为零),2平均值 u(t)的平均值 的数学定义为,按照这个定义， 实质上就是周期性电压的直流分量u0。,14,3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 数值为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。则数学式可表示为,上式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urms。,对于理想的正弦波交流电压,若w=2p / t，则其全波整流平均值为,15,4波形因数、波峰因数 交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分别用波形因数(或称波形系数)及波峰因数(或称波峰系数)表示。,波峰因数定义为峰值与有效值的比值，用kp表示,对于理想的正弦波交流电压,若w=2p / t，则其全波整流平均值为,16,波形因数定义为有效值与平均值的比值，用kf表示,对于理想的正弦波交流电压,若w=2p / t，则其全波整流平均值为,17,表4.1 常见波形的平均值和有效值、以及波峰因数和波形因数,18,续表4.1 常见波形的平均值和有效值、以及波峰因数和波形因数,19,二、交流直流转换器的响应特性及误差分析,1交流直流(acdc)电压转换原理,(1)峰值检波原理,图4.3 峰值检波原理图 a）串联式 b）并联式 c）波形图,20,(2)平均值检波原理,a) b) 图4.4 平均值检波原理图 a)全波整流电路图 b)半波整流电路图,21,(3)有效值检波原理,1)利用二极管平方律伏安特性检波。,2)利用模拟运算的集成电路检波。,4.5 计算式有效值变换实现框图,3)利用热电偶有效值检波。,热电效应指出：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。,22,热电偶有效值检波原理,23,2峰值电压表原理、刻度特性和误差分析,第一步，把读数a 想象为有效值等于a的纯正弦波输入时的读数，即u=a；,第二步，由u计算该纯正弦波的峰值，即,第三步，假设峰值等于up的被测波形(任意波)输入，即,对于峰值电压表，(任意波形的)峰值相等，则读数相等,第四步，由up任意再根据该波形的波峰因数(用kp任意表示，对常见波形，可由表4.1查得)计算其有效值,24,由读数a到峰值和有效值需进行换算的关系归纳如下：,若将读数a直接作为有效值，产生的误差为,上式称为峰值电压表的波形误差，它反映了读数值与实际有效值之间的差异。,25,3均值电压表原理、刻度特性和误差分析,由读数a 换算出均值和有效值的换算步骤如下：,第一步，将读数a 想象为有效值等于a的纯正弦波输入时的读数，即u=a；,第二步，由u计算该纯正弦波的均值，得,依据原则：对于均值电压表，(任意波形的)均值相等，则读数相等,26,27,若将读数a直接作为有效值，产生的误差为,上式称为均值电压表的波形误差。,由读数a到均值和有效值需进行换算的关系归纳如下：,28,三、模拟式交流电压表,1检波-放大式电压表,图4.8 检波-放大式电压表组成 a）组成框图 b）提高灵敏的措施,29,2放大-检波式电压表,图4.9 放大-检波式电压表组成,30,当用分贝表示功率时，定义为,当用分贝表示电压时，由功率与电压的关系,当r1=r2，有,3分贝测量及宽频电平表,(1)分贝,31,若在式 用基准量p0代替p2，并取p0=1mw，p1即为被测功率，用px表示，其分贝值用dbm表示(下标m指示以mw为单位表示被测功率绝对值)。显然，当px= p0=1mw时为0dbm，若px1mw，分贝值为正，若px1mw，分贝值为负。px功率电平定义为 pxdbm=10lg pxmw,32,对于电压电平，则以600电阻上吸收p0=lmw的基准功率时电压的有效值为参考基准量u0，显然，由于,因此，取基准量u0=0.775v，其分贝值用db或dbv表示(下标v指示以v为单位表示被测电压绝对值)；对于任意被测电压ux，其电压电平定义为,pxmw、px dbm之间和uxv、pvdbv,33,(2)宽频电平表,图4.10 宽频电平表组成框图,34,4外差式选频电平表,图4.11 选频电平表的组成框图,35,5电压表的使用,峰值电压表为检波-放大式电压表，其特点是峰值响应、频率范围较宽(达1000mhz)但灵敏度低(mv圾)。由峰值电压表得到的读数还需根据波峰因数进行换算。使用中还需注意波峰因数的限制，测量波峰因数大的非正弦波时，由于削波可能产生误差。,均值电压表为放大-检波式电压表，其特点是均值响应、灵敏度有所提高，但频率范围较小(10mhz)，主要用于低频和视频场合。由均值电压表得到的读数也需根据波形因数进行换算。,有效值电压表是测量电压有效值的理想电压表，但需注意，由于削波和带宽限制，将可能损失一部分被测信号的有效值，带来负的测量误差。另外，一般有效值表较为复杂，价格较贵，因而，常选用均值电压表通过波形因数的换算得到有效值。这一方法也在噪声测量中得到应用。,36,宽频电平表可测量以分贝表示的功率电平和电压电平，被测信号的电压电平由步进衰减器读数与表头读数相加得到。当输入阻抗等于表头标定时采用的零刻度基准阻抗600时，功率电平与电压电平具有相同的表头刻度，否则，需用,进行修正。,选频电平表内部放大器对窄带中频放大，其增益可以做得很高，使测量灵敏度得到大幅提高，能够适合测量微小信号。,37,4.4 直流电压的数字式测量,一、数字电压表的组成原理及主要性能指标,1数字电压表的组成,4.12 数字电压表组成框图,38,2主要性能指标,(1)显示位数 dvm的显示位分为完整显示位和非完整显示位。,(2)量程 dvm的量程按输入被测电压范围划分。,(3)分辨力 分辨力指dvm能够分辨最小电压变化量的能力。,在dvm中，每个字对应的电压量也可用“刻度系数”表示。,有时也用百分数表示的分辨率，它与量程无关、比较直观。,(4)测量速度 dvm的测量速度用每秒钟完成的测量次数来表示。,(5)测量精度 dvm的测量精度通常用固有误差表示，即,示值(读数)相对误差为,a相对项系数 b固定项系数。,39,u由两部分构成，其中a%ux称为读数误差，b%um称为满度误差。,有时将b%um等效为“n字”的电压值表示，即,(6)输入阻抗 输入阻抗取决于输入电路，并与量程有关。,40,二、ad转换原理,ad转换器(简称adc)按实现原理和方法划分，大体可分为积分式和非积分式两大类： 1)积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽(pwm)式、电压-频率(v-f)式等。 2)非积分式：斜坡电压(锯齿波、阶梯波)式、比较(逐次逼近、并行比较)式等。,41,45 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表,一、电流、电压、阻抗变换技术,1acdc变换,2iv变换,图4.17 电流-电压（i/v）变换,42,3zv变换,图4.18 电阻-电压（r/v）变换的原理图 a）实现r/v变换的简单原理图 b）通过运放实现比例测量的r/v变换,43,二、数字多用表,1组成框图,图4.19 dmm的组成框图,44,2数字多用表的特点,1)功能扩展。dmm可进行直流电压、交流电压、电流、阻抗等测量。,2)测量分辨力和精度有低、中、高三个级别，位数3位半8位半。,3)一般内置有微处理器，可实现开机自检、自动校准、自动量程选择，以及测量数据的处理(求平均、方均根值)等自动测量功能。,4)一般具有外部通信接口，如rs-232、gpib等，易于组成自动测试系统。,45,3数字多用表的使用,46,rx+ rl1+ rl2,rxrl1,rxrl2,rl3rin,rl4rin,47,三、数字电压表的误差分析及自动化技术,1 dvm的误差分析,1）dvm的整体误差,dvm的整体误差可分为固有误差和附加误差。固有误差表示在一定测量条件下dvm本身所固有的误差，它反映了dvm的性能指标；附加误差指测量环境的变化(如温度漂移)和测量条件(如被测电压的等效信号源内阻)所引起的测量误差。,(1)固有误差,48,转换误差表示了从输入衰减放大器(设传递系数分别为k1和k2)、模拟开关(传递系数k3)到ad转换器(传递系数k4)的转换特性，将dvm的输入ux到最终转换结果n视为一个由k1k4的多级级连系统，则,k=k1k2k3k4,转换系数,49,设输入衰减放大器、模拟开关、ad转换器等各部件的输出电压分别为uol、uo2、uo3和uo4，输出电压的误差量分别为uol、uo2、uo3、uo4，则折合到总输入端(相对于被测量)的误差量为,50,51,图4.21 dvn的转换特性曲线,52,(2)附加误差,图4.22 dvm的等效输入电路,(aux+bum),53,2）dvm中各部件