第5章 电子电压表【ppt】 .ppt

1,第5章电子电压表,本章要点电子电压表的基本要求、分类及基本参数模拟式交流电压表基本组成、原理框图及应用数字电压表的主要技术性能、a/d转换原理积极应用,2,5.1电子电压表的简介,电压测量是电子测量的一个重要内容。在集总参数电路里，表征电信号能量的三个基本参量是：电压、电流和功率；测量的主要参量是电压。电子设备的许多工作特性均可视为电压的派生量，电压测量是其他许多电参量，也包括非电测量的基础。电子电压表是测量正弦波电压有效值的一种表，具有输入阻抗大、输入电容小、频带宽、灵敏度高等优点，是一种常用的电压测量仪器。,3,5.1.1对电子电压表的基本要求,1应具有足够宽的频率范围信号电压的频率在几hz几百mhz，甚至更高。2有足够宽的电压测量范围测量的电压的零点几v10kv以上。3应具有足够高的测量精确度。测量精确度一般有下列三种：,4,（1）%vm，即精确到满度值的百分数，一般具有线性刻度的模拟电压表中都采用这种方式，也是最常用的方式。（2）%vx即精确到读数值的百分数，这种方式在对数刻度的电压表中用得最多。（3）%vm+%vx是目前用在具有线性刻度电压表的一种较严格的精确度表征，数字电压表都用这种方式。,5,4用足够高的输入阻抗直流数字电压表的输入电阻在小于10v量程可高达10g，高量程档一般可达10m。交流电压的测量时输入阻抗的典型值为1m/15pf。5应具有高的抗干扰能力,6,5.1.2电子电压表的分类和性能指标,1电子电压表的分类根据测量原理和显示方式的不同，电子电压表可分为模拟式交流电压表和数字式电子电压表两大类。模拟式交流电压表根据电路组成的方式不同可分y以下三种：。放大检波式交流电压表。,图5-1放大检波式交流电压表的组成框图,7,优点：信号首先被放大，在检波时，避免了小信号检波时非线性的影响。缺点：工作的频率范围要受放大器通频带限制。这种电压表常用作低频毫伏表，工作的上限频率为mhz级，通常在工作频率为10mhz以下的电压表中采用。,检波-放大式交流电压表,图5-2检波放大式交流电压表的组成框图,8,优点：被测信号先检波再进行直流放大。其测量频率范围可不受电压表内部放大电路频率响应的限制，工作频率上限可达ghz级，常用作超高频电压表。缺点：其灵敏度由于谐波失真等原因受到限制，最小量程为mv级。外差式交流电压表的组成框图如图5-3所示。,图5-3外差式交流电压表的组成框图,9,外差式电压表首先将输入的被测信号变换为固定的中频信号，再进行选频放大、检波。由于中频放大器的通带可以做得很窄，从而有可能在高增益的条件下，大大削弱内部噪声的影响。外差式电压表既有较高的上限工作频率，又有很高的灵敏度。常用作高频微伏表，其上限频率可达几百mhz，最小量程达v级。,10,（1）工作频率范围被测信号超过了1khz就一定要用电子电压表。不同类型的电子电压表，工作频率范围也不一样。性能愈好的电子电压表，它的工作频率范围应愈宽。（2）灵敏度和电压量程电子电压表因为有放大环节，不但可以测到mv级，而且还可以测到v级。利用量程转换开关，其量程范围可以做得比较宽。,2电子电压表的性能指标,11,（3）输入阻抗测量电压，电压表输入阻抗越大，分流越小，对电路的原有工作状态影响就越小。输入电容也影响电压表本身的工作频率范围，输入电容大，工作频率就要下降，高频测量误差就加大。一般电子电压表的输入电阻都大于1m，输入电容都小于40f。（4）刻度的线性刻度的线性就是针对指刻度是否均匀而言的。电压表的刻度应该力求指针的偏转角度与被测电压成正比，这样就可以做到刻度完全等分。,12,5.2模拟式交流电压表,5.2.1毫伏表的基本组成和原理框图,1晶体管毫伏表的基本组成常用的晶体管毫伏表主要有音频毫伏表和高频毫伏表。音频毫伏表的组成有高阻分压器、射极跟随器、低阻分压器、放大器、检波器、指示器和稳压电源。高频毫伏表的组成有检波器、分压器、宽频带稳定放大器、指示器和稳压电源。,13,2毫伏表的原理框图（1）音频毫伏表原理框图,图5-4da-16fs双路音频毫伏表原理框图,14,（2）音频毫伏表的基本原理图5-4是da-16fs双路音频毫伏表原理框图，它可以由a或b两路输入被测电压。a路输入电压经过上端的高阻分压器、射极跟随器、低阻分压器，再经过a、b转换开关送入放大器放大后，在送入检波器检波，最后送入指示器显示读数。b路输入电压经过下端的高阻分压器、射极跟随器、低阻分压器，再经过a、b转换开关送入放大器放大后，在送入检波器检波，最后送入指示器显示读数。,15,分压器高阻分压器接在射随器的输入端，保证了有高的输入电阻。低阻分压器接在射随器的输出端，以适应射随器的输出阻抗低的特点。这种分压器有效地克服了双路测量时的相互影响。射极跟随器毫伏表是以输入阻抗高为佳。实际电路中射极跟随器是采用两只低噪声三极管串接而构成，使输入电阻更高。由于高阻分压器频率响应不易做好，所以实际电路将0.3v以下信号变换成低阻抗电压进行分压，对大于0.3v的信号，为避免输出失真及烧坏晶体管，就在前级衰减之后，才进入跟随器。,16,放大器放大器有电压放大器和功率放大器。放大器应尽量具有高灵敏度、高增益、高稳定性。实际电路由5只三极管组成，电压增益约60db，第一级采用射极跟随器，以减小对前级低阻分压器的影响，放大器具有反馈式线性补偿和频响补偿，有效地克服了检波二极管的非线性及温度系数，并改善了毫伏表的频率响应特性。,17,检波器检波器有平均值检波器、有效值检波器、峰值检波器等。实际检波器中所采用的是桥式全波整流这种类型。电源针对电源而言，可采用电源变压器降压，全波桥式整流，串联式稳压电源这三种。显示针对显示而言，一般采用指针式电表显示。,18,5.2.2毫伏表简介,（1）按照毫伏表所采用的电路元件各不相同这个标准来划分：电子管毫伏表、晶体管毫伏表、集成电路元件毫伏表。（2）按照毫伏表的测量电压频率高低各不相同这个标准来划分：直流毫伏表、音频毫伏表（20hz1mhz）、视频毫伏表（30hz10mhz）、高频毫伏表（20hz400mhz）、超高频毫伏表（50khz1000mhz）。,19,2毫伏表的主要工作特性以da-16fs双路晶体管毫伏表为例，说明毫伏表的主要工作特性。（1）测量电压范围：100v300v。（2）量程为1、3、10、30、100、300mv；1、3、10、30、300v共十一档。（3）测量电平范围：-72db+30db(600)（4）被测电压频率范围：20hz1mhz（5）固有误差：3%（基准频率1khz）,20,（6）频率响应误差：20hz100khz3%；100khz1mhz5%；以上误差均为满度值之百分比。（7）输入阻抗：在1khz时输入电阻大于1m；输入电容在1mv0.3v各档约70pf，1v300v各档约50pf。（8）使用电源：220v50hz4%消耗电力3w。,21,5.2.3毫伏表的应用,1调节与使用（以da-16fs双路晶体管毫伏表为例）（1）使用毫伏表时，其表面应垂直放置。（2）接通电源，指示灯亮，待电表指针摆动数次后，将测量选择置于a（或b），输入线短接a（或b），校正调零旋钮，使指针在零位置，即可进行测量。（3）测量前，将测量范围放置适当的档级，以免过载太大而烧坏晶体管。（4）所测交流电压中的直流分量不得大于300v。,22,（5）由于本仪器灵敏度较高，使用时必须正确选择接地点，以免造成错误测试。（6）用本表测量市电，相线接输入端，中线接地，不应反接，测量36v以上的电压，注意机壳带电。,23,2用毫伏表对直流稳压电源进行调试和测试（1）通电前，先测量电路阻值。开关接通时，电源插头两端约55（即电源变压器初级绕组的电阻值）。插头对地电阻应大于数十m。如果电阻值小，应检查电源变压器初级。测量直流输出端对地正向电阻值应大于12，反向应大于30。（2）将电源板与仪器连接，如图5-5所示。,24,图5-5电视机电源调试连接图,25,接通电源，将交流电源调节在200v，负载电阻rl约为10。将电流表串接在2a保险丝夹上，负载电流il应为1.2a。调节稳压电路中的调压可变电阻，使输出电压在12v0.2v的位置上。改变负载电阻rl的大小，输出电压变化应小于0.2v。（3）将交流电源电压调节在198v，用毫伏表测量交流纹波电压应小于30mv。,26,5.2.4均值型电压表,1平均值（1）数学平均值如果周期性的交流电压含有直流分量和交流分量，交流分量的周期为t，那么其平均值为：当直流分量为u0时，；当不含直流分量时，。这样无法表征纯交流电压的大小。所以针对电压测量，对平均值进行了修改，即交流电压的平均值是检波后的平均值。,27,（2）半波平均值交流电压经半波整流后剩下正半周或者负半周，正半周在一个周期内的平均值称为正半波平均值，相反为负半波平均值。对于纯交流电压，正半波平均值与负半波电压平均值的绝对值相等。（3）全波平均值交流电压经全波检波后的平均值称为全波平均值，即。,28,2平均值检波器平均值检波器是指检波器的输出（流过指示电流表的电流）正比于检波器输入电压的平均值。图5-6a为半波平均值检波器电路，图5-6b为全波平均值检波器电路。,图5-6平均值检波器,29,分析图5-6b的工作情况：假定被测电压为u(t)，二极管正向电阻为rz，反向电阻为rf，表头内阻为rg,在u(t)的正半周时，v1、v4导通，v2、v3截止；负半周时，v1、v4，截止v2、v3导通。在一个周期内，正向导通电流的平均值，反向截止电流的平均值及流过表头的实际平均电流。,30,结论：表头流过的电流值与检波器的输入电压的平均值成正比故称这种检波器为平均值检波器。图5-6中表头跨接滤波电容的作用是滤除检波器输出电流中的交流成分，使指针稳定不晃动。,31,3定度系数和波形换算（1）定度系数几乎所有的交流电压表都是按照正弦波有效值定度的。按正弦波有效值定度是指在检波器的输入端加上不同幅度的标准正弦波，不管表头指针偏转响应于正弦波的什么特征值，而在表头的刻度盘上一律按正弦波有效值标度。显然如果检波器不是有效值响应，则在其标称值（即读数u）与实际响应值之间存在有一个系数，这个系数称为定度系数，记作k对于均值响应检波器有，,32,如果用均值响应检波器构成的电压表测量纯正弦波电压，那么其读数u就是被测正弦波的有效值；如果去测量任意波形的电压，那么其读数并无直接的物理意义，只知道0.9u是等于被测电压的平均值。若被测电压的波形是已知的，可根据平均值求出其它值。,对于均值响应检波器有：,33,（2）波形换算波形因数表征同一个信号的有效值与平均值的关系，把一个信号电压的有效值与平均值之比称为波形因数。用kf表示。,对于测量正弦波的均值响应检波器kf=k，信号电压波形不同，波形因数也不同。常用的波形因数有：正弦波kf=1.11，方波kf=1，三角波kf=1.15。,34,波峰因数为了表征同一个信号的峰值与有效值的关系，把交流电压的峰值与有效值之比称为峰值因数。用kp表示。,峰值记为up；正峰值up+；负峰值up-振幅值um。常用的波峰因数有：正弦波kp=，方波kp=1，三角波kp=。,35,波形换算的方法当用均值电压表测量纯正弦波电压，其示值u就是被测电压正弦波的有效值，不用换算。如果测量非正弦波电压时，示值要经过换算，那么才能得到被测电压的有效值。方法是先用“平均值相等示值也相等”的原则将示值u折算成被测电压的平均值：再用被测电压的波形因数，计算出被测电压的有效值：,36,37,4全波均值表的误差（1）可能引起的误差指示电流表自身误差，检波二极管性能参数变化，被测电压超过频率范围及所测波形不同都会带来误差。（2）测量不同波形的误差当示值作为被测电压的有效值时所引起的绝对误差为：,38,由此得出这个结论，用均值型电压表测量非正弦波时，把示值当作被测量电压的有效值将会带来较大的误差。只有通过换算才能得到非正弦波的有效值。,39,5.2.5有效值电压表,1有效值数学定义交流电压的有效值为均方根值：,2有效值检波器根据有效值的定义来看，在有效值响应表中，要将被测电压先平方，再平均和开方。被测电压平方用平方率检波来实现，（如图5-7），开方用刻度的方法来实现。,40,图5-7平方率检波器,41,流过电流表的电流i与被测电压有效值的平方成正比，而与其波形无关。根据此式在表头上刻度有效值(当然这是非线性刻度)，无论测量任何波形，读数都是被测电压的有效值。,42,3有效值检波的主要实现方法（1）电子管平方率检波器利用电子管的转移特性的弯曲部分实现平方率检波。但是，这种检波器稳定性差，动态范围小，更换管子时往往会破坏定度，目前基本不用此种方法。（2）分段逼近式有效值检波器利用二极管和电阻网络，人为地制造一条用折线逼近的平方率曲线，可以大大地扩展有效值检波器的动态范围。此种方法用得较为广泛。,43,图5-8分段逼近平方率曲线,44,分段逼近平方率曲线如图5-8所示，线段的斜率越陡，表示检波负载越小。曲线中的各段的负载电阻服从下列关系：roarabrbcrcdrde。这样一条平方律曲线就可用若干条不同斜率的线段组成的折线来逼近。当然分段越多，近似程度越好。,45,分段逼近式平方率检波电路,图5-9分段逼近平方率检波电路,46,如图5-9电路左边线框内是一个简单的检波电路，其负载电阻为r1，而且该检波器的输入电压ux(t)与电流之间的关系是直线关系，r1的大小决定直线的斜率。右边线框内是个通过v1v6连接的可变电阻网络，随着输入电压的增加，v1v6可以控制检波负载电阻减小，斜率增加。即控制r2/r8、r3/r9、等六组分压器的阻值，使得i、j、k、j、l、m、n、点的电位依次升高。当ux(t)由小到大变化时，就能够形成由折线逼近的一条平方律曲线。这种检波器有理想的平方律特性，波形影响小，所以在一些有效值电压表及失真度测量仪中得到广泛应用。,47,（3）热电偶式交直流转换器根据热电现象和热电偶原理，利用热电偶的热电变换功能可以将被测交流电压的有效值转换成直流电流。,图5-10热电转换原理,48,如图5-10，ab和bc是连在一起的两种不同导电材料，称为热电偶，结合点b是热端，a、c两点是冷端。被测电压ux加到电阻丝ab上，电流流过电阻丝ab发热，b端受热，在a、c两端产生电动势uac，电动势的大小与受热量成正比，热量的大小与成正比,那么表头流过的电流也与成正比，只要热电偶的转热系数确定，就可以根据指针的转动位置来表示被测电压。,49,如图5-11，被测电压ux送入的分压器后，以ux/a1大小送入宽带放大器，放大输出a2ux/a1，加到热电偶上，热电变换所得到的电动势e1=k（a2ux/a1）2，k为热电变换系数；e2是运算放大器a输出电压u0反馈至cd电阻丝上，通过热电变换后得到的电动势e2=。送入运放a两端的电压为ui=-e1+e2=-k（）2+。当系统达到平衡时，运算放大器的增益很高，这时ui0,有：,ui=-e1+e2=-k（）2+0,故：。,50,图5-11da-24型有效值电压表原理框图,热电转换式有效值型电压表中，宽带放大器的增益和带宽直接影响表的灵敏度和工作频率。,51,4有效值电压表的误差有效值检波器响应于被测电压的有效值，而与波形无关。用有效值电压表测量任何波形的电压，其读数就是有效值。所以，理论上讲不会产生误差，这是有效值电压表的最大优点。出现波形误差，一种是有效值检波器测量失真正弦波时出现波形误差；另一种是用有效值检波器测量特殊非正弦波时的波形误差。,52,5.2.6峰值电压表,1峰值检波器峰值检波器就是检波器的输出正比于输入信号的峰值（正峰值、负峰值或峰峰值）。如图5-12为常用的峰值检波器的基本电路，,图5-12峰值检波器的两种基本电路,串联式电路并联式电路,56页,53,峰值检波器与平均值检波器区别不大，关键的区别是选取电路元件r、c的不同参数值，可以决定它们的工作状态，对被测电压产生完全不同的响应。峰值检波器必须满足：rctmax，rctmax，rctmin条件，由于二极管的正向电阻rd0，零比较器输出由低电平跳变到高电平，打开计数闸门，时钟脉冲通过闸门，计数器开始减法计数。由于时钟是等周期t0的脉冲，这里的计数实质上就是计时。经过预置时间t1(对应计数器预置初值n1)，到达t2时，计数器溢出，并复零，进位脉冲使逻辑控制电路将s1断开，s2闭合取样阶段结束。此时积分器输出达到最大值：,80,（3）比较阶段(t2t3)：控制逻辑断开s1，s2闭合接通正基准电压us，us接到积分器进行反向积分，输出u0线性下降。与此同时，计数器从零开始加法计数。到达t3时刻，积分器输出u0=0，零比较器由高电平跳到低电平，闸门关闭，停止计数，设此时计数器值为n2，则反向积分时间t2=t3-t2n2t0。比较阶段积分器输出电压为：,（5-2）在t3时刻，有=（5-3）将5-1式代入上式可得：（5-4）,81,从而得到了被测电压值。适当地选择时钟周期t0和取样时间，可以使计数器的计数值直接对应被测电压值。如果被测电压为正ux，在比较开始时，逻辑控制将断开s1，闭合s3，将基准电压-us接入即可。双积分式数字电压表具有如下优点：被测电压正比于计数器对同一时钟脉冲发生器的二次计数之比n2n1，因此，对时钟脉冲频率的精确度及长期稳定度要求不高，只要求在二次积分时间内频率足够稳定。测量的结果与积分元件r、c的数值无关，不用精密的积分元件也可制出高精度的数字电压表。,82,5.3.3数字电压表的应用,1.常用数字电压表性能测量范围误差输入阻抗见表5-1,83,2数字电压表的使用下面以常见的pz-8型数字电压表为例，说明其使用方法，见图5-18,图5-18pz-8型数字电压表面板图,84,（1）零位校正开机预热量1h，使各级工作达到稳定，特别是基准放大器；使恒温槽内温度均匀，以便保证基准源输出电压稳定；整个机箱内温度均匀，保证数模网络输出电压的精度。将量程开关置于“校正”，滤波置于“引出”，采样开关置于“定时”，然后调整“零”电位器rp13，使仪表显示为+0.0000与-0.0000交出现，则零位校正完毕。再将输入端短路，转动量程开关，使在各档量程均显示为00000，如果有不为00000，超过0.0002时，应调整内部电位器。0.2v档调rp6；2v档的调零和零位校正是同一电位器rp13；20v档调rp16。,85,（2）标准校正仍将量程开关置于“校正”位置，校正开关置于+1.0186，调节校正电位器rp14，使仪表显示为+1.0186；再将校正开关置于-1.0186，调节校正电位器rp17，使仪表显示为-1.0186。标准校正之后，再进零位校正检查，须保证零位准确，零位校正与标准校正要反复进行，以达到要求为止。,86,（3）引入引出的使用若被测直流电压中含有较大的脉动成分（干扰信号），能引起显示的不稳定。例如最末位数字(个位数字)跳动，遇到这种不稳定现象，可将开关从原来的“引出”转至“引入”，使显示趋向稳定。所谓“引入”就是在输入端并接了一个具有高绝缘电阻的电容，其容量为0.47f。采用“引入”时，相当于在输入网络中接入了rc滤波电路，这样需等采样数次后，才能使显示数正确，因此，测量速度要降慢了。,87,（4）接地与不接地在仪器后面标出了接地与不接地开关。所谓接地就是把仪表的零线通过一个10电阻和一个0.1a保险丝接到地线上。这样可以避免被测电压短路，当零线与地线之间电流大于0.1a时，保险丝就烧断，于是保护了被测电压的短路。所谓不接地就是在仪表的零线和地线之间跨接一个0.47f、耐压250v的电容。,88,由于采用了上述的连接法，所以一般使用是将“接地不接