[工学]第4章 电压的测量与电子电压表.ppt

第四章电压测量与电子电压表 本章要点 1 电压测量的重要性 对电压测量的要求和分类 2 模拟式直流 交流电压的测量以及高频 脉冲 噪声电压的测量 3 数字电压表组成原理 工作特性和分类 4 积分式和比较式A D转换器及数字多用表的组成原理与特点 5 数字电压表的误差与干扰 4 1概述 4 1 1电压测量的重要性 电压是电子测量的一个主要参数 电参量的基础 U IRI U RR U IP IU U2 R I2R 电压的派生量 例如 调幅度 波形的非线性失真系数等等 在非电量测量中 大多数物理量 如温度 压力 振动 速度等 的传感器大多是电压作输出的 因此 电压测量是其它许多电参量 非电参数测量的基础 4 1 2对电压测量的基本要求 课本第1页 1 应有足够宽的电压测量范围 nV V mV V kV 2 应有足够宽的频率范围 交流电压的频率范围约从几Hz到几百MHz 甚至达GHz量级 目前 模拟电压表可测量的频率范围要比数字表高得多 例如 92C型模拟射频电压表频率上限达1 2GHz 而DP100型数字多用表只能达25MHz 3 应有足够高的测量准确度 准确度可达 0 0005 Ux十0 0001 Um 即可达10 6量级 4 应有足够高的输入阻抗 5 应具有高的抗干扰能力 4 1 3电压测量仪器的分类 课本第1页 1 模拟式电压表 指针式电压表 用磁电式电流表作为指示器模拟示波器 刻度比较 2 数字式电压表 经A D将模拟信号转换为数字信号 4 2模拟式直流电压的测量 4 2 1三用表中的直流电流 电压测量 1 表头 三用表中直流电流 电压通常由磁电式高灵敏度直流电流表作指示 直流电流表俗称表头 图4 1给出了动圈式电流表头结构的双视图 其工作原理是利用载流导体与磁场之间的作用来产生转动力矩 使导体框架转动而带动指针偏转 其偏转角度正比于通过线圈的被测电流 I K 式中K由设计决定的恒量 它与线圈匝数 线圈面积 磁场强度及游丝扭转力矩有关 K值表示电流表偏转单位角度时所需通过的电流 K值越小 电流表越灵敏 这样就可以从指针所指角度位置来测电流 2 电流表量程扩展 允许通过的最大电流值称为量程Im 如50 A 100 A 1mA等 由于电流线圈匝数很多 其内阻较大 设现有一表头 Im 50 A r 3k 现要测量500 A电流怎么办 要并联分流电阻RS以扩展量程 因两路端电压相等 4 1 式中n称电流量程扩大倍数 也称分流系数 3 直流电压测量 用电流表头能否直接测量电压 能测 但测量的电压范围很小 如图4 4所示 在指针指示满刻度时 它两端的电压是 即它所能测量的最大电压为0 15V 为了能测量较高的电压 需串联倍压电阻RP来扩展量程 4 2 图4 5给出了三用表直流电压档量程扩展的原理电路图 图中除最小量程U0 Im r外 又增加了U1 U2 U3三个量程 根据所需扩展的量程 不难算出3个倍压电阻值 电压灵敏度 V 通常把电压表内阻RV与量程Um之比定义为电压表的电压灵敏度 每伏欧姆数 V 4 4 V 数越大 表明为使指针偏转同样角度所需驱动电流越小 V 数一般标明在磁电式电压表表盘上 可依据它推算出不同量程时的电压表内阻 即 4 5 例如某电压表的 V 数为20k V 则5V量程和25V量程时电压表内阻分别为100k 和500k 4 2 2直流电子电压表 直流电子电压表通常是由磁电式表头加装跟随器 以提高输入阻抗 和直流放大器 以提高测量灵敏度 构成 当需要测量高直流电压时 输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路 电子电压表组成框图如图4 7所示 4 3交流电压的测量 4 3 1交流电压的表征 交流电压可以用峰值 平均值 有效值 波形系数以及波峰系数来表征 3 有效值 若某一交流电压u t 在一个周期内通过纯阻负载所产生的热量 与一个直流电压U在同样情况下产生的热量相等 则U的数值即为u t 的有效值 U和u t 的数学关系为 4 10 实际中 有效值是最广泛应用的参数 例如 电压表的读数除特殊情况外 几乎都是按正弦波有效值进行定度的 有效值获得广泛应用的原因 一方面是它直接反应出交流信号能量的大小 这对于研究功率 噪声 失真度 频谱纯度 能量转换等是十分重要的 另一方面 则是它具有十分简单的叠加性质 计算起来极为方便 4 波形因数 交流电压的波形因数的定义为该电压的有效值与平均值之比 即 4 11 5 波峰因数 交流电压的波峰因数的定义为该电压的峰值与其有效值之比 即 4 12 正弦波 半波整流波 A A A 波峰因数KP 波形因数KF 平均值U 有效值U 峰值 波形 名称 全波整流波 表4 1 4 3 2交流电压的测量 1 均值电压表 1 均值电压表的组成 可变量程衰减器 宽带 放大器 微安表 u t 图4 11均值电压表的一般组成 mV量级20Hz 10MHz 均值表视频毫伏表 放大 检波式 2 均值检波器 课本第4页 均值检波器如下图1 7所示 无论哪种类型 均值检波器都要求电路的时间常数很小 所以检波后不接RC充放电回路 表头两端一般并一个小电容C 是为防止表头流过交流使表针抖动 以及消除表头动圈内阻产生的热损耗 以图1 7 c 电路为例 设被测电压为ui t 四个二极管具有相同的正向电阻Rd 微安表内阻为Rm 于是二极管导通而流过微安表的正向平均电流为 从上式1 4可以得到 流过表头的电流正比于被测电压的平均值 故表头可按电压定度 表头示值正比于被测电压的平均值而与波形无关 由于被测交流电压大多数为正弦电压 而且希望测量其有效值 所以表头都以正弦电压的有效值定度 即表头示值即为被测正弦电压的有效值 式中a为电压表读数 示值 U为正弦电压有效值 kF为波形因数 对于正弦波全波检波器kF 1 11 半波检波器kF 2 22 由于不同波形电压的kF值不同 故当用这类电压表测非正弦电压时 其示值a无直接的物理意义 只有把读数除以1 11后才是被测电压的全波平均值 然后由被测电压的波形因数kF 按 1 5 式计算出该电压的有效值 灵敏度 提高灵敏度 就应减小Rd和rm的值 为提高输入阻抗检波前要加放大器 输入阻抗 注 均值检波器的线性补偿 见课本5 7页 例4 l用平均值电压表测量一个三角波电压 读得测量值为10V 试求有效值为多少伏 解 对于均值表 读数 4 17 先求出均值 再通 过KF换算成有效值 三角波的均值为 查表4 1 得三角波KF l 15 故被测三角波的有效值为 3 波形误差 因读数是按标准无失真正弦波有效值定度的 而实际正弦波和非正弦波则会有误差 定义 读数与实际有效值之间的相对误差为波形误差 4 20 用均值电压表测量非正弦波电压时 其读数应作修正 将上式代入 4 20 式 则有 求例4 1中波形误差 三角波KF 1 15 典型产品 TH2172型 见课本18 25页 DA16型 频率范围20Hz 2MHz 测量范围100 V 300V 最小量程lmV 误差 3 输入电阻1 5M 指针式万用表 交流电压测量档采用了半波均值检波器 并以正弦有效值刻度 由于它依据直接测量原理 且灵敏度低 因此 指针式万用表主要用于工频 50Hz 及要求不高的低频 一般为几到几十kHz以下 电压的测量中 TH2172 500型 2 峰值电压表 峰值电压表的工作频率范围宽 输入阻抗较高 有较高的灵敏度 但存在非线性失真 1 峰值电压表组成 峰值电压表 简称峰值表 属检波 放大式电子电压表 又称为超高频毫伏表 它由峰值检波器 置于机箱外探头中 分压器 直流放大器和微安表等组成 置于电压表机箱中 如图4 13所示 2 峰值检波器 条件 3 刻度特性 峰值电压表响应被测电压的峰值UP 读数 峰值表的指示值 为 K 定度系数 对正弦波读数 就是有效值 非正弦波读数 无物理意义 要通过 求出峰值 再由峰值因数KP求出有效值U 例4 2用峰值电压表测量一个三角波电压 读得测量值为10V 试求有效值为多少伏 解 对于峰值表 读数乘以 在就等于被测电压的峰值 因 此 三角波的峰值为 由表4 1查得三角波 故被测三角波的有效值为 4 波形误差 由于峰值电压表的读数没有直接的物理意义 测量非正弦波时 如果不进行换算 将产生波形误差 其定义为 4 28 即 4 29 对于例4 2 可见 用峰值表测量失真的正弦电压或非正弦电压时 若将读数当成输入电压的有效值 就会产生波形误差 而且 峰值电压表的波形失真较大 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 8B 3 有效值电压表 课本12页 以上均值表 峰值表测的不是有效值 只是按有效值读数 故实为伪有效值 而有效值电压表 直接获得有效值 是真有效值表 1 热电偶式 不同金属界面逸出功不同 冷 热端形成电位差 电势E kU2 电势正比输入功率 可作微波功率计 如何直接测电压 典型产品 DA30型 频率范围10Hz 10MHz 量程范围1mV 300V 2 计算式 硬件实现 有专用IC 如AD637 软件实现 用计算机完成运算 表4 2三种电子电压表主要特性比较 均值 1 11 U KF 4 3 4电平 分贝 的测量 课本11页 在通信系统传输中 关心传输过程中各部位幅度的相对变化情况 这里幅度统称作 电平 它可以是功率 电压或电流 但大多是指电压电平 1 分贝的概念 分贝值是被测量与同类的某一基准量比值的对数 常用的被测量是功率和电压 对于功率比 这是个无量纲的比值 叫做1贝尔 Bel 在实际应用中 贝尔太大 常用分贝 写作dB deeiBel 来度量 即1贝尔等于10dB 所以 以dB表示的功率比为 当Px P0时dB值为正 而Px P0时dB值为负 Px P0时为0dB 由P UI U2 R关系式可得电压比的对数 4 31 实际应用中 以基准量P0 1mW作为零功率电平 0db 则任意功率电平定义为 4 32 此时 若负载电阻为通信中的标准负载R 600 则基准电压 则绝对电压电平 4 33 因此 当被测点负载 电平表的输入电阻 为600 时 电压电平等于功率电平Pu PW P 若非为标准电阻600 时 要加修正项 4 34 2 分贝的测量 实质上 分贝测量就是交流电压的测量 只是表盘以dB分度 例 用放大器测量一放大器输出的电压电平 输入电平 选择开关置于 10db 表头读数为 7db 则被测电压电平为 UX 10dB 7dB 3dB 被测电平的读出 所选择的电压量程值和表头读数的代数和 4 4数字电压表概述 课本153页 4 4 1数字电压表组成原理 数字电压表 DVM DigitalVoltmeter 4 4 2数字电压表的主要工作特性 课本154页 1 测量范围 1 量程 借助于分压器和输入放大器来实现 0 1 v 1kv 2 位数 显示位数 通常为3 位 8 位 判定数字仪表的位数有两条原则 能显示从0 9所有数字的位是整数值 分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子 用满量程时最高位数字做分母 例如 1999 2000 31 2三位半 39999 40000 43 4四又四分之三位 499999 500000 54 5五又五分之四位 3 超量程能力 在临界量程处 不会降低精度和分辨力 10V档 9 999V 只能显示0 006 100V档 99 99V 只能显示10 00 数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值 称做仪表的分辨力 它反映仪表灵敏度的高低 分辨力随显示位数的增加而提高 例如 3 4 位 8 位DVM的最高分辨力分别为100 V 10 V 1nV 分辨率 数字电压表的分辨力指标亦可用分辨率来表示 分辨率是指所能显示的最小数字 零除外 与最大数字的百分比 例如 3 位DVM的分辨率为1 1999 0 05 由于分辨力与数字电压表中A D的位数有关 位数越多 分辨力愈高 故有时称具有多少位的分辨力 例如 称12位A D具有12位分辨力 有时也用最低有效位LSB的步长表示 把分辨力说成分辨率1 212或1 4096或 同时 分辨力越高 被测电压愈小 电压表愈灵敏 故有时把分辨力称作灵敏度 3 测量误差 数字电压表的固有误差用绝对误差 表示 其表示方式有多种 U a Ux十b Um a Ux十n字 appmUx十bppmUm 例 DS 14基本量程5V 44 5位 U 0 006 Ux十0 002 Um 0 00006Ux十0 00002 5 60 10 6Ux 0 0001V 60ppmUx十1个字 4 9999V末位跳1个字100 V 满度误差决定量化误差 内部噪声 读数误差决定转换系数 非线性 任一读数下的相对误差为 4 40 由此式可见 随读数Ux减小而增加 故在测量小电压时 宜 换用较小的量程档 以提高测量精度 此结果与模拟电压表是一致的 教材中用d表示 分辨力准确度 误差 需要指出 分辨力与准确度属于两个不同的概念 前者表征仪表的 灵敏性 即对微小电压的 识别 能力 后者反映测量的 准确性 即测量结果与真值的一致程度 二者无必然的联系 因此不能混为一谈 更不得将分辨力 或分辨率 误以为是类似于准确度的一项指标 实际上分辨力仅与仪表显示位数有关 而准确度则取决于A D转换器等的总误差 从测量角度看 分辨力是 虚 指标 与测量误差无关 准确度才是 实 指标 代表测量误差的大小 因此 任意增加显示位数来提高仪表分辨力的方案是不可取的 例选用分辨率为24位的A D 并不能保证实现24位的准确度 在设计上通常 分辨力应高于准确度 保证分辨力不会制约可获得的准确度 以保证从读数中检测出小的变化量 例 用4 位sx1842DVM测1 5V电压 分别用2V档和200档测量 已知 2V档固有误差 0 025 Ux 1个字 200V档固有误差 0 03 Ux 1个字 问 两种情况下由固有误差引起的测量误差各为多少 解 因4 位DVM最大显示为19999 所以2v和200v档的 1个字分别代表 结论 1 不同量程 1个字 误差对测结果不一样 测量时应尽量选择合适的量程 同模拟电压表结论一致 2 虽然DVM有4 位分辨力 但不正确使用 则达不到应有的准确度 故分辨力高不等于准确度高 4 测量速率 测量速率是每秒钟对被测电压的测量次数或测量一次所需的时间 它主要取决于DVM中所采用的A D转换器的转换速率 5 输入阻抗与输入电流 目前 多数数字电压表的输入级用场效应管组成 在小量程上 其输入阻抗可高达104M 以上 在大量程时 如100V 1000V等 由于使用了分压器 输入阻抗一般为10M 6 响应时间 响应时间是DVM跟踪输入电压突变所需的时间 响应时间与量程有关 故可按量程分别规定或规定最长响应时间 响应时间分为三种 7 抗干扰能力 串模抑制比和共模抑制比 数字电压表的内部干扰有漂移及噪声 外部干扰有串模干扰及共模干扰 见课本155页 4 4 3数字电压表的分类 1 按结构形式分 1 台式 通常5 以上 2 便携式 通常3 及4 位数 3 面板表 也称数字表头 多为3 4 直流电压表 只有一个基本量程 如0 5V 用于机器面板上 取代原来模拟指针式表头 2 按A D转换器原理 见课本154页 各种数字面板表 4 5积分式A D转换原理 1 工作原理 Ui Ur Ur K1 K1 K2 K2 K3 K3 K4 K4 A R C 比较器 积分器 C D 发生器 时钟 显示器 数字 辑电路 控制逻 计数器 过程 三阶段准备期 复零 K4接通取样期 第一次积分 K1接通特点 定时积分T1固定 UO1 正比 于Ui比较期 第二次积分 K3 K4接通特点 定值积分 反向 N2 UO1 UI 4 5 1双斜积分式A D转换器 课本159页 B 注 波形分析见课本161页 2 关系式 1 数学推导 4 45 4 46 4 47 令e 刻度系数 伏 字 例如 Ur 10V N1 10000 则e Ur N1 1mV 字 2 面积相等 S1 T1Ui S2 T2Ur相等 则S1 S2 故 3 电荷相等 T1期间充电电荷Q1 Ui R1 T1与T2期间放电电荷Q2 Ur R2 T2相等 则Q1 Q2 故 4 48 式 4 48 当充放电电路中限流电阻不等时 应用很方便 当R1 R2时 则与 4 45 的结果相同 3 双斜积分式A D转换器的特点 1 抗串模干扰能力强 所谓串模干扰是指与被测信号相串联地加到DVM输入端的干扰信号 如果取 T1 n T n 20mSn 1 2 3 对脉冲性质的干扰信号 双斜积分式A D也有一定的平均作用 2 对积分元件及时钟信号的稳定性和准确度要求大为降低 因为 在采样和比较测量两个阶段内使用的是同一积分器和时钟信号 其影响可以相互抵消 对它们只要求有足够的短期稳定性即可 3 测量灵敏度较高 双积分式DVM有效地解决干扰问题 只要适当选择R C T1 积分放大器可以得到很高的增益 A T1 RC 可测mV级电压 4 测量速度慢是其主要缺点 为了抑制电源50Hz工频干扰 一般T1取20 l00ms 再加上T2等时间 故测量速率一般只有5 30次 s左右 5 积分器 比较器中运放的零点漂移会带来转换误差 4 双斜积分式A D转换器自动校零技术 双斜积分A D转换器中的积分放大器与电压比较器的零点偏移和漂移 克服Uos影响的措施 通常采用以下三种方法 1 选用低漂移的运放作积分器 比较器 2 软件补偿 3 硬件补偿 采用动态校零电路 下面进行介绍 1 并联式校零电路 见课本162 163页 1 零采样期模拟开关K1断开 K2 K3接通 接成输入端接地的电压跟随器 其输出电压为 此电压存储于电容器C0中 2 工作期模拟开关K1接通 K2 K3断开 放大器为正常的放大工作状态 其输出电压为 4 51 可见 放大器零点漂移的影响减小了l 1十A 倍 5 单片双斜积分式A D转换器 7106是把模拟电路与数字逻辑电路集成在一块芯片上 属于大规CMOS集成电路 其工作原理与ICL7126 ICL7135基本一致 7106是目前在各种数显表和万用表中使用较多的一种芯片 4 5 2脉冲调宽式A D转换器原理 在系统取得平衡的状态下 积分电容充放电应相等 有 当R1 R2时 上式改写成 则 4 5 3压频 V F 式A D转换原理 V F式转换器是将被测模拟电压转换成脉冲频率 1 电荷平衡式V F转换器工作原理 电荷平衡式 是一种V f变换式 它基于电荷平衡原理 即在积分过程中 从基准源取走的电荷与输入电压充入的电荷相等 达到积分电容上的电荷平衡 输出脉冲的频率和Ux持何关系呢 根据电容充放电电荷量相等原理 电荷平衡 电路设计上又满足Io Ux R及T t0 则有 解得 f作为计数脉冲送到电子计数器计数显示 即为Ux值 注意 其主要特点见课本165页 2 V F转换器的集成电路 V F转换器的电路实现 可以用廉价的集成型555定时器和积分电路自已搭建 但现在V F专用集成芯片很多 而且不少芯片既可进行V F转换 还可进行F V转换 这给实际应用带来很大的方便 表4 4列出了部分常用集成芯片的型号和主要特性 表4 4常用集成芯片的型号和主要特性 4 6数字多用表DMM 数字多用表DMM DigitalMultiMeter 是具有测量直流电压 直流电流 交流电压 交流电流及电阻等多种功能的数字测量仪器 4 6 1交流 直流 AC DC 转换器 被测信号ui送入到X Y输入端 从XY Z端输出的电压经平均值电路 有源低通滤波器 再送回Z输入端 故直流输出电压为 4 63 真有效值 4 6 2电流 电压 I U 转换器 Ix Uo RS 4 64 4 6 3电阻 电压 V 转换器 当在被测的未知电阻Rx中流过已知的恒定电流IS时 在RX上产生的电压降为U RxIs 故通过恒定电流可实现 V转换 4 6 4数字多用表的发展简况 台式DMM的位数较多 精度及自动化程度较高 各厂家都有自己的专利技术 近年已做到8 位的极限精度 表4 16列出了 几种具