电子测量仪器-电压测量仪器

第 5章 电压测量仪器 电子测量仪器 第 5章 电压测量仪器 概 述 电压测量的特点 电压测量仪器的分类 交流电压的基本参数 数字电压表 A/ 显示电路 模拟式电子电压表 放大 检波式电子电压表 检波 放大式电子电压表 外差式电子电压表 热电耦变换式电子电压表 模拟电子电压表的使用 第 5章 电压测量仪器 本章要点 理解对电压测量的基本要求及电压测量仪器的分类 掌握以正弦有效值定度的三种变换器电路的电压表对各种 波形的电压有效值 、 平均值和峰值的测量 掌握数字电压表的原理框图 ， 了解其基本工作原理和主要工作特性 本章难点 电压信号的特点 、 交流电压信号的表征形式和表征量值的相互转换 模拟电子电压表的构成和工作原理 数字电压表的原理框图及工作原理 第 5章 电压测量仪器 概 述 电压、电流、功率是表征电信号能量大小的三个基本参量。在集总参数电路里，考虑到操作的安全性、方便性、准确性以及过载能力等因素，测量的主要参量是电压，所以电压测量是最基本的。电压和电流由欧姆定律联系在一起，它们是一个现象的两个侧面。在电子技术中，除直流电流外，几乎都是测量电压而不去测量电流。此外，包括测量仪器在内的电子设备，它们许多工作特性（如调幅度、非线性失真系数、品质因数、幅频特性等）均可视为电压的派生量。可见，电压测量技术是电子测量中最基本和最重要的内容之一。 第 5章 电压测量仪器 电压测量的特点 在电子技术领域中所要测量的电压实际上就是各种各样的电信号，这些电信号具有频率范围宽、幅度范围大、波形复杂、含有噪声干扰等特点，正是这些特点要求我们的电压测量具有以下特点。 第 5章 电压测量仪器 电压测量仪器的分类 就电压测量的一般原理来说 ， 分为变换原理 、 比较原理 、 取样原理 （ 严格来说取样原理也属于变换原理 ）三种 ， 其中变换原理使用最广泛 。 就电压表的显示形式来说 ， 可分为模拟电压表和数字电压表两大类 。 常用的电压测量仪器有模拟式电压表、电子电压表和数字式电压表三种类型的测量仪器。 第 5章 电压测量仪器 交流电压的基本参数 交流电压的峰值、平均值和有效值是交流电压的基本参数，一个交流电压的幅度特性可用峰值、有效值和平均值基本参数以及与基本参数相关的波形因数 峰因数 第 5章 电压测量仪器 为了表征同一信号的峰值 、 平均值和有效值之间的关系 ，我们引入波形因数 p。 (1)波形因数 波形因数 即 (2)波峰因数 波峰因数 即 第 5章 电压测量仪器 表 第 5章 电压测量仪器 数字电压表 数字电压表 （ 在如今已成为极其精确 、 灵活多用并价格正在下降的电子仪器 。 此外 ， 已成为自动化测量系统发展中最重要的环节 。 数字电压表是利用模 /数 （ A/D） 转换器 ， 将模拟的被测电压量转换成数字量 ， 然后利用十进制数字显示方式显示被测数值的电压表 。 现代的数字表已由过去的单一功能的直流数字电压表发展到能测量交直流电压 、交直流电流和电阻的多种功能的数字万用表 （ ，但 用 直流电流和电阻的测量都是先将它们变换成直流电压，再用 第 5章 电压测量仪器 数字万用表的框图如图 第 5章 电压测量仪器 A/ 变换器主要类型 电压的数字化测量的核心是模数（ A/D）转换，而各类数字电压表的区别主要是以 A/A/将采样值进行整量化处理，最后通过编码等实现转换过程。按其基本工作原理主要分为比较型和积分型两大类。每一大类又可细分，现说明如下 : （ 1）比较型 （ 2）积分型 斜坡式 A/ 双积分式 A/第 5章 电压测量仪器 2. A/ （ 1） 逐次逼近比较式 A/ 逐次逼近比较式 A/图可以看出这是一种反馈比较式 A/由电压比较器、 D/次逼近寄存器（ 逻辑控制电路和输出缓冲器等部分组成。反馈支路主要包括一个 D/作用是将输出的数字化电压反馈至被测电压进行比较。反馈比较式 A/有自动调节作用，当系统达到平衡时，被测模拟电压与输出的数字化电压相等，从而实现了A/ 第 5章 电压测量仪器 逐次逼近比较式 A/ 第 5章 电压测量仪器 下面我们先介绍反馈支路 D/然后再介绍逐次逼近比较式 A/ D/ D/,它是决定此类 A/ D/ 而输出端是与输入数字量成正比的模拟电压或电流 。 常用的有二进制权电阻网络 D/ 二进制 。 这里我们只介绍二进制权电阻网络 D/ 二进制权电阻网络 D/ 便构成了二进制 D/ 其电路原理框图如图 图 。由图中电阻值可求得各位二进制数的权。当 、 时，即输入为 100000时，有 第 5章 电压测量仪器 当 、 、 时 ,即输入为 010000时，有 当 、 、 、 时 ,即输入为 001000时 ， 有 第 5章 电压测量仪器 可见 、， 即第 运算放大器的作用是作输出隔离级 ， 同时通过电流相加 ， 实现各位权的相加 。 若输入为 100100，则 若输入为 111111， 则 由以上计算可得模拟输出电压 这就实现了 D/ 二进制权电阻网络 D/ 标准电阻 ） 的精确度 。 这种 D/ 第 5章 电压测量仪器 逐次逼近比较式 A/ 逐次逼近比较式 A/ 被测量好比是被称的重物 ， 等效数字量好比砝码 。 将被测电压 r（ 砝码 ） 逐一进行比较 。 按 “ 大者弃 ， 小者留 ”的原则 ， 依次从高位到低位逐一进行比较 ， 使输出的基准电压与被测电压逼近相等 。 当 比较器输出为零 ， 相当于天平平衡 ，最终数字输出的数值就是被测信号的电压值 。 逐次逼近寄存器实际上是数码寄存器 ， 其输出的二进制编码对应于 其输出的代码以并行的形式送入译码器 、 显示器来显示结果 ， 而不必用计数器 ， 测量速度大大提高 。 下面我们采用一个实例来说明逐次逼近比较式 A/设被测电压 405逐次逼近比较式 D/位；参考电压为 5000 开始时，由起始脉冲作为复位信号，逐次逼近寄存器清零，此时（ ）。 第 5章 电压测量仪器 第一个脉冲到来时 ， 逐次逼近寄存器设置为： “ 10000000” ， 同时打开 D/ 使 D/o=2500将此电压在比较器 此电压大于被测电压 ， 则舍弃 ， 即不保留逐次逼近寄存器的值 ， 逐次逼近寄存器设置为 “ 00000000” 。 第二个脉冲到来时 ， 逐次逼近寄存器应按从高到低的顺序设置 ， 此次设置为“ 01000000” ， 同时打开 D/ 使 D/o=1250将此电压在比较器 此电压小于被测电压 ， 应留逐次逼近寄存器的值 ， 逐次逼近寄存器仍设置为 “ 01000000” 。 第三个脉冲到来时 ， 逐次逼近寄存器也应按从高到低的顺序设置 ， 此次设置为“ 01100000” ， 同时打开 D/ 使 D/o=1875将此电压在比较器 此电压大于被测电压 ， 应舍弃 ， 即逐次逼近寄存器仍设置为 “ 01000000” 。 第四个脉冲到来时，逐次逼近寄存器设置为“ 01010000” ，同时打开 D/ D/o=1563此电压在比较器 电压大于被测电压，则舍弃，即不保留逐次逼近寄存器的值，逐次逼近寄存器仍设置为“ 01000000” 。 第 5章 电压测量仪器 第五个脉冲到来时 ， 逐次逼近寄存器设置为 “ 01001000” ， 同时打开 D/ 使 D/o=1406此电压在比较器 此电压大于被测电压 ， 则舍弃 ， 即不保留逐次逼近寄存器的值 ， 逐次逼近寄存器仍设置为 “ 01000000” 。 第六个脉冲到来时 ， 逐次逼近寄存器设置为 “ 01000100” ， 同时打开 D/ 使 D/o=1328此电压在比较器 此电压小于被测电压 ， 应保留 ， 即保留逐次逼近寄存器的值 ， 逐次逼近寄存器设置为 “ 01000100” 。 第七个脉冲到来时 ， 逐次逼近寄存器设置为 “ 01000110” ， 同时打开 D/ 使 D/o=1289此电压在比较器 此电压小于被测电压 ， 应保留 ， 即保留逐次逼近寄存器的值 ， 逐次逼近寄存器设置为 “ 01000110” 。 第八个脉冲到来时，逐次逼近寄存器设置为“ 01000111” ，同时打开 D/ D/o=1328此电压在比较器 电压小于被测电压，应保留，即保留逐次逼近寄存器的值，逐次逼近寄存器设置为“ 01000111” 。因这次比较是D/测量结束，将此时逐次逼近寄存器设置的值“ 01000111” 送去显示。 第 5章 电压测量仪器 由上述工作过程可以看出，逐次逼近比较式 A/度取决于权电阻网络和基准电压源的精度，且与 D/串模干扰能力差等特点。 （ 2）双积分式 A/ 双积分式 A/被测电压 此时间间隔内填充标准频率的时钟脉冲，以其脉冲个数来反映 框图如图 第 5章 电压测量仪器 其工作过程可分图 第 5章 电压测量仪器 第一：准备阶段 。 由逻辑控制电路首先将图 4接通 ， 使积分器输入电压 ， 输出电压 ， 作为准备状态 。 （ 图中 第二：采样阶段 。 设被测电压 在 逻辑控制电路将电子开关 同时断开 积分器作正向积分；输出电压 逻辑控制电路同时打开闸门 ， 让时钟脉冲通过。计数器对通过闸门的时钟脉冲计数。当超出计数器计数容量时，计数器溢出，复零。进位脉冲使逻辑控制电路将 时积分器的输出电压为 第 5章 电压测量仪器 电压 当 因此次积分时间 所以此次积分又称为定时积分 。 第三：比较阶段 。 在 计数器溢出 ， 复零 。 进位脉冲使逻辑控制电路将 正极性的基准电压 开始定值反相积分 ， 输出电压 时 ， 计数器重新从零开始计数 。 至 ， 逻辑控制电路发出控制信号将 5闭合 ， 积分器恢复到零状态；同时关闭闸门 ， 计数器停止计数 ， 译码显示 。 进入准备阶段 ， 转入下一个测量周期 。 2。在 率是常数。在此期间 第 5章 电压测量仪器 两次积分后 ， 则 解得 若用计数器在 数脉冲周期为 数值分别为 第 5章 电压测量仪器 其中 , 例如计数器容量为 5999， V。 至 闸门通过脉冲个数 000， 若时钟脉冲周期0 s， 则 1 0那么 第 5章 电压测量仪器 可见 ， 如果参数选择合适 ， 被测电压 2期间填充的时钟脉冲个数 。 由此可见 ， 这种 A/一个测量周期内 。 首先对被测直流电压 在确定的时间 （ 内进行定时积分 ， 而后再对参考电压 直至积分器输出等于零为止 。合理选择电路参数可将被测电压 再利用脉冲计数法对此时间间隔坚信数字编码 ， 从而得到被测电压的数值 。 整个过程是两次积分 ， 将被测电压模拟量 从而完成 A/ 双积分式 A/ 而与积分器的参数 （ R、 无关 。 此外还有对脉冲频率要求不高 ， 抗干扰能力强等优点 。 但转换速度 低是其主要缺点 。 第 5章 电压测量仪器 显示电路 以数字方式显示被测量是数字式仪表的标志 ,数字式万用表的显示电路主要由计数、译码、驱动和显示等部分组成。以下对显示电路作简要介绍 (1)发光二极管 ( (2)液晶显示器（ （ 1）集成化驱动电路 (2)液晶显示器的驱动 （ 1）静态驱动 （ 2）动态驱动 第 5章 电压测量仪器 通常采用 106型微功耗位双积分式 A/表集袖珍式、多功能、较高的测量精度于一身，具有 11种测试功能，共设置 33个量程。现将该表的特点和技术指标介绍如下。 （ 1)采用 ， 配字高 最大显示值为 1999。 测量速率约 3次 /s。 当电池电压低于 或 “ 。 （ 2)与普通位数字万用表相比， 00合测量 20200 （ 3)采用容抗法测量电容量， 5个电容挡全部实现自动调零，省去了面板上调零旋钮，简化了操作。 （ 4)通过 30挡功能开关进行测试功能及量程的转换。该表能自动显示极性和超量程符号。 第 5章 电压测量仪器 （ 5)共设置有 33个量程 (含附加量程 )， 可以用来测量 、 C、 二极管正向压降 晶体管 对基本量程实现了全保护 ， 可承受 500V(的共模电压 。 （ 6)用一节 6作温度范围是 0 40 ，贮存温度为 50 。保证准确度的温度范围为 23 5 （相对温度 5%）。仪表外形尺寸是 169 87 40（ 重310g（包括电池）。 第 5章 电压测量仪器 第 5章 电压测量仪器 (1)面板 （ 2)直流电压（ 量 （ 3)交流电压（ 量 (4)直流电流（ 量 (5)交流电流（ 量 第 5章 电压测量仪器 （ 6)电阻测量 （ 7)二极管和通断测试 （ 8)晶体管测量 （ 9）电容测量 第 5章 电压测量仪器 （ 1)电池盒 装换电池时 ,关掉电源开关 ,打开电池盒后盖 ,即可更换 。 当显示屏出现 “ “ ” 时表明电池电压不足应更换 。 （ 2)熔断器 过载保护熔丝断后更换时 ， 要打开整个后端盒盖 ， 即可更换 。 当测量电流没有读数时 ， 请检查保险丝 。 （ 3)使用时还应特别注意事项 测量完毕 ， 应关上电源 。 若长期不用 ， 应取出电池 ， 以免产生漏电损坏仪表 。 这种仪表不宜在日光 、 高温及高湿的地方使用与存放 。 其工作温度为0 40 ， 湿度小于 80%。 在电阻挡和二极管挡测试时，红表笔的电位高于黑表笔，与普通万用笔恰恰相反。 第 5章 电压测量仪器 模拟式电子电压表 模拟式电子电压表作为电压测量仪器的另一大类 ， 是采用指针式的磁电式电流表作为指示器的 。 通过电流表的电流大小 （ 表现为指针偏转的角度 ） 与被测电压成正比 ， 并在电流表上直接读出电压值刻度 。 虽然这种表头具有一系列的优点 ， 但磁电式电流表只能测量直流信号 。因此 ， 在测量交流电压时需要在指示器前加检波器将其转换成直流电压来测量 ， 并可提高仪器的输入电阻 ， 降低输出电阻 。 由于被测电压的大小 、 频段及精度要求不同 ， 检波器在电压表中所处的位置也不一样 ， 从而形成了不同的交流电压测量方案 ， 分别是放大 检波式 、 检波 放大式 。 现分别介绍如下 。 第 5章 电压测量仪器 放大 检波式电子电压表 检波式电子电压表工作原理 放大 检波式电子电压表是将被测交流电压先经宽带放大器放大，提高测量灵敏度；再进行检波，检波器进行的是大信号检波，避免了因检波器的非线性产生的失真。又因在放大器之前有阻抗变换器，输入阻抗较高，减小了对被测电路的影响。但因宽带放大器在检波器之前，被测信号的频率受到宽带放大器带宽的限制，灵敏度受宽带放大器内部噪声的限制。其通频带一般为 210量最小幅值为几百微伏或几毫伏，一般称为低频毫伏表。框图见图 第 5章 电压测量仪器 放大 检波式电子电压表主要用于均值电压表 。 即先放大被测交流信号的电压 ， 然后再检波将交流转化为直流驱动电流表 。 其检波后的直流输出正比与检波器的输入电压的平均值 。 检波器一般都采用二极管全波或半波整流电路 。 为了使指针稳定 ， 在表头两端跨接滤波电容 ， 滤去检波器输出电流中的交流成分 。 如图 a） 为全波平均值检波电路 ， b)为半波平均值检波电路 ， 图 c) 、 图 d)为它们的变形 。 以图 a） 为例 ， 分析均值检波器的工作原理：检波器输出端 A、 压波形是全波整流波形 ， A、 交流分量由 所以流过表头的就是 A、 被测信号电压 在正弦波的正半周 ， 在正弦波的负半周 ， 电路进行全波整流 ，整流后的单向导电电流通过微安表表头 。 设输入电压为 Ux(t)， r，微安表表头内阻为 正向平均电流为 第 5章 电压测量仪器 第 5章 电压测量仪器 反向平均电流为 流过微安表的电流为 一般 , r 所以上式可简化为 由上式可以看出 ， 流过表头的电流值正比与检波器输入电压的平均值 ， 而与其波形无关 。 第 5章 电压测量仪器 在放大 检波式电子电压表中，检波器对被测电压的平均值产生响应，即放大 检波式电子电压表的指针偏转正比于被测电压的平均值。但是，除特殊需要（例如，脉冲电压表）外，仪表的刻度盘均是按正弦电压的有效值来刻度的。也就是说，在电压表的额定工作频率范围内加正弦交流电压时的指示值就是正弦电压的有效值且正比于被测电压的平均值。即 第 5章 电压测量仪器 式中： 电压表读数； 电压表所刻的正弦电压有效值； 被测电压平均值； 正弦电压的波形因数 。 由此可知 ， 只有测量正弦波电压时 ， 从均值电压表上读得的读数才是它的有效值 ， 才有实际意义 。 而当测量非正弦波电压时 ， 示值没有直接物理意义 ， 必须将示值经过换算 ， 才能测出被测电压的有效值 。 波形换算方法是 ， 当测量任意波形电压时 ， 将从电压表刻度盘上读得的示值先除以波形因数 然后再按照 “ 平均值相等则读数相等 ”的原则 ， 用被测波形的波形因数换算出被测的非正弦电压的有效值 。 第 5章 电压测量仪器 例 用均值电压表分别测量正弦波 、 方波及三角波 ，电压表均指在 10 问被测电压的平均值 、 有效值 、峰值各是多少 ？ 解： 对于正弦波 ， 示值就是其有效值 。 第 5章 电压测量仪器 按照示值相等则平均值也相等的原则 ， 所以方波和三角波的平均值也都是 9V， 即可得： 对于方波 ， 因其 V， 所以方波的均值 、 有效值 、 峰值均是 9V。 对于三角波，因为它的 P= 第 5章 电压测量仪器 检波 放大式电子电压表 放大式电子电压表工作原理 检波 放大式电子电压表是将被测交流电压先检波变为直流电压 ， 然后再经直流放大器放大 ， 用放大后的直流电流去驱动磁电式电流表指针的偏转 。 此类电压表的频率范围主要取决于检波器的频率响应 （ 一般在20 ， 可用于测量高频电压或超高频电压 ， 其框图如图 第 5章 电压测量仪器 检波 放大式电子电压表主要用于峰值电压表，即被测交流电压先检波后放大，然后驱动磁电式电流表指针的偏转。采用二极管检波的检波器安装在探头内（接线短）。其检波器的输出是峰值响应，即电压表的指针偏转角度正比于被测电压的峰值。其峰值检波器有两种，基本电路形式如图 （ a）为串联式电路，因检波二极管与检波负载电阻串联而得名；图 (b)为并联式电路，因检波二极管与检波负载并联而得名。图 第 5章 电压测量仪器 若被测电压 UX(t)的周期为 T， 检波二极管的正向电阻为 则上述电路必须满足下列条件才能作为峰值检波器 。 充电时间常数 被测信号的最小周期 ， 即 放电时间常数 被测信号的最大周期 ， 即 (1)串联电路的工作原理 在被测电压 UX(t)的正半周，经 充电，因 X(t)的峰值 从正半周峰值下降到UC 放电，因 以放电非常缓慢， 内下降很少，当下一个周期的正半周电压大于 UC 快又将 C P。这样在 平均值为。同时形成了二极管 出了电容 第 5章 电压测量仪器 检波 放大式电压表的检波器输出的是峰值响应，即经过峰值检波器的直流电压是正比于被测电压的峰值的。而一般情况下，磁电式电流表的读数刻度是按正弦有效值来定度的，即电压表的读数正比于被测正弦信号的有效值。所以，采用峰值检波器的电压表进行刻度时，应通过波峰因数进行变换 第 5章 电压测量仪器 外差式电子电压表 前面所讲的检波 放大式和放大 检波式两种电压表，其频率响应和灵敏度之间存在着相互矛盾，很难兼顾。而外差式电子电压表则可以很好的解决此问题。外差式电子电压表的框图见图 测电压经包括输入