《电压测量》PPT课件.ppt

第七章电压测量 电压 电流 功率是表征电信号能量大小的三个基本参量 在电子电路中 只要测量出其中一个参量就可以根据电路的阻抗求出其它两个参量 考虑到测量的方便性 安全性 准确性等因素 几乎都用测量电压的方法来测定表征电信号能量大小的三个基本参量 7 1概述一 电压测量的重要性 电压测量的重要性 此外 许多参数 例如频率特性 谐波失真度 调制度等都可视为电压的派生量 所以电压的测量是其它许多电参量测量的基础 非电量测量中 物理量 电压信号 再进行测量如 温度 压力 振动 加 速度 二 电压测量的特点 电子电路中的电压具有频率范围宽 幅度差别大 波形多样化等特点 所以对测量电压所采用的电子电压表也提出了相应的要求 主要有 1 频率范围宽除直流电压外 交流电压的频率可以从10 6Hz到10 9赫兹范围内变化 电压测量的特点 2 量程宽 测量范围 通常 被测信号电压小到微伏级 大到千伏以上 这就要求测量电压仪表的量程相当宽 电压表所能测量的下限值定义为电压表的灵敏度 目前只有数字电压表才能达到微伏级的灵敏度 电压测量的特点 3 被测波形的多样性除正弦波外 电路中还有失真的正弦波和大量的非正弦波 测量时 应考虑不同波形的需要 测非正弦波形时其读数无直接意义 被测电压大小要根据电压表的类型和波形来确定 即需要进行换算 电压测量的特点 4 输入阻抗高电压测量仪器以并联方式连入电路 其输入阻抗是被测电路的附加并联负载 为了减小电压表对测量结果的影响 对于直流和低频电压 就要求电压表的输入阻抗很高 即输入电阻大 对于高频电压 要求输入电容小 使附加的并联负载对被测电路影响很小 目前 直流数字电压表在小量程上的输入阻抗高达10G 高量程时可达10M 电压测量的特点 5 测量精度高一般的工程测量 如市电的测量 电路电源电压的测量等都不要求高的精度 准确度在1 3 即可 一般对直流电压的测量可获得最高准确度 达10 4 10 7量级 数字表 对交流电压的测量可获得10 2 10 4量级的准确度 模拟式电压表一般只能达到10 2量级 电压测量的特点 6 抗干扰能力強测量工作一般都在有干扰的环境下进行 所以要求测量仪表具有较強的抗干扰能力 对于数字电压表来说 这个要求更为突出 测量时 采取必要的措施 如接地 屏蔽等 可减小干扰的影响 三 电压测量仪器的分类P189 1 按显示方式分类 模拟式电压表和数字式电压表两大类 模拟式电压表又叫指针式电压表 一般都采用磁电式直流电流表头作为被测电压的指示器 测量直流电压时 可直接或经放大或经衰减后变成一定量的直流电流驱动直流表头的指针偏转指示 电压表的分类 测量交流电压时 必需经过交流 直流变换器即检波器 将被测交流电压先转换成与之成比例的直流电压后 再进行直流电压的测量 电压表的分类 3 数字式电压表数字式电压表实际上就是一种用A D变換器作测量机构 用数字显示器显示测量结果的电压表 测量交流电压及其它电参量的数字式电压表必须在A D变换器之前对被测电参量进行转换处理 将被测电参量变换成直流电压 7 3交流电压的表征和测量方法P195 电路中某点的电压是指该点信号的电压 它可能是直流 一般是含有直流成分的复杂信号 波形是指电压随时间变化的U t图形 反映电压瞬时值的变化情况 一个交流电压的幅度特性可用峰值 平均值 有效值等基本参数来表征 一 交流电压表征 1 峰值 一个周期性交流电压u t 在一个周期内所出现的最大瞬时值称为该交流电压的峰值Up 峰值Up是参考零电平计算的 有正峰值和负峰值之分 分别用Up 和Up 表示 含直流分量的交流电压 其正峰值Up 和负峰值Up 的绝对值大小是不相等的 交流电压的基本参数 峰值 幅值或振幅Um是参考直流分量值开始计算 下图的直流分量U0大于零 注意Up Up 和Um的区别 其中 Upp是峰峰值 正峰值Up 负峰值Up 的绝对值 交流电压的振幅值Um 1 峰值 下图的直流分量等于零 与前面的直流分量大于零的情况作对比 注意Up Up 和Um的区别 正峰值Up 负峰值Up 的绝对值 交流电压的振幅值Um 2 平均值 又称为均值 交流电压的平均值在数学上定义为显然 不含直流分量的正弦信号的电压平均值为零 平均值又分为半波平均值和全波平均值 2 平均值 半波平均值是指交流电压的正半周或负半周在一个周期内的平均值 U t 0 U t 0 通常用全波检波后的波形的平均值来表征正弦信号的幅度特性 故有 2 平均值 全波整流波形 表征正弦信号的幅度特性 半波整流波形 半波检波后的平均值是全波平均值的一半 即为正弦信号电压平均值的一半 3 有效值 交流电压的有效值理论上定义为 交流电压加在某个电阻上产生的功率与一个直流电压在同一个电阻上产生的功率相同时 则定义这个直流电压值为该交流电压的有效值 数学上交流电压的有效值定义为它的均方根值 3 有效值 以正弦波为例 代入有效值计算公式 3 有效值 对正弦波而言 其有效值为最大值的倍 4 波形因数Kf 交流电压的有效值与平均值之比称为该交流电压的波形因数 用Kf表示 正弦信号的波形因数 1 11三角波的波形因数方波信号的波形因数 1 5 波峰因数Kp 波峰因数Kp定义为峰值与有效值之比 正弦信号的波峰因数三角波的波峰因数方波信号的波峰因数 二 交流电压的测量方法P197 1 交流电压的模拟测量方法表征交流电压的三个基本参量 有效值 峰值和平均值 以有效值测量为主 方法 交流电压 有效值 峰值和平均值 直流电流 驱动表头 指示 有效值 峰值和平均值电压表 电平表等 按技术 模拟测量 数字测量 交流电压的测量方法 2 数字化直流电压测量方法模拟直流电压 A D转换器 数字量 数字显示 直观 数字电压表 DVM 数字多用表 DMM 3 交流电压的数字化测量交流电压 有效值 峰值和平均值 直流电压 A D转换器 数字量 数字显示 DVM DMM 的扩展功能 4 基于采样的交流电压测量方法交流电压 A D转换器 瞬时采样值u k 计算 如有效值式中 N为u t 的一个周期内的采样点数 5 示波测量方法交流电压 模拟或数字示波器 显示波形 读出结果 交流电压的测量方法 2 模拟电压表的主要类型P197 在模拟式交流电压表中 大都采用整流的方法将交流信号变成直流信号 再以其平均值驱动指示器 给出有效值读数 这种方法在电子测量领域中称检波法 它具有准确度高 频带宽 灵敏度较高等优点 是目前使用比较广泛的方法 模拟电压表的分类 另外还有热电转换法和公式法 热电转换法是通过热电偶将交流电有效值转换成直流电压 公式法是利用有效值公式进行转换 经过模拟平方器 积分器 开平方器等转换环节来完成 根据电压表电路组成的方式不同 模拟式电压表又可分为以下几种 1 检波 放大式 检波 放大式电压表的电路结构如图所示 将被测电压Ux先变成直流电压 再经直流放大器放大 然后驱动直流微安表指针偏转 1 检波 放大式 电压表的频带宽度主要取决于检波电路的频率响应 通常所称 高频电压表 或 超高频电压表 都属于这一类 由于二极管导通时有一定的起始电压 且采用普通直流放大器会有零点漂移 故其灵敏度不高 不适宜测量小信号 2 放大 检波式 被测电压先经宽带放大器放大 然后再检波 变成直流电信号 驱动微安表指针偏转 这种电压表灵敏度由于先行放大而提高 但受放大器内部噪声的限制 其频率范围主要受放大器带宽的限制 典型 2 放大 检波式 的频率范围为20HZ 10MHZ 称 视频毫伏表 平均值电压表属于放大 检波式电压表 4 外差式P199 检波 放大式和放大 检波式两种电压表 频率响应和灵敏度互相矛盾 很难兼顾 可以通过外差测量方法来解决 外差测量法的中频是固定不变的 中频放大器有良好的选择性 相当高的增益 这样就解决了放大器的带宽与增益的矛盾 削弱噪声的影响 提高了测量灵敏度 扩展了频率范围 一般的高频微伏表即属于这一类 7 4低频交流电压测量P201 在均值电压表内 电压的平均值指被测电压经整流后的平均值 这通常是就全波整流而言 即输入电压的绝对值在一个周期的平均值 均值电压表一般采用放大 检波式电路组成低频电压表 或采用外差式电路组成高频微伏表 一 均值电压表 2 检波器灵敏度P202 被测电压为Ux 电表内阻Rm D1 D4的正反向电阻分别为Rd Rr 一般Rd为100 500 Rr为1 3K 二 波形换算P203 7 5高频交流电压测量P209 峰值电压表的工作频率范围宽 输入阻抗高 有较高的灵敏度 但存在非线性失真 峰值电压表简称峰值表 属于检波 放大式电子电压表 又称为超高频毫伏表 一 峰值电压表1 峰值表组成 峰值表由峰值检波器 分压器 直流放大器和微安表组成 如下图所示 检波输出的直流电压与输入交流信号峰值成比例的检波器 一 峰值检波器 条件 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 7 7电压的数字式测量217 1 直流DVMP218数字电压表 DigitalVoltageMeter 简称DVM 1基本组成 包括模拟和数字两部分 输入电路 对输入电压衰减 放大 变换等 核心部件是A D转换器 AnalogtoDigitalConverter 简称ADC 实现模拟电压到数字量的转换 数字显示器 显示模拟电压的数字量结果 逻辑控制电路 在统一时钟作用下 完成内部电路的协调有序工作 2 数字多用表DMM 线性AC DC变换器 三 DVM的主要类型221 根据A D变换的基本原理进行分类 分为比较式 积分式和复合式 四 逐次比较型DVM 2 逐次比较式A D变换器223逐次比较式数字电压表又称为反馈编码式数字电压表 其核心是逐次比较式A D变换器 逐次比较式A D变换器的工作原理类似于天平称量物体质量 按照 大者弃 小者留 的原则 将被测电压与可变基准电压逐次进行比较 直至逼近出被测电压值 1 逐次比较式A D变换器工作原理逐次比较式A D变换器的原理框图如图3 24所示 数码寄存器SAR SuccessiveApproximationRegister 在时钟脉冲的作用下逐次提供从高位到低位代表不同电压 即跳步电压 的二进制基准码 例如 设DVM基本量程满度值为10V 即UR 10V 且A D变换器的位数为6位 二进制 则从高位到低位每个二进制基准码的跳步电压值分别为5V 10 2 1 2 5V 10 2 2 1 25V 10 2 3 0 625V 10 2 4 0 3125V 10 2 5 0 15625V 10 2 6 D A 数 模 变换器的作用是将输入的数字量变换为模拟电压输出 模拟输出电压等于数码寄存器提供的各数字量与跳步电压乘积之和 设UR 10 000V Ux 5 625V 逐次比较式A D变换器工作过程如下 在起始脉冲作用下 SAR清零 第一个脉冲到来时 SAR最高位2 1先置为1 数码寄存器输出为 100000 2 US 1 5 000V 5 000V Ux 比较器输出为1 得Y1 1 SAR最高位2 1保留为1 即 小者留 第二个脉冲到来时 SAR的次高位2 2先置为1 SAR输出为 110000 2 US 5 000V 1 2 500V 7 5V Ux 比较器输出为0 得Y2 0 SAR次高位2 2返回为0 即 大者弃 第三个脉冲到来时 SAR的2 3位先置为1 SAR输出为 101000 2 US 5 000V 0 000V 1 1 250V 6 250V Ux 比较器输出为0 得Y3 0 SAR的2 3位返回为0 第四个脉冲到来时 SAR的2 4位先置为1 SAR输出为 100100 2 US 5 000V 0 000V 0 000V 1 0 625V 5 625V Ux 比较器输出为1 得Y4 1 此时 电路处于平衡状态 SAR停止计数 A D变换器停止工作 SAR输出的二进制代码为 100100 2 经过译码显示电路 得到5 625V的显示 否则 电路继续逐次比较 直至最末位为止 1 量程数字电压表一般有好几个量程 量程的改变通常由电压表的步进衰减器与输入放大器的适当配合来实现 信号未经衰减器衰减和放大器放大的量程称为基本量程 基本量程的测量误差最小 量程变换有手动变换和自动变换两种 自动变换借助于内部逻辑控制电路来实现 2 显示位数数字电压表中能显示0 9十个数码的数位称为满位 否则 称为半位或1 2位 例如 最大显示数字为9 999的称为4位数字电压表 最大显示数字为19 999的称为位数字电压表 最大显示数字为39 999的称为位数字电压表 因为39 999的 六 DVM主要技术指标226 左边第一位可以显示的数字为0 3共4个数字 但可以作为有效数字的只有1 2 3共3个数字 而满位位数为4 故称之为位数字电压表 最大显示数字为11 999的也称为位数字电压表 因为由于量程限制等原因 虽然左边第二位在显示最大数字时只能显示为1 但在其他情况下也可以显示0 9这十个数字 该位仍为满位 而左边第一位则可以显示0 1共2个数字 故仍称之为位数字电压表 最大显示数字为19 999 39 999 11 999的数字电压表统称为4位半数字电压表 3 超量程能力超量程能力是指数字电压表在一个量程上所能测量的最大电压超出量程值的能力 是数字电压表的一个重要指标 数字 电压表有无超量程能力 要根据它的量程分挡情况以及能够显示的最大数字情况来决定 其计算式如下 例如 最大显示数字分别为9 999 19 999 5 999 11 999 对应量程分别为10V 20V 5V 10V的数字电压表的超量程能力分别为0 0 20 20 有了超量程能力 在有些情况下可以提高测量精度 例如被测电压为10 001V 若采用不具有超量程能力的4位DVM10V挡测量 读数为9 999V 用100V挡测量 读数为10 00V 这样就丢掉了0 001V的信息 若改用有超量程能力的四位半DVM10V挡测量 均可读出10 001V 显然提高了精度 2 分辨力分辨力即灵敏度 是指数字电压表能够反映出的被测电压最小变化值 实际上就等于所选量程最右边数字的一个单位 即末尾的 1 表示出的电压值 不同量程的分辨力不同 最小量程的分辨力最高 通常以最小量程的分辨力作为数字电压表的分辨力 例如 4位DVM在1V 10V量程上的分辨力分别为0 0001V 0 001V 则DVM的分辨力为0 0001V 这是因为 4位DVM的最大显示数字为9999 量程为1V 10V时 可以判断出满量程时的显示数字应分别为 9999 9 999 根据定义即可判断出上述分辨力的大小 3 测量误差数字电压表的测量误差通常以它的固有误差或工作误差来表示 属于允许误差 数字电压表的固有误差一般采用以下两种表示方法 U Ux Um 或 U Ux n字式中 Ux为被测电压读数值 Um为数字电压表量程满度值 Ux称为读数误差 随被测电压的变化而变化 称为相对项系数 固定项系数 Um n字 称为满度误差 量程确定后 满度误差为固定值 可用n字来表示 n字等于满度误差与末尾数字1个单位电压 即分辨力 的比值 例 某5位DVM在5V量程测得电压为2V 已知5V量程的固有误差计算式为 U 0 005 Ux 0 004 Um 试求DVM的固有误差 读数误差和满度误差各是多少 满度误差相当于几个字 解 因为DVM位数为5 且量程为5V 所以电压表末尾1个单位为0 0001V 读数误差为 0 005 Ux 0 005 2V 0 0001V满度误差为 0 004 Um 0 004 5V 0 0002V满度误差相当于 固有误差 0 0001V 0 0002V 0 0003V答 略 4 输入电阻和输入零电流数字电压表的输入电阻一般不小于10M 可达1G 一般情况下基本量程的输入电阻最高 为了提高数字电压表的