电子测量第3章模拟测量方法

第3章模拟测量方法,3.1电压测量概述1.电压测量的基本要求要求：(1)应有足够宽的频率范围(2)应有足够宽的电压测量范围(3)应有足够高的测量准确度(4)应有足够高的输入阻抗(5)应有足够高的抗干扰能力2.电压测量仪器的分类(1)模拟式电压表(2)数字式电压表,3.2交流电压的测量,3.2.1交流电压的表征1.峰值UP,2.平均值,(3.2.1),3.有效值,(3.2.2),波形系数,(3.2.3),(3.2.4),波峰系数,2.平均值,3.2.2交流电压的测量方法1.峰值电压表,2.平均值电压表,3.有效值电压表(1)热电转换法(2)公式法4.外差式电压表,3.2.3平均值电压的测量1.平均值检波器的工作原理,检波电路输出的直流电压正比于输入交流电压绝对值的平均值。,2.波形换算方法当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上取得的示值先除以定度系数，折算成正弦波电压（取绝对）的平均值；再按平均值相等示值也相等的原则，用波形系数换算出被测的非正弦波电压有效值。,平均值电压表的指针偏转角与被测电压的平均值,成正比，但仪表盘的刻度是按正弦波电压有效值刻度的，故电压表的在加正弦交流电压时的指示值为,定度系数,如果被测的是正弦波，又采用全波检波电路，若已知正弦波电压有效值电压为1V，则全波检波后的平均电压为，故,若被测的非正弦波电压，则,再利用波形系数KF救出被测电压的有效值，即,非正弦波电压的有效值表：（略）,例3.2.1用平均值表（全波式）分别测量方波及三角波电压，电压表均指在10V位置，问被测电压的有效值分别是多少？对于方波，先将示值（10V）折算成正弦波的平均值,再用波形系数换算成有效值：,对于三角波，因示值与方波相同，表明它的平均值也是9V，有效值,3.误差分析,测量非正弦波电压时会存在波形误差，假设以平均值表的示值直接作为被测电压的有效值时，则示值绝对误差：,示值相对误差：,4.平均值检波器电压表,3.2.4有效值电压的测量1.有效值电压表原理,电压有效值的定义：,二极管的伏安特性：,对于周期对称的电压，有,若设法抵消的影响，则送到电流表的电流为,另一种有效值转换的方法是利用热电偶来实现的。,热电偶式有效值电压表原理框图,利用模拟运算电路实现有效值电压的测量,隐含计算式RMS转换器原理框图,直流反馈计算式RMS转换器原理框图,经积分器后的输出电压为,单片半导体加热式RMS转换器,2.有效值检波器电压表,AD536型RMS转换器原理框图,AD536型RMS转换器的连接图,3.2.5峰值电压的测量1.峰值表原理,要求：,2.误差分析(1)理论误差绝对误差,相对误差,(2)频率误差,(3)波形误差,3.波形换算方法,刻度盘上的指示值为：,定度系数,若被测的是正弦波时，有,正弦波的波峰系数为,若被测的是非正弦波时，有,Ux的有效值,对于三角波，,例3.2.3用峰值表分别测量方波及三角波电压，电压表均指在5V位置，问被测电压有效值是多少？对于方波，,4.高精度峰值检波器,3.2.6脉冲电压的测量1.脉冲电压表的原理电容器C充电时,放电时,电路平衡时Q1=Q2,理论误差,代入Up后得,脉冲保持电路及波形图,2.高压脉冲幅值的测量,单脉冲电压正峰值保持电路,3.尖脉冲峰值电压的测量,4.用示波法测量脉冲电压,5.测量脉冲电压应注意以下几点：(1)测量脉冲幅度宜用交流耦合方式，并需注意极性(2)观测方波信号时应选用频带较宽的示波器,6.脉冲测量时电缆的终端匹配问题在实际测量过程中，容易产生以下两点错误：在示波器一端，除了示波器的输入阻抗之外，电缆的终端未得到匹配,在脉冲发生器的输出端用一个外加的50电阻器和50电缆相连接，而在示波器输入端电缆终端未得到匹配,3.3噪声电压的测量,3.3.1噪声的基本特性,3.3.2用平均值表测量噪声电压,3.3.3器件和放大器噪声的测量,1.等效输入噪声Uni的测量(1)正弦信号法,(2)噪声发生器法,(3)两种测量方法的比较(4)测量噪声时需要考虑的问题带宽的影响,平均值和波形系数测量时间的影响由于白噪声呈高斯正态分布，为避免噪声波峰被削掉，测量过程中表头示值不得超过满刻度值的一半。,3.噪声带宽的测量(1)正弦信号法,(2)噪声发生器法,3.信噪比的测试,4.噪声系数的测量,(1)利用噪声发生器测量噪声系数,(2)正弦信号法,5.集成运算放大器噪声参数的测量(1)测试原理,电压噪声,电流噪声,(2)运算放大器Uni的实用测量电路,(3)输入噪声电流I-和I+的测量,3.4分贝的测量,3.4.1数学定义1.功率之比的对数分贝(Db),2.电压比的对数,3.绝对电平(1)功率电平dBm,(2)电压电平dBV,4.音量单位(VU),3.4.2分贝值的测量,分贝刻度,3.5失真度的测量,3.5.1非线性失真的定义全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比,3.5.2失真度测量仪基本工作原理,3.5.3有源陷波电路,1.双T形电路构成的无源陷波器,2.双T形有源陷波器,例:设计一个双T形陷波器，要求在1000Hz时陷波，且陷波器的3dB带宽为50Hz。,取C=103,RT=10K,3.由RC文氏电桥组成的陷波器电桥的元件参数关系为R1=2R2,C1=C2=C,R3=R4=R,采用由文氏电桥组成的有源陷波电路,3.5.4失真度测量仪举例1.基本工作原理,仪器指示的失真度,当失真度小于10%时，当失真度大于10%时，应按下式加以计算修正,2.失真度测量的误差分析(1)仪器指示的失真度与理论失真度的偏差(2)失真仪中的基波抑制网络很难做到将基波分量全部滤除，也很难做到对二次以上的谐波一点不衰减，这也会造成一定的测量误差。(3)测试仪器本身也会由于许多原因而产生误差。(4)由电压表读出的失真度应扣除仪器本身的失真度。(5)若采用峰值或平均值电压表，则会引入一定误差(6)陷波滤波器(7)其它,3.6功率的测量3.6.1音频与较高频信号功率的测量在较高频率时，可采用吸收型功率表测量功率。,基本的量热式功率表，被测信号把电阻器加热，使其温度上升。,测热计电桥,热电偶功率表,二极管功率表,3.6.2误差分析3.6.3功率表实例射频功率表,3.7Q值的测量,3.7.1Q表的工作原理,被测线圈振荡波形图,3.7.2用虚、实部分分离法测量阻抗,1.测量原理,阻抗的虚、实部分离电路原理框图,2.阻抗测量电路,输出电压与量程及被测参数的关系表,3.使用时的注意事项运算放大器及乘法器应注意调标准信号源Es要始终保证1V测量电容时，标准信号源的频率为1KHz测量电感与电阻时，标准信号源的频率为10KHz,一、电桥法,电桥平衡条件为,ZXZ4Z2Z3（7.10）,根据上式，可以计算出被测元件ZX的量值。电桥平衡时有,（7.11）,（7.12）,当被测元件为电阻元件时，取ZX=RX，Z2=R2，Z3=R3，Z4=R4，则图7.12所示为一个直流电桥，且有,RXR2R3R4(7.13),测量小电阻的准确度可做到10-5。,3.7.3电感、电容的测量,1.电桥法测电容,测量电容时，桥体连接成图7.14所示的串联电容电桥(维恩电桥)。根据电桥的平衡条件：ZXZ4Z2Z3，可导出,（7.14）,由实部相等可得,由虚部相等可得,（7.16）,（7.17）,（7.15）,3.电桥法测电感,测量电感时，桥体连接成如图7.15所示(麦克斯威电桥)。被测电感接在1、2两端，LX是它的电感量RX是它的等效串联损耗电阻。当电桥平衡时由平衡条件可以导出：,LX=R2R3C4,RX=R2R3/R4,Q=C4R4,这里只例举了两种电桥。实际上，不同厂家、不同型号的产品，综合了多种不同特点的电桥以获得更好的性能。表7.3给出了常用的各种电桥的基本线路、特点和平衡条件。,电桥设计要点：,为结构简单，设计两臂为电阻。,相邻两臂为电阻，另两臂则为同性阻抗,相对两臂为电阻，另两臂则为异性阻抗,为易平衡：,多采用标准电容作标准电抗（它比标准电感精度高）,二、谐振法（Q表）,当回路达到谐振时，有,且回路总阻抗为零，即,将回路调至谐振状态，根据已知的回路关系式和已知元件的数值，求出未知元件的参量。,1谐振法测电感,2.谐振法测量电容,替代法测电容,在不接CX的情况下，将可变电容C调到某一容量较大的位置，设其容量为C1，调节信号源频率，使回路谐振。然后接入被测电容CX，信号源频率保持不变，此时回路失谐，重新调节C使回路再次谐振，这时C为C2，那么被测电容CX=C1-C2。,3.Q表的工作原理,Q表是由一个频率可变的高频振荡器，一只标准的可变电容器和一个高阻抗的电子电压表组成。当谐振电路谐振时，电容(或电感)上的电压：,Q=XC/R=1/R2f0C,Q=us/uc,除了从电压表读出Q值外，还可以由振荡器和电容器的刻度盘