第3章 模拟测量方法

电子测量技术,第3章模拟测量方法,电子测量技术,3.1电压测量概述,1电压测量的意义,电压测量是电测量与非电测量的基础；电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率其中：电流、功率电压，再进行测量电路工作状态：饱和与截止，线性度、失真度电压表征非电测量中，物理量电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度,电子测量技术,3.1电压测量概述,2电压测量的特点,应有足够宽的频率范围被测电压的频率可从直流（零频）到数百兆赫，低频1MHZ以下，高频（射频）1MHZ以上应有足够宽的电压测量范围微弱信号：心电医学信号、地震波信号纳伏级，超高压信号：电力系统中，数百千伏,电子测量技术,应有足够高的测量准确度电压测量仪器的准确度可用三种方式表示1满度值的百分数，用于具有线性刻度的模拟电压表中2读数值的百分数，用于具有对数刻度的电压表3两者之和，用在线性刻度电压表中的一种比较严格的准确度表征应有足够高的输入阻抗电压表的输入阻抗是被测电路的额外负载，为减小测量仪表在接入时对被测电路的分压影响，希望仪器具有较高输入阻抗应有足够高的抗干扰能力工业现场测试中，有较大的干扰,3.1电压测量概述,电子测量技术,3.1电压测量概述,3电压测量的方法和分类,电压测量方法的分类按对象：直流电压测量；交流电压测量按技术：模拟测量；数字测量,电压测量仪器的分类模拟式电压表；数字式电压表,电子测量技术,3.2交流电压的测量,1表征交流电压的基本参量,峰值、平均值、有效值、波峰系数和波形系数。,峰值,以零电平为参考的最大电压幅值（用Up表示）。注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）。,电子测量技术,3.2交流电压的测量,平均值（均值）数学上定义为：相当于交流电压u(t)的直流分量。交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(t)，若=2/T,电子测量技术,定义：交流电压u(t)在一个周期T内，通过某纯电阻负载R所产生的热量，与一个直流电压V在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压V的数值就表示了交流电压u(t)的有效值。表达式：,3.2交流电压的测量,有效值,意义：有效值在数学上即为均方根值。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(t)，若=2/T,电子测量技术,3.2交流电压的测量,波峰系数和波形系数波峰系数定义：峰值与有效值的比值，用KP表示，,波形系数定义：有效值与平均值的比值，用KF表示，,电子测量技术,3.2交流电压的测量,对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(t)，若=2/T对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(t)，若=2/T,电子测量技术,3.2交流电压的测量,常见波形的波峰系数和波形系数可查表得到：如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11；方波：Kp=1，KF=1；三角波：Kp=1.73，KF=1.15；锯齿波：Kp=1.73，KF=1.15；脉冲波：Kp=，KF=，为脉冲宽度，T为周期白噪声：Kp=3（较大），KF=1.25。,电子测量技术,3.2交流电压的测量,2交流电压的测量方法,模拟电压表检波器是实现交流电压测量（AC-DC变换）的核心部件，同时，为了测量小信号电压，放大器也是电压表中不可缺少的部件，因此，组成方案有两种类型：一种是先检波后放大，称为检波-放大式；一种是先放大后检波，称为放大-检波式。模拟电压表的两个重要指标：带宽和灵敏度(分辨力)。,电子测量技术,3.2交流电压的测量,检波器决定电压表的频率范围、输入阻抗和分辨力。峰值电压表常用这种类型。,检波-放大式电压表,a.组成框图;b.提高灵敏度措施,电子测量技术,3.2交流电压的测量,检波器为提高频率范围，采用超高频二极管检波，其频率范围可从直流到几百兆赫，并具有较高的输入阻抗。检波二极管的正向压降限制了其测量小信号电压的能力（即灵敏度限制），同时，检波二极管的反向击穿电压对电压测量的上限有所限制。为减小高频信号在传输过程中的损失，通常将峰值检波器直接设计在探头中。放大器采用桥式直流放大器，它具有较高的增益。直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。,电子测量技术,3.2交流电压的测量,为提高灵敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斩波稳零式直流放大器，其灵敏度可达几十微伏。称之为“调制式电压表”，如国产HFJ-8型高频毫伏表，最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。主要指标：检波-放大式电压表常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表”。如国产DA36型超高频毫伏表，频率范围为10kHz1000MHz，电压范围（不加分压器）1mV10V。国产HFJ-8型高频毫伏表（调制式），最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。,电子测量技术,3.2交流电压的测量,放大-检波式电压表先放大再检波，因此灵敏度很高。均值电压表常用这种方式。,放大器宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为10MHz。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表”。灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制。,电子测量技术,有效值电压表：热电转换法；公式法外差式电压表原理外差式接收原理。,3.2交流电压的测量,电子测量技术,3.2交流电压的测量,特点大大提高灵敏度（可达-120dB，相当于0.775V）。常称为“高频微伏表”。如DW-1型，频率范围为100kHz300MHz，最小量程15V。应用小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。放大器谐波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。,电子测量技术,平均值检波原理由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。如图，整流电路输出直流电流I0，其平均值与被测输入电压u(t)的平均值成正比（与u(t)的波形无关）。（电容C用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）,3平均值电压的测量,3.2交流电压的测量,电子测量技术,原理均值响应，即：u(t)放大均值检波驱动表头刻度特性表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度。因此：当输入u(t)为正弦波时，读数即为u(t)的有效值U（而不是该纯正弦波的均值）。对于非正弦波的任意波形，读数没有直接意义（既不等于其均值也不等于其有效值U）。但可由读数换算出均值和有效值。,3.2交流电压的测量,电子测量技术,由读数换算出均值和有效值的换算步骤如下：第一步，把读数想象为有效值等于的纯正弦波输入时的读数，即第二步，由计算该纯正弦波均值第三步，假设均值等于的被测波形（任意波）输入，即注：“对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等”。第四步，由，再根据该波形的波形系数（查表可得），其有效值,3.2交流电压的测量,电子测量技术,上述过程可统一推导如下：上式表明，对任意波形，欲从均值电压表读数得到有效值，需将乘以因子k。（若式中的任意波为正弦波，则k=1，读数即为正弦波的有效值）。,3.2交流电压的测量,电子测量技术,综上所述，对于任意波形而言，均值电压表的读数没有直接意义，由读数到均值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：式中，为均值电压表读数，KF为波形系数。波形误差。若将读数直接作为有效值，产生的误差,3.2交流电压的测量,电子测量技术,例：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,3.2交流电压的测量,电子测量技术,3.2交流电压的测量,误差分析,电子测量技术,3.2交流电压的测量,有效值检波原理利用二极管平方律伏安特性检波根据为得到有效值,首先需对u(t)平方小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系。缺点：精度低且动态范围小。因此，实际应用中，采用分段逼近平方律的二极管伏安特性曲线图的电路。,4有效值电压的测量,电子测量技术,3.2交流电压的测量,利用模拟运算的集成电路检波原理图通过多级运算器级连实现模拟乘法器（平方）积分开方比例运算。单片集成TRMS/DC电路，如AD536AK等。,电子测量技术,3.2交流电压的测量,利用热电偶有效值检波热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个闭合回路，当两节点处温度不同时，回路中将产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，所产生的电动势称为热电动势。热电效应原理图当热端T和冷端T0存在温差时（即TT0），则存在热电动势，且热电动势的大小与温差T=T-T0成正比。,电子测量技术,3.2交流电压的测量,热电偶：将两种不同金属进行特别封装并标定后，称为一对热电偶（简称热偶）。热电偶温度测量原理：若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势就可得到热端（被测温度点）的温度。热电偶有效值检波原理：若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，则热电动势将反映该交流电压的有效值，从而实现了有效值检波。如下图。,电子测量技术,3.2交流电压的测量,热电偶有效值检波原理图图中，直流电流I与被测电压u(t)的有效值U的关系：电流I热电动势热端与冷端的温差，而热端温度u(t)功率u(t)的有效值U的平方，故,电子测量技术,3.2交流电压的测量,表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别称为测量热电偶和平衡热电偶，如下图。,电子测量技术,上图中，通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。测量热偶的热电动势ExU2，令Ex=k1U2；平衡热偶的热电动势EfU02，及Ef=k2U02；假如两对热偶具有相同特性，即k1=k2=k，=则差分放大器输入电压Ui=Ex-Ef=k(U2-U02)，若放大器增益足够大，则有Ui=0，=U0=U（即输出电压等于u(t)有效值）,3.2交流电压的测量,电子测量技术,3.2交流电压的测量,有效值电压表的特点理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。比如，对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成，若其有效值分别为U1、U2、U3、，则读数但实际有效值电压表，下面两种情况使读数偏小：对于波峰系数较大的交流电压波形，由于电路饱和使电压表可能出现“削波”；高于电压表有效带宽的波形分量将被抑制。它们都将损失有效值分量。缺点：受环境温度影响较大，结构复杂，价格较贵。实际应用中，常采用峰值或均值电压表测有效值。,电子测量技术,3.2交流电压的测量,原理峰值响应，即：u(t)峰值检波放大驱动表头刻度特性表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度。因此：当输入u(t)为正弦波时，读数即为u(t)的有效值U（而不是该纯正弦波的峰值Up）。对于非正弦波的任意波形，读数没有直接意义（既不等于其峰值Up也不等于其有效值U）。但可由读数换算出峰值和有效值。,4峰值电压的测量,电子测量技术,3.2交流电压的测量,由读数换算出峰值和有效值的换算步骤如下：第一步，把读数想象为有效值等于的纯正弦波输入时的读数，即第二步，将U转换为该纯正弦波的峰值第三步，假设峰值等于Up的被测波形（任意波）输入，即注：“对于峰值电压表，（任意波形的）峰值相等，则读数相等”。第四步，由，再根据该波形的波峰系数（查表可得），其有效值,电子测量技术,3.2交流电压的测量,上述过程可统一推导如下：该式表明：对任意波形，欲从读数得到有效值，需将乘以因子k。（若式中的任意波为正弦波，则k=1，读数即为正弦波的有效值）。,电子测量技术,3.2交流电压的测量,综上所述，对于任意波形而言，峰值电压表的读数没有直接意义，由读数到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：式中，为峰值电压表读数，Kp为波峰系数。波形误差。若将读数直接作为有效值，产生的误差。,电子测量技术,例: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，,3.2交流电压的测量,对于三角波，,电子测量技术,5脉冲电压的测量,3.2交流电压的测量,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,电子测量技术,理论误差,代入Up后得,3.2交流电压的测量,电子测量技术,电子测量中，习惯上把信号电压以外的电压统称为噪声。产生：电子电路中，各种元器件内部带电质点运动的不规则造成的现象。分类热噪声：材料一定温度下，内部微粒不规则的热运动产生散粒噪声：电荷运动的不连续产生的晶体管噪声统称为白噪声：各频率能量分布均匀性质：随机信号、波形非周期、变化无规律,3.3噪声电压的测量,1噪声的基本特性,电子测量技术,采用平均值表测量。波形系数有效值注意问题：选用表频率范围尽量宽利用量程开关，克服“削波”现象,2噪声电压的测量,3.3噪声电压的测量,电子测量技术,3器件噪声的测量,3.3噪声电压的测量,电子测量技术,3.3噪声电压的测量,正弦信号法,噪声发生器法,电子测量技术,3.3噪声电压的测量,噪声带宽的测量,正弦信号法,电子测量技术,3.3噪声电压的测量,噪声发生器法,信噪比的测试,电子测量技术,分贝声学中，分贝是表示音量强弱的一个单位。通信系统中，也常用分贝表示电平或功率。当用分贝表示功率时，定义为：当用分贝表示电压时，由功率与电压的关系：和当R1=R2时，有,3.4分贝的测量,电子