第3章 模拟测量方法

第三章模拟测量方法,本章使用的主要仪器,模拟万用表数字万用表,有效值数字万用表图形万用表多重显示数字多用表,台式数字多用表,有效值电压(电平)表,超高频毫伏表,视频毫伏表,3.1电压测量概述,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,1、电压测量的基本要求(1)应有足够宽的频率范围低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。(2)应有足够宽的电压测量范围微弱信号:心电医学信号、地震波等,纳伏级（10-9V）；超高压信号：电力系统中，数百千伏。(3)应有足够高的测量准确度,（1）%Vm，即精确到满度值的百分数，一般具有线性刻度的模拟电压表中都采用这种方式，也是最常用的方式。（2）%Vx即精确到读数值的百分数，这种方式在对数刻度的电压表中用得最多。（3）%Vm+%Vx是目前用在具有线性刻度电压表的一种较严格的精确度表征，数字电压表都用这种方式。,(4)应有足够高的输入阻抗：希望仪器具有较高的输入阻抗。(5)应有足够高的抗干扰能力：根据被测电压的特点全面考虑，有所侧重。,2.电压测量仪器的分类(1)模拟式电压表有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。(2)数字式电压表数字电压表（DVM），数字多用表（DMM）,3.2交流电压的测量,3.2.1交流电压的表征一个交流电压的大小，可用平均值、峰值和有效值等多种方式来表示。峰值的基本概念交流电压的峰值，是指交流电压u(t)在一个周期内（或一段观察时间内）电压所达到的最大值。用（或Up）表示。,平均值的基本概念平均值一般用表示，在数学上定义为式中T被测信号的周期；u(t)被测信号，为时间的函数。对于一个纯粹的交流电压，正半周和负半周完全相同时，等于零。此时，无法用平均值来表征电压的大小。交流电压的测量中，交流电压的平均值是指经过测量仪器的检波器后的全波平均值。定义为,(3.2.1),有效值的基本概念定义：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：直流电压V在T内电阻R上产生的热量Q_=I2RT=交流电压u(t)在T内电阻R上产生的热量Q=由Q_=Q得，有效值：U=,(3.2.2),各类交流电压表的示值，除特殊情况外，都是用正弦有效值来度的。,图5.2正弦波参数表示图,交流电压量值的相互转换波形因数KF电压的有效值与平均值之比称为波形因数KF，即波峰因数KP交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数KP，即,(3.2.3),(3.2.4),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,由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。,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,分析工作情况：假定被测电压为u(t)，二极管正向电阻为RZ，反向电阻为Rf，表头内阻为Rg,在u(t)的正半周时，V1、V4导通，V2、V3截止；负半周时，V1、V4，截止V2、V3导通。在一个周期内，正向导通电流的平均值，反向截止电流的平均值及流过表头的实际平均电流。,结论：表头流过的电流值与检波器的输入电压的平均值成正比故称这种检波器为平均值检波器。图中表头跨接滤波电容的作用是滤除检波器输出电流中的交流成分，使指针稳定不晃动。,原理均值响应，即：u(t)放大均值检波驱动表头表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度。,2波形换算（1）定度系数几乎所有的交流电压表都是按照正弦波有效值定度的。按正弦波有效值定度是指在检波器的输入端加上不同幅度的标准正弦波，不管表头指针偏转响应于正弦波的什么特征值，而在表头的刻度盘上一律按正弦波有效值标度。显然如果检波器不是有效值响应，则在其标称值（即读数U）与实际响应值之间存在有一个系数，这个系数称为定度系数，记作K对于均值响应检波器有，,如果用均值响应检波器构成的电压表测量纯正弦波电压，那么其读数U就是被测正弦波的有效值；如果去测量任意波形的电压，那么其读数并无直接的物理意义,对于均值响应检波器有：,可是我们又想获得被测波形的有效值怎么办?,均值电压表有一个原则即是:均值相同,示值也相同,方法?,将示值看作是一个正弦波电压的有效值,按定度系数折算出正弦波的均值,依据“均值相同,示值也相同”原则,我们知道该均值也是非正弦波的均值,然后我们再根据波形系数换算出非正弦波的有效值.,2、波形换算波形因数表征同一个信号的有效值与平均值的关系，把一个信号电压的有效值与平均值之比称为波形因数。用KF表示。,对于测量正弦波的均值响应检波器KF=K，信号电压波形不同，波形因数也不同。常用的波形因数有：正弦波KF=1.11，方波KF=1，三角波KF=1.15。,波形换算的方法当用均值电压表测量纯正弦波电压，其示值U就是被测电压正弦波的有效值，不用换算。如果测量非正弦波电压时，示值要经过换算，那么才能得到被测电压的有效值。方法是先用“平均值相等示值也相等”的原则将示值U折算成被测电压的平均值：再用被测电压的波形因数，计算出被测电压的有效值：,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,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为波形因数。,3全波均值表的误差（1）可能引起的误差指示电流表自身误差，检波二极管性能参数变化，被测电压超过频率范围及所测波形不同都会带来误差。（2）测量不同波形的误差当示值作为被测电压的有效值时所引起的绝对误差为：,由此得出这个结论，用均值型电压表测量非正弦波时，把示值当作被测量电压的有效值将会带来较大的误差。只有通过换算才能得到非正弦波的有效值。,所以,4.平均值检波器电压表,3.2.5峰值电压的测量1.峰值表原理,由二极管峰值检波电路完成。有二极管串联和并联两种形式。如下图。,通过二极管正向快速充电达到输入电压的峰值，而二极管反向截止时“保持”该峰值。,若被测正弦波电压Vx(t)为正半周时，忽略二极管正向导通电压，二极管导通，Vx(t)通过二极管D对电容器C充电，选择RCTmin，那么电容C两端电压迅速充到接近Vx(t)的峰值Vp。当Vx(t)为负半周时，二极管截止，电容C储存的电压通过电阻R放电，选择RCTmax，那么放电很缓慢。如图可见，电容C两端电压的平均值近似等于被测电压峰值Up。经滤波后去驱动电流表，则电流表的指示值正比于Up，也就是说，这种检波器是峰值响应的。,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,思考：3.7,“峰值相等则读数相等”,峰值电压表也是按正弦波有效值刻度的(除脉冲电压表等以外).因此为了得到非正弦波的有效值也必须找到一个转换的桥梁,那就是:,进行波形变换,波峰因数为了表征同一个信号的峰值与有效值的关系，把交流电压的峰值与有效值之比称为峰值因数。用KP表示。,峰值记为UP；正峰值UP+；负峰值UP-振幅值Um。常用的波峰因数有：正弦波KP=，方波KP=1，三角波KP=。,3.波形换算,当用峰值电压表测量任意波形的电压时，其读数乘以时，才等于被测电压的峰值按“峰值相等则读数相等”的原则,利用波峰因数求得被测波形的有效值,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，,对于三角波，,练习用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压，读数为1.0V，问如何从该读数得到方波电压的有效值？,答案：解根据上述峰值电压表的刻度特性，由读数=1.0V，第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值=1.0V；第二步，该正弦波的峰值=1.4V；第三步，将方波电压引入电压表输入，其峰值Vp=1.4V；第四步，查表可知，方波的波峰因数Kp=1，则该方波的有效值为：V=Vp/Kp=1.4V。,【练习】用全波式均值表测量测量三角波电压，读数为20V，问被测电压的平均值、有效值、峰值为多少？,4.高精度峰值检波器,3.2.4有效值电压的测量,有效值直流变换电路有分段逼近式检波器、热电偶式变换电路和模拟计算式变换电路。,1.有效值电压表原理,（1）分段逼近式检波器采用二极管的链式电路，适当选择直流电源和分压电阻值，使二极管轮流导通，获得近似平方律的伏安特性。,（2）热电偶式变换电路有效值直流变换电路是根据热电变换原理来完成交流电压有效值到直流电流之间变换的。,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。,利用热电偶有效值检波热电偶：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。,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V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V的平方，故，,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。,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ExV2，令Ex=k1V2；平衡热偶的热电动势EfVo2，及Ef=k2Vo2；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Vi=Ex-Ef=k(V2-Vo2)，若放大器增益足够大，则有Vi=0，=Vo=V（即输出电压等于u(t)有效值）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）。,（3）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,单片半导体加热式RMS转换器,2.有效值检波器电压表单片集成TRMS/DC电路，如AD536AK等,AD536型RMS转换器原理框图,AD536型RMS转换器的连接图,（1）输入阻抗高，可达数兆欧姆，工作频率宽，高频可达数百MHz以上，低频小于10KHz。（2）读数按正弦有效值刻度，只有测量正弦电压时，其有效值才是被测波形得真正有效值。测量非正弦电压时，其有效值必须通过波形换算获得。（3）波形误差大。（4）读数刻度不均匀，因为它是在小信号时进行检波。,三种检波方式电压表的比较,1.峰值电压表,2.均值电压表,（1）均值检波器的输入阻抗低，必须采用过阻抗变换来提高电压表的输入阻抗。工作频率一般为20Hz1MHz。（2）读数是按正弦波有效值刻度，只有测量正弦电压时，读数才正确，若测量非正弦电压，也要进行波形换算。（3）波形误差相对不大。（4）因为是对大信号进行检波，读数刻度均匀。,3.有效值电压表,（1）读数是按正弦电压有效值刻度，测量正弦波或非正弦电压的有效值，可直接从表上读数，无需换算。（2）输入阻抗高，工作频率在峰值与均值电压表之间。高频可达几十MHz，低频小于50Hz。,作业3.23.33.7思考3.53.6,题3.5解根据电压表的刻度特性，可以确定其检波方式，举例如下（1）用方波作为测试信号，已知方波的，用被检电压表测量这个电压。若读数则该表为峰值表。若读数则该表为均值表。若读数则该表为有效值表。,题3.7解应选用均值表因为峰值电压表对被测信号波形的谐波失真所引起的波形误差非常敏感，而均值表的波形误差与峰值表相比要小得多。,题3.2解利用波形系数和波峰,系数进行换算,正弦波的读数即为有效值1V,平均值,峰值,用平均值电压表测量各种波形，根据“示值相等平均值也相等”的原则，方波和三角波的平均值也为0.9V。,方波的有效值方波的峰值三角波的有效值三角波的峰值,题3.3解（1）峰值表的读数正弦波有效值刻度的峰值表的读数UaUP/KP，三种波形的UP均为10V，故它们在峰值表上的读数均为7.07V。（2）均值表的读数,（2）均值表的读数均值表以正弦波有效值刻度时,其读数，对正弦波故读数为对方波故读数为对三角波故（3）有效值电压表的读数,这种表测任何波形电压都可直读有效值，对正弦波，故读数,对方波故读数Ua=10V对三角波故读数Ua=5.78,3.2.6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,3.3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。,3.4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