电子测量与仪器第五章电压测量数字万用表

1、电巫测字万用 I5.1电压测量概述52模拟直流电压测量53 电压的表征和测量54电压的数字式测量5.5数字多用表y仪器科修鸟工程系1AC fi AiAoRkot u3 ,对应三个量程，所串三个电阻 的阻值分别为：R严（UJQ-R,鸟=（匕）/”电压灵敏度通常把电压表的内阻与量程之比定义为电压表的电压灵 敏度（Q/V） o电压表在不同档位/量程，其内阻是不同的。 可以由电压灵敏度，算出在不同档位时的内阻。用普通电压表测量高输出电阻的直流电压Ro lOOkQ ：IIEI5VI+5RjERy + R。计算得到近似的实际值E。表头的缺点如果用内阻不同的两只电压表，或者同一电压表的不同电压档（可以知道其

2、量程比值或内阻比值）测量，可由两次测得值直流电子电压表为了改善普通表头的缺点（阻抗不高，不够灵敏），在表 头中加装跟随器（提高输入阻抗）或直流放大器（提高测量灵 敏度）。放大倍数A=l+Rm/RF图中R。、R、R2 R3组成分压器，由于FET源极跟随 器输入电阻很大(几百MQ以上)，因此由匕测量端看进去的 输入电阻基本上只由R。、RP R2 R3、等串联电阻决定， 通常使它们的串联电阻和大于10MQ ,以满足高输入阻抗 的要求。同时，在这种结构下，电压表的输入阻抗基本上 是个常量，与量程无关。(1) RO、RK R2、R3可以用更大的电阻。(2) 电压表输入阻抗基本为常数即流过电流表的电流厶与

3、被测电压成正比，只要分压 系数和Rf足够精确和稳定，就可以获得良好的准确度，因 此，各分压电阻及反馈电阻Rf都要使用精密电阻。、调制式直流放大器在上述使用直流放大器的电子电压表中，直流放大器的零 点漂移限制了电压表灵敏度的提高，为此，电子电压表中常采 用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使电子电压表 能测量微伏量级的电压。调制式直流放大器的原理：微弱的直流电压信号经调制器(又称斩波器)变换为交流信 号，再由交流放大器放大，经解调器还原为直流信号(幅度已 得到放大)。振荡器为调制器和解调器提供固定频率的同步控 制信号。两大特点：(1)抑制直流漂移 (2)采用交流选频，提高抗干扰能力.调制式

4、直流放大器的工作原理交流放大器一般米用选频放大器，只对与图中振荡器同频 率的信号进行放大而抑制其他频率的噪声和干扰。在实际直流 号子号压表中，还采用了其他措施以提高性能，比如在解调器 输出端和调制器输入端间增加负反馈网络以提高整机稳定性等。调制工作原理（斩波器）解调器工作原理：图中Kd是与调制器中心同步动作的机械式振 子开关或场效应管电子开关，C为隔直流电容，正是由于它的隔 直流作用，使放大器的零点漂移被阻断，不至传输到后面的直 流电压表表头。R为限流电阻，吟、C/成滤波器，滤波后得到放 大后的直流信号。解调工作原理Zb(d)5.3交流电压的帧和测量一、交流电压的表征交流电压除用具体的函数关系

5、式表达其大小随时间的 变化规律外，通常还可以用峰值、幅值、平均值、有效值 等参数来表征。1、峰值周期性交变电压%在一个周期内偏离零电平的最大 值称为峰值，用q表示。正、负峰值不等时分别用q”和 5表示。“在一个周期内偏离直流分量/的最大值称 为幅值或振幅，用Um表示，正、负幅值不等时分别用 匕+和表示。（峰值与振幅的区别）2、平均值%的平均值U的数学定义为U = 一 J utdt按照这个定义,u实质上就是周期性电压的直流分量&。在电子测量中，平均值通常指交流电压检波（也称 整流）以后的平均值，又可分为半波整流平均值（简称半 波平均值）和全波整流平均值（简称全波平均值）。未检波前电压波形半波整流

6、和全波整流后的波形全波平均值定义为_1 tU=tL 叽如不另加说明，本章所指平均值均为全波平均值。3、有效值在电工理论中曾定义：某一交流电压的有效值等 于直流电压的数值S当该交流电压和数值为U的直流 电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产 生的热量相等。则数学式可表示为实质上即数学上的均方根定义。4、波形因数、波峰因数交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系, 可分别用波形因数（或称波形系数）及波峰因数（或称波峰 系数）表示。波形因数为侨，定义为该电压的有效值与平均值之比波峰因数鸟，定义为该电压的峰值与有效值之比正弦波：峰值1，有效值1/A 平均值2/疗二0.6366二、交流电压的

7、测量方法1、交流电压测量的基本原理测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同。其中 最主要的是利用交流/直流(AC / DC)转换电路将交流电 压转换成直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。 根据AC/DC转换器的类型，可分成检波法和热电转换法。 根据检波特性的不同，检波法又可分成平均值检波、峰值 检波、有效值检波等2.模拟交流电压表的主要类型(1)检波一放大式在直流放大器前面接上检波器，就构成了检波一放大式电压表。这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。采用超高频检波二极管并在电表结构工艺上仔细设计， 可使这种电压表的频率范围从几十Hz到几百MHz，输入阻抗也较大。由此可以做成“高

8、频微伏表”it放大一检波式当被测电压过低时，直接进行检波误差会显著增大。为 了提高交流电压表的测量灵敏度，可先将被测电压进行放 大，而后再检波和推动直流电表显示，于是构成了放大一 检波式电压表。这种电压表的频率范围主要取决于宽带交 流放大器，灵敏度受到放大器内部噪声的限制。(3)调制式(高频测量)在前面分析直流电压表时即已提到，为了减小直流放大 器的零点漂移对测量结果的影响，可采用调制式放大器以 替代一般的直流放大器，这就构成了调制式电压表。实际 上这种方式仍属于检波一放大式。娠荡器检波二极管的非线性，限制了检波一放大式电压表的灵 敏度，因此虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般仅达到 mV级。

9、而对于放大一检波式电压表，由于受到放大器增益与 带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围却较窄， 一般在10MHz以下。同时两种方式测量电压时，都会由于干扰 和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。外差式电压测量法在相 当大的程度上解决了上述矛盾。输入电路中包括输入衰减器和 高频放大器，衰减器用于大电压测量，高频放大器带宽很大， 但不要求有很高的增益。两个矛盾：先检液,电压受检液器限制先放大”增益受放大器限制被测电压的放大主要由后面的中频放大器完成。被测信号经输入 电路，与本振信号一起进入混频器转变成频率固定的中频信号， 经中频放大器放大后进入检波器转变成直流电压推动表头显示。 由于中频放大器

10、具有良好的频率选择性和固定中频频率，从而解 决了放大器增益带宽的矛盾，又因为中频放大器的极窄的带通滤 波特性，因而可以在实现高增益的同时，有效地削弱干扰和噪声 （它们可认为是宽带的）的影响，使测量灵敏度提高到yV级。可于 制成“高频微伏表”。(5)热偶变换式(有效值测量)在对波形未知或波形复杂的电压测量时，例如对噪声电 压的测量、失真度测量，都要求能测出电压的真正有效值。 这种测量要求AC / DC变换器的输出与输入电压的有效值成 正比。利用二极管链式检波器可以实现这种功能，但频率范 围不大，一般为几十Hz到几百kHz。另外用得较多的是热偶 元件，其基本工作原理如下。热偶元件又称热电偶，是由两

11、种不同材料的导体所构成 的具有热电现象的元件。若将被测电压变换成热能加在热电 偶上，热电偶将产生相应的电势E=kU测量时要求消除热 电偶的非线性。电压9热能9加于热电偶产生热电势输入信号经宽带放大器放大后送入T1,产生热电势 E=kU?。巧经直流放大器A放大后加热平衡热电偶T2, T2 产生热电势Ef=k2Uo2 o与作为负反馈与El起加到放大器的 A端，直至E尸E,放大器保持输出不变。T1与T2完全相同时，E尸Ep实现了有效值的测量及测量的线性化。其它方法三.交流电压的测量（低频测量）交流电压测量通常把测量低频（1MHz以下）信号电压的 电压表称作交流电压表或交流毫伏表。这类电压表一般采用

12、放大一检波式，检波器有平均值检波器、有效值检波器和峰 值检波器。1、均值电压表平均值检波器原理：平均值检波器的基本釆用4只 性能相同的二极管构成桥式全波整流电路，图（c）是其 等效电路，整流后的波形为I如，整流器可等效为用串 联一电压源仏1, 为电流表内阻，C为滤波电容，滤 除交流成分。dt =+ RmRd为二极管正向电阻，Rm为电表内阻，上式忽略整流 管反向电流的作用。流经表头电流的平均值只与被测电压的平均值有关， 全波检波器响应反应被测电压的均值。检波灵敏度：表征均值检波器工作特性的一个重要参数是检波灵 敏度Sd，定义为对于全波桥式整流器，可导出k 2Rd + Rm 丿要提高测量灵敏度，应

13、减小心和Rm。输入阻抗：可以证明，对于全波均值整流器，其输入阻抗QR.I= 2RJ+-Rd2 m7T仍设他=5000, Rm = UQ （这是常规的数值），贝国 约为1.8kQ ,可见均值检波器输入阻抗很低。放大一检波式2、有效值检波器由式可见，为了获得有效值（均方根）响应，必须使AC/DC变换器具有平方律关系的伏安特性。这类变换 器有二极管平方律检波式、分段逼近式检波式、热电变 换式和模拟计算式等四种。二极管平方律检波式真空或半导体二极管在其正向特性的起始部分，具有 近似的平方律关系。图中为偏置电压，当信号电压叭较 小时，有i = kEQ +0（小式中k是与二极管特性有关的系数（称为检波系数

14、）由于电 容C的积分（滤波）作用,流过微安表的电流正比于i的平均值,I = kU2从而实现了有效值转换。3、峰值检波器峰值检波器输出的直流电压与输入交流信号峰值成比 例的检波器。分为串联式和并联式。串联式(W充电时间常数要短，放电时间常数要长并联式（具有隔直能 力，较常用）要求：充电时间常数RdC远小于放电时间常数Tmg，同时 放电时间常数RC要远大于输入信号中的最大周期Tmax。RCmax，R& A/D分类1）比较式：逐次逼近式，直接比较式，.2）积分式：双斜式，S-A, .2、双斜式A/D双斜式A/D通过控制积分器对被测信号及基准电压分别积 分，得到与输入电压平均值成正比的时间间隔。实现U

15、T 的转换。屯对被测信号国定时间叙今，后对固定电压定斜率张今Uo积分斜率固定积分器反向积分，过 零比较固定积分时间-r准备时钟周期几r2NT取样时间MIT2测量时间积分斜率与时间常数及被积信号有关.缺点：精度低、速度低优点：抗干扰能力强,对积分、时钟要求不高，灵敏度不错3、逐次逼近比较式A/D耆辆逐次比较式A/D主要电路单元有比较器、控制器、逐次 逼近寄存器SAR、缓冲寄存器、译码器和模/数(D/A)转 换器。(“天平”思想)T型电阻网络D/A变换原理：韦躍的T网辂Uo= I * 2R权电阻D/A变换原理:我是金餉磯器电虹激芜修正逐次逼近式A / D原理:3V/5V=0.6 (99H/FFH)

16、1001 1001结束置 02 = 0去码去码置5=0逐次逼近式A/D工作流程4、并联比较式A/D最快的A/D转换器编码器参考 信号输入 信号式A/D5.5数字多用表一、数字多用表（DMM的组成umOlxRx5直流数字电压表DVM将各种被测量变换为电压信号o二、多用表中的转换技术1、AC-DC转换器均值、有效值、峰值。前面介绍的转换方法。集成电路实现：按有效值的定义，用集成电路来实现，用集成电路 的乘法器、除法器能进行均方根运算。XY/ZT平均值电 路，输出再送入Z端。最终输出为输入信号的有效值。2、IU转换器R3内阻大信号I U转换器受Rs的影响，大信号要 用小电阻，小信号可能 要进行放大。

17、此时多采 用下一个电路。小信号I一U转换器运放具有高输入阻抗（受运放输岀电流限制, 不宜用来测量大电流）思考：怎么用万用表测电流?3、QU转换器（恒流法）Rs思考：如何用放大器组成电流源?采用跟随器加恒流输出管后，可增大恒流的调节范围。三、DMM的干扰及抑制由于DVM的灵敏度很高，因而对干扰的抑制能力就成为保证它的高精度测量能力的重要因素。干扰可分为随机性干扰和确定性干扰，确定性干扰可分为串模干扰和共模干扰两种。1、串模干扰串模干扰是指干扰电压4m以串联形式与被测电压匕迭加 后加到DVM输入端。图(a)表示串模干扰来自被测信号源内部, 图(b)表示串模干扰是由于测量引线受外界电磁场感应所引起

18、的。串模干扰一般来自被测信号本身，如稳压电源中的纹波、 测量线上的感应工频等，其频率范围从直流、低频到高频都 有可能。(a) 串模干扰来自被测信号源内部，(b) 串模干扰是由于测量引线受外界电磁场感应所引起串模干扰的抑制抑制串模干扰的方法有输入滤波法和积分平均法。输入滤波法是利用滤波器的特性把干扰频率分量滤除， 或是仅保留被测信号的频率分量。这会影响仪表的响应速度, 当被测信号与干扰同频率时，无法奏效。积分平均法是在一定时间内对被测信号进行积分，取平 均值，若干扰信号为平均值为零的干扰电压，则通过积分后 可抑制或减小干扰对测量结果的影响。在DVM中，采用双斜积分式的A/D对串模干扰有抑制作用。 当采样周期一定时，干扰信号的频率越高，积分的平均作用 越明显，抑制干扰能力越强。当干扰频率一定时，A/D的釆 样周期越长，串模