电子测量,曾涛或王化深第五章

1、第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 一、概述 二、交流电压的测量 三、电压测量的数字化方法 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 一、概述一、概述 电压是电子电路中的一个主要参量，是其它许多电压是电子电路中的一个主要参量，是其它许多 电参量测量、非电测量的基础。电参量测量、非电测量的基础。 例如：功率测量，例如：功率测量，P=V2/R=IV=I2R，归于电压的测量。，归于电压的测量。 失真系数：失真系数： 1 2 2 v v D n i i V V0 调幅系数：调幅系数：m=V /V0 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 对电压测量的要求：对电压测量的要求： 其实质为对电压测量设备的

2、要求其实质为对电压测量设备的要求 1、测量准确度：要求测量误差小。、测量准确度：要求测量误差小。 电压测量仪器的测量准确度表示方式有以下三种：电压测量仪器的测量准确度表示方式有以下三种： 满度值百分数：满度值百分数： %Vm 读数值百分数：读数值百分数： %Vx %Vm+ %Vx 一般用于线形一般用于线形 刻度模拟电压表刻度模拟电压表 用于具有对数用于具有对数 刻度的电压表刻度的电压表 用于数字电压表用于数字电压表 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 2、频带宽：交流电压、频带宽：交流电压 几几Hz几百几百Hz 几十几十HzGHz 3、量程广：十分之几、量程广：十分之几V、几个、几个mV几

3、十几十kV 4、输入阻抗：应足够高，以避免对被测电路的、输入阻抗：应足够高，以避免对被测电路的 影响。影响。 5、应具有高抗干扰能力。、应具有高抗干扰能力。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 电压测量仪器分为：模拟式及数字式电压表。电压测量仪器分为：模拟式及数字式电压表。 分类分类 二、交流电压的测量二、交流电压的测量 交流电压测量的核心是交流电压测量的核心是AC/DC变换，此部分是带有变换，此部分是带有 共性的，即模拟式和数字式电压表都必须完成这一共性的，即模拟式和数字式电压表都必须完成这一 变换过程。变换过程。 模拟式电压表模拟式电压表 先检波，后放大先检波，后放大 先放大，后检波先

4、放大，后检波 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 表征交流电压的参数有：表征交流电压的参数有： 所以有三种检波方式的电压表，根据检波方式的不同，所以有三种检波方式的电压表，根据检波方式的不同， 有三种电压表。有三种电压表。 V 均值均值 峰值峰值 p V 有效值有效值V 峰值电压表峰值电压表 均值电压表均值电压表 有效值电压表有效值电压表 （一）、模拟式电压表（一）、模拟式电压表 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 1、峰值检波式电压表、峰值检波式电压表 T xp tvV 0 )(max 电路形式电路形式 步进步进 分压器分压器 斩波式斩波式 直流放大器直流放大器 峰值检波器（探头）峰

5、值检波器（探头） 先检波、后放大先检波、后放大 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 高频电压测量高频电压测量 时误差较小时误差较小 检波电路形式检波电路形式 I、串联型检波串联型检波 + _ Vo（t） Vx（t） II、并联型检波并联型检波 + _ Vx（t） Vo（t） 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 刻度特性刻度特性 =I0 Vp表头的刻度：以正弦有效值刻度。表头的刻度：以正弦有效值刻度。 =V（正弦波有效值）（正弦波有效值） 波峰因数：波峰因数： V V K p p =V（正弦有效值）（正弦有效值）=Vp/Kp（正弦波峰因数）（正弦波峰因数） 第五章第五章 电压测量技术电压

6、测量技术 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 例例： 用一块峰值电压表测量一个方波电压，读数为用一块峰值电压表测量一个方波电压，读数为10 V ， 问该方波电压的有效值为多少？问该方波电压的有效值为多少？ 解：解： 被测方波电压的峰值为被测方波电压的峰值为 VKaV PP 1 .14102 方波电压的波峰因数方波电压的波峰因数1 P K 故故 V K V V P P x 1 . 14 2、均值电压表、均值电压表 dtV T V T tx 0 )( 1 电路形式电路形式 输入输入 宽带放大器宽带放大器检波检波 A 先放大、后检波先放大、后检波 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 大信号检

7、波时线性较大信号检波时线性较 好，波形误差较小好，波形误差较小 刻度特性刻度特性 =I 0 ，与波形无关，与波形无关 V 表头的刻度：以正弦有效值刻度。表头的刻度：以正弦有效值刻度。 =V（正弦波有效值）（正弦波有效值） 波形因数：波形因数： V V KF =V（正弦有效值）（正弦有效值）=KF（正弦波形因数）（正弦波形因数）V 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 例例： 用一块平均值电压表测量一个三角波电压，读数为用一块平均值电压表测量一个三角波电压，读数为 1 V ，问该三角波电压的有效值为多少？，问该三角波电压的有效值为多少？ 解：解： 三角波

8、的均值为三角波的均值为 V K a V F x 9 . 0 11. 1 1 ( 正弦波）正弦波） 三角波的波形因数三角波的波形因数 15. 1 F K 故故 VVKV xFx 94. 09 . 015. 1 3、有效值电压表、有效值电压表 T x dttv T V 0 2 )( 1 实现方法实现方法 平方率检波平方率检波 热电效应热电效应 模拟计算电路模拟计算电路 热电效应原理：热电效应原理： 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 BE + A C D A - )(tv x M 热偶式原理热偶式原理： 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 BE + A C D A - )(tv x M A

9、B为加热丝为加热丝M为电热偶为电热偶C热端热端D、E冷端冷端 )(tv xAB温度温度 CD和和CE为两种为两种 不同材料制作不同材料制作 CD温差温差电动势电动势 形成电流形成电流 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 宽放宽放 10MHz )(tv x + - - + Ex Ef 4TC1 4TC1 Vi Vo 热偶式有效值电压表简化组成方框图热偶式有效值电压表简化组成方框图 热电偶热电偶AC/DC4TC1（上）（上）测量热偶测量热偶 4TC1（下）（下）平衡热偶平衡热偶 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 工作原理：工作原理： fxi EEV 当反馈系统平衡时，当反馈系统平衡时，

10、i V 0 则则 fx EE 故故 xo VV 平衡热偶的作用：使表头刻度线形化，并提高热稳定性。平衡热偶的作用：使表头刻度线形化，并提高热稳定性。 2 xx kVE 测量热偶的热电势测量热偶的热电势 2 of kVE 平衡热偶受反馈电平衡热偶受反馈电 压影响，其热电势压影响，其热电势 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 热偶式电压表缺点：具有热惯性，过载能力差，易热偶式电压表缺点：具有热惯性，过载能力差，易 烧毁。烧毁。 模拟计算电路式模拟计算电路式： 采用模拟计算电路直接完成有效值采用模拟计算电路直接完成有效值 计算。计算。 T xx dttv T V 0 2 )( 1 )( 2 tv

11、 x )( 2 tv x )(tv x x V 模拟乘法器模拟乘法器 积分器积分器开方开方 4、波形误差、波形误差 峰值电压表对被测信号波形的谐波失真所引起的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，故不能测量失真波形的电压。波形误差非常敏感，故不能测量失真波形的电压。 均值电压表测量含有谐波成分的失真正弦电压的均值电压表测量含有谐波成分的失真正弦电压的 有效值时有如下结论：有效值时有如下结论： 1、误差与谐波幅度及初相角有关，当初相角为、误差与谐波幅度及初相角有关，当初相角为00或或 1800时误差最大。时误差最大。 2、二次谐波误差比三次谐波要小，推广到一般，奇、二次谐

12、波误差比三次谐波要小，推广到一般，奇 次谐波比偶次谐波影响大。次谐波比偶次谐波影响大。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 3、均值表波形误差与峰值检波相比较小。、均值表波形误差与峰值检波相比较小。 有效值电压表测量非正弦波时理论上不会产生波形有效值电压表测量非正弦波时理论上不会产生波形 误差，实际上由于以下两个原因使产生读数偏低的误差，实际上由于以下两个原因使产生读数偏低的 误差。误差。 1、电压表线形工作范围的限制。、电压表线形工作范围的限制。 2、电压表带宽的限制。、电压表带宽的限制。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 （二）、数字式电压表（二）、数字式电压表 模拟量模拟量Vx

13、（t） DA 数字量数字量 接口接口 根据根据 变换方法变换方法 的不同的不同， 有有 DA非积分式非积分式DVM 积分式积分式DVM 响应于被测电压响应于被测电压 的瞬时值的瞬时值 优点：测量速率快优点：测量速率快 缺点：准确度低缺点：准确度低 响应于被测电压响应于被测电压 的平均值的平均值 优点：准确度高优点：准确度高 缺点：测量速率低缺点：测量速率低 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 非积分式非积分式 逐次逼近式逐次逼近式比较式比较式 斜坡电压式斜坡电压式 代表代表: 代表代表: 线性斜坡式线性斜坡式 阶梯斜坡式阶梯斜坡式 积分式积分式代表代

14、表:双斜式双斜式 多斜式多斜式 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 1、非积分式、非积分式DVM 逐次逼近式逐次逼近式 原理：与天平称重相似原理：与天平称重相似 砝码砝码待测待测 W/2 W/4 W/8 W/16 原则：大者弃，小者留原则：大者弃，小者留 逐次逼近比较式逐次逼近比较式A/D变换过程变换过程 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 钟脉冲钟脉冲 起始脉冲起始脉冲 逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器 SAR 显示器显示器译码器译码器 比较器比较器 D/A变换器变换器 Vref Vf MSB 2-12-2 例例:三位二进三位二进 制制,Vr=5V, Vx=4V SAR输出输出 顺序顺序

15、D/A送出送出 比较比较比较器输出比较器输出 结果结果 1100Vr/2=2.52.50保留保留 2110Vr/2+Vr/22=3.753.750保留保留 3111 Vr/2+Vr/22+Vr/23=4.375 4.3754 Vo0 舍弃舍弃 0 000 000 110 经过译码显示经过译码显示3.75V 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 逐次逼近比较式存在量化误差逐次逼近比较式存在量化误差. 结论结论: 其准确度由基准电压、其准确度由基准电压、D/A变换器、比较器的漂移变换器、比较器的漂移 所决定。所决定。 变换时间与输入电压大小无关，仅由它的数码的变换时间与输入电压大小无关，仅由它的

16、数码的 位数（比特数）和钟频决定。位数（比特数）和钟频决定。 逐次逼近比较式的逐次逼近比较式的A/D变换能兼顾速度和精度和成变换能兼顾速度和精度和成 本三个方面的要求。本三个方面的要求。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 斜坡电压式斜坡电压式DVM 原理框图原理框图 步骤步骤 相应波形相应波形 结论结论 分为两步：分为两步：1、模拟直流电压变换成时间、模拟直流电压变换成时间 间隔。间隔。 2、用计数法对时间间隔进行、用计数法对时间间隔进行 数字编码。数字编码。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 输入输入 比较器比较器 斜坡电压斜坡电压 发生器发生器 接地接地 比较器比较器 逻辑控制

17、逻辑控制 电路电路 时钟时钟 脉冲脉冲 计数器计数器 +12 -12 Vx 复位复位 0 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 返回 第一次符合第一次符合 被测电压被测电压Vx t V测量开始测量开始 Vr Vx +12 -12 门控信号门控信号 门内时钟脉冲门内时钟脉冲 第二次符合第二次符合 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 结论结论: 实质实质:V-T变换变换 测量准确度测量准确度,由斜坡电压的线性、斜率稳定与否，由斜坡电压的线性、斜率稳定与否， 及时间测量是否准确决定。及时间测量是否准确决定。 线路简单，准确度较低。线路简单，准确度较低。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术

18、例例： 若斜坡电压的斜率为若斜坡电压的斜率为10V/50ms，要求，要求4位数字读出，位数字读出， 则时钟脉冲频率应为多少？若被测电压为则时钟脉冲频率应为多少？若被测电压为9.163V, 则累计脉冲数为多少则累计脉冲数为多少? 解解: 时钟脉冲频率应为时钟脉冲频率应为: kHz ms f200 50 000,10 门控时间应为门控时间应为:msms V V T815.4550 10 163. 9 累积脉冲数累积脉冲数: kHzmsN200815.45 9163 通过小数点位置的调整通过小数点位置的调整,可显示出可显示出 9.163V 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 2、积分式、积分式D

19、VM 抗干扰能力抗干扰能力 概述：概述： DVM的灵敏度极高，测量准确度高于模拟电压表的灵敏度极高，测量准确度高于模拟电压表 存在存在串模干扰串模干扰和和共模干扰，共模干扰， 相应地，有相应地，有串模干扰抑制比串模干扰抑制比和和共模干扰抑制比。共模干扰抑制比。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 A、定义：、定义： 1、串模干扰定义：指干扰源以串联形式与被测、串模干扰定义：指干扰源以串联形式与被测 电压一起叠加到电压一起叠加到DVM输入端。见图输入端。见图1。 2、共模干扰定义：通过环路地电流对两根测试、共模干扰定义：通过环路地电流对两根测试 线都产生影响的干扰。见图线都产生影响的干扰。见

20、图2。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 Vsm Vx Rl1 Rl2 Zi 高端高端 低端低端 DVM 图一图一 串模干扰抑制比：串模干扰抑制比： sm V dBSMRlg20)( Vsm串模干扰电压峰值串模干扰电压峰值 由由Vsm所造成的最大显示误差所造成的最大显示误差 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 Rl1 Rl2 Vcm 图二图二 Zi Z2Z1 共模干扰抑制比：共模干扰抑制比： 2 2 lg20lg20)( lsm cm R Z V V dBCMR Vsm是共模干扰转化成的串模干扰电压。是共模干扰转化成的串模干扰电压。 I1 I2 222 2 22 Z V ZR V I

21、 RIV cm l cm lsm 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 B、克服方法：、克服方法： 1、串模干扰：、串模干扰： 采用积分电路采用积分电路DVM 选择积分时间为干扰信号周期选择积分时间为干扰信号周期Tsm的整数倍的整数倍 T=nTsm 满足以上条件，则满足以上条件，则SMR= 。 2、共模干扰：、共模干扰： 克服方法为，设法减少共模干扰转化为串模干扰克服方法为，设法减少共模干扰转化为串模干扰 的途径，增大的途径，增大 Z2 。 克服方法为，对克服方法为，对DVM测量系统测量系统A/D变换部分进变换部分进 行浮置或多层屏蔽。行浮置或多层屏蔽。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技

22、术 特点：特点： 对于非积分式对于非积分式DVM，因为它是对被测电压的，因为它是对被测电压的瞬时值瞬时值 产生响应，故对产生响应，故对串模干扰串模干扰没有抑制能力。没有抑制能力。 对于积分式对于积分式DVM，由于是对被测电压在采样（积分），由于是对被测电压在采样（积分） 时间内的时间内的平均值平均值产生响应，故可平均掉叠加在被测电压上产生响应，故可平均掉叠加在被测电压上 的串模干扰电压，从而具有高的的串模干扰电压，从而具有高的SMR。 在积分式在积分式DVM中，中，A/D变换分为变换分为VF和和VT变换式。变换式。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 双斜式积分双斜式积分(双积分式双积分式

23、)DVM 一、简化组成方框图一、简化组成方框图 二、工作过程二、工作过程 三、基本关系式及优点三、基本关系式及优点 四、测量误差四、测量误差 V-T变换变换 特点特点:在一次测量过程中，用同一积分器先后进行两次积分。在一次测量过程中，用同一积分器先后进行两次积分。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 逻辑逻辑 控制电路控制电路 十进计数器十进计数器主门主门 A1 A2 - + - + c 积分器积分器 比较器比较器 时钟时钟 Vo -Vx Vref s1 s2 1 2 t1 Vx Vx Vo Vom Vom T1T2 T2 二、工作（二次积分）过程：二、工作（二次积分）过程： 1、对被测电

24、压定时积分、对被测电压定时积分 2、对基准电压定值反向积分、对基准电压定值反向积分 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 1、无干扰时、无干扰时 1 2 1 )( 1 t t xxom V RC T dxV RC V 2、有串模干扰、有串模干扰Vsm时时 )( smxx VVv 则：则： 2 1 1 1t t xxom v RC T dxv RC V 定时积分定时积分 结论：平均值减少了影响结论：平均值减少了影响 在在T1内：内： （1） 三、基本关系式三、基本关系式 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 定值反向积分定值反向积分 在在T2内：内：

25、0 1 2 3 2 refom t t refomo V RC T VdtV RC VV 将（将（1）式代入（）式代入（2）式，有）式，有 （2） x ref V V T T 1 2 refrefx V N N V T T V 1 2 1 2 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 结论：结论： 1、Vx T2，Vx=N2Vr/N1，如果，如果Vr/T1=10n或或Vr/N1=10n，则，则 T2或或N2确定小数点后，可直接在显示器上显示。确定小数点后，可直接在显示器上显示。 2、与、与RC无关，所以无关，所以DVM可在对积分元件准确度要求不高可在对积分元件准确度要求不高 的条件下，得到高的测

26、量准确度。的条件下，得到高的测量准确度。 当当,102 4 2 N 则则Vx=2V。 例如：当例如：当 2 44 4 1 10,10 106 6 NV V T V x r 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 3、只与、只与T1，T2比值有关，故对时钟源频率准确度要求不高。比值有关，故对时钟源频率准确度要求不高。 4、抗干扰能力强，但速率较低，逐次逼近比较式要快得多。、抗干扰能力强，但速率较低，逐次逼近比较式要快得多。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 四、测量误差四、测量误差 DVM的测量误差有固有误差、附加误差等。的测量误差有固有误差、附加误差等。 固有误差：固有误差： )%( m

27、 VV Vm满度量程满度量程 相对项系数相对项系数 误差的固定项系数误差的固定项系数 第一项为读数误差，第二项为满度误差。第一项为读数误差，第二项为满度误差。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 3、DVM主要工作特性主要工作特性 （一）测量范围（一）测量范围 1、量程、量程 2、显示位数及超量程能力、显示位数及超量程能力 nV-kV 只能够显示只能够显示0和和1两个数码的那些位两个数码的那些位-1/2位位. 能够显示能够显示0到到9十个数码的那些位十个数码的那些位-完整显示位完整显示位; 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 *基本量程为基本量程为1或或10V时，时， 表示具有超量程能

28、力。表示具有超量程能力。 2 1 n 例例10V，4位位DVM，最大为，最大为9.999V，无超量程能力；而，无超量程能力；而 最大为最大为19.999V，则具有超量程能力，为，则具有超量程能力，为 位。位。 2 1 4 *基本量程为基本量程为2V或或20V等等,最大显示为最大显示为1.9999V或或19.999V时时, 我们说它为我们说它为 位，但无超量程能力。位，但无超量程能力。 2 1 4 超量程能力用超过量程的百分数表示。超量程能力用超过量程的百分数表示。 例如例如9999 19999，称为超，称为超100%。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 （二）分辨力（二）分辨力 DVM能

29、够显示能够显示Vx的最小变化值。在最小的最小变化值。在最小 量程上，具有最高的分辨力。量程上，具有最高的分辨力。 例如，最小量程为例如，最小量程为0.100000V，则末位变一个字为，则末位变一个字为1 V， 则分辨力为则分辨力为1 V。 （三）测量速率（三）测量速率 主要取决于变换器的变换速率，一般达不到每主要取决于变换器的变换速率，一般达不到每 秒百次的速度，较逐次逼近式慢得多。秒百次的速度，较逐次逼近式慢得多。 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 （四）抗干扰能力（四）抗干扰能力 积分式积分式DVM是响应于被测信号电压在一个测量周期的是响应于被测信号电压在一个测量周期的 平均值，平均

30、值，SMR很高。很高。 设设Vx，串模干扰为，串模干扰为Vsmsin t，则，则 tVVtV smxx sin)( 其中，其中， sm sm T f 2 2 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 产生示值误差：产生示值误差： Tt t smxx tdtV T VtvV 1 1 sin 1 )( 2 sin 2 2 sin 2 1 TTt T V V sm 则最大可能的示值误差为：则最大可能的示值误差为： sm smsmsm T T T TVT T V V sin 2 sin 2 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术 则串模干扰抑制比为：则串模干扰抑制比为： sm smsm T T TT V V dBS