电子测量与仪器 第五章 电压测量-数字万用表1

1、仪器科学与工程系 档位切换 量程自动选择 包括直流测量和交流测量，以及其延伸出 来的电流测量、电阻测量等。 电压测量的： 1、频率范围、频率范围 包括直流，交流(10-6109Hz)。频段不同，测量方法手段也 不同。 2、测量范围、测量范围 测量电压范围低至几十V，上限可达几十kV。测量电压低， 要求电压表具有较高的分辨力，测量电压高，要加入分压网络， 这会降低电压表的输入阻抗。 3、输入阻抗、输入阻抗 电子测量仪器的输入阻抗就是被测电路的额外负载。为减小 测量仪器对被测量的影响，要求仪器具有很高的输入阻抗。 4、抗干扰能力、抗干扰能力 仪器工作在高灵敏度时，干扰会引入测量误差。 5、测量准确

2、度、测量准确度 测量准确度受被测电压的频率、波形等因素影响，在不同条 件下准确度的差异较大。不同参数的测量, 其准确度相差很大。 电压值的基准是直流标准电压。 利用数字电压表可使直流电压测量精度优于10-7量级。 交流电压测量精度要低得多，在10-210-4量级。受AC/DC 变换影响，高频时电路分布参数影响不容忽视。 准确度的表示方法： 满度的百分数 - %Um 读数值的百分数 - %Ux 满度百分数+读数百分数 - %Ux+%Um 第一种是比较通用的，用于具有线性刻度的电压表； 第二种在对数刻度电压表中用得多； 第三种用于线性刻度电压表，是一种较严格的准确度表 示方法，常用在数字电压表中。

3、 在数字电压表中常有“”，误差是“”的 说法，指的是数字电压表的精度和误差。具体含义在DVM 中叙述。 电压测量仪器的： 1、按频率范围分、按频率范围分 直流电压表，交流电压表。 交流电压表又分低、高、超高等不同频段。 2、按测量功能分类、按测量功能分类 分为直流电压表、交流电压表和脉冲电压表。其中脉冲电 压表用于测量脉冲间隔很长的脉冲，一般情况下脉冲电压的 测量已逐渐被示波器测量所取代。 3、按测量技术分类、按测量技术分类 模拟式电压测量和数字式电压测量。 4、按测量电压量级分类、按测量电压量级分类 分为电压表和毫伏表。电压表的主量程为V(伏)量级，毫 伏表的主量程mV(毫伏)量级。主量程是

4、指不加分压器或外加 前置放大器时电压表的量程 动圈式电压表表头，其工作原理是利用载流导体与磁场间 的作用来产生转动力矩，使导体框架转动而带动指针偏转。其 偏转角度正比于流过线圈的被测电流大小。 图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为Re， 满偏电流(或满度电流)为Im，若作为直流电压表，满度电压： mem IRU Im Re 表头等效电路 动圈中容许通过的电流很小，例如满偏电流为50A，电 流表内阻为20k ，则满偏电压为1V。为了扩大量程，通常采 用(扩大电流测量范围)或(扩大电压 测量范围) 。 Im Re Rs 并联分流法 I 串接倍压电阻扩大测量范围 除了不串接倍压电阻的最小电

5、压量程U0外，又增加了 三个电压量程U1、U2、U3 ，对应三个量程，所串三个电阻 的阻值分别为： m m em IUUR IUUR RIUR / )( / )( )/( 233 122 11 Im Re R1 R2 R3 U0 U1 U2 U3 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（/V）。 1 V V mm R K UI 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 0 0 RR ER U v v x 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(可以知道其量程比值或内阻

6、比值)测量，可由两次测得值 计算得到近似的实际值E0。 RV V + - Ux R0 100k E0 5V 表头的缺点表头的缺点 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）。 R1 R2 R3 放 大 器 FET 源 极 跟 随 器 + - Ux R0 U1 U2U3 Rm R1 R2 R3 放 大 器 FET 源 极 跟 随 器 + - Ux R0 U1 U2U3 Rm RF 放大倍数A=1+Rm/RF 图中R0、R1、R2、R3组成分压器，由于FET源极跟随 器输入电阻很大(几百M以上)，因此由Ux测量端看进去的 输入

7、电阻基本上只由R0、R1、R2、R3、等串联电阻决定， 通常使它们的串联电阻和大于10M ，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) R0、R1、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I0与被测电压成正比，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。 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

8、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。 两大特点两大特点: : (1) (1) 抑制直流漂移抑制直流漂移 (2) (2) 采用交流选频采用交流选频, ,提高抗干扰能力提高抗干扰能力. . 调制式直流放大器的工作原理 一般采用选频放大器，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 电子电压表中，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。

9、振荡器 交流放大器解调器调制器 Ui t UA t Uo t Ui UB t t o T UM (c) t o Ui (b) t o UA (d) 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize C Date:20-May-2008Sheet of File:F:mydocument我 的 课 件 电 子 测 量 技 术 与 仪 器 课 件 PPTcircuit.ddbDrawn By: R C R1 KM Ui UM UA 开 闭 图中KD是与调制器中KM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

10、 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，Rf、Cf成滤波器，滤波后得到放 大后的直流信号。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize C Date:20-May-2008Sheet of File:F:mydocument我 的 课 件 电 子 测 量 技 术 与 仪 器 课 件 PPTcircuit.ddbDrawn By: C R Rf KD Cf UB UD UO t t t o o o T UB UD Uo (c) (d) (b) 123456 A B C D 654321

11、 D C B A Title NumberRevisionSize C Date:20-May-2008Sheet of File:F:mydocument我 的 课 件 电 子 测 量 技 术 与 仪 器 课 件 PPTcircuit.ddbDrawn By: C RRf KD Cf UB UD UO 解调工作原理解调工作原理 开 闭 交流电压除用具体的函数关系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。 周期性交变电压u(t)在一个周期内偏离零电平偏离零电平的最大 值称为峰值，用Up表示。正、负峰值不等时分别用Up+和 Up-表示。 u(t)在一

12、个周期内偏离直流分量偏离直流分量U0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 Um+和Um-表示。（峰值与振幅的区别峰值与振幅的区别） u(t)的平均值 的数学定义为 U T dttu T U 0 )( 1 按照这个定义， 实质上就是周期性电压的直流分量U0。 U 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 半波整流和全波整流后的波形 定义为 dttu T U T )( 1 0 如不另加说明，本章所指平均值均为全波平均值全波平均值。 在电工理论中曾定义：某

13、一交流电压的有效值等 于直流电压的数值U，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 T dttu T U 0 2 )( 1 实质上即数学上的均方根定义。 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KF，定义为该电压的有效值与平均值之比 U U KF 波峰因数Kp ，定义为该电压的峰值与有效值之比 U U K p p 正弦波：,峰值1, 有效值1/ 2 平均值2/ =0.6366 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 ，然

14、后再接到直流电压表上进行测量。 根据ACDC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、 、等 (1) 检波放大式 在直流放大器前面接上检波器，就构成了检波放大式 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“” (2) 放大检波式 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 检波式电压表。这种电压表的频率范围主要

15、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放大式。 (4) 外差式 (针对高频电压测量) 检波二极管的非线性，限制了检波放大式电压表的灵 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。而对于放大检波式电压表，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

16、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：两个矛盾： 先检波，电压受检波器限制先检波，电压受检波器限制 先放大，增益受放大器限制先放大，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

17、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V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ACDC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=kU2。测量时

18、要求消除热 电偶的非线性。 电压电压 热能热能 加于热电偶产生热电势加于热电偶产生热电势 输入信号u(t)经宽带放大器放大后送入T1，产生热电势 E1=k1Ui2。E1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 。Ef作为负反馈与E1一起加到放大器的 A端，直至Ef=E1，放大器保持输出不变。 T1与T2完全相同时，Ef=E1， Uo=Ui，实现了有效值的测 量及测量的线性化。 其它方法 1、均值电压表、均值电压表 平均值检波器原理：平均值检波器的基本采用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|ux|，整流器可等效为Rs

19、串 联一电压源|ux|，Rm为电流表内阻，C为滤波电容，滤 除交流成分。 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 放大检波式，检波器有、和 。 0 ( )1 22 T i dmdm u tU Idt TRRRR Rd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 pp d U I U I S 0 对于全波桥式整流器，可导出 p md d U RR

20、U S/ 2 要提高测量灵敏度，应减小Rd和Rm。 输入阻抗： 可以证明，对于全波均值整流器， 其输入阻抗 2 8 2 idm RRR 仍设 (这是常规的数值)，则Ri 约为1.8k ，可见均值检波器输入阻抗很低。 放大检波式 500 , 1 dm RRk 2、有效值检波器、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 ACDC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E0为偏置电压，当信号电压ux较 小时，有 2

21、 0 )(tuEki x 式中k是与二极管特性有关的系数(称为检波系数).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， 2 kUI 从而实现了有效值转换。 、峰值检波器、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 并联式 (具有隔直能 力，较常用) 充电时间常数要短充电时间常数要短, 放电时间常数要长放电时间常数要长. minmax ,TCRTRC d 要求：充电时间常数RdC远小于放电时间常数Tmin，同时 放电时间常数RC要远大于输入信号中的最大周期Tmax。 双峰值检波器： 将两个串联式检波电路结合在一起，就

22、构成了双峰值检波 电路。由上面的分析不难判断，C1或R1上的平均电压近似于ux 的正峰值Up+，C2或R2上的平均电压近似于ux的负峰值Up-，检 波器输出电压Up+ -Up- ，即输出电压近似等于被测电压的峰 峰值。 双峰值检波电路 采用混频技术采用混频技术 A/D是数字电压表的核心。 输入 电路 A/D 变换 计数器 显示 逻辑控制 电路 时钟发生 器 模拟部分 数字部分 ux 、测量范围、测量范围 1) 量程：借助分压器和输入放大器实现量程扩大。 基本量程基本量程：不经衰减或放大的量程。 2) 位数：数字电压表的位数是以来决定的。 3) 超量程能力：若测量9.999V变成了10.001伏

23、，必须换 档，测量没有超量程能力。必须换成100v档才能测。 把最大显示位为9的每一位称作一个位，把只能显示0 或1的位称为1/2位。显示能变为0 、，但变化不全 的位称为3/4位。 31/2的表比3位的有100%的超量程能力。 “字字” “位位” 、分辨率、分辨率 指DVM能够显示被测电压的最小变化值，即最小量程 时显示器末位跳变一个字所需的最小输入电压。 分辨率与中的有关，位数越多，分辨越 高。有时称位的具有位的分辨率。 分辨率越高，被测电压越小都可测，故有时把分辨率 称为灵敏度。 、测量误差、测量误差 用被测示值和量程满度值表示。在测量小电压时，宜 换用较小的量程档，以提高测量精度。 充

24、分利用AD的转换 范围。 、测量速率、测量速率 与A/D的速度有关是指DVM测量一次所需要的时间。 与内部的触发振荡器, AD速率,显示速率等有关。 、输入阻抗与输入电流、输入阻抗与输入电流 输入级多用场效应管形式，输入阻抗比较高。 输入电流即可理解为是管的漏电流，这个电流将通过 被测信号源。从而在被测信号源内阻上建立压降。因此输 入电流应尽量小。 、响应时间、响应时间 (与A/D，显示，振荡器等都有关) 7、抗干扰能力、抗干扰能力（影响测量精度、准确性） 、A/D分类分类 1) 比较式：逐次逼近式，直接比较式，. 2) 积分式：双斜式，-，. 、双斜式、双斜式A/D 双斜式A/D通过控制积分

25、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平均值成正比的时间间隔。实现UT 的转换。 先对被测信号固定时间积分，后对固定电压固定斜率积分 缺点：精度低、速度低 优点：抗干扰能力强抗干扰能力强，对积分、时钟要求不高，灵敏度不错 积分器反向积分，过 零比较 3、逐次逼近比较式、逐次逼近比较式A/D 逐次比较式AD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(DA)转 换器。(“天平”思想) 型电阻网络D/A变换原理： I Uo= I * 2R 有趣的有趣的T网络网络 权电阻D/A变换原理： 我是一个加法器我是一个加法器 电阻激光修正 逐次逼近式原理：

26、 3V/5V=0.6 (99H/FFH) 1001 1001 逐次逼近式工作流程 + _ C3 + _ C1 + _ C2 编 码 器 R R R R 参考 信号 Ur 输入 信号 Vin 比较器 输 出 4、并联比较式、并联比较式A/D-最快的最快的A/D转换器转换器 -式式A/D AC-DC I-U R-U 直流数字 电压表 Um U Ix Rx 将各种被测量变换为电压信号。 DVM 1、-转换器转换器 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/Z平均值电 路，输出再送入Z端。最终输出为输

27、入信号的有效值。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:22-Mar-2006Sheet of File:F:My Documents电子测量技术与仪器课件PPTcircuit.ddbDrawn By: X Y XYZ Z R C + - Ui Uo XY Z 、U转换器转换器 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:22-Mar-2006Sheet of File:F:My Documents电子测量技术与仪器课件PPTci

28、rcuit.ddbDrawn By: R1 + - Uo R2 R3 Rs ix + - Uo Rs ix R 大信号转换器 受Rs的影响，大信号要 用小电阻，小信号可能 要进行放大。此时多采 用下一个电路。 小信号转换器 运放具有高输入阻抗 (受运放输出电流限制， 思考思考: 怎么用万用表测电流怎么用万用表测电流? 内阻 3、U转换器（恒流法）转换器（恒流法） 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:23-Mar-2009Sheet of File:F:My Documents电 子 测 量 技 术 与 仪

29、器 课 件 PPTcircuit.ddbDrawn By: + - Uo Rx Rs A - + Us 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。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize C Date:25-May-2008Sheet of File:E:我的课件1电子测量技术及仪器课件2008PPTcircuit.ddbDrawn By: + - Ua R1 A Ub Rx Vref I 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

30、随机性干扰和确定性干扰，确定性干扰可分为 和两种。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:23-Mar-2009Sheet of File:F:My Documents电子测量技术与仪器课件PPTcircuit.ddbDrawn By: Ux Usm DVM Ux Usm DVM H L H L 串模干扰是指干扰电压Usm以串联形式与被测电压Ux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 的。 串模干扰一般来自被测信号本身，如稳

31、压电源中的纹波、 测量线上的感应等，其频率范围从直流、低频到高频都 有可能。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:23-Mar-2009Sheet of File:F:My Documents电子测量技术与仪器课件PPTcircuit.ddbDrawn By: Ux Usm Rs DVM Ux Usm Rs DVM (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 HH L L 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