第五章电压测量

1、第第5 5章章 电压测量电压测量5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 电压标准电压标准5.3 5.3 交流电压的测量交流电压的测量5.4 5.4 直流电压的数字化测量及直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原理转换原理5.5 5.5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表5.6 5.6 数字电压表测量的不确定度及数字电压表测量的不确定度及 自动校准、自动量程技术自动校准、自动量程技术5.7 5.7 电压测量的干扰及抑制技术电压测量的干扰及抑制技术温度修正（特别是对饱和型）温度修正（特别是对饱和型）内阻影响内阻影响抗振动冲击能力差、不易运输抗振动冲击能力差、不

2、易运输标准电池分类稳定性稳定性温度系数温度系数饱和型饱和型较好较好（约（约0.5V/0.5V/年）年）较大较大（约（约40V/40V/）不饱和型不饱和型较差较差小小（约（约4V/4V/）高高频频电电压压V0V1RFDCDCRFR RGR RR RR RT TR RT TC CC CVRF2.2.均值均值定义定义: :直流分量直流分量实际测量中，均值通常指经过全波或半波整流后的波形实际测量中，均值通常指经过全波或半波整流后的波形（若无特指为（若无特指为全波整流全波整流）：）：理想正弦电压理想正弦电压u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)，4.4.波峰因数和波形因数波峰因数和波形因

3、数波峰因数波峰因数: : 波形因数：波形因数：理想正弦交流电压理想正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc快充慢放前提条件I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I0Rd检波二极管导通电阻Rm电流表内阻 有效值检波：有效值检波： 方法方法1:1:利用二极管平方律伏安特性利用二极管平方律伏安特性检波检波( (小信号时二极管正向伏小信号时二极管正向伏安特性曲线近似为平方关系安特性曲线近似为平方关系).).精度低且动态范围小。实际采用精度低且动态范围小。实际采用分分段逼近平方律段逼近平方律的二极管伏安特性曲

4、线图的二极管伏安特性曲线图. . 方法方法2:2:利用模拟运算电路或专用集成电路利用模拟运算电路或专用集成电路（如（如AD536 AD736 AD536 AD736 ）。）。 R Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加热热丝丝热热端端T T热热偶偶M Mu uA A连连接接导导线线I I热电偶：测温热电偶：测温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。反映该交流电压的有效值。平衡热偶形成电压负反馈。平衡热偶形成电压负反馈。测量热偶测量热偶:E:Ex x= k= k V V2 2 ；平衡热偶平衡热偶

5、:E:Ef f = k = k V Vo o2 2差分放大器差分放大器:V:Vi i=k(V=k(V2 2- V- Vo o2 2) ) ；V Vi i=0=0时，输出电压等于时，输出电压等于u(t)u(t)有效值有效值根据根据读数换算读数换算峰值峰值和和有效值有效值“读数直接当成有效读数直接当成有效值值”产生的误差产生的误差根据根据读数换算读数换算均值均值和和有效值有效值读数直接当读数直接当成有效值产成有效值产生的误差生的误差VP0T=1uStu(t)理论有效值（波峰因数=1）实际有效值（读数）读数误差负值（读数偏小）负值（读数偏小） 解解 为求解电压表带宽引起的波形误差，需要分析输入方波电

6、压的谐波成分。将方波电压用付里叶级数表示为频率范围宽常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表”灵敏度高。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表” 。模拟式交流电压表结构检波器检波器检波器检波器带宽带宽 较低灵敏度灵敏度较低(1)(1)分贝：分贝：声学中音量单位，通信系统中电平或功率单位。声学中音量单位，通信系统中电平或功率单位。对数表示的相对量值绝对功率(相对1mW)绝对电平(相对0.775V, 600电阻上吸收1mW功率时的电压有效值)103.162功率电平测量：阻抗两端电压电平的测量。功率电平测量：阻抗两端电压电平的测量。零刻度基准阻抗零刻度基准阻抗 ：按：按600600“零刻度基准阻抗零刻度基准

7、阻抗”定度。定度。Z Zi i600600时，根据读出换算时，根据读出换算输输入入电电路路中中频频放放大大器器均均值值检检波波器器dB混混频频器器2 2fZ2(固固定定)f2(固固定定)带带通通滤滤波波器器窄窄带带滤滤波波器器混混频频器器1 1f1(可可调调)fZ1(固固定定)fx(第第一一本本振振)(第第二二本本振振)。测量速度测量速度每秒钟完成的测量次数。主要取决于每秒钟完成的测量次数。主要取决于ADCADC的转换速度。一般的转换速度。一般几次几次- -几十次几十次/ /秒。秒。测量精度测量精度固有误差固有误差= =读数误差读数误差+ +满度误差满度误差输入阻抗输入阻抗越大越好，否则将影响

8、测量精度。越大越好，否则将影响测量精度。用输入电阻用输入电阻/电容表示，一般电容表示，一般10-1000M/10-1000M/几十几十- -几百几百pFpF。刻度系数：刻度系数：e=Vr/2e=Vr/2n n （V/V/字），代表字），代表ADCADC的分辨力。的分辨力。1LSB1LSB代表的电压量，逼近时可用的最小代表的电压量，逼近时可用的最小“电子砝码电子砝码”。单片集成单片集成逐次比较式逐次比较式ADCADC。常见的产品有。常见的产品有8 8位的位的ADC0809ADC0809，1212位的位的ADC1210ADC1210和和1616位的位的AD7805AD7805等。等。逐逐次次逼逼近

9、近移移位位寄寄存存器器( (S SA AR R) )D/A转转换换器器Vx+-比比较较器器C CL LK KSTARTA/D转转换换结结果果2-12-nMSBLSBVrN N斜斜波波电电压压发发生生器器QQSETCLRSR&000时时钟钟计计数数器器主主门门VrVx+-+-门门控控信信号号输输入入比比较较器器接接地地比比较较器器a计计数数输输入入0VxVx、V Vr r门门控控信信号号计计数数输输入入NV Vr rt1bT0T误差：误差：斜波电压的线性和稳定性、时间测量精斜波电压的线性和稳定性、时间测量精度。度。比较器的漂移和死区电压。比较器的漂移和死区电压。特点、应用：特点、应用：线路简单，

10、成本低。线路简单，成本低。速度取决于斜波电压斜率与被测电压值。速度取决于斜波电压斜率与被测电压值。用于精度和速度要求不高的用于精度和速度要求不高的DVMDVM中。中。主主门门计计数数器器逻逻辑辑控控制制电电路路数数字字输输出出时时钟钟S1S2CRVx-VrVr积积分分器器比比较较器器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1复复零零t2t3VoVomT1T2N1N2t积积分分波波形形计计数数器器输输入入b.T011a.清清零零f0T0T0复零复零定时积分定时积分反向定值积分反向定值积分提高分辨力（双斜式受比较器的分辨力和带宽所限）。提高分辨力（双斜式受比较器的分辨力和带宽所限）。主主门门高高

11、位位计计数数器器A A逻逻辑辑控控制制电电路路数数字字输输出出时时钟钟S1S2CRVx-Vr积积分分器器比比较较器器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1复复零零t2t31VoVomT1T2N1N2t积积分分波波形形计计数数器器输输入入a.b.清清零零低低位位计计数数器器B B主主门门清清零零-+ABR1R2R3t32T3N3VtVr/10nVtN N2 2N3f0T0T0T0缓慢进入零点缓慢进入零点1.-结构的结构的ADC是一种内在的过采样转换器。是一种内在的过采样转换器。2.-型型ADC以很低的采样分辨率（以很低的采样分辨率（1位）和很高的采样速率将模拟信号位）和很高的采样速率将模拟

12、信号数字化，利用过采样技术（数字化，利用过采样技术（Oversampling）、噪声整形和数字滤波技术）、噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率，然后对增加有效分辨率，然后对ADC输出进行抽取（输出进行抽取（Decimation）处理，以降）处理，以降低低ADC的有效采样速率，去除多于信息，减轻数据处理负担的有效采样速率，去除多于信息，减轻数据处理负担 。3.转换分辨率已高达转换分辨率已高达24位位，在各类模数转换器中分辨率是最高的，在各类模数转换器中分辨率是最高的 。Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA

13、 A(200mV)2A A恒恒流流源源( (可可调调) )A A/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p恒恒流流源源( (可可调调) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精精密密电电阻阻VoVr取取样样电电阻阻A AC C/ /D DC CI I/ /V VZ Z/ /V VD DV VM MC CP PU UD DC CA AC CI IZ ZR Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2R Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2Rl3Rl4( %)xmVVVabD= +转换误差、满度误差可根据系统组成计算。衰减器、放大器、模拟开关、ADC满度误差：与被测电压无关

14、，主要由系统漂移引起。读数误差：转换误差（刻度误差）+非线性误差。VxN0理理想想特特性性转转换换误误差差影影响响下下的的特特性性满满度度误误差差影影响响下下的的特特性性（平平行行于于理理想想特特性性）读数数误误差和和满度误误差共共同同影响响下下的的实际际转转换特特性VD DHLI0DVMRsVxRi典型输入电阻典型输入电阻1000M(1000M(接入分压器时为接入分压器时为10M),10M),输入零电流约为输入零电流约为0.5nA0.5nA。温度漂移引起的附加误差：温度漂移引起的附加误差： 用用 或温度系数或温度系数ppmppm表示。表示。被测电压愈接近满度电压，测量相对误差愈小。被测电压愈

15、接近满度电压，测量相对误差愈小。V Vx x=2V=2V时，时，V Vx x=0.2V=0.2V时，时，测量小电压时测量小电压时I I0 0的影响较大。的影响较大。UosIB-+RC积积分分器器ViVoUosVot实实际际积积分分器器输输出出理理想想积积分分器器输输出出“零采样期零采样期”接入接入Vi放大器放大器U Uosos的影响，比没有自动校零时减小了的影响，比没有自动校零时减小了A A倍）。倍）。软件校准软件校准:转换误差（通道增益）和零点漂移转换误差（通道增益）和零点漂移000A/D转转换换器器VxVr0VNxNrN0衰衰减减/ /放放大大器器转转换换系系数数k k总总漂漂移移U Uo

16、 os sS1S2S3参考校准参考校准零点校准零点校准输入被测电压输入被测电压完全消除了通道零漂完全消除了通道零漂U Uosos和转和转换系数换系数k k引起的误差。引起的误差。0199.9mV180mV1.999V1.8V19.99V18V199.9V180V1200V自动量程：相邻两个量程之间适当重叠，避免当被测电压自动量程：相邻两个量程之间适当重叠，避免当被测电压在界限值附近变化时频繁切换在界限值附近变化时频繁切换( ( “摇摆不定摇摆不定”) )。可将较大。可将较大一档量程的最小值设为一档量程的最小值设为相邻小一档量程满度值的相邻小一档量程满度值的90%90% 。干干扰扰信信号号un被

17、被测测电电压压VxHLDVM被被测测电电压压VxHLDVM干干扰扰信信号号ucm串模干扰串模干扰: :串联叠加形式串联叠加形式共模干扰共模干扰: :同时作用于同时作用于DVMDVM两个测量输入端。两个测量输入端。信号源本身，如电源纹信号源本身，如电源纹波干扰波干扰工频（工频（50Hz50Hz）干扰）干扰空中电磁干扰（高频）空中电磁干扰（高频）被测电压是浮置电压。被测电压是浮置电压。被测电压与被测电压与DVMDVM参考地电位不等。参考地电位不等。共模干扰电压可能很大（上百伏共模干扰电压可能很大（上百伏甚至千伏）。甚至千伏）。整周期初相角5 50 06 60 01 10 00 02 20 00 0

18、5 50 00 00 02 20 04 40 0N NM MR R( (d dB B) )f fn n= =1 1/ /T Tn n( (H Hz z) )T T1 1= =1 10 0m ms sT T1 1= =1 10 00 0m ms s2 20 0d dB B/ /1 10 0倍倍频频程程Vxr1r2rcmUcmRsHLGZiI1I2DVM( (机机壳壳) )B减小两路环路减小两路环路电流；或使共电流；或使共模干扰对模干扰对H H、L L端的影响能互端的影响能互相削弱或抵消。相削弱或抵消。共模干扰电压转换为影响测量结果的共模干扰电压转换为影响测量结果的串模干扰电压的大小串模干扰电压的大小共模干扰电压完全共模干扰电压完全100%100%引入到了测量输引入到了测量输入端（由共模干扰引入端（由共模干扰引起的串模干扰等于该起的串模干扰等于该共模电压）。共模电压）。浮置测量：浮置测量： DVMDVM的接地端浮置，的接地端浮置， 不与机壳地连接。不与机壳地连接。Vxr1r2rcmUcmRsHLGZiI1I2DVM( (机机壳壳) )BZ2输输入入阻阻抗抗绝绝缘缘电电阻阻在交流干扰情况下，共模抑制比在交流干扰情况下，共模抑制比CMRCMR比直流时小许多，而且随着干