第7章 电压测量-2

1、电子测量技术电子测量技术第1页电子测量技术电子测量技术第2页图图7.2-17.2-1是是，内阻为，内阻为R Re e，满偏电流，满偏电流( (或满或满度电流度电流) )为为I Im m，若作为直流电压表，则满度电压为，若作为直流电压表，则满度电压为U Um m= =R Re eI Im m(7.2-1)(7.2-1)例如满偏电流为例如满偏电流为50A50A，电流表内阻为，电流表内阻为20 k20 k，则满，则满偏电压为偏电压为1 V1 V。为了扩大量程，通常串接若干个倍压电阻。为了扩大量程，通常串接若干个倍压电阻， 如图如图7.2-17.2-1中的中的R R1 1、R R2 2、R R3 3。

2、电子测量技术电子测量技术第3页这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程U U0 0外，又增加外，又增加了了U U1 1、U U2 2、U U3 3三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的阻三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的阻值分别为值分别为m233m122em11IUURIUURRIUR(7.2-2)电子测量技术电子测量技术第4页图图7.2-17.2-1直流电压表电路直流电压表电路电子测量技术电子测量技术第5页u 通常把内阻通常把内阻R RV V与量程与量程U U之比定义为模拟磁电式电压之比定义为模拟磁电式电压表的表的“每伏欧姆每伏欧姆(/V)(/V)数数”，

3、也称电压灵敏度。，也称电压灵敏度。u“/V”“/V”数越大，表明为使指针偏转同样角度所需数越大，表明为使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小。的驱动电流越小。u“/V”“/V”数可依据它推算出不同量程时电压表的内数可依据它推算出不同量程时电压表的内阻。阻。 若若“/V”“/V”为为“20 k/V”“20 k/V”，用，用10 V10 V电压挡时，电电压挡时，电压表的内阻即为压表的内阻即为200 k200 k。电子测量技术电子测量技术第6页u动圈动圈式直流电压表的误差一般式直流电压表的误差一般在在1%1%左右，左右， 精精密电压表可达密电压表可达0.1%0.1%。u缺缺点是灵敏度不高和输入电阻点是

4、灵敏度不高和输入电阻低低。 u模拟式电模拟式电子电压表可以有效地子电压表可以有效地提高电压表的灵敏提高电压表的灵敏度和输入阻抗。度和输入阻抗。 电子测量技术电子测量技术第7页【例【例1 1】 在图在图7.2-27.2-2中，虚线框内表示高输出电阻的被测中，虚线框内表示高输出电阻的被测电路，电压表电路，电压表V V 的的“/V”“/V”数为数为20 k/V20 k/V，分别用，分别用5V5V量程和量程和25V25V量程测量端电压量程测量端电压U Ux x，分析电压表输入电阻的影响并用公式，分析电压表输入电阻的影响并用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。计算来消除负载效应对测量结果的影响。图图

5、7.2-27.2-2测量高输出电阻电路的直流电压测量高输出电阻电路的直流电压电子测量技术电子测量技术第8页解解： 如果是理想情况，则电压表内阻如果是理想情况，则电压表内阻R RV V应为无穷大，应为无穷大， 此时电压表示值此时电压表示值U Ux x与被测电压实际值与被测电压实际值E E0 0相等，即相等，即 U Ux x= =E E0 0=5 V=5 V0V0VRRERUx(7.2-3)相对误差为相对误差为V000000VV00 RRREEERRREEUx(7.2-4)电子测量技术电子测量技术第9页将有关数据值代入式（将有关数据值代入式（7.2-3)7.2-3)和式和式(7.2-4)(7.2-

6、4)， 可得：可得：5 V5 V电压挡：电压挡：RV1=20k/V5V=100 kRV1=20k/V5V=100 kV 50. 20 . 51001001001xU% 50%1001001001001电子测量技术电子测量技术第10页25 V5 V电压挡：电压挡：RV2=20 k/V 25 V=500 kRV2=20 k/V 25 V=500 kV 17. 455001005002xU% 7 .16%1005001001002由此不难看出，电压表输入电阻尤其是低电压挡时由此不难看出，电压表输入电阻尤其是低电压挡时输入电阻对测量结果的影响还是相当严重的。输入电阻对测量结果的影响还是相当严重的。电子

7、测量技术电子测量技术第11页根据式根据式(7.2-3)(7.2-3)我们可以推导出消除负载效应影响的计算我们可以推导出消除负载效应影响的计算公式，公式， 进而计算出待测电压的近似值：进而计算出待测电压的近似值：00V1V11ERRRUx(7.2-5)(7.2-5)V110V10RUERRx同理可得：同理可得：(7.2-6)(7.2-6)V220V20RUERRx电子测量技术电子测量技术第12页因此因此V220V2V110V1RUERRUERxx解出解出1220) 1(xxxUUkUkE(7.2-7)(7.2-7)式中式中：V12VRRk (7.2-8)(7.2-8)电子测量技术电子测量技术第1

8、3页因此，如果用内阻不同的两只电压表，或者同一电压表的因此，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挡不同电压挡( (此时此时k=RV2/RV1，即等于电压量程之比即等于电压量程之比) )，则根据，则根据式（式（7.2-7)7.2-7)和式（和式（7.2-8)7.2-8)即可由两次测得值得到近似的实际即可由两次测得值得到近似的实际值值E0E0。例如将本题中有关数据代入式。例如将本题中有关数据代入式(7.2-7)(7.2-7)，可得待测电压，可得待测电压近似值为近似值为V 01. 55 . 217. 4517. 4) 15(0E电子测量技术电子测量技术第14页除了利用上面的公式计算来

9、消除负载效应之外，当然除了利用上面的公式计算来消除负载效应之外，当然也可以利用其他测量方法，如零示法也可以利用其他测量方法，如零示法( (如电桥如电桥) )和微差法和微差法( (比如利用微差电压表比如利用微差电压表) )，但一般操作都比较麻烦，通常用，但一般操作都比较麻烦，通常用在精密测量中。在工程测量中提高输入阻抗和灵敏度以在精密测量中。在工程测量中提高输入阻抗和灵敏度以提高测量质量最常用的办法是利用电子电压表进行测量提高测量质量最常用的办法是利用电子电压表进行测量。电子测量技术电子测量技术第15页u使用高输入阻抗的场效应管使用高输入阻抗的场效应管(FET)(FET)源极跟随器或真空三极源极

10、跟随器或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度。压表灵敏度。u 当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。u 分压电路的接入将使输入电阻有所降低，但只要分压电分压电路的接入将使输入电阻有所降低，但只要分压电阻取值较大，仍然可以使输入电阻较动圈式电压表大得多。阻取值较大，仍然可以使输入电阻较动圈式电压表大得多。 7.2.27.2.2电子电压表电子电压表1. 1. 电子电压表的原理电子电压表的原理电子测量技术电子测量技术第16页图图7.2-37.2-3电子电压表框图电子

11、电压表框图电子测量技术电子测量技术第17页uR0、 R1、 R2、 R3组成分压器。组成分压器。u 由于由于FETFET源极跟随器输入电阻很大源极跟随器输入电阻很大( (几百几百MM以上以上) )， 因因此由此由UxUx测量端看进去的输入电阻基本上由测量端看进去的输入电阻基本上由R0、R1等串联电等串联电阻决定，通常使它们的串联和大于阻决定，通常使它们的串联和大于10 M10 M，以满足高输入，以满足高输入阻抗的要求。阻抗的要求。u 同时，在这种结构下，电压表的输入阻抗基本上是一个同时，在这种结构下，电压表的输入阻抗基本上是一个常量，与量程无关。常量，与量程无关。电子测量技术电子测量技术第18

12、页图图7.2-47.2-4集成运放电压表的原理图集成运放电压表的原理图电子测量技术电子测量技术第19页当运放开环放大系数当运放开环放大系数A A足够大时，足够大时， 可以认为可以认为U0(U0(虚短路虚短路) ) UFUiUFUi Ii0( Ii0(虚断路虚断路) ) IFI0IFI0FoRUIi分压器和电压跟随器的作用使分压器和电压跟随器的作用使UiUi正比于待测电压正比于待测电压UxUx电子测量技术电子测量技术第20页U Ui i=kUx=kUx因而因而xURkIFo(7.2-10) 即流过电流表的电流即流过电流表的电流I I0 0与被测电压成正比，只要分与被测电压成正比，只要分压系数和压

13、系数和R RF F足够精确和稳定，就可以获得良好的准确度足够精确和稳定，就可以获得良好的准确度。因此，各分压电阻及反馈电阻。因此，各分压电阻及反馈电阻RFRF都要使用精密电阻。都要使用精密电阻。电子测量技术电子测量技术第21页 电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑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，这可使电子电压表测量微伏量级的电压。制漂移，这可使电子电压表测量微伏量级的电压。 微弱的直流电压信号经调制器微弱的直流电压信号经调制器( (又称斩波器又称斩波器) )变换为变换为交流信号，再由交流放大器放大，经解调器还原为直流信号交流信号，再由交流放大器放大，经解调器

14、还原为直流信号( (幅度已得到放大幅度已得到放大) )。振荡器为调制器和解调器提供固定频率。振荡器为调制器和解调器提供固定频率的同步控制信号。的同步控制信号。2. 2. 调制式直流放大器调制式直流放大器图图7.2-57.2-5 调制式直流放大器的原理图调制式直流放大器的原理图电子测量技术电子测量技术第22页调制器和解调器实质上是一对同步开关，开关控制信号调制器和解调器实质上是一对同步开关，开关控制信号由振荡器提供。调制器的工作原理及各点波形如图由振荡器提供。调制器的工作原理及各点波形如图7.2-67.2-6所所示。图示。图(a)(a)中，中，SMSM为机械式振子开关或场效应管电子开关；为机械式

15、振子开关或场效应管电子开关； R R为限流电阻，以防信号源被短路；为限流电阻，以防信号源被短路；C C为隔直流电容；为隔直流电容；R Ri i为交为交流放大器等效输入电阻。图流放大器等效输入电阻。图(d)(d)中，中，U Ui i为输入直流信号，在为输入直流信号，在0 0T/2T/2区间，区间，SMSM打开如图打开如图(b)(b)所示，此时所示，此时u uM M =U=Ui i，在，在T/2T/2T T区区间，间，SMSM闭合如图闭合如图(c)(c)所示，所示，u uM M =0=0，如此交替，获得如图，如此交替，获得如图(e)(e)所所示的示的u uM M波形，经电容波形，经电容C C滤除直

16、流成分，得到如图滤除直流成分，得到如图(f)(f)所示的交所示的交流信号流信号uAuA，由交流放大器进行放大。，由交流放大器进行放大。电子测量技术电子测量技术第23页图图7.2-67.2-6调制器的工作原理及各点波形调制器的工作原理及各点波形电子测量技术电子测量技术第24页解调器的工作原理和各点波形如图解调器的工作原理和各点波形如图7.2-77.2-7所示。图所示。图(a)(a)中，中， SD是与调制器中是与调制器中SM同步动作的机械式振子开关或场效应管电子同步动作的机械式振子开关或场效应管电子开关；开关；C C为隔直流电容，正是由于它的隔直流作用，使放大器为隔直流电容，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；的零点漂移被阻断，不至传输到后面的直流电压表表头； R R为限流电阻；为限流电阻；RF、CF构成滤波器，滤波后得到放大后的直流信构成滤波器，滤波后得到放大后的直流信号。解调器中各点波形如图号。解调器中各点波形如图7.2-7(b)7.2-7(b)、(c)(c)、(d)(d)所示。所示。电子测量技术电子测量技术第25页