电子测量技术第4章 模拟测量方法

1、3.1 3.1 电压测量概述电压测量概述1.1.电压测量的基本要求电压测量的基本要求 要求：要求：(1) (1) 应有足够宽的频率范围应有足够宽的频率范围 (2) (2) 应有足够宽的电压测量范围应有足够宽的电压测量范围 (3) (3) 应有足够高的测量准确度应有足够高的测量准确度 (4) (4) 应有足够高的输入阻抗应有足够高的输入阻抗 (5) (5) 应有足够高的抗干扰能力应有足够高的抗干扰能力2.2.电压测量仪器的分类电压测量仪器的分类 (1)(1)模拟式电压表模拟式电压表 (2)(2)数字式电压表数字式电压表3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量3.2.1 3.2.1 交流电压的

2、表征交流电压的表征1. 峰值峰值UP 2.2.平均值平均值 TttuTU0d13.3.有效值有效值波形系数：该电压的有效值与其平均值之比。波形系数：该电压的有效值与其平均值之比。波峰系数：该电压的峰值与其有效值之比。波峰系数：该电压的峰值与其有效值之比。 TttuTU02d1UUK FUUKPP3.2.2 3.2.2 交流电压的测量方法交流电压的测量方法1.1.峰值电压表峰值电压表2. 2. 平均值电压表平均值电压表3.3.有效值电压表有效值电压表 (1)(1)热电转换法热电转换法 (2)(2)公式法公式法4.4.外差式电压表外差式电压表3.2.3 3.2.3 平均值电压的测量平均值电压的测量

3、1.1.平均值检波器的工作原理平均值检波器的工作原理 检波电路输出的直流电压正比于输入交流电压绝检波电路输出的直流电压正比于输入交流电压绝对值的平均值。对值的平均值。2.2.波形换算方法波形换算方法 当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上取得的示值先除以定度系数，折算成正弦波电压取得的示值先除以定度系数，折算成正弦波电压（取绝对值）的平均值；再按平均值相等示值也相（取绝对值）的平均值；再按平均值相等示值也相等的原则，用波形系数等的原则，用波形系数( (见表见表4.2.1)4.2.1)换算出被测的换算出被测的非正弦波电压有效值。非正弦波电压有效值。KUU

4、 UKUFrmsx例例4.2.1 4.2.1 用平均值表用平均值表( (全波式全波式) )分别测量方波及三角分别测量方波及三角波电压，电压表均指在波电压，电压表均指在10V10V位置，问被测电压的有效位置，问被测电压的有效值分别是多少？值分别是多少？对于方波，先将示值对于方波，先将示值(10V)(10V)折算成正弦波的平均值折算成正弦波的平均值再用波形系数换算成有效值再用波形系数换算成有效值:对于三角波，因示值与方波相同，表明它的平均值对于三角波，因示值与方波相同，表明它的平均值也是也是9V,9V,有效值有效值: :9109 . 09 . 0UU991FrmsxUKU35.10915. 1Fr

5、msxUKU例例4.2.2 4.2.2 被测电压为脉冲波，周期被测电压为脉冲波，周期T=64s，脉宽，脉宽tw=12s，用全波平均值表测量，电压表示值，用全波平均值表测量，电压表示值U为为6V6V。求其有效值。求其有效值Uxrms等于多少？等于多少？V4 . 569 . 09 . 0UUV5 .124 . 51264FrmsxUtTUKUw3.3.误差分析误差分析(1) (1) 以平均值表的示值直接作为被测电压有效值时：以平均值表的示值直接作为被测电压有效值时：(2) (2) 失真正弦波的波形误差：失真正弦波的波形误差：xxdxUUUUUPnPnnxdUDUKUUU212122221 误差不仅

6、决定于谐波幅度，而且还随谐波初相角的变化误差不仅决定于谐波幅度，而且还随谐波初相角的变化而周期性变化，当而周期性变化，当为为0 0或或180180时，误差最大。时，误差最大。 由二次谐波产生的误差比三次谐波的小，而且由二次谐波产生的误差比三次谐波的小，而且U U为负值，为负值，即读数偏低。即读数偏低。 三次谐波所引起的波形误差比二次谐波大得多三次谐波所引起的波形误差比二次谐波大得多( (即奇次谐即奇次谐波比偶次谐波影响大，波比偶次谐波影响大，U U可正可负可正可负) )。4.4.平均值检波器电压表平均值检波器电压表3.2.4 3.2.4 有效值电压的测量有效值电压的测量1.1.有效值电压表原理

7、有效值电压表原理 20tuEKix 若设法在电路中抵消起始电流的影响，则送到直若设法在电路中抵消起始电流的影响，则送到直流电流表的电流为：流电流表的电流为：优点优点：可测量任意周期性波形电压的有效值，同谐波与基波之：可测量任意周期性波形电压的有效值，同谐波与基波之间的相角无关，不会产生波形误差。间的相角无关，不会产生波形误差。缺点缺点：当用正弦博电压有效值刻度时，表盘刻度是非线性的。：当用正弦博电压有效值刻度时，表盘刻度是非线性的。2rmsx KUI 2rmsxx02002002002d1d12d1KUUKEKEttuTKttuTKEKEttiTITxTxTDY-2DY-2型有效值电压表的平方

8、律特性曲线型有效值电压表的平方律特性曲线另一种有效值转换的方法是利用热电偶来实现的。另一种有效值转换的方法是利用热电偶来实现的。 热电偶热电偶M M的热端的热端C C点的温度高于冷端点的温度高于冷端D D，E E的温度，产生热的温度，产生热电势，有直流电流电势，有直流电流I I流过微安表，热端温度正比于被测电压有流过微安表，热端温度正比于被测电压有效值的平方。效值的平方。热电偶式有效值电压表原理框图热电偶式有效值电压表原理框图利用模拟运算电路实现有效值电压的测量利用模拟运算电路实现有效值电压的测量隐含计算式隐含计算式RMSRMS转换器原理框图转换器原理框图直流反馈计算式直流反馈计算式RMSRM

9、S转换器原理框图转换器原理框图 tuUKUoM222rmsx2UURCTKUoo单片半导体加热式单片半导体加热式RMSRMS转换器转换器2.2.有效值检波器电压表有效值检波器电压表AD536AD536型型RMSRMS转换器原理框图转换器原理框图rms14213214IIIIIIAD536AD536型型RMSRMS转换器的连接图转换器的连接图3.2.5 3.2.5 峰值电压的测量峰值电压的测量1.1.峰值表原理（先检波、再放大）峰值表原理（先检波、再放大）2.2.误差分析误差分析(1) (1) 理论误差理论误差 绝对误差绝对误差相对误差相对误差(2) (2) 频率误差频率误差(3) (3) 波形

10、误差：波形误差：峰值检波器对于波形的凸起部分敏峰值检波器对于波形的凸起部分敏感，如果信号失真度较大，会造成较大的波形误差。感，如果信号失真度较大，会造成较大的波形误差。PRUUU32T2 . 2RRfRC21L3. 3. 波形换算方法波形换算方法 将示值除以定度系数后等于峰值，再用波峰系将示值除以定度系数后等于峰值，再用波峰系数换算成有效值。数换算成有效值。例例3.2.3 用峰值表分别测量方波及三角波电压，电压表均指用峰值表分别测量方波及三角波电压，电压表均指在在5V位置，问被测电压有效值是多少？位置，问被测电压有效值是多少？对于方波，对于方波，对于三角波，对于三角波，V1 . 7522UUP

11、V1 . 71 . 711rmsxPPUKUV1 . 41 . 7311rmsxPPUKU4.4.高精度峰值检波器高精度峰值检波器FKDD11RPRRF21111RRKD3.2.6 3.2.6 脉冲电压的测量脉冲电压的测量1. 1. 脉冲电压表的原理脉冲电压表的原理电容器电容器C充电时：充电时：放电时：放电时：电路平衡时电路平衡时Q1Q2wCPttRUUtiQw011dTRUtTRUtiQCwCTtwd22wCPtTRRUU1理论误差：脉冲周期与脉冲宽度之比较大。理论误差：脉冲周期与脉冲宽度之比较大。代入代入Up后得：后得：CPCPCTUUUUUUU1wTRtTR【例例4.2.44.2.4】R

12、 R=1500=1500，R=20MR=20M,T=10ms,t,T=10ms,tw w=10=10s, s, 求求T T。%5 . 7-1010102010101500-6-63-wTRtTR改进措施改进措施：峰值检波器的负载电阻：峰值检波器的负载电阻R R尽量取得大些，尽量取得大些，或用源极或用源极( (或射极或射极) )跟随器代替电阻跟随器代替电阻R R，或利用脉冲，或利用脉冲电压保持电路来实现。电压保持电路来实现。脉冲保持电路及波形图脉冲保持电路及波形图2.2.高压脉冲幅值的测量高压脉冲幅值的测量单脉冲电压正峰值保持电路单脉冲电压正峰值保持电路3.3.尖脉冲峰值电压的测量尖脉冲峰值电压

13、的测量4.4.用示波法测量脉冲电压用示波法测量脉冲电压5.5.测量脉冲电压应注意以下几点：测量脉冲电压应注意以下几点：(1)(1)测量脉冲幅度宜用交流耦合方式，并需注意极性测量脉冲幅度宜用交流耦合方式，并需注意极性(2)(2)观测方波信号时应选用频带较宽的示波器观测方波信号时应选用频带较宽的示波器6.6.脉冲测量时电缆的终端匹配问题脉冲测量时电缆的终端匹配问题 在实际测量过程中，容易产生以下两点错误：在实际测量过程中，容易产生以下两点错误： 在示波器一端在示波器一端, ,除了示波器的输入阻抗之外除了示波器的输入阻抗之外, ,电缆的电缆的终端未得到匹配。终端未得到匹配。 在脉冲发生器的输出端用一

14、个外加的在脉冲发生器的输出端用一个外加的5050电阻器电阻器和和5050电缆相连接，而在示波器输入端电缆终端未得电缆相连接，而在示波器输入端电缆终端未得到匹配。到匹配。4.3 4.3 噪声电压的测量噪声电压的测量4.3.1 4.3.1 噪声的基本特性噪声的基本特性 222e21nUunUu4.3.2 4.3.2 用平均值表测量噪声电压用平均值表测量噪声电压噪声电压一般指噪声电压的有效值。噪声电压一般指噪声电压的有效值。nUunnUuueUUn2d22022225. 12nnFUUKUUKUKUFn13. 111. 125. 1将平均值电压表的指示值乘以将平均值电压表的指示值乘以1.131.13

15、就是噪声电压的有效值。就是噪声电压的有效值。4.3.3 4.3.3 器件和放大器噪声的测量器件和放大器噪声的测量放大器放大器“噪声量噪声量”的表示形式是放大器的等效输入噪声电压的表示形式是放大器的等效输入噪声电压( (电流电流) )1.1.等效输入噪声等效输入噪声U Unini的测量的测量(1) (1) 正弦信号法（低频）正弦信号法（低频）(2) (2) 噪声发生器法（高频）噪声发生器法（高频）nsnonononiUUUUU212221(3)(3)两种测量方法的比较两种测量方法的比较(4)(4)测量噪声时需要考虑的问题测量噪声时需要考虑的问题 带宽的影响带宽的影响( (电压表电压表3dB3dB

16、带宽为被测系统噪声带宽带宽为被测系统噪声带宽的的8-108-10倍倍) )； 平均值和波形系数；平均值和波形系数； 测量时间的影响测量时间的影响( (增加时间增加时间) )； 由于白噪声呈高斯正态分布，为避免噪声波峰被削由于白噪声呈高斯正态分布，为避免噪声波峰被削掉，测量过程中表头示值不得超过满刻度值的一半。掉，测量过程中表头示值不得超过满刻度值的一半。wnwnunBBUU3.3.噪声带宽的测量噪声带宽的测量(1)(1)正弦信号法正弦信号法( (测幅频特性曲线测幅频特性曲线, ,然后求然后求A A2 2(f)(f)下的面下的面积积) )21umniiwnASB(2) (2) 噪声发生器法噪声发

17、生器法( (将噪声发生器接到被测电路的输将噪声发生器接到被测电路的输入端入端, ,测量总的输出噪声电压测量总的输出噪声电压U Unono) )3.3.信噪比的测试信噪比的测试 fSAUBiunown224.4.噪声系数的测量噪声系数的测量(1)(1)利用噪声发生器测量噪声系数利用噪声发生器测量噪声系数(2)(2)正弦信号法正弦信号法pninonosonisiAPPPPPP输出信噪比输入信噪比噪声系数F5.5.集成运算放大器噪声参数的测量集成运算放大器噪声参数的测量(1) (1) 测试原理测试原理电压噪声电压噪声(采用低信采用低信号源电阻和高增益号源电阻和高增益电路测量电路测量)：1000112

18、nononiURRUU电流噪声电流噪声( (高信高信号源电阻和高号源电阻和高增益电路增益电路) )：snoniRRRUI121(2)运算放大器运算放大器Uni的实用测量电路的实用测量电路(3) 输入噪声电流输入噪声电流 和和 的测量的测量(电阻电阻R)nInI3.4 3.4 分贝的测量分贝的测量3.4.1 3.4.1 数学定义数学定义1.1.功率之比的对数功率之比的对数分贝分贝(dB)(dB)2.2.电压比的对数电压比的对数21lg10PPdBlg20lg102121UUPP3. 3. 绝对电平绝对电平(1) (1) 功率电平功率电平dBm(dBm(以以1mW1mW作为作为0 0功率电平功率电

19、平) )(2) (2) 电压电平电压电平dBV(dBV(以以0.775V0.775V作为作为0 0电压电平电压电平) )4. 4. 音量单位音量单位(VU)(VU)mW1mWlg10lg100WxxPPPP775. 0lg20lg200VxxUUUPmW1lg10VUxP3.4.2 3.4.2 分贝值的测量分贝值的测量 本质上是交流电压测量本质上是交流电压测量, ,但刻度以但刻度以dBdB表示。表示。基准功率：阻抗基准功率：阻抗600600, ,产生产生1mW1mW功率为基准功率为基准, ,相当于加相当于加0.775V0.775V电压。电压。分贝刻度分贝刻度4.5 4.5 失真度的测量失真度的

20、测量4.5.1 4.5.1 非线性失真的定义非线性失真的定义全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比。全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比。%100%100%10012212322UUUUUUUhnn%100%100%1001222232212322UUUUUUUUUhnnnn 214.5.2 4.5.2 失真度测量仪基本工作原理失真度测量仪基本工作原理12nnUU22nnhUU%100UUh4.5.3 4.5.3 有源陷波电路有源陷波电路1. 1. 双双T T形电路构成的无源陷波器形电路构成的无源陷波器410lhfffQ2.2.双双T T形有源陷波器形有源陷波器FQ-141BAARRRF例：设计一个双T形陷波器，要求在1000Hz时陷波，且陷波器的3dB带宽为50Hz。取取C0.01F，RT10k205010007 . 00BWfQ