电子测量技术课chapter4-2015

1、电子测量 第 4 章 - 11. 引言引言 2. 采用模拟技术的电压测量采用模拟技术的电压测量 3. 采用数字技术的电压测量采用数字技术的电压测量 3.1 数字电压表的基本原理数字电压表的基本原理 3.2 数字电压表中的模数转换器数字电压表中的模数转换器 3.3 数字电压表的技术参数数字电压表的技术参数 4. 基于电压测量的其他仪器基于电压测量的其他仪器 4.1 数字万用表数字万用表 电子测量 第 4 章 - 2（a）便携式模拟万用表）便携式模拟万用表 （b）手持式数字万用表）手持式数字万用表 （c）台式数字万用表）台式数字万用表1.1 电压测量的仪器电压测量的仪器 电子测量 第 4 章 -

2、31.2 电压测量的技术要求电压测量的技术要求 （1）频率测量的范围）频率测量的范围 （2）电压测量范围）电压测量范围 （3）测量准确度）测量准确度 （4）分辨力）分辨力 （5）输入阻抗）输入阻抗 （6）抗干扰）抗干扰 （7）测量速度）测量速度 （8）自动化和多功能）自动化和多功能电子测量 第 4 章 - 4动圈式检流计的原理图动圈式检流计的原理图 直流放大器AFET源级跟随器被测电压模拟直流电压表的原理框图模拟直流电压表的原理框图 2 采用模拟技术的电压测量采用模拟技术的电压测量2.1 模拟直流电压表模拟直流电压表电子测量 第 4 章 - 5交流电压幅度的三种表征方式，峰值、平均值和有效值交

3、流电压幅度的三种表征方式，峰值、平均值和有效值（1）峰值、平均值和有效值）峰值、平均值和有效值2.2 交流电压的表征交流电压的表征电子测量 第 4 章 - 6 在电子测量中，平均值在电子测量中，平均值 是一个波形完整周期中所有瞬是一个波形完整周期中所有瞬时值取绝对值后的平均值，也可以认为是全波整流之后波形时值取绝对值后的平均值，也可以认为是全波整流之后波形的平价值，其数学定义为：的平价值，其数学定义为：U TttuTU0d1 交流电压的有效值等同于由等效直流电压驱动电阻性交流电压的有效值等同于由等效直流电压驱动电阻性负载所消耗的功率，定义为交流电压在周期负载所消耗的功率，定义为交流电压在周期T

4、内的均方根内的均方根值，即：值，即： TttuTU02d1电子测量 第 4 章 - 7（2）波峰因数和波形因数）波峰因数和波形因数 交流电压的峰值、平均值和有效值之间有一定的转换交流电压的峰值、平均值和有效值之间有一定的转换关系，可分别用波峰因数或波形因数来表示。关系，可分别用波峰因数或波形因数来表示。 波峰因数定义为交流电压的峰值与有效值之比，即：波峰因数定义为交流电压的峰值与有效值之比，即：UUKPP 波形因数定义为交流电压的有效值与平均值之比，即：波形因数定义为交流电压的有效值与平均值之比，即：UUK F电子测量 第 4 章 - 8 几种典型信号波形的波形因数和波峰因数几种典型信号波形的

5、波形因数和波峰因数UUKF 序号名 称波形因数波峰因数1正 弦 波1.112半波整流正弦波1.5723全波整流正弦波1.114三 角 波1.155方 波11 6脉脉 冲冲* UUKPP414. 12 414. 12 73. 13 T T注：表中脉冲信号的周期为注：表中脉冲信号的周期为T，脉宽为，脉宽为电子测量 第 4 章 - 9（3） 波形换算波形换算l 国际上一直以有效值来作为交流电压的表征国际上一直以有效值来作为交流电压的表征l 通常以正弦波的有效值作为电压表的刻度通常以正弦波的有效值作为电压表的刻度l 有效值电压表测量非正弦波时，有效值电压表测量非正弦波时，理论上理论上不会有波形误差不会

6、有波形误差l 均值电压表或者峰值电压表测量非正弦波的电压，必须根均值电压表或者峰值电压表测量非正弦波的电压，必须根据电压表采用的检波方式及电压表的读数，进行必要的计算据电压表采用的检波方式及电压表的读数，进行必要的计算才能得到真实的电压值。才能得到真实的电压值。 如何计算如何计算-下一节给出例题下一节给出例题电子测量 第 4 章 - 10（1） 均值电压表均值电压表 放大放大-检波式交流电压测量原理框图检波式交流电压测量原理框图2.3 模拟交流电压表模拟交流电压表 均值检波器的输出是与被测电压的平均值成正比的，均值检波器的输出是与被测电压的平均值成正比的，但均值电压表的表盘通常是但均值电压表的

7、表盘通常是以正弦有效值来刻度以正弦有效值来刻度的。的。 含义：以被测电压的均值与正弦波波形因数的乘积来表示的。含义：以被测电压的均值与正弦波波形因数的乘积来表示的。 UUKU1.11Fa正弦可变量程可变量程分压器分压器宽带交流宽带交流放大器放大器检波器检波器A电子测量 第 4 章 - 11例例4-2-1 使用均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，电使用均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，电压表的示值均为压表的示值均为10V，问被测电压的有效值各是多少？，问被测电压的有效值各是多少？解：解： 对于正弦波，不需要进行波形换算，被测正弦信号的有效对于正弦波，不需要进行波形换算，被测正弦信号的有

8、效值为值为10V。 对于三角波，需要进行波形换算。根据公式对于三角波，需要进行波形换算。根据公式(4-2-5)，被测，被测三角波的均值为：三角波的均值为：)(01. 911. 11011. 1aVUU查表，得三角波的波形因数为查表，得三角波的波形因数为1.15，因此：，因此：)(36.1001. 915. 1F三VUKU角对于方波，也需要进行波形换算对于方波，也需要进行波形换算:)( 1.091.1110111. 1aF方F方VUKUKU波波电子测量 第 4 章 - 12讨论：讨论：l 若不知道被测波形的波形因数，就无法进行波形换算。如若不知道被测波形的波形因数，就无法进行波形换算。如果只能以

9、均值电压表的示值作为测量结果，此时的波形误差可果只能以均值电压表的示值作为测量结果，此时的波形误差可能很大，这称为能很大，这称为“波形误差波形误差”。l 均值电压表还存在频率响应误差。放大均值电压表还存在频率响应误差。放大-检波结构中的放大检波结构中的放大器虽然能够提高电压表的灵敏度，但是放大器的有限带宽和内器虽然能够提高电压表的灵敏度，但是放大器的有限带宽和内部噪声对于电压表的测量频率范围有较大的影响。部噪声对于电压表的测量频率范围有较大的影响。 一般地，对于放大一般地，对于放大-检波结构的均值电压表，频率上限一检波结构的均值电压表，频率上限一般在几般在几MHz到十几到十几MHz。电子测量

10、第 4 章 - 13（2）峰值电压表）峰值电压表缺陷：直流放大器导致电压表的灵敏度不能很高缺陷：直流放大器导致电压表的灵敏度不能很高检波检波-放大式放大式 采用峰值检波器实现交流采用峰值检波器实现交流-直流变换功能直流变换功能 。检波检波放大放大检波式检波式 检波器检波器可变量程可变量程分压器分压器直流放直流放大器大器A检波器检波器衰减器衰减器斩波器斩波器A交流放交流放大器大器检波器检波器电子测量 第 4 章 - 14ap2UKUl 峰值电压表也是按正弦有效值来刻度的。峰值电压表也是按正弦有效值来刻度的。l 对于其他非正弦波，当不能通过波峰系数进行换算时，将带对于其他非正弦波，当不能通过波峰系

11、数进行换算时，将带来了波形误差。来了波形误差。l 已知被测信号波形的波峰因数为，峰值电压表的读数为已知被测信号波形的波峰因数为，峰值电压表的读数为Ua，则被测信号的有效值为：则被测信号的有效值为：电子测量 第 4 章 - 15（3） 有效值电压表有效值电压表2( )u t0TAu(t)Vrms隐含运算式隐含运算式：UtuUtuU22)(Avg)(Avg有效值检波的方法：有效值检波的方法：l 热电耦变换式热电耦变换式l 模拟计算式模拟计算式直接运算式直接运算式： 电子测量 第 4 章 - 16l 有效值电压表理论上不会产生波形误差有效值电压表理论上不会产生波形误差l 由于受电压表线性工作范围的限

12、制及带宽限制，在测量波由于受电压表线性工作范围的限制及带宽限制，在测量波峰因数较大的非正弦波时，峰因数较大的非正弦波时，存在存在波形误差波形误差l 有效值电压表常采用有效值电压表常采用放大放大-检波式检波式结构结构l 频率测量范围受限于宽带交流放大器的带宽频率测量范围受限于宽带交流放大器的带宽。通常。通常仅频率仅频率范围范围在在几百几百kHz内内l 为了兼顾测量灵敏度和带宽，高频电压表采用外差变频的为了兼顾测量灵敏度和带宽，高频电压表采用外差变频的方法方法电子测量 第 4 章 - 17（4）电平表）电平表 1. 电平的表示形式电平的表示形式 相对电平用来表示两个信号功率之间的比例关系。以分相对

13、电平用来表示两个信号功率之间的比例关系。以分贝表示的相对功率电平为：贝表示的相对功率电平为：0 xlg10PP 相对功率电平（相对功率电平（dB）=相对电压电平（相对电压电平（dB）=0 xlg20UU 绝对功率电平（绝对功率电平（dBm）=mW1)mW(lg10 xP 绝对电压电平绝对电压电平 （dBu）=V775. 0)V(lg20 xU 电子测量 第 4 章 - 182.宽频电平表宽频电平表 宽频 放大器 检波器 电平 校准 平衡 变量器 输入 衰耗器 标准电平 振荡器 输入 电平选择 -70 -60 -50 0 +10 输入 阻抗选择 R1 R2 R3 R8 电子测量 第 4 章 -

14、19采用数字技术的电压测量采用数字技术的电压测量3.1 数字电压表的基本原理数字电压表的基本原理 数字直流电压表的原理框图数字直流电压表的原理框图（1）数字直流电压表）数字直流电压表直流电压直流电压输入调节输入调节ADC存储器存储器/ 输出缓存输出缓存显示器显示器被测直流电压被测直流电压逻辑控制电逻辑控制电路路电子测量 第 4 章 - 20若被测交流信号电压为若被测交流信号电压为u(t)，离散采样值为，离散采样值为ui，则，则NiiuNU121（2）数字交流电压表）数字交流电压表l 模拟检波式：模拟检波式：Agilent 34401Al 直接计算式：直接计算式： Agilent 34410A和

15、和34411A交流电压交流电压输入调节输入调节ADC存储器存储器/ 输出缓存输出缓存显示器显示器检测交流电压检测交流电压逻辑控制电路逻辑控制电路有效值有效值检波器检波器电子测量 第 4 章 - 21Agilent 3458A支持三种真有效值交流电压测量模式：支持三种真有效值交流电压测量模式：l 模拟计算式：模拟计算式： 带宽在带宽在10Hz 至至2MHz 内，测量准确度可达内，测量准确度可达0.03%，测量速度为每秒，测量速度为每秒0.850个读数；个读数；l 基于随机采样的数值计算式：带宽为基于随机采样的数值计算式：带宽为20Hz 至至10MHz，适，适合宽带的噪声测量，测量速度为每秒合宽带

16、的噪声测量，测量速度为每秒0.02545个读数，精度个读数，精度仅为仅为0.1%；l 基于顺序采样（同步子采样）的数值计算式：带宽为基于顺序采样（同步子采样）的数值计算式：带宽为1Hz 至至10MHz，测量准确度高达，测量准确度高达0.010%，测量速度为每秒，测量速度为每秒0.850个读数，但要求输入是重复信号（例如不是随机噪声）。个读数，但要求输入是重复信号（例如不是随机噪声）。电子测量 第 4 章 - 223.2 数字电压表中的模数转换器数字电压表中的模数转换器 根据其实现原理分为三大类：直接型、间接型、复合型根据其实现原理分为三大类：直接型、间接型、复合型1. 斜坡电压式斜坡电压式AD

17、C2. 逐次逼近式逐次逼近式ADC3. 余数再循环式余数再循环式ADC4. 双斜积分式双斜积分式ADC5. 三斜积分式三斜积分式ADC6. 多斜积分式多斜积分式ADC7. 脉冲调宽式脉冲调宽式ADC电压测量的电压测量的ADC需要兼顾准确度、测量速率、抗干扰性能等需要兼顾准确度、测量速率、抗干扰性能等电子测量 第 4 章 - 231. 斜坡电压式斜坡电压式ADC电子测量 第 4 章 - 242. 逐次逼近式逐次逼近式ADC结论：结论：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。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、精度和成本三个变换能兼顾速度、精度和成本三个方面的要求

18、。方面的要求。电子测量 第 4 章 - 253. 余数再循环式余数再循环式ADCl 三种模式：自动调零模式、比较模式、余数存贮模三种模式：自动调零模式、比较模式、余数存贮模式式l 测量结果测量结果计算公式：计算公式：51611rro216jiijijbUUUl 特点：特点：增加循环的次数，就可以提高测量的分辨力增加循环的次数，就可以提高测量的分辨力 Fluke 8840A 余数再循环式ADC 5位的显示位数 直流电压准确度达0.005电子测量 第 4 章 - 26显示器显示器十进制计十进制计数器数器闸闸门门逻辑控制电路逻辑控制电路A1A2时钟时钟RS1S2C-UxUrefUo4. 4. 双斜积

19、分式双斜积分式ADC 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。电子测量 第 4 章 - 27相关的工作波形图：相关的工作波形图： T1T2T2t2t1t3UomUomUoUxUxt定时积分时间定时积分时间计数值计数值N1定值积分时间定值积分时间计数值计数值N20在定时积分时间在定时积分时间T1内内，x1x21d1URCTtURCUttom在定值积分时间在定值积分时间T2内内，0d1ref2omrefomo32URCTUtURCUUtt电子测量 第 4 章 - 28因此，因此，ref2omURCTUref12xUTTU由于由于T1=N1T0

20、，T2=N2T0ref12xUNNU 在被测电压受到串模干扰电压在被测电压受到串模干扰电压Usm的干扰时，的干扰时，ADC的输的输入电压为：入电压为：)(smxUUux则，则，x1xomd121uRCTtuRCUtt结论结论 优点：优点：转换准确度高、灵敏度高、抑制干扰能力强、造价低转换准确度高、灵敏度高、抑制干扰能力强、造价低 缺点：缺点：转换速度比较低转换速度比较低，对积分线性度要求高等，对积分线性度要求高等电子测量 第 4 章 - 295三斜积分式三斜积分式ADCT1T21T22UomUoUxtUT0第一个积分阶段所用时间第一个积分阶段所用时间：T1=N1T0反向积分分为两个子阶段反向积

21、分分为两个子阶段：T21=N21T0，T22=N22T00d1d1d122211refrefxTTTtkURCtURCtURCref12221xUkNNkNU可得可得Uref Uref/k 电子测量 第 4 章 - 30222221xx1NNkNUUref12221xUkNNkNUl 三斜积分式三斜积分式ADC的计数误差明显减小，类似于内插扩展法；的计数误差明显减小，类似于内插扩展法；l 在考虑达到同样的显示位数和计数误差条件下，三斜积分式在考虑达到同样的显示位数和计数误差条件下，三斜积分式测量速度提高了很多。测量速度提高了很多。误差分析：误差分析： 电子测量 第 4 章 - 316多斜积分式

22、多斜积分式ADC工作过程分为两个大的阶段：定时积分阶段、比较阶段工作过程分为两个大的阶段：定时积分阶段、比较阶段电子测量 第 4 章 - 327脉冲调宽式脉冲调宽式ADC优点：优点：l 克服双斜积分式克服双斜积分式ADC中积分器的动态范围问题中积分器的动态范围问题l 抗串模干扰能力抗串模干扰能力 - Ts为干扰信号周期的整数倍l 实现对被测电压的连续测量实现对被测电压的连续测量l 为被测信号源提供稳定的负载为被测信号源提供稳定的负载电子测量 第 4 章 - 33时间波形图时间波形图电子测量 第 4 章 - 34 按照电荷平衡原理，在方波的一个周期内，积分电容器净得按照电荷平衡原理，在方波的一个

23、周期内，积分电容器净得电荷量为零：电荷量为零：0d )(1d1d121210r20r20i1tUCRtUCRtUCRTTTT0)(22r21r211iCRTUCRTUTTCRUrs12iUTTTU)2(2s2sriTTTUU电子测量 第 4 章 - 353.3 数字电压表的技术参数数字电压表的技术参数（1）测量范围）测量范围1. 量程量程 nV-kV2. 显示位数及超量程能力显示位数及超量程能力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电子测量 第 4 章 - 36*基本量程为基本量程为

24、1或或10V时，时， 表示具有超量程能力。表示具有超量程能力。21n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。214*基本量程为基本量程为2V或或20V等，最大显示为等，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。214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%。电子测量 第 4 章 - 37（2）分辨力和灵敏度）分辨力和灵敏度

25、指出最低电压量程上末位指出最低电压量程上末位1个字所对应的电压值个字所对应的电压值例如，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。（3）测量误差和准确度）测量误差和准确度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：mx%UUU字nUUx%电子测量 第 4 章 - 38输入阻抗和输入零电流的附加误差：输入阻抗和输入零电流的附加误差：电子测量 第 4 章 - 39 设被测信号源为设被测信号源为U0，内阻为，内阻为R0，DVM的输入阻抗为的输入阻抗为Ri，零，零电流为电流为I0

26、，则由于输入阻抗和输入零电流产生的附加误差分，则由于输入阻抗和输入零电流产生的附加误差分别为：别为：i00i0 xxiRRRRRUURx00 xx0URIUUI环境温度变化引起的误差环境温度变化引起的误差CUU/%0001. 0%0001. 0mx电子测量 第 4 章 - 40（4）输入阻抗）输入阻抗低电平输入低电平输入 几千几千M 高电平测量高电平测量 10M上下上下 （5）测量速度）测量速度定义：定义：指每秒钟对被测电压的测量次数指每秒钟对被测电压的测量次数。单位单位：“次次/s” 或者或者“读数读数/s”主要取决于主要取决于A/D变换器的变换速度变换器的变换速度电子测量 第 4 章 -

27、41（6）抗干扰能力）抗干扰能力 两类基本干扰：串模干扰、共模干扰两类基本干扰：串模干扰、共模干扰 表征：串模抑制比（表征：串模抑制比（SMRR）、共模抑制比（）、共模抑制比（CMRR） 1. 串模干扰与串模抑制比串模干扰与串模抑制比 smlg20dBSMRRUUsm-串模干扰电压峰值串模干扰电压峰值 -由由Usm所造成的最大显示误差所造成的最大显示误差 Usm Ux + - Rs 高端 低端 DVM 电子测量 第 4 章 - 422. 共模干扰与共模抑制比共模干扰与共模抑制比 Usm Vx + - Rs 高端 低端 DVM Ucm Zi Rl1 Rl2 Ucm Rl1 Rl2 Zi Z2 Z1 I1 I2 共模干扰及其等效电路共模干扰及其等效电路 电子测量 第 4 章 - 43CMRR定义为： smcmlg20dBCMRRUU Ucm: 共模干扰电压峰值； Usm: 由共模干扰电压转化成的串模干扰电压峰值 若不计I1对DVM高端的影响，则Usm=I2Rl2，而2cm2l2cm2/ZUZRUI则：l22lg20dBCMRRRZ电子测量 第 4 章 - 44 4.1 数字万用表（数字万用表（DMM ） AC/DC 变换器 电流