第3章电流、电压测量测量技术

1、第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 第第3章章 电压、电流的测量技术电压、电流的测量技术3.1 电压和电流测量的基本要求与方法电压和电流测量的基本要求与方法3.2 使用电子电压表测量电压的操作方法使用电子电压表测量电压的操作方法3.3 使用数字电压表测量电压的操作使用数字电压表测量电压的操作第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.1 电压和电流测量的基本要求与方法电压和电流测量的基本要求与方法3.1.1 电压和电流测量的基本要求（对测量仪器的要求）u 频率范围宽u 测量范围广u 电压表输入阻抗高，电流表内阻小u 测量精度高u 抗干扰能力强第第3章章 电流、电压测量技

2、术电流、电压测量技术 3.1.2 直流电流的测量 图3.1 直流电流测量A 直流电流测量是一种最基本的电测量。它是让直流电流经过电流表的电磁装置或电子装置，在这些装置上以指针的偏转角度或数字的大小，表示出被测电流量的大小。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 1. 模拟直流电流表的工作原理 直流电流表多数为磁电式仪表，磁电式仪表一般由可动可动线圈、游丝和永久磁铁线圈、游丝和永久磁铁组成。线圈框架的转轴上固定一个读数指针，当线圈流过电流时，在磁场的作用下，可动线圈发生偏转，带动上面固定的读数指针偏转，偏转的角度与通过可动线圈的电流成正比，即 。 磁电式直流电流表又称为表头。测量的电流

3、不大于2050mA，测量较大电流时，需要与表头并联一个分流电阻（或分流器）。l直流电流表的优缺点：模拟直流电流表具有不需电池驱动、显示稳定等优点，同时亦存在非线性误差大、容易损坏等缺点。IS I第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 图3.2 数字万用表测量原理框图预处理A/D转换器数字量显示Ui2. 数字万用表测量直流电流的原理 对外电路来说，数字万用表仅相当于一个取样电阻RN，测量时RN上的电压信号为Ui=I RN 。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.1.3 交流电流的测量交流电流的测量低频测量高频测量u低频测量：测量范围为几千赫兹以下，通常为工频电流的测量。

4、电流值较大。u高频测量：电子技术中测量的电流不大。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 1.低频交流电流的测量原理和方法测量原理：类似于直流电流的测量。区别仅仅是将采样信号先整流，再转换为直流电压进行测量。测量方法：被测低频交流电流经过一个二极管整流成直流电流，再通过直流表头偏转指示。如图3.3所示。 图3.3 交直流转化电路第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 2. 高频交流电流的测量原理和方法测量原理： 高频电流流过的导体附近的闭合线路内有直流电流产生。以此可以通过与高频电流密切相关的直流电流的大小，间接地检测出高频电流的大小。测量方法：如图3.4所示。图3.4 热

5、电偶电表原理图中AB为高频电流流过的金属导体，由于电流的热效应，使AB导线的温度上升。DEC是一热电偶，在DE之间接有一磁电式电流表，C电焊接在AB上。当AB导线因电流通过而温度上升时，C点的温度也上升。由于CD和ED是有两中热电特性不同的材料制成的导体，在CE之间由于温差的存在而产生热电动势，这样在整个实例电路中就产生了热电流，使电流表G的指针发生偏转，间接地指示了导体AB中流过的电流大小。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.1.4 直流电压的测量 一般来说，直流电压测量是将直流电压表直接跨接在被测电压的两端，由直流电压表读出被测电压的值。因此，电压测量是一种最简便的电参数

6、测量，其过程如图3.5所示。电压表Ux图3.5 电压测量 第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 从原理上说，直流电压测量是在直流电流测量的基础上扩展而来。通常与表头串联分压电阻，选择适当的分压电阻，即组成了直流电压表，如图3.7所示。图3.7 基于直流表的直流电压表构成框图 开关打到1时，g2345()xUIRRRR第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.1.5 交流电压的测量图3.8 交流电压测量原理 对不断发生变化的电信号的幅值的测量，即为交流电压的测量。交流电压的大小，一般由峰值、平均值和有效值来表征。所以测量不同交流电压值，还需要配置相应的转换器如图3.8所示

7、。I0u(t)D 1D 2D 3D 4CR 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（a）峰值变换检波电路（b）平均值变换检波电路（c）热电偶有效值变换电路第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.1.6 交流电压的基本参数1) 平均值 平均值简称均值，是指波形中的直流成分，所以纯交流电压的平均值为0。平均值特指经过均值检波器后波形的平均值，分为半波平均值 和全波平均值 。 通常情况下，纯交流（正负半周对称）电压的平均值一般指全波平均值。1/2UU01( ),0TUu t dttTT 21/201( )

8、( )0TUu t dtu ttTT ， ， 0U21/201( )( )0TUu t dtu ttTT ， ， 0正半波平均值负半波平均值第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 2) 峰值UP定义：交流电压在一个周期内以交流电压在一个周期内以零电平零电平为参考基准的最为参考基准的最大瞬时值大瞬时值，分为正峰值UP+ 和负UP。经常用到的交流电压的表征量还有峰-峰值。表示信号的最大值与最小值表示信号的最大值与最小值的差的差。对于对称的正弦信号来说，更常用的是峰值UP，其等于1/2的UP-P。振幅值是以电压波形的振幅值是以电压波形的直流成分直流成分为参为参考基准的最大瞬时值。考基准的最

9、大瞬时值。3) 有效值URMS有效值指的是信号的均方根值（RMS）。电压信号的有效值用URMS表示，其数学表达式为201( )TRMSUu t dtT第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 4) 波形因数KF: 表示交流电压的有效值与平均值之比，即 5) 波峰因数KP: 表示交流电压的峰值与有效值之比，即RMSFUKUPPRMSUKU第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.2 使用电子电压表测量电压的操作方法使用电子电压表测量电压的操作方法电压表模拟式电压表数字式电压表1. 模拟式电压表 模拟电压表又叫指针式电压表，一般采用磁电式直流电流表作为被测电压的指示器。测量直流

10、电压时可直接或经放大、衰减后变成直流电流进行测量。测量交流电压时，必须经过检波器转换成直流电压后，再进行测量。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 2. 模拟式电压表的分类 按工作频率分类：分为超低频、低频、视频、高频或射频、超高频电压表。 按测量电压量级分类：电压表（基本量程为V量程）和毫伏表（基本量程为mV量程）。 按检波方式分类：均值电压表、有效值电压表和峰值电压表。 按电路组成形式分类：检波-放大式电压表、放大-检波式电压表、外差式电压表。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3. 数字电压表 使用A/D变换器作为测量机构，用数字显示器显示测量结果的电压表。 数

11、字式电压表按功能分为直流数字电压表和交流数字电压表。 直流数字电压表按A/D转换方式分为比较型、积分型和复合型。 交流数字电压表按AC/DC变换原理分为峰值型、均值型和有效值型数字电压表。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.2.2 均值电压表 平均值特指经过均值检波器后波形的平均值，这是对全波检波而言，即输入电压的绝对值在一个周期的平均值。 均值电压表中常用的均值检波器电路如下图所示。均值响应检波器输出平均电流正比于输入电压的平均值。01( )TUu t dtTI0u ( t)D 1D 2D 3D 4C图3.9 均值检波器电路原理（a）桥式电路（a）半桥式电路第第3章章 电流

12、、电压测量技术电流、电压测量技术 u平均值检波原理以全波整流电路为例，I0的平均值为：式中，T为u(t)的周期，rd和rm分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数（它反映了检波器的灵敏度 ）。于是，Io的平均值 与u(t)的平均值 成正比。 oI01( )( )22Todmdmu tu tIdtTrrrr( )u t第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.2.3 有效值电压表 1. 检波式有效值电压表的基本原理u利用二极管平方律伏安特性检波u根据 为得到有效值，首先需对u(t)平方， 小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系。u缺点：精度低且动态范围小。 u因

13、此，实际应用中，采用分段逼近平方律的二极管伏安特性曲线图的电路。201( )TVu t dtT第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 2. 热电转换式有效值电压表u热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个闭合回路，当两节点处温度不同时，回路中将产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，所产生的电动势称为热电动势。 u当热端T和冷端T0存在温差时（即T T0 ），则存在热电动势，且热电动势的大小与温差且热电动势的大小与温差T=T- T0成正比。成正比。冷冷端端T T0 0热热端端T T图 3.10 热电效应原理图第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 u利用

14、热电偶有效值检波l热电偶：将两种不同金属进行特别封装并标定后，称为一对热电偶（简称热偶）。l热电偶温度测量原理：若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势就可得到热端（被测温度点）的温度。l热电偶有效值检波原理：若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，从而实现了有效值检波。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 图 3.11 2IV第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 u表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别称为测量热电偶和平衡热电偶。图 3.12 上图中，通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。测量热偶的热电动势ExV2，令Ex

15、 =k1V2 ；平衡热偶的热电动势EfVo2，令Ef =k2Vo2 ； 假如两对热偶具有相同特性，即k1=k2=k，差分放大器的输入电压Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2) ，若放大器增益足够大，则有Vi=0，则Vo=V（即输出电压等于u(t)有效值）。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3. 计算式有效值电压表模拟乘法器（平方）积分开方比例运算。2( )u t0TAu(t)Vrms图 3.13 计算式有效值电压表原理框图第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.2.4 峰值电压表u原理：峰值响应，即：u(t)峰值检波放大驱动表头图 3.14 峰值检波电路maxRC

16、TminR CTDVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc放电时间常数第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.2.5 模拟式电压表的刻度特性1. 均值表刻度特性 当测量正弦波电压，正弦波的有效值 等于均值电压表的读数值 。 当测量非正弦波电压时，电压表的读数无明确的物理意义，说明非正弦波电压平均值与对应定度的正弦波电压平均值相等，即“平均值相等原则”。/0.91.11NFNNFNPNNPNUUUKUUU KUU KUKUUU第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 2. 峰值表刻度特性 测量正弦波电压时，正弦波的有效值 等于峰值电压表的读数值 。 当测量

17、非正弦波电压时，电压表的读数无明确的物理意义，只说明非正弦波电压峰值与对应定度的正弦波电压峰值相等，即“峰值相等原则”。UU2/2 20.707PNPNPNPNNNFNPUUUUUKUUKUKU第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.3 使用数字电压表测量电压的操作方法使用数字电压表测量电压的操作方法数字电压表（DVM，Digital Voltage Meter ）的特点:（1） 功能多。 （2） 指标高。数字电压表的直流电压测量技术指标有如下特点： 输入范围大。 准确度高 分辨率高。 输入阻抗高。可达10M左右。 显示位数多。 读数速率快。可达500次/s。（3） 用途广。 第

18、第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 3.3.1 DVM的主要性能指标及测量误差1.电压测量范围u量程基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/D转换器动态范围确定。量程转换有手动和自动两种。通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展其他量程。如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五档量程；基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五档量程。u显示位数完整显示位：能够显示09数字的显示位。非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最高位上）。如4位DVM，具有4位完整显示位，其最大显示数

19、字为9999 。而4位半的DVM，具有4位完整显示位，1位非完整显示位，其最大显示数字为19999 。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 u超量程能力 DVM所能测量的最大电压超过量程值的能力，是数字电压表的一个重要指标。 显示位数全是完整位的DVM，没有超量程能力；1/2位的数字电压表，如果按2V、20V、200V分挡，也没有超量程能力；带有1/2位并以1V、10V、100V分挡，才有超量程能力。u分辨力 指DVM能够分辨最小电压变化量的能力，即显示器末位读数跳一个单位所需的最小电压变化值。 用每个字对应的电压值来表示，即V/字。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术

20、 0.1mV100%0.05%200mV1100%0.05%2000 不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，在 最小量程上具有最高分辨力。例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字（即当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字” ） 分辨率：用百分数表示，与量程无关，比较直观。如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力为0.1mV，则分辨率为： 分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3位半的DVM，可显示出1999（共2000个字），则分辨率为：第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 u测

21、量精度 取决于DVM的固有误差和使用时的附加误差（温度等）。固有误差表达式：示值（读数）相对误差为：式中，Vx被测电压的读数；Vm该量程的满度值（Full Scale, FS）； 误差的相对项系数； 误差的固定项系数。固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。读数误差读数误差： 与当前读数有关。主要包括DVM的刻度系数误差和非线性误差。满度误差满度误差： 与当前读数无关，只与选用的量程有关。( %)xmVVV ( %)mxxVVVV %xV%mV第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 u输入阻抗 输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。 输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。 对于

22、直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10M1000M之间。 对于交流DVM，输入阻抗用输入电阻和并联电输入电阻和并联电容容表示，电容值一般在几十几百pF之间。u测量速度 每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒几十次/秒。第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 图 3.15 数字电压表的组成框图 3.3.2 数字电压表的使用方法 1.数字电压表的组成第第3章章 电流、电压测量技术电流、电压测量技术 包括模拟和数字两部分电路。输入电路：对输入电压衰减/放大、变换等。核心部件是A/D转换器（Analog to Digital Converter，简称ADC），实现模拟电压到数字