电子测量技术(第3版)第五章第1部分

1、第5 5章 电压的测量n 模拟万用表模拟万用表 数字万用表数字万用表本章使用的主要仪器有效值数字万用表 图形万用表 多重显示数字多用表 台式数字多用表有效值电压(电平)表超高频毫伏表视频毫伏表1电压的主要特征 （1）量值的范围宽。（2）波形的多样化。 （3）频率各不相同。 （4）不同端点的输出阻抗不同。 （5）电压成分多样化。 5.1 概述图5.1 常见电压的波形 一个交流电压的大小，可用平均值、峰值和有效值等多种方式来表示。(1)峰值的基本概念。交流电压的峰值，是指交流电压 u (t) 在一个周期内（或一段观察时间内）电压所达到的最大值。用（或Up）表示。(2)平均值的基本概念。平均值一般用

2、 表示， 在数学上定义为 TdttuTU0)(12交流电压的量值表示式中 T 被测信号的周期； u (t)被测信号，为时间的函数。 对于一个纯粹的交流电压，正半周和负半周完全相同中， 等于零。此时，无法用平均值来表征电压的大小。 交流电压的测量中，交流电压的平均值是指经过测量仪器的检波器后的全波平均值。定义为 TdttuTU0| )(|1（3）有效值的基本概念 交流电压的有效值是指均方根值 （rms)，用U或Urms表示。它的数学表示式为 U = 它的物理意义为：在交流电压的一个周期，这个交流电压在某电阻负载中所产生的热能如果与一个直流电压在同样的电阻负载中产生的热能相等时，这个相当的直流电压

3、值就是该交流电压的有效值。 各类交流电压表的示值，除特殊情况外，都是用正弦有效值来度的。dttTu)(12电压的有效值与平均值之比称为波形因数KF，即 交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数KP，即 UUKFUUKPP3交流电压量值的相互转换 一般是指“指针式电压表”，它把被测电压加到磁电式电流表，转换成指针偏转角度的大小来度量。包括模拟万用表和电子电压表。另一种模拟测量是把被测量电压变换成图形高度来测量的仪表，如示波器等。指把被测电压的数值通过数字技术，变换成数字量，然后用数码管以十进制数字显示被测量电压值。4常用电压测量仪器电路如图5.3所示。图中RV分压电阻，阻值为 RV(UIg R g

4、) / Ig 式中 RV 串接的分压电阻； Ig 磁电式表头流过的电流； Rg 磁电式表头内阻。 5.2 模拟式电压表5.2.1 简单模拟式直流电压表1单量程电压表图5.3 单量程直流电压表原理图2多量程电压表 若采用多个分压电阻与表头串联，就可制成多量程的直流电压表。如图5.4所示为四量程的直流电压表。分压电阻分别以下式计算：式中，U1、U2、U3、U4 各量程的满量程电压。1ggv1g21v2g32v3g43v4gUI RRIUURIUURIUURI图5.4 多量程直流电压表原理图5.2.25.2.2 简单模拟式交流电压表（1）由于交流电压灵敏度低于直流电压灵敏度，所以测量交流电压的误差大

5、于测量直流电压的误差。（2）表盘上表针的偏转角度近似于交流电压的半波（或全波）整流电压平均值，但表盘上刻度是按正弦有效值刻度的。（3）由于磁电式表头的结构特点，模拟万用表测量交流电压的频率范围为45100Hz。（4）由于整流二极管在低电压时的非线性，一般在交流电压低量程挡也是非线性的，因而刻度也是非均匀的，因此，交流电压10V挡单独刻度。 电子电压表在万用表的基础上加上放大环节，把微弱的被测电压加以放大，然后再利用磁电式表头进行测量的仪表。5.3.15.3.1 概述1电子电压表的结构 电子电压表一般由分压器、磁电式指示表头、检波器、放大器和整机电源等五部分组成。按检波器在放大器之前或之后，电子

6、电压表有两种组成形式，即放大-检波式和检波-放大式。5.3 电子电压表（1）放大-检波式。放大-检波式电压表的组成框图如图5.5所示。这种方案的主要特点是先用放大器将被测信号放大，提高测量灵敏度；同时，检波器进行的是大信号的检波，避免了因检波器的非线性产生的失真。其缺点是被测信号的频率受到放大器带宽的限制，影响了整机的带宽。 图5.5 放大-检波式电压表组成框图（2）检波-放大式。检波-放大式电压表的组成框图如图5.6所示。这种方案的主要特点是被测信号先检波后放大，因此，带宽主要取决于检波器，其带宽可很宽，上限频率可达1000MHz，故有超高频毫伏表之称。其缺点是不能进行阻抗变换，输入阻抗低，

7、而且信号的最小量程是毫伏级。 图5.6 检波-放大式电压表组成框图（1）工作频率范围 指电子电压表按规定的准确度进行测量的的电压范围。（2）灵敏度和量程 量程是指电子电压表可以测量的电压范围；灵敏度则是指量程的下限。（3）准确度和工作误差 电子电压表的准确度通常由基本误差、频率附加误差、温度附加误差等系统误差来表征。（4）输入阻抗 指输入电阻R i和输入电容C i的并联值。2电子电压表的性能指标1可变分压器可变分压器的电路如图5.7所示，这种分压器也常称为低阻分压器。5.3.25.3.2 电子电压表的分压器图5.7 可变分压器的电路 2补偿式分压器 如图5.8所示为补偿式分压器，也称高阻分压器

8、。补偿式分压器的分压比为输出电压与输入电压之比，也等于R1、C1的并联阻抗Z1与R2、C2的并联阻抗Z2的阻抗比。 图5.8 补偿式分压器的电路 即 当 ，即R1C1=R2C2时。输出响应为临界补偿状态，如5.9（a）所示。当 ，即R1C1R2C2时。输出响应为过补偿状态，如5.9（c）所示。RRRCCC211211图5.9 不同补偿时的波形图1峰值检波器 峰值检波器检波后的直流电压 UDC正比于输入的交流电压的峰值。 （1）工作原理。实现峰值检波的基本电路如图5.10所示。波形如图5.11所示。 5.3.35.3.3 电子电压表的检波器 图5.10 峰值检波器电路 图5.11 峰值检波的波形

9、图 刻度特性 峰值检波器检波后的直流电压 UDC正比于被测电压的峰值UP 。而一般情况下，峰值电压表的读数刻度是按正弦波的有效值刻度的，即表头上的读数 正比于被测正弦信号的有效值。所以，采用峰值检波器的电压表进行测量时，读出的数据应通过一个因数K P进行正弦波峰值有效值的变换。 n式中 电压表读数；n U 正弦电压有效值；n K P 正弦电压的波峰因数。KUPPU 均值检波器是对放大后的被测电压 ux进行检波，使检波后的直流电压UDC正于输入交流电压的平均值。工作原理 实现均值检波的基本电路如图5.12所示。2均值检波器图5.12 均值检波器的电路 设输入电压为Ux (t) ，D1D4具有相同

10、的正向电阻Rd、相同的反向电阻为 Rr，微安表内阻rm。于是正向平均电流为反向平均电流则为流过微安表为rRrRuImdTmdxUdttT22| )(|101rRrRuImdTmdxUdttT22| )(|101)2121(21rRrRIImdmdUI 通常，Rd为100 500，r m为1 4k， Rr300 500k，故可简化为刻度特性 均值检波后的直流电压 UDC是正比于被测电压的平均值 的。而一般情况下，均值电压表的读数刻度也是按正弦波有效值刻度的，即表头上的读数 正比于被测正弦信号的有效值。所以，采用均值检波器的电压表进行刻度时，应通过一个因数 KF进行变换。 dm2UIRrU = U

11、 = K F 式中 电压表读数； U 正弦电压有效值； KF 正弦电压的波形因数。 与峰值电压表一样，只有测量正弦电压时，从电表上读得的数值才有实际意义。 当用均值电压表测量非正弦波电压时，读数 没有直接意义，只有把读数值除以 KF才等于被测电压 ux的平均值 。要求被测电压的有效值，须经过波形换算，按“平均值相等则读数相等”的原则。Un有效值直流变换电路有分段逼近式检波器、热电偶式变换电路和模拟计算式变换电路。（1）分段逼近式检波器 采用二极管的链式电路，适当选择直流电源和分压电阻值，使二极管轮流导通，获得近似平方律的伏安特性。（2）热电偶式变换电路 有效值直流变换电路是根据热电变换原理来完

12、成交流电压有效值到直流电流之间变换的。3有效值-直流变换电路TxdttTUu02)(1（3）模拟计算变换式 利用集成乘法器、积分器和开方器等计算电路，按公式 ，直接完成有效值的运算。5.3.45.3.4 电子电压表的放大器 电子电压表中的放大器应具有的特点是：输入阻抗高、频带宽、动态范围大、线性好。为满足上述要求，电路中常采取一些措施。如前置级采用射极输出器或源极输出器以提高输入阻抗；用较高的电源供电，采用饱和压降小的三极管和选取合适的静态工作点以扩大动态范围。1峰值电压表（1）输入阻抗高，可达数兆欧姆，工作频率宽，高频可达数百兆赫兹以上，低频小于10kHz。（2）读数按正弦有效值刻度，只有测量正弦电压时，其有效值才是被测波形的真正有效值。测量非正弦电压时，其有效值必须通过波形换算获得。（3）波形误差大。（4）读数刻度不均匀，因为它是在小信号时进行检波。 峰值电压表、均值电压表和有效值电压表各有其特点，测量时应结合被测信号特点合理选择，以获得最佳测量效果。5.3.55.3.5 三种检波方式电压表的比较2均值电压表（1）均值检波器的输入阻抗低，必须采用过阻抗变换来提高电压表的输入阻抗。