电子测量技术与仪器 模拟量测量与仪器

1、知识要点知识要点：1 1、理解模拟参数的测量方法。、理解模拟参数的测量方法。2 2、学会模拟电流、电压、功率、噪声和失、学会模拟电流、电压、功率、噪声和失真度的测量。真度的测量。3 3、了解所使用的仪器原理及正确使用方法。、了解所使用的仪器原理及正确使用方法。 电流、电压与功率是电能量的三个基本参量。 电流反映电子设备功耗的主要参数。 电流按电路频率可分为直流、工频、低频、高频和超频电流。测量电流时，除要注意其大小量值外，还要注意其频率的高低。 在实际中，通常使用磁电式电流表、电磁式电流表、模拟式万用表和数字多用表直接测量电流；也可采用伏安法，先测量电压，再计算被测电路流过的电流。 电压测量是

2、和其他参数一样的一种重要测量。 其他参数是在电压测量的基础上派生量。5.2 直流电流的测量5.2.1 直流电流的测量的一般方法直流电流的测量的一般方法 直流电流经过由电磁装置或电子装置构成的直流电流表，以直流表指针的偏转角度或数字的大小表示被测电流的大小，其电路连接如图4-1所示。图图4-1 直流电流的测直流电流的测在电子电路中，直流电流的测量一般可采用直接测量法和间接测量法两种方法。1. 直接测量法(a) (b)图图4-2 电流表内阻的影响电流表内阻的影响对于图4-2(a)所示电路，被测电流实际值为 RERREILxo 串接一个电流表（内阻为Ra）后电路如图4-2(b)所示，电流表读数值即为

3、流过电流表的电流axRREI两者的测量误差为：aaxxRRRERERREIII/11 2间接测量法 因此，在实际测量中，大都采用间接测量法测量电流。其方法为：当被测支路内有一个定值电阻R可以利用时，可以测量该电阻两端的直流电压U，然后根据欧姆定律IU/R算出被测电流，定值电阻R通常称为电流取样电阻。 当被测支路无现成的电阻可利用时，也可以人为地串入一个取样电阻来进行间接测量。取样电阻的取值原则是，对被测电路的影响越小越好，一般在110之间，很少超过100。5.2.2 模拟直流电流表的工作原理 指针式直流电流表的种类繁多，其中被广泛使用的是永久磁铁可动线圈式电表（PMMC：Permanent -

4、Magnet Moving-Coil），其结构如图4-3所示。线圈框架的转轴上固定有一个读数指针，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，指针偏转角度与流过可动线圈的电流成正比关系。通过指针指示值，即可获知被测电流的大小。PMMC主要包括：偏转装置、控制装置、阻尼装置、轴与轴承、指针、刻度、外壳、串联或并联电阻器等，下面分别予以介绍。图图4-3 磁电式仪表结构磁电式仪表结构 1偏转装置 偏转装置包含有空隙的永久磁铁以及能够在此空隙内转动的可动线圈，其结构如图4-4所示。图图4-4 线圈在磁场中所受的作用力线圈在磁场中所受的作用力 当电流流入线圈时，磁场与

5、电流产生的磁力相互作用而产生一转动力矩，使线圈偏转。其转矩为（Nm） （4-2）lNIr2d 式中，r为线圈半径（m）；为磁通密度（Wb/m2）；l为线圈在磁场内的有效长度，N为线圈的匝数；I为流过线圈的电流（A）。由于r、l、N的值根据电表结构而定，故线圈所获得的转动力矩正比于流过线圈的电流，可表示为（Nm） （4-3）式中， ，称为正向转矩系数。IK 1drBLNK21 2控制装置 当线圈有电流流过时，则获得转矩而偏转，不论流过的电流的大小，最后将转至两磁极间的中性面上，而无法指示出流过电流的大小。若要使线圈的偏转能指示出电流的大小，则必须对线圈的偏转加以控制。 3阻尼装置 线圈产生偏转后

6、应迅速静止在转矩与反向转矩相等的位置，但由于惯性作用，将引起指针在应指示的位置左右振动，要消除这不必要的振动以便于测试者能够迅速读取数值，必须对它加一适当的阻尼。图图4-5 不同阻尼时的动态响应不同阻尼时的动态响应 4轴与轴承 图4-6所示为一典型的轴承装置。动圈被支持于两端装有硬尖轴的轴上，两尖轴分别在两个V型轴承内转动。尖轴的半径非常小，约为0.010.05mm，动圈的重量所形成的压力可高至千克每平方毫米，故当电表过分剧烈振动时，就有可能损坏尖轴。精密电表一般在底部都装有减振装置，使其即使受到较严重的振动仍能自由转动。图图4-6 轴承示意图轴承示意图 直流电流表的量程扩展 PMMC可动装置

7、的直流电流表，其满度电流值不高，只能够承受较小的电流，若要测量较大的电流，须接上适当的分流电阻Rsh来扩展其测试范围。图4-7所示为一基本电流表电路.图图4-7 基本直流电流表基本直流电流表 其分流电阻值为： 式中，Ra为电流表头内阻；Rsh为分流电阻；I为电流表的流入电流；Ia为表头所分得的电流；n为电流表扩大的倍率，且nI/Ia。1)(nRIIRIRRIIRIaaaashshaaa 直流电流表可使用一选择开关来连接不同的分流电阻，从而改变其测试范围，图4-8为一多挡位电流表，Ifs为电表头的满刻度电流，由分流电阻R1，R2，R3而获得不同的测试范围。现在大多采用图4-9所示的艾尔顿（Ayr

8、ton）分流器，凭借改变抽头电阻的大小来改变电流测试范围。抽头电阻Rp可由下式求得：IRRIRRRRIRIIshaashaaa)()()(ppp图图4-8 多挡位电流表多挡位电流表 图图4-9 艾尔顿分流器艾尔顿分流器 式中，Rsh为总分流电阻；Rp为抽头电阻。 当流入电流表的电流为其额定电流时，电流表表头指示于满刻度位置，故流入表头的电流为其本身的满刻度电流，得式中，Im为电流表的额定电流；Ifs为满刻度电流。 使用艾尔顿分流器的多挡位电流表如图4-10所示。其利用选择开关来改变抽头电阻的大小，从而改变其测试范围。在切换开关时，回路成开路状态，避免了大电流流入表头而使表头损坏的现象。msha

9、IRRIR)(fsp图图4-10 多挡位电流表多挡位电流表 5.2.3 数字万用表测量直流电流的原理 数字万用表是用电子技术来检测直流电流的。通常在直流电流挡，对外电路来说，数字万用表仅相当于一个取样电阻RN（不同的量程RN的值不同），测量时RN上有电压信号Ui=IRN，其测量过程如图5.3所示。预处理A/D转换器数字量显示Ui图3.3 数字万用表测量原理框图一台典型的直流数字电压表主要由输入电路、A/D转换器、控制逻辑电路、计数器（或寄存器）、显示器以及电源电路等几部分组成，如图所示。输入电路和A/D转换器统称为模拟电路部分，而计数器（寄存器）、显示器和控制逻辑电路统称为数字电路部分。因此一

10、台数字电压表除供电电源外主要由模拟和数字两大部分构成。数字电压表的组成框图数字电压表的组成框图5.2.4 直流电流的测量方法 直流电流要用直流结构的电流表来测量，不能用交流电流表来测量。 模拟万用表测量：串联 注意量程要求。 用数字万用表测量：串联 注意量程要求。 用间接测量法测量电流：取样 测电压 计算5.3 交流电流的测量 交流或工频（50Hz）的电流测量，一般用于电力系统及电工技术领域，它的主要特点是测量直流值很大，可达数千安培；而高频或低频电流的测量，一般用于电子技术领域，其测量数值为毫安或数安培。5.3.1 交流电流测量的一般方法 在电子电路中，交流电流的测量同样可采用直接测量法和间

11、接测量法两种方法。 交流电流的测量可以采用模拟电流表、数字电流表进行间接或直接测量。一般情况下，采用间接测量法更普遍。 我们可以通过测量这种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，即交直流转换电路。具体原理如图所示。A5.3.2模拟交流电流表工作原理 1磁电式电流表测量交流的工作原理 普通磁电式万用表可以测量低频（45500Hz）交流电流，这是因为在其内部测量电路中加入了一个二极管整流电路，它将交流变成了单方向的脉动电流。2电磁式电流表 测量交流的工作原理 电磁式仪表是由一个可动软磁片（铁芯）与固定线圈中电流产生的磁场相互吸引而工作的仪表。当线圈中通过被测电流I时，对铁

12、芯产生吸引力或推斥力，固定在转轴上的铁芯转动，带动指针偏转。 3电磁式电流表的量程扩展多量限电流表的线路I2I4I5.3.3 热电式电流表 1热电式电流表的工作原理 通过热电现象，先把高频电流转为直流电，再测量直流电的大小，从而间接地反映出被测高频电流的量值。 将高频电变为直流电的原理是基于一种封闭线路内有直流电产生的现象。这封闭线路是由二个不同金属元素的导线所组成的热电偶。导线的两个焊接处有电动势出现，其大小正比于两焊接点的温度差。热电偶电表原理GAECDB2热电式电流表的量程扩展 分流法 可分为电阻、电容和电感等三种分流法。 变流法 是采用变流器进行分流的方法。5.4 直流电压的测量5.4

13、.1 直流电压的测量一般与方法直流电压的测量就是将直流电测量设备并联在被测电压的两端，从而获得对应的直流电压值，其测量原理如图1所示。直流电流表串联一适当的高值电阻，即成为一直流电压表，其原理如图2所示。 图图1 电压测量方法电压测量方法 图图2 基本直流电压表基本直流电压表 串联电阻的作用是限制流过电流表表头的电流，使其不超过满刻度偏转电流，此电阻称之为倍率电阻。由图可得： （4-8） （4-9） 式中，U为直流电压表的满刻度电压；Ifs为满刻度电流；Rs为倍率电阻；RV为电压表内阻。可见，倍率的取值不同，电压表的满刻度电压值不同。故可通过改变倍率电阻来获取不同的满度电压值。常用的方法是串联

14、不同阻值的电阻，使用一只选择开关选择倍率电阻，就构成了一个多挡电压表，如图所示。其倍率电阻R1、R2、R3和R4可由式（4-9）求得。每只倍率电阻都是特殊规格的电阻器，而不是一般常用的标准规格的电阻器。Vfssfs)(RIRRIUaaRIURfss1. 模拟式电压表模拟式电压表 多挡位直流电压表多挡位直流电压表2. 简单模拟交流电压表简单模拟交流电压表交流电压表按结构不同分类：放大交流电压表按结构不同分类：放大检波式、检波检波式、检波放大式和外差式放大式和外差式（1）检波）检波放大式电压表放大式电压表检波器衰减器直流放大器被测输入（a）衰减器检波器交流放大器（b）被测输入AA检波放大式、放大检

15、波式电压表组成框图特点：特点：这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。采用超高频检波二极管时，可使这种决于检波器。采用超高频检波二极管时，可使这种表的频率范围从几十赫兹至数百兆赫兹，甚至可达表的频率范围从几十赫兹至数百兆赫兹，甚至可达1GHz，输入阻抗也比较大，一般称之为，输入阻抗也比较大，一般称之为高频毫伏高频毫伏表或超高频毫伏表表或超高频毫伏表。为了使测量灵敏度不受直流放大器零点漂移等的为了使测量灵敏度不受直流放大器零点漂移等的影响，一般利用调制式（即斩波式）直流放大器放影响，一般利用调制式（即斩波式）直流放大器放大检波后的直流信号。而且将检波器

16、做成探头直接大检波后的直流信号。而且将检波器做成探头直接与被测电路连接，从而减小分布参数及外部干扰信与被测电路连接，从而减小分布参数及外部干扰信号的影响。号的影响。（2）放大）放大检波式电压表检波式电压表 缺点：由于宽带放大器增益与带宽的矛盾使放缺点：由于宽带放大器增益与带宽的矛盾使放大大检波式电压表的频宽难以扩展，灵敏度也受到检波式电压表的频宽难以扩展，灵敏度也受到内部噪声和外部干扰的限制。内部噪声和外部干扰的限制。 频率范围一般为频率范围一般为20Hz10MHz，灵敏度达毫伏，灵敏度达毫伏级，通常称之为视频毫伏表，多用在低频、视频场级，通常称之为视频毫伏表，多用在低频、视频场合。合。（3）

17、外差式电压表（选频电压表或测量接收机）外差式电压表（选频电压表或测量接收机）输入电路混频器中频交流放大器外差式电压表组成框图被测输入均值检波器本振5.4.2 电压测量的应用（1）用数字万用表测量直流电压：(2).用模拟式万用电表测量直流电压 模拟式万用电表是在表头上串联一个适当的电阻（叫倍增电阻）进行降压，就可以扩展电压量程。输入内阻一般不大，它是随着量量程越大，内阻变大，加上指针刻度读数，测量误差较大。只适用于测电路等效内阻很小的或信号源内阻很小的情况。(3) 用零示法测量直流电压 为了减少模拟式万用电表内阻不够大而引起的误差，而采用的方法。图中Es为大小可调的标准直流电源，测量时，先将标准

18、电源Es置最小，电压表置较大量程档，按如图所示的极性接人电路， 然后缓慢调节标准电源Es的大小，并逐步减小电压表的量程档，直到电压表在最小量程档指示为零，此时EEs，电压表中没有电流流过，电压表的内阻对被测电路无影响。然后断开电路，用电压表测量标准电源Es的大小即为被测E的大小。(4) 用电子电压表测量直流电压 为了提高电压表的内阻，可以将磁电式表头加装输入阻抗高、并且具有一定放大量的电子线路构成电子电压表，一般采用跟随器和放大器等电路提高电压表的输入阻抗和测量灵敏度，这种电子电压表可在电子电路中测量高电阻电路的电压值。(5) 用示波器测量直流电压用示波器测量电压时，首先应将示波器的垂直偏转灵

19、敏度微调旋钮置校准档，否则电压读数不准确。 （6）微差法测量直流电压 在上面介绍的直流电压测量中都存在一个分辨力问题，数字电压表的分辨力是末位数字代表的电压值，模拟电压表的分辨力为最小刻度间隔所代表的电压值的一半，量程越大分辨力越低，如MF500-B型万用表在2.5V量程档，分辨力为0.025V，10V档的分辨力为0.1V，电压表不可能正确测量出比分辨力小的电压的微小变化量。 为了准确地测量大电压中的微小变化量，可以用微差法来测量。上图中s为大小可调的标准电源。测量时，调节s的大小，使电压表在小量程档(分辨力最高)上有一个微小的读数，则oEso。 当o时，电压表的测量误差对o的影响极小，且电压

20、表中流过的电流很小，对被测电压o不会产生大的影响。（7）含有交流成分的直流电压的测量由于磁电式电表的表头偏转系统对电流有平均作用，不能反映纯交流量，所以，含有交流成分的直流电压的测量,一种常用的方法就是用模拟式电压表直流档直接测量。 如果叠加在直流电压上的交流成分具有周期性和幅度对称性，可直接用模拟式电压表测量其直流电压的大小。 由交流信号转换而得到的直流，如整流滤波后得到的直流平均值，以及非简谐波的平均直流分量都可用模拟式电压表测量。 一般不能用数字式万用表测量含有交流成分的直流电压，因为数字式直流电压表要求被测直流电压稳定,才能显示数字，否则数字将跳变不停。 电子测量技术中，交流电压大致可

21、分为正弦和非正弦交流电压两类，一般分为两大类：一类是具有一定内阻的交流信号源的测量 ，另一类是电路中任意一点对地的交流电压的测量 。 在时间域中，交流电压的变化规律是各种各样的，有按正弦规律变化的正弦波、线性变化的三角波、跳跃变化的方波、随机变化的噪声波等。但无论变化规律多么不同，一个交流电压的大小均可用峰值(或峰峰值)、平均值、有效值、波形因数、波峰因数来表征。交流电压幅度值的相对大小常用峰-峰值、平均值和有效值来表示。正弦波脉冲波方波三角波低频噪声波阶梯波常见电压的波形（1） 峰-峰值UP-P和峰值UP 峰-峰值表示信号的最大值与最小值的差。对于对称的正弦信号来说，更常用的是峰值UP，其等

22、于1/2的UP-P。如U(t)=Acosct，则有UP-P=2 A，UP=1 A。以零电平为参考的最大电压幅值是峰值UP，t tu(t)Vp0UmTU 平均值（均值）数学上定义为： 相当于交流电压u(t)的直流分量。交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）： 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 01( )TUu t dtT01( )TUu t dtT20.637ppUVV 有效值 定义：交流电压u(t)在一个周期T内，通过某纯电阻负载R所产生的热量，与一个直流电压V在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压V的数值就表示了交流

23、电压u(t)的有效值。 表达式：直流电压V在T内电阻R上产生的热量Q_=I2RT= 交流电压u(t) 在T内电阻R上产生的热量Q=由Q_= Q得，有效值2VTR20( )Tu tdtR201( )TVu t dtT 有效值 意义：有效值在数学上即为均方根值。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 波峰因数和波形因数(工程上定义的两个参数）： 波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用Kp表示，10.7072ppVVVppVKV峰值有效值 波峰因数和波形因数 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 波形因数

24、定义：有效值与平均值的比值，用KF表示， 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T21.41/2pppVKVFVKV有效值平均值(1/2)1.112/2 2pFpVKV（） 波峰因数和波形因数 常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到：如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方波： Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 锯齿波：Kp=1.73，KF=1.15； 脉冲波：Kp= ，KF= ， 为脉冲宽度，T为周期 白噪声：Kp=3（较大），KF=1.25。TT用模拟电路的技术和方法测量交流电压，最常用的转换器有峰值检波器、平均值检波器和有效值直流变

25、换电路。其工作原理如图（a）、（b）、（c）所示。ux12VDCRuoux uo(a)(b)RuxDABEuA(c) 测量原理（a） 峰值检波电路；（b） 平均值检波器； （c） 热电偶式变换电路 交流电压的常用测量方法有电压表法和示波器法。（1）交流电压表法分为模拟式和数字式 。不论是模拟式还是数字式 ，都是将交流电压通过检波器转换成直流后直接 测量。模拟式万用表测量交流电压的频率范围较小，一般只能测量频率在1kHz，公共端与外壳绝缘胶木无关，与被测电路无共同机壳接地 。数字式万用表的测量交流电压 ，对被测电路的影响小，但它同样存在测量频率范围小的缺点。 现在一般用模拟式电子电压表测量交流电

26、压 ，主要用在实验室中。常用的晶体管毫伏表就是模拟式电子电压表的一种，它将被测信号经过放大后再检波(或先将被测信号检波后再放大)变换成直流电压，推动微安表头，由表头指针指示出被测电压的大小，因此，这类电压表的输入阻抗高，量程范围广，使用频率范围宽。 一般模拟式电子电压表的金属机壳为接地端，另一端为被测信号输入端。因此，这种表一般只能测量电路中各点对地的交流电压，不能直接测量任意两点间的电压，实验中应特别注意。通常，模拟式电子电压表的表盘刻度都是按正弦波的有效值刻度的，所以，用它来测量正波形的电压时，可以由表盘直接读取电压有效值。但若用它测量非正弦电压，不能直接读数，需根据表内检波器的检波方式和

27、被测波形的性质将读数乘上一个换算系数，才能得到被测非正弦波的电压有效值。（2）示波器测量交流电压 用示波器法测量交流电压与电压表法相比具有如下优点： 速度快；被测电压的波形可以立即显示在屏幕上。 能测量各种波形的电压；电压表一般只能测量失真很小的正弦电压，而示波器不但能量失真很大的正弦电压，还能测量脉冲电压，已调幅电压等。 能测量瞬时电压；示波器具有很小的惰性，因此它不但能测量周期信号峰值压，还能观测信号幅度的变化情况，它甚至能够测量单次出现的信号电压。此外，它还能测量测信号的瞬时电压和波形上任意两点间的电压差。 能同时测量直流电压和交流电压；在一次测量过程中，电压表一般不能同时测量出被电压的

28、直流分量和交流分量。示波器能方便地实现这一点。用示波器测量电压主要缺点是误差较大，一般达510，现代数字直读式示波器，由于采用了先进的数字技术，误差可减小到1以下。5.5 分贝的测量 5.5.1 数学定义 在通信、音响等系统中，常用分贝值来表示放大器的增益、噪声电平等参数。1.功率之比的对数分贝（dB） 对两个功率之比取对数，就得到 。若P110P2，则有这个无量纲的数1叫做1贝尔（Bel）。在实际应用中，贝尔太大，这就引入了一个小一点的度量名称分贝（dB），并规定1贝尔等于10分贝（1Bel10dB）。所以，用dB表示的功率比为 显然，P1P2时，分贝值为正；P1P2时，分贝值为负。21lg

29、PP110lg10lglg2221PPPP21lg10PP 2）电压之比的对数 电压比的对数可以从下列关系式引出当R1R2时，有 ，代入式（4-30）可得 同样，U1U2时，分贝值为正；U1U2时，分贝值dB为负。12222122212121/RURURURUPP222121UUPP21221222121lg20lg10lg10lg10UUUUUUPP 3）绝对电平 （1）功率电平dBm 以基准量P01mW作为0功率电平（0dBm），则任意被测功率Px的功率电平定义为 （2）电压电平dBV 通常以基准量U00.775V（正弦有效值）作为0电压电平（0dBV），则任意被测电压Ux的电压电平定义为

30、 Px或Ux应理解为任意阻抗上吸收的功率或其两端的电压。显然，若在600阻抗上测量，那么功率电平等于电压电平。)mW(lg10mW1mWlg10lg100WxxxPPPPP)V(775. 0lg20lg200VxxUUUP （3）音量单位VU 音量单位（Volume Units）是测量电声系统用的电平单位，其0电平（0VU）定义为600阻抗上吸取功率为1mW。因此，当600阻抗上吸取的功率为Px（单位为mW）时，则 （4-34）可见，若阻抗为600，VU在数值上等于功率电平的dBm值。但必须注意的是，VU是在测量复合的声频信号时使用的单位，测量时必须用有效值电压表。mW1mWlg10VUxP

31、5.5.2 分贝值的测量 分贝的测量就是交流电压的测量，只是表盘以分贝刻度。通常，它是以基准电压（0.775V）为零电平刻度的，并称为电压电平PVdBV，通过前面的分析可知，若被测点的负载阻抗为600时，功率电平与电压电平相等，故通常在表头上共用一个刻度。当然，也有分开刻度的。仪表一般会在表头标明基准值。 一般来说，零点平刻度总选在表头满刻度的2/3左右的位置，如下图所示。电压值小于0.775V为负分贝（dB），电压大于0.775V为正分贝值（dB）。显然，表头零点应刻度成dB。图图 电平表的表头刻度电平表的表头刻度 例如，步进衰减器置于10dB挡，表头指示值为4dB，则被测电平为6dB。另外

32、，分贝值的测量必须是在额定频率范围内，而且在被测电压的波形为正弦波的情况下，其测量结果才准确。5.6 功率的测量直流电路来说，功率在高中已经学过。对交流电路来讲，功率分为视在功率S、有功功率P和无功功率Q三种。人们习惯于将交流有功功率简称为功率。对于纯电阻性的交流电路，只要测出U、I、R三个参数中的两个，就可求出其功率。但对于非纯阻性电路，电抗元件不消耗功率，是以电场或磁场的形式交替地存储能量，所以直流功率测量的方法不再适用。 视在功率为S，单位是伏安（VA）；有功功率为P，单位是瓦特（W）；无功功率为Q，单位是乏（var）。视在功率、有功功率和无功功率之间的关系可用功率三角形表示，如下页图所

33、示。由图可知，三者满足下列关系： SPQPScos,22图图 功率三角形图功率三角形图 视在功率和功率因数可以由电动式功率表与功率因数表等仪器直接测得。电动式功率表如图4-29所示，仪表中有两个线圈，一个是固定的，另一个是活动的，两个线圈串联相接。其中一个线圈通入负载电流，称为电流线圈；另一个线圈通入与负载电压有关的电流，称为电压线圈。因而仪表指针偏转量与通过电流线圈和电压线圈的电流之积成正比关系。为了保证测量的可靠与准确，电飨呷粗线绕制，且电感量尽量小，以减小测量时电流线圈上的压降；电压线圈用细线绕制，且电感量尽量大，以减小测量时电压线圈上的电流损耗。 可见，测量从直流到几百赫兹信号的功率，

34、可采用电动式功率表，可见，测量从直流到几百赫兹信号的功率，可采用电动式功率表，而测量较高频率信号的功率，则采用其他类型的仪表，如音频功率表，而测量较高频率信号的功率，则采用其他类型的仪表，如音频功率表，频功率表等。频功率表等。5.6.1 音频与较高频信号功率的测量音频与较高频信号功率的测量通常在音频范围内，测量负载电阻两端的电压通常在音频范围内，测量负载电阻两端的电压U，利用，利用p=U2/R来计算得来计算得到。到。在较高频率时，可采用吸收型功率表测量功率。在较高频率时，可采用吸收型功率表测量功率。基本的量热式功率表，被测信号基本的量热式功率表，被测信号把电阻器加热，使其温度上升。把电阻器加热

35、，使其温度上升。测热计电桥测热计电桥热电偶功率表热电偶功率表根据交流电压有效值的定义，利用具有热电变换效应的热电偶实现有根据交流电压有效值的定义，利用具有热电变换效应的热电偶实现有效值检波。频率范围很宽，上限达几十兆赫。效值检波。频率范围很宽，上限达几十兆赫。冷端冷端:直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系: 电流电流I热电动势热电动势热端与冷端的温差热端与冷端的温差热端热端:温度温度u(t)功率功率u(t)的有效值的有效值V的平方的平方,故:TdttuTU02)(1二极管功率表二极管功率表5.6.2 误差分析误差分析5.6.3 功率表实例功率表实例射频功率表射频功率表4-29 功率测量

36、原理图功率测量原理图 图图4-30 功率因数测量原理图功率因数测量原理图 5.6.4 电能量的测量 电度表内部结构如图4-31所示。原理上它是一个电动机，电枢中的电流与负载电压成正比，因为流过两个串联相接的线圈的电流为负载电流，所以电枢周围的磁场与负载电流成正比。 图图4-31 电度表内部结构原理图电度表内部结构原理图本章小结 1直流电流的测量方法有两种：直接测量法和间接测量法。 永久磁铁可动线圈式电表的工作原理：线圈框架的转轴上固定有一个读数指针，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，指针偏转角度与流过可动线圈的电流成正比关系。通过指针指示值，即可获

37、知被测电流的大小。 2平均值的定义有3种：电压平均值；全波平均值；半波平均值。UUKUUKdttuTUT平均值有效值有效值峰值，Fpp02,)(1 3测量交流电压大小的方法主要是利用交流/直流转换电路将交流电压转换成直流电压，然后用直流电压测量方法测量其大小。当用电压表测量非正弦波电压时，其示值没有直接的物理意义，只有把示值经过换算后，才能得到被测电压的有效值。 4对交流电路来讲，功率分为视在功率S、有功功率P和无功功率Q三种。视在功率和功率因数可以由电动式功率表与功率因数表等仪器直接测得。 5数字电压表（DVM）是一种利用模/数（A/D）转换技术，将被测电压（模拟量）转换为数字量，并将测量结

38、果以数字形式显示出来的电子测量仪表。 6在数字直流电压表前端接相应的交流直流转换器（AC/DC）、电流电压转换电路（I/V）、电阻电压转换电路（R/V）等，就构成了数字万用表，1. 平均值（均值）平均值（均值） 物理意义：波形中的直流成分。物理意义：波形中的直流成分。 特别规定：交流电压的平均值特指交流电压经过特别规定：交流电压的平均值特指交流电压经过均值检波后波形的平均值。均值检波后波形的平均值。 分类：半波平均值和全波平均值。分类：半波平均值和全波平均值。 计算式：计算式： u(t)0，0tT u(t)0，0tT 0tT 对于纯交流电压，存在关系：对于纯交流电压，存在关系：TdttuTU0

39、21)(1TdttuTU021)(1dttuTUT0)(122121UUU2. 峰值峰值 定义：在一个周期内（或一段时间内）以零电平为定义：在一个周期内（或一段时间内）以零电平为参考基准的最大瞬时值，记为参考基准的最大瞬时值，记为 （或（或UP）。）。 分类：正峰值（或分类：正峰值（或UP+）、负峰值）、负峰值(或或UP)。 振幅振幅Um定义定义 ：以直流成分为参考基准最大瞬时值。：以直流成分为参考基准最大瞬时值。 说明：表征量还有谷值说明：表征量还有谷值 和峰峰值和峰峰值UPP。3. 有效值有效值U（方均根值或方均根值）（方均根值或方均根值） 计算式：计算式：4. 波形因数波形因数KF：5.

40、 波峰因数波峰因数KP：UTdttuTU02)(1UUKFUUKPU分类：模拟式、数字式分类：模拟式、数字式1. 模拟式电压表模拟式电压表 定义：用磁电式直流电流表作为指示器。定义：用磁电式直流电流表作为指示器。 分类：直流电压表、交流电压表分类：直流电压表、交流电压表 用途：直流电压表用于测量直流电压，交流电压表用用途：直流电压表用于测量直流电压，交流电压表用于测量交流电压。于测量交流电压。 检波器分类：均值、峰值和有效值检波器检波器分类：均值、峰值和有效值检波器 交流电压表分类：均值、峰值和有效值电压表交流电压表分类：均值、峰值和有效值电压表 交流电压表按频率范围分类：超低频电压表（低于交

41、流电压表按频率范围分类：超低频电压表（低于10Hz）、低频电压表（低于）、低频电压表（低于1MHz）、视频电压表（低）、视频电压表（低于于30MHz）、高频或射频电压表（低于）、高频或射频电压表（低于300MHz）和超）和超高频电压表（高于高频电压表（高于300MHz） 交流电压表按结构不同分类：放大交流电压表按结构不同分类：放大检波式、检波检波式、检波放放大式和外差式大式和外差式（1 1）检波）检波放大式电压表放大式电压表检波器衰减器直流放大器被测输入（a）衰减器检波器交流放大器（b）被测输入AA图3.3 检波放大式、放大检波式电压表组成框图特点：特点：这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取这

42、种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。采用超高频检波二极管时，可使这种决于检波器。采用超高频检波二极管时，可使这种表的频率范围从几十赫兹至数百兆赫兹，甚至可达表的频率范围从几十赫兹至数百兆赫兹，甚至可达1GHz，输入阻抗也比较大，一般称之为，输入阻抗也比较大，一般称之为高频毫伏高频毫伏表或超高频毫伏表表或超高频毫伏表。为了使测量灵敏度不受直流放大器零点漂移等的为了使测量灵敏度不受直流放大器零点漂移等的影响，一般利用调制式（即斩波式）直流放大器放影响，一般利用调制式（即斩波式）直流放大器放大检波后的直流信号。而且将检波器做成探头直接大检波后的直流信号。而且将检波器做成探头直接与被测电路连

43、接，从而减小分布参数及外部干扰信与被测电路连接，从而减小分布参数及外部干扰信号的影响。号的影响。（2）放大）放大检波式电压表检波式电压表 缺点：由于宽带放大器增益与带宽的矛盾使放缺点：由于宽带放大器增益与带宽的矛盾使放大大检波式电压表的频宽难以扩展，灵敏度也受到检波式电压表的频宽难以扩展，灵敏度也受到内部噪声和外部干扰的限制。内部噪声和外部干扰的限制。 频率范围一般为频率范围一般为20Hz10MHz，灵敏度达毫伏，灵敏度达毫伏级，通常称之为视频毫伏表，多用在低频、视频场级，通常称之为视频毫伏表，多用在低频、视频场合。合。（3）外差式电压表（选频电压表或测量接收机）外差式电压表（选频电压表或测量

44、接收机）输入电路混频器中频交流放大器图3.4 外差式电压表组成框图被测输入均值检波器本振 特点特点1：因外差式电压表用混频器将输入信号变为固定中：因外差式电压表用混频器将输入信号变为固定中频信号后进行交流放大，可以较好地解决交流放大器增益频信号后进行交流放大，可以较好地解决交流放大器增益与带宽的矛盾，灵敏度可以提高到微伏级。与带宽的矛盾，灵敏度可以提高到微伏级。 特点特点2：频率范围取决于本振频率范围，只有当本振频率：频率范围取决于本振频率范围，只有当本振频率可以达到很高时，电压表的频率范围才能更宽。但当本振可以达到很高时，电压表的频率范围才能更宽。但当本振频率很高时，不仅对本振电路的屏蔽要求

45、更高，而且电压频率很高时，不仅对本振电路的屏蔽要求更高，而且电压表造价也要提高。若屏蔽不良，本振会对电压表产生干扰表造价也要提高。若屏蔽不良，本振会对电压表产生干扰而降低测量准确度。所以外差式电压表一般为高频电压表而降低测量准确度。所以外差式电压表一般为高频电压表而不是超高频电压表。而不是超高频电压表。热偶式电压表：热偶式电压表：热偶式电压表是将被测电压加在电热丝热偶式电压表是将被测电压加在电热丝上对热偶元件加热而产生热电势，再根据热电势与所加电上对热偶元件加热而产生热电势，再根据热电势与所加电压的函数关系测出被测电压。压的函数关系测出被测电压。热偶式电压表特点：热偶式电压表特点：结果与波形无

46、关。但灵敏度低、输结果与波形无关。但灵敏度低、输入电阻低、受环境温度影响大、个别表刻度非线性。入电阻低、受环境温度影响大、个别表刻度非线性。 2. 数字式电压表数字式电压表DVM 分类分类1：直流、交流。直流：直流、交流。直流DVM+交直流变换器交直流变换器=交流数字电压表。交流数字电压表。 分类分类2：积分式、比较式和复合式。：积分式、比较式和复合式。应用较多的是双积分式应用较多的是双积分式DVM，其次是逐次比较式，其次是逐次比较式DVM，另有三次积分式，另有三次积分式DVM。 组成：模拟电路、数字逻辑电路、显示电路组成：模拟电路、数字逻辑电路、显示电路输入电路A/D变换器计数器图3.5 数

47、字电压表组成框图被测输入寄存显示电路逻辑控制电路模拟电路数字逻辑电路显示电路 特点：测量准确度高、分辨力强、测速快、输入阻特点：测量准确度高、分辨力强、测速快、输入阻抗高、过载能力强、抗干扰能力强。抗高、过载能力强、抗干扰能力强。 注意：数字式电压表不能完全代替模拟式电压表。注意：数字式电压表不能完全代替模拟式电压表。 3.2 3.2 直流电流、直流电压的测量直流电流、直流电压的测量3.2.1 3.2.1 直流电流的测量直流电流的测量011IRRRIgx022IRRRIgx033IRRRIgx开关打到”1”时:开关打到”2”时:开关打到”3”时:当选择当选择”2”2”时时: :xgAIRRRR

48、RRRI321321AgxIRRRRRRRI321321当选择当选择”3”3”时时: :xgAIRRRRRRI32132AgxIRRRRRRI32321xgAIRRRRRI3213AgxIRRRRRI3321当选择当选择”1”1”时时: :直流电流测量：直流电流测量：1 1、一般选用电流表或万用表测量电流。、一般选用电流表或万用表测量电流。2 2、仪表串接入被测电路中（电压测量并接）。、仪表串接入被测电路中（电压测量并接）。3 3、测量直流电流时，被测电流经、测量直流电流时，被测电流经“+”+”端流入仪表，端流入仪表，由由“”端流出。如不知被测电流极性可将万用表端流出。如不知被测电流极性可将万

49、用表量程开关打在最大，瞬间测量并观察表针偏转方向，量程开关打在最大，瞬间测量并观察表针偏转方向，正偏则接法正确，否则调换表笔位置。正偏则接法正确，否则调换表笔位置。4 4、应注意选用合适的量程进行测量，不知被测电、应注意选用合适的量程进行测量，不知被测电流范围时，可从最大量程量起，逐渐变小量程，直流范围时，可从最大量程量起，逐渐变小量程，直至量程合适为止。至量程合适为止。AIARPR1R2图3.7 多量程电压表电路连接示意图SUX+分压器一般选用直流电压表或万用表测量直流电压。一般选用直流电压表或万用表测量直流电压。测量电压时，应将仪表并接于被测电路的两端，测量电压时，应将仪表并接于被测电路的

50、两端，不能与被测电路串接。测量直流电压时，注意电不能与被测电路串接。测量直流电压时，注意电压表正表笔（压表正表笔（“+”端）接被测电压的高电位，负端）接被测电压的高电位，负表笔（表笔（“”端）接低电位，不能接反。此外，应端）接低电位，不能接反。此外，应选用合适的量程。选用合适的量程。3.3.1 3.3.1 均值电压表均值电压表 检波器类型：均值检波器检波器类型：均值检波器 均值检波器特性：输出直流电压（即检波后波均值检波器特性：输出直流电压（即检波后波形平均值）与输入交流电压平均值成正比。形平均值）与输入交流电压平均值成正比。 响应特性定义：检波器输入电压与输出电压之响应特性定义：检波器输入电

51、压与输出电压之间的关系。间的关系。 电压表特性：均值电压表指针偏转角度与被测电压表特性：均值电压表指针偏转角度与被测交流电压的平均值成正比。交流电压的平均值成正比。（a）桥式（b）半桥式（c）半波整流式图3.8 常用均值检波器+u(t)C+u(t)C+u(t)Cu(t)+C（d）加隔直电容半波整流式满足关系：满足关系：桥式、半桥式检波器满足关系：桥式、半桥式检波器满足关系： = ；半；半波整流式检波器满足关系：波整流式检波器满足关系： = /2。结论：结论：均值检波器输出始终等于整流后波形平均值。均值检波器输出始终等于整流后波形平均值。CUUCUU1. 均值检波器均值检波器类型：类型：桥式、半

52、桥式全波、半波整流式、加隔直电桥式、半桥式全波、半波整流式、加隔直电容半波整流式均值检波器。容半波整流式均值检波器。 实例：交流放大器VD1VD2VD3C1C2R1R2C2C1C3SVD5R2R3R1VD1VD4100uF100F 500F（a）JBF1型均值电压表检波器（b） JB1B型均值电压表检波器图3.9 均值检波器实例+VCC+ 图图3.8（a）中的）中的VD3用以保护微安表不致因过载用以保护微安表不致因过载而损坏。而损坏。 图图3.9（b）中，）中，VD1VD4构成全桥式检波器，构成全桥式检波器，R1、C2组成滤波器，组成滤波器，R2、VD5为线性补偿电路，当为线性补偿电路，当电压

53、较小时，由于二极管的非线性，表头电流偏小，电压较小时，由于二极管的非线性，表头电流偏小，此时，此时，R2、VD5的分流作用减小，使表头电流有所的分流作用减小，使表头电流有所增加，起到线性补偿作用；当电压频率过低（增加，起到线性补偿作用；当电压频率过低（210 Hz）时，闭合开关）时，闭合开关S可以减小表针摆动，称之为可以减小表针摆动，称之为阻尼开关。阻尼开关。 9 . 0FNUKUUU FNNNKUU PNNNKUU 11. 1UUK2. 2. 正弦波有效值定度与读数值的修正正弦波有效值定度与读数值的修正 均值电压表一般以输入正弦波有效值的大小来定均值电压表一般以输入正弦波有效值的大小来定度度

54、, ,即即正弦波有效值定度正弦波有效值定度( (刻度特性刻度特性).). 当测量正弦波电压时当测量正弦波电压时, ,正弦波的有效值正弦波的有效值U就等于就等于电压表的读数值电压表的读数值U, ,即即U= =U； 当测量非正弦波电压时当测量非正弦波电压时, ,电压表的读数值无明确电压表的读数值无明确的物理意义的物理意义, ,只说明非正弦波电压平均值与读数值只说明非正弦波电压平均值与读数值相等的正弦波电压平均值相等相等的正弦波电压平均值相等, ,即即: : 读数值的修正方法：读数值的修正方法： 式中,K为电压表的定度系数为电压表的定度系数,反映的是电压表实际响应值 与读数值U之间的关系；U例例3.

55、1 3.1 用均值电压表测量正弦波、三角波电压时用均值电压表测量正弦波、三角波电压时, ,已知电压表的读数均为已知电压表的读数均为20V,20V,试分别计算正弦波、三试分别计算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏? ?解解: :测量正弦波时测量正弦波时: :U=U=20VV18V209 . 09 . 0UUUUKFV3 .28V20222UUUUUKP测量三角波时测量三角波时: :V18V209 . 09 . 0UUUV8 .20V1832UKUFV0 .36V8 .203UKUP注意：注意：不管选用何种检波器，对均值电压读数值不管选用何种检波器，

56、对均值电压读数值的修正均可用上述方法进行。的修正均可用上述方法进行。被测电压输入阻抗变换器可变量程衰减器宽带交流放大器均值检波器图3.10 均值电压表组成框图3. 3. 均值电压表的组成均值电压表的组成组成：组成：只能是放大只能是放大检波式。检波式。原因：原因：全波均值检波器二极管全波均值检波器二极管R Rd d和电流表内阻和电流表内阻R Rm m大大小一般为小一般为100100500500、112k2k，则全波均值，则全波均值检波器检波器R Ri i=1k=1k3k3k，不满足电压表高输入阻抗，不满足电压表高输入阻抗的要求，所以均值电压表的结构不可以是检波的要求，所以均值电压表的结构不可以是

57、检波放放大式；否则，将严重影响被测电路的工作状态。大式；否则，将严重影响被测电路的工作状态。 阻抗变换器阻抗变换器:是均值电压表的输入级，通常利用射是均值电压表的输入级，通常利用射极跟随器或源极跟随器来提高均值电压表的输入阻极跟随器或源极跟随器来提高均值电压表的输入阻抗。抗。 可变量程衰减器可变量程衰减器:通常是阻容分压器，用于改变均通常是阻容分压器，用于改变均值电压表的量程。值电压表的量程。 宽带交流放大器是决定均值电压表性能的关键，宽带交流放大器是决定均值电压表性能的关键，用于信号放大，以提高均值电压表的测量灵敏度。用于信号放大，以提高均值电压表的测量灵敏度。 均值电压表属于低频电压表，它

58、的灵敏度可以达均值电压表属于低频电压表，它的灵敏度可以达到毫伏数量级，频率范围一般为到毫伏数量级，频率范围一般为20Hz10MHz，故，故又称之为又称之为视频毫伏表视频毫伏表。4. 误差分析误差分析（1）波形误差）波形误差 定义：定义：用均值电压表测量非正弦波电压时，将电用均值电压表测量非正弦波电压时，将电压表的读数值当成被测电压的有效值产生的误差。压表的读数值当成被测电压的有效值产生的误差。 绝对误差：绝对误差：U=U0.9KFNU=(10.9KFN)U 示值相对误差：示值相对误差：=U/U=10.9KFN 结论：结论：在使用电压表测量非正弦波电压时，应注在使用电压表测量非正弦波电压时，应注

59、意电压表的类型，正确理解读数的含义，并进行修意电压表的类型，正确理解读数的含义，并进行修正。正。（2）频率误差）频率误差 定义：定义：在检波器对高频输入信号检波时，由于二极管在检波器对高频输入信号检波时，由于二极管结电容容抗减小而使本应处于截止状态的二极管失去单结电容容抗减小而使本应处于截止状态的二极管失去单向导电性而带来的高频频响误差。向导电性而带来的高频频响误差。 原因：原因：低频时，低频时，Cd的容抗很大，二极管处于截止状的容抗很大，二极管处于截止状态。高频时，态。高频时，Cd的容抗变小而产生分流，导致误差的产的容抗变小而产生分流，导致误差的产生，该误差称为频率误差。生，该误差称为频率误

60、差。图3.11 图3.8（a）均值检波器负半周高频等效电路+u(t)CdCdRdRdLRm3.3.2 3.3.2 峰值电压表峰值电压表 检波器：检波器：峰值检波器峰值检波器 峰值检波器特性：峰值检波器特性：输出的直流电压与输入交流电输出的直流电压与输入交流电压的峰值成正比。压的峰值成正比。 结论：结论：峰值电压表指针偏转角度与被测交流电压峰值电压表指针偏转角度与被测交流电压的峰值成正比。的峰值成正比。1. 峰值检波器峰值检波器 分类：分类：串联式串联式(开路式、包络检波器）、并联式峰值检波开路式、包络检波器）、并联式峰值检波器（闭路式）、双峰值检波器、倍压式峰值检波器器（闭路式）、双峰值检波器