第3章 模拟测量方法

1、第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法3.1 电压测量概述电压测量概述3.2 模拟式直流电压测量模拟式直流电压测量3.3 交流电压的测量交流电压的测量3.4 分贝的测量分贝的测量 3.5 功率测量功率测量第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 3.1 电压测量概述电压测量概述根据信号特性，分为根据信号特性，分为模拟信号模拟信号和和数字信号数字信号。模拟信。模拟信号是其幅度随时间做连续变化的信号。号是其幅度随时间做连续变化的信号。电压是一个基本物理量，是三个基本参数电压是一个基本物理量，是三个基本参数(电压电压、电电流流、功率功率)之一。之一。 电路的工作状态电

2、路的工作状态如谐振、平衡、截止、饱和以及工如谐振、平衡、截止、饱和以及工作点的动态范围，通常都以电压形式表现出来。电子设作点的动态范围，通常都以电压形式表现出来。电子设备的控制信号、反馈信号及其它信息，主要表现为电压备的控制信号、反馈信号及其它信息，主要表现为电压量。在非电量的测量中，也多利用各类传感器件装置，量。在非电量的测量中，也多利用各类传感器件装置，将将非电参数转换成电压参数非电参数转换成电压参数。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 电路中其他电参数，包括电流和功率电路中其他电参数，包括电流和功率，以及如信号，以及如信号的调幅度、波形的非线性失真系数、元件的的调幅度、波形的非线性失真

3、系数、元件的Q值、网络值、网络的频率特性和通频带、设备的灵敏度等等，的频率特性和通频带、设备的灵敏度等等，都可以视作都可以视作电压的派生量电压的派生量，通过电压测量获得其量值。，通过电压测量获得其量值。电压测量直接电压测量直接、方便方便，是电子测量的基础是电子测量的基础。 第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 2模拟式电压表分类模拟式电压表分类 (1) 按测量功能分类按测量功能分类 分为分为直流电压表直流电压表、交流电压表交流电压表、脉冲电压表脉冲电压表和和多多用途电压表用途电压表等。等。 脉冲电压表主要用于测量脉冲间隔很长脉冲电压表主要用于测量脉冲间隔很长(即占空即占空系数很小系数很小)的脉

4、冲信号和单脉冲信号，逐渐被的脉冲信号和单脉冲信号，逐渐被示波器示波器测量所取代。测量所取代。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 (4) 按测量目的分类按测量目的分类根据测量目的的不同，可以选用不同特性的检波器，根据测量目的的不同，可以选用不同特性的检波器，有有峰值检波峰值检波、平均值检波平均值检波和和有效值检波有效值检波三种，分别简三种，分别简称为峰值电压表、均值电压表和有效值电压表。称为峰值电压表、均值电压表和有效值电压表。(5) 按电压测量准确度等级分类按电压测量准确度等级分类 分为分为0.05、 0.1、0.2、0.5、1.0、l.5、2.5、5.0和和10.0等级，其满度相对误差分别

5、为等级，其满度相对误差分别为0.05、0.1、10.0。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 3.2 模拟式直流电压测量模拟式直流电压测量 3.2.1 动圈式电压表动圈式电压表 虚框内为虚框内为直流动圈式高灵敏度电流表直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为，内阻为Re，满偏，满偏电流电流(或满度电流或满度电流)为为Im，若作为直流电压表，满度电压，若作为直流电压表，满度电压memIRU动圈式电压表示意图动圈式电压表示意图第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 3.2.2 电子电压表电子电压表 1电子电压表原理电子电压表原理 使用高输入阻抗的使用高输入阻抗的场效应管场效应管(FET)源极跟随器源极跟随器

6、或或真空三极管阴极跟随器真空三极管阴极跟随器以以提高电压表输入阻抗提高电压表输入阻抗，后接，后接放大器放大器以提高电压表灵敏度，当需要测量以提高电压表灵敏度，当需要测量高直流电压高直流电压时，输入端接入时，输入端接入分压电路分压电路。R0、R1、R2、R3组成分压器组成分压器FET源极跟随器输入电阻很大源极跟随器输入电阻很大(几几百百MM以上以上)通常使它们的串联和大于通常使它们的串联和大于10M，以满足高输入阻抗的要求。以满足高输入阻抗的要求。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 2调制式直流放大器调制式直流放大器 在上述使用直流放大器的电子电压表中，在上述使用直流放大器的电子电压表中，直流

7、放直流放大器的零点漂移大器的零点漂移(简称零漂简称零漂)限制了电压表灵敏度的提高限制了电压表灵敏度的提高。 电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使电子电压表能测量以抑制漂移，可使电子电压表能测量微伏量级微伏量级的电压。的电压。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 调制式直流放大器原理调制式直流放大器原理微弱的直流电压信号经微弱的直流电压信号经调制器调制器(又称又称斩波器斩波器)变换为交变换为交流信号，再由流信号，再由交流放大器交流放大器放大，经放大，经解调器解调器还原为直流还原为直流信号信号(幅度已得到放大幅度已得到放大)。振荡

8、器振荡器为调制器和解调器提供固定频率的同步控制信为调制器和解调器提供固定频率的同步控制信号。号。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 3.3 交流电压的测量交流电压的测量 3.3.1 交流电压的表征交流电压的表征 交流电压除用具体的函数关系式表达其大小随时间的变交流电压除用具体的函数关系式表达其大小随时间的变化规律外，通常还可以用化规律外，通常还可以用峰值峰值、幅值幅值、平均值平均值、有效值有效值等参等参数来表征。常见电压的波形如图所示。数来表征。常见电压的波形如图所示。正 弦 波脉 冲 波方 波三 角 波低 频 噪 声 波阶 梯 波第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 1. 峰值峰值Up 周

9、期性交变电压周期性交变电压u(t)在一个周期内偏离零电平的最在一个周期内偏离零电平的最大值称为大值称为峰值峰值，用，用Up表示，正、负峰值不等时分别用表示，正、负峰值不等时分别用Up+和和Up-表示，如图表示，如图3.3-2(a)所示。所示。u(t)在一个周期内偏在一个周期内偏离直流分量离直流分量U0的最大值称为的最大值称为幅值或振幅幅值或振幅，用，用Um表示，表示，正、负幅值不等时用正、负幅值不等时用Um+和和Um-分别表示除去直流成分分别表示除去直流成分后的正负值，如图后的正负值，如图3.3-2(b)所示，图中所示，图中U00且正、负且正、负幅值相等。幅值相等。第第3章章 模拟测量方法模拟

10、测量方法 图图3.3-2 交流电压的峰值与幅值交流电压的峰值与幅值 第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 2. 平均值平均值 u(t)的平均值的平均值 的数学定义为的数学定义为UTdttuTU0)(1(3.3-1) 按照这个定义，按照这个定义， 实质上就是周期性电压的直流分量实质上就是周期性电压的直流分量U0。UU第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 在电子测量中，平均值通常指交流电压检波在电子测量中，平均值通常指交流电压检波(也称整也称整流流)后的平均值，又可分为后的平均值，又可分为半波整流平均值半波整流平均值(简称半波平简称半波平均值均值)和和全波整流平均值全波整流平均值(简称全波平均值简

11、称全波平均值)全波平均值定义为全波平均值定义为dttuTUT)(10(3.3-2)如不另加说明，通指平均值均为式如不另加说明，通指平均值均为式(3.3-2)所定义的所定义的全波平均值全波平均值。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 图图3.3-2 半波和全波整流半波和全波整流第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 3. 有效值有效值U 一个交流电压和一个直流电压分别施加于同一电一个交流电压和一个直流电压分别施加于同一电阻上时，若在一个周期内两者产生的热量相等，则交阻上时，若在一个周期内两者产生的热量相等，则交流电压的有效值流电压的有效值U等于该直流电压，用数学公式表示等于该直流电压，用数学公式表

12、示为为TdttuTU02)(1(3.3-3) 式式(3.3-3)实质上即数学上的实质上即数学上的均方根均方根定义，因此电定义，因此电压有效值有时也写作压有效值有时也写作Urms。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 4波形系数波形系数KF、波峰系数、波峰系数Kp 波形系数波形系数KF (或称波形因数或称波形因数)定义为该电压的定义为该电压的有效有效值与平均值之比值与平均值之比UUKF(3.3-4) 波峰系数波峰系数Kp (或称波峰因数或称波峰因数)定义为该电压的定义为该电压的峰值与有峰值与有效值之比效值之比UUKpp(3.3-5)第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 表表3.3.1 不同波形交

13、流电压的表征参数不同波形交流电压的表征参数第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 3.3.2 交流电压的测量方法交流电压的测量方法 1. 交流电压测量的基本原理交流电压测量的基本原理 利用利用交流交流/直流直流(AC/DC)转换电路将交流电压转换转换电路将交流电压转换成直流电压，再接到直流电压表上进行测量。成直流电压，再接到直流电压表上进行测量。 根据根据AC/DC转换器的类型，可分成转换器的类型，可分成检波法检波法和和热电热电转换法转换法。 根据检波特性的不同，检波法又可分成根据检波特性的不同，检波法又可分成峰值检波峰值检波、平均值检波平均值检波、有效值检

14、波有效值检波等。等。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 2. 模拟交流电压表的主要类型模拟交流电压表的主要类型 (1) 检波检波-放大式放大式 在直流放大器前面接上检波器，构成了检波在直流放大器前面接上检波器，构成了检波-放大放大式电压表。这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决式电压表。这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。采用于检波器。采用超高频检波二极管超高频检波二极管，频率范围从几十，频率范围从几十Hz到几百到几百MHz，输入阻抗也较大。，输入阻抗也较大。 图图3.3-3 检波检波-放大式电压原理表框图放大式电压原理表框图第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 (2)调制式调制

15、式 采用采用调制式放大器调制式放大器以替代一般的直流放大器，构以替代一般的直流放大器，构成了调制式电压表，仍属于成了调制式电压表，仍属于检波检波-放大式放大式。DA36型超型超高频毫伏表高频毫伏表就采用了这种方式，其中放大器是由斩波就采用了这种方式，其中放大器是由斩波器和振荡器构成的调制式直流放大器。器和振荡器构成的调制式直流放大器。图图3.3-4 调制式电压表原理框图调制式电压表原理框图第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 (3) 放大放大-检波式检波式 为提高交流电压表的测量灵敏度，先将被测电压测电压放大放大，而后再检波检波和推动直流电表显示直流电表显示，构成放大-检波式电压表。这种电压表

16、的频率范围主要取决于宽带这种电压表的频率范围主要取决于宽带交流放大器，灵敏度受到放大器内部噪声的限值。交流放大器，灵敏度受到放大器内部噪声的限值。图3.3-5 放大检波式电压表框图第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 (4) 外差式外差式外差式电压外差式电压测量法：输入电路中包括输入衰减器和测量法：输入电路中包括输入衰减器和高频放大器，衰减器用于大电压测量，高频放大器带宽高频放大器，衰减器用于大电压测量，高频放大器带宽很大，但不要求有很高的增益。很大，但不要求有很高的增益。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 表表3.3-2 三种结构形式电压表的性能比较三种结构形式电压表的性能比较结构形式结构

17、形式灵敏度灵敏度频带宽度频带宽度电压表类型电压表类型检波检波-放大式（调制式）放大式（调制式）稍低稍低很宽很宽超高频毫伏表超高频毫伏表放大放大-检波式检波式稍高稍高较窄较窄高频毫伏表高频毫伏表视频毫伏表视频毫伏表外差式外差式（选频电压表、测量接收机）（选频电压表、测量接收机）很高很高很宽很宽高频微伏表高频微伏表第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 (5) 热偶变换式热偶变换式热偶变换式，利用被测电压对电热丝热偶变换式，利用被测电压对电热丝加热加热，用热，用热偶元件与电热丝耦合测出电热丝上温度，根据偶元件与电热丝耦合测出电热丝上温度，根据加热温加热温度与热电势的函数关系度与热电势的函数关系测出被

18、测电压。测出被测电压。测量结果与被测信号波形无关，没有波形误差，测量结果与被测信号波形无关，没有波形误差，因此热偶式电压表是一种因此热偶式电压表是一种真正的有效值电压表真正的有效值电压表，但它，但它有热惯性，受环境温度影响大及频带窄等缺点。有热惯性，受环境温度影响大及频带窄等缺点。 第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 图3.3-7 热电偶原理图 热偶元件又称热电偶，是由两种不同材料的导体热偶元件又称热电偶，是由两种不同材料的导体所构成的具有热电现象的元件。所构成的具有热电现象的元件。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 (6) 其他方式其他方式锁相同步检波式锁相同步检波式利用同步检波原理，滤

19、除噪声，利用同步检波原理，滤除噪声，消弱干扰，适用于被噪声干扰淹没的下电压信号检测。消弱干扰，适用于被噪声干扰淹没的下电压信号检测。取样式取样式实质上是一种频率变换技术，利用取样信实质上是一种频率变换技术，利用取样信号中含有被取样信号的幅度信息号中含有被取样信号的幅度信息(随机取样随机取样)或者含有被或者含有被取样信号的幅度、相位信息取样信号的幅度、相位信息(相关取样相关取样)的原理，将高频的原理，将高频被测电压信号变换成低频电压信号进行测量。被测电压信号变换成低频电压信号进行测量。 测热电桥式测热电桥式是利用具有正的或负的温度系数的电是利用具有正的或负的温度系数的电阻如半导体热敏电阻、镇流电

20、阻、薄膜测热电阻等构阻如半导体热敏电阻、镇流电阻、薄膜测热电阻等构成精密电桥，通过对低频或直流电压的测量来代替高成精密电桥，通过对低频或直流电压的测量来代替高频电压的测量，这种方法通常用于精密电压测量。频电压的测量，这种方法通常用于精密电压测量。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 3.3.3 平均值电压的测量平均值电压的测量 通常把测量低频通常把测量低频( Tmax， RC Tmax，RC P2时dB值为正；当P1U2时dB值为正；当U10.775 V时，为正分贝值，Ux0.775 V时，为负分贝值。该仪表分贝刻度为30+57dB， 相应电压值要根据所使用的量程进行换算。第第3章章 模拟测量

21、方法模拟测量方法 图3.4-1 分贝刻度的读法第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 例3.4.1 用MF-20电子多用表的30V量程测量电压，当该量程的读数为27.5V时，问该电压信号对应的分贝值是多少？解 因为MF-20多用表将1.5V量程刻度线上的0.775V定义为0dB，27.5V示值位置对应在1.5V量程上的读数为1.38V，所以有dBVPV31775. 038. 1lg2026注意：注意：分贝值的测量必须是在额定频率范围内，而且被测电压的波形是正弦波的情况下，其测量结果才是正确的。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 3.5 功率测量功率测量3.5.1 基本概念功率即为单位时间内所做

22、的功，即tWP时间功功率（ )(3.5-1)iup电流电压功率(3.5-2)对于电子线路，瞬时功率可以用下式计算：第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 )2cos(cos )sin()sin(2tUIttUIuip设 ，则瞬时功率瞬时功率p为tIitUusin2)sin(2，平均功率（有功功率）平均功率（有功功率）P为：cos )2cos(cos1100UIdttUITpdtTPTT(3.5-3)(3.5-4)式中 为功率因数。cos-+Nui第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 22QPS有功功率P、无功功率Q与视在功率S的关系为无功功率Q为：sinUIQ 视在功率S为：UIS (3.5-5

23、)(3.5-6)(3.5-7)无功功率表示二端网络与外电路进行能量交换的幅度，单位为乏(Var)。视在功率表示用电设备的容量，单位为伏安(VA)。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 3.5.2 低频功率计低频功率计在音频范围内，可以采用低频功率计进行功率测量，如图3.5-1所示。低频功率计连接在信号源和负载之间，通过检测负载电压/电流计算得到负载功率。图3.5-1 低频功率计的基本原理第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 图3.5-2 电功率计示意图 图3.5-2所示电功率计是图3.5-1所示原理的机电实现。电流检测元件是一个固定线圈，而电压检测元件是放在固定线圈磁场中的可动线圈。可动线可动

24、线圈上的转矩受到弹簧的反抗，圈上的转矩受到弹簧的反抗，且与两个线圈中电流的瞬时乘且与两个线圈中电流的瞬时乘积的平均值成正比积的平均值成正比，即可动线圈旋转的大小随瞬时电压-电流乘积的平均值而变，附加指针指示出平均负载功率。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 3.5.3 吸收型功率表吸收型功率表在高频(音频500MHz)范围内，可采用吸收型功率表测量功率。一般可用无感电阻和交流表头无感电阻和交流表头，或高频高频电压表与理想负载电压表与理想负载构成，如图3.5-3所示。要求：电阻器RL在额定频率范围内容保持恒定的电阻器，而电压表是按功率单位刻度的。 图3.5-3 吸收型功率测量A功 率 输 入RL50 高 频电 表RL50 功 率输 入(a)(b)第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 3.5.4 量热计功率计量热计功率计3.5-4 量热式功率计图3.5-5所示为基本的量热式功率计。如果知道绝缘液槽内液体的质量、比热和液槽的特性，就可以根据温度变化计算出负载功率。第第3章章 模拟测量方法模拟测量方法 图3.5-5 替代式功率计由