第7章 电压测量-4.

1、电子测量技术电子测量技术第1页电子测量技术电子测量技术第2页电子测量技术电子测量技术第3页01( )TUu t dtT01( )TUu t dtT20.637ppUVV电子测量技术电子测量技术第4页电子测量技术电子测量技术第5页电子测量技术电子测量技术第6页UtuTUTx00d1(7.4-1)恰为其整流平均值，加在表头上，流过表头的电流恰为其整流平均值，加在表头上，流过表头的电流I I0 0正比于正比于 ，即正比于全波整流平均值。，即正比于全波整流平均值。| |u ux x| |傅里叶展开式中的基波和各傅里叶展开式中的基波和各高次谐波均被并接在表头上的电容高次谐波均被并接在表头上的电容C C旁

2、路而不流过表头，因此旁路而不流过表头，因此，流过表头的仅是和平均值成正比的直流电流，流过表头的仅是和平均值成正比的直流电流I I0 0。为了改善整。为了改善整流二极管的非线性，实际电压表中也常使用图流二极管的非线性，实际电压表中也常使用图( (b b) )所示的半桥所示的半桥式整流器。式整流器。U电子测量技术电子测量技术第7页2. 检波灵敏度检波灵敏度Sd， p0pdUIUIS(7.4-2)7.4-1(a)pmdd2URRUS(7.4-3)电子测量技术电子测量技术第8页若若u ux x( (t t)=)=U Um m sin sintt, , 则根据表则根据表7.3-17.3-1有有2pUU

3、(7.4-4)所以所以mdd212RRS(7.4-5)如果如果R Rd d=500 , =500 , R Rm m=1 k=1 k，则由式，则由式(7.4-5)(7.4-5)得得S Sd d=1/3140=1/3140。要提高测量灵敏度，应减小。要提高测量灵敏度，应减小R Rd d和和R Rm m。电子测量技术电子测量技术第9页由于二极管是非线性器件，当电压较低时，由于二极管是非线性器件，当电压较低时，R Rd d急剧增大至几急剧增大至几kk到几十到几十kk，S Sd d急剧下降，因此不宜用这种检波器直接测急剧下降，因此不宜用这种检波器直接测量量0.5 V0.5 V以下的电压。以下的电压。3.

4、 输入阻抗输入阻抗可以证明，对于图可以证明，对于图7.4-1(a)7.4-1(a)所示的均值整流器，其输入所示的均值整流器，其输入阻抗阻抗R Ri i=2=2R Rd d+ +R Rm m(7.4-6)(7.4-6)仍设仍设R Rd d=500 , =500 , R Rm m=1 k(=1 k(这是常规的数值这是常规的数值) )，则，则R Ri i约为约为1.8 1.8 kk，可见均值检波器输入阻抗很低。，可见均值检波器输入阻抗很低。28电子测量技术电子测量技术第10页V平平均均值值检检波波表表头头( (读读数数= =) )u(t)电子测量技术电子测量技术第11页图图JB-1BJB-1B型电压

5、表的原理图型电压表的原理图电子测量技术电子测量技术第12页图图DA-16DA-16型均值电压表的结构原理型均值电压表的结构原理电子测量技术电子测量技术第13页U正U9U. 011. 1U22UKUF正正正U正U正正任意UUU9 . 0任意U正任意任意任意任意UKUKUFF9 . 0电子测量技术电子测量技术第14页UKUKUKUKUFFFFk正弦正任意正任意任意任意任意任意任意正弦任意FFFFKKKKk0.911. 1电子测量技术电子测量技术第15页0.90.9FK（任意波）均值V（任意波）有效值V0.910.91.1110.90.9FFFFFKKKKK电子测量技术电子测量技术第16页【例例1】

6、用全波整流均值电压表分别测量正弦波、三角用全波整流均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，若电压表示值均为波和方波，若电压表示值均为10 V10 V，那么被测电压的有效值，那么被测电压的有效值各为多少各为多少? ?解：解： 对于正弦波，由于电压表本来就是按其有效值定度对于正弦波，由于电压表本来就是按其有效值定度的，即电压表的示值就是正弦波的有效值，因此正弦波的有的，即电压表的示值就是正弦波的有效值，因此正弦波的有效值为效值为U=Ua=10 V对于三角波，查表对于三角波，查表7.3-17.3-1，其波形系数，其波形系数KF=1.15KF=1.15，所以有，所以有效值为效值为U=0.9KFUa=0

7、.91.1510=10.35 V电子测量技术电子测量技术第17页对于方波，查表对于方波，查表7.3-17.3-1，其波形系数，其波形系数KF=1KF=1，所以有效值，所以有效值为为U=0.9KFUa=0.9110=9 V显然，如果被测电压不是正弦波形，则直接将电压表显然，如果被测电压不是正弦波形，则直接将电压表示值作为被测电压的有效值，这必将带来较大的误差，通示值作为被测电压的有效值，这必将带来较大的误差，通常称做常称做“波形误差波形误差”。由式。由式(7.4-11)(7.4-11)可以得到波形误差的可以得到波形误差的计算公式为计算公式为%100)9 . 01 ( %1009 . 0%100F

8、aaFaaVKUUKUUU(7.4-12)电子测量技术电子测量技术第18页仍以例仍以例1 1中的三角波和方波为例，如果直接将电压表示中的三角波和方波为例，如果直接将电压表示值值U Ua a=10 V=10 V作为其有效值，则可以得到波形误差分别如下：作为其有效值，则可以得到波形误差分别如下：三角波：三角波：V=(10.9KF)100%=(10.91.15)100%=3.5%方波：方波：V=(10.9KF)100%=(10.9)100%=10%电子测量技术电子测量技术第19页均值电压表的误差包括下列因素：直流微安表本身的误均值电压表的误差包括下列因素：直流微安表本身的误差，检波二极管老化、变质、

9、不对称带来的误差，超过频差，检波二极管老化、变质、不对称带来的误差，超过频率范围时二极管分布参数带来的误差率范围时二极管分布参数带来的误差( (频响误差频响误差) )以及波形以及波形误差。误差。7.4.3均值电压表误差均值电压表误差电子测量技术电子测量技术第20页图图7.4-47.4-4是均值检波器高频等效电路，在是均值检波器高频等效电路，在A A点电位高于点电位高于B B点电位的正半周内，点电位的正半周内，V VD1D1、V VD4D4二极管导通，导通电阻为二极管导通，导通电阻为R Rd d， 此时此时V VD2D2、V VD3D3的结电容的结电容C Cd d呈现的容抗虽仍比正向导通电阻大呈

10、现的容抗虽仍比正向导通电阻大许多，但频率增高时，其容抗可小于二极管反向电阻，因许多，但频率增高时，其容抗可小于二极管反向电阻，因此此V VD3D3、V VD2D2不再是截止状态，即二极管失去单向导电性而带不再是截止状态，即二极管失去单向导电性而带来高频频响误差。来高频频响误差。电子测量技术电子测量技术第21页图图7.4-47.4-4均值检波器高频等效电路均值检波器高频等效电路电子测量技术电子测量技术第22页如果被测电压是非纯正的正弦波而又没有或不能如果被测电压是非纯正的正弦波而又没有或不能( (比如比如波形变化规律复杂，难以确定波形变化规律复杂，难以确定K KF F值值) )进行波形换算，进行

11、波形换算， 那么那么在上述各项误差中，波形误差是主要的，其次是频率响应在上述各项误差中，波形误差是主要的，其次是频率响应误差。例如误差。例如SX2172SX2172交流毫伏表，其固有误差交流毫伏表，其固有误差 2%(2%(以以1 1 kHzkHz为基准为基准) )，频率响应误差，频率响应误差( (以以1 kHz1 kHz为基准为基准) )为：为：20 Hz20 Hz100 kHz, 100 kHz, 2%; 10 Hz2%; 10 Hz500 kHz, 500 kHz, 5%; 5 Hz5%; 5 Hz2 MHz, 2 MHz, 10%10%。电子测量技术电子测量技术第23页201( )TVu

12、 t dtT电子测量技术电子测量技术第24页 1. 二极管平方律检波式二极管平方律检波式半导体二极管在其正向特性的起始部分具有近似的平半导体二极管在其正向特性的起始部分具有近似的平方律关系，如图方律关系，如图7.4-57.4-5所示。图中，所示。图中，E E0 0为偏置电压，当信为偏置电压，当信号电压号电压u ux x较小时，有较小时，有i=kE0+ux(t)2(7.4-14)式中，式中，k k是与二极管特性有关的系数是与二极管特性有关的系数( (称为检波系数称为检波系数) )。由。由于电容于电容C C具有积分具有积分( (滤波滤波) )作用，因此流过微安表的电流正作用，因此流过微安表的电流正

13、比于比于i i的平均值的平均值 ，即，即I电子测量技术电子测量技术第25页2rms02002002002 d)(1d)(12 d)(1xxTxTxTkUUkEkEttuTkttuTkEkEttiTI(7.4-15)电子测量技术电子测量技术第26页式中，式中，kEkE2020是静态工作点电流，可以设法将其抵消是静态工作点电流，可以设法将其抵消( (见参考文见参考文献献2 2， 7.47.4节节) )； x x为为u ux x( (t t) )的平均值，的平均值， 对于正弦波，对于正弦波， 等周期对称电压等周期对称电压 x x=0=0； U Ux xrmsrms为为u ux x( (t t) )的

14、有效值的有效值U U。这样流。这样流经微安表的电流为经微安表的电流为=kU2 (7.4-16)从而实现了有效值的转换。从而实现了有效值的转换。这种转换器的优点是结构简单，灵敏度高；缺点是满足这种转换器的优点是结构简单，灵敏度高；缺点是满足平方律特性的区域平方律特性的区域( (即有效值检波的动态范围即有效值检波的动态范围) )过窄，特性不过窄，特性不易控制且不稳定，所以逐渐被晶体二极管链式网络组成的分易控制且不稳定，所以逐渐被晶体二极管链式网络组成的分段逼近式有效值检波器所替代。段逼近式有效值检波器所替代。UUI电子测量技术电子测量技术第27页图图7.4-5 7.4-5 二极管的平方律特性二极管

15、的平方律特性电子测量技术电子测量技术第28页图图7.4-67.4-6画出了分段逼近式有效值检波电路画出了分段逼近式有效值检波电路( (见图见图(b)(b)及其及其平方律伏安特性平方律伏安特性( (见图见图(a)(a)。其工作原理如下所述。其工作原理如下所述。由二极管由二极管V VD3D3V VD6 D6 和电阻和电阻R R3 3R R1010构成的链式网络相当于与构成的链式网络相当于与R R2 2并联的可变负载。接在宽带变压器次级的二极管并联的可变负载。接在宽带变压器次级的二极管V VD1D1、V VD2D2对对被测电压进行全波检波。适当调节检波器负载被测电压进行全波检波。适当调节检波器负载(

16、 (由链式网络实由链式网络实现现) )，可使其伏安特性成平方律关系，而使流过微安表的电流，可使其伏安特性成平方律关系，而使流过微安表的电流正比于被测电压有效值的平方。正比于被测电压有效值的平方。2. 分段逼近检波式分段逼近检波式电子测量技术电子测量技术第29页图图7.4-67.4-6平方律伏安特性和二极管链式电路平方律伏安特性和二极管链式电路电子测量技术电子测量技术第30页二极管链式电路的工作原理是：适当选择直流电源二极管链式电路的工作原理是：适当选择直流电源E E和分和分压电阻压电阻R R3 3R R1010的值，使的值，使U U1 1 U U2 2 U U3 3 U U4 4。当。当u u

17、 U U1 1时，时，V VD3D3V VD6D6截止截止， 伏安特性起始部分是直线，斜率由伏安特性起始部分是直线，斜率由R R2 2决定。当决定。当U U1 1 u u U U2 2时时， V VD3D3导通，导通，V VD4D4V VD6D6仍然截止，此时仍然截止，此时R R2 2与分压电阻与分压电阻R R3 3、R R4 4并并联，联， 伏安特性斜率增大。当伏安特性斜率增大。当u u继续增大时，继续增大时，V VD4D4、V VD5D5、V VD6D6依依次导通，次导通， 伏安特性斜率也依次增大。只要各分压电阻选择伏安特性斜率也依次增大。只要各分压电阻选择得合适，就可获得如图得合适，就可

18、获得如图7.4-6(a)7.4-6(a)所示的近似的平方律关系的所示的近似的平方律关系的伏安特性。伏安特性。电子测量技术电子测量技术第31页由于平方律特性检波器电流与被测电压有效值的平方成正由于平方律特性检波器电流与被测电压有效值的平方成正比，因此直接接微安表时，刻度是非线性的。比，因此直接接微安表时，刻度是非线性的。国产国产DY-2DY-2型有效值电压表就利用了上述分段逼近式检波型有效值电压表就利用了上述分段逼近式检波原理，其电压量程为原理，其电压量程为10 mV10 mV300 V300 V，频率范围为，频率范围为10 Hz10 Hz150 150 kHz(kHz(上限主要受二极管链式网络

19、寄生电容和寄生电感限制，上限主要受二极管链式网络寄生电容和寄生电感限制， 下限主要受变压器特性限制下限主要受变压器特性限制) )，输入阻抗为，输入阻抗为1 M40 pF(1 M40 pF(其其含义为含义为1 M1 M电阻与电阻与40 pF40 pF电容并联在角频率电容并联在角频率时的阻抗时的阻抗) )， 基本误差为基本误差为3%3%。电子测量技术电子测量技术第32页由于电子技术的发展，利用集成乘法器、积分器、开方由于电子技术的发展，利用集成乘法器、积分器、开方器等实现电压有效值测量是有效值测量的一种新形式，其原器等实现电压有效值测量是有效值测量的一种新形式，其原理如图理如图7.4-77.4-7

20、所示。其第一级所示。其第一级(M)(M)是由乘法器构成的平方器，是由乘法器构成的平方器， 输出正比于输出正比于u u2 2x x( (t t) )，第二级为积分器，输出正比于，第二级为积分器，输出正比于Txttu02d)(， 第三级实现开方运算第三级实现开方运算TxttuT02d)(1，末级为放大器，末级为放大器， 输出正比于有效值输出正比于有效值( (均方根值均方根值) )。显然，这。显然，这种模拟计算式电压表的刻度是线性的。种模拟计算式电压表的刻度是线性的。3. 模拟计算式模拟计算式电子测量技术电子测量技术第33页2( )u t0TAu(t)Vrms电子测量技术电子测量技术第34页2212

21、(.)kVkVV电子测量技术电子测量技术第35页电子测量技术电子测量技术第36页1210lgPdBP2111VPR2222VPR1220lgVdBV电子测量技术电子测量技术第37页10lgwmxP dBP mW电子测量技术电子测量技术第38页20.7751600mW 20lg0.775xVVV VP dBxxmP mWP dB xxVV VV dB电子测量技术电子测量技术第39页输输入入衰衰减减器器宽宽带带交交流流放放大大器器均均值值检检波波器器uAd dB B“输输入入电电平平”选选择择标标准准电电平平震震荡荡器器“输输入入阻阻抗抗”选选择择“电电平平校校准准”dB电子测量技术电子测量技术第

22、40页103.162120lg1010dB 电子测量技术电子测量技术第41页电子测量技术电子测量技术第42页20lg700.775xVdB 0.77520lg70|ooVVxVdBV电子测量技术电子测量技术第43页0 10lgWmViZP dBP dBZ电子测量技术电子测量技术第44页【例【例2 2】用】用1.5 V1.5 V量程测电压，量程测电压，U Ux x=1.38 V=1.38 V，问对应的分，问对应的分贝值。贝值。解：解：U Ux x(dB)=20 lg(dB)=20 lg=+5 dB=+5 dB即此时该表指针指向即此时该表指针指向+5 dB+5 dB处。处。【例【例3 3】用】用M

23、F-20MF-20的的30 V30 V电压量程测得电压电压量程测得电压U Ux x=27.5 V=27.5 V， 问其分贝值为多少问其分贝值为多少? ?解：解：U Ux x(dB)=20 lg(dB)=20 lg=31 dB=31 dB775. 038. 1775. 038. 1电子测量技术电子测量技术第45页但此时但此时MF-20MF-20表针指出的分贝值为表针指出的分贝值为+5 dB+5 dB，显然这不是，显然这不是UxUx的分的分贝值。原因在于：贝值。原因在于：MF-20 MF-20 多用表的电压基本量程是多用表的电压基本量程是0 01.5 V1.5 V，表盘上的分贝值与该量程上电压值相

24、对应。当使用，表盘上的分贝值与该量程上电压值相对应。当使用 30 V 30 V量量程时，在该表的可变量程分压器的分压比为程时，在该表的可变量程分压器的分压比为30/1.5=2030/1.5=20，因此，因此加在后面电压表表头上的电压是衰减加在后面电压表表头上的电压是衰减2020倍的被测电压，或者倍的被测电压，或者说实际被测电压应是加在表头上电压的说实际被测电压应是加在表头上电压的2020倍。设表头上电压倍。设表头上电压为为U U，则实际被测电压为，则实际被测电压为U Ux x=20=20U U ，写成分贝形式为，写成分贝形式为U Ux x(dB)=20 lg(20(dB)=20 lg(20U U)=20 lg(20)+20 lg)=20 lg(20)+20 lgU U =26 dB+20 lg =