电子测量与仪器课件 第三章 电压测量与电压表1

1、第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 13.1 概述概述3.2 直流电流、直流电压的测量直流电流、直流电压的测量3.3 模拟式交流电压表模拟式交流电压表3.4 数字电压表数字电压表本章要点：本章要点：交流电压的表征，交流电压的表征， 模拟式交流电压表的结构、检波器、模拟式交流电压表的结构、检波器、 正弦波有效值定度及电压测量，正弦波有效值定度及电压测量， 数字电压表的组成、性能指标及数字电压表的组成、性能指标及A/DA/D变换器。变换器。第第3 3章章 电压测量与电压表电压测量与电压表第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 23.1.1 电压测量的基本要求电压测量的基本要求1. 频率范围宽频

2、率范围宽2. 量程宽量程宽3. 输入阻抗高输入阻抗高4. 抗干扰能力强抗干扰能力强5. 测量精确度高测量精确度高 电压表精确度表示方法如下：（1）满度值的百分数满度值的百分数%Um 线性刻度的模拟式电压表 （2）读数值的百分数读数值的百分数%Ux 对数刻度的电压表 （3）(%Ux+%Um) 数字电压表6.被测电压波形种类多被测电压波形种类多第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 33.1.2 交流电压的表征交流电压的表征交流电压的表征量包括平均值交流电压的表征量包括平均值 、峰值、峰值 、有效值、有效值U以及以及波形因数波形因数KF、波峰因数、波峰因数KP。1.平均值平均值平均值简称为均值，是

3、指波形中的直流成分交流电压的平均值2. 峰值峰值UP指交流电压在一个周期内（或一段时间内）以零电平为参考基准的最大瞬时值，记为 （或UP）UU第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 4u(t) t0a） UP-P tu(t)0b）UP-PUm图3.1 交流电压的峰值、振幅值 3. 有效值有效值U 交流电压的大小通常是指它的有效值U，有效值又称为均方根值，是根据它的物理定义来确定的。数学计算式为：TdttuTU02)(1UUUUU第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 5 4. 波形因数波形因数KF交流电压的波形因数KF定义为交流电压的有效值U与平均值 之比，即5. 波峰因数波峰因数KP交流电压

4、的波峰因数KP定义为交流电压的峰值 与有效值U之比，即UUKFUUUKP不同波形的波形因数和波峰因数具有不同的定值，如表3-1所示。图3.2所示为表3-1所用的波形图。 U第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 6表表3-1 常见波形的波形因数和波峰因数常见波形的波形因数和波峰因数名称名称波形波形UKFKP正弦波正弦波A0.637A A1.11方波方波AAA11三角波三角波A0.5AUU2A23A323000图3.2 表3-1所用波形图第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 73.1.3 电子电压表的分类电子电压表的分类电子电压表，分为模拟式电压表和数字式电压表。1. 模拟式电压表模拟式电压表

5、用磁电式直流电流表作为指示器用磁电式直流电流表作为指示器直流电压表直流电压表交流电压表交流电压表: 核心为交直流变换器AC/DC。检波器按其响应特性分为均值均值、峰值峰值和有效值检波器有效值检波器三种结构形式:放大检波式、 检波放大式 外差式第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 8（1）检波放大式电压表如图3.3(a)所示。其频率范围和输入阻抗主要取决于检波器（2）放大检波式电压表如图3.3(b)所示。检波器检波器衰减器衰减器直流放大器直流放大器被测输入被测输入(a)衰减器衰减器检波器检波器交流放大器交流放大器(b)被测输入被测输入uAuA图3.3 检波-放大式、放大-检波式电压表组成框图第

6、 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 9（3）外差式电压表组成框图如图3.4所示。外差式电压表利用混频器，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与带宽的矛盾，其灵敏度可以提高到微伏级。其频带宽度取决于本振频率范围，可从100kHz至数百兆赫兹，一般称之为高频微伏表。输入电路输入电路混频器混频器中频交流放大器中频交流放大器图图3.4 外差式电压表组成框图外差式电压表组成框图被测输入被测输入均值检波器均值检波器本振本振第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 10表表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形式灵敏度灵敏度频带宽度频

7、带宽度电压表类型电压表类型外差式外差式很高很高很宽很宽高频微伏表高频微伏表检波检波放大式放大式稍高稍高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低稍低较窄较窄高频毫伏表、视频毫高频毫伏表、视频毫伏表伏表第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 112. 数字式电压表数字式电压表 DVM核心：A/D（模/数）变换器将模拟量变换成数字量，十进制数字形式显示被测电压值直流数字电压表。直流数字电压表配上交直流变换器即构成交流数字电压表数字万用表。A/D变换器分为 积分式积分式、（直流数字电压表） 比较式比较式 复合式复合式第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 12数字电压表组成，如图3.5

8、所示。输入输入电路电路A/D变换器变换器计数器计数器图图3.5 数字电压表组成框图数字电压表组成框图被测输入被测输入寄存显示电路寄存显示电路逻辑控制电路逻辑控制电路模拟电路模拟电路数字逻辑电路数字逻辑电路显示电路显示电路数字电压表的特点：不能完全代替模拟式电压表。第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 133.2 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 直流电流的测量直流电流的测量磁电式直流电流表可以直接用来测量较小的直流电流扩大电流量程：3.2.2 直流电压的测量直流电压的测量磁电式电流表指针偏转角度与被测电流I成正比扩大电压表量程：还可以用示波器、失真度测量仪、频谱仪等

9、仪器测量电压。第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 143.3 模拟式交流电压表模拟式交流电压表主要分为高频电压表：峰值电压表 多采用检波放大式结构 多采用峰值检波器检波 低频电压表：均值电压表和有效值电压表 一般采用放大检波式结构 平均值检波器或有效值检波器检波3.3.1 低频交流电压表低频交流电压表1. 均值电压表均值电压表均值电压表以均值检波器作为交直流变换器。第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 15（1）均值检波器）均值检波器均值检波器输出的直流电压即电容C两端的电压，均值检波器的输出始终等于整流后波形的平均值。(a)(b)(c)图3.8 常用均值检波器u(t)C+(d)CCu(

10、t)u(t)u(t)+CU第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 16（2）刻度特性均值电压表一般以即正弦波有效值定度。 9 . 0FNUKUUU FNNNKUU PNNNKUU 11. 1UUK只要确定出检波输出电压后，不管是哪种均值检波器的电压表，均可采用上述计算式进行计算。第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 17例例3-1 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20V，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？解：解： 测量正弦波时： U=U=20V测量三角波时：答：（略）。V18V209 . 09 . 0UUV8 .20V1832UKUFV0 .

11、36V8 .203UKUPV18V209 . 09 . 0UUV3 .28V2022UU第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 18均值电压表的组成如图3.10所示，属于放大放大检波式电压表。检波式电压表。被测电被测电压压输入输入阻抗变换阻抗变换器器可变量程衰可变量程衰减器减器宽带交流放宽带交流放大器大器均值检波均值检波器器图图3.10 均值电压表组成框图均值电压表组成框图第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 19（4） 误差分析均值电压表测量误差的主要来源包括：指示电流表的误差、检波元器件的不稳定性误差、波形误差及频率误差等。1）波形误差 波形误差是在用均值电压表测量非正弦波电压时，将电压

12、表的读数值当成被测电压的有效值而产生的误差。波形误差的绝对误差为：U=U0.9KFNU=(10.9KFN)U波形误差的示值相对误差为：=U/U=10.9KFN例如，测量三角波时的波形误差为：%5 . 3329 . 019 . 01FK第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 202）频率误差频率误差是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向导电性而带来的高频频响误差。除此之外，交流放大器增益与带宽的矛盾也是产生频率误差的原因之一。+u(t)图3.11 图3.8(a)均值检波器负半周高频等效电路CdCdRdRdLRm第 3 章 电 压 测 量 与

13、仪 器 212. 有效值电压表有效值电压表有效值电压表类型繁多，例如，检波式（常用分段逼近式有效值检波器）、热偶式、计算式等。一般认为有效值电压表的读数就是被测电压的有效值，而与被测电压波形无关与被测电压波形无关，称之为真有效值电压表。（1）分段逼近式有效值检波器 经推导得知，只要电路的输出特性曲线具有平方律特性，电路就可以实现有效值检波。图3.12(b)图中，由三条不同斜率的曲线逼近成为具有平方率特性的曲线。（2）热偶式（即热电变换式）有效值检波器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来实现有效值检波。该方式的电压表频率范围很宽，上限频率达几十兆赫。（3）计算式有效值检波器+

14、-u(t)Ri(t)0i(t)u(t)u1u2u3abc(a)(b)图3.12 分段逼近式有效值检波器第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 22图3.15 常见峰值检波器(c)(e)+u(t)+RC2C1+u(t)(d)+RC1C2+(b)(a)+u(t)CR+u(t)+CR+u(t)+UP+UP-C1C2R1R2RURURURURU3.3.2 高频交流电压表（峰值交流电压表高频交流电压表（峰值交流电压表）1. 峰值检波器峰值检波器第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 232. 刻度特性刻度特性 :峰值电压表也以正弦波有效值进行定度例例3-2 用峰值电压表测量正弦波、三角波电压，已知电压表

15、的读数均为20V，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？解：解： 测量正弦波时： U=U=20V 测量三角波时：答：（略）V18V209 . 09 . 0UUV3 .28V2022UUV3 .28V2022UUV3 .1638.3V23PUKUUV1 .14326.3V1FKUU第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 243. 峰值电压表的组成峰值电压表的组成 超高频毫伏表峰值检波器峰值检波器分压器分压器直流放大器直流放大器图3.17 峰值电压表的组成被测输入被测输入4. 误差分析误差分析（1）理论误差（2）波形误差（3）频率误差第 3 章 电 压 测 量 与 仪 器 253.3.4 使用方法及注意事项使用方法及注意事项 选择量程、频率范围、误差和输入阻抗合适的电压表外，还应注意： （1）调零 （2）量程选择 （3）拆接线顺序 （4）测量非正弦波电压 （5）测量音频电压 （6）测量电平值 电平即绝对电平，有功率电平Pw和电压电平Pu之分。 1）功率电平LP(Power Level)的定义式为rxPlg1