测感技术2(2)课件

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2.2电压测量技术电压测量的重要性◆电压测量是电测量与非电测量的基础；◆电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率其中：电流、功率——〉电压，再进行测量电路工作状态：饱和与截止，线性度、失真度——〉电压表征

◆非电测量中，物理量——〉电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度1.对电压测量的基本要求1）应有足够宽的频率测量范围2）要有足够宽的电压测量范围

3）`要有足够高的测量精确度

4）要有足够高的输入阻抗

5）应有足够强的抗干扰能力

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2.电压的测量方法1）交流电压的模拟测量方法：ACV－DCI－电流表指针，如电压表、电平表2）数字化直流电压测量方法 模拟直流电压--〉A/D转换器--〉数字量--〉数字显示（直观）

——数字电压表（DVM），数字多用表（DMM）。3）交流电压的数字化测量 交流电压（有效值、峰值和平均值）--〉直流电压--〉A/D转换器--〉数字量--〉数字显示，如数字多用表DVM、数字多用表DMM。4）基于采样的交流电压测量方法：交流电压--〉A/D转换器--〉瞬时采样值u(k)--〉计算，如有效值式中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。5）示波测量方法：交流电压--〉模拟或数字示波器--〉显示波形--〉读出结果

2.2电压测量技术第3页

2.2.1交流电压的测量1．表征交流电压的基本参量

峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。1）峰值

以零电平为参考的最大电压幅值（用Vp表示）。以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）。2）平均值（均值）

数学上定义为：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(ωt)，第5页

4）波峰因数和波形因数

波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用Kp表示，

波形因数定义：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(ωt)，常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到：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

对脉冲波进行计算

2.2.1交流电压的测量

1．表征交流电压的基本参量

2.2.1交流电压的测量

2．交流电压的测量方法

交流电压的测量主要的是用检波器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。

根据检波器的种类不同，有峰值检波器、平均值检波器和有效值检波器

相对应的电压表分为平均值电压表、有效值电压表和峰值电压表2.2.2平均值电压的测量1.平均值电压表的工作原理2.波形换算方法(了解)

由于平均值电压表的指示装置是按正弦信号有效值来刻度的，因此，对非正弦信号而言，其指示值并没有直接的意义，需要通过引入定度系数的概念来变换成所需要的波形参数。被测任意波形电压的平均值为

指示装置的指示值为

再用波形变换系数计算出被测信号的有效值

2.2.2平均值电压的测量【例2．1】用平均值电压表（全波式）分别测量方波和三角波电压，电压表的指示值均为1V,问被测电压的有效值分别为多少？解：1）方波,

先将指示值变换成正弦信号的平均值

则有方波的有效值为

2）三角波,

三角波的平均值也为0.9伏，则有效值为2.2.3峰值电压的测量2.波形换算方法(了解)

峰值电压表的指示装置也是按正弦信号有效值进行刻度的

仪表的指示值为

定度系数

被测信号的峰值

被测信号的有效值

【例2．2】用峰值电压表分别测量三角波和方波信号，电压表上的指示值均为10V，被测电压的有效值各为多少？1）三角波2）方波第12页

2.3电压的数字测量方法2．3．1DVM的组成原理及主要性能指标

1、DVM的组成

数字电压表（DigitalVoltageMeter，简称DVM）组成框图应用：直流或慢变化电压信号的测量（通常采用高精度低速A/D转换器）。通过AC-DC变换电路，构成交流数字电压表。通过I/V、Ω/V等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能。基于微处理器的智能化DVM称为数字多用表（DMM，DigitalMultiMeter）DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口(如GPIB)。第14页

2．3．1DVM的组成原理及主要性能指标

2、主要性能指标分辨力分辨率：用百分数表示，与量程无关。在200mV上分辨力为0.1mV，则分辨率为：分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3位半的DVM，可显示出1999（共2000个字），则分辨率为测量速度每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒~几十次/秒。测量精度取决于DVM的固有误差和使用时的附加误差（温度等）。固有误差表达式：读数误差和满度误差示值（读数）相对误差为：式中，Vx被测电压的读数；Vm该量程的满度值（FullScale,FS）；第15页

2．3．1DVM的组成原理及主要性能指标

2、主要性能指标测量精度（续）读数误差：与当前读数有关。主要包括DVM的刻度系数误差和非线性误差。满度误差：与当前读数无关，只与选用的量程有关。当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当被测量较大时，读数误差起主要作用。为减小满度误差的影响，应合理选择量程，以使被测量大于满量程的2/3以上。有时将误差写为：输入阻抗输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10MΩ~1000MΩ之间。对于交流DVM，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值一般在几十~几百pF之间。

2．3．1DVM的组成原理及主要性能指标【例2．3】用一个四位数字电压表的量程分别测量和已知该仪器的测量误差为个字，试求由仪器的固有误差引起的电压，测量误差的大小

1)当测量电压时产生的绝对误差为示值相对误差

2)当测量电压时产生的绝对误差为示值相对误差

2.3.2数字电压表（DVM）的主要类型数字电压表的核心部件是A/D转换器,`按照A/D转换器的工作原理来分：积分型和非积分型两大类。

积分型：

◆双积分式◆三积分式◆脉冲调宽（PWM）◆电压频率（V-F）式

非积分型：◆斜波式◆逐次比较式◆并行比较式等第18页

2.3.2数字电压表（DVM）的主要类型

1、逐次逼近比较式ADC

基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。即采用一种“对分搜索”的策略，逐步缩小Vx未知范围的办法。假设基准电压为Vr=10V，为便于对分搜索，将其分成一系列（相差一半）的不同的标准值。Vr可分解为：(等比数列求和）如只取前4项，则其逼近的最大误差为9.375V-10V=-0.625V，相当于最后一项的值。现假设有一被测电压Vx＝8.5V，若用上面表示Vr的4项5V、2.5V、1.25V、0.625V来“凑试”逼近Vx，逼近过程，结果1101第20页

2.3.2数字电压表（DVM）的主要类型2、双积分式ADC基本原理：通过两次积分过程的比较，得到被测电压值。包括：

积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路。

工作过程：

复零阶段（t0~t1）

对被测电压定时积分

(t1~t2)

对参考电压反向定值积分

(t2~t3)

（板书推导）

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2、双积分式ADC双积分式ADC特点：一般转换时间在几十ms~几百ms，其速度是较低的，常用于高精度慢速测量的场合。积分器的R、C元件对A/D转换结果不会产生影响，因而对元件参数的精度和稳定性要求不高。参考电压Vr的精度和稳定性对A/D转换结果有影响，一般需采用精密基准电压源。积分器响应的是输入电压的平均值，因而具有较好的抗干扰能力。如输入电压vx=Vx+vsm，后一项为干扰信号，则T1阶段结束时积分器的输出为DVM的最大干扰来自于电网50Hz工频电压（周期为20ms），因此，只要选择T1时间为20ms的整倍数，则干扰信号vsm的平均值为零。(插入ICL7135的功能和引脚）3.积分（U-F）型A/D转换器一种实用电路2.3.3直流数字电压表举例

主要有模拟单元电路和数字逻辑显示电路两部分：

模拟单元电路：包括滤波器、模拟开关、积分器和比较器电路。

数字逻辑显示电路包括：振荡器、分频器、逻辑控制器、计数器和译码显示电路。2.3.4A/D转换原理

4、三斜积分式ADC（简介）基本原理：在双斜积分式ADC基础上，为进一步提高ADC的分辨力而设计的。将双斜积分式ADC的第二次积分过程，分解为两次，使积分器输出即将到达零点时，加长积分过程（缓慢积分），以降低对比较器的分辨力和带宽要求。5、VFC转换法（简介）原理框图

通过VCO（压控振荡器）将电压变换为频率与电压成正比的矩形波信号，通过对频率测量完成对电压的测量，该方法的特点是测量精度高，数字信号传输，更适合于工业现场信号传输。6、ADC的选用逐次逼近式速度高，双积分式抗噪能力强但速度慢，VFC抗噪能力强且为数字量传输但速度低一般DVM、DMM中，常用双积分式ADC

输入电压矩形波VCO频率测量第27页

2.3.4电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表1．电流、电压、阻抗变换技术

AC/DC变换：将交流电压变换得到直流的峰值、平均值和有效值。I/V变换：基于欧姆定律，将被测电流通过一个已知的取样电阻，测量取样电阻两端的电压，即可得到被测电流。为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。如图，假如变换后采用的电压量程为200mV，则通过量程开关选择取样电阻分别为1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω、0.1Ω，便可测量200μA、2mA、20mA、200mA、2A的满量程电流。

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1．电流、电压、阻抗变换技术Z/V变换

对于纯电阻，可用一个恒流源流过被测电阻，测量被测电阻两端的电压，即可得到被测电阻阻值。而对于电感、电容参数的测量，则需采用交流参考电压，并将实部和虚部分离后分别测量得到。电阻-电压（R/V）变换原理图。a.实现R/V变换的简单原理b.通过运放实现比例测量的R/V变换为了实现不同量程电阻的测量，要求恒流源可调。图a对于大电阻的测量不利，因为要求的恒流源电流Ir很小，对测量精度影响较大。图b中，将被测电阻作为反馈电阻，将恒流源输出Ir流过一个已知的精密电阻，从而得到参考电压Vr第30页

2．数字多用表数字多用表的使用二端法和四端法测电阻。如下图（图中Rl1、Rl2、Rl3、Rl4为等效导线电阻和接触电阻）。

a.二端法 b.四端法图a中，实际测量得到的电阻值为Rx+Rl1+Rl2（即包含了引线电阻和接触电阻），使测量值偏大。只有当测量大电阻时)Rl1和Rl2才可忽略。图b中，由于(Rin为DMM输入电阻)，Rl3和Rl4上基本上无电流流过（线上无压降），所测电压为Rx两端的电压。第31页

2．数字多用表实际产品

Agilent3458A：

8位半DMM。

主要技术指标：Math/statistics； ◆20kBmemory；Self-adjustingautocalibration； ◆dcVolts；100mVto1000Vranges； ◆10nVsensitivity0.05ppmtransferaccuracy； ◆acVolts；10mVto1000Vranges； ◆Ohms；Analog,randomandsubsampledmodes；

◆0.002ppmtransferaccuracy◆10Ohmsto1GOhmranges； ◆2-and4-wirewithoffsetcompensation第32页

3．自动校准、自动量程技术

1）DVM的误差分析

DVM的整体误差包括固有误差和附加误差。（需误差合成）。固有误差表示在一定测量条件下DVM本身所固有的误差，它反映了DVM的性能指标。附加误差指测量环境的变化（如温度漂移）和测量条件（如被测电压的等效信号源内阻）所引起的测量误差。固有误差或式中，和或n字分别为读数误差和满度误差。读数误差与被测电压大小有关，它包括转换误差（或称为刻度误差）和非线性误差；满度误差与被测电压大小无关，主要由系统漂移引起。附加误差由DVM输入阻抗、输入零电流及温度漂移等引起。第3