第7章电压测量-7-3

第7章．电压测量7.1电压测量概述

7.2模拟式直流电压表

7.3交流电压的表征和测量方法√7.4低频交流电压测量√7.5高频交流电压测量√7.6脉冲电压测量7.7电压的数字式测量√1.超量程能力7.7.6DVM的其他技术指标

DVM的量程以基本量程(即A/D变换器的电压范围)为基础，通过步进分压器或前置放大器向高、低两端扩展。基本量程通常为1V或10V，也有2V或5V。

DVM的位数是指能显示0～9十个数码的位数。通常术语中，3位、4位或5位(三位半、四位半、五位半)中的1/2位指最高位只能取“1”或“0”。1/2位和基本量程结合起来，能说明DVM有无超量程能力。

如某3位DVM的基本量程为1V，那么该DVM具有超量程能力，因为在1V挡上它的最大显示为1.999V。

对于基本量程为2V的DVM，它就不具备超量程能力，因为它在2V挡上的最大显示仍是1.999V。

如果DVM有超量程能力，那么当被测电压超过该量程满度值时，所得结果没有降低精度和分辨力。例如，被测电压为13.04V如果所用三位DVM无超量程能力，则必须使用100V量程挡，显示13.0V。如果DVM有超量程能力(实际上为三位半DVM)，则仍可使用10V挡测量，显示结果为13.04V。显然，后者没有降低测量精度和分辨力。

2.抗干扰能力由于DVM的灵敏度很高，因而对外部干扰的抑制能力就成为保证它的高精度测量能力的重要因素。外部干扰可分为串模干扰和共模干扰两种。1)串模干扰

串模干扰是指干扰电压usm以串联形式与被测电压Ux叠加后加到DVM输入端，见图7.7-14。图(a)表示串模干扰来自被测信号源内部，图(b)表示串模干扰是由于测量引线受外界电磁场感应所引起的。图7.7-14串模干扰示意图

通常用串模干扰抑制比SMR来表示DVM对串模干扰的抑制能力。SMR定义为SMR(dB)=20lg(7.7-18)式中，Usmp表示串模干扰电压峰值；ΔUsm表示由串模干扰usm所引起的测量误差。SMR值愈大，表示DVM抗串模干扰能力愈强。一般DVM的SMR值为20～60dB。PZ8直流DVM对50Hz交流干扰的串模抑制比SMR≥20dB。DS26直流DVM对50Hz干扰的串模抑制比SMR≥40dB。

设串模干扰源为正弦波：usm(t)=Usmpsinωt=Usmpsin(7.7-19)式中，Tsm为正弦型串模干扰的周期。对于积分型DVM而言，由于积分过程就是取平均值的过程，因此对于正弦型串模干扰的抑制能力很强。积分型DVM的串模干扰抑制比为(7.7-20)T1为积分式A/D的取样周期。T1值越大，SMR值越高；相反，Tsm值越大，即干扰信号频率越低，SMR值越小。

因此串模干扰的危害主要在低频，实际测量中主要是50Hz工频，其周期Tsm=20ms。若令取样周期即积分时间T1为20ms的整数倍，则SMR值将趋于无穷大，即串模干扰得到完全抑制。T1一般取60ms或80ms。很难保证T1始终是Tsm的整数倍，所以为使SMR尽可能高，T1应尽量大一些，但这将降低测量速度。

2)共模干扰

Z1、Z2是DVM两个输入端与机壳间的绝缘阻抗，一般Z1>>Z2;

R1、R2是测量引线的电阻。

当被测信号源地端与DVM机壳间存在电位差时，这个电位差就相当于一个干扰源Ucm。Ucm将串入两根信号引线，由于(R1+Z1)不等于(R2+Z2)，

因此Ucm的作用等效于信号通道中的串联干扰源，对测量结果发生影响，如图7.7-14中Usm的作用。图7.7-15共模干扰示意图

如果(R1+Z1)=(R2+Z2)，则尽管有Ucm存在，等效的Usm也等于零，不会影响测量结果。因此将Ucm与Usm的比值定义为DVM的共模抑制比：CMR(dB)=20lg(7.7-21)式中，Ucmp和Usmp分别为共模干扰的峰值和它等效的串模干扰的峰值。

一般Z1>>Z2，故可忽略图7.7-15中I1的影响，所以有

Usmp≈R2I2≈R2·即CMR(dB)≈20lg(7.7-22)由式(7.7-22)可知，当R2一定时，尽量增大|Z2|，可以增大CMR。通常DVM中将A/D浮置并采取多层屏蔽措施就是为了这一目的。7.7.7电流、电压、阻抗变换技术

及数字多用表7.7.7.1.电流、电压、阻抗变换技术AC/DC变换将交流电压变换（检波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。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。如下图。7.7.7.1电流、电压、阻抗变换技术如图，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。Z/V变换同样基于欧姆定律。7.7.7.1电流、电压、阻抗变换技术对于纯电阻，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变换如图a，直接通过恒流源Ir流过被测电阻Rx，并对Rx两端的电压放大后送入A/D转换器。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 如图，放大器输出,于是如果将Vo作为A/D转换器的输入，并将Vr直接作为A/D转换器的参考电压，即可实现比例测量。7.7.7.1电流、电压、阻抗变换技术7.7.7.2数字多用表组成框图数字多用表（DMM）的主要特点DVM的功能扩展。DMM可进行直流电压、交流电压、电流、阻抗等测量。测量分辨力和精度有低、中、高三个档级，位数3位半~8位半。数字多用表（DMM）的主要特点一般内置有微处理器。可实现开机自检、自动校准、自动量程选择，以及测量数据的处理（求平均、均方根值）等自动测量功能。一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于组成自动测试系统。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）。7.7.7.2数字多用表

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

(即测量大电阻时)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。7.7.7.2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；10m