3.1 电压测量概述

复习提问：任务2-3信号发生器测量实务项目3电压测量与仪器学习要点：了解交流电压的表征与电压表分类

了解交流电压表常见电路组成与基本分析

掌握常用交流电压表的结构、应用与误差分析

学会交流电压表的操作使用

任务3-1电压测量与仪器概述

任务3-2电压表组成与典型应用电路（重难点）任务3-3电压测量实务任务3电压测量与仪器任务3-1电压测量与仪器概述新课引入：思考与讨论日常电量监测我们如何知道手机电池还有多少电？这背后是如何测量的？家庭市电标准家里的市电是220V，这个数值是如何被精确测量出来的？设备故障诊断在电子设备维修中，如何通过测量电压来判断故障点？任务2-1信号发生器概述学习重点知识概要：电压测量基本要求掌握电压测量对频率范围、量程、输入阻抗、抗干扰能力、测量精确度以及被测波形种类的具体要求交流电压表征方法理解并掌握交流电压的平均值、峰值、有效值的定义和计算方法，深入理解波形因数和波峰因数的概念常用电压表分类与应用区分模拟式和数字式电压表，掌握放大-检波式、检波-放大式等模拟电压表的工作原理和适用场景【思政教学】

电压测量与仪器在中国的发展历程与辉煌成就一、发展历史：从萌芽探索到技术成熟的跨越（一）早期萌芽：电现象认知与测量思维启蒙中国对电现象的观察与探索可追溯至古代，为电压测量技术的萌芽埋下了伏笔。西汉时期，“琥珀拾芥”“玳瑁吸针”的记载，表明先民已直观感知到静电现象的吸引力特性，虽未形成“电压”的科学概念，却开启了对电特性的初步探索。唐代炼丹术发展过程中，“雷丸发火”等实验记录，反映出古人对电的能量释放现象有了进一步认知，为后世探索电的测量方法积累了感性经验。（二）稳步发展：自主研发体系的初步构建20世纪50-60年代，我国科研人员攻克了磁电系表头灵敏度提升、分压电阻精度控制等关键技术，成功研发出一系列指针式交流、直流电压表。【思政教学】

电压测量与仪器在中国的发展历程与辉煌成就（三）技术突破：数字化转型与精度跃升20世纪70-90年代，微电子技术、计算机技术的兴起，推动电压测量仪器进入数字化转型的关键阶段。我国科研人员紧跟国际技术潮流，全力攻克模数转换（ADC）、数字信号处理等核心技术，开启了高精度电压测量仪器的自主研发之路。二、伟大成就：引领全球电压测量技术潮流（一）高精度电压测量技术跻身国际顶尖水平中国计量科学研究院研发的约瑟夫森电压标准装置，基于约瑟夫森效应，电压测量精度达到10-11量级，成为国际电压基准的重要组成部分，为全球电压量值传递提供了精准保障。该装置的成功研发，使我国在电压计量领域拥有了国际话语权，打破了西方发达国家在高端计量仪器领域的长期垄断。【思政教学】

电压测量与仪器在中国的发展历程与辉煌成就（一）高精度电压测量技术跻身国际顶尖水平在高精度交流电压测量方面，我国研发的宽频带高精度交流电压表，测量频率范围覆盖1Hz-1MHz，电压测量精度达到±0.0005%，可满足航空航天、高端电子制造等领域对高精度交流电压测量的严苛需求。苏州泰思特电子科技股份有限公司生产的ATS-8000系列交流电压表，在测量精度、稳定性等关键指标上超越部分国际知名品牌，被广泛应用于我国空间站、嫦娥探月工程等重大国家级项目，彰显了中国高精度电压测量仪器的硬实力。（二）特种电压测量仪器填补领域空白针对新能源、量子科技、核工业等新兴领域和特殊场景的测量需求，我国研发了一系列专用电压测量仪器，展现出强大的技术适配能力。【思政教学】

电压测量与仪器在中国的发展历程与辉煌成就（三）智能化、集成化仪器引领行业变革（四）产业规模与国际竞争力持续领跑三、历史意义与世界贡献中国电压测量与仪器的发展历程，是一部从追赶到超越的奋斗史，更是世界电压测量技术发展的重要组成部分。如今，我国在高精度电压基准、特种测量仪器、智能集成装备等方面的成就，不仅为国内产业升级和科技进步提供了坚实支撑，更向世界输出了中国技术与中国方案。中国已成为全球电压测量与仪器领域的重要引领者，为世界科技进步与产业发展作出了不可替代的贡献。任务3-1电压测量与仪器概述3-1-1电压测量的基本特点与要求1.频率范围宽2.量程宽3.输入阻抗高等效为Ri//Ci是被测电路的额外负载。电压表应具有足够高的输入阻抗，即Ri应尽量大、Ci应尽量小。低频测量时，交流电压表的Ri、Ci一般为1MΩ、1～10pF，一般不考虑输入阻抗对被测电路的影响。在高频测量时，Ci的容抗将变小，Ri、Ci对被测电路的影响变大，一般要考虑输入阻抗的影响。影响不可忽略时，应对结果进行修正。3-1-1电压测量的基本特点与要求4.抗干扰能力强必要时，应采取一些抗干扰措施，如良好接地、使用短的测试线、进行屏蔽等。5.测量精确度高直流数字电压表一般可达10–4～10–7量级，交流电压表的测量精确度可达10–2～10–4量级。在测量精确度和分辨率要求不高时，可选用测量精确度在1%～3%左右的电压表。①满度值的百分数±β%Um：具有线性刻度的模拟式电压表②读数值的百分数±α%Ux：具有对数刻度的电压表③±α%Ux±β%Um：数字电压表3-1-1电压测量的基本特点与要求6.被测电压波形种类多不同类型电压表的适用对象和使用方法不同。应根据电压表的类型和电压波形来确定被测电压的大小。3-1-2交流电压的表征平均值、峰值、有效值以及波形因数、波峰因数1.平均值

、Uav或Mean是波形中的直流成分——>纯交流电压的平均值为零。交流电压的平均值特指交流电压经过全波均值检波（即全波整流）后波形的平均值3-1-2交流电压的表征2.峰值在一个周期内（或一段时间内）以零电平为参考基准的最大瞬时值振幅值Um以直流成分为参考的最大瞬时值对于双极性对称的纯交流电压：1Vp、10mVpk（或10mVp）和1Vpp（或1Vp-p）指的是电压峰值为1V、10mV和峰峰值为1V3-1-2交流电压的表征3.有效值U交流电压的大小通常是指它的有效值U（即均方根值RMS）1Vrms、10mVrms指的是电压有效值为1V、10mV4.波形因数KF5.波峰因数KP任务3-1电压测量与仪器概述3-1-3电压表分类按照指示方式的不同，电压表分为模拟式电压表和数字式电压表1.模拟式电压表即指针式电压表，一般用磁电式直流电流表（俗称表头）作为指示器。分为直流电压表、交流电压表直流电压表是构成交流电压表的基础，用于测量直流电压交流电压表用于测量交流电压任务3-1-3电压表分类1.模拟式电压表任务3-1-3电压表分类1.模拟式电压表任务3-1-3电压表分类1.模拟式电压表1）放大—检波式电压表因受交流放大器增益与带宽乘积为常数的限制，放大—检波式电压表的频率范围一般为20Hz～10MHz，灵敏度达毫伏级，多用于低频或视频电压测量。2）检波—放大式电压表任务3-1-3电压表分类2）检波—放大式电压表电压表的频率范围、输入阻抗和灵敏度主要取决于检波器（峰值检波器）为了扩展频率范围、提高输入阻抗，检波器中一般选用结电容小的超高频检波二极管和小体积电容器。为了提高灵敏度，应减小检波二极管的非线性影响，宜选用正向压降小、线性好的超高频检波二极管；为了减小各种分布参数对高频电压测量的影响，宜把检波器做成探头使其直接与被测电路连接。为了扩大电压量程，应选用反向击穿电压大的高频检波二极管任务3-1-3电压表分类2）检波—放大式电压表峰值检波器输入电容可小于1~2pF，表的频率范围可达数百兆赫甚至1GHz。但受到检波二极管非线性限制，灵敏度一般仅达毫伏级，多用于高频或超高频电压测量。为了使灵敏度不受直流放大器零点漂移的影响，一般利用调制式（即斩波式）直流放大器放大检波后的直流电压。调制式直流放大器先利用调制器（即斩波器）将直流电压变换成为固定频率（一般为50Hz）的交流电压，然后进行交流放大，最后利用均值检波器对放大后的交流电压进行检波使之输出直流电压任务3-1-3电压表分类2）检波—放大式电压表采用调制式直流放大器的检波—放大式电压表有时称为调制式电压表，其灵敏度可达几十微伏。【小提示】检波—放大式电压表中的检波器、分压器的位置可以调换。任务3-1-3电压表分类3）外差式电压表（选频电平表、测量接收机）因对固定频率电压进行放大，故中频交流放大器通频带可以很窄，亦即在高增益的同时可以有效减小干扰和噪声的影响，使表的灵敏度可以达到微伏级。表的频率范围取决于本振频率范围。只有当本振频率达到很高时，表的频率范围才能更宽。但本振频率越高，本振频率稳定性越差，对表本身产生干扰的影响越大，电路电磁兼容性越差，会降低电压表灵敏度，故该表一般为高频微伏表而不是超高频微伏表，频率范围一般为100kHz至数十兆赫兹，称为高频微伏表。任务3-1-3电压表分类3）外差式电压表（选频电平表、测量接收机）（电压表/电平表有区别）常用于测量频率范围宽、频率高而信号弱的电压，尤其适合测量受到干扰和噪声影响大的弱信号。若输入端配上小型环形天线，还可测量高频信号发生器等的泄漏和辐射，甚至还可作为无线电计量用的标准仪器。对比维度电压表电平表测量对象电信号的电压幅值（绝对值）电信号的功率/电压相对值（与基准值的比值）核心原理直接采样电压信号，通过整流、放大后显示数值先将信号与基准值比较，通过对数运算转换为电平值常用单位伏特（V）、毫伏（mV）、千伏（kV）分贝（dB），常用子单位如dBm（以1mW为基准）、dBu（以0.775V为基准）测量范围覆盖直流和交流信号，量程可从微伏到千伏主要用于交流信号，尤其适合测量微弱信号或宽动态范围信号读数特点线性刻度，读数直观反映电压大小对数刻度，便于表示信号的相对变化（如增益、衰减）典型应用电路调试、电源电压测量、电子设备维修通信系统测试、音频设备校准、射频信号强度测量任务3-1-3电压表分类附：热偶式电压表热偶式电压表是将被测电压加在电热丝上对热偶元件加热而产生热电势，再根据热电势与所加电压的函数关系测出被测电压。优点是测量结果与被测信号波形无关，是真有效值电压表，可以测量直流至上百MHz的交流信号。缺点是灵敏度低、输入电阻低、受环境温度影响大、个别表的刻度非线性。任务3-1-3电压表分类2.数字式电压表DVM课堂小结：任务3-1电压测量与仪器概述任务3-1电压测量概述课后思考题：交流电压的有效值、平均值、峰值之间的关系由什么参数决定？测量非正弦波电压时，为何推荐使用真有效值电压表？放大—检波式与检波—放大式电压表的核心结构差异是什么？分别适用于什么频率范围的电压测量？高频电压测量时，电压表的输入阻抗（Ri//Ci）为何会对测量结果产生显著影响？如何减小这种影响？电压表与电平表的核心测量对象和单位有何不同？外差式电压表的独特优势是什么，适合测量哪种场景的电压？任务3-1电压测量概述课后思考题参考答案：一、1.三者关系由波形的波形因数、波峰因数

决定。2.普通电压表按正弦波标定，测量非正弦波会产生较大误差；真有效值电压表按有效值定义测量，与波形无关，能准确测量任意波形的交流电压有效值。二、1.核心结构差异：①放大—检波式：先放大交流信号，后检波；②检波—放大式：先检波，后放大直流信号。2.适用频率：①放大—检波式：低频（音频段）；②检波—放大式：高频（射频段）。任务3-1电压测量概述课后思考题参考答案：三、1.影响原因：①高频下输入电容Ci的容抗急剧减小，电压表输入阻抗（Ri//Ci）与被测电路形成分流/分压，拉低被测点实际电压，造成测量值