第3章模拟测量

1、第3章模拟测量，3.1电压测量，3.2分贝测量，3.3频率模拟测量，3.4阻抗模拟测量，3.1.1概述1。电压测量的意义在集总参数电路中，电压、电流和功率是表征电信号能量的三个基本参数，而电流和功率通常通过电压间接测量。此外，电子电路和电子设备的各种工作状态和特性可以用电压来表示。2.电压测量的特点1)宽频率范围交流电压的频率可以从10-6Hz(甚至更低)到109Hz除外)测量。2)宽测量范围可测量的电压范围非常宽，弱信号低至纳伏(10-9V)，超高压信号高达数百千伏。3)电压波形多样化交流电压波形多种多样，包括畸变正弦波和各种非正弦波，如矩形波、脉冲波、三角形交叉、斜坡电压和各种调制波形。4

2、)要求有足够高的输入阻抗。由于仪器输入阻抗的存在会对测量结果产生影响，因此要求仪器具有足够高的输入阻抗。5)要求足够高的测量精度。目前，DC电压的测量精度可达10-9，交流电压的测量精度可达10-5。6)要求高测量速度；7)要求高抗干扰性能；3) DC电压标准包括：标准电池(物理标准，10-6)、齐纳二极管电压标准(固体标准，10-6)和约瑟夫森量子电压标准(量子化自然标准，10-10)。4.电压测量仪器的分类1)根据频率范围，可分为DC电压测量和交流电压测量。2)根据被测信号的特点，分为脉冲电压测量、均方根电压测量等。3)根据测量技术，可分为模拟和数字两大类3 . 1 . 2 DC电压的模拟

3、测量DC电子电压表一般由磁电式表头、电压跟随器和DC电压放大器组成。在电子电压表中，通常采用高输入阻抗的场效应管源极跟随器或真空三极管阴极跟随器来提高电压表的输入阻抗，其次是放大器来提高电压表的灵敏度。在使用直流放大器的电子电压表中，直流放大器的零点漂移限制了电压表灵敏度的提高。因此，在电子电压表中经常用调制放大器代替直流放大器来抑制漂移，使电子电压表能够测量微伏电压。调制直流放大器的原理是将微弱的DC电压信号经调制器(也称斩波器)转换成交流信号，再经交流放大器放大，经解调器(幅度已放大)还原成DC信号。3.1.3交流电压的模拟测量1。交流电压的表征(1)在一个周期内偏离零电平的峰值周期交流电

4、压u(t)的最大值称为峰值，其表示为。(2)平均值的数学定义是：(3-4)，根据这一定义，它本质上是周期电压的DC分量(3)有效值如果一个纯电阻负载在一个周期T内产生的热量等于一个DC电压在同一负载上产生的热量，那么DC电压的值代表交流电压的有效值。DC电压和交流电压之间的数学关系是(3-6)，有效值是数学上的均方根值，所以电压有效值可以写成。除特殊情况外，各种电压表的指示值都是根据正弦波的有效值来确定的。(4)波形因数和波峰因数交流电压的波形因数定义为其有效值与平均值的比值，用、(3-7)表示。交流电压的波峰因数定义为其峰值与有效值的比值，用、2表示。平均电压表为了提高交流电压表的测量灵敏度

5、，先将被测电压放大，然后用平均值检测，再用DC表显示。一般来说，频率范围是20赫兹和10兆赫，所以这种电压表也称为“视频毫伏表”，主要用于低频和视频场合。(3-8)、(1)平均电压表的组成平均电压表由阻抗变换器、可变范围衰减器、宽带放大器、平均检波器和微安计组成。(2)平均检波器原理检波器电路输出的DC电压与输入交流电压绝对值的平均值成正比。这个电路被称为平均检波器。(3)波形转换由于电压表的刻度盘由正弦波的有效值校准，平均检波器的输出(即流过电流表的电流)与被测信号电压的平均值成线性关系，所以只有当被测信号为正弦波时，电压表示值才是被测电压的有效值。如果被测信号不是正弦信号，则指示值没有直接

6、意义，仅乘以0.9为被测信号的平均值。例3-1正弦波、三角波和方波用全波整流器平均电压表测量。如果电压值都是10V，那么测量电压的有效值是多少？解决方法：对于正弦波，由于电压表是根据其有效值校准的，所以电压表的指示值就是正弦波的有效值，也就是说，对于非正弦波，指示值转换成被测电压的平均值、对于三角波，其波形系数，所以三角波电压的有效值、对于方波，其波形系数，所以方波电压的有效值、3。有效值电压表电压有效值的定义：为了得到均方根。这种转换器主要包括热电偶转换型和模拟计算型。(1)利用热电偶有效值检测的热电偶温度测量原理：如果冷端温度是一个恒定的参考温度，热端温度(测得的温度点)可以通过热电势获得

7、。热电偶有效值检测的原理是热电偶的热端被测量的交流电压加热，产生的热电势将反映交流电压的有效值，从而实现有效值检测。(3-13)，DA-24热电偶有效值电压表的最小范围为1mV，最大范围为300V，频率范围为10HzlOMHz，精度为1.5，线性标度和小波形误差。其主要缺点是热惯性和容易过载，使用时应注意。(2)采用模拟运算的集成电路检测利用模拟运算电路实现电压有效值的测量，即利用集成乘法器、积分器和平方器实现电压有效值的测量。均方根电压表在理论上没有波形误差，因此也被称为真均方根电压表。4.峰值伏特计(1)峰值伏特计的组成峰值伏特计是一种检测放大电子伏特计，也称为超高频毫伏表。它由峰值检波器

8、、分压器、直流放大器和微安计组成。(2)峰值检测器峰值检测器是指输出DC电压与输入交流信号峰值成比例的检测器。共有三种常见的峰值检测器：串联检测器、并联检测器和倍压检测器。(3)波形转换的峰值表类似于平均值表，也是根据正弦波的有效值进行校准的。只有当被测信号为正弦波时，电压表示值才是被测电压的有效值。如果被测信号是非正弦信号，则该指示没有直接意义，只有乘积是被测信号的峰值。3.2.1数学定义1的测量。功率比的对数功率和的比值，用分贝表示，即2。电压比的对数用分贝表示电压比时，有：取两边的对数，可以得到：分贝、3。绝对电平(1)功率电平dBm取参考功率P0=1mW作为零功率电平(0dBm)，那么

9、PX的功率电平定义如下：(3-21)(2)DBv的电压电平取参考U0=0.775V作为零电压电平(0dBV)，那么Px的电压电平定义为：(3-22)由于600电阻吸收1mW的功率，两端的电压仅为0.5V。如果输入电阻Zi不是标准电阻600，则应增加修正项：(3-23) 4。音量单位(VU)音量单位零电平(0VU)定义为在600阻抗时吸收的功率1mW。因此，当在600阻抗下吸收的功率为PxmW时，那么：(3-24) 3.2.2分贝的测量值实际上是交流电压的测量值，但是刻度盘是以分贝为单位刻度的。一般来说，它以参考电压(0.775伏)作为零电平，称为电压电平分贝。当被测点的负载为600时，功率电平

10、和电压电平相等，因此电平通常在表头上共享一个刻度。3.3频率的模拟测量3.3.1直接法1电桥法频率测量电桥法频率测量是利用电桥平衡条件与被测信号频率相关的特性。以常见的维恩电桥电路为例：图3-13维恩电桥原理电路，PA是一个指示电桥平衡的电流计，电桥的复平衡条件是(3-26)、(3-27)和(3-28)，、对于不同的情况，调节R(或C)使电桥法测频的精度取决于电桥中各元件的精度、电桥平衡的精度(电流计的灵敏度和人眼的观察误差)以及被测信号的频谱纯度。其频率测量精度约为(0.51)。在高频时，由于寄生参数的严重影响，测量精度会大大降低，因此这种电桥方法只适用于10千赫以下的音频范围。2谐振法测频

11、利用电感、电容和电阻串联和并联谐振电路的谐振特性实现测频。a)串联谐振电路b)并联谐振电路图3-14谐振频率测量原理电路图，如图3-14a所示，当频率等于被测信号时，串联谐振电路谐振。此时，串联回路中的电流表将显示最大值。此时，(3-30)，类似地，在图3-14b的并联谐振电路中，当频率等于测量信号时，电路将谐振。此时，连接到回路两端的电压表将显示最大值。这时，(3-31)图3-14a中回路中电流频率和频率之间的关系。a)串联谐振电路的谐振曲线b)并联谐振电路的谐振曲线图3-15谐振电路的谐振曲线。将测得的频率信号接入电路后，调节C(或L)使电流表或电压表的指示最大，表示电路达到谐振。谐振法测

12、频的误差约为(0.251)，因此常被用作一些仪器的频率粗测或辅助测频元件。3频率-电压转换方法以正弦波频率的测量为例，脉冲形成电路将正弦信号转换成相同频率的锐脉冲，然后将其应用到单稳态电路中，产生具有频率、宽度和幅度的矩形脉冲序列，如图3-16b所示。电压的平均值，即DC分量，等于(3-33)，它与何时以及何时是常数成正比。经低通滤波器滤波后的交流分量由DC电压表测量，刻度盘对频率的直接刻度经过校准，使DC电压表的指示变成一个F-U转换直读频率计。图3-16频率-电压转换法测量频率、3.3.2比较法通过比较标准频率和测量频率来测量频率。这种测量方法的精度相对较高。数学模型是(3-34)，其中n

13、是一个精确的常数。比较法测频的精度主要取决于标准频率的精度。拍频法、差频法、示波法和计数法是这种测量方法的典型例子。1拍频法拍频法是将被测信号和标准信号叠加在线性元件(如耳机、电压表或示波器等)上。)来测量频率。如果两个频率都在音频范围内，当标准频率与测量频率相差很大时，耳机可以听到两种不同的音调；当逐渐接近并且两个信号之间的差为几赫兹时，两个信号之间的音调(频率)差不能被区分，并且只能听到响度(振幅)周期性变化的单个音调信号。此时，测量信号的频率等于标准信号的频率。2外差法外差法，也称差频法，是将待测信号和本振信号加到非线性元件中进行混频、滤波和低放大，最后用耳机或电压表判断待测信号的频率。

14、待测频率信号和本振频率信号通过混频器后，除了原始信号频率和成分外，输出信号还将具有其谐波和组合频率，其中m和n为整数。然而，当调整本地振荡器频率时，可能存在一些使差频为零的N和M值，即，因此，为了判断等式(3-35)的存在，通过低通滤波网络在混合后选择测量频率(3-35)的差频分量，并将其发送到耳机、电压表或电眼进行检测。差频法测频的误差可优于10-5个数量级。3.4阻抗的模拟测量3.4.1概述1。阻抗的定义和表示在集总参数系统中，表示能量损失的参数是电阻元件，而表示储能及其变化的参数是电感元件和电容元件。在(3-37)中，R和X分别是复阻抗的实部(电阻分量)和虚部(电抗分量)，以及复阻抗的绝

15、对值(模数)和相角。阻抗的两种坐标形式之间的转换关系是和。2.电阻器、电感器和电容器的电路模型。电阻、电容和电感等实际元件不可能是理想的，并且存在寄生电容、寄生电感和损耗。也就是说，实际的电阻、电感和电容元件包含三个参数：电阻、电感和电容。表3-2给出了考虑各种因素时电阻、电容和电感的等效电路模型。其中、和都表示等效的分布参数。表3-2电阻、电容和电感的等效电路模型3.4.2阻抗的模拟测量测量阻抗参数常用的方法有伏安法、电桥法和谐振法。1.伏安法，又称电压-电流法，是用电压表和电流表分别测量元件的电压和电流值，从而计算出元件的值。低频时，如果被测元件是电阻，其电阻为：(3-38)如果被测元件是电感，则为(3-39)如果被测元件是电容，则为(3-40)，伏安法的特点是有可测量的接地装置，适用于探针测试，使用方便。工