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文档简介

1、上海师范大学 电子工程系,3.1 电压测量概述 一、电压测量特点 频率覆盖范围广 电压变化幅度大 采用数字化测量方法可提高测量准确度 要求高输入阻抗 采取必要措施提高抗干扰能力 测量时须考虑电压波形的多样性,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,二、电压测量仪器分类 可以有不同的分类方法,如按测量范围分,按测量频率分。 电子电压表分为:模拟式和数字式 模拟式电压表以指针式表头作指示器。 数字式电压表采用数字量和模拟量相互转换的方法,将模拟电压转换成数字量进行测量。结果也通常用数字显示直接表示。,上海师范大学 电子工程系,3.2.1 交流电压的表征 平均值 全波均

2、值: 半波均值:,第三章 模拟测量方法,3.2 交流电压的测量,上海师范大学 电子工程系,有效值 物理定义:若交流电压与一直流电压作用在同一电阻上在同样时间内产生相同热量,则交流电压的有效值即等于该直流电压值。 数学表达式: 由上式可见,有效值亦称为方均根值,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,峰值 指交流电压在一个周期内能够达到的最大值。,正峰值,负峰值,一个特殊例子:正弦波的幅值与其峰值相等,且正峰值与负峰值也大小相等。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,均值、有效值、峰值以不同的表征方式,都可用来表示交流电压的大小。 对于一种特定的电压波形,均值、有效值、峰值间

3、存在一定的关系,可以用波形因数和波峰因数描述其间的关系。 波形因数: 波峰因数:,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,3.2.2 交流电压的测量方法,电压的基准是标准电池电动势给出的直流电压,因此对交流电压的测量必须先将交流电压转化成相应的直流电压后才与基准电压比较得出测量结果。 将交流电压转化为直流电压的过程称检波。按检波结果的不同,分为峰值检波、均值检波和有效值检波。,上海师范大学 电子工程系,3.2.3 平均值电压的测量 1、均值检波器 原理:交流电压经检波 二极管后,形成单向脉 动电流。在电容C 滤去 交流分量后,其平均电 流流过表头。,第三章 模拟测

4、量方法,上海师范大学 电子工程系,上式表示,表头指示结果,即检波输出正比于被测交流电压均值,实现均值检波。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,均值检波器特性 灵敏度:定义为 对于全波均值检波器可得: 输入电阻: 不仅较小,且与灵敏度相互制约。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,均值检波电压表的组成,阻抗 变换器,可变量程 衰减器,宽带 放大器,均值 检波器,为提高电压表的输入阻抗等特性指标,采用了先放大后检波的结构形式。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,刻度特性 若电压表采用均值检波器,但表头读数以正弦波有效值进行刻度,则需对其读数进行定度。 定度时

5、,利用标准正弦波确定定度系数:,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,波形响应(波形误差) 用均值电压表测非正弦电压时,从表头获得的读数通常不是被测电压的有效值,也非均值。要对表头读数进行修正,以获得正确的电压数值表示结果。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,例 用平均值表(全波式)分别测量方波及三角波电压,电压表均指在10V位置,问被测电压的有效值分别是多少? 解:对于方波,先将示值(10V)折算成正弦波的 平均值,再用波形系数换算成有效值。,对于三角波,因示值与方波相同,表明它的平均值 也是9V,有效值,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测

6、量方法,测量失真正弦波的波形误差 失真正弦波含谐波成分,用均值检波电压表测量时的波形误差与失真正弦波中所包含谐波的频率、幅度、相位均有关。 分析表明,失真正弦波中包含奇次谐波时会引起更大的波形误差。因此对含丰富谐波的失真正弦波应谨慎使用均值电压表进行测量。,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,平均值检波器的波形误差曲线,上海师范大学 电子工程系,3.2.4 有效值检波电压表 有效值检波: 在有效值电压表中使用的有效值检波器一般可以采用平方率或计算式检波。 计算式检波:,乘法器,积分器,ui,U,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,上海师范大学 电子工程系,用单片集成电路

7、AD536设计有效值检波电压表,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,平方率检波,利用二极管伏安特性曲线非线性部分的近似平方率特性进行检波,图中电流表显示的将是流过检波二极管的平均电流。在去除二极管的偏置电压作用后,电流表的指示即与被测交流电压的有效值呈平方率关系。,上海师范大学 电子工程系,热电偶检波原理:,康铜,铁,电热丝,热端,冷端,ux,E,当冷热两端出现温差时,因两种金属电子逸出功的不同会在两个冷端间形成温差电动势E。 电热丝产生热量:QU2x 冷、热端温差:T Q 温差电动势:E T,所以:E U2x,为平方率检波特性。,第三章 模拟测量方法,上海师

8、范大学 电子工程系,热电偶线性检波原理:,宽带 放大器,ux,KUx,Uo,V,Uo,Ea,Eb,E,平衡时:,所以输出:,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,有效值检波电压表测量误差分析 动态范围的限制 对波峰系数过大的信号,会产生削波作用。 放大器带宽的限制 对谐波成分丰富的信号,会使高次谐波损失,造成测量误差。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,3.2.5 峰值电压的测量 峰值检波器 工作原理:交流电压的正半周, 二极管导通,电容被快速充电。 交流电压的负半周,二极管经电阻R放电,但放电时间常数大,端电压下降速度慢,其端电压作为峰值检波器的输出。在电阻R很大时,

9、可认为其该电压基本维持在其最大值,即被测交流电压峰值的附近。完成峰值检波。,ui,C,R,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,上海师范大学 电子工程系,上海师范大学 电子工程系,峰值检波器的特性 输入电阻高、高频特性好 峰值检波电压表的结构 峰值电压表通常采用先检波后放大的结构形式。其优点是输入阻抗较高,适合于测量高频信号,常称作高频毫伏表。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,刻度特性 若电压表采用峰值检波器,但表头读数以正弦波有效值进行刻度,则需对其读数进行定度。 定度时,利用标准正弦波确定定度系数: 若峰值表读数为: 被测电压峰值为: 则峰值表的定度系数:,第三章

10、 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,波形响应 用峰值电压表测非正弦电压时,从表头获得的读数通常不是被测电压的有效值,也非均值。要对表头读数进行修正,以获得正确的电压数值表示结果。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,其它测量误差分析 理论误差 峰值检波器利用了电容的充放电特性来保持被测电压的峰值,由于电容的放电使电容的端电压不能始终保持为被测电压的峰值,由此产生测量误差。其相对误差可表示为:,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,频率误差 在被测电压的频率较低时,电容放电的时间相对较长,因此电容端电压也下降较多,与被测电压的峰值差异也越大,造成

11、较大的误差。因此峰值检波电压表并不适宜于测量低频电压。该项误差可表示为:,一些峰值检波电压表也常称作高频毫伏表,上海师范大学 电子工程系,练习与思考: 三块电压表A、B、C,分别测量同一个三角波电压,得到的读数分别为: 、 、 。且有 。已知这三块表都采用正弦波有效值刻度面板,但分别使用了不同的检波器。试问这三块表各用的什么检波器。,第三章 模拟测量方法,分析:同一被测电压,有效值U一定。用有效值检波电压表测,结果为U;用均值检波电压表测,读数为1.11U/KF;用峰值检波电压表测,读数为 所以:A、B、C应分别用了峰值、有效值、均值检波,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,3.2

12、.6 脉冲电压的测量 脉冲电压测量原理 脉冲电压测量的目标主要指脉冲的幅值。由于脉冲电压的占空比较小时,使用一般的峰值检波电压表测量会产生较大的误差。因此要对测量电压表做能满足测量要求的特殊改变。 如:尽可能提高检波器负载电阻的阻值,以延缓电容的放电速度,使其端电压能基本保持为被测脉冲电压的幅值。,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,高压脉冲幅值的测量 由于高压脉冲的幅度可高至万伏,因此测量中对检波器件的选择、分压方法的选择及对表头采取的保护措施等都要作特殊的考虑。,对单脉冲电压的测量中,除采样电容外,还需增加保持电容以尽量保持采样结果在测量过程中能不发生变化。,上海师范大学 电子

13、工程系,第三章 模拟测量方法,上图电路中A2作为输出缓冲隔离了CH和负载,因此可使CH保持被测电压峰值。该电路也适合于单脉冲的测量。但应有放电开关泄放电荷以便下次测量。,上海师范大学 电子工程系,尖脉冲峰值电压的测量 尖脉冲峰值电压的特点是:脉宽窄、电压峰值可能较高、出现常有随机性等。 对测量电路要求能快速采样、对采样结果有保持能力。除此以外,若能适应不同频度的采样要求则更好。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,用示波器测量脉冲电压是较简便易行的方法,应用也较为普遍,但须注意:,测量脉冲幅度时宜用交流耦合方式,并注意示波器的触发极性与被测脉冲的极性间的对应关

14、系,观测方波信号时应选用频带较宽的示波器尤其对重复频率较高的方波信号,示波器频带过窄会使显示方波出现失真。,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,脉冲信号源和示波器与测试电缆的终端应做到阻抗匹配,如果传输线终端阻抗不能匹配,则在连接处将形成反射,造成测量误差。,上海师范大学 电子工程系,3.3 噪声电压的测量 1、噪声测量的目的及噪声特性,第三章 模拟测量方法,电子系统中噪声的来源主要是热噪声、也包括散粒噪声、闪烁噪声等。 当电子系统内正常信号的电平很小时,它们就会受到噪声电压的干扰,从而影响其检测、传输和处理等。如在生物信号源测量中,心肌细胞膜电流在皮安(pA)级,脑电图测量电平在

15、微伏(V)级。因此必须对系统的噪声电压进行测量和估计。,上海师范大学 电子工程系,电子系统中最常见的是高斯白噪声,其特点为: 概率分布为正态分布: 功率谱密度在较宽频率 范围内为均匀,即:高 斯噪声有广谱的特点,第三章 模拟测量方法,所谓噪声电压系指其瞬时值为一种无规则变化状态:,t,v,(v),v,0,v,f,p,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,2、噪声的测量 针对噪声电压的上述特点,测量时较适宜用有效值电压表进行测量。但选用的电压表要有足够的带宽。 由于有效值电压表通常价格数倍于均值表,因此采用均值电压表进行测量也是常采用的方法,但必须对测量中的波形误差进行修正。,上海师范

16、大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,用均值表测得读数为 时,实际高斯噪声电压的有效值为:,高斯噪声波形因数为:,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,3、对器件和放大电路噪声的测量方法 对器件和放大电路噪声的合理描述方法是采用等效输入噪声电压的表示方式。即将所有内部噪声折算为输入端噪声电压,把实际的器件或放大电路以理想无噪声的器件或放大电路加等效输入噪声电压的模型来表示。 Uni=Uno/Au,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,测量的方法有正弦信号法和噪声发生器法。 测量中对微弱的噪声需要使用线性噪声放大器,应注意其要具有低噪声和宽带的特性。,正弦信号法: 给被测电

17、路以明显大于噪声的正弦信号,以测量电路的传输系数。再测量电路在输入端短路时(无激励信号)的输出噪声,求得等效输入噪声电压。,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,噪声发生器法 此时应选用标准噪声发生器,首先测量无激励信号时被测电路的噪声输出Uno1,接入标准噪声发生器作输入信号源,测量此时被测电路输出总噪声电压no2。若能使 ,则被测电路等效输入噪声电压ni即为此时噪声发生器的输出电压ns。,思考:以上两种方法,仅从测量原理来看,哪种测量方法精度更高?,上海师范大学 电子工程系,信噪比的测量 SNR=Ps/Pn 或 SNR=(Us/Un)2 具体测量步骤按以下两步进行: 输入适当的激

18、励正弦信号,用选频电压表测量信号电压Us 。 关闭激励信号,用有效值电压表测量噪声电压Un,由此求出SNR。,第三章 模拟测量方法,思考:在以上两个步骤中,为何选择不同电压表?,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,噪声测量的注意事项: 噪声测量带宽准则:4KTB,测量电压表带宽过窄会使测得误差电压偏小,应选3dB带宽为被测系统噪声带宽的810倍。 均值电压表测量的波形误差修正 测量时间对测量精度的影响:测量过程实为平均过程,对宽带噪声测量时间可短,对窄带噪声则长。 电压表对波峰因数的限制:噪声电压KP可能较大,为避免削波,可使读数在满度中间,留出动态空间,上海师范大学 电子工程系,

19、第三章 模拟测量方法,4、噪声参数的测量 噪声带宽的测量 等效噪声带宽对噪声功率的计算有重要意义,测量方法也有正弦信号法与噪声发生器法两种。 正弦信号法实际为测量被测放大器的幅频特性曲线,通过测量输入激励正弦信号和输出响应信号确定传输系数之平方随频率变化的关系,由此求得噪声带宽。,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,噪声系数的测量 噪声系数 电路的内部噪声可引起其输出端信噪比的下降,其程度即由噪声系数加以说明。对放大器而言,利用噪声系数可说明其极限灵敏度。 利用噪声发生器进行测量的方法: 采用饱和真空二极管作噪声发生器,其噪声功率正比于二极管饱和电流Is,测量过程分两步进行.,上海

20、师范大学 电子工程系,首先,测量在关闭噪声发生器时被测电路的输出噪声功率Po,也就是输出噪声功率Pno。 其次,调节噪声发生器电流Is,使被测电路输出功率为2 Pno ,则有Pno = Pso 。此时,由噪声发生器饱和电流即可求得噪声系数F。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,集成运放噪声参数测量的方法和要点: 电压噪声和电流噪声测量电路有所不同,运放的连接均采用高增益反相比例运算形式,但等效信号源电阻则分别为低电阻和高电阻。 测试条件应与运放使用手册给定的工作条件一致,具体方法是在输出端配以合适的滤波器。 对于因输入电压失衡引起直流分量产生的影响,采用交流耦合的方式予以消除。

21、采用屏蔽测量电路的措施来防止干扰。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,3.4 分贝测量 1、分贝的概念 在进行功率、电压的测量时,两个量的相对大小可以用分贝表示,如:,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,在对以上两式中的Po 、 Uo赋予约定的确切数值后,分贝也就具有了绝对意义,称为绝对电平。 通常: Po =1mw Uo=0.775v 对应基准阻抗为:Zo=600,在此阻抗上测量,功率电平和电压电平有同样的分贝值。当在其它阻抗上进行测量时,则必须进行换算。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,2、分贝的测量 分贝测量的实质是电压测量,功率电平的测量也是通

22、过在已知阻抗上进行电压测量而获得的。 在工程应用领域,电平测量用的比较广泛。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,3、分贝的读出 电平表表头以分贝刻度,在相应于0.775v处刻度0dB,大于0.775v的电压,测量读数分贝值为正,否则为负。 为扩大量程范围,在电平表中通常在输入通道加有输入衰减器,此时的测量结果应为:表头读数(dB)+衰减器衰减量(dB) 如:衰减量:8dB,表头读数:-3dB 则结果为:8+(-3)=5dB,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,3.5 失真度的测量 1、失真的分类和描述 信号失真分:频率失真、相位失真、非线性失真。 信号在非线性电路中产

23、生新的频率成分时称非线性失真,或谐波失真。失真度表示为:,或:,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,2、测量失真度的几种方法 基波抑制法:对单音信号的谐波失真进行测量,实际应用较多。 交互调制法:考虑了非线性系统中不同频率信号会产生谐波失真外,还产生交调失真的情况,与实际系统的工作状况较接近。 白噪声法:考虑了系统内各种频率成分的谐波失真和交调失真的情况,测量精度较高。,上海师范大学 电子工程系,3、测量失真度的基波抑制法,输入 电路,放大器,基波抑制电路,有效值 电压表,分别测出出现失真的电压有效值和抑制基波后的电压有效值(所有谐波的有效值),可求得失真度。,第三章 模拟测量方法,上海师范大学 电子工程系,第三章 模拟测量方法,4、陷波电路

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