电子测量技术基础 (第二版)西安电子科技大学出版社 第7章 电压测量.ppt

1、第7章 电压测量,7.1 概 述 7.2 模拟式直流电压测量 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 习 题 七,7.1 概 述,7.1.1 电压测量的重要性 1. 基础性： 电子测量中的一个基本内容，电压是表征电信号能量的三个基本参数（电压、电流、功率）之一。 2. 通用性： 电量的测量：电路的工作状态（谐振、平衡、截止、饱和以及工作点的动态范围等），通常都以电压形式表现出来。其它电参数( P I Q 等)视为电压派生量，通过电压测量获得其量值。 非电量的测量：利用各类传感器件装置，将非电参数转换成

2、电压参数。,3. 便捷性： 电压测量直接、方便，将电压表并接在被测电路上，只要电压表的输入阻抗足够大，就可以在几乎不对原电路工作状态有所影响的前提下获得较满意的测量结果。 与电流测量比较： 电流表要串接在被测支路中，很不方便； 电流表的接入改变了原来电路的工作状态，测得值不能真实地反映出原有情况。 电压测量是电子测量的基础，在电子电路和设备的测量调试中，电压测量是不可缺少的基本测量,7.1.2 电压测量的特点 1频率范围 广：频率范围相当广，10-6 Hz(甚至更低) 109Hz 异：频段不同，测量方法手段各异 2测量范围 待测电压：10-9V 几十伏、几百伏、上千伏 信号电压电平低：要求电压

3、表分辨力高，但又会受到干扰、内部噪声等的限制。 信号电压电平高：要考虑电压表输入级中加接分压网络，但又会降低电压表的输入阻抗。,3信号波形 正弦波、失真的正弦波、非正弦波 不同波形电压的测量方法及对测量准确度的影响不同 4被测电路的输出阻抗 Zi 为电压表输入阻抗（一般较大），Zo 为电路的输出阻抗（大小不一） Zo 值较高时，应考虑消除“负载效应”,图7.1-1电压表测量电压及其等效电路,5测量精度 被测电压的频率、波形等因素使测量的准确度有较大差异。 电压值的基准是直流标准电压 直流电压测量的精度较高：数字电压表测量精度 10-7（分布参数等的影响可忽略）。 交流电压测量精度要低得多： 一

4、般10-2 10-4 原因：交流电压 AC/DC 变换电路 直流电压 交流电压的频率和电压大小对 AC/DC 电路的特性有影响； 高频测量时分布参数的影响很难避免和准确估算。,6干扰 电压测量易受外界干扰影响。 信号电压较小时，干扰为影响测量精度的主要因素，使用的高灵敏度电压表（如数字式电压表、高频毫伏表等）要具有较高的抗干扰能力；测量时采取相应措施(正确的接线方式，必要的电磁屏蔽) 。,7.1.3 电压测量仪器的分类（各类电压表） 1按显示方式分类 万用表电压档： 50Hz（工频）和 几十KHz（要求不高的低频） 电子电压表：按显示方式不同，分为模拟式电子电压表和数字式电子电压表。 模拟式电

5、子电压表：以模拟式电表显示测量结果，准确度和分辨力较低。 优点：结构简单；价格便宜；频率范围宽；更适于用在不需要准确测量电压大小、只需要知道电压大小的范围或变化趋势的场合（零示器 或 谐振电路调谐时峰值、谷值的观测）, 数字式电子电压表：用数字显示器显示测量结果，准确度和分辨力较高。 优点： 测量准确度高 测量速度快 输入阻抗大（负载效应可以忽略） 过载能力强 抗干扰能力和分辨率优于模拟电压表 读数直观 便于扩展为自动化测试仪器或自动测试系统 缺点：频率范围弱于模拟式电压表,2模拟式电压表分类 （1）按测量功能分类 直流电压表 交流电压表 脉冲电压表：用于测量脉冲间隔很长（即占空系数很小）的脉

6、冲信号和单脉冲信号，一般情况下脉冲电压的测量已逐渐被示波器测量所取代。,（2）按工作频段分类 超低频电压表： 300MHz （3）按测量电压量级分类 电压表：主量程为 V（伏）量级 毫伏表：主量程为 mV（毫伏）量级 主量程：不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程。,（4）按电压测量准确度等级分类 分为：0.05 、0.1、0.2、0.5、10、1.5、2.5、5.0 和10.0 等级，其满度相对误差分别为 0.05、0.1、10.0。 （5）按刻度特性分类 分为：线性刻度、对数刻度、指数刻度、其他有特殊需要的非线性刻度。 模拟式电压表的技术指标约19项,3数字式电压表 按测量功能分为： 直

7、流数字电压表 交流数字电压表：AC/DC变换原理分： 峰值交流数字电压表 平均值交流数字电压表 有效值交流数字电压表 数字式电压表的技术指标较多（30项）,7.2 模拟式直流电压测量,7.2.1 动圈式电压表 1. 结构：虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为 Re ，满偏电流(或满度电流)为 Im ，若作为直流电压表，则其满度电压为：,图7.2-1直流电压表电路,(7.2-1),为了扩大量程，可串接若干个倍压电阻 R1、R2、R3。共有 U0、U1、U2、U3 四个电压量程， 三个倍压电阻分别为：,(7.2-2),图7.2-1直流电压表电路,2. 特点：量程一定时，表头越灵敏（ Im 越

8、小），内阻越大。 “每伏欧姆（/V）数”= 即：电压灵敏度,“/V”数越大：表明使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小。 “/V”数一般标明在磁电式(如万用表电压挡)电压表表盘上，可依据它推算出不同量程时电压表的内阻。,1/Im,图7.2-1直流电压表电路,3. 误差来源： 读数误差 表头本身和倍压电阻的准确度：一般1%，精密表为 0.1% 4. 动圈式的优点：结构简单、使用方便 缺点：灵敏度不高，输入电阻低，不如模拟式电子电 压表（“负载效应”不可忽略）,图7.2-1直流电压表电路,例1 在图7.2-2中，虚框内表示高输出电阻的被测电路，电压表 V 的“/V”读数为 20k/V，分别用 5V

9、量程和 25V 量程测量端电压 Ux ，分析输入电阻的影响及用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。 解：如果是理想情况，电压表内阻 Rv 应为无穷大，此时电压表示值 Ux ，与被测电压实际值 E0 相等：,图7.2-2测量高输出电阻电路的直流电压,当电压表输入电阻为 Rv 时，电压表测得值：,（7.2-3）,相对误差为：,（7.2-4）,将有关数据值代入上面两式，可得：,5V电压档：Rv120k/V 5V100k,25V电压档：Rv220k/V 25V500k,电压表输入电阻（低电压档时输入电阻）对测量结果有严重影响,由 可推出：,(7.2-5),同理可得：,(7.2-6),因此,待测电压

10、 E0 为：,式中：,(7.2-7),(7.2-8),对于内阻不同的两只电压表，或者同一电压表的不同电压档，此时 k = RV2 / RV1 即等于电压量程之比（可由两次测得值得到近似的实际值 E0 ） 将本题中有关数据代入可得待测电压近似值：,消除负载效应的方法： 利用上面的公式计算： 用在精密测量中的其他测量方法：零示法(如 电桥)和微差法(如 微差电压表)，一般操作都比较麻烦。 在工程测量中提高 Ri 和灵敏度以提高测量质量最常用的办法是利用电子电压表进行测量。,7.2.2 电子电压表 1电子电压表原理 通常使用高输入阻抗的场效应管（FET）源极跟随器或真空三极管阴极跟随器来提高电压表输

11、入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度。 当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。 分压器：R0、R1、R2、R3 组成,图7.2-3电子电压表框图,分压电路的接入将使 Ri 有所降低，但只要分压电阻取值较大，可使 Ri 比动圈式电压表大得多。 因 FET 源极跟随器输入电阻很大（几百M以上）， 则由 Ux 测量端看进去的输入电阻基本上由分压器电阻决定（串联和 10 M，满足高输入阻抗的要求） 该结构中，电压表的输入阻抗基本上是一个常量，与量程无关。,图7.2-3电子电压表框图,运放理想化处理：当运放开环放大系数 A 足够大时，可以认为U0(虚短路)， Ii0(虚断路)， 因而有 UFUi

12、IFI0,(7.2-9),分压器和电压跟随器的作用使 Ui 正比于待测电压 Ux ：,图7.2-4集成运放电压表的原理图,则：,Ui = k Ux,(7.2-10),即流过电流表的电流 I0 与被测电压 Ux 成正比，只要分压系数 k 和 RF 足够精确和稳定，就可获得良好的准确度。 因此，各分压电阻及反馈电阻 RF 都要使用精密电阻。,图7.2-4集成运放电压表的原理图,2调制式直流放大器 电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移（零点漂移会限制电压表灵敏度的提高），可使电子电压表能测量微伏量级的电压。 直流电压信号 ui 调制器(斩波器) 交流信号 uA 交流放大器放大 uB

13、 解调器还原为直流信号 uo (幅度已被放大),图7.2-5 调制式直流放大器原理,振荡器：向调制器和解调器提供固定频率的同步控制信号。 交流放大器：一般采用选频放大器，只对与振荡器同频率的信号进行放大而抑制其他频率的噪声和干扰。 （如在解调器输出端和调制器输入端间增加负反馈网络以提高整机稳定性）,图7.2-5 调制式直流放大器原理,图7.2-6调制器的工作原理及各点波形,调制器和解调器是一对同步开关，开关控制信号由振荡器提供。 调制器： SM ：机械式振子开关或场效应管电子开关； R ：限流电阻，以防信号源被短路； C ：隔直流电容； Ri：交流放大器等效输入电阻。 图(d)中，Ui 为输入

14、直流信号 E,图7.2-6调制器的工作原理及各点波形,0 T/2 区间，图(b) ：SM 打开 uM = Ui ； T/2 T 区间，图(c) ：SM 闭合 uM = 0； 如此交替 交流信号uM 波形 再经电容 C 滤除直流成分 交流信号 uA，并通过交流放大器进行放大。,图7.2-7解调器的工作原理和各点波形, 解调器： SD ：与调制器中 SM 同步动作的机械式振子开关或场效应管电子开关； C ：隔直流电容，隔直作用，使放大器的零点漂移被阻断，不能传输到后面的直流电压表； R ：限流电阻； RF、CF构成滤波器，滤波后得到放大后的直流信号。,7.3 交流电压的表征和测量方法,7.3.1

15、交流电压的表征 交流电压除用具体的函数关系式表达其大小随时间的变化规律外，通常还可以用峰值、幅值、平均值、有效值等参数来表征。,1峰值 峰值 Up ：周期性的交变电压 u(t) 在一个周期内偏离零电平的最大值。 正、负峰值不等时分别用 Up+ 和 Up- 表示。 幅值或振幅 Um ：u(t) 在一个周期内偏离直流分量 U0 的最大值。 正、负幅值不等时分别用Um+和Um-表示。 （图(b)中U0=0，且正、负幅值相等）,图7.3-1交流电压的峰值与幅值,2平均值 u(t)的平均值 的数学定义为：,(7.3-1),：周期性电压的直流分量 U0,图7.3-1交流电压的峰值与幅值,图7.3-2半波和

16、全波整流,(7.3-2),如不另加说明，本章所指平均值均为上式所定义的全波平均值。,在电子测量中，平均值通常指交流电压检波(也称整流)以后的平均值。 分为：半波(整流)平均值 全波(整流)平均值 全波平均值定义为：,未检波前电压波形,半波整流电压波形,全波整流电压波形,3有效值 某一交流电压的有效值若等于直流电压的数值 U ，即：当该交流电压和数值为 U 的直流电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产生的热量相等。 用数学式可表示为：,(7.3-3),上式实质上即数学上的均方根定义，电压有效值也可写作 Urms 。,4波形因数、波峰因数 交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分

17、别用波形因数（波形系数）和波峰因数（波峰系数）表示。 波形因数 KF ：该电压的有效值与平均值之比,(7.3-4),波峰因数 Kp ：该电压的峰值与有效值之比,(7.3-5), 国际上交流电压的表征量均为有效值 电压表几乎都按正弦波的有效值来定度（除特殊情况外）。 当用交流电压表（正弦波的有效值定度）测量电压时： 被测电压是正弦波，电压表读数（有效值） 峰值和平均值（利用表中 KF 、KP ）； 被测电压是非正弦波，必须根据电压表读数和电压表所采用的检波方法进行必要的波形换算，才能得到有关参数。,7.3.2 交流电压的测量方法 1交流电压测量的基本原理 测量交流电压的方法：最主要的一种是利用交

18、流/直流（AC/DC）转换电路将交流电压 直流电压，然后用直流电压表进行测量。 根据 AC/DC 转换器的类型，分为： 热电转换法 检波法（根据检波特性的不同）,平均值检波 峰值检波 有效值检波,2模拟交流电压表的主要类型 1）检波-放大式 检波-放大式电压表：在直流放大器前面接上检波器。 频率范围和输入阻抗主要取决于检波器：频率范围从几十Hz到几百MHz，输入阻抗也较大。 “高频毫伏表”（高频电压表） “超高频毫伏表”（超高频电压表）,图7.3-3检波-放大式电压表框图,2）放大-检波式 当被测电压过低时，直接进行检波误差会显著增大。 提高交流电压表的测量灵敏度： 先将被测电压进行放大； 再

19、检波和推动直流电表显示。 放大-检波式电压表的频率范围主要取决于：宽带交流放大器，灵敏度受到放大器内部噪声的限制。 通常频率范围为20Hz10MHz “视频毫伏表”：多用在低频、视频场合。,图7.3-4放大-检波式电压表框图,3）调制式 为减小直流放大器的零点漂移对测量结果的影响，可采用调制式放大器以替代一般的直流放大器。 调制式电压表属于检波-放大式 放大器：由固体斩波器和振荡器构成的调制式直流放大器。,图7.3-5调制式电压表框图,4）外差式 检波-放大式电压表受检波二极管的非线性的限制，灵敏度较低，仅为mV级。 放大-检波式电压表灵敏度可以保证，但受放大器增益与带宽矛盾的限制，频率范围较

20、窄，一般 10MHz。 这两种方式测量电压时，都会受干扰和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。 外差式电压测量法可解决上述矛盾。“高频微伏表”,图7.3-6外差式电压表框图,输入电路中包括：输入衰减器和高频放大器。 高频放大器带宽很大，被测电压的放大主要由后面的中频放大器完成。 被测信号 输入电路 混频器（与本振信号一起）频率固定的中频信号 中频放大器 放大 检波器 直流电压显示 中频放大器：良好的频率选择性、固定中频频率、极窄的带通滤波特性 可实现高增益、削弱干扰和噪声,图7.3-6外差式电压表框图,5）热偶变换式 热偶元件（热电偶）是由两种不同材料的导体所构成的具有热电现象的元件。 由于两种金

21、属表面电子逸出功不相等，在 A、B 两个接触端面交界面上会形成电位差，电位差大小与接触端面温度有关。 A、B 端温度相等时，两电位差大小相等，彼此抵消 A 端温度若高于 B 端，则两端电位差不等 热电动势,图7.3-7热电偶原理图,I 热电动势 TAB U2,7.4 低频交流电压测量,交流电压表（交流毫伏表）：测量低频（ 1MHz）信号电压的电压表。 这类电压表一般采用放大-检波式 检波器：一般为平均值检波器、有效值检波器，分别构成均值电压表和有效值电压表。,7.4.1 均值电压表 1平均值检波器的原理 平均值检波器：4只性能相同的二极管构成桥式全波整流电路。 |ux| ：整流后的波形 整流器

22、等效为：Rs串联一电压源|ux| Rm ：电流表内阻 C ：滤波电容，滤除交流成分,图7.4-1 平均值检波器,将整流后的波形 |ux| 用傅里叶级数展开，得：,(7.4-1),图7.4-1 平均值检波器,即：电流表测得值 I0 正比于全波整流平均值。 流过电容 C ：|ux|的基波和各高次谐波； 流过电流表：直流电流 I0（和平均值成正比）。 半桥式整流器可改善整流二极管的非线性。,直流分量,整流平均值,2检波灵敏度 表征均值检波器工作特性的一个重要参数是检波灵敏度 Sd ，定义为：,(7.4-2),全波桥式整流器，可导出：,(7.4-3),要提高测量灵敏度，应减小二极管的单向导通电阻 Rd

23、 和 Rm 。 由于二极管是非线性器件，当电压较低（ 0.5V）时，Rd 急剧增大至几k几十k，Sd 急剧下降，不宜用这种检波器直接测量 0.5V 以下的电压。,Rd ：二极管的单向导通电阻,3输入阻抗 图7.4-1(a)所示均值整流器，其输入阻抗为：,(7.4-6),仍设 Rd=500，Rm=1 k(常规的数值)，则 Ri 约为1.8 k，可见均值检波器输入阻抗很低。 4均值电压表 均值电压表：以均值检波器为AC/DC变换器； 均值检波器：检波灵敏度具有非线性特性、输入阻抗过低。 均值电压表：属于放大-检波式,7.4.2 波形换算 电压表度盘：以正弦波的有效值来定度的 均值检波器的输出（流过

24、电流表的电流）Ua ：与被测信号电压的平均值 成线性关系，有：,(7.4-7),式中，Ua ：电压表示值， ：被测电压平均值，Ka：定度系数。 对于全波检波（整流）电路构成的均值电压表，定度系数 Ka 即为：正弦信号的波形因数 KF ，有：,(7.4-8), 若被测信号为正弦波形：电压表示值就是被测电压的有效值。 若被测信号为非正弦波形：先进行“波形换算”，再由示值和被测信号的具体波形，推算出被测信号的数值。 具体方法是：根据 可知，电压表表头示值 Ua相等平均值 相等。 先得到任意波形电压的平均值：,(7.4-9),再由波形系数 KF 定义：,(7.4-10),任意波形电压的有效值：,(7.

25、4-11),例1 用全波整流均值电压表分别测量正弦波，三角波和方波，若电压表示值均为10V，问被测电压的有效值各为多少? 解：对于正弦波，由于电压表本来就是按其有效值定度，即电压表的示值就是正弦波的有效值，所以正弦波的有效值为：,对于三角波，查表7.3-1，其波形系数 KF = 1.15，有效值为：,对于方波，查表7.3-1，其波形系数 KF = 1，有效值为：,任意波形的有效值为：,若被测电压不是正弦波形时，直接将电压表示值作为被测电压的有效值，必将带来较大的误差，通常称作“波形误差”，可得波形误差的计算公式为：,(7.4-12),在上例中，若直接将电压表示值 Ua=10V 作为三角波和方波

26、的有效值，则波形误差为： 三角波： V = (1-0.9KF)100% = (1-0.91.15)100% = - 3.5% 方波： V = (1-0.9KF)100% = (1-0.91)100% = 10%,7.4.3 均值检波器误差 均值电压表的误差包括下列因素： 直流微安表本身的误差 检波二极管老化、变质、不对称带来的误差 超过频率范围时二极管分布参数带来的误差(频响误差) 波形误差,图7.4-4均值检波器高频等效电路,7.4.4 有效值检波器 电压有效值的定义：,(7.4-13),为获得有效值（均方根）响应，必须使AC/DC变换器具有平方律关系的伏安特性。 这类变换器有四种： 二极管

27、平方律检波式 分段逼近式检波式 热电变换式 模拟计算式,1二极管平方律检波式 真空或半导体二极管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律关系。 可推出流经微安表的电流为： 实现了有效值转换,图7.4-5 二极管的平方律特性,优点：结构简单；灵敏度高 缺点：有效值检波的动态范围窄；特性不易控制且不稳定 逐渐被分段逼近式有效值检波器替代,2分段逼近式检波式 链式网络相当于与 R2 并联的可变负载。二极管VD1、VD2对被测电压进行全波检波。 u 增大时， VD3、VD4、VD5、VD6依次导通，伏安特性斜率也依次增大。 选择合适的链式网络值，可使流过微安表的电流正比于被测电压有效值的平方。 （直接

28、接微安表时，刻度是非线性的）,图7.4-6平方律伏安特性和二极管链式电路,3模拟计算式 利用集成乘法器、积分器、开方器等实现电压有效值测量,图7.4-7模拟计算式有效值电压表原理,第一级：由乘法器构成的平方器，输出正比于 u2x(t) 第二级：积分器， 输出正比于 第三级：实现开方运算 末级：放大器， 输出正比于有效值（均方根值） 模拟计算式电压表的刻度是线性的,有效值电压表的优点： 输出示值就是被测电压的有效值，而与被测电压的波形无关。,7.4.5 分贝值的测量 分贝值的作用：表示放大器的增益、噪声电平、音响设备等有关参数。 分贝值：被测量对某一同类基准量比值的对数值。 电压 Ux 的分贝值

29、 Ux (dB)为：,(7.4-17),式中， Us ：基准电压。一般规定在 Zs=600上产生 Ps=1mW 的功率为基准，相应基准电压 Us 为：,分贝值的测量实际上仍是电压测量，即：将原电压示值取对数后在表盘上以分贝定度。,当 UxUs 时，分贝值为正； 当 UxUs 时，分贝值为负； 当 Ux=Us 时，分贝值为零。,在 1.5V 量程刻度线上的 0.775 处定为 0dB ，Ux0.775V 时，为正分贝值，Ux0.775V 时，为负分贝值。该仪表分贝刻度为 -30dB +5dB ，相应电压值要根据所使用的量程进行换算。,图7.4-8 分贝刻度的读法,例2 用 1.5V 量程测电压，

30、Ux=1.38V，问对应的分贝值? 解：,即此时该表指针指向 +5dB 处。,例3 用 MF-20 的 30V 电压量程，测得电压 Ux=27.5V，问其分贝值为多少? 解：,而此时 MF-20 表针指出的分贝值为 +5dB 。 原因在于： MF-20多用表的电压基本量程是01.5V，表盘上的分贝值与该量程上电压值相对应。 当使用30V量程时，该表的可变量程分压器的分压比为30/1.5=20，即：加在后面电压表表头上的电压是衰减 20 倍的被测电压（实际被测电压是加在表头上电压的 20 倍）。,设表头上电压为 Ux，则实际被测电压为 Ux=20 Ux，写成分贝形式为：,(7.4-18),本例中

31、表针指出的 +5dB 即式中 20lgUx的值， 因此 Ux 的实际分贝值为 26dB + 5dB = 31dB。 图7.4-8中两侧的对照表就是为这种计算而列出的。 例： 若使用 150V 电压挡：被测电压的分贝值 = 表盘上分贝值 + 40dB 若使用 60mV 电压挡：被测电压的分贝值 = 表盘上分贝值 + (-28)dB,例4 用 MF-20 的 300mV 档测电压，表针指在 -10dB 处，被测电压的分贝值为多少? 解：由图 7.4-8 左侧表格知，使用 300mV 档时，被测电压的分贝值应是表盘上指针指出的分贝值减去 14dB ，所以被测电压为：,由此可见，对 MF-20 型表，

32、仅当使用 1.5V 档时，才能直接读取分贝值，使用其他电压档，都应进行相应的换算。,7.5 高频交流电压测量,测量高频信号的电压表：采用检波-放大式，不采用放大-检波式（放大器频率特性的限制）。 检波-放大式结构：放大器放大的是检波后的直流信号，其频率特性不会影响整个电压表的频率响应。 测量电压的频率范围主要取决于检波器的频率响应。 在检波-放大式高频毫伏表中，检波器多采用峰值式。,7.5.1 峰值检波器 1串联式峰值检波器（测正、负峰值） 元件参数满足：,(7.5-1),图7.5-1串联式峰值检波器的原理图及检波波形,式中，Tmax、Tmin：被测信号的最大周期、最小周期 Rd = 二极管正

33、向导通电阻 RD + 被测电路的等效信号源内阻 Rx, 被测电压 ux 正半周：充电时间常数 RdC 非常小，电容 C上的电压迅速达到 ux 峰值 Up 。, 被测电压 ux 负半周：放电时间常数 RC 很大。 电容上电压跌落很小，从而使得其平均值 或 始终接近 ux 的峰值，即： 实际上检波器输出电压平均值 略小于 UP ，即 kd 表示峰值检波器的检波系数，有： 若把二极管 VD 反接，可以测得 ux 的负峰值,图7.5-1串联式峰值检波器的原理图及检波波形,(7.5-2),2双峰值检波器（测峰-峰值） 双峰值检波电路：两个串联式检波电路结合在一起。 C1 或 R1 上的平均电压近似于 u

34、x 的正峰值 Up+ C2 或 R2 上的平均电压近似于 ux 的负峰值 Up- 检波器输出电压 ，即输出电压近似等于被测电压的峰-峰值。,图7.5-2双峰值检波电路,HFJ-8型超高频毫伏表：高频探头内安装了一个双峰值检波器。 检波器输出端接的是调制式高增益的直流放大器，可以有效地抑制零点漂移和提高测量灵敏度。,图7.5-3HFJ-8型超高频毫伏表检波电路,3并联式检波器（测幅值） ux 正半周：ux 通过二极管 VD 迅速给电容 C 充电（RdC） ux 负半周：电容 C 上电压经过电压源及 R 缓慢放电（RC），电容 C 上平均电压接近 ux 峰值 UP 电阻 R 的电压 uR 滤除高频

35、分量，其平均值 等于电容上平均电压 ，近似等于 ux 峰值，即,图7.5-4并联式峰值检波电路及波形,4倍压式峰值检波器 可提高检波器输出电压 ux 负半周：ux 经过 VD1 向 C1 充电，uC1 迅速达到 ux 峰值 ux 正半周：uC1 和 ux 串联后经过 VD2 向 C2 充电，uC2 迅速达到 (uC1+ux) 的峰值 由于 RC2Tmax ，因此放电非常缓慢，R 上电压下降不大，近似等于ux峰值的两倍， 即：,图7.5-5倍压式峰值检波电路及波形,7.5.2 误差分析 1理论误差 峰值检波器输出电压的平均值略小于被测电压的峰值，实际数值与充电、放电时常数有关。 正弦波的理论误差

36、为：,(7.5-3),2频率误差 原因：低频时 Tmax 加大，放电时间变长， 下降增多。 低频误差为：,(7.5-4),峰值检波式电压表比较适用于高频测量，但由于高频时分布参数的影响加大也会带来高频误差。,3波形误差 峰值电压表也是按正弦波有效值定度 正弦波：峰值电压表示值即为其有效值。 非正弦波：利用波峰系数进行换算才能得到有效值。 波形误差的来源： 对于那些不能通过波峰系数进行波形换算的被测信号，只好将电压表示值作为其近似的有效值。 峰值检波器的输出与检波系数 kd 有关，而不同波形的信号和正弦波相比，kd 是有差异的。,7.5.3 波形换算 1定度 峰值电压表示值 Ua 与峰值检波器输

37、出 Up 间满足：,(7.5-9),式中，ka ：定度系数。 电压表是以正弦波有效值定度的，有,(7.5-10),2波形换算 当被测电压为非正弦波时，应进行波形换算才能得到被测电压的有效值。 波形换算的原理是：示值 Ua 相等 峰值 Up 相等 可得峰值：,(7.5-11),再由表7.3-1给出的波峰因数 Kp=Up/U 得到有效值：,(7.5-12), 注意：上式仅适用于单峰值电压表,例2 用峰值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，电压表均指在 10V 位置，问三种波形被测信号的峰值和有效值各为多少? 解：根据示值相等、峰值也相等的原理和式(7.5-11)，可知三种波形的电压峰值 Up 均为

38、：,因为电压表就是以正弦波有效值定度的，因此正弦波的有效值就是电压表表针指示值，即正弦波的有效值为： U=10V。,对于三角波，由式(7.5-12)并查表7.3-1知波峰系数 Kp=1.73 ，有效值为：,对于方波，波峰系数 Kp=1 ，有效值为：,7.6 脉冲电压测量,测量脉冲电压的方法有两种： 示波器：方便、 直观地观察和测量脉冲信号的波形和各有关参数（更常用）； 脉冲电压表：高压脉冲测量， 脉冲间隔时间很长的脉冲信号测量,7.6.1 用示波器测量脉冲电压 直接测量法和比较测量法 1直接测量法（灵敏度换算法） 直接测量法：将被测电压信号接在示波器 Y (垂直)通道，根据示波管荧光屏上电压波

39、形的高度 H 及 Y 轴偏转因数 d（V/cm或V/div），直接计算出脉冲峰值 Up ： Up=d H(7.6-1) 注意：探极有无衰减，是否使用“倍率”，Y轴微调置“校正位” 直接测量法是最常用的方法。由于光迹较宽，视差及衰减器、放大器误差等因数限制，测量误差约为5。,【例1】用SR-8示波器测量脉冲电压。Y 轴微调已置校正位， 开关“V/div”置0.2处，探极衰减10倍，脉冲在荧光屏上高度 H=1.4 div(格)，求被测电压峰值（实际上是峰-峰值）。 解：由于探极已将信号衰减10倍（为了方便， 写为k1=10），因此脉冲电压的峰-峰值： Up-p=k H=d k1H=0.2 V/di

40、v101.4 div=2.8 V,【例2】用SBM-14示波器测量脉冲电压峰-峰值。波形高度 H=3 div， 开关“V/div”置0.2处，探极衰减 k1=10，“倍率”置5位（k2=5，信号放大5倍后接入 Y 偏转通道），求被测电压的峰-峰值。 解： Up-p =k H=(dk1k2)H =0.2 V/div1053 div=1.2 V,2比较测量法 比较测量法：用已知电压值（一般为峰-峰值）的信号（一般为方波）与被测信号电压波形比较而求得被测电压值。 设在保持输入衰减和 Y 轴增益不变的情况下，被测信号和标准信号在荧光屏上的高度分别为 H1、H2，标准信号的峰-峰值为 Usp-p ，则被

41、测电压峰峰值 Uxp-p 为： SR-8双踪示波器内的标准信号发生器可产生 1kHz 峰-峰值为1V 的矩形波。,(7.6-2),7.6.1 用脉冲电压表测量脉冲电压 3高压脉冲电压表（充放电法） 峰值检波器：高压硅堆 VD、限流电阻 R1、电容 C1构成。 R2与微安表：直接指示被测脉冲峰值。 标准电阻 R3 ：其上电压为毫伏级。 当正向脉冲输入时： VD 导通，C1 充电。 脉冲休止期 VD 截止：C1 放电，由电表读取脉冲电压峰值。,图7.6-3用充放电法测高压脉冲,7.7 电压的数字式测量,7.7.1 概述 模拟式电压表：直接从指针式显示仪表的表盘上读取测量结果。 “模拟”：指随着被测

42、电压的连续变化 表头指针的偏转角度也连续变化。 优点：结构简单，价格低廉，频率范围宽，在电压测量（尤其高频电压测量）中应用广泛。 缺点：表头误差和读数误差的限制，灵敏度和精度不高。, 数字式电压表：数字式测量方法，利用模拟-数字(A/D)转换器，连续的模拟量 离散的数字量 利用十进制数字方式 显示被测量的数值。 优点： 准确度高 数字显示 输入阻抗高 测量速度快，自动化程度高 功能多样 缺点：交流测量时的频率范围不够宽，上限频率1MHz,7.7.2 数字式电压表(DVM)的组成原理 1直流数字式电压表 模拟部分：输入电路（阻抗变换，放大电路、量程控制）和A/D变换器。 模拟部分决定了电压表的主

43、要技术指标如准确度、分辨力等。 数字部分：完成逻辑控制，译码（将二进制数字十进制数字）和显示等功能。,图7.7-1直流数字电压表的组成,2数字多用表（DMM） 模拟交流电压表：模拟直流电压表前端配接检波器 数字多用表：在数字直流电压表前端配接相应的交流-直流转换器（AC/DC）、电流-电压转换电路（I/V）、电阻-电压转换电路（/V）等 数字式多用表的核心是数字直流电压表,图7.7-2数字式多用表组成原理,直流数字电压表：线性化显示的仪器 因而其前端配接的 AC/DC、I/V 、/V 等变换器也必须是线性变换器，这样才能满足变换器的输出与输入间成线性关系。 注意：7.4.4 所介绍的有效值检波

44、器不是线性AC/DC变换器，那里的有效值检波器的输出（流过直流微安表电流 I ）和电压有效值 U 之间不是线性关系。,1）线性 AC/DC 变换器 数字多用表中的线性 AC/DC 变换器主要有： 有效值 AC/DC ：热偶变换式、模拟计算式。 平均值 AC/DC ：利用负反馈原理以克服检波二极管的非线性，以实现线性 AC/DC 转换。 设运放的开环增益为 k ，其输入阻抗足够高则：,图7.7-3线性检波原理,k1,由于反馈电阻 R2 的负反馈作用，放大器的输出和输入间成线性关系，与运放的开环增益 k 无关,图(b)：线性半波检波器。 ux 负半周：A 点电压 uA 为正值，VD1 导通，VD2

45、 截止。 设 VD1 检波增益为 kd， 则uo/ui=k kd ，输出电压uo线性正比于被测电压ux 。 （由于 k 值很大， 因而k kd值也很大，而与kd变化基本无关，这就大大削弱了 VD1 伏安特性的非线性失真） ux 正半周：uA 为负值，VD2 导通，VD1 截止，uo 被箝位在 0。,图7.7-3线性检波原理,为了提高检波灵敏度， 图(b)也可使用全波检波电路。 实际电路中，为了增加检波器的输入阻抗，其前面加接一级同相放大器（源极跟随器或射极跟随器），输出端加接一级有源低通滤波器以滤除交流成分，获得平均值输出 即：线性平均值AC/DC变换器。,图7.7-4线性平均值AC/DC变换

46、器结构,2）I/V变换器 直流电流 Ix 直流电压最简单的方法：让该电流流过标准电阻 Rs ，则电压 URx=Rs Ix ，从而完成了I/V线性转换。 为了减小对被测电路的影响，电阻 Rs 的取值应尽可能小。,图7.7-5I/V变换器,高输入阻抗同相运放,当 Ix 较小时（几个毫安）忽略运放输入端漏电流,转换电路,3）/V变换器 Rx ：待测电阻，Rs ：标准电阻，Us ：基准电压源 实质：由运算放大器构成的负反馈电路,(7.7-6),即输出电压与被测电阻成正比，Us/Rs 实质上构成了恒流源，改变 Rs ，可以改变 Rx 的量程。,图7.7-6恒流法/V变换器,7.7.3 DVM的主要类型

47、DVM一般分成：直流DVM、交流DVM 比较型A/D转换器 根据A/D变换的基本原理分： 积分型A/D转换器 复合型DVM 比较型A/D转换器： 采用将输入模拟电压与离散标准电压相比较的方法，典型的是具有闭环反馈系统的逐次比较式。 优点：测量速度快（最高每秒100万次），电路比较简单 缺点：但抗干扰能力差,基本类型, 积分型A/D转换器 一种间接转换形式：输入模拟电压 积分 转换成中间量（时间 T 或频率 f ） 通过计数器等 数字量 突出优点：抗干扰能力强 主要不足：测量速度慢, 复合型DVM：将积分型与比较型结合起来的一种类型。,图7.7-7 逐次逼近式数字电压表的原理框图,7.7.4 逐

48、次比较型DVM（逐次逼近） 逐次比较型DVM的核心：逐次比较式A/D变换器 1主要电路单元,图7.7-7 逐次逼近式数字电压表的原理框图, 比较器：高速高增益运放 U0 Ux ：比较器输出 Qc=0（逻辑低电平） U0Ux ：比较器输出 Qc=1（逻辑高电平） 控制器：发出一系列的节拍脉冲，根据 Qc 值控制SAR各位的输出状态,图7.7-7 逐次逼近式数字电压表的原理框图, 逐次逼近寄存器SAR：一组双稳触发器（n 个） 转换器：基准电压源、电子开关电路、由分压分流电路组成的解码网络 功能：将二进制数字量 模拟量,假设：基准电压源的基准电压是Us=2.8 V，对于8 位D/A： 当输入数字量

49、为1000 0000时，输出模拟电压 U0=（128/256）Us=1.4 V 当输入数字量为0000 0001时，输出模拟电压 U0=（1/256）Us=10.94 mV 同是二进制数码“1”，它在二进制数中的位置不同，其所代表的值也不同，不同位置上的“1”所代表的值称为权值。,S0 S7 ：电子开关，其通断对应于相应位 ai 的取值。 即：若 ai = 1 ，则 Si 通；若 ai = 0，则 Si 断。 当 S0 闭合（对应 n 位二进制数最低位（LSB）a0=1）时， 有,(7.7-7),此时若 S1 S7 均断开， 则输出电压为：,(7.7-8),图7.7-8 权电阻A/D变换原理,

50、图7.7-8 权电阻A/D变换原理,当D/A输入为任意二进制数字量 a7a6a2a1a0 时，输出电压为：,(7.7-9),优点：电阻个数较少 缺点：阻值大小不一，制造较为困难,权电阻解码电路,图(a) T 型解码电路：虽然电阻个数较多，但电阻值仅为两种，很适宜集成制造工艺。 图(b)节点 i 等效电路：对于07的任意节点 i ，左、右两侧的等效电阻均为 2R ，其节点电位（ai =1时）为：,图7.7-9T 型电路D/A变换原理,(7.7-10),当该节点电位向输出端传送时，要经过多节电阻网络衰减，每节衰减数均为1/2，比如“0”节点电位传送到输出端时，要经过七节电阻衰减器衰减，所以传送到输

51、出端的电压为：,图7.7-9T 型电路D/A变换原理,(7.7-11),根据叠加原理，对于任意二进制数 a7a6a2a1a0 ，输出电压为：,(7.7-12),2逐次比较型A/D的工作原理 工作原理类似于天平称质量过程（称量法）。 即：利用对分搜索原理，依次按二进制递减规律减小，从数字码的最高位（MSB，相当于满度值 FS 的一半）开始，逐次比较到低位，使 U0 逐次逼近 Ux 。,图7.7-10 三位逐次比较流程图,例：3比特（3位二进制）逐次比较过程。 设基准电压 Us=8 V，输入电压 Ux=5V， 3比特SAR的输出为 Q2Q1Q0 。,图7.7-10 三位逐次比较流程图,图7.7-1

52、1 3比特逐次比较A/D工作波形图,7.7.5 双积分型DVM 准备阶段(t0t1)：控制逻辑使开关 K4 接地，K1K 3 断开，使积分器输入、输出为零，作为初始状态。 取样阶段(t1t2) ：控制逻辑发出取样指令，接通K1，断开K2K4，被测电压(-Ux)加到积分器，积分器输出电压U0线性上升。,图7.7-12 双积分式DVM框图,图7.7-13 双积分A/D原理,U0 0，过零比较器：低电平 高电平，打开计数闸门，时钟脉冲通过闸门，计数器开始减法计数（时钟是等周期 T0 的脉冲，计数即计时）。 经过预置时间 T1 到达 t2 时，计数器溢出并复零。此时积分器输出达到最大值：,图7.7-12 双积分式DVM框图,图7.7-13 双积分A/D原理,(7.7-13), 比较阶段(t2t3)：取样结束时断开 K1 ，关闭K2 ，正基准电压 Us 接到积分器进行反向