電子測量技術第四章

1、第六章 電壓測量技術例如：功率測量，例如：功率測量，P=V2/R=IV=I2R，歸于電壓的測量。歸于電壓的測量。失真系數(shù)：失真系數(shù)：122vvDnii V V0調幅系數(shù)：調幅系數(shù)：m=V /V0第四章 電壓測量技術4-1 概述一 重要性第六章 電壓測量技術二：電壓測量的特點二：電壓測量的特點(1) 頻率范圍寬。(2) 測量范圍寬。(3) 電壓波形的多樣化。(4) 要求有足夠高的輸入阻抗。(5) 要求有足夠高的測量準確度。(6) 要求有高的測量速度。(7) 要求有高的抗干擾性能。第六章 電壓測量技術 一般是指“指針式電壓表”，它把被測電壓加到磁電式電流表，轉換成指針偏轉角度的大小來度量。包括模擬

2、萬用表和電子電壓表。另一種模擬測量是把被測量電壓變換成圖形高度來測量的儀表，如示波器等。指把被測電壓的數(shù)值通過數(shù)字技術，變換成數(shù)字量，然后用數(shù)碼管以十進制數(shù)字顯示被測量電壓值。三、電壓測量方法分類第六章 電壓測量技術四、 電壓標準 1、 直流電壓標準n標準電池（實物基準， 10-6）；n齊納管電壓標準 （固態(tài)標準， 10-6 ）；n約瑟夫森量子電壓基準 （量子化自然基準，10-10）2、 交流電壓標準n 原理n 由直流電壓標準建立。因而，需經(jīng)過交流-直流變換。n 測熱電阻橋式高頻電壓標準第六章 電壓測量技術4.2 直流電壓的測量直流電壓的測量一、普通直流電壓表一、普通直流電壓表圖4-1 普通直

3、流電壓表電路電壓表內阻mmIUneRRRV串接3個電阻后除了最小電壓量程U0=ImRe 外， 又增加了U1、U2、U3三個量程第六章 電壓測量技術動圈式直流電壓表優(yōu)點：結構簡單， 使用方便， 缺點：誤差較大（輸入阻抗低）。例如用普通直流電壓表測量高輸出電阻電路直流電壓00000mVVVmEEUURRRRRI00000VUERERR RV越小， 越大第六章 電壓測量技術式中,K=U2/U1。為了消除負載影響1、 可使用兩個不同量程擋U1、U2進行測量。 將電壓表的兩次讀數(shù)值U01、U02代入下式， 可計算出被測電壓的近似值00202011KEUUKU2、采用直流電子電壓表第六章 電壓測量技術二、

4、直流電子電壓表二、直流電子電壓表圖4-3 電子電壓表組成原理框圖跟隨器，直流放大器構成和分壓電路的作用？第六章 電壓測量技術三、直流數(shù)字電壓表三、直流數(shù)字電壓表圖4-5 直流數(shù)字電壓表基本結構框圖A/D轉換器是直流數(shù)字電壓表的核心電路。第六章 電壓測量技術4-3、交流電壓的模擬測量方法、交流電壓的模擬測量方法交流電壓測量的核心是交流電壓測量的核心是AC/DC變換，此部分是帶共性的，變換，此部分是帶共性的，即模擬式和數(shù)字式交流電壓表都必須完成這一變換過程。即模擬式和數(shù)字式交流電壓表都必須完成這一變換過程。模擬式電壓表分類模擬式電壓表分類先檢波，后放大先檢波，后放大先放大，后檢波先放大，后檢波第六

5、章 電壓測量技術一、交流電壓值的表示方法2、平均值平均值dttuTUT0)(1交流信號檢波（整流）后的平均值dttuTUT0)(11、峰值峰值:以零電平為參考的最大電壓幅度，以零電平為參考的最大電壓幅度，UP3、有效值有效值dttuTUT02)(1第六章 電壓測量技術表征交流電壓的參數(shù)有：表征交流電壓的參數(shù)有：根據(jù)檢波方式的不同，有三種電壓表。根據(jù)檢波方式的不同，有三種電壓表。V均值均值峰值峰值pV有效值有效值V峰值電壓表峰值電壓表均值電壓表均值電壓表有效值電壓表有效值電壓表模擬式電壓表模擬式電壓表第六章 電壓測量技術4、兩個概念波形因數(shù)波形因數(shù)KF波峰因數(shù)波峰因數(shù)KP該交流電壓的有效值與平均

6、值之比該交流電壓的有效值與平均值之比UUKF該交流電壓的峰值與有效值之比該交流電壓的峰值與有效值之比UUKPP 不同的電壓波形，其不同的電壓波形，其KF、KP亦不相同。亦不相同。 第六章 電壓測量技術 序號 名稱波形因數(shù) KF波峰因數(shù)KP有效值平均值n1正弦波1.111.414UP/UP2半波整流1.572UP/UP3全波整流1.111.414UP/UPn4三角波1.151.73UP/UP/25鋸齒波1.151.73UP/UP/n6方波11UPUP7白噪聲1.253UPUP2121313.75222233第六章 電壓測量技術1、峰值檢波式電壓表、峰值檢波式電壓表TxptvV0)(max 電路形

7、式電路形式步進步進分壓器分壓器斬波式斬波式直流放大器直流放大器峰值檢波器（探頭）峰值檢波器（探頭）先檢波、后放大先檢波、后放大高頻電壓測量高頻電壓測量時誤差較小時誤差較小二、交流電壓的模擬測量方法二、交流電壓的模擬測量方法第六章 電壓測量技術檢波電路形式檢波電路形式DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc第六章 電壓測量技術 第六章 電壓測量技術刻度特性刻度特性 =I0 Vp表頭的刻度：以正弦有效值刻度。表頭的刻度：以正弦有效值刻度。 =V（正弦波有效值）（正弦波有效值）波峰因數(shù)：波峰因數(shù)：VVKpp =V=Vp/1.414=0.707Vp測量任意波形（正弦波除外）,其讀數(shù)

8、沒有直接意義第六章 電壓測量技術例例4-1用一塊峰值電壓表測量一個三角波電壓，讀數(shù)為用一塊峰值電壓表測量一個三角波電壓，讀數(shù)為10 V ，問該方波電壓的有效值為多少？問該方波電壓的有效值為多少？解：解：被測三角波電壓的峰值為被測三角波電壓的峰值為VKaVPP1 .14102 三角波電壓的波峰因數(shù)三角波電壓的波峰因數(shù)3PK故故VKVVPPx15. 8波形誤差為：%3 .1515. 815. 810第六章 電壓測量技術例: 已知三角波,Vp=5V, 用Vp電壓表,求 和V535. 3707. 0pV(為sint的有效值)86. 273. 15PPKVV第六章 電壓測量技術2、均值電壓表、均值電壓表

9、（ dtVTVTtx 0)(1電路形式電路形式輸入輸入寬帶放大器寬帶放大器檢波檢波A先放大、后檢波先放大、后檢波大信號檢波時線性較大信號檢波時線性較好，波形誤差較小好，波形誤差較小第六章 電壓測量技術01( )( )22Todmdmu tu tIdtTrrrr檢波電路形式檢波電路形式第六章 電壓測量技術刻度特性刻度特性 =I 0 ，與波形無關與波形無關V表頭的刻度：以正弦有效值刻度。表頭的刻度：以正弦有效值刻度。 =V（正弦波有效值）（正弦波有效值）波形因數(shù)：波形因數(shù)：VVKF 第五章第五章 電壓測量技術電壓測量技術VVKV11. 1第六章 電壓測量技術例例4-2：用一塊平均值電壓表測量一個三

10、角波電壓，讀數(shù)為用一塊平均值電壓表測量一個三角波電壓，讀數(shù)為1 V ，問該三角波電壓的有效值為多少？，問該三角波電壓的有效值為多少？解：解：三角波的均值為三角波的均值為VKaVFx9 . 011. 11( 正正弦弦波波）三角波的波形因數(shù)三角波的波形因數(shù)15. 1 FK故故VVKVxFx035. 19 . 015. 1第六章 電壓測量技術 若用均值電壓表,求V11. 1FKV11. 1PPFKVK11. 173. 1515. 111. 1V79. 2例: 已知三角波,Vp=5V, 用Vp電壓表,求 和V535. 3707. 0pV(為sint的有效值)86. 273. 15PPKVV第六章 電壓

11、測量技術3、有效值電壓表檢波三種方法：1、熱電變換2、模擬計算電路：TxXdttvTV02)(1（1）直流變換的原理)(tvx ：熱端、：冷端ITVX熱熱22XVI 3、 CD和和CE為兩種為兩種不同材料制作不同材料制作第六章 電壓測量技術2XXKVE 20KVEffXiEEV,A當fXEE 即xVV0兩熱電偶受T的影響將相互抵消,提高熱穩(wěn)定性。, 0iv則以DA-24型為例平衡熱偶的作用：使表頭刻度線形化，并提高熱穩(wěn)定性。平衡熱偶的作用：使表頭刻度線形化，并提高熱穩(wěn)定性。熱偶式電壓表缺點：具有熱慣性，過載能力差，易燒毀。熱偶式電壓表缺點：具有熱慣性，過載能力差，易燒毀。第六章 電壓測量技術

12、)(2tvx )(2tvx)(tvxxV模擬乘法器模擬乘法器積分器積分器開方開方 TxxdttvTV02)(1第六章 電壓測量技術波形誤差的比較波形誤差的比較峰值電壓表峰值電壓表對被測信號波形的諧波失真所引起的對被測信號波形的諧波失真所引起的波形誤差非常敏感，故不能測量失真波形的電壓。波形誤差非常敏感，故不能測量失真波形的電壓。 均值電壓表均值電壓表測量含有諧波成分的失真正弦電壓的測量含有諧波成分的失真正弦電壓的有效值時有如下結論：有效值時有如下結論：1、誤差與諧波幅度及初相角有關，當初相角為、誤差與諧波幅度及初相角有關，當初相角為00或或1800時誤差最大。時誤差最大。2、二次諧波誤差比三次

13、諧波要小，推廣到一般，奇、二次諧波誤差比三次諧波要小，推廣到一般，奇次諧波比偶次諧波影響大。次諧波比偶次諧波影響大。3、均值表波形誤差與峰值檢波相比較小。、均值表波形誤差與峰值檢波相比較小。有效值電壓有效值電壓表測量非正弦波時理論上不會產生波形誤差，表測量非正弦波時理論上不會產生波形誤差，實際上由于以下兩個原因使產生實際上由于以下兩個原因使產生讀數(shù)偏低讀數(shù)偏低的誤差。的誤差。1、電壓表線形工作范圍的限制。、電壓表線形工作范圍的限制。2、電壓表帶寬的限制。、電壓表帶寬的限制。第六章 電壓測量技術電壓表的比較n峰值電壓表峰值電壓表n檢波檢波- -放大式。放大式。n峰值響應、峰值響應、頻率范圍較寬頻

14、率范圍較寬（達（達1000MHz1000MHz）但）但靈敏靈敏度低（度低（mVmV級）級）。n改進：改進：“調制式電壓表調制式電壓表”，采用高增益低漂移的采用高增益低漂移的調制式直流放大器，使測量靈敏度大為提高，從調制式直流放大器，使測量靈敏度大為提高，從mVmV級提高到幾十級提高到幾十V V 。n讀數(shù)需換算讀數(shù)需換算n需注意：測量波峰因數(shù)大的非正弦波時，需注意：測量波峰因數(shù)大的非正弦波時，由于削由于削波可能產生誤差波可能產生誤差。 第六章 電壓測量技術n均值電壓表均值電壓表n放大放大- -檢波式。檢波式。n均值響應，靈敏度比峰值表有所提高，但頻率范均值響應，靈敏度比峰值表有所提高，但頻率范圍

15、較?。▏^?。?0MHz10MHz），主要用于低頻和視頻場合。），主要用于低頻和視頻場合。n讀數(shù)需換算：讀數(shù)需換算：n有效值電壓表有效值電壓表n可以可以直接讀出有效值直接讀出有效值，非常方便。，非常方便。n由于由于削波和帶寬限制削波和帶寬限制，將可能損失一部分被測信，將可能損失一部分被測信號的有效值，帶來負的測量誤差。號的有效值，帶來負的測量誤差。 n結構較為復雜，價格較貴。結構較為復雜，價格較貴。第六章 電壓測量技術以分貝表示：21lg10PP002121dBPPdBPP2、電壓之比的對數(shù)21PP222121/RVRV21RR 2221VV取對數(shù)21lg10PP21lg20VV為為dBVV2

16、1為為dBVV214.4 電平表1、功率之比的對數(shù)一、分貝的定義第六章 電壓測量技術電壓電平:）（VVVdBuPXV775. 0)(lg20功率電平：mwmwPxdBmPw1lg103、絕對電平xxmP mWP dB xxVV VV dB21lg10PP21lg20VV第六章 電壓測量技術二、電平的測量實質：刻度不均勻通常指測絕對電平1、寬頻電平表第六章 電壓測量技術選取Rx=600歐作為零刻度基準阻抗=（2）、功率電平測量：功率電平=RxdBPVV600lg10第六章 電壓測量技術2、外差式選頻電平表 n原理n外差式接收原理。組成：外差式接收機寬頻電平表輸輸入入電電路路中中頻頻放放大大器器均

17、均值值檢檢波波器器dB混混頻頻器器2 2fZ2(固固定定)f2(固固定定)帶帶通通濾濾波波器器窄窄帶帶濾濾波波器器混混頻頻器器1 1f1(可可調調)fZ1(固固定定)fx(第第一一本本振振)(第第二二本本振振)第六章 電壓測量技術n特點n大大提高靈敏度（可達-120dB，相當于0.775V）。n常稱為“高頻微伏表” 。n如DW-1型，頻率范圍為100kHz300MHz，最小量程15V 。 n應用n小信號電壓的測量以及從噪聲中測量有用信號。n放大器諧波失真的測量、濾波器衰耗特性測量及通信傳輸系統(tǒng)中。第六章 電壓測量技術一、概述關鍵：A/D變換4-5、電壓測量的數(shù)字化方法數(shù)字電壓表的組成框圖第六章

18、 電壓測量技術非積分式非積分式逐次逼近式逐次逼近式比較式比較式斜坡電壓式斜坡電壓式代表代表:代表代表:線性斜坡式線性斜坡式階梯斜坡式階梯斜坡式積分式積分式代表代表:雙斜式雙斜式多斜式多斜式根據(jù)A/D變換的不同方法分類：積分式非積分式第六章 電壓測量技術二、非積分式二、非積分式DVM1、逐次逼近式、逐次逼近式原理：與天平稱重相似原理：與天平稱重相似砝碼砝碼待測待測W/2 W/4 W/8 W/16原則：大者棄，小者留原則：大者棄，小者留第六章 電壓測量技術鐘脈沖鐘脈沖起始脈沖起始脈沖逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SAR顯示器顯示器譯碼器譯碼器比較器比較器D/A變換器變換器VrefVfMSB2-12-

19、2例例:三位二進三位二進制制,Vr=5V,Vx=4VSAR輸出輸出順序順序D/A送出送出比較比較比較器輸出比較器輸出結果結果1100Vr/2=2.52.50保留保留2110Vr/2+Vr/22=3.753.750保留保留3111 Vr/2+Vr/22+Vr/23=4.375 4.3754Vo0舍棄舍棄0000000110 經(jīng)過譯碼顯示經(jīng)過譯碼顯示3.75V逐次逼近比較式逐次逼近比較式A/D變換過程變換過程第六章 電壓測量技術2xrnNVV第六章 電壓測量技術逐次逼近比較式存在量化誤差逐次逼近比較式存在量化誤差.結論結論:其準確度由基準電壓、其準確度由基準電壓、D/A變換器、比較器的漂移變換器、

20、比較器的漂移所決定。所決定。變換時間與輸入電壓大小無關，僅由它的數(shù)碼的變換時間與輸入電壓大小無關，僅由它的數(shù)碼的位數(shù)（比特數(shù)）和鐘頻決定。位數(shù)（比特數(shù)）和鐘頻決定。逐次逼近比較式的逐次逼近比較式的A/D變換能兼顧速度和精度和成變換能兼顧速度和精度和成本三個方面的要求。本三個方面的要求。由于測量值對應于瞬時值，而不是平均值，所以抗由于測量值對應于瞬時值，而不是平均值，所以抗串模干擾能力差。串模干擾能力差。2xrnNVV第六章 電壓測量技術2、斜坡電壓式DVM第六章 電壓測量技術0VxVx、V Vr r門門控控信信號號計計數(shù)數(shù)輸輸入入NV Vr rt1bT0T0 xVkTkT NeNNTRCUUr

21、x0第六章 電壓測量技術【例例4-3】 某斜波式DVM， 4位數(shù)字讀出，已知基本量程為10 V， 斜坡發(fā)生器的斜率為10 V/50 ms。試計算時鐘信號頻率， 若計數(shù)值N6223， 則被測電壓值是多少？ 解解：時鐘信號頻率為kHz 020ms 05000 100f現(xiàn)若計數(shù)值N6223， 則門控時間ms 511.31kHz 200622300fNNTTV 322. 6ms 511.31ms 50V 10 kTUx又由斜率k10 V/50 ms，即可得被測電壓為第六章 電壓測量技術1、雙斜式積分、雙斜式積分(雙積分式雙積分式)DVM（1）、簡化組成方框圖）、簡化組成方框圖V-T變換變換特點特點:在

22、一次測量過程中，用同一積分器先后進行兩次積分。在一次測量過程中，用同一積分器先后進行兩次積分。三、積分式A/D邏輯邏輯控制電路控制電路十進計數(shù)器十進計數(shù)器主門主門A1A2-+-+c積分器積分器比較器比較器時鐘時鐘Vo-VxVrefs1s212第六章 電壓測量技術t1VxVxVoVomVomT1T2T2（2）、工作（二次積分）過程：）、工作（二次積分）過程：首先：首先： 對對VX定時定時積分積分其次：其次： 對對Vr定值定值積分積分比較比較（屬于（屬于VT變換）變換）第六章 電壓測量技術1、無干擾時、無干擾時 121)(1ttxxomVRCTdxVRCV2、有串模干擾、有串模干擾Vsm時時)(s

23、mxxVVv 則：則： 2111ttxxomvRCTdxvRCV定時積分定時積分結論：平均值減少了影響結論：平均值減少了影響在在T1內：內：（1）（3）、基本關系式）、基本關系式t1VxVxVoVomVomT1T2T2第六章 電壓測量技術定值反向積分定值反向積分在在T2內：內：01232 refomttrefomoVRCTVdtVRCVV將（將（1）式代入（）式代入（2）式，有）式，有（2）xrefVVTT12 refrefxVNNVTTV1212 t1VxVxV0VomVomT1T2T2將V轉化為T（時間間隔）來測量第六章 電壓測量技術討論：優(yōu)點：a、XXVNVT22即b、 與RC無關（積分

24、元件），對RC的準確度要求下降。c、Vx與 T2/T1有關，而不決定于T1和T2本身的大小，由于T1和T2采用同一個時鐘源提供時鐘脈沖計數(shù)，故對fosc要求降低。221xrNVVeNNrefXVTTV12d、抗干擾能力強例如：當例如：當2444110,101066NNVVVxr當當,10242 N則則Vx=2V。1rVeN第六章 電壓測量技術缺點：a、測量速度低。b、量化誤差影響C、積分器非線性帶來誤差第六章 電壓測量技術2 2、三斜積分式、三斜積分式ADCADC（1 1）基本原理：）基本原理：n三次積分過程三次積分過程。n在雙斜積分式在雙斜積分式ADCADC基礎上，為進一步提高基礎上，為進一

25、步提高ADCADC的的分辨力分辨力而而設計的設計的n將雙斜積分式將雙斜積分式ADCADC的第二次積分過程，分解為兩次，使的第二次積分過程，分解為兩次，使積分器輸出即將到達零點時，積分器輸出即將到達零點時，加長積分過程加長積分過程（緩慢積緩慢積分分），以降低對比較器的分辨力和帶寬要求。），以降低對比較器的分辨力和帶寬要求。n組成：包括積分器、組成：包括積分器、2 2個比較器、個比較器、2 2個計數(shù)器及邏輯控制個計數(shù)器及邏輯控制電路。電路。第六章 電壓測量技術主主門門高高 位位 計計 數(shù)數(shù)器器 A A邏邏 輯輯 控控 制制 電電 路路數(shù)數(shù) 字字輸輸 出出時時 鐘鐘S 1S 2CRVx-Vr積積 分

26、分 器器比比 較較 器器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1復復 零零t2t31VoVomT1T2N1N2t積積 分分波波 形形計計 數(shù)數(shù) 器器輸輸 入入a.b.清清 零零低低 位位 計計 數(shù)數(shù)器器 B B主主門門清清 零零-+ABR 1R 2R 3t32T3N3VtVr/10nVtN N2 2N3f0T0T0T0復零階段定時積分斜率大大降低了第六章 電壓測量技術n（2）工作過程）工作過程n當積分完成時，有當積分完成時，有n考慮到，考慮到， ( (其中其中T T0 0為時鐘周期為時鐘周期) )則則式中，式中， 為刻度系數(shù)（為刻度系數(shù)（V/V/字）；而字）；而 即為即為A/DA/D轉換結

27、果的數(shù)字量（由計數(shù)器轉換結果的數(shù)字量（由計數(shù)器A A和計數(shù)器和計數(shù)器B B的計的計數(shù)值數(shù)值N N2 2和和N N3 3加權得到）。加權得到）。231110nxrTTTVVRCRC11 022033 0,TN TTN T TN T2311()10rxnVVNNeNN1rVeN23110nNNN第六章 電壓測量技術四、 電壓測量的常用技術指標1、被測電壓的電壓幅度、頻率范圍量程：kVnV1基本量程： A/D變換器的電壓范圍第六章 電壓測量技術2、DVM的顯示位數(shù)1.9992.000檔19.99910.00檔4位9.99910.00檔表示顯示檔位位214位2133、超量程能力：最大計數(shù)可超過量程。

28、完整顯示位 09十位1/2位，指的是最高位只能取“1”或“0”；以及“0”到“4”5.000檔4.999位213第六章 電壓測量技術5、測量速度： 取決于A/D變換器的變換速度。4、分辨力： DVM能夠顯示出的VX的最小變化值。200mV檔：最大顯示199.9mV，最大分辨力0.1mV即顯示器末位跳動一個數(shù)字所需的電壓值第六章 電壓測量技術n固有誤差表達式：( %)xmVVV 6、測量誤差（不確定度）組成：固有誤差+附加誤差（溫度等）。 誤差的相對項系數(shù)； 誤差的固定項系數(shù)；U x 被測電壓讀數(shù)；U m 該量程的滿度值。固有誤差由兩部分構成：%xVn讀數(shù)誤差： 與當前讀數(shù)有關。 %mV滿度誤差

29、： 與當前讀數(shù)無關，只與選用的量程有關示值（讀數(shù)）相對誤差為：( %)mxxVVVV 第六章 電壓測量技術%mV( %)xmVVV ( %)xVVn 字V%mV%第4章 電壓測量技術【例例4-4】 用某位DVM測量1.5 V的電壓， 分別用2 V擋和200 V擋測量， 已知2 V擋和200 V擋固有誤差分別為(0.025Ux1字)和(0.03Ux1字)。 試問兩種情況下由固有誤差引起的測量誤差各為多少？214解解： 該DVM為四位半顯示， 最大顯示為19 999， 所以2 V擋和200 V擋1個字分別代表和V 0001. 0200002e2UV .01020000200200eU第4章 電壓測

30、量技術用2 V擋測量的示值相對誤差為用200 V擋測量的示值相對誤差為%032. 05 . 1)0001. 05 . 1%025. 0(22xeUU%70. 05 . 1)01. 05 . 1%03. 0(200200 xeUU第六章 電壓測量技術7、輸入阻抗及輸入零電流n輸入等效電路：Rs為Vx的等效內阻，Ri為等效輸入電阻I0為輸入零電流。 第六章 電壓測量技術（1）串模干擾和串模抑制比：措施： a、 輸入端設置濾波器；b、 A/D轉換原理上采用雙積分式消除。串模干擾定義：指干擾源以串聯(lián)形式與被測電壓一起疊加到DVM輸入端。Vsm來源：穩(wěn)壓電源的紋波電壓，外界大的用電器強磁場穿過測量電路產生的感應電勢。8、抗干擾能力VsmVxRl1Rl2Zi高端高端低端低端DVM第六章 電壓測量技術衡量DVM對串模干擾的抑制能力：VsmdBSMRlg20)(串模干擾電壓峰值由Vsm造成的最大顯示誤差SMR越大，DVM抗干擾能力越強。n一般DVM的串模抑制比為（5090）dB。第六章 電