第5章_電壓測量

1、第五章電壓測量，2，1，電壓測量的重要性，電壓測量是電氣測量和非電力測量的基礎(chǔ)。在電測量中，很多電的測量可以轉(zhuǎn)換為電壓測量。表征電信號能量的三個基本參數(shù)：電壓、電流、功率中：電流、功率電壓、測量電路工作狀態(tài)：飽和和閉合、線性度、失真電壓表征非電氣測量、物理體積電壓信號、溫度測量高頻(無線):1MHz以上。2.測量范圍寬、微弱信號：心電圖、地震波等，鉛復級(10-9V)；超高壓信號：電力系統(tǒng)，數(shù)百千伏。3.電壓波形的多樣化電壓信號波形是測量信息的載體。各種波形：純正弦波、扭曲正弦波、方波、三角波、梯形隨機噪聲。4，4。阻抗匹配在多級系統(tǒng)中，輸出級別阻抗影響下一個輸入級別。在直流測量中，輸入阻抗與

2、測量的信號源等效的內(nèi)部電阻形成分壓，使測量結(jié)果變小。例如：使用電壓表和電流表測量電阻，測量小電阻時，必須使用電壓表并行方案。測量大電阻時，應(yīng)采用電流表連接方案。交流測量中輸入阻抗的不匹配導致信號反射。第二，電壓測量的特點，5，5。測量精度的要求在10-1到10-9之間。6.測量速度的要求很不同。靜態(tài)測量：慢速變化信號(DC)，每秒幾次動態(tài)測量：高速瞬態(tài)信號，數(shù)億次/秒(數(shù)百MHz)準確度和速度相矛盾，需要根據(jù)需要確定。7.抗干擾性能工業(yè)現(xiàn)場測試有很大的干擾。2，電壓測量的特點，6，5.1.2電壓測量方法和分類，電壓測量方法的分類按對象：直流電壓測量技術(shù)：模擬測量；數(shù)字測量1)交流電壓的模擬測量

3、方法表示交流電壓的三個基本參數(shù)：有效值、峰值和平均值。以有效值測量為主。方法：交流電壓(有效值、峰值和平均值)-直流電流-驅(qū)動標題-有效值、峰值和平均電壓表、電壓表等。7，2)數(shù)字直流電壓測量方法模擬直流電壓-A/D轉(zhuǎn)換器-數(shù)字數(shù)量-數(shù)字顯示(直觀)數(shù)字電壓表(DVM)、數(shù)字多用表(DMM)。3) AC電壓的數(shù)字測量AC電壓(有效值、峰值和平均值)-DC電壓-A/D轉(zhuǎn)換器-數(shù)字數(shù)量-數(shù)字顯示DVM(DMM)擴展。5.1.2電壓測量方法和分類，8，4)基于采樣的交流電壓測量方法交流電壓-A/D轉(zhuǎn)換器-瞬時采樣值U (K)-計算(例如，在有效值樣式中，N是u(t)的持續(xù)時間)。5)示波器測量方法交

4、流電壓-模擬或數(shù)字示波器-波形顯示-讀取結(jié)果，5.1.2電壓測量方法和分類，The End，9，5.2電壓標準，電壓和電阻是電磁學的兩個基本量。電壓基準和電阻基準其他電磁基準。電壓標準如下：1)標準電池(物理標準，10-7)；2)吉娜管電壓標準(固態(tài)標準，10-6)；3)約瑟夫森楊紫電壓標準(量化自然標準，10-10)。阻力標準包括：1)精密導線繞組電阻(物理標準)；2)霍爾電阻標準(量化自然標準，10-9)。5.2.1直流電壓標準，10，5.2.1直流電壓標準，1 .標準電池原理：利用化學反應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的電動勢(1.01860V)。飽和型和不飽和型。飽和型特征：電動勢非常穩(wěn)定(年穩(wěn)定性小于

5、0.5V，相當于510-7)，但溫度系數(shù)更大(約40V/)。用于測量部門溫度調(diào)節(jié)條件下的電壓標準裝置。不飽和性質(zhì)：溫度系數(shù)較小(約4V/)，但穩(wěn)定性較差。用于一般工作工具，如實驗室常用的便攜式電位差計。11，2。吉娜管電壓標準，原理是利用吉娜二極管的電壓調(diào)節(jié)特性制作的電子電壓標準(也稱為固體電壓標準)。珍娜的電壓調(diào)節(jié)特性仍然受溫度漂移的影響，使用高穩(wěn)定電源和內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)電路，溫度系數(shù)很低。與恒溫控制電路集成的精密電壓基準源，如LM199/299/399、REF系列。12，3。約瑟夫森楊紫電壓基準，約瑟夫森效應(yīng)的楊紫電壓基準約瑟夫森效應(yīng)約瑟夫森隧道結(jié)：徐璐分離的兩個超導體之間(約10的絕緣層)楊

6、紫隧道效應(yīng)導致超導電流(約mA水平)約瑟夫森效應(yīng)：約瑟夫森結(jié)兩邊加上電壓V，獲得穿透絕緣層的超導電流。這是交流電流，稱為交流約瑟夫遜效應(yīng)。13，約瑟夫森效應(yīng)：電壓v約瑟夫森結(jié)超導電流。超導交流電流的頻率在形式中：E是電子電荷，H是普朗克常數(shù)，因此KJ是常數(shù)。電壓V為mV大小時，頻率F等于厘米波。反效果：如果約瑟夫遜結(jié)放在微波場中(即在超導狀態(tài)下的約瑟夫森結(jié)發(fā)射微波)，則可以從約瑟夫森結(jié)中獲得量子化階梯電壓Vn。即微波(頻率F)約瑟夫森結(jié)量化階梯電壓Vn(第N階梯)。3 .約瑟夫森楊紫電壓基準，14，約瑟夫森電壓基準根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)以穩(wěn)定頻率(F)確定電壓V。也就是說，可以以時間(頻率)為單位獲

7、得量化電壓基準。量化電壓基準的準確度可以接近時間(頻率)準確度。國際計量委員會的建議：自1990年1月1日起，世界范圍內(nèi)同時啟用了約瑟夫森電壓楊紫標準(JAVS，10-10)。給了KJ-90=483597.9GHz/V。3 .約瑟夫森楊紫電壓標準，15，5.2.2高頻電壓標準，原理由直流電壓標準設(shè)定。因此，需要進行AC-DC轉(zhuǎn)換。熱電阻橋高頻電壓標準的基本原理：高頻電壓通過單個電阻(如熱電阻)，該電阻吸收高頻電壓，因此電阻發(fā)生變化。標準直流電壓也適用于此電阻，如果發(fā)生的電阻值變化相同，則高頻電壓的有效值等于直流電壓。雙熱阻橋：請參閱教科書p185，圖5-1。The End、16、5.3交流電壓

8、測量、峰值、平均值、有效值、峰值系數(shù)和波形系數(shù)。峰值0基于水平的最大電壓大小(以Vp表示)。注意事項：參考直流元件的最大電壓大小稱為振幅，通常以單位表示。5.3.1表上交流電壓的基本參數(shù)，17，5.3.1表上交流電壓的基本參數(shù)，平均(平均)數(shù)學定義的平均值(平均)是與交流電壓u(t)對應(yīng)的直流組件。在交流電壓測量中，平均值通常是傳播或半波整流后的波形(如果不是特別的話，通常都是電波整流):理想正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，2/T，18，5.3表達式：直流電壓V由T內(nèi)阻R生成的熱量Q_=I2RT對于理想正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，=2/T峰值系數(shù)和波形系數(shù)峰值系數(shù)定義：峰值

9、與有效值的比率，以Kp表示，20，5.3.1表示交流電壓的基本參數(shù)，峰值系數(shù)和波形。對于理想正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，如果=2/T，21，5.3.1表示交流電壓的基本參數(shù)，則可以確定峰值和波形系數(shù)的典型波形峰值和波形系數(shù)，例如正弦波：Kp=方波：KP=三角波：Kp=1.73，KF=1.15；鋸齒波：Kp=1.73，KF=1.15；脈沖波：Kp=，KF=，脈沖寬度，T為周期白噪聲：Kp=3(大于)，KF=1.25。22，5.3.2交流/直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性和錯誤分析，1)交流/直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換原理模擬電壓表的交流電壓測量原理：交流電壓-直流電流(有效值、峰值和平均值)交流

10、電壓-有效值，以及由不同的檢測電路實現(xiàn)。峰值檢測原理由二極管峰值檢測電路完成。二極管連接和并行。下圖。23，1)交流/直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換原理，二極管峰值檢測電路(a .為此，Rs和rd分別作為等效信號源u(t)的內(nèi)部電阻和二極管正向傳導電阻，C作為充電容量(在并行檢測電路中充當C度直流電)，C從波形圖中可以看出，峰值檢測電路的輸出有微小的波動，平均值比實際峰值略小。1)交流/直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換原理，25，1)交流/直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換原理，平均檢測原理全/半波整流電路：I0的平均值(無線電I0的平均值為，26，1)交流/直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換原理缺點：精度低，動態(tài)范圍

11、小。在實際應(yīng)用中，使用分段接近平方法的二極管電壓特性圖的電路。27，1)利用AC/DC電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換原理、模擬運算的集成電路檢查原理圖，通過多級算術(shù)器連接實現(xiàn)模擬乘法器(平方)積分平方。單個集成TRMS/DC電路，例如AD536AK等。28，1) AC/DC電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換原理，使用熱電偶有效值檢測熱電效應(yīng)，熱電效應(yīng)原理圖列端T和冷端T0存在溫差(即TT0)時，存在熱電，熱電的大小與溫差T=T-T0成正比，29，使用熱電偶有效值檢測熱電偶：特別包裝和校準兩種不同金屬后，稱為一對熱電偶(熱電偶)。熱電偶溫度測量原理：如果冷端溫度是一定的基準溫度，則熱端(測量的溫度點)的溫度可以通過

12、熱電動勢獲得。熱電偶有效值檢測原理：通過測量的交流電壓加熱熱電偶的熱端，熱電動勢反映交流電壓的有效值，實現(xiàn)有效值檢測波。下圖。，1)交流/直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換原理，30，熱電偶有效值檢查原理圖中直流電流I與測量電壓u(t)的有效值V的關(guān)系，1)交流/直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換原理熱電偶熱電動勢EfVo2和EF=K2VO2如果兩對熱電偶具有相同的特性(例如k1=k2=k，=差異放大器輸入電壓Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2)，則如果放大器增益足夠大，則Vi=0，=VO有效值分別為V1、V2、V3時，讀數(shù)是實際有效值電壓計，在兩種情況下，讀數(shù)變小。也就是說，對于峰值系數(shù)較大的交流電壓波形

13、，電路飽和會導致電壓表中出現(xiàn)“削波”。高于電壓表有效帶寬的波形分量被抑制。所有有效值元件都會遺失。缺點：環(huán)境溫度的影響大，結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常使用峰值或平均電壓表測量有效值。1)交流/直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換原理，34，2)峰值電壓表原理，刻度特性和誤差分析，輸入u(t)作為正弦波，u(t)的有效值v(純正弦波的峰值vv)對于不是正弦波的隨機波形，讀數(shù)沒有直接意義(不等于峰值Vp或有效值V)。但是，可以從讀數(shù)轉(zhuǎn)換最高值和有效值。35，比例特性從讀數(shù)轉(zhuǎn)換最高值和有效值的轉(zhuǎn)換步驟如下：第一階段，假設(shè)讀數(shù)等于有效值的純正弦波輸入時的讀數(shù)，即第二階段，將V轉(zhuǎn)換為純正弦波的峰值的第三

14、階段，峰值等于Vp的經(jīng)測試波形(任意波)輸入。注：“對于峰值電壓表，第四步可以統(tǒng)一推導波形的峰值系數(shù)(可在查找表中使用)、有效值、2)峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析、36、刻度特性以上的過程，如下所示：此公式表示要從所有波形的讀數(shù)中獲得有效值，必須乘以系數(shù)K。(如果表達式的波是正弦，則k=1，讀數(shù)是正弦波的有效值。)、2)峰值電壓表原理、標度特性和誤差分析，37、標度特性摘要，對所有波形，峰值電壓表的讀數(shù)沒有直接意義，必須從讀數(shù)到最高值和有效值進行換算。轉(zhuǎn)換關(guān)系匯總?cè)缦拢罕磉_式中為峰值電壓表讀數(shù)，Kp為峰值系數(shù)。波形誤差。直接使用讀數(shù)作為有效值時發(fā)生的誤差。2)峰值電壓表原理，刻度特性和誤差分析，38，3)平均電壓表原理，刻度特性和誤差分析，原理平均響應(yīng)，即u(