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1、,第三部分基本電參量測量 第2章 電壓測量,2.1 交流電壓的測量 2.2 直流電壓的數(shù)字化測量及A/D轉(zhuǎn)換原理 2.3 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用表 2.4 電壓測量的干擾及抑制技術(shù) 2.5 阻抗測量,2.1 交流電壓的測量,2.1.1 表征交流電壓的基本參量 峰值、平均值、有效值、波峰因數(shù)和波形因數(shù)。 峰值 峰值：以零電平為參考的最大電壓幅值（用Vp表示 ）。 振幅：以直流為參考的最大電壓值。,平均值（均值） 交流電壓測量中，平均值通常指經(jīng)過電壓的絕對值（全波或半波整流后的波形）在一個周期內(nèi)的平均值： 對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t),有效值 定義：交流電壓u(t)在

2、一個周期T內(nèi)，通過某純電阻負載R所產(chǎn)生的功耗，與一個直流電壓V在同一負載上、相同時間內(nèi)產(chǎn)生的功耗相等時，則該直流電壓V的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)的有效值。 表達式： 直流電壓V在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的能耗： 交流電壓u(t) 在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的能耗： 由Q_= Q得，有效值： 理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t):,2.12 交流/直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性,1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理 峰值檢波原理： 由二極管峰值檢波電路完成。,平均值檢波原理 由二極管橋式整流（全波整流和半波整流）電路完成。,有效值檢波原理 利用模擬運算的集成電路檢波 通過多級運算器級連實現(xiàn) 模擬乘法器（平

3、方）積分開方比例運算。,利用熱電偶有效值檢波 熱電效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一個閉合回路，當兩節(jié)點處溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電動勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。 當熱端T和冷端T0存在溫差時（即TT0），則存在熱電動勢，且熱電動勢的大小與溫差T=T-T0成正比。,熱電偶有效值檢波原理圖 圖中，直流電流I與被測電壓u(t)的有效值V的關(guān)系： 電流I熱電動勢熱端與冷端的溫差，而熱端溫度u(t)功率u(t)的有效值V的平方，故，,表頭刻度線性化處理：采用兩對相同的熱電偶，分別稱為測量熱電偶和平衡熱電偶，如下圖。,2.13 模擬式交流電壓表,模擬電

4、壓表組成方案 一種是先檢波后放大，稱為檢波-放大式； 一種是先放大后檢波，稱為放大-檢波式。 模擬電壓表的兩個重要指標：帶寬和靈敏度(分辨力)。 1）檢波放大式,檢波器 決定電壓表的頻率范圍、輸入阻抗和分辨力。 峰值電壓表常用這種類型。 放大器 采用橋式直流放大器，它具有較高的增益。 直流放大器的零點漂移也將影響電壓表的靈敏度。,2）放大-檢波式電壓表 組成框圖 放大器 寬帶交流放大器決定了電壓表的頻率范圍。一般上限為10MHz。常稱為“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表” 。 靈敏度受仍受寬帶交流放大器內(nèi)部噪聲限制。,2.13 模擬式交流電壓表,3）分貝測量 分貝 當用分貝表示功率時，定義為： 當用

5、分貝表示電壓時， 由功率與電壓的關(guān)系： 和 當R1=R2時，有:,分貝 若P2= P0（基準量），并取P0=1mW； P1=被測功率，用Px表示，其分貝值用dBm表示（下標m指示以mW為單位表示被測功率絕對值）。 則功率電平： 顯然，當Px=P0=1mW為0dBm時，若Px1mW，分貝值為正，若Px1mW，分貝值為負。,分貝 電壓電平：以600電阻上吸收P0=1mW的基準功率時電壓的有效值為參考基準量V0。 由于 因此，取基準量V0=0.775V，其分貝值用dB或dBV表示（下標V指示以V為單位表示被測電壓絕對值）。 對于任意被測電壓Vx，其電壓電平定義為 和 之間可換算或查表。,4）電壓表的

6、使用 峰值電壓表 檢波-放大式。 峰值響應(yīng)、頻率范圍較寬（達1000MHz）但靈敏度低（mV級）。 “調(diào)制式電壓表”：采用高增益低漂移的調(diào)制式直流放大器，使測量靈敏度大為提高，從mV級提高到幾十V 。,均值電壓表 放大-檢波式。 均值響應(yīng)、靈敏度比峰值表有所提高但頻率范圍較?。?0MHz），主要用于低頻和視頻場合。 有效值電壓表 可以直接讀出有效值，非常方便。 由于削波和帶寬限制，將可能損失一部分被測信號的有效值，帶來負的測量誤差。 較為復(fù)雜，價格較貴。,2.2 直流電壓的數(shù)字化測量及A/D轉(zhuǎn)換原理,2.21 DVM的組成原理及主要性能指標 1）DVM的組成 數(shù)字電壓表（Digital Vol

7、tage Meter，簡稱DVM）。 組成框圖,2）主要性能指標 顯示位數(shù) 完整顯示位：能夠顯示09的數(shù)字。 非完整顯示位(俗稱半位)：只能顯示0和1（在最高位上）。 量程 基本量程：無衰減或放大時的輸入電壓范圍，由A/D轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍確定。 通過對輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴展其他量程。 如基本量程為10V的DVM，可擴展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五檔量程； 基本量程為2V或20V的DVM，可擴展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五檔量程。,分辨力 指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映了DVM靈敏度。 不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力

8、不同，顯然，在最小量程上具有最高分辨力。 例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以測量的最大輸入電壓為199.9mV，其分辨力為0.1mV/字（即當輸入電壓變化0.1mV時，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個字” ）。 分辨率：用百分數(shù)表示，與量程無關(guān)，比較直觀。 如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力為0.1mV，則分辨率為：,測量精度 取決于DVM的固有誤差和使用時的附加誤差（溫度等）。 固有誤差表達式： 相對誤差為： 固有誤差由兩部分構(gòu)成：讀數(shù)誤差和滿度誤差。 讀數(shù)誤差： 與當前讀數(shù)有關(guān)。主要包括DVM的刻度系數(shù)誤差和非線性誤差。 滿度誤差： 與當前讀數(shù)無關(guān)，只與選用的量程有關(guān)。,

9、2.22 A/D轉(zhuǎn)換原理,A/D轉(zhuǎn)換器分類 積分式：雙積分式、三斜積分式、脈沖調(diào)寬（PWM）式、電壓-頻率（V-F）變換式等。 非積分式：斜波電壓（線性斜波、階梯斜波）式、比較式（逐次逼近式、零平衡式）等。,1）逐次逼近比較式ADC 基本原理：將被測電壓和一可變的基準電壓進行逐次比較，最終逼近被測電壓。即采用一種“對分搜索”的策略，逐步縮小Vx未知范圍的辦法。 假設(shè)基準電壓為Vr=10V，為便于對分搜索，將其分成一系列（相差一半）的不同的標準值。 Vr可分解為： 上式表示，若把Vr不斷細分（每次取上一次的一半）足夠小的量，便可無限逼近，當只取有限項時，則項數(shù)決定了其逼近的程度。,現(xiàn)假設(shè)有一被測

10、電壓Vx8.5V，若用上面表示Vr的4項5V、2.5V、1.25V、0.625V來“湊試”逼近Vx，逼近過程 Vx5V （首先，取5V項，由于5V8.5V，則應(yīng)去掉該項， 記為數(shù)字0） +0.625V （再取0.625V項，此時5V+2.5V+0.625V8.5V，則保留該項， 記為數(shù)字1） 8.125V（得到最后逼近結(jié)果） 總結(jié)上面的逐次逼近過程可知，從大到小逐次取出Vr的各分項值，按照“大者去，小者留”的原則，直至得到最后逼近結(jié)果，其數(shù)字表示為1101。,上述逼近結(jié)果與Vx的誤差為8.125V8.5V0.375V。 顯然，當Vx(8.125V8.75V)之間時，采用上面Vr的4個分項逼近的

11、結(jié)果相同，均為8.125V。,原理框圖,最后的D/A轉(zhuǎn)換器輸出已最大限度逼近了Vx，且有 式中， NA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，nA/D位數(shù)， Vr參考電壓，VxA/D輸入電壓,如上面Vx8.5V，Vr10V，當用Vr的4個分項逼近時（相當于4位A/D轉(zhuǎn)換器），A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果為N（1101）213，即,2）單斜式ADC 非積分V-T式A/D轉(zhuǎn)換。 原理框圖,2）單斜式ADC,工作原理 斜波發(fā)生器：通常由積分器對一個標準電壓Vr積分產(chǎn)生，斜率為： 比較器的輸出觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，得到時間為T的門控信號。 在門控時間T內(nèi)，計數(shù)器對時鐘脈沖計數(shù)，即T=NT0，T0為時鐘信號周期。 計數(shù)結(jié)果N即表示了A/

12、D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量結(jié)果。即,2）單斜式ADC,工作原理 式中， 為定值，于是， 即，可用計數(shù)結(jié)果的數(shù)字量N表示輸入電壓Vx。 誤差分析 斜波電壓的線性和穩(wěn)定性、門控時間的測量精度。 比較器的漂移和死區(qū)電壓。 一般精度較低。 特點、應(yīng)用,3）雙積分式ADC,基本原理： 通過兩次積分過程(“對被測電壓的定時積分和對參考電壓的定值積分”)的比較，得到被測電壓值。 原理框圖 包括積分器、過零比較器、計數(shù)器及邏輯控制電路。,雙積分式ADC特點： 基于V-T變換的比較測量原理。 一次測量包括3個連續(xù)過程，所需時間為T0+T1+T2，其中，T0、T1是固定的，T2則與被測電壓Vx有關(guān)，Vx愈大T2愈大。一般轉(zhuǎn)換

13、時間在幾十ms幾百ms，（轉(zhuǎn)換速度為幾次/秒幾十次/秒），其速度是較低的，常用于高精度慢速測量的場合。 積分器的R、C元件對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果不會產(chǎn)生影響，因而對元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高。 參考電壓Vr的精度和穩(wěn)定性對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果有影響，一般需采用精密基準電壓源。（例如，一個16bit的A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率1LSB=1/216=1/655361510-6，那么，要求基準電壓源的穩(wěn)定性（主要為溫度漂移）優(yōu)于15ppm（即百萬分之15）。,雙積分式ADC特點： 比較器要求具有較高的電壓分辨力（靈敏度）和時間分辨力（響應(yīng)帶寬）。如一個6位的A/D轉(zhuǎn)換器，若滿度時積分器輸出電壓為10V，則ADC

14、的1LSB=10V/106=10uV，則要求比較器的靈敏度優(yōu)于10uV。響應(yīng)帶寬則決定了比較器及時響應(yīng)積分器輸出信號快速（斜率較陡峭）過零時的能力。 積分器響應(yīng)的是輸入電壓的平均值，因而具有較好的抗干擾能力。如輸入電壓vx=Vx+vsm，則T1階段結(jié)束時積分器的輸出為 DVM的最大干擾來自于電網(wǎng)50Hz工頻電壓（周期為20ms），因此，只要選擇T1時間為20ms的整倍數(shù)，則干擾信號vsm的平均值為零。,2.3 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用表,2.2.4 電流、電壓、阻抗變換技術(shù) I/V變換 基于歐姆定律，將被測電流通過一個已知的取樣電阻，測量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測電流。 為實現(xiàn)

15、不同量程的電流測量，可以選擇不同的取樣電阻。 如下圖。,2.2.4 電流、電壓、阻抗變換技術(shù),如圖，假如變換后 采用的電壓量程為200mV， 則通過量程開關(guān)選擇取樣 電阻分別為1k、100、 10、1、0.1，便可 測量200A、2mA、20mA、 200mA、2A的滿量程電流。,2.2.4 電流、電壓、阻抗變換技術(shù),Z/V變換(同樣基于歐姆定律) 對于純電阻，可用一個恒流源流過被測電阻，測量被測電阻兩端的電壓，即可得到被測電阻阻值。 而對于電感、電容參數(shù)的測量，則需采用交流參考電壓，并將實部和虛部分離后分別測量得到。 電阻-電壓（R/V）變換原理圖。 a.實現(xiàn)R/V變換的簡單原理 b.通過運

16、放實現(xiàn)比例測量的R/V變換,2.3.2 數(shù)字多用表,組成框圖 數(shù)字多用表（DMM）的主要特點 DVM的功能擴展。DMM可進行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測量。 測量分辨力和精度有低、中、高三個檔級，位數(shù)3位半8位半。,2.3.2 數(shù)字多用表,a. 二端法b. 四端法 二端法和四端法測電阻 圖a中，實際測量得到的電阻值為Rx+Rl1+Rl2（即包含了引線電阻和接觸電阻），使測量值偏大。 圖b中，Rl3和 Rl4上基本上無電流流過（線上無壓降），所測電壓為Rx兩端的電壓。,2.4 電壓測量的干擾及抑制技術(shù),2.41 干擾的來源及分類 分類：串摸干擾和共摸干擾。串摸干擾是指干擾信號以串聯(lián)疊加的形

17、式對被測信號產(chǎn)生的干擾；共摸干擾是指干擾信號同時作用于DVM的兩個測量輸入端（稱為高端H和低端L）。,2.42 串模干擾的抑制,串模干擾的誤差分析 以積分式DVM為例。設(shè)在被測電壓Vx上疊加有平均值為零的串模干擾信號un，即 可見，干擾電壓 以其平均值對測量 結(jié)果產(chǎn)生誤差。 其平均值為：,由 = =0， 由 =0，= 因此，只要滿足上面兩個條件之一，就可使 =0 它們是串模干擾抑制的理論依據(jù)。 串模抑制比（NMR，Normal Mode Ratio）。 用于定量表示DVM抑制串模干擾的能力。 的最大值為： (Un為干擾信號的幅度),定義NMR： 則， 可見，NMR與干擾信號周期（頻率）有關(guān)。

18、當滿足T1=kTn（k為正整數(shù)）時，NMR=(干擾被完全抑制)； 當T1一定時，若Tn愈?。ǜ蓴_信號頻率愈高），則NMR愈大；反之，則NMR愈小； 因此，串模干擾的最大危險在低頻，而50Hz的工頻干擾最為嚴重。,一般DVM的NMR為2060dB。例如，假設(shè)干擾信號最大幅度為1mV，若NMR=20dB，則干擾引入的最大誤差為0.1mV，相當于干擾信號最大幅度的10%； 若NMR=60dB，則最大誤差為1V，相當于干擾信號最大幅度的0.1%。,積分式DVM中的串模干擾抑制措施 依據(jù)： 和 以50Hz工頻干擾為例，討論相應(yīng)的抑制措施。 取定時積分時間T1為工頻周期的整數(shù)倍，即T120ms，40ms，

19、80ms，100ms等，這通過定時器（對標準時鐘信號分頻）即可簡單實現(xiàn)。 考慮到，50Hz工頻由于受電網(wǎng)波動其頻率是變化的，因此，需使積分時間T1跟隨工頻頻率自動調(diào)整變化。 取工頻信號的k個周期作為T1期； 工頻鎖相法。,2.43 共模干擾的抑制,抑制原理及基本方法 存在共模干擾時的DVM輸入等效電路（共模干擾是通過環(huán)路地電流對兩根測試導(dǎo)線（H、L端）共同產(chǎn)生影響）。,2.43 共模干擾的抑制,上式表明，共模干擾電壓完全100%引入到了測量輸入端（由共模干擾引起的串模干擾等于該共模電壓）。,2.43 共模干擾的抑制,共模抑制比（CMR，Common Mode Ratio） 定量表示DVM的對共

20、模干擾的抑制能力，定義為 CMR表示共模干擾電壓轉(zhuǎn)換為影響測量結(jié)果的串模干擾電壓的大小。 前例中，由于 ,所以，CMR0dB，即完全沒有抗共模干擾能力。 共模干擾的抑制措施 浮置測量：將DVM的接地端浮置，即不與機殼地連接（隔離），DVM接地端到機殼的絕緣電阻Z2。,2.43 共模干擾的抑制,浮置測量時DVM的輸入等效電路： 由圖可得：,2.43 共模干擾的抑制,將 （由于 ）代入上式，可得 此時，CMR為： 由于 ,所以浮置測量具有較高的共模抑制比。 共模電壓為直流時（Z2表現(xiàn)為純電阻）,CMR較高;而當共模電壓為交流時（由于有容抗的并聯(lián)作用，Z2比純電阻時減小了），CMR會有所降低。,2.43 共模干擾的抑制,雙端對稱測量：采用雙端對稱輸入連接到DVM，即DVM的H、L端對地均有較大阻抗。,2.43 共模干擾的抑制,由于Z1、Z2較大，可以有效的減小I