第5章 電壓測量(2).ppt

5 3 3模擬式交流電壓表 模擬電壓表組成方案檢波器是實現(xiàn)交流電壓測量 AC DC變換 的核心部件 同時 為了測量小信號電壓 放大器也是電壓表中不可缺少的部件 因此 組成方案有兩種類型 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 放大式電壓表組成框圖 1 檢波 放大式電壓表 a 組成框圖 b 提高靈敏度措施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 1 檢波 放大式電壓表 檢波器為提高頻率范圍 采用超高頻二極管檢波 其頻率范圍可從直流到幾百兆赫 并具有較高的輸入阻抗 檢波二極管的正向壓降限制了其測量小信號電壓的能力 即靈敏度限制 同時 檢波二極管的反向擊穿電壓對電壓測量的上限有所限制 為減小高頻信號在傳輸過程中的損失 通常將峰值檢波器直接設計在探頭中 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 1 檢波 放大式電壓表 放大器為提高靈敏度 采用高增益 低漂移的直流放大器 如斬波穩(wěn)零式直流放大器 其靈敏度可達幾十微伏 稱之為 調制式電壓表 檢波 放大式電壓表常稱為 高頻毫伏表 或 超高頻毫伏表 國產(chǎn)HFJ 8型高頻毫伏表 調制式 5 3 3模擬式交流電壓表 2 放大 檢波式電壓表組成框圖先放大再檢波 因此靈敏度很高 均值電壓表常用這種方式 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 靈敏度受寬帶交流放大器內部噪聲限制 5 3 3模擬式交流電壓表 3 分貝測量及寬頻電平表分貝聲學中 分貝是表示音量強弱的一個單位 通信系統(tǒng)中 也常用分貝表示電平或功率 當用分貝表示功率時 定義為 當用分貝表示電壓時 由功率與電壓的關系 和當R1 R2時 有 3 分貝測量及寬頻電平表 分貝可見 分貝是一個用對數(shù)表示的相對量值 記作dB 如果相對于一個確定的參考基準量 此時的分貝值則表示了一個絕對電平 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Px 1mW 分貝值為正 若Px 1mW 分貝值為負 3 分貝測量及寬頻電平表 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 3 分貝測量及寬頻電平表 寬頻電平表具有分貝讀數(shù)的電壓表稱為 寬頻電平表 組成框圖 在均值電壓表 放大 檢波式 基礎上設計的 3 分貝測量及寬頻電平表 寬頻電平表如圖 輸入衰減器上用dB表示 輸入電平 選擇 衰減步進為10dB 相當于衰減倍 輸入衰減器可用標準電平振蕩器校準 可根據(jù)測量時的阻抗匹配原則選擇 輸入阻抗 一般有75 150 600 高阻共4檔 寬帶放大器上還有 電平校準 旋鈕 用于調節(jié)放大器增益 表頭刻度為dB 可以是dBV 測量電壓電平 或dBm 測量功率電平 兩者之一 也可以是兩者兼容 3 分貝測量及寬頻電平表 寬頻電平表寬頻電平表刻度特性及dB值的讀出 電壓電平測量 表頭標定時選擇輸入阻抗600 則對應的0dB電壓為0 775V 有效值 通常0dB約在表頭指針滿刻度的2 3左右 0dB的左邊為 dB 0 775V 表頭讀數(shù)只能表示輸入無衰減且交流放大器增益為1時被測電壓的分貝值 當引入衰減和放大后 被測電壓的dB值應為 衰減器讀數(shù) 表頭讀數(shù) 3 分貝測量及寬頻電平表 寬頻電平表注 衰減器的讀數(shù)是依據(jù)其后面的放大器增益標出的 并不表示其真實的衰減量 例如 若某電平表的最高靈敏度為 70dB 當輸入最小電壓 70dB時 衰減器不衰減 希望表頭指示0dB 則放大器輸出 加到檢波器輸入 必須為0 775V 相應的放大器增益應為70dB 而此時 雖然衰減器沒有衰減 但應標注為 70dB 則 當表頭讀數(shù)為0dB時 實際被測電壓dB值 70dB 0dB 70dB 3 分貝測量及寬頻電平表 寬頻電平表對功率電平的測量 實際上是對阻抗兩端電壓電平的測量 零刻度基準阻抗 與1mW基準功率對應的阻抗Z0 取為600 此時表頭的功率電平刻度與電壓電平刻度一致 實際表頭的功率電平刻度就是按600 零刻度基準阻抗 定度的 若選擇輸入阻抗Zi 600 就可直接從表頭讀出功率電平值 當Zi 600 時 則應根據(jù)讀出的電壓電平換算出功率電平 其換算公式為 4 外差式選頻電平表 原理外差式接收原理 特點大大提高靈敏度 可達 120dB 相當于0 775 V 常稱為 高頻微伏表 如DW 1型 頻率范圍為100kHz 300MHz 最小量程15 V 應用小信號電壓的測量以及從噪聲中測量有用信號 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 4 外差式選頻電平表 組成框圖組成 外差式接收機 寬頻電平表 兩級變頻 輸入fx與第一本振f1 可調 混頻 經(jīng)帶通濾波器選出fZ1 固定 4 外差式選頻電平表 組成 fZ1再與第二本振輸出f2 固定 混頻 得到固定的第二中頻fZ2 經(jīng)窄帶濾波器選出 中頻放大器 在窄帶中頻上有很高的增益 從而實現(xiàn)高靈敏度 表頭 dB刻度 外差式選頻電平表通過外差式接收機擴展了頻率范圍 通過窄帶中頻放大實現(xiàn)高靈敏度 很好地解決了測量靈敏度與頻率范圍的矛盾 5 電壓表的使用 了解不同電壓表的性能特點 根據(jù)應用場合加以選用 峰值電壓表檢波 放大式 峰值響應 頻率范圍較寬 達1000MHz 但靈敏度低 mV級 調制式電壓表 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mV級提高到幾十 V 讀數(shù)的換算 根據(jù)波峰因數(shù) 將讀數(shù)換算成有效值 或峰值 需注意 測量波峰因數(shù)大的非正弦波時 由于削波可能產(chǎn)生誤差 5 電壓表的使用 均值電壓表放大 檢波式 均值響應 靈敏度比峰值表有所提高但頻率范圍較小 10MHz 主要用于低頻和視頻場合 讀數(shù)的換算 根據(jù)波形因數(shù) 將讀數(shù)換算成有效值 或均值 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 較為復雜 價格較貴 5 電壓表的使用 寬頻電平表以分貝表示的功率電平和電壓電平 電壓電平 步進衰減器讀數(shù) 表頭讀數(shù) 功率電平 當輸入阻抗等于表頭標定時采用的零刻度基準阻抗600 時 功率電平與電壓電平具有相同的表頭刻度 否則 需用進行修正 選頻電平表外差式接收原理 內部放大器對窄帶中頻放大 增益很高 使測量靈敏度得到大幅提高 適合測量小信號 5 4直流電壓的數(shù)字化測量及A D轉換原理 5 4 1DVM的組成原理及主要性能指標1 DVM的組成數(shù)字電壓表 DigitalVoltageMeter 簡稱DVM 組成框圖 5 4 1DVM的組成原理及主要性能指標 1 DVM的組成組成框圖包括模擬和數(shù)字兩部分 輸入電路 對輸入電壓衰減 放大 變換等 核心部件是A D轉換器 AnalogtoDigitalConverter 簡稱ADC 實現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉換 數(shù)字顯示器 顯示模擬電壓的數(shù)字量結果 邏輯控制電路 在統(tǒng)一時鐘作用下 完成內部電路的協(xié)調有序工作 5 4 1DVM的組成原理及主要性能指標 應用直流或慢變化電壓信號的測量 通常采用高精度低速A D轉換器 通過AC DC變換電路 也可測量交流電壓的有效值 平均值 峰值 構成交流數(shù)字電壓表 通過電流 電壓 阻抗 電壓等變換 實現(xiàn)電流 阻抗等測量 進一步擴展其功能 基于微處理器的智能化DVM稱為數(shù)字多用表 DMM DigitalMultiMeter DMM功能更全 性能更高 一般具有一定的數(shù)據(jù)處理能力 平均 方差計算等 和通信接口 5 4 1DVM的組成原理及主要性能指標 2 主要性能指標顯示位數(shù)完整顯示位 能夠顯示0 9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 如4位DVM 具有4位完整顯示位 其最大顯示數(shù)字為9999 而位 4位半 DVM 具有4位完整顯示位 1位非完整顯示位 其最大顯示數(shù)字為19999 量程基本量程 無衰減或放大時的輸入電壓范圍 由A D轉換器動態(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 5 4 1DVM的組成原理及主要性能指標 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 用每個字對應的電壓值來表示 即V 字 不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同 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 5 4 1DVM的組成原理及主要性能指標 分辨力分辨率 用百分數(shù)表示 與量程無關 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 分辨率也可直接從顯示位數(shù)得到 與量程無關 如3位半的DVM 可顯示出1999 共2000個字 則分辨率為測量速度每秒鐘完成的測量次數(shù) 它主要取決于A D轉換器的轉換速度 一般低速高精度的DVM測量速度在幾次 秒 幾十次 秒 5 4 1DVM的組成原理及主要性能指標 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 示值 讀數(shù) 相對誤差為 式中 Vx 被測電壓的讀數(shù) Vm 該量程的滿度值 FullScale FS 誤差的相對項系數(shù) 誤差的固定項系數(shù) 固有誤差由兩部分構成 讀數(shù)誤差和滿度誤差 讀數(shù)誤差 與當前讀數(shù)有關 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 只與選用的量程有關 5 4 1DVM的組成原理及主要性能指標 測量精度有時將等效為 n字 的電壓量表示 即如某臺3位半DVM 說明書給出基本量程為2V 0 01 讀數(shù) 1字 則在2V量程上 1字 0 1mV 由2V 0 1mV可知 0 005 即表達式中 1字 的滿度誤差項與 0 005