電子測量技術(shù)(第3版)第五章第1部分

1、第5 5章 電壓的測量n 模擬萬用表模擬萬用表 數(shù)字萬用表數(shù)字萬用表本章使用的主要儀器有效值數(shù)字萬用表 圖形萬用表 多重顯示數(shù)字多用表 臺式數(shù)字多用表有效值電壓(電平)表超高頻毫伏表視頻毫伏表1電壓的主要特征 （1）量值的范圍寬。（2）波形的多樣化。 （3）頻率各不相同。 （4）不同端點(diǎn)的輸出阻抗不同。 （5）電壓成分多樣化。 5.1 概述圖5.1 常見電壓的波形 一個(gè)交流電壓的大小，可用平均值、峰值和有效值等多種方式來表示。(1)峰值的基本概念。交流電壓的峰值，是指交流電壓 u (t) 在一個(gè)周期內(nèi)（或一段觀察時(shí)間內(nèi)）電壓所達(dá)到的最大值。用（或Up）表示。(2)平均值的基本概念。平均值一般用

2、 表示， 在數(shù)學(xué)上定義為 TdttuTU0)(12交流電壓的量值表示式中 T 被測信號的周期； u (t)被測信號，為時(shí)間的函數(shù)。 對于一個(gè)純粹的交流電壓，正半周和負(fù)半周完全相同中， 等于零。此時(shí)，無法用平均值來表征電壓的大小。 交流電壓的測量中，交流電壓的平均值是指經(jīng)過測量儀器的檢波器后的全波平均值。定義為 TdttuTU0| )(|1（3）有效值的基本概念 交流電壓的有效值是指均方根值 （rms)，用U或Urms表示。它的數(shù)學(xué)表示式為 U = 它的物理意義為：在交流電壓的一個(gè)周期，這個(gè)交流電壓在某電阻負(fù)載中所產(chǎn)生的熱能如果與一個(gè)直流電壓在同樣的電阻負(fù)載中產(chǎn)生的熱能相等時(shí)，這個(gè)相當(dāng)?shù)闹绷麟妷?/p>

3、值就是該交流電壓的有效值。 各類交流電壓表的示值，除特殊情況外，都是用正弦有效值來度的。dttTu)(12電壓的有效值與平均值之比稱為波形因數(shù)KF，即 交流電壓的峰值與有效值之比稱為波峰因數(shù)KP，即 UUKFUUKPP3交流電壓量值的相互轉(zhuǎn)換 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(zhuǎn)換成指針偏轉(zhuǎn)角度的大小來度量。包括模擬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(shù)，變換成數(shù)字量，然后用數(shù)碼管以十進(jìn)制數(shù)字顯示被測量電壓值。4常用電壓測量儀器電路如圖5.3所示。圖中RV分壓電阻，阻值為 RV(UIg R g

4、) / Ig 式中 RV 串接的分壓電阻； Ig 磁電式表頭流過的電流； Rg 磁電式表頭內(nèi)阻。 5.2 模擬式電壓表5.2.1 簡單模擬式直流電壓表1單量程電壓表圖5.3 單量程直流電壓表原理圖2多量程電壓表 若采用多個(gè)分壓電阻與表頭串聯(lián)，就可制成多量程的直流電壓表。如圖5.4所示為四量程的直流電壓表。分壓電阻分別以下式計(jì)算：式中，U1、U2、U3、U4 各量程的滿量程電壓。1ggv1g21v2g32v3g43v4gUI RRIUURIUURIUURI圖5.4 多量程直流電壓表原理圖5.2.25.2.2 簡單模擬式交流電壓表（1）由于交流電壓靈敏度低于直流電壓靈敏度，所以測量交流電壓的誤差大

5、于測量直流電壓的誤差。（2）表盤上表針的偏轉(zhuǎn)角度近似于交流電壓的半波（或全波）整流電壓平均值，但表盤上刻度是按正弦有效值刻度的。（3）由于磁電式表頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模擬萬用表測量交流電壓的頻率范圍為45100Hz。（4）由于整流二極管在低電壓時(shí)的非線性，一般在交流電壓低量程擋也是非線性的，因而刻度也是非均勻的，因此，交流電壓10V擋單獨(dú)刻度。 電子電壓表在萬用表的基礎(chǔ)上加上放大環(huán)節(jié)，把微弱的被測電壓加以放大，然后再利用磁電式表頭進(jìn)行測量的儀表。5.3.15.3.1 概述1電子電壓表的結(jié)構(gòu) 電子電壓表一般由分壓器、磁電式指示表頭、檢波器、放大器和整機(jī)電源等五部分組成。按檢波器在放大器之前或之后，電子

6、電壓表有兩種組成形式，即放大-檢波式和檢波-放大式。5.3 電子電壓表（1）放大-檢波式。放大-檢波式電壓表的組成框圖如圖5.5所示。這種方案的主要特點(diǎn)是先用放大器將被測信號放大，提高測量靈敏度；同時(shí)，檢波器進(jìn)行的是大信號的檢波，避免了因檢波器的非線性產(chǎn)生的失真。其缺點(diǎn)是被測信號的頻率受到放大器帶寬的限制，影響了整機(jī)的帶寬。 圖5.5 放大-檢波式電壓表組成框圖（2）檢波-放大式。檢波-放大式電壓表的組成框圖如圖5.6所示。這種方案的主要特點(diǎn)是被測信號先檢波后放大，因此，帶寬主要取決于檢波器，其帶寬可很寬，上限頻率可達(dá)1000MHz，故有超高頻毫伏表之稱。其缺點(diǎn)是不能進(jìn)行阻抗變換，輸入阻抗低，

7、而且信號的最小量程是毫伏級。 圖5.6 檢波-放大式電壓表組成框圖（1）工作頻率范圍 指電子電壓表按規(guī)定的準(zhǔn)確度進(jìn)行測量的的電壓范圍。（2）靈敏度和量程 量程是指電子電壓表可以測量的電壓范圍；靈敏度則是指量程的下限。（3）準(zhǔn)確度和工作誤差 電子電壓表的準(zhǔn)確度通常由基本誤差、頻率附加誤差、溫度附加誤差等系統(tǒng)誤差來表征。（4）輸入阻抗 指輸入電阻R i和輸入電容C i的并聯(lián)值。2電子電壓表的性能指標(biāo)1可變分壓器可變分壓器的電路如圖5.7所示，這種分壓器也常稱為低阻分壓器。5.3.25.3.2 電子電壓表的分壓器圖5.7 可變分壓器的電路 2補(bǔ)償式分壓器 如圖5.8所示為補(bǔ)償式分壓器，也稱高阻分壓器

8、。補(bǔ)償式分壓器的分壓比為輸出電壓與輸入電壓之比，也等于R1、C1的并聯(lián)阻抗Z1與R2、C2的并聯(lián)阻抗Z2的阻抗比。 圖5.8 補(bǔ)償式分壓器的電路 即 當(dāng) ，即R1C1=R2C2時(shí)。輸出響應(yīng)為臨界補(bǔ)償狀態(tài)，如5.9（a）所示。當(dāng) ，即R1C1R2C2時(shí)。輸出響應(yīng)為過補(bǔ)償狀態(tài)，如5.9（c）所示。RRRCCC211211圖5.9 不同補(bǔ)償時(shí)的波形圖1峰值檢波器 峰值檢波器檢波后的直流電壓 UDC正比于輸入的交流電壓的峰值。 （1）工作原理。實(shí)現(xiàn)峰值檢波的基本電路如圖5.10所示。波形如圖5.11所示。 5.3.35.3.3 電子電壓表的檢波器 圖5.10 峰值檢波器電路 圖5.11 峰值檢波的波形

9、圖 刻度特性 峰值檢波器檢波后的直流電壓 UDC正比于被測電壓的峰值UP 。而一般情況下，峰值電壓表的讀數(shù)刻度是按正弦波的有效值刻度的，即表頭上的讀數(shù) 正比于被測正弦信號的有效值。所以，采用峰值檢波器的電壓表進(jìn)行測量時(shí)，讀出的數(shù)據(jù)應(yīng)通過一個(gè)因數(shù)K P進(jìn)行正弦波峰值有效值的變換。 n式中 電壓表讀數(shù)；n U 正弦電壓有效值；n K P 正弦電壓的波峰因數(shù)。KUPPU 均值檢波器是對放大后的被測電壓 ux進(jìn)行檢波，使檢波后的直流電壓UDC正于輸入交流電壓的平均值。工作原理 實(shí)現(xiàn)均值檢波的基本電路如圖5.12所示。2均值檢波器圖5.12 均值檢波器的電路 設(shè)輸入電壓為Ux (t) ，D1D4具有相同

10、的正向電阻Rd、相同的反向電阻為 Rr，微安表內(nèi)阻rm。于是正向平均電流為反向平均電流則為流過微安表為rRrRuImdTmdxUdttT22| )(|101rRrRuImdTmdxUdttT22| )(|101)2121(21rRrRIImdmdUI 通常，Rd為100 500，r m為1 4k， Rr300 500k，故可簡化為刻度特性 均值檢波后的直流電壓 UDC是正比于被測電壓的平均值 的。而一般情況下，均值電壓表的讀數(shù)刻度也是按正弦波有效值刻度的，即表頭上的讀數(shù) 正比于被測正弦信號的有效值。所以，采用均值檢波器的電壓表進(jìn)行刻度時(shí)，應(yīng)通過一個(gè)因數(shù) KF進(jìn)行變換。 dm2UIRrU = U

11、 = K F 式中 電壓表讀數(shù)； U 正弦電壓有效值； KF 正弦電壓的波形因數(shù)。 與峰值電壓表一樣，只有測量正弦電壓時(shí)，從電表上讀得的數(shù)值才有實(shí)際意義。 當(dāng)用均值電壓表測量非正弦波電壓時(shí)，讀數(shù) 沒有直接意義，只有把讀數(shù)值除以 KF才等于被測電壓 ux的平均值 。要求被測電壓的有效值，須經(jīng)過波形換算，按“平均值相等則讀數(shù)相等”的原則。Un有效值直流變換電路有分段逼近式檢波器、熱電偶式變換電路和模擬計(jì)算式變換電路。（1）分段逼近式檢波器 采用二極管的鏈?zhǔn)诫娐罚m當(dāng)選擇直流電源和分壓電阻值，使二極管輪流導(dǎo)通，獲得近似平方律的伏安特性。（2）熱電偶式變換電路 有效值直流變換電路是根據(jù)熱電變換原理來完

12、成交流電壓有效值到直流電流之間變換的。3有效值-直流變換電路TxdttTUu02)(1（3）模擬計(jì)算變換式 利用集成乘法器、積分器和開方器等計(jì)算電路，按公式 ，直接完成有效值的運(yùn)算。5.3.45.3.4 電子電壓表的放大器 電子電壓表中的放大器應(yīng)具有的特點(diǎn)是：輸入阻抗高、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、線性好。為滿足上述要求，電路中常采取一些措施。如前置級采用射極輸出器或源極輸出器以提高輸入阻抗；用較高的電源供電，采用飽和壓降小的三極管和選取合適的靜態(tài)工作點(diǎn)以擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。1峰值電壓表（1）輸入阻抗高，可達(dá)數(shù)兆歐姆，工作頻率寬，高頻可達(dá)數(shù)百兆赫茲以上，低頻小于10kHz。（2）讀數(shù)按正弦有效值刻度，只有測量正弦電壓時(shí)，其有效值才是被測波形的真正有效值。測量非正弦電壓時(shí)，其有效值必須通過波形換算獲得。（3）波形誤差大。（4）讀數(shù)刻度不均勻，因?yàn)樗窃谛⌒盘枙r(shí)進(jìn)行檢波。 峰值電壓表、均值電壓表和有效值電壓表各有其特點(diǎn)，測量時(shí)應(yīng)結(jié)合被測信號特點(diǎn)合理選擇，以獲得最佳測量效果。5.3.55.3.5 三種檢波方式電壓表的比較2均值電壓表（1）均值檢波器的輸入阻抗低，必須采用過阻抗變換來提高電壓表的輸入阻抗。