第3章模擬測量方法

1、第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法3.1 電壓測量概述電壓測量概述3.2 模擬式直流電壓測量模擬式直流電壓測量3.3 交流電壓的測量交流電壓的測量3.4 分貝的測量分貝的測量 3.5 功率測量功率測量第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 3.1 電壓測量概述電壓測量概述根據(jù)信號特性，分為根據(jù)信號特性，分為模擬信號模擬信號和和數(shù)字信號數(shù)字信號。模擬信。模擬信號是其幅度隨時間做連續(xù)變化的信號。號是其幅度隨時間做連續(xù)變化的信號。電壓是一個基本物理量，是三個基本參數(shù)電壓是一個基本物理量，是三個基本參數(shù)(電壓電壓、電電流流、功率功率)之一。之一。 電路的工作狀態(tài)電

2、路的工作狀態(tài)如諧振、平衡、截止、飽和以及工如諧振、平衡、截止、飽和以及工作點的動態(tài)范圍，通常都以電壓形式表現(xiàn)出來。電子設(shè)作點的動態(tài)范圍，通常都以電壓形式表現(xiàn)出來。電子設(shè)備的控制信號、反饋信號及其它信息，主要表現(xiàn)為電壓備的控制信號、反饋信號及其它信息，主要表現(xiàn)為電壓量。在非電量的測量中，也多利用各類傳感器件裝置，量。在非電量的測量中，也多利用各類傳感器件裝置，將將非電參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓參數(shù)非電參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓參數(shù)。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 電路中其他電參數(shù)，包括電流和功率電路中其他電參數(shù)，包括電流和功率，以及如信號，以及如信號的調(diào)幅度、波形的非線性失真系數(shù)、元件的的調(diào)幅度、波形的非線性失真

3、系數(shù)、元件的Q值、網(wǎng)絡(luò)值、網(wǎng)絡(luò)的頻率特性和通頻帶、設(shè)備的靈敏度等等，的頻率特性和通頻帶、設(shè)備的靈敏度等等，都可以視作都可以視作電壓的派生量電壓的派生量，通過電壓測量獲得其量值。，通過電壓測量獲得其量值。電壓測量直接電壓測量直接、方便方便，是電子測量的基礎(chǔ)是電子測量的基礎(chǔ)。 第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 2模擬式電壓表分類模擬式電壓表分類 (1) 按測量功能分類按測量功能分類 分為分為直流電壓表直流電壓表、交流電壓表交流電壓表、脈沖電壓表脈沖電壓表和和多多用途電壓表用途電壓表等。等。 脈沖電壓表主要用于測量脈沖間隔很長脈沖電壓表主要用于測量脈沖間隔很長(即占空即占空系數(shù)很小系數(shù)很小)的脈

4、沖信號和單脈沖信號，逐漸被的脈沖信號和單脈沖信號，逐漸被示波器示波器測量所取代。測量所取代。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 (4) 按測量目的分類按測量目的分類根據(jù)測量目的的不同，可以選用不同特性的檢波器，根據(jù)測量目的的不同，可以選用不同特性的檢波器，有有峰值檢波峰值檢波、平均值檢波平均值檢波和和有效值檢波有效值檢波三種，分別簡三種，分別簡稱為峰值電壓表、均值電壓表和有效值電壓表。稱為峰值電壓表、均值電壓表和有效值電壓表。(5) 按電壓測量準(zhǔn)確度等級分類按電壓測量準(zhǔn)確度等級分類 分為分為0.05、 0.1、0.2、0.5、1.0、l.5、2.5、5.0和和10.0等級，其滿度相對誤差分別

5、為等級，其滿度相對誤差分別為0.05、0.1、10.0。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 3.2 模擬式直流電壓測量模擬式直流電壓測量 3.2.1 動圈式電壓表動圈式電壓表 虛框內(nèi)為虛框內(nèi)為直流動圈式高靈敏度電流表直流動圈式高靈敏度電流表，內(nèi)阻為，內(nèi)阻為Re，滿偏，滿偏電流電流(或滿度電流或滿度電流)為為Im，若作為直流電壓表，滿度電壓，若作為直流電壓表，滿度電壓memIRU動圈式電壓表示意圖動圈式電壓表示意圖第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 3.2.2 電子電壓表電子電壓表 1電子電壓表原理電子電壓表原理 使用高輸入阻抗的使用高輸入阻抗的場效應(yīng)管場效應(yīng)管(FET)源極跟隨器源極跟隨器

6、或或真空三極管陰極跟隨器真空三極管陰極跟隨器以以提高電壓表輸入阻抗提高電壓表輸入阻抗，后接，后接放大器放大器以提高電壓表靈敏度，當(dāng)需要測量以提高電壓表靈敏度，當(dāng)需要測量高直流電壓高直流電壓時，輸入端接入時，輸入端接入分壓電路分壓電路。R0、R1、R2、R3組成分壓器組成分壓器FET源極跟隨器輸入電阻很大源極跟隨器輸入電阻很大(幾幾百百MM以上以上)通常使它們的串聯(lián)和大于通常使它們的串聯(lián)和大于10M，以滿足高輸入阻抗的要求。以滿足高輸入阻抗的要求。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 2調(diào)制式直流放大器調(diào)制式直流放大器 在上述使用直流放大器的電子電壓表中，在上述使用直流放大器的電子電壓表中，直流

7、放直流放大器的零點漂移大器的零點漂移(簡稱零漂簡稱零漂)限制了電壓表靈敏度的提高限制了電壓表靈敏度的提高。 電子電壓表中常采用調(diào)制式放大器代替直流放大器電子電壓表中常采用調(diào)制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使電子電壓表能測量以抑制漂移，可使電子電壓表能測量微伏量級微伏量級的電壓。的電壓。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 調(diào)制式直流放大器原理調(diào)制式直流放大器原理微弱的直流電壓信號經(jīng)微弱的直流電壓信號經(jīng)調(diào)制器調(diào)制器(又稱又稱斬波器斬波器)變換為交變換為交流信號，再由流信號，再由交流放大器交流放大器放大，經(jīng)放大，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)器還原為直流還原為直流信號信號(幅度已得到放大幅度已得到放大)。振蕩

8、器振蕩器為調(diào)制器和解調(diào)器提供固定頻率的同步控制信為調(diào)制器和解調(diào)器提供固定頻率的同步控制信號。號。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 3.3 交流電壓的測量交流電壓的測量 3.3.1 交流電壓的表征交流電壓的表征 交流電壓除用具體的函數(shù)關(guān)系式表達其大小隨時間的變交流電壓除用具體的函數(shù)關(guān)系式表達其大小隨時間的變化規(guī)律外，通常還可以用化規(guī)律外，通常還可以用峰值峰值、幅值幅值、平均值平均值、有效值有效值等參等參數(shù)來表征。數(shù)來表征。常見電壓的波形如圖所示。常見電壓的波形如圖所示。正弦波脈沖波方波三角波低頻噪聲波階梯波第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 1. 峰值峰值Up 周期性交變電壓周期性交變電壓

9、u(t)在一個周期內(nèi)偏離零電平的最在一個周期內(nèi)偏離零電平的最大值稱為大值稱為峰值峰值，用，用Up表示，正、負(fù)峰值不等時分別用表示，正、負(fù)峰值不等時分別用Up+和和Up-表示，如圖表示，如圖3.3-2(a)所示。所示。u(t)在一個周期內(nèi)偏在一個周期內(nèi)偏離直流分量離直流分量U0的最大值稱為的最大值稱為幅值或振幅幅值或振幅，用，用Um表示，表示，正、負(fù)幅值不等時用正、負(fù)幅值不等時用Um+和和Um-分別表示除去直流成分分別表示除去直流成分后的正負(fù)值，如圖后的正負(fù)值，如圖3.3-2(b)所示，圖中所示，圖中U00且正、負(fù)且正、負(fù)幅值相等。幅值相等。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 圖圖3.3-2

10、交流電壓的峰值與幅值交流電壓的峰值與幅值 第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 2. 平均值平均值 u(t)的平均值的平均值 的數(shù)學(xué)定義為的數(shù)學(xué)定義為UTdttuTU0)(1(3.3-1) 按照這個定義，按照這個定義， 實質(zhì)上就是周期性電壓的直流分量實質(zhì)上就是周期性電壓的直流分量U0。UU第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 在電子測量中，平均值通常指交流電壓檢波在電子測量中，平均值通常指交流電壓檢波(也稱整也稱整流流)后的平均值，又可分為后的平均值，又可分為半波整流平均值半波整流平均值(簡稱半波平簡稱半波平均值均值)和和全波整流平均值全波整流平均值(簡稱全波平均值簡稱全波平均值)全波平均值定

11、義為全波平均值定義為dttuTUT)(10(3.3-2)如不另加說明，通指平均值均為式如不另加說明，通指平均值均為式(3.3-2)所定義的所定義的全波平均值全波平均值。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 圖圖3.3-2 半波和全波整流半波和全波整流第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 3. 有效值有效值U 一個交流電壓和一個直流電壓分別施加于同一電一個交流電壓和一個直流電壓分別施加于同一電阻上時，若在一個周期內(nèi)兩者產(chǎn)生的熱量相等，則交阻上時，若在一個周期內(nèi)兩者產(chǎn)生的熱量相等，則交流電壓的有效值流電壓的有效值U等于該直流電壓，用數(shù)學(xué)公式表示等于該直流電壓，用數(shù)學(xué)公式表示為為TdttuTU02)

12、(1(3.3-3) 式式(3.3-3)實質(zhì)上即數(shù)學(xué)上的實質(zhì)上即數(shù)學(xué)上的均方根均方根定義，因此電定義，因此電壓有效值有時也寫作壓有效值有時也寫作Urms。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 4波形系數(shù)波形系數(shù)KF、波峰系數(shù)、波峰系數(shù)Kp 波形系數(shù)波形系數(shù)KF (或稱波形因數(shù)或稱波形因數(shù))定義為該電壓的定義為該電壓的有效有效值與平均值之比值與平均值之比UUKF(3.3-4) 波峰系數(shù)波峰系數(shù)Kp (或稱波峰因數(shù)或稱波峰因數(shù))定義為該電壓的定義為該電壓的峰值與有峰值與有效值之比效值之比UUKpp(3.3-5)第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 表表3.3.1 不同波形交流電壓的表征參數(shù)不同波形交

13、流電壓的表征參數(shù)第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 3.3.2 交流電壓的測量方法交流電壓的測量方法 1. 交流電壓測量的基本原理交流電壓測量的基本原理 利用利用交流交流/直流直流(AC/DC)轉(zhuǎn)換電路將交流電壓轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，再接到直流電壓表上進行測量。成直流電壓，再接到直流電壓表上進行測量。 根據(jù)根據(jù)AC/DC轉(zhuǎn)換器的類型，可分成轉(zhuǎn)換器的類型，可分成檢波法檢波法和和熱電熱電轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換法。 根據(jù)檢波特性的不同，檢波法又可分成根據(jù)檢波特性的不同，檢波法又可分成峰值檢波峰值檢波、平均值檢波平均值檢波、有效值檢波有效值檢波等等。第第3章

14、章 模擬測量方法模擬測量方法 2. 模擬交流電壓表的主要類型模擬交流電壓表的主要類型 (1) 檢波檢波-放大式放大式 在直流放大器前面接上檢波器，構(gòu)成了檢波在直流放大器前面接上檢波器，構(gòu)成了檢波-放大放大式電壓表。這種電壓表的頻率范圍和輸入阻抗主要取決式電壓表。這種電壓表的頻率范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器。采用于檢波器。采用超高頻檢波二極管超高頻檢波二極管，頻率范圍從幾十，頻率范圍從幾十Hz到幾百到幾百MHz，輸入阻抗也較大。，輸入阻抗也較大。 圖圖3.3-3 檢波檢波-放大式電壓原理表框圖放大式電壓原理表框圖第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 (2)調(diào)制式調(diào)制式 采用采用調(diào)制式放大器調(diào)制

15、式放大器以替代一般的直流放大器，構(gòu)以替代一般的直流放大器，構(gòu)成了調(diào)制式電壓表，仍屬于成了調(diào)制式電壓表，仍屬于檢波檢波-放大式放大式。DA36型超型超高頻毫伏表高頻毫伏表就采用了這種方式，其中放大器是由斬波就采用了這種方式，其中放大器是由斬波器和振蕩器構(gòu)成的調(diào)制式直流放大器。器和振蕩器構(gòu)成的調(diào)制式直流放大器。圖圖3.3-4 調(diào)制式電壓表原理框圖調(diào)制式電壓表原理框圖第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 (3) 放大放大-檢波式檢波式 為提高交流電壓表的測量靈敏度，先將被測電壓測電壓放大放大，而后再檢波檢波和推動直流電表顯示直流電表顯示，構(gòu)成放大-檢波式電壓表。這種電壓表的頻率范圍主要取決于寬帶這種

16、電壓表的頻率范圍主要取決于寬帶交流放大器，靈敏度受到放大器內(nèi)部噪聲的限值。交流放大器，靈敏度受到放大器內(nèi)部噪聲的限值。圖3.3-5 放大檢波式電壓表框圖第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 (4) 外差式外差式外差式電壓外差式電壓測量法：輸入電路中包括輸入衰減器和測量法：輸入電路中包括輸入衰減器和高頻放大器，衰減器用于大電壓測量，高頻放大器帶寬高頻放大器，衰減器用于大電壓測量，高頻放大器帶寬很大，但不要求有很高的增益。很大，但不要求有很高的增益。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 表表3.3-2 三種結(jié)構(gòu)形式電壓表的性能比較三種結(jié)構(gòu)形式電壓表的性能比較結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式靈敏度靈敏度頻帶寬度頻帶

17、寬度電壓表類型電壓表類型檢波檢波-放大式（調(diào)制式）放大式（調(diào)制式）稍低稍低很寬很寬超高頻毫伏表超高頻毫伏表放大放大-檢波式檢波式稍高稍高較窄較窄高頻毫伏表高頻毫伏表視頻毫伏表視頻毫伏表外差式外差式（選頻電壓表、測量接收機）（選頻電壓表、測量接收機）很高很高很寬很寬高頻微伏表高頻微伏表第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 (5) 熱偶變換式熱偶變換式熱偶變換式，利用被測電壓對電熱絲熱偶變換式，利用被測電壓對電熱絲加熱加熱，用熱，用熱偶元件與電熱絲耦合測出電熱絲上溫度，根據(jù)偶元件與電熱絲耦合測出電熱絲上溫度，根據(jù)加熱溫加熱溫度與熱電勢的函數(shù)關(guān)系度與熱電勢的函數(shù)關(guān)系測出被測電壓。測出被測電壓。測量結(jié)

18、果與被測信號波形無關(guān)，沒有波形誤差，測量結(jié)果與被測信號波形無關(guān)，沒有波形誤差，因此熱偶式電壓表是一種因此熱偶式電壓表是一種真正的有效值電壓表真正的有效值電壓表，但它，但它有熱慣性，受環(huán)境溫度影響大及頻帶窄等缺點。有熱慣性，受環(huán)境溫度影響大及頻帶窄等缺點。 第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 圖3.3-7 熱電偶原理圖 熱偶元件又稱熱電偶，是由兩種不同材料的導(dǎo)體熱偶元件又稱熱電偶，是由兩種不同材料的導(dǎo)體所構(gòu)成的具有熱電現(xiàn)象的元件。所構(gòu)成的具有熱電現(xiàn)象的元件。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 (6) 其他方式其他方式鎖相同步檢波式鎖相同步檢波式利用同步檢波原理，濾除噪聲，利用同步檢波原理，濾

19、除噪聲，消弱干擾，適用于被噪聲干擾淹沒的下電壓信號檢測。消弱干擾，適用于被噪聲干擾淹沒的下電壓信號檢測。取樣式取樣式實質(zhì)上是一種頻率變換技術(shù)，利用取樣信實質(zhì)上是一種頻率變換技術(shù)，利用取樣信號中含有被取樣信號的幅度信息號中含有被取樣信號的幅度信息(隨機取樣隨機取樣)或者含有被或者含有被取樣信號的幅度、相位信息取樣信號的幅度、相位信息(相關(guān)取樣相關(guān)取樣)的原理，將高頻的原理，將高頻被測電壓信號變換成低頻電壓信號進行測量。被測電壓信號變換成低頻電壓信號進行測量。 測熱電橋式測熱電橋式是利用具有正的或負(fù)的溫度系數(shù)的電是利用具有正的或負(fù)的溫度系數(shù)的電阻如半導(dǎo)體熱敏電阻、鎮(zhèn)流電阻、薄膜測熱電阻等構(gòu)阻如半導(dǎo)

20、體熱敏電阻、鎮(zhèn)流電阻、薄膜測熱電阻等構(gòu)成精密電橋，通過對低頻或直流電壓的測量來代替高成精密電橋，通過對低頻或直流電壓的測量來代替高頻電壓的測量，這種方法通常用于精密電壓測量。頻電壓的測量，這種方法通常用于精密電壓測量。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 3.3.3 平均值電壓的測量平均值電壓的測量 通常把測量低頻通常把測量低頻( Tmax， RC Tmax，RC P2時dB值為正；當(dāng)P1U2時dB值為正；當(dāng)U10.775 V時，為正分貝值，Ux0.775 V時，為負(fù)分貝值。該儀表分貝刻度為30+57dB， 相應(yīng)電壓值要根據(jù)所使用的量程進行換算。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 圖3.4-

21、1 分貝刻度的讀法第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 例3.4.1 用MF-20電子多用表的30V量程測量電壓，當(dāng)該量程的讀數(shù)為27.5V時，問該電壓信號對應(yīng)的分貝值是多少？解 因為MF-20多用表將1.5V量程刻度線上的0.775V定義為0dB，27.5V示值位置對應(yīng)在1.5V量程上的讀數(shù)為1.38V，所以有dBVPV31775. 038. 1lg2026注意：注意：分貝值的測量必須是在額定頻率范圍內(nèi)，而且被測電壓的波形是正弦波的情況下，其測量結(jié)果才是正確的。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 3.5 功率測量功率測量3.5.1 基本概念功率即為單位時間內(nèi)所做的功，即tWP時間功功率（

22、)(3.5-1)iup電流電壓功率(3.5-2)對于電子線路，瞬時功率可以用下式計算：第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 )2cos(cos )sin()sin(2tUIttUIuip設(shè) ，則瞬時功率瞬時功率p為tIitUusin2)sin(2，平均功率（有功功率）平均功率（有功功率）P為：cos )2cos(cos1100UIdttUITpdtTPTT(3.5-3)(3.5-4)式中 為功率因數(shù)。cos-+Nui第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 22QPS有功功率P、無功功率Q與視在功率S的關(guān)系為無功功率Q為：sinUIQ 視在功率S為：UIS (3.5-5)(3.5-6)(3.5-7

23、)無功功率表示二端網(wǎng)絡(luò)與外電路進行能量交換的幅度，單位為乏(Var)。視在功率表示用電設(shè)備的容量，單位為伏安(VA)。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 3.5.2 低頻功率計低頻功率計在音頻范圍內(nèi)，可以采用低頻功率計進行功率測量，如圖3.5-1所示。低頻功率計連接在信號源和負(fù)載之間，通過檢測負(fù)載電壓/電流計算得到負(fù)載功率。圖3.5-1 低頻功率計的基本原理第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 圖3.5-2 電功率計示意圖 圖3.5-2所示電功率計是圖3.5-1所示原理的機電實現(xiàn)。電流檢測元件是一個固定線圈，而電壓檢測元件是放在固定線圈磁場中的可動線圈?？蓜泳€可動線圈上的轉(zhuǎn)矩受到彈簧的反抗，

24、圈上的轉(zhuǎn)矩受到彈簧的反抗，且與兩個線圈中電流的瞬時乘且與兩個線圈中電流的瞬時乘積的平均值成正比積的平均值成正比，即可動線圈旋轉(zhuǎn)的大小隨瞬時電壓-電流乘積的平均值而變，附加指針指示出平均負(fù)載功率。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 3.5.3 吸收型功率表吸收型功率表在高頻(音頻500MHz)范圍內(nèi)，可采用吸收型功率表測量功率。一般可用無感電阻和交流表頭無感電阻和交流表頭，或高頻高頻電壓表與理想負(fù)載電壓表與理想負(fù)載構(gòu)成，如圖3.5-3所示。要求：電阻器RL在額定頻率范圍內(nèi)容保持恒定的電阻器，而電壓表是按功率單位刻度的。 圖3.5-3 吸收型功率測量A功率輸入RL50 高頻電表RL50 功率輸入(a)(b)第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 3.5.4 量熱計功率計量熱計功率計3.5-4 量熱式功率計圖3.5-5所示為基本的量熱式功率計。如果知道絕緣液槽內(nèi)液體的質(zhì)量、比熱和液槽的特性，就可以根據(jù)溫度變化計算出負(fù)載功率。第第3章章 模擬測量方法模擬測量方法 圖3.5-5 替代式功率計由于需