儀器儀表 模擬測(cè)量方法

1、儀器儀表 模擬測(cè)量方法第1頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日第3章模擬測(cè)量方法 3.1 電壓測(cè)量概述3.2 交流電壓的測(cè)量（*）3.3 噪聲電壓的測(cè)量3.4 分貝的測(cè)量3.失真度的測(cè)量第2頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日第3章模擬測(cè)量方法重點(diǎn)：交流電壓的測(cè)量方法均值電壓表有效值電壓表峰值電壓表其讀數(shù)原理噪聲電壓的測(cè)量難點(diǎn)：交流電壓的測(cè)量方法及其讀數(shù)原理第3頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.1電壓測(cè)量概述電壓測(cè)量是電測(cè)量與非電測(cè)量的基礎(chǔ)電測(cè)量中，電量的測(cè)量可以轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量電流、功率 電壓飽和與截止，線性度、失真度 電

2、壓非電測(cè)量中，先轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再進(jìn)行測(cè)量如：溫度、壓力、振動(dòng)、（加）速度一、電壓測(cè)量的重要性第4頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.1電壓測(cè)量概述從直流到數(shù)百兆赫茲二、電壓測(cè)量的基本要求直流107級(jí)交流104102級(jí)1、寬頻率2、寬量程3、高準(zhǔn)確度5、高抗干擾能力4、高輸入阻抗第5頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.1電壓測(cè)量概述%Um滿度值的百分?jǐn)?shù)常用于線性刻度的模擬電壓表中%Ux讀數(shù)值的百分?jǐn)?shù)多用于對(duì)數(shù)刻度的電壓表中%Um+%Ux用在具有線性刻度電壓表的一種較嚴(yán)格的精確度表征，數(shù)字電壓表都用這種方式。 3、準(zhǔn)確度的表示第6頁(yè)，共79頁(yè)，

3、2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.1電壓測(cè)量概述(續(xù))三、電壓測(cè)量?jī)x器的分類1、按顯示方式分：模擬式電壓表數(shù)字式電壓表DVM2、按功能分：直流電壓表交流電壓表低頻電壓表高頻電壓表超高頻電壓表3、按檢波器分：峰值電壓表均值電壓表有效值電壓表第7頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.2 交流電壓的測(cè)量3.2.1 交流電壓的表征3.2.2 交流電壓的測(cè)量方法3.2.3 平均值電壓的測(cè)量3.2.4 有效值電壓的測(cè)量3.2.5 峰值電壓的測(cè)量3.2.6 脈沖電壓的測(cè)量第8頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.2.1 交流電壓的表征1、峰值UP

4、波形正方向或負(fù)方向的最高點(diǎn)從參考0電平開(kāi)始算起2、平均值數(shù)學(xué)上：電壓測(cè)量全波整流振幅峰值平均值第9頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.2.1 交流電壓的表征(續(xù))3、有效值U定義：Note：各類電壓表都是按正弦波有效值定度的；若被測(cè)電壓都是正弦波，且角頻率成倍數(shù)關(guān)系，則有效值滿足疊加性：第10頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.2.1 交流電壓的表征(續(xù))4、波形系數(shù)KF5、波峰系數(shù)KP第11頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.2.1 交流電壓的表征(續(xù))常見(jiàn)波形的KF 與KP（P67）1.731.15三角波鋸齒波U

5、PUP11方波1.4141.11正弦波UKPKF波形U第12頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.2.2 交流電壓的測(cè)量方法直流電壓表分壓電阻直流表頭R交流電壓表整流直流表頭ACDC交流直流整流第13頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.2.2 交流電壓的測(cè)量方法（續(xù)）整流方式按靈敏度和頻帶分：交流直流放大檢波式放大器檢波器整流特點(diǎn)：A、靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲限制，mV級(jí)B、頻率受放大器帶寬限制，2010MHz第14頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.2.2 交流電壓的測(cè)量方法（續(xù)）整流方式按靈敏度和頻帶分：交流直流檢波

6、放大式檢波器放大器整流特點(diǎn)：A、靈敏度受放大器影響B(tài)、頻率取決于檢波二極管的高頻特性，20Hz 300MHz第15頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.2.2 交流電壓的測(cè)量方法（續(xù)）整流方式按靈敏度和頻帶分：交流f直流外差式特點(diǎn)：A、靈敏度高（ ）B、測(cè)高頻（20Hz 300MHz）放大器檢波器混頻器本振fc可調(diào)第16頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.平均值電壓的測(cè)量一、組成（視頻毫伏表）二、均值檢波器半波整流全波整流濾除交流，避免指針抖動(dòng)交流直流放大器平均值檢波器分壓器保護(hù)二極管第17頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分

7、，星期日3.3.平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）三、刻度特性以正弦波的有效值為刻度非正弦波換算“示值同則均值同”第18頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）例1：用均值表分別測(cè)方波、三角波、正弦波，電壓表讀數(shù)均為10V，問(wèn)被測(cè)電壓的有效值分別為多少？平均值：有效值：正弦波不用換算第19頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析1、可能引起的誤差 指示微安表自身誤差、檢波二極管性能參數(shù)變化、被測(cè)電壓超過(guò)頻率范圍、波形不同都會(huì)帶來(lái)誤差。2、非正弦波的波形誤差 絕對(duì)誤差： 相對(duì)誤差： 第20頁(yè)，共79頁(yè)

8、，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）例：接上例波形誤差：第21頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析3、失真正弦波的波形誤差 設(shè)測(cè)一個(gè)包含二次或三次諧波失真的正弦波電壓：n次諧波幅度相對(duì)于基波的百分?jǐn)?shù)初相角平均值：指示值：第22頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析3、失真正弦波的波形誤差 真正的有效值：波形誤差：n次諧波的非線性失真系數(shù)第23頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四

9、、誤差分析4080120160200240280320360400012345D2302010二次諧波產(chǎn)生的波形誤差第24頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析三次諧波產(chǎn)生的波形誤差40801201602002402803203604000-404812D2302010-816第25頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析3、失真正弦波的波形誤差 結(jié)論：二次諧波的產(chǎn)生的誤差比三次諧波的小推廣：奇次諧波誤差比偶次諧波大，偶次諧波誤差可忽略。 當(dāng)Dn10%，奇次諧波的波形誤差可

10、估算：第26頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.4 有效值電壓的測(cè)量一、組成二、有效值檢波器平方律檢波器分段逼近式檢波器熱電偶式檢波器模擬運(yùn)算式RMS檢波器交流直流放大器有效值檢波器分壓器第27頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.4 有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）1、平方律檢波器趨向0起始電流去掉起始電流的影響，則：特點(diǎn)：無(wú)波形誤差刻度非線性動(dòng)態(tài)范圍小第28頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.4 有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）2、分段逼近式檢波器 利用二極管和電阻網(wǎng)絡(luò)，人為地制造一條用折線逼近的平方率曲線。 特點(diǎn)：大大地

11、擴(kuò)展有效值檢波器的動(dòng)態(tài)范圍，此種方法用得較為廣泛。第29頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.4 有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）3、熱電偶式檢波器（1）基本原理第30頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.4 有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）3、熱電偶式檢波器（2）熱電偶式有效值電壓表原理圖Ui=0完全對(duì)稱作用:刻度線性化 提高熱穩(wěn)定性第31頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.4 有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）3、熱電偶式檢波器（3）特點(diǎn)儀表的靈敏度和頻率范圍取決于放大器的增益和帶寬刻度線性，基本無(wú)波形誤差熱慣性，讀數(shù)較慢例DA24型量

12、程：1mV-300V頻率：10Hz-10MHzS1.5第32頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.4 有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）（3）特點(diǎn)測(cè)量誤差頻率誤差波形誤差原因：受放大器頻率寬度的限制范圍：抑制方波中的高次諧波而產(chǎn)生誤差原因：受放大器動(dòng)態(tài)范圍的限制范圍：對(duì)過(guò)高的尖峰可能產(chǎn)生削峰第33頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日飽和失真截止失真第34頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.4 有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）4、模擬運(yùn)算式RMS檢波器原理:通過(guò)多級(jí)運(yùn)算器級(jí)連實(shí)現(xiàn)5、單片式RMSDC轉(zhuǎn)換器如AD536AK等。特點(diǎn):響應(yīng)時(shí)間

13、短、過(guò)載性能好特點(diǎn):準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定度高第35頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.5 峰值電壓的測(cè)量一、組成（高頻毫伏表）交流直流橋式直流放大器峰值檢波器分壓器特點(diǎn):靈敏度（幾十mV）和頻率范圍（300MHz） 電壓上限取決于檢波二極管的反向擊穿電壓。改進(jìn):采用高A、低漂移的放大器，靈敏度（幾十 V） 用超高頻二極管，頻率范圍（1GHz） 檢波器置于探頭內(nèi)減少高頻信號(hào)的傳輸損失。第36頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.5 峰值電壓的測(cè)量（續(xù)）二、峰值檢波器uc(t)充電放電串聯(lián)式并聯(lián)式Tmax 、Tmin是被測(cè)電壓的最大周期和最小周期

14、起隔直流作用第37頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.5 峰值電壓的測(cè)量（續(xù)）三、刻度特性以正弦波的有效值為刻度非正弦波換算“示值同則峰值同”第38頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.5 峰值電壓的測(cè)量（續(xù)）例3：用峰值表分別測(cè)方波、三角波，電壓表讀數(shù)均為5V，問(wèn)被測(cè)電壓的有效值分別為多少？峰值：有效值：第39頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.5 峰值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析理論誤差 頻率誤差波形誤差原因：放電使測(cè)量值小于實(shí)際值（固有負(fù)誤差）正弦波的相對(duì)誤差：原因：周期長(zhǎng)，放電長(zhǎng)，誤差大（適合高頻測(cè)

15、量）低頻相對(duì)誤差：原因：對(duì)波形的凸起部分非常敏感失真正弦波：盡量不用峰值表第40頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.2.6 脈沖電壓的測(cè)量方法：1、峰值表測(cè)量較大的q值2、脈沖電壓表帶脈沖保持電路3、示波器寬頻帶第41頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3 噪聲電壓的測(cè)量3.3.1 噪聲電壓的基本特性3.3.2 用平均值表測(cè)量噪聲電壓3.3.3 放大器的噪聲參數(shù)及其測(cè)量第42頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.1 噪聲電壓的基本特性一、分類1、按噪聲來(lái)源：2、按功率譜：有色噪聲白噪聲熱噪聲散粒噪聲人為噪聲自然噪聲

16、電路內(nèi)部噪聲第43頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.1 噪聲電壓的基本特性（續(xù)）1、按噪聲來(lái)源分人為噪聲鄰近電臺(tái)干擾、高壓線的電暈放電等自然噪聲打雷放電、雨點(diǎn)靜電、太陽(yáng)的噪聲電波等電路內(nèi)部噪聲由元器件（晶體管、R等）內(nèi)部帶電質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不規(guī)則造成的現(xiàn)象。一、分類第44頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.1 噪聲電壓的基本特性（續(xù)）2、按功率譜分有色噪聲在頻率范圍內(nèi)能量分布不均勻白噪聲在頻率范圍內(nèi)能量分布均勻熱噪聲由于材料內(nèi)部微粒不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的 散粒噪聲在晶體管的PN結(jié)中，由于電荷運(yùn)動(dòng)不連續(xù)而產(chǎn)生的晶體管內(nèi)部噪聲一、分類第45頁(yè)，共

17、79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.1 噪聲電壓的基本特性（續(xù)）1、白噪聲電壓的瞬時(shí)值呈正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)：二、白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性噪聲電壓瞬時(shí)值噪聲電壓的有效值2、白噪聲的功率譜密度：第46頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.2 用平均值表測(cè)量噪聲電壓一、讀數(shù)修正KF未知刻度換算：KF的求解：第47頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.2 用平均值表測(cè)量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問(wèn)題1、帶寬準(zhǔn)則2、測(cè)量時(shí)間的影響3、波峰因數(shù)的影響第48頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.2 用

18、平均值表測(cè)量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問(wèn)題1、帶寬準(zhǔn)則修正后的噪聲電壓被測(cè)系統(tǒng) 的噪聲帶寬測(cè)得的噪聲電壓被測(cè)系統(tǒng)電壓表的噪聲帶寬第49頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.2 用平均值表測(cè)量噪聲電壓（續(xù)）B3dBBwn0.786-21.4%2Bwn0. 872-12.8%5Bwn0.941-5.9%8Bwn0.962-3.8%電壓表的3dB帶寬5%帶寬準(zhǔn)則：電壓表的3dB帶寬為被測(cè)系統(tǒng)的810倍第50頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.2 用平均值表測(cè)量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問(wèn)題2、測(cè)量時(shí)間的影響時(shí)間影響：窄帶時(shí)間長(zhǎng)寬帶時(shí)間短例

19、：測(cè)5Hz和1KHz系統(tǒng)的噪聲，使誤差1%，則所需時(shí)間分別為1000s和5s。低頻測(cè)量：通常記錄其波形，測(cè)其峰峰值再換算。T時(shí)間內(nèi)的測(cè)得值被測(cè)系統(tǒng)的噪聲帶寬測(cè)量時(shí)間第51頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.2 用平均值表測(cè)量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問(wèn)題3、波峰因數(shù)的影響量程準(zhǔn)則：表頭示值不得超過(guò)滿刻度值的一半半滿度測(cè)量第52頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.3 器件和放大器噪聲的測(cè)量一、與噪聲相關(guān)的參數(shù)1、等效輸入噪聲Uni2、噪聲帶寬Bwn3、信噪比SNR4、噪聲系數(shù)F二、測(cè)量方法：正弦信號(hào)法噪聲發(fā)生器法中、低頻高頻第53頁(yè)，

20、共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.3 器件和放大器噪聲的測(cè)量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測(cè)量（1）定義：把放大器的全部噪聲折算為輸入端的噪聲電壓Uni或噪聲電流IniA無(wú)噪聲放大器UniUsRsUnoA無(wú)噪聲放大器IniUsRsUO電壓源電流源第54頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.3 器件和放大器噪聲的測(cè)量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測(cè)量（2）測(cè)量A無(wú)噪聲放大器UniRsUno被測(cè)器件的輸出噪聲電壓電壓增益Au正弦信號(hào)法噪聲發(fā)生器法第55頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.3.3 器件和放大器噪聲的測(cè)量

21、（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測(cè)量正弦信號(hào)法步驟：UniRsUnoAB、去掉Us，保留Rs，測(cè)得UnoC、Note：a、UniP2取負(fù)，P1U2取負(fù)，U1U2注意系數(shù)區(qū)別第63頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.4 分貝的測(cè)量（續(xù)）3.4.1 數(shù)學(xué)定義3、絕對(duì)電平注意單位一致（1）功率電平dBm假定：以基準(zhǔn)量P01mW作為0功率電平（0dBm），則PX的功率電平定義為：第64頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.4 分貝的測(cè)量（續(xù)）3.4.1 數(shù)學(xué)定義3、絕對(duì)電平（2）電壓電平dBV假定：以基準(zhǔn)量U00.775V（正弦有效值）作為0電壓電平（0

22、dBV），則UX的電壓電平定義為：Note：PV并未指定阻抗，應(yīng)指任意阻抗當(dāng)R600歐，PwPV第65頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.4 分貝的測(cè)量（續(xù)）3.4.1 數(shù)學(xué)定義4、音量單位（VUVolume Units）0VU：600歐阻抗上吸取功率為1mW，則當(dāng)600歐阻抗上吸取功率為PXmW時(shí)VU為:第66頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3.4 分貝的測(cè)量（續(xù)）3.4.2 分貝值的測(cè)量應(yīng)用范圍：測(cè)量放大器增益或與音響設(shè)備有關(guān)的參數(shù)讀數(shù)：讀數(shù)量程讀數(shù)指示值例：P97 例2和例3實(shí)質(zhì)：仍是交流電壓的測(cè)量，只是表盤以dB刻度例：P97 MF2

23、0表第67頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3. 失真度的測(cè)量失真：特點(diǎn)： 在線性電路中，由于電路的工作點(diǎn)選擇不當(dāng)或信號(hào)幅度超過(guò)了電路的線性范圍，使信號(hào)進(jìn)入了非線性區(qū)而產(chǎn)生非線性失真。 產(chǎn)生新的頻率分量用非線性系數(shù)（失真度）表示第68頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3. 失真度的測(cè)量截止失真飽和失真統(tǒng)稱平頂失真第69頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3. 失真度的測(cè)量純R負(fù)載：3.5.1 失真度的定義定義：全部諧波分量的功率之和與基波功率之比的平方根值。全部諧波電壓的有效值與基波電壓的有效值之比。公式：多次諧波分量的總有效值基波有效值U1難于測(cè)量第70頁(yè)，共79頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)47分，星期日3. 失真度的測(cè)量3.5.1 失真度的定義常用公式：被測(cè)信號(hào)的總有效值第71頁(yè)，共79頁(yè)，202