電子測(cè)量Chapter-3-模擬測(cè)量方法-091016課件

Chapter3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§3.5失真度測(cè)量§3.6功率的測(cè)量§3.7Q值的測(cè)量Chapter3模擬測(cè)量方法§3.1電壓測(cè)量概述*1§3.1電壓測(cè)量概述

在電子測(cè)量領(lǐng)域中，電壓、電流和功率

是表征電信號(hào)能量大小的三個(gè)基本參量。電壓測(cè)量占有極為重要的地位。因?yàn)椋?/p>

①在集中參數(shù)電路里，測(cè)量的主要參量是電壓。

②許多電參數(shù)，如頻率特性、失真度、靈敏度等都可視為電壓量的派生量。③各種電路工作狀態(tài),如飽和、截止及動(dòng)態(tài)范圍等都以電壓的形式反映出來(lái)。④電子設(shè)備的各種控制信號(hào)、反饋信號(hào)等信息也主要表現(xiàn)為電壓量。

∴電壓的測(cè)量是其他許多電參量測(cè)量的基礎(chǔ)。很多電子測(cè)量?jī)x器，如信號(hào)發(fā)生器、各種電子式電壓表、Q表、示波器等，以及其他電子設(shè)備都是用電壓表作為它們的指示裝置或輔助監(jiān)測(cè)裝置的。在調(diào)試電子設(shè)備或進(jìn)行各種測(cè)量工作時(shí)，電壓的測(cè)量是必不可少的?！?.1電壓測(cè)量概述在電子測(cè)量領(lǐng)域中，電21.電壓測(cè)量的特點(diǎn)與要求

1)電子技術(shù)中被測(cè)電壓的主要特點(diǎn)(1)被測(cè)電壓頻率可能為直流、超低頻、低頻、高頻及超高頻。(2)被測(cè)電壓值可小到微伏甚至毫微伏級(jí)，大到幾千伏、幾十千伏，甚至更高量級(jí)。(3)被測(cè)電壓波形有正弦波、失真正弦波及各種非正弦波。如圖示幾種電壓波形圖。(4)被測(cè)電壓所在電路內(nèi)阻可能很高，也可能很低，有時(shí)還可能是一個(gè)諧振回路。(5)被測(cè)交流電壓中，往往含有直流及噪聲干擾等不需要測(cè)量的成份。

2)電壓測(cè)量的基本要求由于被測(cè)電壓具有以上一些特點(diǎn)，因而在制訂電壓測(cè)量方案時(shí)，必須根據(jù)具體情況及測(cè)量的目的，對(duì)電壓測(cè)量提出如下要求：(1)應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍(2)應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y(cè)量范圍(3)應(yīng)有足夠高的測(cè)量準(zhǔn)確度(4)應(yīng)有足夠高的輸入阻抗(5)應(yīng)有足夠高的抗干擾能力

2.電壓測(cè)量?jī)x器的分類

電壓測(cè)量?jī)x器一般分為兩大類：模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表。(1)模擬式電壓表(采用指針式模擬顯示的電壓表)

根據(jù)電壓性質(zhì)：

按電壓特點(diǎn)分為：直流電壓表、交流電壓表、脈沖電壓表和多用途電壓表等。

按使用頻率范圍分為：超低頻/低頻/高頻/超高頻電壓表和選頻電壓表等。

根據(jù)測(cè)量方法分為：峰值電壓表、平均值電壓表和有效值電壓表。

根據(jù)儀表結(jié)構(gòu)分為：磁電式、電磁式和電動(dòng)式電壓表等。(2)數(shù)字式電壓表(采用數(shù)字顯示的電壓表)

主要優(yōu)點(diǎn)是：準(zhǔn)確度高，輸入阻抗高，功能齊全，顯示直觀，可靠性好．過(guò)載能力強(qiáng)，耗電少、小巧輕便1.電壓測(cè)量的特點(diǎn)與要求2.電壓測(cè)量?jī)x器的分類電3儀表的標(biāo)志不同類型的電工儀表，具有不同的技術(shù)性能。為了便于選擇和使用儀表，通常把這些不同的技術(shù)特性采用不同的符號(hào)標(biāo)志，標(biāo)明在儀表的標(biāo)度盤或面板上。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB776-76》的規(guī)定，每只儀表應(yīng)有測(cè)量對(duì)象單位、準(zhǔn)確度等級(jí)、電流種類和相數(shù)、工作原理系別、使用條件組別、工作位置、絕緣強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)電壓、儀表型號(hào)以及各種額定值的標(biāo)志。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種符號(hào)標(biāo)志列于表2-2-1至表2-2-9。表2-1-1

測(cè)量單位的符號(hào)儀表的標(biāo)志4表2-1-2

儀表工作原理的圖形符號(hào)儀表的標(biāo)志表2-1-2儀表工作原理的圖形符號(hào)儀表的標(biāo)志5儀表的標(biāo)志表2-1-4

準(zhǔn)確度等級(jí)的圖形符號(hào)~~~~表2-1-3

電流種類的圖形符號(hào)1.51.51.5儀表的標(biāo)志表2-1-4準(zhǔn)確度等級(jí)的圖形符號(hào)~~~~表2-62）平均值

U

：

對(duì)周期信號(hào)3）有效值

U

：在不特別指明時(shí)，交流電壓的量值均指有效值。各類電壓表的示值，除特殊情況外，都是按正弦波有效值來(lái)定度的。

4)

波形系數(shù)KF

：表征同一信號(hào)的有效值與平均值之比。5)波峰系數(shù)KP：表征同一信號(hào)的峰值與有效值的比值。*各種波形的波峰系數(shù)KF和波峰系數(shù)KP參表3.2.1§3.2交流電壓的測(cè)量一、交流電壓的表征交流電壓可以用峰值、平均值、有效值來(lái)表征；它們相互間的關(guān)系可用波形系數(shù)、波峰系數(shù)來(lái)表征。1）峰值：交變電壓在一個(gè)周期內(nèi)所能達(dá)到的最大值。記為UP。2）平均值U：3）有效值U：在不特別7電子測(cè)量Chapter-3-模擬測(cè)量方法-091016課件8二、交流電壓的測(cè)量方法交流電壓的測(cè)量方法很多，其中最主要的方法是用檢波器將交流變換為直流、然后再接到直流表頭進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)檢波特性不同，有平均值檢波、峰值檢波和有效值檢波，相應(yīng)的電壓表簡(jiǎn)稱為平均值電壓表、峰值電壓表和有效值電壓表。二、交流電壓的測(cè)量方法交流電壓的測(cè)量方法很多9三、平均值電壓表1.結(jié)構(gòu)組成：

該表又稱放大—檢波式電子電壓表，即先放大后檢波。

2.特點(diǎn)：

該表檢波器對(duì)被測(cè)電壓的平均值產(chǎn)生響應(yīng),

頻率范圍主要受放大器帶寬限制,典型頻率范圍為20Hz~10MHz,故又稱為視頻毫伏表、主要用于低頻電壓測(cè)量。

靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲限制，一般可做到毫伏級(jí)。

一般的“寬頻帶毫伏表”基本屬于這一類。三、平均值電壓表1.結(jié)構(gòu)組成：2.特點(diǎn)：10三、平均值電壓表

3.平均值表頭的工作原理①檢波電路如圖3.2-5所示。

②微安表指針偏轉(zhuǎn)角與輸入電壓關(guān)系<以圖(c)為例>∴平均值檢波表頭偏轉(zhuǎn)角正比于其輸入電壓平均值，與其波形無(wú)關(guān)。

其中：R=103~104Ω、且微安表兩端并聯(lián)電容用于濾除檢波后電流中的交流成分，避免表針抖動(dòng)；電容的充放電時(shí)間常數(shù)相等。(a)半波整流(b)(a)的簡(jiǎn)化式(c)全波整流(d)(c)的簡(jiǎn)化式三、平均值電壓表3.平均值表頭的工作原理①檢波電路113.平均值電壓的測(cè)量式中:是被測(cè)正弦波電壓的平均值，Ka是定度系數(shù)。

當(dāng)采用全波檢波時(shí)：

設(shè)正弦峰值電壓為1V時(shí)，其平均電壓：可見(jiàn)：平均值電壓表的定度系數(shù)Ka=1.11

定度系數(shù)Ka：由于被測(cè)交流電壓多為正弦波，且希望得到測(cè)量的有效值，因而儀表刻度采用正弦波有效值定度。即將儀表刻度盤按正弦波電壓有效值刻度?！嚯妷罕肀皇┘诱医涣麟妷篣時(shí)的指示值為：4.電壓測(cè)量3.平均值電壓的測(cè)量式中:是被測(cè)正弦波電壓的平123.平均值電壓的測(cè)量4.電壓測(cè)量

再根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)，計(jì)算其有效值：①正弦量測(cè)量

直讀②非正弦量測(cè)量

首先按“平均值相等示值也相等”的原則，將示值Ua折算成被測(cè)電壓的平均值：測(cè)量方法：例：用全波平均值電壓表測(cè)得三角波電壓的示值為10V，則其平均值為：其有效值為：3.平均值電壓的測(cè)量4.電壓測(cè)量再根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)133.平均值電壓的測(cè)量5.誤差分析

②測(cè)量非正弦波或失真的正弦波時(shí)，引起的波形誤差。以全波平均值表為例，當(dāng)以平均值表的示值直接作為被測(cè)電壓的有效值時(shí)，引起的絕對(duì)誤差為：引起的相對(duì)誤差為：

①用平均值表測(cè)量交流電壓會(huì)因直流微安表本身的誤差及檢波二極管的老化，超過(guò)頻率范圍等而產(chǎn)生誤差。當(dāng)以平均值表的示值直接作為被測(cè)電壓的有效值時(shí)，引起的絕對(duì)誤差為：引起的相對(duì)誤差為：例：用全波平均值電壓表測(cè)得三角波電壓的示值為10V，則其平均值為：其有效值為：可見(jiàn)，不管被測(cè)非正弦電壓的波形如何，直接將電壓表示值當(dāng)做被測(cè)電壓的有效值將會(huì)造成波形誤差。3.平均值電壓的測(cè)量5.誤差分析②測(cè)量非正弦143.平均值電壓的測(cè)量

③用平均值電壓表測(cè)失真正弦波電壓的誤差分析：設(shè)被測(cè)電壓為：其中：Kn為n次諧波幅度相對(duì)于基波幅度的百分?jǐn)?shù)，n諧波次數(shù)(取n＝2或3)；φ

n為n次諧波初相角。被測(cè)電壓的平均值

被測(cè)電壓的指示值但被測(cè)電壓的實(shí)際有效值為：測(cè)量失真波形電壓誤差：*諧波失真波形誤差可由P79圖3.2.6查得。3.平均值電壓的測(cè)量③用平均值電壓表測(cè)失真正弦波電壓153.平均值電壓的測(cè)量6.平均值檢波電壓表+_放大器衰減器檢波器3.平均值電壓的測(cè)量6.平均值檢波電壓表+_放大器衰減器16四、峰值電壓的測(cè)量1.結(jié)構(gòu)原理：電路組成如圖所示，被測(cè)交流電壓先檢波后放大，然后驅(qū)動(dòng)直流電流表偏轉(zhuǎn)。該表又稱檢波—放大式電子電壓表.

2.特點(diǎn)：

在峰值電壓表中，檢被器峰值響應(yīng)。由于采用橋式直流放大器，增益不高。這類電壓表靈敏度較低，一般為幾十毫伏。測(cè)量電壓的上限取決于檢波二極管的反向擊穿電壓。工作頻率范圍取決于檢波二極管的高頻特性，一般可達(dá)幾百兆赫。為了提高檢波一放大式電子電壓表的靈敏度，目前普遍采用斬波式直流放大器，如圖3.2-2(b)所示．其增益較高，噪聲、0點(diǎn)漂移都很小，其最高靈敏度可達(dá)幾十微伏。四、峰值電壓的測(cè)量1.結(jié)構(gòu)原理：電路組成如17

①檢波電路如圖3.2-19所示。

3.峰值表頭的工作原理串聯(lián)式：倍壓式：~ux(t)RxRCRd＋i充i放~ux(t)RxR＋RdC－i放i充-+~ux(t)RxRC1＋C2Rd2Rd1并聯(lián)式：四、峰值電壓的測(cè)量其中：R=107~108Ω、且

②微安表指針偏轉(zhuǎn)角(示值)正比于其輸入電壓峰值，與其波形基本無(wú)關(guān)。①檢波電路如圖3.2-19所示。3.峰值表頭的工18式中:是被測(cè)任意波形電壓的峰值，Ka是定度系數(shù)。

設(shè)正弦有效值電壓為1V時(shí)，其峰值電壓：

定度系數(shù):由于儀表刻度采用正弦波有效值定度。即將正比于輸入電壓峰值的指針偏轉(zhuǎn)乘以定度系數(shù)Ka作為儀表刻度值。∴電壓表加正弦交流電壓Ua時(shí)的指示值為：四、峰值電壓的測(cè)量4.電壓測(cè)量

*根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)，計(jì)算其有效值：①正弦量測(cè)量-----直讀②非正弦量測(cè)量-------首先按“峰值相等----示值也相等”的原則，將示值Ua折算成被測(cè)電壓的峰值：方法：式中:是被測(cè)任意波形電壓的峰值，Ka是定度系19例:

P90-例3例:P90-例320四、峰值電壓的測(cè)量5.誤差分析四、峰值電壓的測(cè)量(1)理論誤差

由于峰值檢波器負(fù)載電阻上總要消耗一部分能量，為了維持檢波器正常工作，負(fù)載電阻上的電壓一直處于不斷進(jìn)行充放電的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，其輸出電壓平均值UR總是低于實(shí)際峰值。這是峰值檢波器的理論誤差，屬固有誤差。峰值表的誤差來(lái)源主要有：理論誤差、頻率誤差、波形誤差經(jīng)數(shù)學(xué)分析可知，當(dāng)被測(cè)電壓為正弦波時(shí)產(chǎn)生的理論誤差為：絕對(duì)誤差四、峰值電壓的測(cè)量5.誤差分析四、峰值電壓的21四、峰值電壓的測(cè)量(2)頻率誤差峰值表比較適用于高頻測(cè)量，因?yàn)樽枞莘烹姇r(shí)間變換較快，當(dāng)工作頻率很低時(shí)，T很大，使放電時(shí)間增加。在一定的放電時(shí)間常數(shù)RC之下，UR之值便降低愈多，誤差也就愈大。為了把低頻誤差控制在一定限度之內(nèi)．工作頻率下限不能太低。如果應(yīng)用在低頻，因?yàn)樾盘?hào)周期較長(zhǎng)，而產(chǎn)生的頻率相對(duì)誤差為：當(dāng)利用峰值表測(cè)量正弦波電壓時(shí)，峰值檢波電路對(duì)波形的凸起部分非常敏感。若信號(hào)失真度較大,將會(huì)造成較大的波形誤差。∴在測(cè)量諧波失真較大的電壓時(shí)，盡量不要選用這種儀表，必須使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行誤差修正。如果被測(cè)信號(hào)是有規(guī)則的非正弦波電壓，與平均值表情況類似，可以進(jìn)行波形換算，以減小波形誤差，(3)波形誤差四、峰值電壓的測(cè)量(2)頻率誤差當(dāng)利用223.平均值電壓的測(cè)量6.峰值檢波器電壓表這是反相型峰值檢波器。運(yùn)放Al對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反相放大，VD2為半波檢波二極管，C為存儲(chǔ)電容，A2為電壓跟隨器，具有較高的輸入阻抗，在電容和輸出之間緩沖。電阻R1和R2與電位器RP組成反饋回路，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器可以改變環(huán)路增益。被測(cè)輸入信號(hào)<0時(shí)，Al的輸出>0；VD2導(dǎo)通，VD1截止時(shí)；電容C被充電；使uo跟隨ui。被測(cè)輸入信號(hào)>0時(shí)，Al的輸出<0；VD1導(dǎo)通，VD2截止時(shí)；電容C與Al隔離；使uc保持uimax

。3.平均值電壓的測(cè)量6.峰值檢波器電壓表這是反23五、有效值電壓表實(shí)現(xiàn)方法：

通常實(shí)現(xiàn)直接有效值電壓測(cè)量的方法有兩種-------熱電轉(zhuǎn)換法、公式法(1)熱電轉(zhuǎn)換法：將交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。該法沒(méi)有波形誤差，但有熱慣性和頻帶不寬等缺點(diǎn)。(2)公式法：利用方均根值公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在實(shí)際測(cè)量中，有時(shí)需要測(cè)量非正弦信號(hào)電壓的有效值。例如，非線性失真儀需要測(cè)量的諧波電壓是一種復(fù)雜波形，若用峰值檢波器或均值檢波器去測(cè)量，難以換算出實(shí)際的電壓有效值?！嘈枰苤苯訙y(cè)出任意波形電壓有效值的檢波器，這種能直接測(cè)出任意波形電壓有效值的檢波器稱為有效值檢波器。五、有效值電壓表實(shí)現(xiàn)方法：在實(shí)際測(cè)量中24

(1)熱電轉(zhuǎn)換法：將交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。

①實(shí)現(xiàn)方法利用熱電偶來(lái)實(shí)現(xiàn)有效值轉(zhuǎn)換的基本電路如圖所示，圖中AB是加熱絲，當(dāng)接入被測(cè)電壓ux時(shí)，加熱絲發(fā)熱，熱電偶M的熱端C點(diǎn)的溫度將高于冷端D，E的溫度，∴產(chǎn)生熱電勢(shì)；∴有直流電流I流過(guò)微安表。②電路實(shí)現(xiàn)一例：當(dāng)分壓器及放大器總傳輸系數(shù)為1時(shí)，

Ex＝KUx

2熱電偶M2與M1性能相同，

∴Ef＝K·Uo2當(dāng)放大器A的增益足夠大時(shí)，

ΔE=Ex-Ef≈0；即：K·Uo2-KUx

2≈0Uo≈Ux

可見(jiàn)：輸出直流電壓Uo

與被測(cè)電壓的有效值Ux成正比。該電路完成了RMS→DC的線性轉(zhuǎn)換；表盤可均勻刻度。

特點(diǎn)：

*可測(cè)任意周期性波形的電壓有效值，同諧波與基波的相角無(wú)關(guān)，不會(huì)產(chǎn)生波形誤差。*當(dāng)用正弦波電壓有效值刻度時(shí)，表盤刻度是線性的。

*該法頻率范圍受放大器帶寬限制,在測(cè)矩形方波時(shí),其高次諧波會(huì)受抑制而產(chǎn)生誤差。

*其量程受限于放大器的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)被測(cè)電壓波形上的尖蜂過(guò)高時(shí)．會(huì)受到電壓表放大器動(dòng)態(tài)范圍的限制，因此還會(huì)產(chǎn)生一定的波形誤差。ux′uxIf(1)熱電轉(zhuǎn)換法：將交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。25

②特點(diǎn)：

*可測(cè)任意周期性波形電壓的有效值，同諧波/基波間相角無(wú)關(guān)，不會(huì)產(chǎn)生波形誤差。*因?yàn)镮αUxrms2，∴用正弦波電壓有效值刻度時(shí)，表盤刻度是非線性的，。

*該法頻率范圍受轉(zhuǎn)換器限制，常用于頻率不高的有效值電壓測(cè)量中。

(2)公式法1--------利用二極管進(jìn)行方均根值轉(zhuǎn)換。

①實(shí)現(xiàn)方法

五、有效值電壓表-----從有效值的定義可知：由上式可見(jiàn)，有效值檢波器的函數(shù)特性，應(yīng)具有平方律關(guān)系?！嗫蛇x擇二極管檢波器，并適當(dāng)調(diào)節(jié)其工作點(diǎn)，使該檢波器電流為：∵表頭指針偏轉(zhuǎn)角正比于其直流平均值，而檢波電流的平均值為：式中，為輸入電壓平均值，且；為起始電流可以設(shè)法抵消掉；

∴流過(guò)表頭的電流便是檢波器檢出的方均值分量。②特點(diǎn)：(2)公式法1--------利用二極管進(jìn)行26五、有效值電壓表

(3)公式法2-------利用模擬運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)有效值電壓的測(cè)量

從有效值的定義可知：利用模擬運(yùn)算電路測(cè)量電壓的有效值，原理如圖3.2-12(a)所示，第一級(jí)接成平方運(yùn)算的模擬乘法器，其輸出正比于u2(t),第二級(jí)接成積分平均電路；第三級(jí)將積分器的輸出進(jìn)行開(kāi)方，最后輸出的電壓正比于被側(cè)電壓的有效值。①工作原理五、有效值電壓表(3)公式法2-------27五、有效值電壓表②電路實(shí)現(xiàn)-----------利用專用模塊五、有效值電壓表②電路實(shí)現(xiàn)-----------利用專28六、脈沖電壓的測(cè)量1.脈沖電壓表的原理六、脈沖電壓的測(cè)量1.脈沖電壓表的原理292.誤差分析：而：∴可見(jiàn)：①T越大、tW

越小，γT

越大。②R越大，γT

越小；∴應(yīng)盡可能增大負(fù)載電阻

R。3.電路實(shí)現(xiàn)：2.誤差分析：而：∴可見(jiàn)：①T越大、tW越小，γT30§3.4分貝的測(cè)量§3.5失真度測(cè)量§3.6功率的測(cè)量§3.7Q值的測(cè)量§3.3噪聲電壓的測(cè)量§3.4分貝的測(cè)量§3.3噪聲電壓的測(cè)量31Chapter3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§3.5失真度測(cè)量§3.6功率的測(cè)量§3.7Q值的測(cè)量Chapter3模擬測(cè)量方法§3.1電壓測(cè)量概述*32§3.1電壓測(cè)量概述

在電子測(cè)量領(lǐng)域中，電壓、電流和功率

是表征電信號(hào)能量大小的三個(gè)基本參量。電壓測(cè)量占有極為重要的地位。因?yàn)椋?/p>

①在集中參數(shù)電路里，測(cè)量的主要參量是電壓。

②許多電參數(shù)，如頻率特性、失真度、靈敏度等都可視為電壓量的派生量。③各種電路工作狀態(tài),如飽和、截止及動(dòng)態(tài)范圍等都以電壓的形式反映出來(lái)。④電子設(shè)備的各種控制信號(hào)、反饋信號(hào)等信息也主要表現(xiàn)為電壓量。

∴電壓的測(cè)量是其他許多電參量測(cè)量的基礎(chǔ)。很多電子測(cè)量?jī)x器，如信號(hào)發(fā)生器、各種電子式電壓表、Q表、示波器等，以及其他電子設(shè)備都是用電壓表作為它們的指示裝置或輔助監(jiān)測(cè)裝置的。在調(diào)試電子設(shè)備或進(jìn)行各種測(cè)量工作時(shí)，電壓的測(cè)量是必不可少的。§3.1電壓測(cè)量概述在電子測(cè)量領(lǐng)域中，電331.電壓測(cè)量的特點(diǎn)與要求

1)電子技術(shù)中被測(cè)電壓的主要特點(diǎn)(1)被測(cè)電壓頻率可能為直流、超低頻、低頻、高頻及超高頻。(2)被測(cè)電壓值可小到微伏甚至毫微伏級(jí)，大到幾千伏、幾十千伏，甚至更高量級(jí)。(3)被測(cè)電壓波形有正弦波、失真正弦波及各種非正弦波。如圖示幾種電壓波形圖。(4)被測(cè)電壓所在電路內(nèi)阻可能很高，也可能很低，有時(shí)還可能是一個(gè)諧振回路。(5)被測(cè)交流電壓中，往往含有直流及噪聲干擾等不需要測(cè)量的成份。

2)電壓測(cè)量的基本要求由于被測(cè)電壓具有以上一些特點(diǎn)，因而在制訂電壓測(cè)量方案時(shí)，必須根據(jù)具體情況及測(cè)量的目的，對(duì)電壓測(cè)量提出如下要求：(1)應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍(2)應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y(cè)量范圍(3)應(yīng)有足夠高的測(cè)量準(zhǔn)確度(4)應(yīng)有足夠高的輸入阻抗(5)應(yīng)有足夠高的抗干擾能力

2.電壓測(cè)量?jī)x器的分類

電壓測(cè)量?jī)x器一般分為兩大類：模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表。(1)模擬式電壓表(采用指針式模擬顯示的電壓表)

根據(jù)電壓性質(zhì)：

按電壓特點(diǎn)分為：直流電壓表、交流電壓表、脈沖電壓表和多用途電壓表等。

按使用頻率范圍分為：超低頻/低頻/高頻/超高頻電壓表和選頻電壓表等。

根據(jù)測(cè)量方法分為：峰值電壓表、平均值電壓表和有效值電壓表。

根據(jù)儀表結(jié)構(gòu)分為：磁電式、電磁式和電動(dòng)式電壓表等。(2)數(shù)字式電壓表(采用數(shù)字顯示的電壓表)

主要優(yōu)點(diǎn)是：準(zhǔn)確度高，輸入阻抗高，功能齊全，顯示直觀，可靠性好．過(guò)載能力強(qiáng)，耗電少、小巧輕便1.電壓測(cè)量的特點(diǎn)與要求2.電壓測(cè)量?jī)x器的分類電34儀表的標(biāo)志不同類型的電工儀表，具有不同的技術(shù)性能。為了便于選擇和使用儀表，通常把這些不同的技術(shù)特性采用不同的符號(hào)標(biāo)志，標(biāo)明在儀表的標(biāo)度盤或面板上。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB776-76》的規(guī)定，每只儀表應(yīng)有測(cè)量對(duì)象單位、準(zhǔn)確度等級(jí)、電流種類和相數(shù)、工作原理系別、使用條件組別、工作位置、絕緣強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)電壓、儀表型號(hào)以及各種額定值的標(biāo)志。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種符號(hào)標(biāo)志列于表2-2-1至表2-2-9。表2-1-1

測(cè)量單位的符號(hào)儀表的標(biāo)志35表2-1-2

儀表工作原理的圖形符號(hào)儀表的標(biāo)志表2-1-2儀表工作原理的圖形符號(hào)儀表的標(biāo)志36儀表的標(biāo)志表2-1-4

準(zhǔn)確度等級(jí)的圖形符號(hào)~~~~表2-1-3

電流種類的圖形符號(hào)1.51.51.5儀表的標(biāo)志表2-1-4準(zhǔn)確度等級(jí)的圖形符號(hào)~~~~表2-372）平均值

U

：

對(duì)周期信號(hào)3）有效值

U

：在不特別指明時(shí)，交流電壓的量值均指有效值。各類電壓表的示值，除特殊情況外，都是按正弦波有效值來(lái)定度的。

4)

波形系數(shù)KF

：表征同一信號(hào)的有效值與平均值之比。5)波峰系數(shù)KP：表征同一信號(hào)的峰值與有效值的比值。*各種波形的波峰系數(shù)KF和波峰系數(shù)KP參表3.2.1§3.2交流電壓的測(cè)量一、交流電壓的表征交流電壓可以用峰值、平均值、有效值來(lái)表征；它們相互間的關(guān)系可用波形系數(shù)、波峰系數(shù)來(lái)表征。1）峰值：交變電壓在一個(gè)周期內(nèi)所能達(dá)到的最大值。記為UP。2）平均值U：3）有效值U：在不特別38電子測(cè)量Chapter-3-模擬測(cè)量方法-091016課件39二、交流電壓的測(cè)量方法交流電壓的測(cè)量方法很多，其中最主要的方法是用檢波器將交流變換為直流、然后再接到直流表頭進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)檢波特性不同，有平均值檢波、峰值檢波和有效值檢波，相應(yīng)的電壓表簡(jiǎn)稱為平均值電壓表、峰值電壓表和有效值電壓表。二、交流電壓的測(cè)量方法交流電壓的測(cè)量方法很多40三、平均值電壓表1.結(jié)構(gòu)組成：

該表又稱放大—檢波式電子電壓表，即先放大后檢波。

2.特點(diǎn)：

該表檢波器對(duì)被測(cè)電壓的平均值產(chǎn)生響應(yīng),

頻率范圍主要受放大器帶寬限制,典型頻率范圍為20Hz~10MHz,故又稱為視頻毫伏表、主要用于低頻電壓測(cè)量。

靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲限制，一般可做到毫伏級(jí)。

一般的“寬頻帶毫伏表”基本屬于這一類。三、平均值電壓表1.結(jié)構(gòu)組成：2.特點(diǎn)：41三、平均值電壓表

3.平均值表頭的工作原理①檢波電路如圖3.2-5所示。

②微安表指針偏轉(zhuǎn)角與輸入電壓關(guān)系<以圖(c)為例>∴平均值檢波表頭偏轉(zhuǎn)角正比于其輸入電壓平均值，與其波形無(wú)關(guān)。

其中：R=103~104Ω、且微安表兩端并聯(lián)電容用于濾除檢波后電流中的交流成分，避免表針抖動(dòng)；電容的充放電時(shí)間常數(shù)相等。(a)半波整流(b)(a)的簡(jiǎn)化式(c)全波整流(d)(c)的簡(jiǎn)化式三、平均值電壓表3.平均值表頭的工作原理①檢波電路423.平均值電壓的測(cè)量式中:是被測(cè)正弦波電壓的平均值，Ka是定度系數(shù)。

當(dāng)采用全波檢波時(shí)：

設(shè)正弦峰值電壓為1V時(shí)，其平均電壓：可見(jiàn)：平均值電壓表的定度系數(shù)Ka=1.11

定度系數(shù)Ka：由于被測(cè)交流電壓多為正弦波，且希望得到測(cè)量的有效值，因而儀表刻度采用正弦波有效值定度。即將儀表刻度盤按正弦波電壓有效值刻度?！嚯妷罕肀皇┘诱医涣麟妷篣時(shí)的指示值為：4.電壓測(cè)量3.平均值電壓的測(cè)量式中:是被測(cè)正弦波電壓的平433.平均值電壓的測(cè)量4.電壓測(cè)量

再根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)，計(jì)算其有效值：①正弦量測(cè)量

直讀②非正弦量測(cè)量

首先按“平均值相等示值也相等”的原則，將示值Ua折算成被測(cè)電壓的平均值：測(cè)量方法：例：用全波平均值電壓表測(cè)得三角波電壓的示值為10V，則其平均值為：其有效值為：3.平均值電壓的測(cè)量4.電壓測(cè)量再根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)443.平均值電壓的測(cè)量5.誤差分析

②測(cè)量非正弦波或失真的正弦波時(shí)，引起的波形誤差。以全波平均值表為例，當(dāng)以平均值表的示值直接作為被測(cè)電壓的有效值時(shí)，引起的絕對(duì)誤差為：引起的相對(duì)誤差為：

①用平均值表測(cè)量交流電壓會(huì)因直流微安表本身的誤差及檢波二極管的老化，超過(guò)頻率范圍等而產(chǎn)生誤差。當(dāng)以平均值表的示值直接作為被測(cè)電壓的有效值時(shí)，引起的絕對(duì)誤差為：引起的相對(duì)誤差為：例：用全波平均值電壓表測(cè)得三角波電壓的示值為10V，則其平均值為：其有效值為：可見(jiàn)，不管被測(cè)非正弦電壓的波形如何，直接將電壓表示值當(dāng)做被測(cè)電壓的有效值將會(huì)造成波形誤差。3.平均值電壓的測(cè)量5.誤差分析②測(cè)量非正弦453.平均值電壓的測(cè)量

③用平均值電壓表測(cè)失真正弦波電壓的誤差分析：設(shè)被測(cè)電壓為：其中：Kn為n次諧波幅度相對(duì)于基波幅度的百分?jǐn)?shù)，n諧波次數(shù)(取n＝2或3)；φ

n為n次諧波初相角。被測(cè)電壓的平均值

被測(cè)電壓的指示值但被測(cè)電壓的實(shí)際有效值為：測(cè)量失真波形電壓誤差：*諧波失真波形誤差可由P79圖3.2.6查得。3.平均值電壓的測(cè)量③用平均值電壓表測(cè)失真正弦波電壓463.平均值電壓的測(cè)量6.平均值檢波電壓表+_放大器衰減器檢波器3.平均值電壓的測(cè)量6.平均值檢波電壓表+_放大器衰減器47四、峰值電壓的測(cè)量1.結(jié)構(gòu)原理：電路組成如圖所示，被測(cè)交流電壓先檢波后放大，然后驅(qū)動(dòng)直流電流表偏轉(zhuǎn)。該表又稱檢波—放大式電子電壓表.

2.特點(diǎn)：

在峰值電壓表中，檢被器峰值響應(yīng)。由于采用橋式直流放大器，增益不高。這類電壓表靈敏度較低，一般為幾十毫伏。測(cè)量電壓的上限取決于檢波二極管的反向擊穿電壓。工作頻率范圍取決于檢波二極管的高頻特性，一般可達(dá)幾百兆赫。為了提高檢波一放大式電子電壓表的靈敏度，目前普遍采用斬波式直流放大器，如圖3.2-2(b)所示．其增益較高，噪聲、0點(diǎn)漂移都很小，其最高靈敏度可達(dá)幾十微伏。四、峰值電壓的測(cè)量1.結(jié)構(gòu)原理：電路組成如48

①檢波電路如圖3.2-19所示。

3.峰值表頭的工作原理串聯(lián)式：倍壓式：~ux(t)RxRCRd＋i充i放~ux(t)RxR＋RdC－i放i充-+~ux(t)RxRC1＋C2Rd2Rd1并聯(lián)式：四、峰值電壓的測(cè)量其中：R=107~108Ω、且

②微安表指針偏轉(zhuǎn)角(示值)正比于其輸入電壓峰值，與其波形基本無(wú)關(guān)。①檢波電路如圖3.2-19所示。3.峰值表頭的工49式中:是被測(cè)任意波形電壓的峰值，Ka是定度系數(shù)。

設(shè)正弦有效值電壓為1V時(shí)，其峰值電壓：

定度系數(shù):由于儀表刻度采用正弦波有效值定度。即將正比于輸入電壓峰值的指針偏轉(zhuǎn)乘以定度系數(shù)Ka作為儀表刻度值。∴電壓表加正弦交流電壓Ua時(shí)的指示值為：四、峰值電壓的測(cè)量4.電壓測(cè)量

*根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)，計(jì)算其有效值：①正弦量測(cè)量-----直讀②非正弦量測(cè)量-------首先按“峰值相等----示值也相等”的原則，將示值Ua折算成被測(cè)電壓的峰值：方法：式中:是被測(cè)任意波形電壓的峰值，Ka是定度系50例:

P90-例3例:P90-例351四、峰值電壓的測(cè)量5.誤差分析四、峰值電壓的測(cè)量(1)理論誤差

由于峰值檢波器負(fù)載電阻上總要消耗一部分能量，為了維持檢波器正常工作，負(fù)載電阻上的電壓一直處于不斷進(jìn)行充放電的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，其輸出電壓平均值UR總是低于實(shí)際峰值。這是峰值檢波器的理論誤差，屬固有誤差。峰值表的誤差來(lái)源主要有：理論誤差、頻率誤差、波形誤差經(jīng)數(shù)學(xué)分析可知，當(dāng)被測(cè)電壓為正弦波時(shí)產(chǎn)生的理論誤差為：絕對(duì)誤差四、峰值電壓的測(cè)量5.誤差分析四、峰值電壓的52四、峰值電壓的測(cè)量(2)頻率誤差峰值表比較適用于高頻測(cè)量，因?yàn)樽枞莘烹姇r(shí)間變換較快，當(dāng)工作頻率很低時(shí)，T很大，使放電時(shí)間增加。在一定的放電時(shí)間常數(shù)RC之下，UR之值便降低愈多，誤差也就愈大。為了把低頻誤差控制在一定限度之內(nèi)．工作頻率下限不能太低。如果應(yīng)用在低頻，因?yàn)樾盘?hào)周期較長(zhǎng)，而產(chǎn)生的頻率相對(duì)誤差為：當(dāng)利用峰值表測(cè)量正弦波電壓時(shí)，峰值檢波電路對(duì)波形的凸起部分非常敏感。若信號(hào)失真度較大,將會(huì)造成較大的波形誤差?！嘣跍y(cè)量諧波失真較大的電壓時(shí)，盡量不要選用這種儀表，必須使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行誤差修正。如果被測(cè)信號(hào)是有規(guī)則的非正弦波電壓，與平均值表情況類似，可以進(jìn)行波形換算，以減小波形誤差，(3)波形誤差四、峰值電壓的測(cè)量(2)頻率誤差當(dāng)利用533.平均值電壓的測(cè)量6.峰值檢波器電壓表這是反相型峰值檢波器。運(yùn)放Al對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反相放大，VD2為半波檢波二極管，C為存儲(chǔ)電容，A2為電壓跟隨器，具有較高的輸入阻抗，在電容和輸出之間緩沖。電阻R1和R2與電位器RP組成反饋回路，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器可以改變環(huán)路增益。被測(cè)輸入信號(hào)<0時(shí)，Al的輸出>0；VD2導(dǎo)通，VD1截止時(shí)；電容C被充電；使uo跟隨ui。被測(cè)輸入信號(hào)>0時(shí)，Al的輸出<0；VD1導(dǎo)通，VD2截止時(shí)；電容C與Al隔離；使uc保持uimax

。3.平均值電壓的測(cè)量6.峰值檢波器電壓表這是反54五、有效值電壓表實(shí)現(xiàn)方法：

通常實(shí)現(xiàn)直接有效值電壓測(cè)量的方法有兩種-------熱電轉(zhuǎn)換法、公式法(1)熱電轉(zhuǎn)換法：將交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。該法沒(méi)有波形誤差，但有熱慣性和頻帶不寬等缺點(diǎn)。(2)公式法：利用方均根值公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在實(shí)際測(cè)量中，有時(shí)需要測(cè)量非正弦信號(hào)電壓的有效值。例如，非線性失真儀需要測(cè)量的諧波電壓是一種復(fù)雜波形，若用峰值檢波器或均值檢波器去測(cè)量，難以換算出實(shí)際的電壓有效值?！嘈枰苤苯訙y(cè)出任意波形電壓有效值的檢波器，這種能直接測(cè)出任意波形電壓有效值的檢波器稱為有效值檢波器。五、有效值電壓表實(shí)現(xiàn)方法：在實(shí)際測(cè)量中55

(1)熱電轉(zhuǎn)換法：將交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。

①實(shí)現(xiàn)方法利用熱電偶來(lái)實(shí)現(xiàn)有效值轉(zhuǎn)換的基本電路如圖所示，圖中AB是加熱絲，當(dāng)接入被測(cè)電壓ux時(shí)，加熱絲發(fā)熱，熱