第3章-模擬測量方法(講稿)

第3章模擬測量方法3.1電壓測量概述3.2模擬式直流電壓測量3.3交流電壓的測量3.4分貝的測量3.5功率測量習題33.1電壓測量概述

根據(jù)信號特性，信號分為模擬信號和數(shù)字信號。模擬信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，是集總參數(shù)電路中表征電信號能量的三個基本參數(shù)(電壓、電流、功率)之一。在電子電路中，電路的工作狀態(tài)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，將非電參數(shù)轉換成電壓參數(shù)。

電路中其他電參數(shù)，包括電流和功率，以及如信號的調幅度、波形的非線性失真系數(shù)、元件的Q值、網(wǎng)絡的頻率特性和通頻帶、設備的靈敏度等等，都可以視作電壓的派生量，通過電壓測量獲得其量值。 最重要的是，電壓測量直接、方便，將電壓表并接在被測電路上，只要電壓表的輸入阻抗足夠大，就可以在幾乎不對原電路工作狀態(tài)有所影響的前提下獲得較滿意的測量結果。而電流測量時必須把電流表串接在被測支路中，很不方便，而且電流表的接入改變了原來電路的工作狀態(tài)，測得值不能真實地反映出原有情況。 因此，電壓測量是電子測量的基礎，在電子電路和設備的測量調試中，電壓測量是不可缺少的基本測量。 3.1.1電壓測量的基本要求 第一章中介紹了電子測量的基本特點，同樣在電壓測量中得到體現(xiàn)，電壓測量的特點就對電壓測量的主要儀器-電壓表的性能，提出了一定的要求，主要包括下面幾個方面。

1.應有足夠寬的頻率范圍電子電路中電壓信號的頻率范圍相當廣，可以從直流到數(shù)百MHz，頻段不同，測量方法手段也各異。

2.應有足夠寬的電壓測量范圍電子電路中待測電壓的大小，低至10-9V，高達幾千伏。若測量非常小的電壓值，就要求電壓表有較高的靈敏度和穩(wěn)定度，而對高電壓的測量，則要求電壓表有較高的絕緣強度。

3.應有足夠高的測量準確度電子電壓表測量誤差有基本誤差和影響誤差兩項，當測量直流電壓時，不包含頻率誤差項，相比之下，交流電壓測量的準確度較低，目前交流電壓測量精度一般在10-2～10-4量級。

4.應有足夠高的輸入阻抗電壓表的輸入阻抗是被測電路和額外負載。為減小測量儀表在接入時對被測電路的影響，希望儀器具有較高的輸入阻抗。模擬電子電壓表輸入阻抗一般為幾十千歐到幾兆歐。當測量高頻電壓時，輸入電容對被測量電路的影響變大，希望減小輸入電容的值。

5.應有足夠高的抗干擾能力 電壓測量易受外界干擾影響，當信號電壓較小時，干擾往往成為影響測量精度的主要因素，因此要求高靈敏度電壓表必須具有較高的抗干擾能力。3.1.2電壓測量儀器的分類

1.按顯示方式分類電壓測量儀器主要指各類電壓表。在一般工頻(50Hz)和要求不高的低頻(低于幾十kHz)測量時，可使用一般萬用表電壓檔，其他情況大都使用電子電壓表。按顯示方式不同，電子電壓表分為模擬式電子電壓表和數(shù)字式電子電壓表。前者以模擬式電表顯示測量結果，后者用數(shù)字顯示器顯示測量結果。模擬式電壓表準確度和分辨力不及數(shù)字式電壓表，但由于結構相對簡單，價格較為便宜，頻率范圍也寬，另外在某些場合，并不需要準確測量電壓的真實大小，而只需要知道電壓大小的范圍或變化趨勢。2．模擬式電壓表分類

(1)按測量功能分類分為直流電壓表、交流電壓表和脈沖電壓表和多用途電壓表等。其中脈沖電壓表主要用于測量脈沖間隔很長(即占空系數(shù)很小)的脈沖信號和單脈沖信號，一般情況下脈沖電壓的測量已逐漸被示波器測量所取代。(2)按工作頻段分類可分為超低頻電壓表(低于10Hz)、低頻電壓表(低于1MHz)、視頻電壓表(低于30MHz)、高頻或射頻電壓表(低于300MHz)和超高頻電壓表(高于300MHz)等。

(3)按測量電壓量級分類分為電壓表和毫伏表。電壓表的主量程為V(伏)量級，毫伏表的主量程mV(毫伏)量級。主量程是指不加分壓器或外加前置放大器時電壓表的量程。

(4)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，有峰值檢波、平均值檢波和有效值檢波三種，分別簡稱為峰值電壓表、均值電壓表和有效值電壓表。

(5)按電壓測量準確度等級分類分為0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、l.5、2.5、5.0和10.0等級，其滿度相對誤差分別為0.05％、0.1％、…、10.0％。3.2模擬式直流電壓測量

3.2.1動圈式電壓表圖3.2-1是動圈式電壓表示意圖。圖中虛框內為一直流動圈式高靈敏度電流表，內阻為Re，滿偏電流(或滿度電流)為Im，若作為直流電壓表，滿度電壓(3.2-1)圖3.2-1直流電壓表電路 為了擴大量程，通常串接若干倍壓電阻，如圖3.2-1中R1、R2、R3。這樣除了不串接倍壓電阻的最小電壓量程U0外，又增加了U1、U2、U3三個電壓量程，不難計算出三個倍壓電阻的阻值分別為（3.2-2）3.2.2電子電壓表

1．電子電壓表原理電子電壓表中，通常使用高輸入阻抗的場效應管(FET)源極跟隨器或真空三極管陰極跟隨器以提高電壓表輸入阻抗，后接放大器以提高電壓表靈敏度，當需要測量高直流電壓時，輸入端接入分壓電路。分壓電路的接入將使輸入電阻有所降低，但只要分壓電阻取值較大，仍然可以使輸入電阻較動圈式電壓表大得多，如圖3.2-3是這種電子電壓表的示意圖。圖3.2-3電子電壓表框圖 圖中R0、R1、R2、R3組成分壓器，由于FET源極跟隨器輸入電阻很大(幾百MΩ以上)，因此由Ux測量端看進去的輸入電阻基本上由R0~R3等串聯(lián)決定，通常使它們的串聯(lián)和大于10MΩ，以滿足高輸入阻抗的要求。同時，在這種結構下，電壓表的輸入阻抗基本上是個常量，與量程無關。2．調制式直流放大器在上述使用直流放大器的電子電壓表中，直流放大器的零點漂移(簡稱零漂)限制了電壓表靈敏度的提高，為此，電子電壓表中常采用調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微伏量級的電壓。 調制式直流放大器的原理如圖3.2-5所示，圖中微弱的直流電壓信號經(jīng)調制器(又稱斬波器)變換為交流信號，再由交流放大器放大，經(jīng)解調器還原為直流信號(幅度已得到放大)。振蕩器為調制器和解調器提供固定頻率的同步控制信號。圖3.2-5調制式直流放大器原理3.3交流電壓的測量

3.3.1交流電壓的表征 交流電壓除用具體的函數(shù)關系式表達其大小隨時間的變化規(guī)律外，通常還可以用峰值、幅值、平均值、有效值等參數(shù)來表征。常見電壓的波形如圖3.3-1所示。圖3.3-1常見電壓的波形1.峰值Up

周期性交變電壓u(t)在一個周期內偏離零電平的最大值稱為峰值，用Up表示，正、負峰值不等時分別用Up+和Up-表示，如圖3.3-2(a)所示。u(t)在一個周期內偏離直流分量U0的最大值稱為幅值或振幅，用Um表示，正、負幅值不等時用Um+和Um-分別表示除去直流成分后的正負值，如圖3.3-2(b)所示，圖中U0＝0且正、負幅值相等。圖3.3-2交流電壓的峰值與幅值

2.平均值

u(t)的平均值的數(shù)學定義為(3.3-1)按照這個定義，實質上就是周期性電壓的直流分量U0，如圖3.3-2(a)中虛線所示。在電子測量中，平均值通常指交流電壓檢波(也稱整流)后的平均值，又可分為半波整流平均值(簡稱半波平均值)和全波整流平均值(簡稱全波平均值)，如圖3.3-3所示，其中(a)為未檢波前電壓波形，(b)、(c)分別為半波整流和全波整流后的波形。 全波平均值定義為(3.3-2)如不另加說明，通指平均值均為式(3.3-2)所定義的全波平均值。圖3.3-2半波和全波整流3.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阻上時，若在一個周期內兩者產(chǎn)生的熱量相等，則交流電壓的有效值U等于該直流電壓，用數(shù)學公式表示為(3.3-3)式(3.3-3)實質上即數(shù)學上的均方根定義，因此電壓有效值有時也寫作Urms。4．波形系數(shù)KF、波峰系數(shù)Kp交流電壓的有效值、平均值和峰值間有一定的關系，可分別用波形系數(shù)(或稱波形因數(shù))及波峰系數(shù)(或稱波峰因數(shù))表示。

波形系數(shù)KF定義為該電壓的有效值與平均值之比(3.3-4)波峰系數(shù)Kp定義為該電壓的峰值與有效值之比(3.3-5)常見電壓波形的表征參數(shù)如表3.3.1所示。表3.3.1不同波形交流電壓的表征參數(shù)3.3.2交流電壓的測量方法

1.交流電壓測量的基本原理

測量交流電壓的方法很多，依據(jù)的原理也不同。其中最主要的是利用交流/直流(AC/DC)轉換電路將交流電壓轉換成直流電壓，然后再接到直流電壓表上進行測量。根據(jù)AC/DC轉換器的類型，可分成檢波法和熱電轉換法。根據(jù)檢波特性的不同，檢波法又可分成峰值檢波、平均值檢波、有效值檢波等。2.模擬交流電壓表的主要類型

(1)檢波-放大式

在直流放大器前面接上檢波器，就構成了如圖3.3-3所示的檢波-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于檢波器。采用超高頻檢波二極管并在電表結構工藝上仔細設計，可使這種電壓表的頻率范圍從幾十Hz到幾百MHz，輸入阻抗也較大。圖3.3-3檢波-放大式電壓原理表框圖一般將這種電壓表稱為“高頻毫伏表”(“高頻電壓表”)或“超高頻毫伏表”(“超高頻電壓表”)，如國產(chǎn)DA36型超高頻毫伏表，其測量頻率范圍為10kHz～l000MHz，電壓范圍1mV～10V(不加分壓器)，輸入阻抗分別為：100kHz時，3V量程，輸入阻抗>100kΩ；50MHz時，3V量程，輸入阻抗>50kΩ，輸入電容<2pF。

(2)調制式

在前面分析直流電壓表時即已說明，為了減小直流放大器的零點漂移對測量結果的影響，可采用調制式放大器以替代一般的直流放大器，這就構成圖3.3-4所示的調制式電壓表。實際上這種方式仍屬于檢波-放大式。DA36型超高頻毫伏表就采用了這種方式，其中放大器是由斬波器和振蕩器構成的調制式直流放大器。圖3.3-4調制式電壓表原理框圖

(3)放大-檢波式當被測電壓過低時，直接進行檢波誤差會顯著增大。為了提高交流電壓表的測量靈敏度，可先將被測電壓進行放大，而后再檢波和推動直流電表顯示，于是構成圖3.3-5所示的放大-檢波式電壓表。這種電壓表的頻率范圍主要取決于寬帶交流放大器，靈敏度受到放大器內部噪聲的限值。圖3.3-5放大—檢波式電壓表框圖

(4)外差式檢波二極管的非線性，限制了檢波-放大式電壓表的靈敏度，因此雖然其頻率范圍較寬，但測量靈敏度一般僅達到mV級。

放大-檢波式電壓表，由于受到放大器增益與帶寬矛盾的限制，雖然靈敏度可以提高，但頻率范圍卻較窄，一般在10MHz以下，同時兩種方式測量電壓時，都會由于干擾和噪聲的影響而妨礙了靈敏度的提高。 外差式電壓測量法在相當大的程度上解決了上述矛盾。其原理框圖如圖3.3-6所示。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，高頻放大器帶寬很大，但不要求有很高的增益。圖3.3-6外差式電壓表框圖

被測電壓的放大主要由后面的中頻放大器完成。被測信號經(jīng)輸入電路，與本振信號一起進入混頻器轉變成頻率固定的中頻信號，經(jīng)中頻放大器放大后進入檢波器轉變成直流電壓推動表頭顯示。由于中頻放大器具有良好的頻率選擇性和固定中頻頻率，從而解決了放大器增益帶寬的矛盾，又因為中頻放大器的極窄的帶通濾波特性，因而可以在實現(xiàn)高增益的同時，有效地削弱干擾和噪聲(它們都具有很大的帶寬)的影響，使測量靈敏度提高到μV級，因此稱為“高頻微伏表”，典型的外差式電壓表如DW-1型高頻微伏表，最小量程15μV，最大量程15mV(加衰減器可擴展到1.5V)，頻率范圍100kHz~300MHz，分8個頻段，基本誤差為±3％。(5)熱偶變換式 熱偶變換式，利用被測電壓對電熱絲加熱，用熱偶元件與電熱絲耦合測出電熱絲上溫度，根據(jù)加熱溫度與熱電勢的函數(shù)關系測出被測電壓。 這種方法，測量結果與被測信號波形無關，沒有波形誤差，因此熱偶式電壓表是一種真正的有效值電壓表，但它有熱慣性，受環(huán)境溫度影響大及頻帶窄等缺點。熱偶元件又稱熱電偶，是由兩種不同材料的導體所構成的具有熱電現(xiàn)象的元件，如圖3.3-7所示。圖3.3-7熱電偶原理圖

(6)其他方式交流電壓測量方法還有其他一些方式，例如鎖相同步檢波式、取樣式、測熱電橋式等。

鎖相同步檢波式利用同步檢波原理，濾除噪聲，消弱干擾，適用于被噪聲干擾淹沒情況下電壓信號的檢測。

取樣式實質上是一種頻率變換技術，利用取樣信號中含有被取樣信號的幅度信息(隨機取樣)或者含有被取樣信號的幅度、相位信息(相關取樣)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。

取樣式電壓表可以測量1mV～1V、10kHz～1GHz的電壓。利用相關采樣技術制成的矢量電壓表，不僅可以測量兩路電壓的幅度，還能測量其相位差。

測熱電橋式是利用具有正的或負的溫度系數(shù)的電阻如半導體熱敏電阻、鎮(zhèn)流電阻、薄膜測熱電阻等構成精密電橋，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。 3.3.3平均值電壓的測量通常把測量低頻(<1MHz)信號電壓的電壓表稱作交流電壓表或交流毫伏表。這類電壓表一般采用放大-檢波式結構，檢波器多為平均值檢波器或者有效值檢波器，分別構成均值電壓表和有效值電壓表。1.平均值檢波器的原理

(1)工作原理平均值檢波器的基本電路如圖7.4-1(a)所示，4只性能相同的二極管構成橋式全波整流電路，圖(b)是其等效電路，整流后的波形為|ux|，整流器可等效為Rs串聯(lián)一電壓源|ux|，Rm為電流表內阻，C為濾波電容，濾除交流成分。圖3.3-8平均值檢波器工作原理(a)(c)(b)(3.3-6)恰為其整流平均值，加在表頭上，流過表頭的電流I0正比于，即正比于全波整流平均值。|ux|傅里葉展開式中的基波和各高次諧波均被并接在表頭上的電容C旁路而不流過表頭，因此，流過表頭的僅是和平均值成正比的直流電流I0。為了降低整流二極管非線性的影響，實際電壓表中也常使用圖3.3-8(c)所示的半橋式全波整流器。將|ux|用傅里葉級數(shù)展開，其直流分量為

(2)檢波靈敏度

表征均值檢波器工作特性的一個重要參數(shù)是檢波靈敏度Sd，定義為(3.3-7)對于圖3.3-8(a)所示全波橋式整流器，可導出(3.3-8)若，則根據(jù)表3.3-1，有(3.3-9)

所以(3.3-10)

如果Rd＝500Ω，Rm＝1kΩ，由上式得Sd＝1/314。要提高測量靈敏度，應減小Rd和Rm。由于二極管是非線性器件，當電壓較低時，Rd急劇增大至幾kΩ到幾十kΩ，Sd急劇下降，因此不宜用這種檢波器直接測量0.5V以下的電壓。

(3)輸入阻抗

可以證明，對于圖3.3-8(a)所示平均值整流器，其輸入阻抗(3.3-11)仍設(這是常規(guī)的數(shù)值)，則Ri約為1.8kΩ，可見均值檢波器輸入阻抗很低。

2.均值電壓表由于均值檢波器檢波靈敏度的非線性特性及輸入阻抗過低，所以以均值檢波器為AC/DC變換器的均值電壓表一般都設計成放大-檢波式(圖3.3-5)。放大器的主要作用是放大被測電壓，提高測量靈敏度，使檢波器工作在線性區(qū)域，同時它的高輸入阻抗可以大大減小負載效應。圖3.3-9為JB-1B型交流電壓表的部分電路，它在放大器后接了一個全波橋式整流器(由4只二極管VD1~VD4組成的平均值檢波器)，可以在2Hz~500kHz的頻率范圍內測量50μV~300V的電壓(最小量程1mV)。圖3.3-9中，R1、C2組成濾波器；R2、VD5為線性補償電路，當信號電壓較低時，由于Sd具有非線性，因此表頭電流偏小，此時R2、VD5的分流作用也減小，使表頭電流有所增加，起到線性補償作用。當信號頻率過低(2~10Hz)時，阻尼開關S閉合，以避免表針擺動。圖3.3-9JB-1B型電壓表的原理圖

3.波形換算方法 由于被測電壓多為正弦波，希望測量其有效值，因此電壓表的度盤都采用正弦波有效值定度的。而平均值檢波器的輸出正比于被測電壓的平均值，則電壓表度盤的定度系數(shù)按下列公式確定為(3.3-12)

式中，Ua為電壓表示值；為被測電壓平均值。則平均值電壓為

(3.3-13)對于全波檢波(整流)電路構成的均值電壓表，定度系數(shù)Ka就等于正弦信號的波形因數(shù)，即(3.3-14)如果被測信號為正弦波形，則電壓表示值就是被測電壓的有效值。如果被測信號是非正弦波形，那么需要進行“波形換算”才能確定被測信號的有效值，即根據(jù)平均值電壓和波形系數(shù)確定被測電壓的有效值。(3.3-15)[例3.3-1]用全波整流均值電壓表分別測量正弦波、三角波和方波，若電壓表示值均為10V，那么被測電壓的有效值各為多少?解：對于正弦波，電壓表示值就是有效值電壓，即

U=Ua=10V對于三角波，波形系數(shù)KF=1.15，所以有效值電壓為U=0.9KFUa=0.9×1.15×10=10.35V對于方波，波形系數(shù)KF=１，所以有效值為U=0.9KFUa=0.9×1×10=９V顯然，如果被測電壓不是正弦波形，則直接將電壓表示值作為被測電壓的有效值，這必將帶來較大的誤差，通常稱做“波形誤差”。利用式(3.3-15)，可以計算示值相對誤差，(3.3-16)對于上例中的三角波和方波，如果直接將電壓表示值Ua＝10V作為其有效值，則它們的波形誤差分別為方波：三角波：4.均值電壓表的誤差

均值電壓表的誤差包括下列因素：直流微安表本身的誤差；檢波二極管老化、變質、不對稱帶來的誤差；超過頻率范圍時二極管分布參數(shù)帶來的誤差（頻響誤差）；波形誤差。圖3.3-10是均值檢波器高頻等效電路，當A點電位高于B點電位的正半周內，D1、D4二極管導通，導通電阻為Rd，此時D2、D3的結電容Cd呈現(xiàn)的容抗雖仍比正向導通電阻大許多，但頻率增高時，其容抗可小于二極管反向電阻，因此D3、D2不再是截止狀態(tài)，即二極管失去單向導電性而帶來高頻頻響誤差。圖3.3-10平均值檢波器高頻等效電路

3.3.4有效值電壓檢波器

§3.3.1節(jié)已介紹了電壓有效值的定義：(3.3-17)為了獲得有效值(均方根)響應，必須使AC/DC變換器具有平方律關系的伏安特性。這類變換器有二極管平方律檢波式、分段逼近檢波式、熱電變換式和模擬計算式等四種,其中熱電變換式已在§3.3.2節(jié)進行了分析。1.二極管平方律檢波式

真空或半導體二極管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律關系。圖3.3-11給出利用二極管平方律的工作原理，其中E0為偏置電壓，當信號電壓ux較小時，流過二極管的電流i為(3.3-18)式中k是與二極管特性有關的系數(shù)(稱為檢波系數(shù))。圖3.3-11二極管的平方律特性(3.3-19)由于電容C的積分(濾波)作用，流過微安表的電流正比于i的平均值等于式中，kE02是靜態(tài)工作點電流，稱為起始電流，可以設法將其抵消；為被測電壓ux(t)的平均值，對于正弦波或周期對稱的電壓；

為ux(t)的有效值。(3.3-20)若設法在電路中抵消起始電流的影響，則送到微安安表的電流為從而實現(xiàn)了有效值轉換。這種儀表的優(yōu)點是：可以測量任意周期性波形電壓的有效值，同諧波與基波之間的相角無關，不會產(chǎn)生波形誤差。其缺點是，當用正弦波電壓有效值刻度時，表盤刻度是非線性的，因為是二次方程關系。

2.分段逼近檢波式圖3.3-12畫出了分段逼近式有效值檢波電路(見圖(b))及其平方律伏安特性(見圖(a))。其工作原理如下所述。由二極管VD3~VD6和電阻R3~R10構成的鏈式網(wǎng)絡相當于與R2并聯(lián)的可變負載。接在寬帶變壓器次級的二極管VD1、VD2對被測電壓進行全波檢波。適當調節(jié)檢波器負載(由鏈式網(wǎng)絡實現(xiàn))，可使其伏安特性成平方律關系，而使流過微安表的電流正比于被測電壓有效值的平方。圖3.3-12平方律伏安特性和二極管鏈式電路

3.模擬計算式

由于電子技術的發(fā)展，利用集成乘法器、積分器、開方器等實現(xiàn)電壓有效值測量是有效值測量的一種新形式，其原理如圖7.4-7所示。這種模擬計算式電壓表的刻度是線性的。，圖3.3-13模擬計算式有效值電壓表原理3.3.5峰值電壓的測量

由于放大器頻率特性的限制，通常測量高頻信號的電壓表不采用放大-檢波式，而采用檢波-放大式結構。采用這種結構，放大器放大的是檢波后的直流信號，其頻率特性不會影響整個電壓表的頻率響應。此時測量電壓的頻率范圍主要取決于檢波器的頻率響應。實現(xiàn)這種測量的檢波器多采用“峰值式”。1.峰值檢波器

(1)串聯(lián)式峰值檢波器

圖3.3-14是串聯(lián)式峰值檢波器的原理圖及檢波波形。元件參數(shù)滿足：

RC>>Tmax，R∑C<<Tmin (3.3-21)圖3.3-14串聯(lián)式峰值檢波器的原理圖及檢波波形

電容上電壓跌落很小，從而使得其平均值或始終接近ux的峰值，即，如圖3.3-14(b)所示。實際上檢波器輸出電壓平均值略小于

。

定義kd為峰值檢波器的檢波系數(shù)，則 (3.3-22)顯然，kd略小于1。若把圖3.3-14(a)中二極管VD反接，則可以測得ux的負峰值。(2)雙峰值檢波器

將兩個串聯(lián)式檢波電路結合在一起，可以構成圖3.3-15所示的雙峰值檢波電路。由前面串聯(lián)式檢波電路分析不難判斷，C1或R1上的平均電壓近似于ux的正峰值Up+，C2或R2上的平均電壓近似于ux的負峰值Up－，檢波器輸出電壓，即輸出電壓近似等于被測電壓的峰-峰值。圖3.3-15雙峰值檢波電路

(3)并聯(lián)式峰值檢波器

圖3.3-14是并聯(lián)式峰值檢波器的原理圖及檢波波形。元件參數(shù)滿足：

RC>>Tmax，R∑C<<Tmin (3.3-23)圖3.3-16并聯(lián)式峰值檢波電路及波形(4)倍壓式峰值檢波器

為了提高檢波器輸出的電壓，實際電壓表中還采用圖3.3-17所示的倍壓式峰值檢波器，圖中 。圖3.3-17倍壓式峰值檢波電路及波形2.誤差分析(1)理論誤差由前面的分析可知，峰值檢波器輸出電壓的平均值略小于被測電壓的峰值Up(倍壓電路小于2Up)，即式(3.3-22)中的檢波系數(shù)kd略小于1，實際數(shù)值與充電、放電時常數(shù)有關。經(jīng)數(shù)學分析可知，當被測電壓為正弦波時產(chǎn)生的理論誤差為(3.3-24)絕對誤差相對誤差(2)頻率誤差

在低頻情況下，由于Tmax加大，因此放電時間變長，下降增多，因而造成低頻誤差，理論分析得知低頻誤差為(3.3-25)

峰值檢波式電壓表比較適用于高頻測量，但受分布參數(shù)和高頻特性的影響也會產(chǎn)生頻率誤差。

模擬電壓表中的“頻率特性誤差”(也叫頻率影響誤差)反映了電壓表的頻率誤差，它定義為電壓表在工作范圍內各頻率點的電壓測量值相對于基準頻率的電壓測量值的誤差：(3.3-26)式中，Uf0為基準頻率上被測電壓的示值；Ufx為其他測試頻率上被測電壓的示值。

例如AS2271超高頻毫伏表的頻率特性誤差：以100kHz為基準，100kHz~50MHz,≤3%；10kHz~600MHz,≤10%;600~1000MHz,≤15%。作為比較，放大-檢波式的DA30有效值電壓表的頻率特性誤差為：10~50Hz,±5%;50Hz~2MHz,±3%;2~3MHz,±5%;3~10MHz,±7%。

(3)波形誤差與前述的均值電壓表一樣，峰值電壓測量也存在波形誤差問題，因為它的表盤也是按正弦波有效值定度。對于正弦波，電壓表示值即為其有效值，對于其他非正弦波，需利用表3.3-1給出的波峰系數(shù)kp進行換算才能得到有效值，對于那些不能通過波峰系數(shù)kp進行波形換算的被測信號，只好將電壓表示值作為其近似的有效值，這樣就帶來了波形誤差。 此外，根據(jù)式(3.3-22)，峰值檢波器的輸出與檢波系數(shù)kd有關，不同波形的信號和正弦波相比，Kd是有差異的，這也帶來了波形誤差。3.波形換算

(1)定度電壓表示值Ua與峰值檢波器輸出Up間滿足(3.3-27)式中ka稱為定度系數(shù)。由于電壓表以正弦波有效值定度，所以(3.3-28)(2)波形換算當被測電壓為非正弦波時，應進行波形換算才能得到被測電壓的有效值。波形換算的原理是：示值Ua相等則峰值Up也相等，由式(3.3-27)和(3.3-28)得峰值(3.3-29)再由表3.3-1給出的波峰因數(shù)得到有效值(3.3-30)上式僅適用于單峰值電壓表。3.3.6脈沖電壓的測量

脈沖電壓一般指脈沖的幅值，其測量方法大體有兩種：第一種是利用示波器；第二種是利用脈沖電壓表。使用示波器可以方便、直觀地觀察和測量脈沖信號的波形和各有關參數(shù)，如脈沖峰值(幅值)、脈沖上沖、頂部跌落、脈沖寬度、占空比等，這部分內容將在第五章闡述。本節(jié)主要介紹第二種測量方法，即脈沖電壓表測量方法。

1.脈沖電壓表的原理 圖3.3-18是用串聯(lián)式峰值檢波器測量脈沖電壓的示意圖。 電容器C在二極管導通的tw區(qū)間充電，充電電荷量為式中，是被測信號電路及檢波二極管的等效電阻。電容器C在脈沖休止(VD截止)區(qū)間通過等效負載R放電，放電電荷量為(a)原理圖(b)波形圖圖3.3-18串聯(lián)式峰值檢波器測量脈沖電壓的工作原理(3.3-31)電路平衡時，Q1=Q2,考慮到，則由上式可求得測量誤差(示值相對誤差)為(3.3-31)可見，測量誤差不僅與檢波器參數(shù)有關，還與波形有關。由式(3.3-31)知，降低誤差的辦法：降低充電回路電阻，增大負載電阻R，提高信號電壓的占空比tw:T。

2.脈沖保持型電壓表

如果能盡量減小充電時常數(shù)而增大放電時常數(shù)，使在脈沖期間能充電至脈沖幅值，脈沖休止期間電壓保持基本不變，那么就可以有效地減小測量誤差，圖3.3-19就是基于這種原理而構造的脈沖保持電路。圖V1管為射極跟隨器，其作用：①減小儀表對被測電路的影響；②射極跟隨器等效輸出電阻很小，減小充電電阻。被測信號ux經(jīng)VD1對C1充電，C1取值也較小，V2、V3管都接成源極輸出電路，輸入電阻很大，因此在充電期間，C1上的電壓可基本上達到ux峰值。圖3.3-19脈沖保持電路及波形由于C1較小，因此在脈沖休止期間其電壓uC1降落仍然較大，為此將uC1經(jīng)V2源極跟隨器對C2充電，由于源極跟隨器負載能力強，因此C2上的電壓在充電期結束時能接近ux峰值Up。同時C2取值較大且源極跟隨器輸入電阻很大，所以在脈沖休止期間放電非常緩慢，從而大大減小了其平均值與Up間的誤差。圖3.3-19(a)中開關S用于短接VD2，以便在測量完畢時使C2迅速放電，以進行下一次測量。有些脈沖電壓表中采用具有自動放電功能的脈沖保持電路，以便測量幅度變化的脈沖峰值。

3.補償式脈沖電壓表

圖3.3-20是一種補償式脈沖電壓表。如圖(a)所示，其原理為：待測電壓ux經(jīng)二極管VD給電容C充電至峰值Up，并輸入到直流差分放大器A端，B端加入可調的直流補償電壓U0，當調整可調電壓使差分放大器輸出為0時，U0=Up，用電壓表測出U0即得到了Up。圖7.6(b)是自動補償式脈沖電壓表的原理。被測電壓ux經(jīng)二極管VD1對電容C1充電，C1上的電壓uC1峰值為Up，并在脈沖休止期間按指數(shù)規(guī)律下降。uC1由放大器放大后VD2對C2充電(C2>>C1),uC2經(jīng)反饋電阻RF加至電容C1上作補償電壓。適當選擇時常數(shù)R2C2，使脈沖休止期間C2上放電很少。隨著輸入脈沖增多，uC2逐漸增大，當

時，不再增加，由后面的直流電壓表測出

。圖3.3-20補償式脈沖電壓表

4.高壓脈沖電壓表在雷達發(fā)射機等設備的測試中，會碰到高達萬伏的高壓脈沖，可以利用電容分壓法使用示波器測試，但其缺點是需要換算，誤差大(電容分壓比很難穩(wěn)定)，而且按入測量用電容器容易引起振蕩。除此之外，還可以使用高壓脈沖電壓表測量高壓脈沖，圖3.3-21是其用充放電法測量高壓脈沖的原理示意圖。圖3.3-21用充放電法測高壓脈沖圖3.3-21中，VD為高壓硅堆，經(jīng)限流電阻R1和電容C1構成峰值檢波器；R2與微安表可用來直接指示被測脈沖幅值；R3為標準電阻，其阻值遠小于R2,其上的電壓為毫伏級；C2是旁路電容，該電壓可送至直流電壓表(數(shù)字電壓表)顯示；開關S在測量時閉合，測量后斷開，以保護電壓表。當正向脈沖輸入時，VD導通，C1充電。脈沖休止期間VD截止，C1放電，由電壓表讀取脈沖電壓幅值。采用普通峰值檢波器來測量脈沖電壓，會產(chǎn)生負誤差，其原因主要是因為檢波電容器不能在脈沖的間隔時間內保持住已充的電量。采用脈沖保持電路的作用：保持被測脈沖的峰值，并加以展寬，從而大大提高測量精度。電子測量技術定義：電子測量中，習慣上把信號電壓以外的電壓統(tǒng)稱為噪聲。產(chǎn)生：電子電路中，各種元器件內部帶電質點運動的不規(guī)則造成的現(xiàn)象。分類：

熱噪聲：材料一定溫度下，內部微粒不規(guī)則的熱運動產(chǎn)生

散粒噪聲：電荷運動的不連續(xù)產(chǎn)生的晶體管噪聲

白噪聲：各頻率能量分布均勻的光稱為白光性質：隨機信號、波形非周期、變化無規(guī)律3.4噪聲電壓的測量1噪聲的基本特性電子測量技術電子測量技術采用平均值表測量。波形系數(shù)有效值注意問題：①選用表頻率范圍盡量寬②利用量程開關，克服“削波”現(xiàn)象2噪聲電壓的測量3.4噪聲電壓的測量電子測量技術3器件噪聲的測量3.3噪聲電壓的測量電子測量技術3.4噪聲電壓的測量正弦信號法噪聲發(fā)生器法電子測量技術3.4噪聲電壓的測量噪聲帶寬的測量正弦信號法電子測量技術3.3噪聲電壓的測量噪聲發(fā)生器法信噪比的測試3.4分貝的測量 3.4.1數(shù)學定義 在測量實踐中，通常不直接計算或測量電路中某測試點的電壓或負載吸取的功率，而是計算它們與某一電壓或功率基準量之比的對數(shù)，例如放大器的增益、噪聲電平等，這時就需要用到一個新度量-分貝。

噪音分貝：

1分貝是人類耳朵剛剛能聽到的聲音，20分貝以下的聲音，一般來說，我們認為它是安靜的，當然，一般來說15分貝以下的我們就可以認為它屬于“死寂”的了。20-40分貝大約是情侶耳邊的喃喃細語。40-60分貝屬于我們正常的交談聲音。60分貝以上就屬于吵鬧范圍了，70分貝我們就可以認為它是很吵的，而且開始損害聽力神經(jīng)，90分貝以上就會使聽力受損，而呆在100-120分貝的空間內，如無意外，一分鐘人類就得暫時性失聰（致聾）。 汽車噪音介乎80-100分貝，以一輛汽車發(fā)出90分貝的噪音為例，在一百米處，仍然可以聽到81分貝的噪音。

上述標準會因環(huán)境的差異有所不同，并非絕對值。

1.功率之比的對數(shù)-分貝(dB)

對兩個功率之比取對數(shù)，就得到，若P1=10P2，則有 這個無量綱的數(shù)1，叫做1貝爾(Bel)。在實際應用中，貝爾太大，常用分貝(deciBel，簡稱dB)表示，即1Bel=10dB。 所以用dB表示的功率比為

(3.4-1)當P1>P2時dB值為正；當P1<P2時，dB值為負。 2.電壓之比的對數(shù)-分貝(dB)

電壓比的對數(shù)可從列關系引出(3.4-2)同樣，當U1>U2時dB值為正；當U1<U2時，dB值為負。當R1=R2時，有

3.絕對電平

(1)功率電平dBm 以基準量P0=1mW作為0功率電平(0dBm)，則被測功率Px[mW]的功率電平定義為(3.4-3)

(2)電壓電平dBV一般以600Ω電阻吸取1mW功率的電壓為基準電壓U0，即U0=0.775V(正弦波有效值電壓)作為0電壓電平(0dBV)，則被測電壓Ux的電壓電平定義為：(3.4-4)4.音量單位(VolumeUnits，簡寫為VU)這是測量電聲系統(tǒng)用的電平單位。0電平(0VU)定義為600Ω阻抗上吸取功率為1mW。因此，當600Ω阻抗上吸取功率為Px[mW]時，則可見，若阻抗為600Ω，VU在數(shù)值上等于功率電平的dBm值。(3.4-5)3.5.2分貝值的測量

分貝測量實質上是交流電壓的測量，只是表盤以dB來刻度的，因此在讀數(shù)上與一般交流電壓不同。圖7.4-8為MF-20電子式多用表表盤上的刻度及電壓量程與其分貝值的對照表。在1.5V量程刻度線上的0.775處定為0dB,

Ux>0.775V時，為正分貝值，Ux<0.775V時，為負分貝值。該儀表分貝刻度為－30~+57dB，相應電壓值要根據(jù)所使用的量程進行換算。圖3.4-1分貝刻度的讀法

例3.4.1用MF-20電子多用表的30V量程測量電壓，當該量程的讀數(shù)為27.5V時，問該電壓信號對應的分貝值是多少？ 解因為MF-20多用表將1.5V量程刻度線上的0.775V定義為0dB，30V量程是1.5V的20倍擴展，27.5V示值位置對應在1.5V量程上的讀數(shù)為1.38V，所以有注意：分貝值的測量必須是在額定頻率范圍內，而且被測電壓的波形是正弦波的情況下，其測量結果才是正確的。電子測量技術3.5失真度的測量測量非線性失真度的方法基波抑制法

通過抑制基波網(wǎng)絡實現(xiàn)交互調制法

對被測設備輸入兩正弦信號測交調失真度白噪聲法電子測量技術電子測量技術電子測量技術文氏電橋陷波器抑制頻率電子測量技術電子測量技術電子測量技術3.5失真度的測量S:1基波抑制法S:2基波抑制測量思想電子測量技術失真度測量儀工作原理圖電子測量技術ZN4116失真度測量儀原理圖電子測量技術誤差分析電子測量技術1、理論誤差2、基波濾波誤差、二次諧波被衰減造成的誤差3、散雜干擾引起的誤差：外界引起4、測量儀器本身的誤差：前置放大器和濾波器失真，以及噪聲等5、電壓測量的誤差：電壓表誤差電子測量技術ZN4116失真度測量儀誤差200Hz—20kH