ch04模擬測(cè)量方法

模擬測(cè)量方法第四章電子測(cè)量技術(shù)（第四版）十二五普通高等教育本科國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材高等學(xué)校電于信息類精品教材01電壓測(cè)量概述電壓測(cè)量概述1由于在電子電路測(cè)量中所遇到的待測(cè)電壓具有頻率范圍寬、電壓范圍廣、等效電阻較高及波形多種多樣等特點(diǎn)，故對(duì)電壓測(cè)量提出如下一些要求：(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。電壓測(cè)量的基本要求電壓測(cè)量概述模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表(1)模擬式電壓表根據(jù)功能分為:直流電壓表、交流電壓表、脈沖電壓表和多用途電壓表等。根據(jù)使用頻率范圍分為:超低頻電壓表、低頻(音頻)電壓表、高頻電壓表、超高頻電壓表和選頻電壓表等。根據(jù)測(cè)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(jiǎn)稱為峰值電壓表、平均值電壓表和有效值電壓表。2電壓測(cè)量概述模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表(2)數(shù)字式電壓表近年來，隨著大規(guī)模集成電路(LSI)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了由單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的多位數(shù)字式電壓表。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，過載能力強(qiáng)，耗電少，小巧輕便等。因此，數(shù)字式電壓表獲得了迅速普及和廣泛應(yīng)用。202交流電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量1交流電壓可以用峰值、平均值、有效值、波形系數(shù)及波峰系數(shù)來表征。各類電壓表的示值，除特殊情況外，都是按正弦波有效值來定度的。為了表征同一信號(hào)的峰值、有效值及平均值的關(guān)系，引入波形系數(shù)虬和波峰系數(shù)Kp。交流電壓以Q的波形系數(shù)Kf定義為該電壓的有效值與其平均值之比。交流電壓的表征交流電壓的測(cè)量2交流電壓的測(cè)量方法很多，其中最主要的是用檢波器把交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后再接到直流電壓表進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)檢波特性不同，有峰值檢波、平均值檢波和有效值檢波，相應(yīng)的電壓表簡(jiǎn)稱為峰值電壓表、平均值電壓表和有效值電壓表。(1)峰值電壓表(2)平均值電壓表(3)有效值電壓表（4）外差式電壓表交流電壓的測(cè)量方法交流電壓的測(cè)量31.平均值檢波器的工作原理檢波電路輸出的直流電壓正比于輸入交流電壓絕對(duì)值的平均值，這種電路稱為平均值檢波器。平均值電壓的測(cè)量2.波形換算方法由于平均值電壓表的指針偏轉(zhuǎn)角a與被測(cè)電壓的平均值&成正比，但儀器儀表度盤是按正弦波電壓有效值刻度的。3.誤差分析主要分析測(cè)量非正弦波（或失真的正弦波）引起的波形誤差。交流電壓的測(cè)量41.有效值電壓表原理電壓有效值的定義：為了獲得均方根響應(yīng)，必須具有平方律關(guān)系的伏安特性。有效值電壓的測(cè)量2.有效值檢波器電壓表釆用單片集成電路使電路得以簡(jiǎn)化。測(cè)量交流電流或電壓時(shí)，若波形是正弦波，使用平均值檢波、峰值檢波電路將其轉(zhuǎn)換為平均值、峰值電壓，將被測(cè)量的示值換算成有效值。交流電壓的測(cè)量5如果被測(cè)電壓的頻率較高，用前述的方法來測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生較大的頻率誤差，需釆用檢波一放大式電壓表或外差式電壓表來測(cè)量。具體測(cè)量過程是將被測(cè)交流信號(hào)首先通過探極進(jìn)行檢波（整流），變成直流電壓，這樣做的目的是減少高頻信號(hào)在傳輸過程中的損失。實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量多用峰值表。當(dāng)利用峰值表測(cè)量正弦波電壓時(shí)，如果信號(hào)的失真度較大，由于峰值檢波電路對(duì)波形的凸起部分非常敏感，所以將會(huì)造成較大的波形誤差。因此在測(cè)量諧波失真較大的信號(hào)電壓時(shí)，盡量不要選用這種儀器儀表，必須使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行誤差修正。峰值電壓的測(cè)量03噪聲電壓的測(cè)量噪聲電壓的測(cè)量噪聲的基本特性在電子電路中，噪聲主要是由各種元器件（例如晶體管、電阻等）內(nèi)部帶電粒子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)所造成的現(xiàn)象。它嚴(yán)重地影響系統(tǒng)傳輸微弱信號(hào)的能力。對(duì)于一個(gè)放大器，當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，由輸出端測(cè)得的雜散交流電壓，即是噪聲電壓。導(dǎo)體、半導(dǎo)體及雜質(zhì)材料在一定溫度下，由于內(nèi)部微粒不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，稱為熱噪聲，它與為了保持電路及環(huán)境的熱平衡所需要的能量進(jìn)行熱交換有關(guān)。還有一種噪聲是在電路通過晶體管PN結(jié)時(shí)，由于電荷運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)而產(chǎn)生的晶體管噪聲，稱為散粒噪聲。噪聲電壓中包含有各種頻率成分，噪聲電壓按頻率的分布稱為噪聲頻譜，上述兩種噪聲在線性頻率范圍內(nèi)其能量分布是均勻的。在光譜學(xué)里，把各頻率能量分布均勻的光稱為白光，也稱這類噪聲為白噪聲，噪聲測(cè)量也是測(cè)量領(lǐng)域里的一個(gè)重要內(nèi)容。1噪聲電壓的測(cè)量用平均值表測(cè)量噪聲電壓噪聲電壓，一般指噪聲電壓的有效值，當(dāng)然用有效值電壓表測(cè)量是比較方便的。使用平均值電壓表也能測(cè)量噪聲電壓，需求出噪聲電壓的波形系數(shù)。當(dāng)所選的平均值電壓表為全波檢波式時(shí)，定度系數(shù)K。折算成正弦波檢波后的平均值，按平均值相等原則，再算出噪聲電壓的有效值.測(cè)量噪聲電壓時(shí)，還要注意到平均值電壓表本身的帶寬應(yīng)該比被測(cè)電路的噪聲帶寬大得多。對(duì)于多級(jí)放大器而言，其噪聲帶寬近似等于其3dB帶寬。在測(cè)量噪聲電壓時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇頻率范圍盡量寬的平均值電壓表，以減小測(cè)量誤差。2噪聲電壓的測(cè)量器件和放大器噪聲的測(cè)量1.等效輸入噪聲電壓Um的測(cè)量一個(gè)有噪聲的器件，可以用一個(gè)理想的無噪聲器件等效，即將實(shí)際的輸出噪聲電壓久。32.噪聲帶寬的測(cè)量當(dāng)研究噪聲時(shí)，需要知道噪聲帶寬Bvn0利用正弦信號(hào)法測(cè)量噪聲帶寬，實(shí)質(zhì)上是測(cè)量被測(cè)放大器的幅頻特性曲線。3.噪音的測(cè)試信號(hào)功率與噪聲功率R之比稱為噪音比(SNR)，可表示為SNR=Ps/Pn 04分貝的測(cè)量分貝的測(cè)量數(shù)學(xué)定義在通信系統(tǒng)測(cè)試中，通常不直接計(jì)算或測(cè)量電路中某測(cè)試點(diǎn)的電壓或負(fù)載吸取的功率，而是計(jì)算它們與某一電壓或功率基準(zhǔn)量之比的對(duì)數(shù)，這就需要引岀一個(gè)新的度量名稱——分貝。1.功率之比的對(duì)數(shù)一分貝2.電壓比的對(duì)數(shù)3.絕對(duì)電平4.音量單位（VU）1分貝的測(cè)量分貝值的測(cè)量在測(cè)量放大器增益或與音響設(shè)備有關(guān)的參數(shù)時(shí)，不是直接測(cè)量電壓或功率，而是測(cè)量它們對(duì)某一基準(zhǔn)比值的對(duì)數(shù)值。一般取值的單位為分貝，所以簡(jiǎn)稱為分貝測(cè)量。分貝測(cè)量實(shí)質(zhì)上是交流電壓的測(cè)量，只是表盤以dB來刻度。因此在讀出方法上與一般的交流電壓表不同。205失真度的測(cè)量失真度的測(cè)量非線性失真的定義1信號(hào)的非線性失真通常用非線性失真系數(shù)來表示（簡(jiǎn)稱失真度）。其定義為全部諧波分量的功率與基波功率之比的平方根值。如果負(fù)載與信號(hào)頻率無關(guān)（例如純電阻負(fù)載），則信號(hào)的失真度又可定義為:全部諧波電壓的有效值與基波電壓的有效值之比.失真度的測(cè)量失真度測(cè)量?jī)x基本工作原理2測(cè)量非線性失真的方法有多種:第一種方法是基波抑制法(單音法)，對(duì)通過抑制基波的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)(下述)。第二種方法是交互調(diào)制法(雙音法)，對(duì)被測(cè)電子設(shè)備輸入兩個(gè)正弦信號(hào)，測(cè)量其交調(diào)失真度。因?yàn)榉钦也梢砸暈槿舾蓚€(gè)不同頻率的正弦波的疊加，當(dāng)兩個(gè)頻率不同的正弦波疊加后通過一個(gè)非線性網(wǎng)絡(luò)，不僅會(huì)產(chǎn)生它們各自的諧波分量，而且還會(huì)產(chǎn)生交叉調(diào)制成分，所以用這種方法測(cè)量非線性失真更接近實(shí)際情況，多用于要求較高的電子接收設(shè)備；第三種方法是白噪聲法，它是一種比較新的測(cè)量方法。因?yàn)樯鲜鲭p音法僅取兩個(gè)正弦信號(hào)的疊加，而實(shí)際情況是多種不同頻率、不同幅值正弦信號(hào)的疊加，所以用白噪聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)量將獲取被測(cè)電子設(shè)備通頻帶內(nèi)任何頻率分量所產(chǎn)生的諧波或交調(diào)結(jié)果，測(cè)量準(zhǔn)確度比較高。失真度的測(cè)量有源陷波電路31.雙T形無源陷波器雙T形電路，它由兩個(gè)T形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)組成，其頻率特性在某一頻率處，輸出電壓為0。2.雙T形有源陷波器雙T形有源陷波器，可使Q值增大.3.由RC文氏電橋組成的陷波器由文氏電橋組成的基波抑制電路(陷波器) 失真度的測(cè)量失真度測(cè)量?jī)x舉例4一臺(tái)典型的失真度測(cè)量?jī)x，其被測(cè)信號(hào)的電壓、失真度及頻率全部由發(fā)光二極管LED自動(dòng)顯示，且釆用真有效值檢波，可在電壓測(cè)量范圍為300|xV?300V、頻率范圍為10Hz?550kHz之內(nèi)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量，失真度測(cè)量范圍為0.01%?100%，并且在失真度測(cè)量方式中實(shí)現(xiàn)了寬范圍校準(zhǔn)。失真度量值不僅隨濾除諧波（濾諧）過程進(jìn)行自動(dòng)跟蹤顯示，而且用手動(dòng)衰減器按10dB步進(jìn)跟蹤。為了提高測(cè)量精度，隨時(shí)用相位調(diào)節(jié)和平衡調(diào)節(jié)來完成，設(shè)置了自動(dòng)清0功能，目的是為了使用戶在測(cè)量低失真、超低失真時(shí)，自動(dòng)對(duì)信噪比進(jìn)行均方根運(yùn)算，以減少人工計(jì)算的麻煩。儀器同時(shí)具有平衡輸入電壓和失真度測(cè)量的功能，其工作頻率范圍較寬。06功率的測(cè)量功率的測(cè)量音頻與較高頻信號(hào)功率的測(cè)量1最常用的一種吸收型功率表是測(cè)熱計(jì)電橋，其中一個(gè)電橋臂接有熱敏電阻器們將。放在被測(cè)功率的信號(hào)場(chǎng)內(nèi)，功率被電阻所吸收，所產(chǎn)生的熱量引起電阻變化，電阻的這種變化用電橋電路來測(cè)量。它釆用兩個(gè)匹配的熱敏電阻，一個(gè)與高頻負(fù)載0耦合，另一個(gè)同測(cè)量?jī)x器內(nèi)部的直流負(fù)載R2耦合。兩個(gè)熱敏電阻都接在電橋中，并且用一個(gè)高增益直流放大器A作為0值檢測(cè)器。當(dāng)高頻功率源加到高頻負(fù)載上時(shí)，熱敏電阻們被加熱，電橋失去平衡。放大器有一輸岀信號(hào)使直流負(fù)載R2加熱，同時(shí)熱敏電阻缶也加熱。當(dāng)兩個(gè)熱敏電阻的熱量相等時(shí)，電橋又恢復(fù)平衡。功率的測(cè)量誤差分析2誤差來源包括儀器誤差、信號(hào)源與負(fù)載的失配及信號(hào)波形對(duì)某些功率表的影響誤差。功率表由生產(chǎn)廠家在嚴(yán)格控制的條件下校準(zhǔn)，并以相對(duì)于滿刻度偏轉(zhuǎn)的百分比誤差來表示。在低于滿刻度讀數(shù)時(shí)，準(zhǔn)確度隨輸入功率的減小而逐漸下降。因此，一些廠家將準(zhǔn)確度指標(biāo)分為兩部分:讀數(shù)的百分比和滿刻度的百分比。在滿刻度偏轉(zhuǎn)時(shí)，由兩種方法提供的準(zhǔn)確度一般是相等的，但在較低讀數(shù)時(shí)用第二種方法給定的儀器準(zhǔn)確度更好些。功率的測(cè)量功率表實(shí)例——射頻功率表3電路的輸入端接射頻功率源，輸出端接電阻性假負(fù)載。輸入端到輸出端的射頻電流流過產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)整流后，通過R送到功率表上。G和C2用來調(diào)整電路的平衡。使用功率表前，先要校準(zhǔn)。方法如下:連接好射頻功率源和假負(fù)載置于最上端，根據(jù)功率表的讀數(shù)來確認(rèn)開關(guān)的位置（功率表讀數(shù)最大的位置是“1”位，另一位置是“2”位）。然后置開關(guān)于“2”位，調(diào)整使功率表指到滿量程。07Q值的測(cè)量Q值的測(cè)量Q表的工作原理1Q表是測(cè)量品質(zhì)因數(shù)的儀表，其工作原理是先給被測(cè)線圈激勵(lì)振蕩，隨后計(jì)算兩個(gè)專門規(guī)定的振幅電平間的衰減振蕩次數(shù)，其振蕩次數(shù)就是品質(zhì)因數(shù)Q值。當(dāng)兩個(gè)電平檢測(cè)器的誤差為±1%時(shí)，其計(jì)數(shù)的誤差為±1個(gè)數(shù)字，精度由。值的大小決定:當(dāng)Q值為10時(shí)，精度為±12