第5章 電壓測量1

第5章電壓測量5.1概述5.2電壓標(biāo)準(zhǔn)5.3交流電壓的測量5.4直流電壓的數(shù)字化測量及A/D轉(zhuǎn)換原理5.5電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用表5.6數(shù)字電壓表測量的不確定度及自動校準(zhǔn)、自動量程技術(shù)5.7電壓測量的干擾及抑制技術(shù)5.1概述5．1．1電壓測量的意義、特點1）電壓測量的重要性

——闡述電壓測量的意義、重要性及應(yīng)用。2）電壓測量的特點

——從電壓測量的頻率、范圍、要求等方面闡述其特點，這些特點也反映了電子測量的主要特點。

1）電壓測量的重要性◆電壓測量是電測量與非電測量的基礎(chǔ)；◆電測量中，許多電量的測量可以轉(zhuǎn)化為電壓測量： 表征電信號能量的三個基本參數(shù)：電壓、電流、功率 其中：電流、功率——〉電壓，再進(jìn)行測量 電路工作狀態(tài)： 飽和與截止，線性度、失真度——〉電壓表征

◆非電測量中，物理量——〉電壓信號，再進(jìn)行測量

如：溫度、壓力、振動、（加）速度2）電壓測量的特點1.頻率范圍廣：零頻（直流）～109Hz

超低頻：10Hz以下；低頻：1MHz以下；高頻（射頻）：1MHz以上。2.測量范圍寬

微弱信號:心電醫(yī)學(xué)信號、地震波等,納伏級（10-9V）；超高壓信號：電力系統(tǒng)中，數(shù)百千伏。3.電壓波形的多樣化

電壓信號波形是被測量信息的載體。 各種波形：純正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；隨機噪聲。2）電壓測量的特點4.阻抗匹配

在多級系統(tǒng)中，輸出級阻抗對下一輸入級有影響。

直流測量中，輸入阻抗與被測信號源等效內(nèi)阻形成分壓，使測量結(jié)果偏小。 如：采用電壓表與電流表測量電阻， 當(dāng)測量小電阻時，應(yīng)采用電壓表并聯(lián)方案； 當(dāng)測量大電阻時，應(yīng)采用電流表串聯(lián)方案。

交流測量中，輸入阻抗的不匹配引起信號反射。2）電壓測量的特點5.測量精度的要求差異很大

10-1至10-9。6.測量速度的要求差異很大

靜態(tài)測量：直流（慢變化信號）,幾次/秒;

動態(tài)測量：高速瞬變信號,數(shù)億次/秒（幾百MHz）

精度與速度存在矛盾，應(yīng)根據(jù)需要而定。7.抗干擾性能要求突出 工業(yè)現(xiàn)場測試中，存在較大的干擾。5．1．2電壓測量的方法和分類2.電壓測量方法的分類

·按對象：直流電壓測量；交流電壓測量

·按技術(shù)：模擬測量；數(shù)字測量1）交流電壓的模擬測量方法（重點）

用于測量交流電壓。

表征交流電壓的三個基本參量：有效值、峰值和平均值。以有效值測量為主。 方法：交流電壓（有效值、峰值和平均值）--〉直流電流--〉驅(qū)動表頭--〉指示

——有效值、峰值和平均值電壓表，電平表等。模擬電壓表5．1．2電壓測量的方法和分類2）數(shù)字化直流電壓測量方法 模擬直流電壓--〉A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器--〉數(shù)字量--〉數(shù)字顯示（直觀）

——數(shù)字電壓表（DVM），數(shù)字多用表（DMM）。3）交流電壓的數(shù)字化測量 交流電壓（有效值、峰值和平均值）--〉直流電壓--〉A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器--〉數(shù)字量--〉數(shù)字顯示

——DVM（DMM）的擴展功能。數(shù)字電壓表5．1．2電壓測量的方法和分類4）基于采樣的交流電壓測量方法 交流電壓--〉高速A/D轉(zhuǎn)換器--〉瞬時采樣值u(k)--〉計算，如有效值 式中，N為u(t)的一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。5）示波測量方法 交流電壓--〉模擬或數(shù)字示波器--〉顯示波形--〉讀出結(jié)果5．3交流電壓的測量

5．3．1表征交流電壓的基本參量峰值、平均值、有效值、波峰因數(shù)和波形因數(shù)。峰值以零電平為參考的最大電壓幅值（用Vp表示）。 注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱為振幅，（通常用Um表示）。2024/2/2813

峰值與幅值的關(guān)系：峰值相對于零電平而言，幅值相對于直流而言，峰值=幅值+直流，即。

5.2交流電壓的表征與測量方法5．3．1表征交流電壓的基本參量平均值（均值）數(shù)學(xué)上定義為：相當(dāng)于交流電壓u(t)的直流分量。2024/2/2815

峰值與幅值的關(guān)系：峰值相對于零電平而言，幅值相對于直流而言，峰值=幅值+直流，即。

?均值

電壓平均值：在一個周期內(nèi)，交流電壓的平均值（數(shù)學(xué)平均值），即當(dāng)為純交流信號時，。當(dāng)含有直流分量時，。5.2交流電壓的表征與測量方法5．3．1表征交流電壓的基本參量平均值（均值）數(shù)學(xué)上定義為：相當(dāng)于交流電壓u(t)的直流分量。交流電壓測量中，平均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后的波形（一般若無特指，均為全波整流）：對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T2024/2/2817

均值的物理意義5.2交流電壓的表征與測量方法電壓均值全波均值正半波均值負(fù)半波均值5．3．1表征交流電壓的基本參量有效值定義：交流電壓u(t)在一個周期T內(nèi)，通過某純電阻負(fù)載R所產(chǎn)生的熱量，與一個直流電壓V在同一負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時，則該直流電壓V的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)的有效值。表達(dá)式： 直流電壓V在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q_=I2RT=

交流電壓u(t)在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q~=

由Q_=Q~得， 有效值5．3．1表征交流電壓的基本參量有效值意義：有效值在數(shù)學(xué)上即為方均根值。有效值反映了交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T波峰因數(shù)和波形因數(shù)波峰因數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用Kp表示，5．3．1表征交流電壓的基本參量波峰因數(shù)和波形因數(shù)對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T波形因數(shù)定義：有效值與平均值的比值，用KF表示，對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T5．3．1表征交流電壓的基本參量波峰因數(shù)和波形因數(shù)常見波形的波峰因數(shù)和波形因數(shù)可查表5-1得到： 如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方波：Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 鋸齒波：Kp=1.73，KF=1.15； 脈沖波：Kp=，KF=，為脈沖寬度，T為周期

白噪聲：Kp=3（較大），KF=1.25。5．3．2交流/直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析

1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理

模擬電壓表的交流電壓測量原理：

交流電壓--〉直流電流（有效值、峰值和平均值）

--〉驅(qū)動表頭--〉指示。 交流電壓--〉有效值、峰值和平均值的轉(zhuǎn)換，稱為

AC-DC轉(zhuǎn)換。由不同的檢波電路實現(xiàn)。峰值檢波原理 由二極管峰值檢波電路完成。有二極管串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。如下圖。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理二極管峰值檢波電路（a.串聯(lián)式,b.并聯(lián)式,c.波形）1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理二極管峰值檢波電路工作原理通過二極管正向快速充電達(dá)到輸入電壓的峰值，而二極管反向截止時“保持”該峰值。 為此，要求：

式中，Rs和rd分別為等效信號源u(t)的內(nèi)阻和二極管正向?qū)娮?，C為充電電容（并聯(lián)式檢波電路中C還起到隔直流的作用），RL為等效負(fù)載電阻，Tmin和Tmax為u(t)的最小和最大周期。從波形圖可以看出，峰值檢波電路的輸出存在較小的波動，其平均值略小于實際峰值。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理平均值檢波原理由二極管橋式整流（全波整流和半波整流）電路完成。如圖，整流電路輸出直流電流I0，其平均值與被測輸入電壓u(t)的平均值成正比（與u(t)的波形無關(guān)）。 （電容C用于濾除整流后的交流成分，避免指針擺動）平均值檢波原理

半波檢波全波檢波1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理平均值檢波原理以全波整流電路為例，I0的平均值為式中，T為u(t)的周期，rd和rm分別為檢波二極管的正向?qū)娮韬碗娏鞅韮?nèi)阻，可視為常數(shù)（它反映了檢波器的靈敏度）。于是，I0的平均值與u(t)的平均值成正比。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理有效值檢波原理利用二極管平方律伏安特性檢波根據(jù)為得到有效值,首先需對u(t)平方小信號時二極管正向伏安特性曲線可近似為平方關(guān)系。缺點：精度低且動態(tài)范圍小。因此，實際應(yīng)用中，采用分段逼近平方律的二極管伏安特性曲線。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理利用模擬運算的集成電路檢波原理圖通過多級運算器級連實現(xiàn) 模擬乘法器（平方）—〉積分—〉開方—〉比例運算。實際中可用單片集成TRMS/DC電路，如AD536AK等。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理利用熱電偶有效值檢波熱電效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一個閉合回路，當(dāng)兩節(jié)點處溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電動勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。熱電效應(yīng)原理圖當(dāng)熱端T和冷端T0存在溫差時（即T≠T0），則存在熱電動勢，且熱電動勢的大小與溫差ΔT=T-T0成正比。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理利用熱電偶有效值檢波熱電偶： 將兩種不同金屬進(jìn)行特別封裝并標(biāo)定后，稱為一對熱電偶（簡稱熱偶）。熱電偶溫度測量原理：若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過熱電動勢就可得到熱端（被測溫度點）的溫度。熱電偶有效值檢波原理： 若用被測交流電壓對熱電偶的熱端進(jìn)行加熱，則熱電動勢將反映該交流電壓的有效值，從而實現(xiàn)了有效值檢波。如下圖。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理熱電偶有效值檢波原理圖圖中，直流電流I與被測電壓u(t)的有效值V的關(guān)系：電流I∝?zé)犭妱觿荨責(zé)岫伺c冷端的溫差，而熱端溫度∝u(t)功率∝u(t)的有效值V的平方，故，1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理表頭刻度線性化處理：采用兩對相同的熱電偶，分別稱為測量熱電偶和平衡熱電偶，如下圖。2024/2/28345.4模擬式交流電壓測量

熱偶有效值電壓表：如圖所示，由寬帶放大器、測量熱偶T1

，平衡熱偶T2和高增益直流放大器A組成。輸入信號經(jīng)寬帶放大器放大后加至測量熱偶T1，產(chǎn)生熱電動勢。E1經(jīng)直流放大器A放大后加至平衡熱偶T2，產(chǎn)生熱電動勢（為比例系數(shù)），E2作為負(fù)反饋電壓與E1一起加至直流放大器A的輸入端。當(dāng)，即時，直流放大器A輸出穩(wěn)定的電壓，電路達(dá)到平衡。只要電路失衡，T2就進(jìn)行負(fù)反饋，直到電路再次平衡。T1T2-A寬帶放大器10MHz+E2E11）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理上圖中，通過平衡熱偶形成一個電壓負(fù)反饋系統(tǒng)。測量熱偶的熱電動勢Ex∝V2，令Ex=k1V2

； 平衡熱偶的熱電動勢Ef∝Vo2，及Ef=k2Vo2

； 假如兩對熱偶具有相同特性，即k1=k2=k，==〉

則差分放大器輸入電壓Vi=Ex-Ef=k(V2-Vo2)， 若放大器增益足夠大，則有Vi=0，==〉

Vo=V

（即輸出電壓等于u(t)有效值）2024/2/28365.4模擬式交流電壓測量

一般情況下，測量熱偶和平衡熱偶特性相同，則在電路平衡時（），有，故，實現(xiàn)了有效值電壓的測量。

刻度：有效值電壓表以各自波形的有效值進(jìn)行定度，即其讀數(shù)有意義，代表被測信號的有效值。

誤差分析

環(huán)境溫度的影響：由于熱偶是一種熱電變換器件，對周圍環(huán)境溫度及空氣對流等十分敏感，故引起誤差。

刻度非線性誤差：由于，故電表刻度是非線性的，在指針偏轉(zhuǎn)較小時，誤差較大。

高頻誤差：當(dāng)被測頻率較高時，由于分布參數(shù)影響及加熱絲的趨膚效應(yīng)等引起測量誤差。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理有效值電壓表的特點理論不存在波形誤差（讀數(shù)與波形無關(guān)）：比如，對非正弦波，可視為由基波和各次諧波構(gòu)成，若其有效值分別為V1、V2、V3、……，則讀數(shù)