章電子電壓表

本章要點(diǎn)

本章主要介紹模擬式和數(shù)字式電子電壓表。前者是在傳統(tǒng)的磁電系電壓表基礎(chǔ)上，增加了檢波、放大等電子電路，提高它的頻率范圍、靈敏度和輸入阻抗。后者則是從根本上改變傳統(tǒng)儀表的讀數(shù)方式，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字顯示技術(shù)，完全消除了因可動(dòng)部件引發(fā)的誤差，改變了制造儀表的生產(chǎn)工藝。本章第三節(jié)和第六節(jié)介紹幾種電壓表的實(shí)例，希望通過實(shí)例能進(jìn)一步掌握儀表電路的分析方法，提高閱讀電子儀器電路的能力。這兩節(jié)內(nèi)容可根據(jù)教學(xué)時(shí)數(shù)選擇講授。

第一節(jié)電子電壓表的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

一、電子電壓表的特點(diǎn)

1.利用檢波電路提高測(cè)量的頻率范圍傳統(tǒng)的磁電系電壓表只能測(cè)量直流或低頻。電子電壓表則通過檢波將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為直流，使得本來只能測(cè)直流的磁電系電壓表、也可以測(cè)量高頻交流。

2.利用放大電路提高儀表靈敏度和量程范圍雖然磁電系電壓表的靈敏度可達(dá)到毫伏級(jí)，但通過儀表的放大電路之后，可擴(kuò)展到微伏級(jí)。

3.利用放大電路提高儀表的輸入阻抗電子電壓表利用電子電路提高儀表的輸入阻抗，以降低表耗功率，減少測(cè)量?jī)x表對(duì)被測(cè)電路的影響。

4.利用各種補(bǔ)償電路提高儀表的線性二、模擬式電子電壓表的結(jié)構(gòu)類型

1.放大-檢波式這種方式采取放大在前，檢波在后，通過放大電路提高儀表的靈敏度，可以用來測(cè)量微弱電壓。但因頻率范圍受放大器限制，一般只用于低頻電壓表。

2.檢波-放大式這種方式采取檢波在前，放大在后，由于被測(cè)電壓一開始就轉(zhuǎn)換為直流，所以頻率范圍不受放大器限制，可用于測(cè)量視頻、超高頻電壓，但靈敏度較低。

3.調(diào)制式

檢波在前的電壓表靈敏度不高，是由于檢波后已將信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流，只能使用直流放大器，而直流放大器的放大倍數(shù)因漂移受到很大限制。調(diào)制式則利用斬波器先把直流轉(zhuǎn)換為低頻交流，然后用低頻交流放大器進(jìn)行放大，放大后再通過解調(diào)恢復(fù)為直流，這種方式既能采用檢波在前，又能避免使用直流放大器而影響靈敏度。

4.外差式這種方式先通過混頻，將被測(cè)頻率轉(zhuǎn)換為固定的中頻，經(jīng)中頻放大后再通過檢波轉(zhuǎn)換為直流。既能解決放大在前頻率范圍受到限制的缺點(diǎn)，又能解決檢波在前儀表的靈敏度不足的問題。多用于高頻和超高頻的測(cè)量。返回本章首頁(yè)

三、數(shù)字電壓表的結(jié)構(gòu)類型

1電壓-時(shí)間變換型

又稱斜波型，它將不同被測(cè)電壓值轉(zhuǎn)換為不同的時(shí)間間隔，用這個(gè)時(shí)間間隔的起止點(diǎn)，控制進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖個(gè)數(shù)，使顯示器能顯示出不同數(shù)值。

2電壓-頻率變換型

將不同被測(cè)電壓值轉(zhuǎn)換為不同頻率的信號(hào)，再通過整形轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖，進(jìn)入頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)顯示，所顯示的頻率值就代表電壓值。

3逐次逼近比較型將被測(cè)電壓與數(shù)碼開關(guān)送出的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，如果基準(zhǔn)電壓小于被測(cè)電壓，則將基準(zhǔn)電壓逐次遞加，直至基準(zhǔn)電壓逼近被測(cè)電壓并等于被測(cè)電壓為止，這時(shí)顯示器所顯示的數(shù)碼寄存器基準(zhǔn)電壓就是被測(cè)電壓。返回本章首頁(yè)第二節(jié)電子電壓表的檢波電路

電子電壓表是利用檢波電路把被測(cè)電壓的峰值或平均值或有效值轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后用磁電系進(jìn)行測(cè)量，所以檢波電路是電子電壓表的核心，它有以下幾種形式。一、峰值檢波

1.開路式峰值檢波開路式檢波電路是利用二極管將電容器充電至峰值，它必須滿足以下條件：

RC≥

≥T

滿足該條件，其指示儀表的指針偏轉(zhuǎn)角將與被測(cè)電壓峰值成正比。

2.閉路式峰值檢波

閉路式檢波電路如果滿足以下條件：

RC≥ RC≥

則其指示儀表指針的偏轉(zhuǎn)角將與被測(cè)電壓交流峰值成正比。閉路式峰值檢波電路

3.峰-峰值檢波

峰-峰值檢波電路利用被測(cè)電壓的正半波對(duì)充電充至電壓正半波的最大值為止，然后在負(fù)半波期間，被測(cè)電壓與

電壓串接后對(duì)充電，因此

電壓可充至峰-峰值。指示儀表指針偏轉(zhuǎn)角將與被測(cè)電壓的峰-峰值成正比。峰-峰值檢波電路

二、平均值檢波

1.半波平均值檢波特點(diǎn)：由于儀表可動(dòng)部分的慣性，指針偏轉(zhuǎn)角將正比于交流電壓正半波平均值。特點(diǎn)：由于交流電壓正半波由二極管形成閉路，指針的偏轉(zhuǎn)角將正比于交流電壓負(fù)半波平均值。

2.全波平均值檢波

電路特點(diǎn)：正、負(fù)半波的電壓所產(chǎn)生的電流，以同一方向流過電流表P，P的指針偏轉(zhuǎn)角α正比于交流電壓全波平均值。（全波平均值一般是指一個(gè)周期內(nèi)，取電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值平均所得。）

3.具有負(fù)反饋的線性放大器

也就是輸出電流平均值，與輸入電壓平均值成線性的正比關(guān)系。

4.具有負(fù)反饋的線性平均值檢波電路

在線性放大器的基礎(chǔ)上將換成接有指示儀表的全波均值檢波，即組成具有負(fù)反饋的線性平均值檢波電路。在該電路中通過指示儀表的電流等于輸出電流的一半，若將它化為平均值?？傻?/p>

可見，若開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，反饋電阻又比較準(zhǔn)確，輸出到指示儀表的電流將正比于輸入電壓。

三、有效值檢波

真正的有效值檢波，需要采用能直接反映有效值的傳感器，例如熱電偶等，才能用來測(cè)量任意波形的有效值。而利用正弦波有效值與平均值或峰值的關(guān)系，按有效值刻度的平均值或峰值電壓表，其刻度只能用于正弦波。返回本章首頁(yè)第三節(jié)模擬式電子電壓表實(shí)例

一、JFX晶體管萬用表的組成

JFX晶體管萬用表由10mV直流電壓表單元、10mV交流電壓表單元、振蕩器單元、量程轉(zhuǎn)換開關(guān)和用途選擇按鍵等部分組成。用途選擇按鍵R鍵：用于測(cè)量電阻，帶動(dòng)內(nèi)部三開關(guān)1.將指示電表正接；2.將電阻測(cè)量電路接入電源；3.接通電壓表單元電源。LC鍵：用于測(cè)量電感或電容，帶動(dòng)內(nèi)部三個(gè)開關(guān)1.將指示電表接檢波器；2.將振蕩器輸出接入；3.接通放大器電源。停機(jī)：用于關(guān)機(jī)，帶動(dòng)內(nèi)部三個(gè)開關(guān)作用是1.(空)；2.(空)；3.斷開放大器電源。量程轉(zhuǎn)換開關(guān):共23檔，其作用是通過轉(zhuǎn)換開關(guān)電路將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為10mV直流電壓或10mV交流電壓，然后由電壓表單元進(jìn)行測(cè)量。晶體管測(cè)量鍵：用于測(cè)量晶體管放大倍數(shù)，帶動(dòng)內(nèi)部三開關(guān)1.使用負(fù)電壓將指示電表反接2.(空)3.接通電壓表單元電源2.JFX晶體管萬用表電路 3.10mV直流電壓表單元

10mV直流電壓表單元是整個(gè)萬用表的基礎(chǔ)，由場(chǎng)效應(yīng)晶體管作前置放大，與運(yùn)算放大器BG305組成負(fù)反饋放大器，開環(huán)放大倍數(shù)可達(dá)5萬倍以上，輸入電壓近似等于反饋電壓。場(chǎng)效應(yīng)管前級(jí)+運(yùn)算放大器

4.10mV交流電壓表單元以10mV直流電壓表單元為基礎(chǔ)，加上均值檢波電路。即可組成10mV交流電壓表。但電路中通過檢波二極管的電流只有一半，按第二節(jié)有負(fù)反饋的線性平均值檢波實(shí)際電路計(jì)算公式，通過指示電表的電流為

5.振蕩器單元振蕩器單元輸出1120Hz的低頻信號(hào)，作為測(cè)量電感、電容的交流信號(hào)源。返回本章首頁(yè)二、JB-1B晶體管電壓表:JB-1B型電壓表的頻率范圍2Hz~500kHz，最小量程50μV。電源部分全波均值檢波主放大器前置放大第二級(jí)衰減電阻第一級(jí)衰減電阻三、HFJ-8超高頻毫伏計(jì)

采用檢波在前的方式，以提高頻率特性，頻率范圍為5kHz~300MHz，通過斬波器將檢波后直流，轉(zhuǎn)換為交流，避免使用直流放大器，量程范圍可達(dá)3mV~300V。HFJ-8超高頻毫伏計(jì)方框圖返回本章首頁(yè)第四節(jié)模擬式電子電壓表的使用

使用電子電壓表應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

一、按峰值刻度的開路峰值檢波電壓表，讀數(shù)與波形無關(guān)。二、按峰值刻度的閉路峰值檢波電壓表，讀數(shù)與波形是否有直流分量有關(guān)，讀出的是交流分量峰值。三、按峰-峰值刻度的閉路峰值檢波電壓表，讀數(shù)與波形以及是否有為直流分量無關(guān)。四、按有效值刻度的各種類型電壓表，只適用于測(cè)量正弦波有效值，如果被測(cè)電壓不是正弦波或含有直流分量，首先要按檢波電路型式，從讀數(shù)求得驅(qū)動(dòng)電壓值。然后按照被測(cè)電壓波形，求得驅(qū)動(dòng)電壓值與有效值關(guān)系，將驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換為真正的有效值。（使用有效值傳感器的電壓表除外，驅(qū)動(dòng)電壓指峰值驅(qū)動(dòng)、平均值驅(qū)動(dòng)或有效值驅(qū)動(dòng)）返回本章首頁(yè)第五節(jié)數(shù)字電壓表實(shí)例一、CL系列數(shù)字式交流電壓表基本結(jié)構(gòu)

整個(gè)電路是由輸入通道、時(shí)鐘電路、A/D轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)顯示四大部分組成 CL系列數(shù)字式交流電壓表電路圖

二、CL系列數(shù)字式交流電壓表的輸入通道。R1、R2、R3、R5、C1組成取樣電路，被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為小電壓，送IC1檢波并放大，三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源芯片IC6(TL431)使2、3兩點(diǎn)產(chǎn)生較穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，若有波動(dòng)通過IC6分流，改變R21、R23上的壓降，保證輸出不變零點(diǎn)穩(wěn)定。RP1作為調(diào)零。當(dāng)輸入為零時(shí)，調(diào)節(jié)RP1使顯示為0。IC1B組成直流放大器，RP2為調(diào)節(jié)滿度電位器。從輸入端加入100V電壓，調(diào)節(jié)RP2使顯示100.0IC1A、VD1、VD2組成具有負(fù)反饋的檢波電路三、A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135

圖中包括由運(yùn)放單元組成的緩沖器、積分器、比較器以及四組模擬開關(guān)，在外圍（虛線之外）接有基準(zhǔn)電容、積分電容、積分電阻和自動(dòng)調(diào)零補(bǔ)償電容。

A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135的工作過程

第一階段：自動(dòng)調(diào)零階段

上電時(shí)內(nèi)部控制邏輯令所有帶AZ下標(biāo)的開關(guān)閉合,其余斷開，輸入端IN+、IN-亦開斷，這時(shí)無外部電壓輸入，若輸出端出現(xiàn)不為零的電壓，說明電路失調(diào)，所出現(xiàn)電壓就稱為失調(diào)電壓。利用失調(diào)電壓對(duì)自動(dòng)調(diào)零補(bǔ)償電容充電，測(cè)量時(shí)利用調(diào)零電容上的電壓與外部被測(cè)電壓相抵消，以補(bǔ)償測(cè)量時(shí)電路失調(diào)造成的誤差。第一階段基準(zhǔn)電壓源還通過模擬開關(guān)向充電，充到等于為止，以供第三階段使用。

第二階段：正向積分階段或稱為取樣階段

在取樣階段，由控制器發(fā)出的取樣命令，讓所有帶INT下標(biāo)的開關(guān)閉合，其余斷開。被測(cè)電壓通過緩沖器、積分電阻對(duì)積分電容進(jìn)行充電，經(jīng)一定時(shí)間間隔后斷開，這時(shí)積分電容上所充的電壓為

第三階段：反向放電階段

第四階段：零積分階段

如果超量程，經(jīng)過以上三個(gè)階段之后，積分電容上電壓可能尚未回零，為保證積分電容的快速回零，控制器令將IN-與COM短接，IN+與輸出端短接保證積分電路迅速回零。自動(dòng)調(diào)零積分電容正向充電積分電容反向放電零積分保證積分電容回零將模擬電壓轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔

四、時(shí)鐘電路

ICL7135型轉(zhuǎn)換芯片需要外接時(shí)鐘信號(hào)，圖7-37中選用74HC4060（IC3）作為時(shí)鐘振蕩器，振蕩器部分通過外接4MHz的晶振，產(chǎn)生4MHz的時(shí)鐘脈沖，經(jīng)64分頻，從IC3的Q6接到A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135的引腳CLK。

五、顯示電路

電壓表選用四位數(shù)碼管,分別顯示個(gè)、十、百和千位。另一單位的數(shù)碼管顯示萬位。采用動(dòng)態(tài)顯示方式，由ICL7135的B1、B2、B3、B4四引腳輸出被測(cè)電壓的BCD碼。經(jīng)CD4543譯碼后接數(shù)碼管。

其中萬位只需顯示數(shù)碼1或符號(hào)，所以只接數(shù)碼管的b、c兩個(gè)引腳。

從D1、D2、D3、D4、D5依次輸出位碼。當(dāng)D1=1時(shí)，BCD碼對(duì)應(yīng)于個(gè)位。D2=1時(shí)對(duì)應(yīng)于十位，以此類推?？紤]到公共端的電流較大，所以用達(dá)林頓晶體管陣列ULN2003作為公共端的驅(qū)動(dòng)第六節(jié)數(shù)字萬用表實(shí)例數(shù)字電壓表有各種類型，數(shù)字萬用表則是一種集成化的數(shù)字電壓表，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又具備數(shù)字電壓表的基本功能，故以它為實(shí)例作簡(jiǎn)要介紹。一、數(shù)字萬用表的性能指標(biāo)一般的數(shù)字萬用表其性能指標(biāo)有：1.準(zhǔn)確度：置于直流電壓檔，可達(dá)±0.5%±1字其他檔位略低2.工作頻率：一般不超過1kHz。3.測(cè)量范圍：可測(cè)量電壓、電流、頻率和電路參數(shù)R、L、C。4.分辨力：可顯示的最小數(shù)字與最大數(shù)字比為0.5%。5.測(cè)量速度：每秒2~5次。6.輸入阻抗：輸入電阻10MΩ，電容150pF。7.保護(hù)：一般都有過載與過電壓保護(hù)。8.顯示位數(shù)：有3?、4?等幾種，整數(shù)部分表示能顯示0~9的位數(shù)，分?jǐn)?shù)部分表示最高位性能，分子表示最高位所能顯示的最大數(shù)值，分母表示滿程時(shí)所表示的數(shù)值。

二、數(shù)字萬用表的A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字萬用表中通常使用雙積分式的A/D轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器接通時(shí)，被測(cè)電壓對(duì)積分電容充電，充電后積分電容向參考電壓放電，積分電容放電時(shí)間與被測(cè)電壓成正比，即

在放電期間，比較器輸出一個(gè)寬度等于放電時(shí)間的負(fù)脈沖，它的下降沿打開閘門對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，上升沿關(guān)閉閘門。所計(jì)的數(shù)就是被測(cè)電壓值。所以這種轉(zhuǎn)換器屬于電壓時(shí)間型。三、A/D轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字電路

A/D轉(zhuǎn)換