模拟测量方法PPT学习教案

1、会计学1 模拟测量方法模拟测量方法 3.1 3.1 电压测量概述电压测量概述 1 电压测量的意义电压测量的意义 第1页/共54页 3.1 3.1 电压测量概述电压测量概述 2 电压测量的特点电压测量的特点 应有足够宽的频率范围应有足够宽的频率范围 被测电压的频率可从直流（零频）到数百兆赫，低频被测电压的频率可从直流（零频）到数百兆赫，低频 1MHZ1MHZ以下，高频（射频）以下，高频（射频）1MHZ1MHZ以上以上 应有足够宽的电压测量范围应有足够宽的电压测量范围 微弱信号：心电医学信号、地震波信号纳伏级，超高压微弱信号：心电医学信号、地震波信号纳伏级，超高压 信号：电力系统中，数百千伏信号：

2、电力系统中，数百千伏 第2页/共54页 3.1 3.1 电压测量概述电压测量概述 第3页/共54页 3.1 3.1 电压测量概述电压测量概述 3 电压测量的方法和分类电压测量的方法和分类 电压测量方法的分类电压测量方法的分类 u按对象：直流电压测量；交流电压测量按对象：直流电压测量；交流电压测量 u按技术：模拟测量；数字测量按技术：模拟测量；数字测量 电压测量仪器的分类电压测量仪器的分类 u模拟式电压表；数字式电压表模拟式电压表；数字式电压表 第4页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 1 表征交流电压的基本参量表征交流电压的基本参量 峰值、平均值、有效值、波峰系数和波形系

3、数峰值、平均值、有效值、波峰系数和波形系数。 u峰值峰值 以零电平为参考的最大以零电平为参考的最大 电压幅值（用电压幅值（用U Up p表示）表示） 。 注：以直流分量为参考的最注：以直流分量为参考的最 大电压幅值则称为振幅，（大电压幅值则称为振幅，（ 通常用通常用U Um m表示）。表示）。 第5页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 0 1 ( ) T Uu t dt T 0 1 ( ) T Uu t dt T 2 0.637 pp UUU 第6页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 2 0 1 ( ) T Uu t dt T u有效值有效值 意义：

4、有效值在数学上即为意义：有效值在数学上即为均方根值均方根值。有效值反映了交。有效值反映了交 流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。 对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(t)u(t)=Upsin(t)，若，若=2/T=2/T 1 0.707 2 pp UUU 第7页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 p p U K U 峰值 有效值 波形系数定义：有效值与平均值的比值，用波形系数定义：有效值与平均值的比值，用 KF 表示，表示， F U K U 有效值 平均值 第8页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测

5、量交流电压的测量 21.41 /2 p p p U K U (1/2) 1.11 2/2 2 p F p U K U （） 第9页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 T T 第10页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 2 交流电压的测量方法交流电压的测量方法 第11页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 检波检波- -放大式电压表放大式电压表 a. a. 组成框图组成框图; b.; b.提高灵敏度措施提高灵敏度措施 第12页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第13页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量

6、交流电压的测量 最低量程为3mV，最高工作频率 300MHz。 第14页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 步步进进 分分压压器器 宽宽带带交交流流 放放大大器器 均均值值 检检波波器器 uA l放大器放大器 宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。 一般上限为一般上限为10MHz10MHz。常称为。常称为“宽频毫伏表宽频毫伏表”或或 “视频毫伏表视频毫伏表” 。 灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制 。 第15页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第16页/共54页 3.2

7、 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 特点特点 大大提高灵敏度大大提高灵敏度（可达（可达-120dB-120dB，相当于，相当于0.775V0.775V） 。 常称为常称为“高频微伏表高频微伏表” 。如。如DW-1DW-1型，型， 频率范围为频率范围为100kHz100kHz300MHz300MHz，最小量程，最小量程15V 15V 。 应用应用 小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。 放大器谐波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通放大器谐波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通 信传输系统中。信传输系统中。 第17页/共54页 3 平均值电压的测量平

8、均值电压的测量 I0 u(t) D1 D2 D3D4 C C u(t) D1 D2 I0 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第18页/共54页 V 平平均均值值检检波波 表表头头( (读读数数= =) ) u(t) 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第19页/共54页 U U 0.9UU任意 U任意 0.9 FF UKUK 任意 任意任意任意 U 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第20页/共54页 上述过程可统一推导如下：上述过程可统一推导如下： 上式表明，对任意波形，欲从均值电压表读上式表明，对任意波形，欲从均值电压表读 数数得到有效值，需将得到有效值，

9、需将乘以因子乘以因子k k。（若式。（若式 中的任意波为正弦波，则中的任意波为正弦波，则k=1k=1，读数，读数即为正即为正 弦波的有效值）。弦波的有效值）。 , FFF F U UKUKUKk K 任意 任意任意任意任意 0.9 1.11 FF F F KK kK K 任意任意 任意 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第21页/共54页 综上所述，对于任意波形而言，均值电压表综上所述，对于任意波形而言，均值电压表 的读数的读数没有直接意义，由读数没有直接意义，由读数到均值和到均值和 有效值需进行换算，换算关系归纳如下：有效值需进行换算，换算关系归纳如下： 式中，式中，为均值电压表

10、读数，为均值电压表读数，K KF F为波形系数。为波形系数。 波形误差。若将读数波形误差。若将读数直接作为有效值，产直接作为有效值，产 生的误差生的误差 0.9 0.9 F K （任意波）均值U （任意波）有效值U 0.910.91.11 1 0.90.9 FF FFF KK KKK 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第22页/共54页 例：用平均值表（全波式）分别测量方波及三角波例：用平均值表（全波式）分别测量方波及三角波 电压，电压表均指在电压，电压表均指在10V10V位置，问被测电压的有效值分位置，问被测电压的有效值分 别是多少？别是多少？ 对于方波对于方波，先将示值（，先将

11、示值（10V10V）折算成正弦波的平均值）折算成正弦波的平均值 再用波形系数换算成有效值。再用波形系数换算成有效值。 对于三角波对于三角波，因示值与方波相同，表明它的平均值，因示值与方波相同，表明它的平均值 也是也是9V,9V,有效值有效值 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第23页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第24页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 有效值检波原理有效值检波原理 利用二极管平方律伏安特性检波利用二极管平方律伏安特性检波 根据根据 为得到有效值为得到有效值, ,首先需对首先需对u(t)u(t)平平 方方 小信号时

12、二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系 。 缺点：精度低且动态范围小。缺点：精度低且动态范围小。 因此，实际应用中，采用因此，实际应用中，采用分段逼近平方律分段逼近平方律的二极管伏的二极管伏 安特性曲线图的电路。安特性曲线图的电路。 2 0 1 ( ) T Uut dt T 4 有效值电压的测量有效值电压的测量 第25页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 2 ( )ut 0 T A u(t)Vrms 第26页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 冷冷端端 T T0 0 热热端端 T T 第27页/共54页

13、3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第28页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 R R u u( (t t) ) 冷冷 端端 T T0 0 加加 热热 丝丝 热热 端端 T T 热热偶偶M M u uA A 连连接接导导线线 I I 2 IU 第29页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别 称为称为测量热电偶和平衡热电偶测量热电偶和平衡热电偶，如下图。，如下图。 R R u u( (t t) ) 冷冷 端端 T T0 0 加加 热热 丝丝 热热 端端

14、T T 测测量量热热偶偶 电电流流表表 平平衡衡热热偶偶 + + - - V Vo o E Ex x E Ef f V Vi i 热热 端端 T T 连连接接导导线线 差差分分放放大大器器 第30页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第31页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 22 12 (.)kUkUU 第32页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 原理原理 峰值响应，即：峰值响应，即：u(t)峰值检波峰值检波放大放大驱动表头驱动表头 刻度特性刻度特性 表头刻度按（纯）表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度正弦波有效值刻度。因此：。因

15、此： 当输入当输入u(t)为正弦波时，为正弦波时，读数读数即为即为u(t)的有效值的有效值U U（ 而不是该纯正弦波的峰值而不是该纯正弦波的峰值U Up p）。）。 对于非正弦波的任意波形，读数对于非正弦波的任意波形，读数没有直接意义（既没有直接意义（既 不等于其峰值不等于其峰值U Up p也不等于其有效值也不等于其有效值U U）。但可由读数）。但可由读数 换算出峰值和有效值。换算出峰值和有效值。 4 峰值电压的测量峰值电压的测量 第33页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 U 22 p UU 2 pp UU 任意 p U 任意 第34页/共54页 3.2 3.2 交流电

16、压的测量交流电压的测量 上述过程可统一推导如下：上述过程可统一推导如下： 该式表明：该式表明：对任意波形，欲从读数对任意波形，欲从读数得到有得到有 效值，需将效值，需将乘以因子乘以因子k k。（若式中的任意波。（若式中的任意波 为正弦波，则为正弦波，则k=1k=1，读数，读数即为正弦波的有效即为正弦波的有效 值）。值）。 2 , pppp ppppp UUK UK Ukk KKKKK 任意 任意 任意任意任意任意任意 第35页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 21.41 21.41 pp KK p （任意波）峰值V （任意波）有效值V 2 2 1 222 ppp p K

17、KK K 第36页/共54页 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 对于三角波对于三角波， 第37页/共54页 5 脉冲电压的测量脉冲电压的测量 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 脉冲电压表的原理脉冲电压表的原理 电容器电容器C C充电时充电时 放电时放电时 电路平衡时电路平衡时Q1=Q2Q1=Q2 第38页/共54页 理论误差理论误差 代入代入UpUp后得后得 3.2 3.2 交流电压的测量交流电压的测量 第39页/共54页 3.3 3.3 噪声电压的测量噪声电压的测量 1 噪声的基本特性噪声的基本特性 第40页/共54页 1.25 F K 2 噪声电压的测量噪声电压的测

18、量 3.3 3.3 噪声电压的测量噪声电压的测量 0.90.9 1.251.13 F UK UUU 第41页/共54页 3 器件噪声的测量器件噪声的测量 3.3 3.3 噪声电压的测量噪声电压的测量 第42页/共54页 3.3 3.3 噪声电压的测量噪声电压的测量 正弦信号法正弦信号法 噪声发生器法噪声发生器法 第43页/共54页 3.3 3.3 噪声电压的测量噪声电压的测量 噪声带宽的测量噪声带宽的测量 正弦信号法正弦信号法 第44页/共54页 3.3 3.3 噪声电压的测量噪声电压的测量 噪声发生器法噪声发生器法 信噪比的测试信噪比的测试 第45页/共54页 3.4 3.4 分贝的测量分贝的测量 1 2 10lg P dB P 2 1 1 1 U P R 2 2 2 2 U P R 1