电压波形参数测试在电子测量与仪器实验中的应用

1、电压波形参数测试在电子测量与仪器实验中的应用 摘 要：电子测量与仪器是测控专业重要的课程，而对应的实验课程则是培养学生理论联系实际能力的重要环节。在分析电压表测量原理的基础上，设计并实现了不同类型电压表的实现模块，给出了相应的数据测量表格。在实验教学中能够帮助学生迅速理解和掌握电压表测量的原理和方法，取得了良好的教学效果。 关键词：电子测量与仪器；峰值；平均值；有效值 引言 电子测量与仪器课程是测控及相关专业的重要专业基础课程，主要运用电子科学的原理、方法和设备对各种电量及电路元件的特性和参数进行测量。使学生掌握电子测量的基本概念，测量误差理论及数据处理方法，掌握基本电参量的测量原理，方案设计

2、及结果分析方法1。 在各基本电参量中，电压是描述电信号的重要参数。电压表是测量电压的重要仪器，而正确理解和掌握电压表测量电压的原理往往对初学者来说不是一件容易的事情。 1 电压参数的测量原理 电信号可以分为直流信号和交流信号。对于直流信号而言，其电压是一个恒定不变的值，测量相对比较简单，没有必要做太多的讨论。而对于交流信号，其电压大小是可以时刻变化的，可以用电压的瞬时值来描述电压的大小和变化。示波器可以测量信号的瞬时值并通过图形的方式直观的展现在屏幕上。但是示波器价格昂贵，不方便携带，因此在很多场合不适用。 图1 电压表测量原理图 电压表是测量电压的重要仪器。其测量原理如图1所示。首先被测的交

3、流信号先要经过检波电路进行检波，转换成直流信号，再由直流电压表对该直流信号的电压进行测量，将测量值乘以一个系数之后得到测量结果在显示器上显示。 检波电路的检波方式通常有三种，平均值检波、有效值检波和峰值检波，分别对应于平均值电压表、有效值电压表和峰值电压表。 设被测交流电压的瞬时值为u（t），则： 电压平均值为： （1） 有效值为：（2） 波形因数为：（3） 波峰因数为：（4） 交流信号都可以看成是一系列不同频率和幅值的正弦波的叠加。因此，正弦波是一种典型的交流信号。由于被测交流电压大多数是正弦电压，而且人们通常只希望测量其有效值，故除非特别说明，交流电压表都是以正弦波为测量对象，并按有效值定

4、度，即表头示值是被测电压为正弦电压时的有效值2。 因此，在测量正弦电压时，对有效值电压表，其检波电路的输出就是电压的有效值，可直接当做读数进行显示，如式（5）所示。 u=？琢 （5） 对平均值电压表，其检波电路的输出就是电压的平均值，而要得到有效值，需要按式（6）进行换算才能得到正确的读数。其中kf为正弦波的波形因数。 对峰值电压表，其检波电路的输出就是电压的峰值，而要得到有效值，需要按式（7）进行换算才能得到正确的读数。其中kp为正弦波的波峰因数。 up=kp？琢 （7） 而在测量非正弦电压时，有效值电压表的读数就是波形的有效值，该读数是正确的。而对于平均值表，读数是按式（6）换算的。但它无

5、法自动识别出输入波形的波形因数，因而其中的kf仍然是正弦波的波形因数，因此读数是错误的。由于同样的原因，峰值表的读数也是错误的。 所以，通过以上的分析可以得到，在测量非正弦信号时，只有有效值电压表的读数是正确的，可直接使用。而平均值表和峰值表的读数是错误的，如果要使用，则必须使用对应被测信号的波形因数或波峰因数进行修正。 2 实验方案的设计 为了让学生能够更好地掌握电压表测量电压的原理，我们设计了“电压表波形相应研究”的实验。目的是帮助学生分析几种典型电压波形对不同检波特性电压表的影响，进一步明确用不同检波特性电压表测量各种电压波形所得测量结果的物理意义，掌握测量结果的处理方法。 首先，为了体

6、现电压表的内部结构，加深学生对测量原理的理解，利用模块化设计的思想3，我们将检波电路（有效值检波、平均值检波和峰值检波）单独设计到实验板上，作为三个独立的模块，如图2所示。 a.有效值检波模块 b.平均值检波模块 c.峰值检波模块 图2 检波电路模块图 给各个模块供电后，在输出端就能分别得到输入信号的有效值、平均值和峰值。这些值可以通过直流电压表直接测量得到。 设计表格如表1所示。要求学生调节函数信号发生器，输出频率为2khz，输出幅度为1v（用示波器监视）。分别输出正弦波、三角波和方波，用平均值、有效值和峰值检波模块测量各输出波形，记录读数并填入表1中。根据测量结果，计算被测电压的有效值，并

7、进行分析说明。其中，由于三种波形的输出幅度是相同的，因而峰值检波的三个读数应该相同。而表格中的最后三行要求将每个检波模块的输出换算成有效值，则要求学生能够将电压表的实现过程与图1中的原理框图完全对应起来，进一步加深对测量原理的理解。 3 结束语 该实验和相关实验板在我院2012和2013级测控专业与自动化专业中进行了使用，取得了较好的实验效果。主要体现在以下几个方面：（1）将不同检波方式的电压表内部结构通过若干主要模块体现出来，充分体现出电压表测量电压的测量原理，有助于学生的进一步理解。（2）通过实验完成等幅度测量的数据表格，有助于学生灵活运用所学知识，从设计者的角度思考问题，主动运用测量原理来解决问题。 参考文献 1陈尚松，郭庆.电子测量与仪器（