第四章电压测量技术

1、电电 子子 测测 量量授课教师：路辉联系电话：82316487电子邮件：北 京 航 空 航 天 大 学第四章电压测量技术4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 模拟式电压测量模拟式电压测量4.3 4.3 直流数字电压表直流数字电压表(DVM) (DVM) 北 京 航 空 航 天 大 学电压测量的特点。模拟交流电压表的基本组成和特点及交流电压的三种表征参数。( 模拟)比较型直流数字电压表和积分型直流数字电压表的组成及工作原理。(数字)（选）余数再循环技术在电压测量中的应用。知识点北 京 航 空 航 天 大 学4.1 4.1 概述概述电信号的三个基本参量：电信号的三个基本参量：V V、I I、P

2、P一、电压测量的一、电压测量的重要性重要性非电测量非电测量中，物理量中，物理量电压信号，再进行测量电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度如：温度、压力、振动、（加）速度电压测量是电测量与非电测量的基础电压测量是电测量与非电测量的基础 电测量电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：中，许多电量的测量可以转化为电压测量：其中：电流、功率其中：电流、功率电压，再进行测量电压，再进行测量 电路工作状态：电路工作状态：饱和与截止，线性度、失真度饱和与截止，线性度、失真度电压表征电压表征北 京 航 空 航 天 大 学4.1 4.1 概述概述1.确定被测电压的量值范围二、电压测量的基本要求

3、和特点二、电压测量的基本要求和特点微弱信号:心电医学信号、地震波等,纳伏级（10-9V）；超高压信号：电力系统中，数百千伏。2.确定被测电压的频率范围零频（直流）109Hz低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。3.确定被测电压的波形电压信号波形是被测量信息的载体。各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。4.确定被测电压的输出阻抗（负载效应）直流DVM 10V 10M DT830 数字三用表 R=10M交流DVM （经AC/DC变换） 1M /15PF北 京 航 空 航 天 大 学5.测量精度的要求差异很大10-1至10-96.测量速度的要求差异很大静态测量：

4、直流（慢变化信号）,几次/秒;动态测量：高速瞬变信号,数亿次/秒（几百MHz）精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。7.抗干扰性能测量数据精确度要与电压基准（直流标准电池）对比。(计量）4.1 4.1 概述概述北 京 航 空 航 天 大 学4.1 4.1 概述概述三、电压测量方法和分类三、电压测量方法和分类1、分类按对象：直流电压测量；交流电压测量按技术：模拟测量；数字测量2、方法1 1）交流电压的模拟测量方法）交流电压的模拟测量方法表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。方法：交流电压（有效值、峰值

5、和平均值）方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电流直流电流-驱动表头驱动表头-指示指示有效值、峰值和平均值电压表有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。，电平表等。2 2）交流电压的数字化测量）交流电压的数字化测量交流电压（有效值、峰值和平均值）交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电压直流电压-A/DA/D转换器转换器-数字量数字量-数字显示数字显示DVMDVM（DMMDMM）的扩展功能。）的扩展功能。北 京 航 空 航 天 大 学3 3）基于采样的交流电压测量方法）基于采样的交流电压测量方法4 4）示波测量方法）示波测量方法5 5）直流电压的数字化测量方法）直流电压的数字化测量方法模

6、拟式：磁电式仪表（指针式） 表头特点：高灵敏度（最小量程10uA）,高准确度0.1%， 刻度呈线性，受外磁场及温度影响小。 特点：电路简单，价格低廉，适于测高频。 数字式：A/D变换计数器-显示器（十进制） 特点:直观、高速、精度高。4.1 4.1 概述概述北 京 航 空 航 天 大 学三、基础知识复习三、基础知识复习4.1 4.1 概述概述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、波峰因数和波形因数峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数（1）峰值以零电平为参考的最大电压幅值（用以零电平为参考的最大电压幅值（用VpVp表示表示 ）。）。注：以直流分量为参考的最大电

7、压幅值则称为振幅，（通常用注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用UmUm表表示）。示）。t tu(t)Vp0UmTU北 京 航 空 航 天 大 学4.1 4.1 概述概述01( )TUu t dtT01( )TUu t dtT（2）平均值数学上定义为：数学上定义为：交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：指，均为全波整流）： 对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若，若=2/T20.637ppUVV相当于交流电压相当于交流电压u(t)的直

8、流分量。的直流分量。北 京 航 空 航 天 大 学（3）有效值定义：交流电压定义：交流电压u(t)u(t)在一个周期在一个周期T T内，通过某纯电阻负载内，通过某纯电阻负载R R所产生的热量，所产生的热量，与一个直流电压与一个直流电压V V在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压V V的数值就的数值就表示了交流电压表示了交流电压u(t)u(t)的有效值。的有效值。201( )TVut dtT意义：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。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电。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。

9、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)=Vpsin(t)，若，若=2/T10.7072ppVVV4.1 4.1 概述概述北 京 航 空 航 天 大 学（4）波峰因数4.1 4.1 概述概述ppVKV峰值有效值21.41/2pppVKV(1/2)1.112/2 2pFpVKV（）定义：峰值与有效值的比值，用定义：峰值与有效值的比值，用KpKp表示表示对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)u(t)=Vpsin(t)，若，若=2/T=2/T（5）波形因数定义：有效值与平均值的比值，用定义：有效值与平均值的比值，用K KF F表示表示对理想的正弦交流

10、电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)u(t)=Vpsin(t)，若，若=2/T=2/TFVKV有效值平均值北 京 航 空 航 天 大 学常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到：常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到：如正弦波：如正弦波：Kp=1.41Kp=1.41，K KF F=1.11=1.11； 方波：方波：Kp=1Kp=1， K KF F=1=1； 三角波：三角波：Kp=1.73Kp=1.73，K KF F=1.15=1.15； 锯齿波：锯齿波：Kp=1.73Kp=1.73，K KF F=1.15=1.15； 脉冲波：脉冲波：Kp= Kp= ，KF= KF= ， 为脉冲宽度

11、，为脉冲宽度，T T为周期为周期 白噪声：白噪声：Kp=3Kp=3（较大），（较大），K KF F=1.25=1.25。TT4.1 4.1 概述概述北 京 航 空 航 天 大 学2、AC-DC转换4.1 4.1 概述概述检波器完成交流和直流的变换3、带宽和灵敏度北 京 航 空 航 天 大 学4.2模拟式电压测量一、测直流二、测交流AC/DC变换器检波器：峰值、均值、有效值。I0=f（Vx）刻度特性（定度系数）（一）峰值电压表（一）峰值电压表1、二极管峰值检波器条件：RCTmax (RD+R内)CTmin D-二级管电阻；R内-信号源内阻串联并联北 京 航 空 航 天 大 学4.2模拟式电压测量

12、峰值任一周期性交变电压，在所观测的时间或一周期内，电压所达到的最大值。计算峰值时都是从参考零电平开始计算北 京 航 空 航 天 大 学2、检波放大式（高频（超高频）毫伏表）特点特点4.2模拟式电压测量采用超高频二极管检波，提高频率范围，并具有较高的输入阻抗。检波二极管的正向压降和反向击穿电压为减小高频信号在传输过程中的损失，通常将峰值检波器直接设计在探头中。放大器放大器采用桥式直流放大器，它具有较高的增益。直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。f ：20Hz x100MHzV ：V级（1V100V）灵敏度 ：0.1V 早期典型仪器：超高频电压表 DYC5 0.1V f：20Hz300MH

13、z检波器检波器北 京 航 空 航 天 大 学3、斩波式（超高频）毫伏表f：10KHz1GHzV：mV级灵敏度：几十uV 典型仪器：国产DA1型超高频mV表为提高灵敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斩波稳零式直流放大器，其灵敏度可达几十微伏。放大器放大器特点特点4.2模拟式电压测量北 京 航 空 航 天 大 学（二）平均值电压表（二）平均值电压表定义检波后的直流电压与输入的交流电压的平均值成比例而与波形无关。TdttVTV0)(11、检波电路： 半波整流： 全波整流：4.2模拟式电压测量北 京 航 空 航 天 大 学2、放大检波式（宽频毫伏表、视频毫伏表）特点特点（三）外差法电压表（三）外

14、差法电压表（甚高频毫伏表） DW3甚高频毫伏表4.2模拟式电压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uAf：20Hz10MHz（带宽和增益的矛盾）V：mV级 （一般 几十uV300V）典型仪器：宽频带mv 表、视频mv表放大器放大器宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为10MHz。灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制。北 京 航 空 航 天 大 学(四四) )有效值电压表有效值电压表4.2模拟式电压测量1、利用二极管平方律伏安特性检波2、利用模拟运算的集成电路检波2( )ut0TAu(t)Vrms通过多级运算器级连实现通过多级运算器级连实现模拟乘法

15、器（平方）模拟乘法器（平方）积分积分开方开方比例运算。比例运算。 单片集成单片集成TRMS/DCTRMS/DC电路，如电路，如AD536AKAD536AK等。等。北 京 航 空 航 天 大 学3、利用热电偶有效值检波4.2模拟式电压测量热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个闭合回路，当两热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个闭合回路，当两节点处温度不同时，回路中将产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热节点处温度不同时，回路中将产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，所产生的电动势称为电效应，所产生的电动势称为热电动势热电动势。冷冷端端T T0 0热热端端T

16、 T当热端当热端T T和冷端和冷端T0T0存在温差时（即存在温差时（即TT0TT0），则存在热电动势，），则存在热电动势，且且热电动势的大小与温差热电动势的大小与温差T=T-T0T=T-T0成正比。成正比。北 京 航 空 航 天 大 学R Ru 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 Mu uA A连连接接导导线线I I4.2模拟式电压测量热电偶有效值检波原理图热电偶有效值检波原理图电流电流II热电动势热电动势热端与冷端的温差，而热端温度热端与冷端的温差，而热端温度u(t)u(t)功率功率u(t)u(t)的有效值的有效值V V的平方，的平方，故故2IV表头

17、刻度线性化处理表头刻度线性化处理北 京 航 空 航 天 大 学R Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加热热丝丝热热端端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 oE Ex xE Ef fV 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4.2模拟式电压测量缺点：热惯性、先置大量程缺点：热惯性、先置大量程北 京 航 空 航 天 大 学4.2模拟式电压测量三、交流电压的三种表征三、交流电压的三种表征三种：峰值、平均值、有效值 检波器：峰值检波器、均值检波器、有效值检波器 刻度： 均按正弦电压的有效值刻度。 北 京 航 空 航 天 大 学峰值检

18、波电压表结构及刻度特性：均值检波电压表结构及刻度特性：有效值检波电压表结构及刻度特性：4.2模拟式电压测量北 京 航 空 航 天 大 学（一）峰值检波电压表的刻度特性及波形误差峰峰值值检检波波表表头头( (读读数数= =) )Vpu(t)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。当输入当输入u(t)u(t)为正弦波时，读数为正弦波时，读数即为即为u(t)u(t)的有效值的有效值V V。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。但可由读数没有直接意义。但可由读数换算。换算。把读数把读数想象为有效值等于想象为有效值等于的纯正弦波输入时的读数的纯正

19、弦波输入时的读数V22pVV2ppVV任意将将V转换为该纯正弦波的峰值转换为该纯正弦波的峰值“对于峰值电压表，（任意波形的）峰值相等，则读数相等对于峰值电压表，（任意波形的）峰值相等，则读数相等”根据该波形的波峰因数（查表可得），其有效值根据该波形的波峰因数（查表可得），其有效值2pppVVKK任意任意任意任意4.2模拟式电压测量北 京 航 空 航 天 大 学 注意：由测量表的动态特性限制，Kp有一个允许极限，例：如Kp=10，则电压表的满度波峰因数应10,否则产生削波。4.2模拟式电压测量21.4121.41ppKKp（任意波）峰值V（任意波）有效值V221222ppppKKKK波形误差缺点

20、：对谐波失真引起的波形误差非常敏感，又无法确知其波峰因数，读数无法换算，小心使用。北 京 航 空 航 天 大 学（二）均值检波电压表的刻度特性及波形误差表头刻度按（纯）表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度正弦波有效值刻度。当输入当输入u(t)u(t)为正弦波时，读数为正弦波时，读数即为即为u(t)u(t)的有效值的有效值V V。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。但可由读数没有直接意义。但可由读数换算。换算。把读数把读数想象为有效值等于想象为有效值等于的纯正弦波输入时的读数的纯正弦波输入时的读数V0.91.112 2FVVVK0.9VV任意将将V转换为该纯正弦波的

21、均值转换为该纯正弦波的均值“对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等”根据该波形的波形因数（查表可得），其有效值根据该波形的波形因数（查表可得），其有效值V平平均均值值检检波波表表头头( (读读数数= =) )u(t)0.9FFVKVK任意任意任意任意4.2模拟式电压测量北 京 航 空 航 天 大 学 4.2模拟式电压测量0.90.9FK（任意波）均值V（任意波）有效值V0.910.91.1110.90.9FFFFFKKKKK波形误差波形误差北 京 航 空 航 天 大 学（三）有效值电压表的刻度特性及波形误差4.2模拟式电压测量 特点

22、是不需进行换算,直接从表头读出被测电压有效值。用有效值电压表测非正弦波时，北 京 航 空 航 天 大 学举例说明测量一个非正弦波时，如何对读数进行换算Eg、用均值电压表测正弦波、三角波、方波，a=10V，求有效值、峰值、波形误差。解：已知VKaFFKaV 改用峰值？4.2模拟式电压测量北 京 航 空 航 天 大 学总结：峰值电压表：检波-放大式峰值响应：频率范围较宽（达1000MHz）但灵敏度低（mV级）。读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值（或峰值）。需注意：测量波峰因数大的非正弦波时，由于削波可能产生误差。 均值电压表：放大-检波式均值响应：灵敏度比峰值表有所提高但频率范围较小（Z

23、2，故I1I2,I1的影响可忽略。4.3 4.3 直流数字电压表直流数字电压表(DVM) (DVM) 北 京 航 空 航 天 大 学抑制共模干扰能力用共模抑制比CMR来表示：其定义为：2220lg201cmsmZUCMRdBgURUcm-共模干扰电压有效值。Usm-由于Ucm引起的DVM输入端串模干扰电压。 欲提高CMR、必须减少UCM到USM的转化，既增大Z2。采用浮置和多重屏蔽结构。七、DVM的主要工作特性(一)测量范围 DVM的测量范围是以A/D变换器的电压变换范围为基本量程（1、2、5、10v)，以基本量程为单位，利用分压器，可使测量上限、下限扩展。 除了量程，还要用显示位数，超量程能

24、力反映测量范围。显示位数：指能够显示09十个数码的完整显示位。如：DVMDVMDVM216214213、4.3 4.3 直流数字电压表直流数字电压表(DVM) (DVM) 北 京 航 空 航 天 大 学21的含义： 第一种：基本量程是1v或10v，绝大多数DVM都带有 位，表示具有超量程能力。 Eg:10.000v量程。如最大显示9.999v， 如最大显示19.999， 第二种：(例外)，PZ8型，基本量程2v，基本量程上最大显示为 显示1.9999v， DVM，早期叫5位。计算精度按4位计算。21214214Eg :测试10.0001，如用5位DVM测，无超量程能力,10v档测是9.9999

25、v。那么0.1mv不能读，换到100v档测是10.000v。则0.1mv不能分辨。如有超量程能力，则10v档测试10.0001v，首位1是附加首位，被测电压超过量程 则这一位显示1。所以具有超量程能力的DVM精度高。(分辨力高)4.3 4.3 直流数字电压表直流数字电压表(DVM) (DVM) 北 京 航 空 航 天 大 学(二)、分辨力 即显示器末位跳一个字所需的最小输入电压。即DVM能够显示出的被测电压的最小变化值。 在最小量程上具有最高的分辨力。Eg:最小量程0.100000v则末位跳一个字为1 ,即分辨力为1 。(三)、测量速度：610v610 即每秒钟对被测电压的测量次数或一次测量全

26、过程所需时间。它主要取决于A/D变换器的变换速度。 八、双积分型数字表的现时水平：基本上是以英国SOLARTRON公司（7081型）、DATRON公司（1081型）、美国HP公司(HP3458A)为最，其中83年生产的7081型8位半数字万用表，准确度高达1.2PPM( ),分辨率为10微伏，该公司的8位半数字电压表分辨力达到一亿四千万分之一；转换准确度为0.00003%。目前DVM的灵敏度可达1纳伏。v4.3 4.3 直流数字电压表直流数字电压表(DVM) (DVM) 北 京 航 空 航 天 大 学 作业：作业：5.15.1、5.35.3、5.105.10、5.125.12、5.135.13

27、、5.145.14（旧书）（旧书）作业作业 5.1 5.1 在示波器上分别观察到峰值相等的正弦波、方波和三角波，在示波器上分别观察到峰值相等的正弦波、方波和三角波，Vp=5VVp=5V，分别用三种不同检波方，分别用三种不同检波方式，采取正弦波有效值刻度的电压表测量，试求读数分别为多少？式，采取正弦波有效值刻度的电压表测量，试求读数分别为多少？5.3 5.3 已知某电压表采用正弦波有效值刻度，如何用实验的方法确定其检波方式？至少列出两种已知某电压表采用正弦波有效值刻度，如何用实验的方法确定其检波方式？至少列出两种方法，并对其中一种进行分析。方法，并对其中一种进行分析。5.10 5.10 试用波形

28、图分析双积分式试用波形图分析双积分式DVMDVM由于积分器线性不良所产生的测量误差。由于积分器线性不良所产生的测量误差。5.12 5.12 双积分式双积分式DVMDVM，基准电压，基准电压Vr=10VVr=10V，设积分时间，设积分时间T T1 1=1ms=1ms，时钟频率，时钟频率f f0 0=10MHz=10MHz，DVMDVM显示显示T T2 2时间时间计数值计数值N=5600N=5600，问被测电压，问被测电压VxVx的数值？的数值？5.13 5.13 设计与使用数字式万用表（设计与使用数字式万用表（DVMDVM），必须注意哪两类干扰？各应采取什么措施加以克服？），必须注意哪两类干扰？

29、各应采取什么措施加以克服？5.14 5.14 用国产用国产DO26DO26型型DVMDVM测量一个标称值为测量一个标称值为0.5V0.5V的电压，已知该的电压，已知该DVMDVM的固有误差为的固有误差为(0.003%0.002读数+%满度）若采用若采用1.000000V1.000000V基本量程，读数为基本量程，读数为0.499876V0.499876V，试求此时的固有误差是多少，并讨论结果。，试求此时的固有误差是多少，并讨论结果。北 京 航 空 航 天 大 学余数再循环技术在电压测量中的应用技术背景：技术背景：FLUKE8520A,FLUKE8520A,微机化数字多用表微机化数字多用表技术指标：电压范围：技术指标：电压范围：1uV-1000V 1u