电子测量第四章汇编

1、电子测量第四章电压的测量第四章电压的测量4 4电压的测量电压的测量n电压测量的意义电压测量的意义n电压信号波形是被测量信息的载体电压信号波形是被测量信息的载体n电压测量的优势电压测量的优势n测量范围宽、精度高、信号变换灵活测量范围宽、精度高、信号变换灵活n电压测量的不足电压测量的不足n信号变换寄生参数影响大信号变换寄生参数影响大4.1直流电压基准直流电压基准n1 1、标准电池、标准电池 利用化学反应产生标准电压利用化学反应产生标准电压 （1.01860V1.01860V）饱和型饱和型：电压年稳定性可小于：电压年稳定性可小于0.5V0.5V，相当于，相当于5 51010-7-7），温度系数较大（

2、约），温度系数较大（约40V/40V/）。）。用于计量部门恒温条件下的电压标准器。用于计量部门恒温条件下的电压标准器。不饱和型不饱和型特点：温度系数很小（约特点：温度系数很小（约4V/4V/），），但稳定性较差。但稳定性较差。n2 2、半导体电压基准、半导体电压基准n利用齐纳二极管的稳压特性制作的电压利用齐纳二极管的稳压特性制作的电压基准基准4.1直流电压基准直流电压基准4.1直流电压基准直流电压基准n3 3、量子电压基准、量子电压基准基于约瑟夫森（基于约瑟夫森（JosephsonJosephson）效应的量子电压基）效应的量子电压基准准n约瑟夫森量子隧道结约瑟夫森量子隧道结n将将2 2块超导

3、体通过厚度约块超导体通过厚度约1010埃的绝缘层隔开，构成埃的绝缘层隔开，构成的的超导体超导体- -绝缘体绝缘体- -超导体超导体（SISSIS）结构称为约瑟夫）结构称为约瑟夫森隧道结森隧道结4.1直流电压基准直流电压基准n约瑟夫森量子效应约瑟夫森量子效应n在约瑟夫森结两边加上电压在约瑟夫森结两边加上电压V V时，产生穿透绝缘时，产生穿透绝缘层的超导电流，这是一种交变电流，这种现象称层的超导电流，这是一种交变电流，这种现象称为交流约瑟夫森效应。为交流约瑟夫森效应。2JefVK Vh4.1直流电压基准直流电压基准n约瑟夫森量子逆效应约瑟夫森量子逆效应n将约瑟夫森结置于微波场中，约瑟夫森结上得到量

4、子化将约瑟夫森结置于微波场中，约瑟夫森结上得到量子化阶梯电压阶梯电压VnVn的现象，称为约瑟夫森量子逆效应的现象，称为约瑟夫森量子逆效应2JefVK Vh4.1直流电压基准直流电压基准n约瑟夫森量子电压基准约瑟夫森量子电压基准n国际计量委员会的建议：国际计量委员会的建议： 从从19901990年年1 1月月1 1日日开始，在世界范围内同开始，在世界范围内同时时启用了约瑟夫森电压量子基准启用了约瑟夫森电压量子基准（JJAVSJJAVS，1010-10-10）。并给出）。并给出K KJ-90J-90=483597.9GHz/V=483597.9GHz/V。n约瑟夫森量子阵约瑟夫森量子阵约瑟夫森结产

5、生的量子电压较低（约瑟夫森结产生的量子电压较低（mvmv级）。级）。将成千上万个或更多的约瑟夫森结串联将成千上万个或更多的约瑟夫森结串联 得到约瑟夫森得到约瑟夫森结阵（结阵（JJAJJA），可产生），可产生1V1V至至10V10V的电压的电压 。n我国的约瑟夫森量子电压基准我国的约瑟夫森量子电压基准n中国计量科学研究院中国计量科学研究院(NIM)(NIM)量子部建立量子部建立n19931993年底，年底，1V1V约瑟夫森结阵电压基准，测量不约瑟夫森结阵电压基准，测量不确定度达到确定度达到6 61010-9-9n19991999年底，年底，10V10V约瑟夫森结阵电压基准，合成约瑟夫森结阵电压基

6、准，合成不确定度为不确定度为5.45.41010-9-94.1直流电压基准直流电压基准n交流电压基准建立的问题交流电压基准建立的问题n交流电压有效值（交流电压有效值（RMSRMS）4.2交流电压基准交流电压基准4.3交流电压的测量交流电压的测量n双测热电桥双测热电桥高高频频电电压压V0V1RFDCDCRFR RGR RR RR RT TR RT TC CC CVRF2201222222RFTTTVVVRRR22014RFVVV准确度准确度：直流电压标准：直流电压标准准确度为准确度为1010-5 -5，则得到，则得到的高频电压标准准确度的高频电压标准准确度可达可达1010-3 -3 。4.3交流

7、电压的测量交流电压的测量n双测热电桥双测热电桥-自动平衡自动平衡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4.3交流电压的测量交流电压的测量n交流电压的基本参量交流电压的基本参量n峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数因数n峰值峰值t tu(t)Vp0UmTUn平均值平均值n数学定义数学定义01( )TUu t dtTn交流测量中的平均值交流测量中的平均值01( )TUu

8、 t dtTn平均值与峰值的关系平均值与峰值的关系20.637ppUVV4.3交流电压的测量交流电压的测量n交流电压有效值交流电压有效值n数学上有效值即为数学上有效值即为均方根均方根。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。4.3交流电压的测量交流电压的测量n有效值与峰值的关系有效值与峰值的关系10.7072ppVVVn峰值、平均值和有效值的关系峰值、平均值和有效值的关系n波峰因数：峰值与有效值之值波峰因数：峰值与有效值之值ppVKV峰值有效值21.41/2pppVKVn波形因数：有效值与平均值之值波形因数：有效值与平均值之

9、值FVKV有效值平均值(1/2)1.112/2 2pFpVKV（）4.3交流电压的测量交流电压的测量4.3交流电压的测量交流电压的测量n利用峰值、平均值测量有效值的问题利用峰值、平均值测量有效值的问题 正弦波：正弦波： K Kp p= =1.411.41 K KF F= =1.111.11 方方 波：波： K Kp p= =1 1 K KF F= =1 1 三角波：三角波： K Kp p= =1.731.73 K KF F= =1.151.15 锯齿波：锯齿波： K Kp p= =1.731.73 K KF F= =1.151.15 白噪声：白噪声： K Kp p= =3 3 K KF F=

10、=1.251.25n真有效值电路真有效值电路4.3交流电压的测量交流电压的测量2( )ut0TAu(t)Vrmsn交流电压的数字测量技术交流电压的数字测量技术4.3交流电压的测量交流电压的测量211( )NkVukNn数字电压表组成数字电压表组成nDigital Voltage Meter-DVMDigital Voltage Meter-DVM4.3直流电压的数字测量直流电压的数字测量输输入入电电路路A A/ /D D转转换换器器数数字字显显示示器器逻逻辑辑控控制制电电路路时时钟钟发发生生器器模模拟拟部部分分数数字字部部分分Vxn逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器4.3直流电压的数

11、字测量直流电压的数字测量逐逐次次逼逼近近移移位位寄寄存存器器( (S SA AR R) )D/A转转换换器器Vx+-比比较较器器C CL LK KSTARTA/D转转换换结结果果2-12-nMSBLSBVrN N4.3直流电压的数字测量直流电压的数字测量n单斜单斜式式A/DA/D转换器转换器斜斜波波电电压压发发生生器器QQSETCLRSR&000时时钟钟计计数数器器主主门门VrVx+-+-门门控控信信号号输输入入比比较较器器接接地地比比较较器器a计计数数输输入入4.3直流电压的数字测量直流电压的数字测量n单斜单斜式式A/DA/D转换器转换器0VxVx、V Vr r门门控控信信号号计计数

12、数输输入入NV Vr rt1bT0TrVkRC0 xVkTkT N0rxVVT NRCxVNn双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器n两次积分过程两次积分过程( (“对被测电压的定时积分和对参考电压对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分的定值积分”) )的比较，得到被测电压值的比较，得到被测电压值4.3直流电压的数字测量直流电压的数字测量n双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器4.3直流电压的数字测量直流电压的数字测量n对对被测电压定时积分被测电压定时积分4.3直流电压的数字测量直流电压的数字测量2111tomxxtTVV dtVRCRC n对基准电压定值积分对基准电压定值积分3221

13、0()tomromrtTVV dtVVRCRC4.3直流电压的数字测量直流电压的数字测量21xrTVVTnT T1 1=N=N1 1T;TT;T2 2=N=N2 2T,TT,T为时钟为时钟221xrNVVeNN4.3直流电压的数字测量直流电压的数字测量主主门门高高位位计计数数器器A A逻逻辑辑控控制制电电路路数数字字输输出出时时钟钟S1S2CRVx-Vr积积分分器器比比较较器器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1复复零零t2t31VoVomT1T2N1N2t积积分分波波形形计计数数器器输输入入a.b.清清零零低低位位计计数数器器B B主主门门清清零零-+ABR1R2R3t32T3N3V

14、tVr/10nVtN N2 2N3f0T0T0T04 4. .4 4数字多用表数字多用表A AC C/ /D DC CI I/ /V VZ Z/ /V VD DV VM MC CP PU UD DC CA AC CI IZ Zn1 1、电流测量电流测量4 4. .4 4电压测量中的变换技术电压测量中的变换技术Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A An2 2、电阻测量电阻测量4 4. .4 4电压测量中的变换技术电压测量中的变换技术恒恒流流源源( (可可调调) )A A/ /D DR

15、 Rx xIr-+A Am mp p恒恒流流源源( (可可调调) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精精密密电电阻阻VoVr取取样样电电阻阻n数字多用表误差数字多用表误差n固有误差和附加误差固有误差和附加误差4 4. .5 5数字多用表误差数字多用表误差n1 1、附加误差附加误差n由输入阻抗、输入零电流及温度漂移等引起由输入阻抗、输入零电流及温度漂移等引起4 4. .5 5数字多用表误差数字多用表误差HLI0DVMRsVxRin2 2、固有固有误差误差n积分器误差；比较器误差；模拟开关误差；基积分器误差；比较器误差；模拟开关误差；基准电压源误差；准电压源误差；4 4. .5 5数字多用表误差数字多用表误差UosIB-+RC积积分分器器ViVoUosVot