第7章 电气测量课件 电气工程及其自动化课件

1、第七章第七章 电子电压表电子电压表第一节第一节 电子电压表的结构与特点电子电压表的结构与特点第二节第二节 电子电压表的检波电路电子电压表的检波电路第三节第三节 模拟式电子电压表实例模拟式电子电压表实例第四节第四节 模拟式电子电压表的使用模拟式电子电压表的使用第五节第五节 数字电压表实例数字电压表实例第六节第六节 数字万用表实例数字万用表实例 本章要点本章要点 本章主要介绍模拟式和数字式电子电压表。前者是在传统的磁电系电压表基础上，增加了检波、放大等电子电路，提高它的频率范围、灵敏度和输入阻抗。后者则是从根本上改变传统仪表的读数方式，采用模数转换和数字显示技术，完全消除了因可动部件引发的误差，改

2、变了制造仪表的生产工艺。 本章第三节和第六节介绍几种电压表的实例，希望通过实例能进一步掌握仪表电路的分析方法，提高阅读电子仪器电路的能力。这两节内容可根据教学时数选择讲授。第一节第一节 电电子电压表的结构与特点子电压表的结构与特点 一、一、电电子电压表的子电压表的特点特点 1.1.利用检波电路提高测量的利用检波电路提高测量的频率范围频率范围 传统的磁电系电压表只能测量直流或低频。电子电压表则通过检波将被测电压转换为直流，使得本来只能测直流的磁电系电压表、也可以测量高频交流。 2.利用放大电路提高仪表灵敏度和量程范围利用放大电路提高仪表灵敏度和量程范围 虽然磁电系电压表的灵敏度可达到毫伏级，但通

3、过仪表的放大电路之后，可扩展到微伏级。 3.利用放大电路提高仪表的输入阻抗利用放大电路提高仪表的输入阻抗 电子电压表利用电子电路提高仪表的输入阻抗，以降低表耗功率，减少测量仪表对被测电路的影响。 4.利用各种补偿电路提高仪表的线性利用各种补偿电路提高仪表的线性二、模拟式电子电压二、模拟式电子电压表的结构类型表的结构类型 1. 放大放大-检波式检波式 这种方式采取放大在前，检波在后，通过放大电路提高仪表的灵敏度，可以用来测量微弱电压。但因频率范围受放大器限制，一般只用于低频电压表。 2.检波检波-放大式放大式 这种方式采取检波在前，放大在后，由于被测电压一开始就转换为直流，所以频率范围不受放大器

4、限制，可用于测量视频、超高频电压，但灵敏度较低。 3.3.调制式调制式 检波在前的电压表灵敏度不高，是由于检波后已将信号转换为直流，只能使用直流放大器，而直流放大器的放大倍数因漂移受到很大限制。调制式则利用斩波器先把直流转换为低频交流，然后用低频交流放大器进行放大，放大后再通过解调恢复为直流，这种方式既能采用检波在前，又能避免使用直流放大器而影响灵敏度。 4.4.外差式外差式 这种方式先通过混频，将被测频率转换为固定的中频，经中频放大后再通过检波转换为直流。既能解决放大在前频率范围受到限制的缺点，又能解决检波在前仪表的灵敏度不足的问题。多用于高频和超高频的测量。返回本章首页 三、数字电压表的结

5、构类型三、数字电压表的结构类型 1 电压电压-时间变换型时间变换型 又称斜波型，它将不同被测电压值转换为不同的时间间隔，用这个时间间隔的起止点，控制进入计数器的脉冲个数，使显示器能显示出不同数值。 2 电压电压-频率变换型频率变换型 将不同被测电压值转换为不同频率的信号，再通过整形转换为同频率的脉冲，进入频率计数器进行计数显示，所显示的频率值就代表电压值。 3 逐次逼近比较型逐次逼近比较型 将被测电压与数码开关送出的基准电压进行比较，如果基准电压小于被测电压，则将基准电压逐次递加，直至基准电压逼近被测电压并等于被测电压为止，这时显示器所显示的数码寄存器基准电压就是被测电压。返回本章首页第二节

6、电子电压表的检波电路 电子电压表是利用检波电路把被测电压的峰值或平均值或有效值转换为直流电压，然后用磁电系进行测量，所以检波电路是电子电压表的核心，它有以下几种形式。 一、一、 峰值检波峰值检波 1.开路式峰值检波开路式峰值检波 开路式检波电路是利用二极管将电容器充电至峰值，它必须满足以下条件： RC T 满足该条件，其指示仪表的指针偏转角将与被测电压峰值成正比。RCCRi RUSISMcpI 2.闭路式峰值检波闭路式峰值检波 闭路式检波电路如果满足以下条件： RC RC 则其指示仪表指针的偏转角将与被测电压交流峰值成正比。闭路式峰值检波电路TCRiRSRSII交流分量负向峰值或交流分量正向峰

7、值 3.峰峰-峰值检波峰值检波 峰- 峰值检波电路利用被测电压的正半波对 充电充至电压正半波的最大值为止，然后在负半波期间，被测电压与 电压串接后对 充电，因此 电压可充至峰 - 峰值。指示仪表指针偏转角将与被测电压的峰 - 峰值成正比。RUSPPI峰峰-峰值检波电路峰值检波电路1C1C2C2C 二、平均值检波二、平均值检波 1.1.半波平均值检波半波平均值检波特点：由于仪表可动部分的惯性，指针偏转角将正比于交流电压正半波平均值。特点：由于交流电压正半波由二极管形成闭路，指针的偏转角将正比于交流电压负半波平均值。cpUUScpUUS 2.全波平均值检波全波平均值检波 电路特点：正、负半波的电压

8、所产生的电流，以同一方向流过电流表P，P的指针偏转角 正比于交 流电压全波平均值。（全波平均值一般是指一个周期内，取电压瞬时值的绝对值平均所得。）cpUUS 3.具有负反馈的线性放大器具有负反馈的线性放大器 2021212 RuiiRRR，iR，iR，。ffof可求得的输出电流并等于通过电流为的通过反馈电阻路的反馈系数为设负反馈线性放大器电成与均值检波电路组波由负反馈线性放大器负反馈的线性平均值检2222 11 1 )( RUIRuRuRuiuuKKuKuuuuKu，icpocpiofoiiooffio换成平均值可推得和从当开环放大倍数足够大 也就是输出电流平均值，与输入电压平均值成线性的正比

9、关系。 4.具有负反馈的线性平均值检波电路具有负反馈的线性平均值检波电路 在线性放大器的基础上将 换成接有指示仪表的全波均值检波，即组成具有负反馈的线性平均值检波电路。在该电路中通过指示仪表的电流等于输出电流的一半，若将它化为平均值。可得229 . 05 . 05 . 05 . 0RUIRUIIiCicpocpccp换成电流有效值1R 可见，若开环放大倍数足够大，反馈电阻又比较准确，输出到指示仪表的电流将正比于输入电压。 三、有效值检波三、有效值检波 真正的有效值检波，需要采用能直接反映有效值的传感器，例如热电偶等，才能用来测量任意波形的有效值。而利用正弦波有效值与平均值或峰值的关系，按有效值

10、刻度的平均值或峰值电压表，其刻度只能用于正弦波。返回本章首页第三节 模拟式电子电压表实例 一、一、JFX晶体管万用表的组成晶体管万用表的组成 JFX晶体管万用表由10mV直流电压表单元、10mV交流电压表单元、振荡器单元、量程转换开关和用途选择按键等部分组成。 用途选择按键用途选择按键R键：用于测量电阻，带动内部三开关1.将指示电表正接；2.将电阻测量电路接入电源；3.接通电压表单元电源。LC键：键：用于测量电感或电容，带动内部三个开关1.将指示电表接检波器；2.将振荡器输出接入；3.接通放大器电源。停机：停机：用于关机，带动内部三个开关作用是1.(空)；2.(空)；3.断开放大器电源。量程转

11、换开关量程转换开关:共23 档，其作用是通过转换开关电路将被测量转换为10mV直流电压或10mV交流电压，然后由电压表单元进行测量。晶体管测量键：晶体管测量键：用于测量晶体管放大倍数，带动内部三开关1.使用负电压将指示电表反接2.(空)3.接通电压表单元电源2.JFX2.JFX晶体管万用表电路晶体管万用表电路 3. 10mV直流电压表单元直流电压表单元 10mV直流电压表单元是整个万用表的基础，由场效应晶体管作前置放大，与运算放大器BG305组成负反馈放大器，开环放大倍数可达5万倍以上，输入电压近似等于反馈电压。场效应管前级+运算放大器mV10 mV10 100 A100 0FCiFCFCFF

12、iiRIU。RIRIUUUU的电压表即可组成满度值为选取反馈电阻为若电流表的满度电流为 4. 10mV交流电压表单元交流电压表单元 以 10mV 直流电压表单元为基础，加上均值检波电路。即可组成 10mV 交流电压表。但电路中通过检波二极管的电流只有一半，按第二节有负反馈的线性平均值检波实际电路计算公式，通过指示电表的电流为。10mV,100 A 100 45. 05 . 09 . 0 , 45. 0 5 . 09 . 0 电压满度为时反馈电阻为当表头电流为代入倍的电阻为直流电压表单元反馈若取交流电压表单元的FiFiCPFiCPRURUIRUI 5. 振荡器单元振荡器单元 振荡器单元输出112

13、0Hz的低频信号，作为测量电感、电容的交流信号源。返回本章首页二、二、 JB-1B晶体管电压表晶体管电压表:JB-1B型电压表的频率范围2Hz 500kHz，最小量程50V。电源部分全波均值检波主放大器前置放大第二级衰减电阻第一级衰减电阻三、三、HFJ-8超高频毫伏计超高频毫伏计 采用检波在前的方式，以提高频率特性，频率范围为5kHz 300MHz，通过斩波器将检波后直流，转换为交流，避免使用直流放大器，量程范围可达3mV 300V。HFJ-8超高频毫伏计方框图返回本章首页第四节第四节 模拟式电模拟式电子电压表的使用子电压表的使用 使用电子电压表应注意以下几点: 一、按峰值刻度的开路峰值检波电

14、压表，读数与波形无关。 二、按峰值刻度的闭路峰值检波电压表，读数与波形是否有直流分量有关，读出的是交流分量峰值。 三、按峰-峰值刻度的闭路峰值检波电压表，读数与波形以及是否有为直流分量无关。 四、按有效值刻度的各种类型电压表，只适用于测量正弦波有效值，如果被测电压不是正弦波或含有直流分量，首先要按检波电路型式，从读数求得驱动电压值。然后按照被测电压波形，求得驱动电压值与有效值关系，将驱动电压转换为真正的有效值。（使用有效值传感器的电压表除外，驱动电压指峰值驱动、平均值驱动或有效值驱动）返回本章首页第五节第五节 数字电压表实例数字电压表实例一、一、CL系列数字式交流电压表基本结构系列数字式交流电

15、压表基本结构 整个电路是由输入通道、时钟电路、A/D转换、驱动显示四大部分组成 CL系列数字式交流电压表电路图系列数字式交流电压表电路图 二、二、CL系列数字式交流电压表的输入通道系列数字式交流电压表的输入通道 。R1、R2、R3、R5、C1组成取样电路，被测电压转换为小电压，送IC1检波并放大，三端可调分流基准源芯片IC6(TL431)使2、3两点产生较稳定的基准电压，若有波动通过IC6分流，改变R21、R23上的压降，保证输出不变零点稳定。 RP1作为调零。当输入为零时，调节RP1使显示为0。IC1B组成直流放大器，RP2为调节满度电位器。从输入端加入100V电压，调节RP2使显示100.

16、0IC1A、VD1、VD2组成具有负反馈的检波电路三、三、A/D转换芯片转换芯片ICL7135 图中包括由运放单元组成的缓冲器、积分器、比较图中包括由运放单元组成的缓冲器、积分器、比较器以及四组模拟开关，在外围（虚线之外）接有基准器以及四组模拟开关，在外围（虚线之外）接有基准电容、积分电容、积分电阻和自动调零补偿电容。电容、积分电容、积分电阻和自动调零补偿电容。 A/D转换芯片转换芯片ICL7135的工作过程的工作过程 第一阶段：自动调零阶段第一阶段：自动调零阶段 上电时内部控制逻辑令所有带AZ下标的开关闭合,其余断开，输入端IN+、IN-亦开断，这时无外部电压输入，若输出端出现不为零的电压，

17、说明电路失调，所出现电压就称为失调电压。利用失调电压对自动调零补偿电容 充电，测量时利用调零电容上的电压与外部被测电压相抵消，以补偿测量时电路失调造成的误差。 第一阶段基准电压源还通过模拟开关向 充电，充到等于 为止，以供第三阶段使用。 AZCREFCREFU 第二阶段：正向积分阶段或称为取样阶段第二阶段：正向积分阶段或称为取样阶段 在取样阶段，由控制器发出的取样命令，让所有带INT下标的开关闭合，其余断开。 被测电压通过缓冲器、积分电阻对积分电容进行充电，经一定时间间隔后断开，这时积分电容上所充的电压为 011010110000 , 11TTTCRUCRTdtuCRUINTINTxcpTIN

18、TINTxINTINT为充电时间一般积分电阻为积分电容式中 第三阶段：反向放电阶段第三阶段：反向放电阶段。DA，T，TTUUTTUUCRTUCRTSSTxcpREFxcpREFINTINTxcpINTINTDEINT转换即完成控制计数脉冲利用的脉冲时间间隔为时间间隔在即成正比电压可求得放电时间与被测结束时放电压阻积分积分阶段入所有的断开后时间/，比 较比较器将输出 , 0 dtU CR1U U可写成0U积分电容两端电压 ，放 电源向基准 电电 通过 电容，放电闭合，进 ， ，控制器令所有 10000的充 电 经过 2221221T0REFINTINT01020202第四阶段：零积分阶段第四阶段

19、：零积分阶段 如果超量程，经过以上三个阶段之后，积分电容上电压可能尚未回零，为保证积分电容的快速回零，控制器令 将IN-与COM短接，IN+与输出端短接保证积分电路迅速回零。ZIS自动调零积分电容正向充电积分电容反向放电零积分保证积分电容回零将模拟电压转换将模拟电压转换为时间间隔为时间间隔 四、时钟电路四、时钟电路 ICL7135型转换芯片需要外接时钟信号，图7-37中选用74HC4060（IC3）作为时钟振荡器，振荡器部分通过外接4MHz的晶振，产生4MHz的时钟脉冲，经64分频，从IC3的Q6接到A/D转换芯片ICL7135的引脚CLK。 五、显示电路五、显示电路 电压表选用四位数码管,分

20、别显示个、十、百和千位。另一单位的数码管显示万位。采用动态显示方式，由ICL7135的B1、B2、B3、B4四引脚输出被测电压的BCD码。经CD4543译码后接数码管。 其中万位只需显示数码1或符号，所以只接数码管的b、c两个引脚。 从D1、D2、D3、D4、D5依次输出位码。当D1=1时，BCD码对应于个位。D2=1时对应于十位，以此类推。 考虑到公共端的电流较大，所以用达林顿晶体管阵列ULN2003作为公共端的驱动第六节 数字万用表实例数字电压表有各种类型，数字万用表则是一种集成化的数字电压表，它的结构简单又具备数字电压表的基本功能，故以它为实例作简要介绍。一、数字万用表的性能指标一、数字

21、万用表的性能指标一般的数字万用表其性能指标有：1.准确度：准确度：置于直流电压档，可达 0.5% 1字 其他档位略低2.工作频率：工作频率：一般不超过1kHz。3.测量范围：测量范围：可测量电压、电流、频率和电路参数R、L、C。4.分辨力：分辨力：可显示的最小数字与最大数字比为0.5%。5.测量速度：测量速度：每秒2 5次。6.输入阻抗：输入阻抗：输入电阻10M，电容150pF。7.保护：保护：一般都有过载与过电压保护。8.显示位数：显示位数：有3 、4 等几种，整数部分表示能显示0 9的位数，分数部分表示最高位性能，分子表示最高位所能显示的最大数值，分母表示满程时所表示的数值。 二、数字万用

22、表的二、数字万用表的A/DA/D转换器转换器 数字万用表中通常使用双积分式的A/D转换器，这种转换器接通时，被测电压对积分电容充电，充电后积分电容向参考电压放电，积分电容放电时间与被测电压成正比，即 在放电期间，比较器输出一个宽度等于放电时间的负脉冲，它的下降沿打开闸门对时钟脉冲进行计数，上升沿关闭闸门。所计的数就是被测电压值。所以这种转换器属于电压时间型。xcpREFUUTT12三、三、A/DA/D转换器中的数字电路转换器中的数字电路 A/D 转换器中的数字电路包括时钟、计数器、计数锁存译码、相位驱动和控制逻辑电路等电路。通常它跟积分转换电路一起集成在同一芯片内，图为 ICL7106的数字电

23、路，其中虚线框内表示集成在芯片内部的电路，虚线框外为外围电路。显示器在框外，所以属于外围器件。四、四、DT-830数字万用表数字万用表 DT-830 型数字万用表是一种简易型的万用表，它具备电子数字电压表的全部特征，通过它可以了解电子数字电压表的构成。 DT-830 型数字万用表采用专用芯片 ICL7106，芯片内部包含A/D转换器和有关的数字电路，外围配上具有负反馈的线性平均值检波电路、显示模块、蜂鸣器电路以及分流器和附加电阻等组成。1.DT-830的直流电压测量电路的直流电压测量电路被测电压输入量程调节转换成200mV输入2、DT-830的直流电流测量电路的直流电流测量电路10A输入被测电流输入量程调节转换成200mV输入3.DT-830的交流电压测量电路的交流电压测量电路量程调节过压保护运算放大器转换成200m