[高等教育]第七章 电压测量ppt课件

1、 7.1 概概 述述 7.2 模拟式直流电压丈量模拟式直流电压丈量 7.3 交流电压表征和丈量方法交流电压表征和丈量方法 7.4 低频交流电压丈量低频交流电压丈量 7.5 高频交流电压丈量高频交流电压丈量 7.6 脉冲电压丈量脉冲电压丈量 7.7 电压的数字式丈量电压的数字式丈量电压丈量是电子丈量的重要内容之一。本章内容主要有： 电压丈量的重要意义及特点； 电压表的分类及交流电压的根本参数； 模拟式电压表； 数字电压表DVM； 数字多用表了解电压信号的特点；掌握交流电压信号的表征方式和表征量值的相互转换；掌握电压丈量仪器的任务原理，能提出电压丈量系统方案。交流电压信号的表征方式和表征量值的相互

2、转换。 模拟万用表模拟万用表 数字万用表数字万用表有效值数字万用表 图形万用表 多重显示数字多用表 电压丈量是电丈量与非电丈量的根底； 电丈量中，许多电量的丈量可以转化为电压丈量：表征电信号能量的三个根本参数：电压、电流、功率其中：电流、功率电压，再进展丈量电路任务形状：饱和与截止，线性度、失真度电压表征 非电丈量中，物理量电压信号，再进展丈量如：温度、压力、振动、加速度1.频率范围广：零频直流109Hz低频：1MHz以下；高频射频：1MHz以上。2.丈量范围宽微弱信号: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，数千伏。3.电压波形的多样化电压信号波形是被丈量信息的载

3、体。各种波形：纯粹弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波.4.阻抗匹配5.丈量精度高6.抗干扰性能强工业现场测试中，存在较大的干扰。三、电压丈量仪器的分类1按显示方式分类 模拟式电子电压表 数字式电子电压表2模拟式电压表分类 (1)按丈量功能分类 直流电压表 交流电压表 脉冲电压表(2)按任务频段分类 超低频电压表(低于10Hz) 低频电压表(低于1 MHz) 视频电压表(低于30MHz) 高频或射频电压表(低于300MHz) 超高频电压表(高于300MHz)(3)按丈量电压量级分类 电压表: 主量程为V(伏)量级 毫伏表: 主量程mV(毫伏)量级。(4)按电压丈量准确度等级分类 分为0.0

4、5 、 0.1、0.2、0.5、1 0、l.5、2.5、5.0和10.0等级，其满度相对误差分别为0.05、0.1、10.0。(5)按刻度特性分类 可分为线性刻度、对数刻度、指数刻度和其他非线性刻度。3数字式电压表 数字式电压表目前尚无一致的分类规范。普通按丈量功能分为直流数字电压表和交流数字电压表。交流数字电压表按其ACDC变换原理分为峰值交流数字电压表、平均值交流数字电压表和有效值交流数字电压表。 数字式电压表的技术目的较多，包括准确度、根本误差、任务误差、分辨力、读数稳定度、输入阻抗、输入零电流、带宽、串模干扰抑制比(SMR)、共模干扰抑制比(CMR) 、波峰因数等30项目的。 一、动圈

5、式电压表memIRU图中虚框内为不断流动圈式高灵敏度电流表，内阻为Re，满偏电流(或满度电流)为Im，假设作为直流电压表，满度电压 为了扩展量程 通常串接假设干倍压电阻，如图7.2-1中 。这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程U0外，又添加了 三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的阻值分别为:221RRR、221UUU、mmemIUURIUURRIUR/ )(/ )()/(23312211 二、电子电压表 1电子电压表原理 电子电压表中，通常运用高输入阻抗的场效应管(FET)源极跟随器或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度，当需求丈量高直流电压时，输入端接入分

6、压电路。分压电路的接入将使输入电阻降低，但只需分压电阻取值较大，依然可以使输入电阻比动圈式电压表大得多。图7.2-3是这种电子电压表的表示图。图7.2-3 电子电压表框图2调制式直流放大器 调制式直流放大器可有效地减小放大器的零点漂移。调制式直流放大器可有效地减小放大器的零点漂移。 解调器任务原理和各点波形示于图7.2-7。图7.2-7 解调器任务原理一、交流电压表征一个交流电压的大小，可用平均值、峰值和有效值等多种方式来表示。 .峰值的根本概念 交流电压的峰值，是指交流电压 u (t) 在一个周期内或一段察看时间内电压所到达的最大值。用或Up表示。 .平均值的根本概念 平均值普通用 表示，

7、在数学上定义为 TdttuTU0)(1 T为u(t)的周期。U相当于交流电压u(t)的直流分量。例：u1(t)=sint V, U1=0V ; u2(t)=cost V, U2=0V ; u3(t)=(U0+sint) V, U1=U0 V ; u4(t)=(U0+cost) V, U1=U0 V ; 对于一个纯粹的交流电压，正半周和负半周完全一样中， 等于零。此时，无法用平均值来表征电压的大小。 交流电压的丈量中，交流电压的平均值是指经过丈量仪器的检波器后的全波平均值。定义为 TdttuTU0| )(|1 .有效值的根本概念 交流电压的有效值是指均方根值 rms)，用U或Urms表示。它的数

8、学表示式为 U = 它的物理意义为：在交流电压的一个周期，这个交流电压在某电阻负载中所产生的热能假设与一个直流电压在同样的电阻负载中产生的热能相等时，这个相当的直流电压值就是该交流电压的有效值。各类交流电压表的示值，除特殊情况外，都是用正弦波有效值来定度的。dttTu)(120UP+UPUm+ABU0(直流直流分量分量)Umtu(t)UUKFUUKPP 1、根本原理 方法不同，原理也不同。最主要的是将交流电压转换为直流电压，然后用直流电压表进展丈量。交/直流电压转换法有检波法和热电转换法。AC/DC变换器加直流电压表即构成最根本的交流电压表。 2、交流电压表的主要类型a、检波放大式 先检波再放

9、大，因此通频带很宽,灵敏度较低。可变量程分压器直流放大器检波器uxc、调制式b 、放大检波式 先放大再检波，因此灵敏度很高，通频带窄。可变量程分压器交流放大器检波器uxd 、外差式 其组成为：外差式接纳机宽频电平表。特点是：灵敏度高，通频带宽。混频器本机振荡器中频放大器检波器f xf Af 0 通常把丈量低频信号电压(1MHz以下)的电压表称为交流电压表或交流毫伏表。这类电压表多采用“放大检波方式。其检波器常用平均值、有效值检波器两种，分别构成均值电压表和有效值电压表。 一、均值电压表 平均值检波器原理桥式全波整流电路均值呼应，即：u(t) 放大 均值检波 驱动表头二极管桥式整流全波整流和半波

10、整流电路完成。D4D1u(t)+u0(t) CD2 u0(t)=uc(t), 波形图如下：Uo=uc(t)u(t) C放电C充电uct0二、刻度特性 表头刻度按纯正弦波有效值刻度。 因此：当输入u(t)为正弦波时，读数即为u(t)的有效值V而不是该纯粹弦波的均值。 对于非正弦波的恣意波形，读数没有直接意义既不等于其均值也不等于其有效值V。但可由读数换算出均值和有效值。 即：=KU 为峰值电压表的示值，U为被测电压的平均值，K为定度系数。对与正弦波，U=K U，于是可得11. 1FKUUK9 . 011. 1FKUU9 . 0UU任意 三、波形换算 均值电压表是由全波整流电路构成，其中的交流电压

11、表是以正弦波有效值定度，因此均值电压表在丈量正弦信号时，电压表示值即被测电压的有效值，丈量其他非正弦信号时要作波形换算。 恣意波形的有效值：UU90平平均均值值有有效效值值为为波波形形系系数数，为为电电压压表表示示值值其其中中 FFFKKUUK.Uaa例用全波整流均值电压表分别丈量正弦波、三角波和方波，假设电压表示值均为10V，各被测电压的有效值为多少？1、对于正弦波，电压表本来就是按有效值定度， 所以电压表示值即为正弦波的有效值。2、对于三角波，其波形系数为1.15， 故U0.91.151010.35V3、对于方波，其波形系数为1， 故U0.91109V波形误差：aaFaaaaVUUK.UU

12、UUUU90 这类电压表由于放大器频率特性的限制，不能采用低频时的“放大检波方式，而需采用“检波放大式，其检波器常用峰值检波器。一、峰值检波器原理峰值呼应，即：u(t) 峰值检波 放大 驱动表头由二极管峰值检波电路完成，有二极管串联和并联两种方式。CDR+Ui(t)+URUca)串联式Uc0tUR任务原理： a)串联式： 判别二极管的导通及截止情况； Ui(t)Uc(t),D导通，向C充电，UR(t)=Uc(t), RdCTmin; Ui(t)Tmax; (Rd为二极管内阻，RdC为充电常数；RC为放电常数)所以： UR= Uc UP+ b)并联式： 判别二极管的导通及截止情况；Ui(t)Uc

13、(t),D导通，向C充电，UR(t)=0, RDCTmin;Ui(t)Tmax; (RD为二极管内阻，RDC为充电常数；RC为放电常数)所以： UR(t)= Ui(t)Uc(t) UR = Ui Uc Ui UP+ =U0 UP+ =Um+ CDR+Ui(t)+URUcb)并联式Uc0tUCUx总结：串联式峰值检波器：UR=UP+，电路中的电容C起滤波 作用； 并联式峰值检波器：UR =Um+，电路中的电容C有隔直 流和滤波作用。 二、定度系数 表头刻度按纯正弦波有效值定度。 当输入u(t)为正弦波时，读数即为u(t)的有效值V而不是该纯粹弦波的峰值Vp。 对于非正弦波的恣意波形，读数没有直接

14、意义既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V。但可由读数换算出峰值和有效值。 即：=KUp为峰值电压表的示值，Up为被测电压的峰值，K为定度系数。对与正弦波，U=K Up，于是可得221ppKUUK将K代入=KUp，可得22/2KUP2UP结论公式为例2用峰值电压表分别丈量正弦波、三角波和方波，假设电压表示值均为10V，各被测电压的峰值和有效值为多少？ 示值相等那么峰值也相等，故峰值都为：1、对于正弦波，峰值电压表本来就是按有效值定度，所以电压表示值即为正弦波的有效值。2、对于三角波，其波峰系数为1.73， 故U8.17V3、对于方波，其波峰系数为1， 故U10VV.UUap1142 峰峰值值，测

15、测得得的的是是任任意意波波形形的的（单单）峰峰值值电电压压表表高高频频交交流流电电压压表表效效值值测测得得的的是是任任意意波波形形的的有有有有效效值值电电压压表表均均值值测测得得的的为为任任意意波波形形的的平平（全全波波整整流流）均均值值电电压压表表低低频频交交流流电电压压表表交交流流电电压压表表以以下下的的低低频频）；要要求求不不高高的的几几十十万万用用表表（工工频频模模拟拟式式、数数字字式式直直流流电电压压表表:U:KHzHz)(50ppppppUU;UUUU;UUUU;UU 方方波波：三三角角波波：正正弦弦波波：2322 一、概述数字式仪表显得格外精巧、轻便。它具有以下模拟式仪表所不能比

16、较的优点。 (1)准确度高 (2)数字显示,丈量结果以十进制数字显示， (3)输入阻抗高。普通的数字电压表(DVM)为 10M 左右，高的可超越1 000M (4)丈量速度快，自动化程度高 (5)功能多样。如今的数字式仪表普通都具有多种功能，这种仪表称为数字多用表二、数字式电压表(DVM)的组成原理 1直流数字式电压表 1.直流数字电压表的组成组成框图。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Vx组成框图包括模拟和数字两部分。输入电路：对输入电压衰减/放大、变换等。中心部件是A/D转换器Ana

17、log to Digital Converter，简称ADC，实现模拟电压到数字量的转换。数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。逻辑控制电路：在一致时钟作用下，完成内部电路的协调有序任务。2数字多用表(DMM)在数字直流电压表前端配接相应的交流-直流转换器(AC/DC)、电流-电压转换电路(I/V) 、电阻-电压转换电路(/V)等，就构成了数字多用表，如图7.7-2所示。可以看出，数字式多用表的中心是数字直流电压表。 三、DVM的主要类型 除了将DVM分成直流DVM和交流DVM外，还可以根据AD变换的根本原理进展分类。 比较型AD转换器是采用将输入模拟电压与离散规范电压相比较的方法，典型的是具

18、有闭环反响系统的逐次比较式。 积分型AD转换器是一种间接转换方式。它对输入模拟电压进展积分并转换成中间量 时间T或频率F，再经过计数器等将中间量转换成数字量。 比较型和积分型是AD变换的根本类型。 复合型DVM是将积分型与比较型结合起来的一种类型。四、逐次比较型DVM逐次比较也叫逐次逼近,这种DVM的中心是逐次比较式AD变换器。逐次比较型DVM原理框图如下: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 N五、DVM的技术目的1丈量范围 包括显示位数、量程划分和超量程才干，还可包括量程的选择方式是手动、自动或远控等。 2. 分辨力 指DVM可以显示被测电压的最小变