第3章模拟测量方法

1、第三章第三章 模拟测量方法模拟测量方法 本章要点：本章要点： 对电压测量的要求和分类对电压测量的要求和分类 模拟式交流电压的测量模拟式交流电压的测量 脉冲、噪声电压的测量脉冲、噪声电压的测量 分贝的测量分贝的测量3.1 电压测量概述电压测量概述3.1.1 电压测量的重要性电压测量的重要性电压是电子测量的一个主要参数。电压是电子测量的一个主要参数。电参量的基础：电参量的基础：U=IR I=U/R R=U/I P=IU=U2/R=I2R电压的派生量，例如，调幅度，波形的非线性失真系数等等。电压的派生量，例如，调幅度，波形的非线性失真系数等等。在非电量测量中，大多数物理量（如温度、压力、振动、速度在

2、非电量测量中，大多数物理量（如温度、压力、振动、速度等）的传感器大多是电压作输出的。等）的传感器大多是电压作输出的。因此，因此，电压测量是电压测量是其它许多其它许多电参量、非电参数测量的基础。电参量、非电参数测量的基础。3.1.2 对电压测量的基本要求对电压测量的基本要求1. 应有足够宽的电压测量范围应有足够宽的电压测量范围nV VmVVkV 2. 应有足够宽的频率范围应有足够宽的频率范围交流电压的频率范围约从几交流电压的频率范围约从几Hz到几百到几百MHz，甚至达，甚至达GHz量级。量级。目前，模拟电压表可测量的频率范围要比数字表高得多。目前，模拟电压表可测量的频率范围要比数字表高得多。例如

3、，例如，92C型模拟射频电压表频率上限达型模拟射频电压表频率上限达1.2GHz，而，而DP100型数字多用表只能达型数字多用表只能达25MHz。3. 应有足够小的测量不确定度（足够高的测量准确度）应有足够小的测量不确定度（足够高的测量准确度）即可达即可达10-6微伏量级微伏量级 4. 应有足够高的输入阻抗应有足够高的输入阻抗5. 应具有高的抗干扰能力应具有高的抗干扰能力3.1.3 电压测量仪器的分类电压测量仪器的分类1. 模拟式电压表模拟式电压表指针式电压表：用磁电式电流表作为指示器指针式电压表：用磁电式电流表作为指示器模拟示波器：模拟示波器： 刻度比较刻度比较 2. 数字式电压表数字式电压表

4、经经A/D将模拟信号转换为数字信号将模拟信号转换为数字信号 各有千秋各有千秋 模拟表模拟表-驾驶台仪表多，一目了然；高频电压表驾驶台仪表多，一目了然；高频电压表高频时不亚于数字电压表高频时不亚于数字电压表 数字表数字表-精度高，输入阻抗高，便于与计算机联接精度高，输入阻抗高，便于与计算机联接3.2 交流电压的测量交流电压的测量3.2.1 交流电压的表征交流电压的表征交流电压可以用交流电压可以用峰值峰值、平均值平均值、有效值有效值、波形系数以及波峰系、波形系数以及波峰系数来表征。数来表征。数学定义：均方根值数学定义：均方根值物理定义：能量等效物理定义：能量等效01( )Tutd tTt tU U

5、U UP PU UP Pt tU U峰值峰值平均值平均值直接平均为零；直接平均为零；半波均值半波均值全波均值全波均值t tU U有效值有效值U U201( )Tu t dtT图图3.9 3.9 交流电压的峰值交流电压的峰值u u( (t t) )u u( (t t) )t tt t0 00 0U U0 0U U0 0U Umm+ +（a a）（b b）U Up p+ +U Up_p_U Um-m-U UPPPPU Umm- -UUU Umm+ +峰峰值峰峰值峰值峰值t t0 00 0U全波平均值全波平均值t t0 012U正半波平均值正半波平均值t t12U负半波平均值负半波平均值通常，在未特

6、别注明通常，在未特别注明时，平均值即指全波时，平均值即指全波平均值而言。平均值而言。3. 有效值有效值若某一交流电压若某一交流电压u（t）在一个周期内通过纯阻负载所产生的）在一个周期内通过纯阻负载所产生的热量，与一个直流电压热量，与一个直流电压U在同样情况下产生的热量相等，则在同样情况下产生的热量相等，则U的数值即为的数值即为u(t)的有效值，的有效值，U和和u(t)的数学关系为的数学关系为 TdttuTU02)(1（3.10） 实际中，有效值是最广泛应用的参数。例如，实际中，有效值是最广泛应用的参数。例如，电压表的读数电压表的读数除除特殊情况外，几乎都是特殊情况外，几乎都是按正弦波有效值进行

7、定度的按正弦波有效值进行定度的。有效值获。有效值获得广泛应用的原因，一方面是它得广泛应用的原因，一方面是它直接反应出交流信号能量的大直接反应出交流信号能量的大小，小，这对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度、能量转换等这对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度、能量转换等是十分重要的；另一方面，则是它是十分重要的；另一方面，则是它具有十分简单的叠加性质具有十分简单的叠加性质，计算起来极为方便。计算起来极为方便。 4. 波形因数波形因数交流电压的波形因数的定义为该电压的有效值与平均值之比，交流电压的波形因数的定义为该电压的有效值与平均值之比，即即UUKF（3.11） 5. 波峰因数波峰因数 交流电压的

8、波峰因数的定义为该电压的峰值与其有效值之比，交流电压的波峰因数的定义为该电压的峰值与其有效值之比，即即 UUKPP（3.12） 414. 12 73. 13 正弦波正弦波三角波三角波方方 波波波形因数波形因数K KF F1.111.111.151.151 1波峰因数波峰因数K KP P1 1AtAttA正弦波半波整流波AA707. 02AA707. 0211. 122414. 12 2AAA318. 057. 122414. 12 11. 122AA637. 02AA707. 02名名称称波波 形形峰峰值值有效值有效值U U平均值平均值U U波形因数波形因数K KF F波峰因数波峰因数K KP

9、 PA AA AA A全波整流波P67 表表3.2.1 20.637AA3.2.2 交流电压的测量方法交流电压的测量方法 交流电压交流电压直流电压直流电压均值、峰值和有效值均值、峰值和有效值AC/DCAC/DC1.均值电压表均值电压表 1)均值电压表的组成均值电压表的组成 阻抗阻抗变换器变换器可变量可变量程程衰减器衰减器平均值平均值检波器检波器宽带宽带放大器放大器微安表微安表u u( (t t ) )图图3.11 3.11 均值电压表的一般组成均值电压表的一般组成mVmV量级量级20Hz20Hz10MHz10MHz均值表均值表视频毫伏表视频毫伏表放大放大检波式检波式2)均值检波器均值检波器 1

10、0.318PPUUU20.637PPUUU01sin()2PUUt d t余弦脉冲的直流频率分量余弦脉冲的直流频率分量u ui i( (t t) )C CV VD1D1V VD2D2u ui i( (t t ) )V VD1D1V VD2D2V VD3D3V VD4D4U Ut tt tU UP PU U2对于对于全波均值检波器全波均值检波器： 流过电表的平均电流流过电表的平均电流 mdiTmdirRtudtrRtuTI2)(2)(10与被测电压的平均值与被测电压的平均值成正比，而与波形无成正比，而与波形无关。关。灵敏度灵敏度 mdmdrRUIS212提高灵敏度，就应减小提高灵敏度，就应减小R

11、 Rd d和和r rmm的值，为提高输入阻的值，为提高输入阻抗检波前要加放大器抗检波前要加放大器输入阻抗输入阻抗 mdirRR2823)刻度特性刻度特性(波形换算波形换算) 1.11UKUU角标角标“”表示正弦波表示正弦波（3.17） K定度系数定度系数，或称为，或称为刻度刻度系数。系数。 由于正弦波及有效值的实际意义，电压表的由于正弦波及有效值的实际意义，电压表的读数读数 都用正弦都用正弦有效值进行定度。有效值进行定度。 这里为何等于这里为何等于1.11？对正弦波正好是其波形因数对正弦波正好是其波形因数KF 证明：证明： 2220.911.110.9PUUUUUUU 见见P67 表表3.2.

12、1：KF=1.11 因此因此,均值电压表均值电压表测的平均值测的平均值,读数是正弦波有效值读数是正弦波有效值（假有效值）（假有效值）正弦波正弦波U UP P = = U U2 对于非正弦波，对于非正弦波，KF 1.11，直接读数无物理意义，要通过换，直接读数无物理意义，要通过换算求得有效值。算求得有效值。 例例3.l 用平均值电压表测量一个三角波电压，用平均值电压表测量一个三角波电压，读读得测量值为得测量值为 10V，试求有效值为多少伏？，试求有效值为多少伏？ 解解: 对于均值表，对于均值表， 读数读数 1.11U（3.17）先求出均值，再通）先求出均值，再通过过KF换算成有效值。换算成有效值

13、。 三角波的均值为三角波的均值为 10.9 1091.11xUVV查查 P67 表表3.2.1，得三角波，得三角波KF=l.15，故被测三角波的有效值为，故被测三角波的有效值为 VVVUKUxFx4 .1035.10915. 14) 波形误差波形误差 因读数是按标准无失真正弦波有效值定度的，而实际正弦波因读数是按标准无失真正弦波有效值定度的，而实际正弦波和非正弦波则会有误差。和非正弦波则会有误差。 定义：定义：读数与实际有效值之间的相对误差为波形误差读数与实际有效值之间的相对误差为波形误差 :W%100 xWU（3.20） 用均值电压表测量非正弦波电压时，其读数应作修正。用均值电压表测量非正弦

14、波电压时，其读数应作修正。 0.9xFxFUK UK 将式（将式（ 3.20）代入上式，则有）代入上式，则有 0.9(1 0.9) 100%FWFKK 求例求例3.1中波形误差：三角波中波形误差：三角波KF=1.15 %4%100)035. 11 (%100)9 . 01 (FWK典型产品：典型产品： TH2172TH2172型：频率范围型：频率范围5Hz5Hz2MHz2MHz，测量范围，测量范围 DA16型：频率范围型：频率范围20Hz2MHz，测量范围，测量范围100V300V。最小量程最小量程l mV，误差，误差3%，输入电阻，输入电阻1.5M。 指针式万用表：交流电压测量档采用了半波均

15、值检波器，并以指针式万用表：交流电压测量档采用了半波均值检波器，并以正弦有效值刻度，由于它依据直接测量原理，且灵敏度低，因正弦有效值刻度，由于它依据直接测量原理，且灵敏度低，因此，指针式万用表主要用于工频（此，指针式万用表主要用于工频（ 50Hz）及要求不高的低频）及要求不高的低频（一般为几到几十（一般为几到几十kHz以下）电压的测量中。以下）电压的测量中。 TH2172500型型2. 峰值电压表（峰值电压的测量）峰值电压表（峰值电压的测量） 峰值电压表的工作频率范围宽、输入阻抗较高，有较高的峰值电压表的工作频率范围宽、输入阻抗较高，有较高的灵敏度，但存在非线性失真。灵敏度，但存在非线性失真。

16、 1)峰值电压表组成峰值电压表组成 峰值电压表，简称峰值表，属检波峰值电压表，简称峰值表，属检波放大式电子电压表，又放大式电子电压表，又称为超高频毫伏表。它由峰值检波器（置于机箱外探头中）、称为超高频毫伏表。它由峰值检波器（置于机箱外探头中）、分压器、直流放大器和微安表等组成（置于电压表机箱中），分压器、直流放大器和微安表等组成（置于电压表机箱中），如图如图3.13所示。所示。 图图3.13 3.13 峰值电压表峰值电压表峰值检波器峰值检波器直流放大器直流放大器分压器分压器电压表机箱电压表机箱探头探头2)峰值检波器峰值检波器 R Rs su u( (t t) )V VDDR RL LC C+

17、+图图3.14 3.14 峰值检波器峰值检波器充充放放u u( (t t) )u uc ct tT T最后输出的平均电压迫近峰值最后输出的平均电压迫近峰值放充maxT放 条件条件： 3)刻度特性刻度特性 峰值电压表响应被测电压的峰值峰值电压表响应被测电压的峰值UP，读数读数（峰值表的指示值峰值表的指示值）为为 0.7072PPPUKUU K定度系数，定度系数， 2/2K对正弦波对正弦波读数读数就是有效值就是有效值 2PxPPUUUK非正弦波非正弦波读数读数无物理意义，要通过：无物理意义，要通过： 2PxU求出峰值，再由峰值因数求出峰值，再由峰值因数KP求出有效值求出有效值U 例例3.2 用峰值

18、电压表测量一个三角波电压，读得测量值为用峰值电压表测量一个三角波电压，读得测量值为10V， 试求有效值为多少伏？试求有效值为多少伏？ 解：对于峰值表，读数乘以解：对于峰值表，读数乘以 2在就等于被测电压的峰值。因在就等于被测电压的峰值。因此，三角波的峰值为此，三角波的峰值为 VVUPx14.1410414. 12由表由表3.2.1查得三角波查得三角波 3,PK 故被测三角波的有效值为故被测三角波的有效值为 VVUUPxx2 . 8732. 114.1434)波形误差波形误差 由于峰值电压表的读数没有直接的物理意义，测量非正弦波时，由于峰值电压表的读数没有直接的物理意义，测量非正弦波时， 如果不

19、进行换算，将产生波形误差。其定义为如果不进行换算，将产生波形误差。其定义为 %100UW （3.28） 即即 %100)21 ()1 (PPPWKKK（3.29） 对于例对于例3.2 %18%100)321 ()1 (PPWKK可见，用峰值表测量失真的正弦电压或非正弦电压时，若将读可见，用峰值表测量失真的正弦电压或非正弦电压时，若将读数当成输入电压的有效值，就会产生波形误差。而且，峰值电数当成输入电压的有效值，就会产生波形误差。而且，峰值电压表的波形失真较大。压表的波形失真较大。 超高频毫伏表都是峰值电压表。超高频毫伏表都是峰值电压表。典型产品典型产品DAl型：频率范围型：频率范围10kHz1

20、000MHz，测量范围，测量范围0.3mV3V，误差优于误差优于l%（3mV档）。档）。 HFJ8型频率范围型频率范围5kHz300MHz，测量范围，测量范围lmV3V。HFJ一一8A型频率范围型频率范围5 Hz1GHz，测量范围，测量范围lmV3V，可，可扩展到扩展到300V。HFJ-8B3. 有效值电压表有效值电压表以上均值表、峰值表测的不是有效值，只是按有效值读数，以上均值表、峰值表测的不是有效值，只是按有效值读数，故实为伪有效值。故实为伪有效值。而有效值电压表，直接获得有效值，是真有效值表。而有效值电压表，直接获得有效值，是真有效值表。 原理原理依据有效值的物理定义依据有效值的物理定义

21、-热电偶式热电偶式依据有效值的数学定义依据有效值的数学定义-计算式计算式1)热电偶式：热电偶式： 不同金属界面逸出功不同，不同金属界面逸出功不同，冷、热端形成电位差冷、热端形成电位差 电势电势 E=kU2电势正比输入功率，电势正比输入功率，可作微波功率计。可作微波功率计。 如何直接测电压？如何直接测电压？ 铁铁康铜康铜热电偶热电偶真空真空管管u u( (t t) )R RI IAAE EU U宽放宽放u u( (t t) )10MHz10MHzV VT T2 2E Ef fE E1 1U Uo o+ + +T T1 1+ +- -+ +A A图图3.17 3.17 热偶式有效值电压表热偶式有效

22、值电压表U Ui i电路平衡时电路平衡时22foEk U21iiEkUOiUU典型产品：典型产品：DA30型，频率范围型，频率范围10Hz10MHz，量程范围，量程范围1mV300V 2)计算式计算式 TidtuTU021硬件实现硬件实现-有专用有专用IC，如，如AD637 软件实现软件实现-用计算机完成运算用计算机完成运算 2( )x tu表表3.2 三种电子电压表主要特性比较三种电子电压表主要特性比较 电压电压表表组成原理组成原理主要主要适用场合适用场合实测实测读数读数 读数读数 的物理意义的物理意义对正弦波对正弦波非正弦波非正弦波均值均值放大放大- -均均检检低频信号低频信号视频信号视频

23、信号有效值有效值U U峰值峰值峰检峰检- -放放大大高频信号高频信号峰值峰值U UP P0.707U0.707UP P有效值有效值U UU=UU=UP P/K/KP P有效有效值值热电偶式热电偶式计算式计算式非正弦信非正弦信号号有效值有效值U UU U真有效值真有效值U UU均值均值 U1.11 UU=KF 3.4 电平电平(分贝分贝)的测量的测量 在通信系统传输中，关心传输过程中各部位在通信系统传输中，关心传输过程中各部位幅度的相对变化幅度的相对变化情况。这里幅度统称作情况。这里幅度统称作“电平电平”，它可以是功率、电压或电流，它可以是功率、电压或电流，但大多是指电压电平。但大多是指电压电平。1.分贝的概念分贝的概念分贝值是被测量与同类的某一基准量比值的对数。常用的被分贝值是被测量与同类的某一基准量比值的对数。常用的被测量是功率和电压。对于功率比测量是功率和电压。对于功率比 0lgPPx这是个无量