电子测量4第1部分汇编

1、第4章 电压(diny)的测量内容提要(ni rn t yo)： 分析电压信号的特点、交流电压信号的表征形式和表征量值的相互转换；介绍直流电压、交流电压和电平的测量方案；对常用的模拟直流电压表、交流电压表、电子电压表的构成和工作原理进行分析；并介绍基于电压测量的其它参数的测量方法。共四十六页了解电压信号的特点；掌握交流电压信号的表征形式和表征量值的相互转换；掌握电压测量仪器的工作(gngzu)原理，能提出电压测量系统方案。交流电压信号(xnho)的表征形式和表征量值的相互转换。 重点：难点：共四十六页本章使用的主要(zhyo)仪器 模拟(mn)万用表 数字万用表共四十六页有效值数字(shz)万

2、用表 图形万用表 多重显示数字(shz)多用表 共四十六页台式数字(shz)多用表共四十六页有效值电压(diny)(电平)表共四十六页超高频毫伏表共四十六页视频(shpn)毫伏表共四十六页 电压是最常用的表征电信号能量大小的基本参数。 电路中电流的状态可用电压形式来描述；电参数也可视为电压的派生量；许多(xdu)电子测量仪器都用电压量作指示。因此，电压测量是其他许多(xdu)电参数量，也包括非电参数量测量的基础，是相当重要和相当普及的一种参数测量。4.1 概述(i sh)共四十六页电压主要具有(jyu)以下几个特征： 量值的范围宽 波形的多样化 频率各不相同 不同端点的输出阻抗不同 电压成分多

3、样化常见的波形如图4.1所示。1.电压(diny)的主要特征共四十六页共四十六页 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(fngsh)来表示。 峰值的基本概念 交流电压的峰值，是指交流电压 u (t) 在一个周期内（或一段观察时间内）电压所达到的最大值。用（或Up）表示。 平均值的基本概念 平均值一般用 表示， 在数学上定义为 (4-1)2.交流(jioli)电压的量值表示共四十六页式中 T 被测信号的周期； u (t)被测信号，为时间的函数。 对于一个纯粹的交流电压，正半周和负半周完全相同中， 等于零。此时，无法用平均值来表征电压的大小(dxio)。 交流电压的测量中，交流电

4、压的平均值是指经过测量仪器的检波器后的全波平均值。定义为 (4-2)共四十六页 有效值的基本概念 交流电压的有效值是指均方根值 （rms)，用U或Urms表示。它的数学表示式为 U = (4-3) 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(fzi)中所产生的热能如果与一个直流电压在同样的电阻负载(fzi)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，都是用正弦有效值来刻度的。共四十六页0.7070.637图4.2 正弦波参数(cnsh)表示图共四十六页波形因数KF电压的有效值与平均值之比称为波形因数KF，即 (4-4)

5、波峰因数KP交流(jioli)电压的峰值与有效值之比称为波峰因数KP，即 (4-4) 表4.1为几种典型的交流电压波形的参数。 3.交流电压(diny)量值的相互转换共四十六页 序号 名称波形因数 KF波峰因数KP有效值平均值1正弦波1.111.414UP/UP2半波整流1.472UP/UP3全波整流1.111.414UP/UP4三角波1.141.73UP/UP/24锯齿波1.141.73UP/UP/6方波11UPUP7白噪声1.243UPUP2121313.74表4.1 几种典型的交流(jioli)电压波形的参数共四十六页4.常用(chn yn)电压测量仪器模拟式电压表 一般是指“指针式电压

6、(diny)表”，它把被测电压(diny)加到磁电式电流表，转换成指针偏转角度的大小来度量。包括模拟万用表和电子电压(diny)表。另一种模拟测量是把被测量电压(diny)变换成图形高度来测量的仪表，如示波器等。数字式电压表指把被测电压的数值通过数字技术，变换成数字量，然后用数码管以十进制数字显示被测量电压值。共四十六页4.2 模拟式电压表4.2.1 简单(jindn)模拟直流电压表1.单量程(lingchng)电压表电路如图4.3所示。图中RV分压电阻，阻值为 RV(UIg R g) / Ig (4-6)式中 RV 串接的分压电阻； Ig 磁电式表头流过的电流； R g 磁电式表头内阻。 共

7、四十六页图4.3 单量程(lingchng)直流电压表原理图图4.4 多量程(lingchng)直流电压表原理图共四十六页2.多量程(lingchng)电压表图4.4所示为四量程的直流电压表。分压电阻(dinz)分别以下式计算。RV1= RV2 (4-7) RV3 RV4 U1 I g R gI gU2 U1I gU3 - U2I gU4 - U3I g式中 U1、U2、U3、U4 各量程的满量程电压。共四十六页4.2.2 简单模拟(mn)交流电压表 模拟式交流(jioli)电压表使用时应注意：（1）交流电压灵敏度低于直流电压灵敏度，所以测量交流电压的误差大于测量直流电压的误差。（2）表盘上表

8、针的偏转角度近似于交流电压的半波（或全波）整流电压平均值，但表盘上刻度是按正弦有效值刻度的。（3）模拟万用表测量交流电压的频率范围在44Hz100Hz。（4）一般在交流电压低量程档刻度是非线性的，因此，交流电压10V档单独刻度。共四十六页4.3 电子(dinz)电压表 电子电压表在万用表的基础上加上放大环节，把微弱(wiru)的被测电压加以放大，然后再利用磁电式表头进行测量的仪表。4.3.1 概述1.电子电压表的结构 电子电压表一般由分压器、磁电式指示表头、检波器、放大器和整机电源等五部分组成。按检波器在放大器之前或之后，电子电压表有两种组成形式，即放大-检波式和检波-放大式。共四十六页放大(

9、fngd)-检波式 （ 如图4.4所示。） 放大-检波式的通频带一般为2Hz10MHz，测量(cling)的最小幅值为几百微伏或几毫伏，因此一般称为低频毫伏表。图4.4 放大-检波式电压表组成框图被测信号共四十六页检波(jinb)-放大式（如图4.6所示。） 这种方案的主要特点是被测信号先检波后放大，其带宽(di kun)可很宽，上限频率可达1000 MHz，故有超高频毫伏表之称。图4.6 检波-放大式电压表组成框图被测信号共四十六页2. 电子(dinz)电压表的性能指标（1）工作频率范围 指电子电压表按规定的准确度进行(jnxng)测量的的电压范围。（2）灵敏度和量程 量程是指电子电压表可以

10、测量的电压范围；灵敏度则是指量程的下限。（3）准确度和工作误差 电子电压表的准确度通常由基本误差、频率附加误差、温度附加误差等系统误差来表征。（4）输入阻抗 指输入电阻R i和输入电容C i的并联值。共四十六页4.3.2 电子(dinz)电压表的分压器1. 可变分压器 可变分压器的电路(dinl)如图4.7所示。这种分压器也常称为低阻分压器。图4.7 可变分压器的电路共四十六页 图4.8所示为补偿(bchng)式分压器，也称作高阻分压器。2. 补偿(bchng)式分压器图4.8 补偿式分压器的电路共四十六页 补偿式分压器的分压比为输出电压u 0与输入电压u i之比，也等于R1C1的并联阻抗Z1

11、与R2C2的并联阻抗Z2的阻抗比。即 当 ，即R1C1=R2C2时。输出响应为临界(ln ji)补偿状态，如4.9（a）所示。当 ，即R1C1R2C2时。输出响应(xingyng)为过补偿状态，如4.9（c）所示。图4.9 不同(b tn)补偿时的波形图共四十六页4.3.3 电子(dinz)电压表的检波器1. 峰值检波器 峰值检波器检波后的直流电压 UDC正比于输入(shr)的交流电压的峰值。 图4.10峰值检波器电路12DRC+-Ui工作原理 实现峰值检波的基本电路如图4.10所示。波形如图4.11所示。共四十六页图4.11 峰值检波的波形图共四十六页刻度特性 峰值检波器检波后的直流电压 U

12、DC正比于被测电压的峰值UP 。而一般情况下，峰值电压表的读数刻度是按正弦(zhngxin)波的有效值刻度的，即表头上的读数 正比于被测正弦(zhngxin)信号的有效值。所以，采用峰值检波器的电压表进行测量时，读出的数据已通过一个因数K P 进行正弦波峰值有效值的变换。 共四十六页式中 电压表读数； U 正弦电压有效值； K P 正弦电压的波峰因数。同理，当用峰值电压表测量非正弦波电压时，读数 更是没有直接意义，把读数值乘以 K P 等于(dngy)被测电压与正弦波对应的峰值。按“峰值相等则读数相等”的原则，再经过波形换算可求得被测波形的实际值。(4-10) 共四十六页2.均值(jn zh)

13、检波器 均值检波器是对放大(fngd)后的被测电压 u x进行检波，使检波后的直流电压UDC正比于输入交流电压的平均值。工作原理 实现均值检波的基本电路如图4.12所示。D2D4D1D3图4.12 均值检波器的电路共四十六页 设输入(shr)电压为U x (t) ，D1D4具有相同的正向电阻Rd、相同的反向电阻为 R r，微安表内阻r m。于是正向平均电流为反向平均电流则为流过微安表为(4-11)共四十六页 通常(tngchng)，Rd为100400，r m为14k， Rr300400k，故式（4-8）可简化为 (4-12)2Rd + r m刻度特性 均值检波后的直流电压 UDC是正比于被测电

14、压的平均值 U的。而一般情况下，均值电压表的读数刻度也是按正弦波有效值刻度的，即表头上的读数 正比于被测正弦信号(xnho)的有效值。所以，采用均值检波器的电压表进行刻度时，应通过一个因数 KF进行变换。 共四十六页 = U = K F (4-14)式中 电压表读数； U 正弦电压有效值； K F 正弦电压的波形因数。 与峰值电压表一样，只有测量正弦电压时，从电表上读得的数值才有实际意义。 当用均值电压表测量非正弦波电压时，读数 没有直接意义，只有把读数值除以 K F才等于被测电压 u x的平均值 U。要求(yoqi)被测电压的有效值，须经过波形换算，按“平均值相等则读数相等”的原则。共四十六

15、页3. 有效值-直流变换(binhun)电路有效值直流变换电路(dinl)有分段逼近式检波器、热电偶式变换电路和模拟计算式变换电路。（1）分段逼近式检波器 采用二极管的链式电路，适当选择直流电源和分压电阻值，使二极管轮流导通，获得近似平方律的伏安特性。共四十六页（2）热电偶式变换电路 有效值直流变换电路是根据热电变换原理来完成交流(jioli)电压有效值到直流电流之间变换的。（3）模拟计算变换式 即利用集成乘法器、积分器和开方器等计算电路，按公式(gngsh) ，直接完成有效值的运算。共四十六页共四十六页例3.2.1用平均值表（全波式）分别测量方波及三角(snjio)波电压，电压表均指在10V

16、位置，问被测电压的有效值分别是多少？对于方波，先将示值（10V）折算成正弦波的平均值再用波形系数(xsh)换算成有效值。对于三角波，因示值与方波相同，表明它的平均值也是9V,有效值共四十六页（1）输入阻抗高，可达数兆欧姆，工作频率宽，高频可达数百MHz以上，低频小于10KHz。（2）读数按正弦有效值刻度，只有测量正弦电压时，其有效值才是被测波形得真正有效值。测量非正弦电压时，其有效值必须通过波形换算获得。（3）波形误差大。（4）读数刻度不均匀(jnyn)，因为它是在小信号时进行检波。4.3.5 三种检波(jinb)方式电压表的比较1. 峰值电压表共四十六页2. 均值(jn zh)电压表（1）均

17、值检波器的输入阻抗低，必须采用过阻抗变换来提高电压表的输入阻抗。工作频率一般(ybn)为20Hz1MHz。（2）读数是按正弦波有效值刻度，只有测量正弦电压时，读数才正确，若测量非正弦电压，也要进行波形换算。（3）波形误差相对不大。（4）因为是对大信号进行检波，读数刻度均匀。共四十六页3. 有效值电压表（1）读数是按正弦电压有效值刻度，测量正弦波或非正弦电压的有效值，可直接从表上读数，无需换算。（2）输入阻抗高，工作频率在峰值(fn zh)与均值电压表之间。高频可达几十MHz ，低频小于40Hz 。共四十六页内容摘要第4章 电压的测量(cling)。不同端点的输出阻抗不同。一般是指“指针式电压表”，它把被测电压加到磁电式电流表，转换成指针偏转角