电子测量技术第四章课件

1、二：电压测量的特点(1) 频率范围宽。(2) 测量范围宽。(3) 电压波形的多样化。(4) 要求有足够高的输入阻抗。(5) 要求有足够高的测量准确度。(6) 要求有高的测量速度。(7) 要求有高的抗干扰性能。按对象：直流电压测量；交流电压测量按技术：模拟测量；数字测量模拟式电压表 一般是指“指针式电压表”，它把被测电压加到磁电式电流表，转换成指针偏转角度的大小来度量。包括模拟万用表和电子电压表。另一种模拟测量是把被测量电压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。三、电压测量方法分类四、 电压标准

2、 1、 直流电压标准标准电池（实物基准， 10-6）；齐纳管电压标准 （固态标准， 10-6 ）；约瑟夫森量子电压基准 （量子化自然基准，10-10）2、 交流电压标准 原理 由直流电压标准建立。因而，需经过交流-直流变换。 测热电阻桥式高频电压标准有效值电压(电平)表本章使用的主要仪器超高频毫伏表视频毫伏表台式数字多用表4.2 直流电压的测量一、普通直流电压表图4-1 普通直流电压表电路电压表内阻串接3个电阻后除了最小电压量程U0=ImRe 外， 又增加了U1、U2、U3三个量程动圈式直流电压表优点：结构简单， 使用方便， 缺点：误差较大（输入阻抗低）。例如用普通直流电压表测量高输出电阻电路

3、直流电压RV越小， 越大式中,K=U2/U1。为了消除负载影响1、 可使用两个不同量程挡U1、U2进行测量。 将电压表的两次读数值U01、U02代入下式， 可计算出被测电压的近似值2、采用直流电子电压表二、直流电子电压表图4-3 电子电压表组成原理框图跟随器，直流放大器构成和分压电路的作用？三、直流数字电压表图4-5 直流数字电压表基本结构框图A/D转换器是直流数字电压表的核心电路。4-3、交流电压的模拟测量方法交流电压测量的核心是AC/DC变换，此部分是带共性的，即模拟式和数字式交流电压表都必须完成这一变换过程。模拟式电压表分类先检波，后放大先放大，后检波模拟电压表的交流电压测量原理：交流电

4、压-直流电流（有效值、峰值和平均值） -驱动表头-指示。交流电压-有效值、峰值和平均值的转换，称为 AC-DC转换。由不同的检波电路实现。一、交流电压值的表示方法2、平均值交流信号检波（整流）后的平均值1、峰值:以零电平为参考的最大电压幅度，UP3、有效值表征交流电压的参数有：根据检波方式的不同，有三种电压表。均值峰值有效值峰值电压表均值电压表有效值电压表模拟式电压表4、两个概念波形因数KF波峰因数KP该交流电压的有效值与平均值之比该交流电压的峰值与有效值之比 不同的电压波形，其KF、KP亦不相同。 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

5、1.572UP/UP3全波整流1.111.414UP/UP4三角波1.151.73UP/UP/25锯齿波1.151.73UP/UP/6方波11UPUP7白噪声1.253UPUP2121313.751、峰值检波式电压表电路形式步进分压器斩波式直流放大器峰值检波器（探头）先检波、后放大高频电压测量时误差较小二、交流电压的模拟测量方法检波电路形式二极管峰值检波电路（a.串联式,b.并联式,c.波形）检波-放大式电压表主要指标：常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表” 如国产DA36型超高频毫伏表，频率范围为10kHz1000MHz，电压范围（不加分压器）1mV10V。 国产HFJ-8型高频毫伏表（调制

6、式），最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。 刻度特性=I0Vp表头的刻度：以正弦有效值刻度。=V（正弦波有效值）波峰因数：=V=Vp/1.414=0.707Vp测量任意波形（正弦波除外）,其读数没有直接意义例4-1用一块峰值电压表测量一个三角波电压，读数为10 V ，问该方波电压的有效值为多少？解：被测三角波电压的峰值为三角波电压的波峰因数故(若不换算)波形误差为：例:已知三角波,Vp=5V, 用Vp电压表,求 和V(为sint的有效值)2、均值电压表（“宽频毫伏表”或“视频毫伏表”） 电路形式输入宽带放大器检波A先放大、后检波大信号检波时线性较好，波形误差较小常由二极管桥式整流（全波

7、整流和半波整流）电路完成检波以全波整流电路为例，I0的平均值为检波电路形式刻度特性=I 0 ，与波形无关表头的刻度：以正弦有效值刻度。=V（正弦波有效值）波形因数：第五章 电压测量技术例4-2：用一块平均值电压表测量一个三角波电压，读数为1 V ，问该三角波电压的有效值为多少？解：三角波的均值为三角波的波形因数故 若用均值电压表,求例:已知三角波,Vp=5V, 用Vp电压表,求 和V(为sint的有效值)3、有效值电压表检波三种方法：1、热电变换2、模拟计算电路：（1）直流变换的原理 ：热端、：冷端3、数字采样式 CD和CE为两种不同材料制作两热电偶受T的影响将相互抵消,提高热稳定性。以DA-

8、24型为例平衡热偶的作用：使表头刻度线形化，并提高热稳定性。热偶式电压表缺点：具有热惯性，过载能力差，易烧毁。（2）、利用模拟运算的集成电路检波单片集成TRMS/DC电路，如AD536AK等模拟乘法器积分器开方波形误差的比较峰值电压表对被测信号波形的谐波失真所引起的波形误差非常敏感，故不能测量失真波形的电压。 均值电压表测量含有谐波成分的失真正弦电压的有效值时有如下结论：1、误差与谐波幅度及初相角有关，当初相角为00或1800时误差最大。2、二次谐波误差比三次谐波要小，推广到一般，奇次谐波比偶次谐波影响大。3、均值表波形误差与峰值检波相比较小。有效值电压表测量非正弦波时理论上不会产生波形误差，

9、实际上由于以下两个原因使产生读数偏低的误差。1、电压表线形工作范围的限制。2、电压表带宽的限制。电压表的比较峰值电压表检波-放大式。峰值响应、频率范围较宽（达1000MHz）但灵敏度低（mV级）。改进：“调制式电压表”，采用高增益低漂移的调制式直流放大器，使测量灵敏度大为提高，从mV级提高到几十V 。读数需换算需注意：测量波峰因数大的非正弦波时，由于削波可能产生误差。 均值电压表放大-检波式。均值响应，灵敏度比峰值表有所提高，但频率范围较小（10MHz），主要用于低频和视频场合。读数需换算：有效值电压表可以直接读出有效值，非常方便。由于削波和带宽限制，将可能损失一部分被测信号的有效值，带来负的

10、测量误差。 结构较为复杂，价格较贵。以分贝表示：2、电压之比的对数取对数4.4 电平表1、功率之比的对数声学中，分贝是表示音量强弱的一个单位。通信系统中，也常用分贝表示电平或功率。一、分贝的定义电压电平:功率电平：3、绝对电平取基准量P0=1mW（或1W） ，若P2= P0取基准量V0=0.775V（或1V,1微伏），若V2=V0和 之间可换算或查表二、电平的测量实质：均值电压表表头刻度为dB，可以是dBu（测量电压电平）或dBm（测量功率电平），也可以是两者兼容。刻度不均匀通常指测绝对电平1、宽频电平表选取Rx=600欧作为零刻度基准阻抗电压电平=衰减器读数表头读数 (量程值)（2）、功率电

11、平测量：功率电平=（1）、电压电平测量：此时表头的功率电平刻度与电压电平刻度一致2、外差式选频电平表 原理外差式接收原理。组成：外差式接收机宽频电平表特点大大提高灵敏度（可达-120dB，相当于0.775V）。常称为“高频微伏表” 。如DW-1型，频率范围为100kHz300MHz，最小量程15V 。 应用小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。放大器谐波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。一、概述关键：A/D变换4-5、电压测量的数字化方法数字电压表的组成框图非积分式逐次逼近式比较式斜坡电压式代表:代表:线性斜坡式阶梯斜坡式积分式代表:双斜式多斜式根据A/D变换的不同方法分类：

12、积分式非积分式二、非积分式DVM1、逐次逼近式原理：与天平称重相似砝码待测W/2W/4W/8W/16原则：大者弃，小者留钟脉冲起始脉冲逐次逼近寄存器SAR显示器译码器比较器D/A变换器VrefVfMSB2-12-2例:三位二进制,Vr=5V,Vx=4VSAR输出顺序D/A送出比较比较器输出结果1100Vr/2=2.52.50保留2110Vr/2+Vr/22=3.753.750保留3111Vr/2+Vr/22+Vr/23=4.3754.3754Vo0舍弃0000000110 经过译码显示3.75VSAR的最后输出即是A/D转换结果，用数字量N表示。逐次逼近比较式A/D变换过程最后的D/A转换器输

13、出已最大限度逼近了Vx，且有常见的单片集成逐次比较式ADC有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等NA/D转换结果的数字量，nA/D位数，Vr参考电压，VxA/D输入电压上式还可写成： Vx=eN 其中e =Vr/2n称为A/D转换器的刻度系数，单位为“V/字”， 表示了A/D转换器的分辨力逐次逼近比较式存在量化误差.结论:其准确度由基准电压、D/A变换器、比较器的漂移所决定。变换时间与输入电压大小无关，仅由它的数码的位数（比特数）和钟频决定。逐次逼近比较式的A/D变换能兼顾速度和精度和成本三个方面的要求。由于测量值对应于瞬时值，而不是平均值，所以抗串模干扰能力差

14、。2、斜坡电压式DVM原理框图特点、应用:1、线路简单，成本低。2、转换速度较慢3、抗干扰能力差，多在早期DVM中采用波形图【例4-3】 某斜波式DVM， 4位数字读出，已知基本量程为10 V， 斜坡发生器的斜率为10 V/50 ms。试计算时钟信号频率， 若计数值N6223， 则被测电压值是多少？ 解：时钟信号频率为现若计数值N6223， 则门控时间又由斜率k10 V/50 ms，即可得被测电压为1、双斜式积分(双积分式)DVM（1）、简化组成方框图V-T变换特点:在一次测量过程中，用同一积分器先后进行两次积分。三、积分式A/D逻辑控制电路十进计数器主门A1A2-+-+c积分器比较器时钟Vo

15、-VxVrefs1s212t1VxVxVoVomVomT1T2T2（2）、工作（二次积分）过程：首先：对VX定时积分其次：对Vr定值积分比较（属于VT变换）1、无干扰时2、有串模干扰Vsm时则：定时积分结论：平均值减少了影响在T1内：（1）（3）、基本关系式t1VxVxVoVomVomT1T2T2定值反向积分在T2内：将（1）式代入（2）式，有（2）t1VxVxV0VomVomT1T2T2将V转化为T（时间间隔）来测量讨论：优点：a、b、与RC无关（积分元件），对RC的准确度要求下降。c、Vx与 T2/T1有关，而不决定于T1和T2本身的大小，由于T1和T2采用同一个时钟源提供时钟脉冲计数，故

16、对fosc要求降低。d、抗干扰能力强例如：当当则Vx=2V。:为A/D转换器的刻度系数（“V/字”）缺点：a、测量速度低。b、量化误差影响C、积分器非线性带来误差2、三斜积分式ADC（1）基本原理：三次积分过程。在双斜积分式ADC基础上，为进一步提高ADC的分辨力而设计的将双斜积分式ADC的第二次积分过程，分解为两次，使积分器输出即将到达零点时，加长积分过程（缓慢积分），以降低对比较器的分辨力和带宽要求。组成：包括积分器、2个比较器、2个计数器及逻辑控制电路。复零阶段定时积分斜率大大降低了（2）工作过程当积分完成时，有考虑到， (其中T0为时钟周期)则式中， 为刻度系数（V/字）；而 即为A/

17、D转换结果的数字量（由计数器A和计数器B的计数值N2和N3加权得到）。四、 电压测量的常用技术指标1、被测电压的电压幅度、频率范围量程：基本量程：A/D变换器的电压范围通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展其他量程如：基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五档量程；基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五档量程。2、DVM的显示位数1.9992.000档19.99910.00档4位9.99910.00档表示显示档位3、超量程能力：最大计数可超过量程。 完整显示位 09十位1/2位，指的是最高位只能

18、取“1”或“0”；以及“0”到“4”5.000档4.9995、测量速度：取决于A/D变换器的变换速度。4、分辨力：DVM能够显示出的VX的最小变化值。200mV档：最大显示199.9mV，最大分辨力0.1mV即显示器末位跳动一个数字所需的电压值不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小量程上具有最高分辨力。一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒几十次/秒固有误差表达式：6、测量误差（不确定度）组成：固有误差+附加误差（温度等）。 误差的相对项系数； 误差的固定项系数；U x 被测电压读数；U m 该量程的满度值。固有误差由两部分构成：读数误差： 与当前读数有关。 满度误差： 与

19、当前读数无关，只与选用的量程有关示值（读数）相对误差为：有时将 等效为“n字”的电压量表示，即例如：某台4位半DVM，说明书给出基本量程为2V，=（0.01%读数+1字）则在2V量程上，1字=0.1mV，由 2V=0.1mV 可知，=0.005% 式中“n字”的满度误差项与“ Vm”的表示是完全等价的为减小满度误差的影响，应合理选择量程，以使被测量大于满量程的2/3以上【例4-4】 用某位DVM测量1.5 V的电压， 分别用2 V挡和200 V挡测量， 已知2 V挡和200 V挡固有误差分别为(0.025Ux1字)和(0.03Ux1字)。 试问两种情况下由固有误差引起的测量误差各为多少？解：

20、该DVM为四位半显示， 最大显示为19 999， 所以2 V挡和200 V挡1个字分别代表和用2 V挡测量的示值相对误差为用200 V挡测量的示值相对误差为7、输入阻抗及输入零电流输入等效电路：Rs为Vx的等效内阻，Ri为等效输入电阻I0为输入零电流。典型DVM的输入放大器的输入电阻为1000M(接入分压器时输入电阻为10M),输入零电流约为0.5nA。 （1）串模干扰和串模抑制比：措施：a、输入端设置滤波器；b、A/D转换原理上采用双积分式消除。串模干扰定义：指干扰源以串联形式与被测电压一起叠加到DVM输入端。Vsm来源：稳压电源的纹波电压，外界大的用电器强磁场穿过测量电路产生的感应电势。8、抗干扰能力VsmVxRl1Rl2Zi高端低端DVM衡量DVM对串模干扰的抑制能力：串模干扰电压峰值由Vsm造成的最大显示误差SMR越大，DVM抗干扰能力越强。一般DVM的串模抑制比为（5090）dB。结论（1）低频干扰影响大（2）（3）当T=nTSm，干扰信号被完全平均掉用平均法抑制正弦串模干扰，得（2）共模干扰和共模抑制比：共模干扰定义：通过环路地电流对两根测试线都产生影响的干扰。被测信号源地线