《电子测量》课件 第六章 电压测量

1、第六章 电压测量 电压测量技术电子测量技术6.1 概 述对电压测量仪器的基本要求 电压表的组成电压表的分类电压表的常用技术指标3 电压测量技术电子测量技术6.1.1 对电压测量仪器的基本要求1. 测量范围宽 2. 频率范围广 3. 测量精度高 4. 输入阻抗高 5. 抗干扰能力强 6. 准确测量各种信号波形 3 电压测量技术电子测量技术6.1.2 电压表的组成电压表：电子电压表（放大、检波） 数字电压表（DVM）多用表：万用表 数字多用表（DMM)3 电压测量技术电子测量技术电子电压表（交流毫伏表） 采用表头指针的偏转来显示被测电压的大小，内部采用了有源器件来构成放大检波电路。 灵敏度高，输入

2、阻抗高，测量频率范围宽。能测量高频的微弱电压。3 电压测量技术电子测量技术 数字多用表（DMM) 采用数字化技术，将模拟的被测电压通过模数转换器变换成离散的数字量，并采用十进制数字显示。 测量精度高，输入阻抗高，抗干扰强，能自动测量等。DMM的组成AC-DCA/D变换计数处理显示 I-V R-V直流电压表直流电压交流电压电流电阻3 电压测量技术电子测量技术6.1.3 电压表的分类1. 按显示技术和方式：模拟表、数字表 2. 按被测对象：直流电压表、交流电压表 3. 按结构体积控制方式 4. 按A/D变换方式：积分式、非积分式 5. 按AC-DC变换方式：均值表、峰值表、有效值表 3 电压测量技

3、术电子测量技术7.按显示结果位数：几位数字电压表8. 专业电压表：矢量电压表、脉冲电压表6. 按放大、检波次序：放大-检波式、检波-放大式 3 电压测量技术电子测量技术6.1.4 电压表的常用技术指标1、电压幅度及频率测量范围2、数字电压表的显示位数（1）显示位数：完整显示位（09） 非完整显示位（半位）例：一台DVM 10.000v量程上最大显示9.999v；4位DVM 无超量程能力 另一台DVM 10.000v量程上最大显示19.999v； 位DVM 超量程能力 一台DVM，2v量程上最大显示1.9999v； 位DVM 5v量程上最大显示4.9999v； 位DVM(2)超量程能力(半位）例

4、：用DVM的10v量程档测10.001v电压， 4 位DVM，10v档最大显示9.999v； 100v档显示10.00v； 位DVM，10v档最大显示19.999v ； 当 时，显示10.001v 超量程： 3 电压测量技术电子测量技术3. 分辨力指数字电压表能够显示的被测电压的最小变化值，即在最小量程时，数字电压表显示值末位跳变1个字所需的最小输入电压值。例如 SX1842DVM， 位，最小量程20mV，最大显示为19.999mV，所以其分辨力为: 0.001mV=1V 4、准确度或不确定度 定性说明测量结果误差的严重程度。常用的两种基本误差表示方法：读数误差满度误差模拟电压表： 数字电压表

5、： 线性刻度： 两项共同表示。 对数刻度： 读数误差：刻度系数、非线性产生的误差。 衰减器的衰减倍数、放大器增益、基准参考电压等； 积分器的非线性，放大器的非线性。满度误差：A/D的量化误差、电压表内部噪声、放大器的失调电压等。 的模反映B类扩展不确定度 例：一台 位DVM，量程2v， 则： 1.99993 电压测量技术电子测量技术指每秒钟能完成的测量次数。测量速率的快慢主要取决于DVM所使用的A/D。6测量速率5. 输入阻抗直流DVM：1010 000 3 电压测量技术电子测量技术6抗干扰能力（1）串模抑制比（2）共模抑制比3 电压测量技术电子测量技术例3.3 用4位DVM测量1.5V电压，

6、分别用2V档和200V档测量。已知2V档和200V档的精度均为 ,求两种情况下测量结果的标准不确定度各为多少？ 解：(1) 用2V档测量1.5V电压时，该数字电压表 的最大允许误差为：1.999V3 电压测量技术电子测量技术 数字电压表最大允许误差引入的B类标准不确定度为：3 电压测量技术电子测量技术（2）用200V档测量1.5V电压时，该数字电压表的 最大允许误差为：最大允许误差引入的B类标准不确定度为：199.9V3 电压测量技术电子测量技术6.2 数字电压表1. 直流数字电压表的组成数字电压表的核心输入 电路A/D 转换器计数器显示 电路Ux控制逻 辑电路译码器3 电压测量技术电子测量技

7、术2. 分类 按A/D转换方法的不同来分类电压反馈型V/F变换式双斜积分式脉冲调宽式直流数字电压表非积分式积分式复合式逐次逼近比较式斜坡电压式比较式线性斜坡式阶梯斜坡式V/F变换式V/T变换式积分斜坡式、两次取样式3 电压测量技术电子测量技术D/A 转换器 时序脉冲发生器 基准源 数码 寄存器 译码器 1 2 n （MSB） （LSB） Uref U Uo Ux 时钟脉冲 + + 比较器 A 显示器 最高位 最低位 3. 逐次逼近比较式数字电压表(1) 组成3 电压测量技术电子测量技术3. 逐次逼近比较式数字电压表(1) 组成（ai=1或 ai=0） D/A 转换器 时序脉冲发生器 基准源 数

8、码 寄存器 译码器 1 2 n Uref U Uo Ux 时钟脉冲 + + 比较器 A 显示器 二进制数字量 模拟电压 将二进制的数字量转换成模拟电压量。3 电压测量技术电子测量技术3. 逐次逼近比较式数字电压表(1) 组成D/A 转换器 时序脉冲发生器 基准源 数码 寄存器 译码器 1 2 n Uref U Uo Ux 时钟脉冲 + + 比较器 A 显示器 采用高灵敏度的差值放大器，完成输入端两电压的比较运算。Uo Ux Uo Ux 低 高 3 电压测量技术电子测量技术3. 逐次逼近比较式数字电压表(1) 组成D/A 转换器 时序脉冲发生器 基准源 数码 寄存器 译码器 1 2 n Uref

9、 U Uo Ux 时钟脉冲 + + 比较器 A 显示器 许多逻辑部件和控制电路决定整个仪表的逻辑程序、测量速度和显示。优点：变换速度快。缺点：抗干扰性差。3 电压测量技术电子测量技术4. 双斜积分式数字电压表(1) 组成逻辑控制闸门计数器译码器显示器时钟脉冲积分器R UoUc比较器C 电子开关UxS1S2S3S4-Uref+UrefUi-+A1+-A23 电压测量技术电子测量技术4. 双斜积分式数字电压表(1) 组成逻辑控制闸门计数器译码器显示器时钟脉冲积分器R UoUc比较器C 电子开关UxS1S2S3S4-Uref+UrefUi-+A1+-A23 电压测量技术电子测量技术抗干扰能力强。对积

10、分元件和时标信号的精度、稳定性要求低。还可实现两电压间的除法运算。测量速度低。(4) 特点3 电压测量技术电子测量技术5、数字多用表 输入 AC/DC 变换器 直流数字电压表 I/U 变换器 UDC R/U 变换器 UAC I R 3 电压测量技术电子测量技术6.3 交流电压的测量（电子电压表） 6.3.1 交流电压的表征 平均值是指周期信号的直流分量。1. 平均值 在电子测量中，平均值通常是指交流电压经检波后的平均值，若不特别说明，通常指全波平均值。 3 电压测量技术电子测量技术全波平均值： 全波平均值0v(t)t0TTtv(t)3 电压测量技术电子测量技术2. 有效值 有效值又称为均方根值

11、。在一个周期内，若交流电压通过某纯电阻负载产生的热量等于一个直流电压在同一个负载上产生的热量时，则该直流电压的数值就是交流电压的有效值。 注意：若无特别说明，交流电压值均指有效值。 有效值能直接反映交流信号能量的大小。3 电压测量技术电子测量技术3. 峰值 峰值VP是指交流电压在一个周期内偏离零电平的最大值。若正、负峰值不等时，分别用VP+和VP-来表示。VP+ VP+ 0v(t)V0 tVP- 3 电压测量技术电子测量技术 峰-峰值是指正、负峰值的绝对值之和，即正、负峰值点之间的距离。峰-峰值VP+ VP+ 0v(t)V0 tVP- VP-P 3 电压测量技术电子测量技术Vm V0 0v(t

12、)t 幅值Vm是指交流电压在一个周期内偏离直流分量的最大值。若正、负幅值不等时，分别用Vm+和Vm-来表示。Vm Vm 幅值6.3.2 交流电压的测量（电子电压表）一、均值电压表（宽频毫伏表）1、组成：放大检波式 上限频率：1KHz十几MHz宽带放大器均值检波显示 2、显示特性（刻度特性） 均值表的显示值正比于被测交流电压的平均值 均值表按正弦有效值刻度 用波形因数KF来表征。 波形因数KF定义为交流电压的有效值与平均值之比。3 电压测量技术电子测量技术 对于正弦电压，其示值 对于非正弦电压，其示值无任何意义，必须换算。方法：先把示值转换成平均值； 再求被测交流电压有效值。例：对三角波电压用均

13、值表测量，示值5V，求三角波的有效值。 解： 波形误差：一、峰值电压表（超高频毫伏表）1、组成：检波放大式 上限频率：GHz；几百MHz优点：检波二极管装在探头里，不易引入干扰，有利于测高频电压缺点：对交流电压谐波失真引起的波形误差敏感，不测量失真正弦波。峰值检波直流放大显示 2、显示特性（刻度特性） 峰值表的显示值正比于被测交流电压的峰值 峰值表按正弦有效值刻度 用波峰因数KP来表征。 波峰因数KP定义为交流电压的峰值与有效值之比。3 电压测量技术电子测量技术 对于正弦电压，其示值 对于非正弦电压，其示值无任何意义，必须换算。方法：先把示值转换成峰值； 再求被测交流电压有效值。例：对三角波电

14、压用峰值表测量，示值5V，求三角波的有效值。 解： 波形误差：一、有效值电压表1、模拟运算法有效值变换2、数字采样式有效值变换3、热电转换式有效值变换：热电偶有效值电压表对任意波形直接读数 6.3.3 噪声的测量有效值电压表可以直接读数原则上不主张用峰值表测量噪声均值表测量噪声必须进行读数修正；且要在表头的1/2处读数。均值表测量噪声时读数的修正：高斯白噪声即正态分布噪声的波形因数设均值表读数为噪声电压的有效值用分贝表示，则则平均值3 电压测量技术电子测量技术 电平是指两功率或电压比值的对数，单位为贝尔（Bel），实际中采用分贝（dB）为单位。6.3.4 电平测量1. 电平的概念电平 功率电平

15、 电压电平 3 电压测量技术电子测量技术 相对功率电平实际上反映了信号在系统中传输时功率的增益和衰减。 (1) 功率电平相对功率电平 相对功率电平定义为系统中任意两处的功率P1与P2之比的对数值。3 电压测量技术电子测量技术绝对功率电平 系统某处的绝对功率电平定义该处的功率Px与零电平标准功率P0之比的对数值。零电平标准功率零电平标准功率指在600负载电阻上消耗的1mW功率。3 电压测量技术电子测量技术 相对电压电平实际上反映了信号在系统中传输时电压的变化。 (2) 电压电平相对电压电平 相对电压电平定义为系统中任意两处的电压V1与V2之比的对数值。3 电压测量技术电子测量技术绝对电压电平 系

16、统某处的绝对电压电平定义该处的电压Vx（有效值）与零电平标准电压V0之比的对数值。零电平标准电压 零电平标准电压指在600负载电阻上消耗1mW功率时的电压。在 电阻上，绝对功率电平（dBm)=绝对电压电平（dBu)3 电压测量技术电子测量技术2. 几个重要的相对电平值(1) 0dB(2) 3dB(3) 6dB3 电压测量技术电子测量技术3. 电平的刻度 电平的测量实际是交流电压的测量，因此在电子电压表或多用表中，电平的刻度是以交流电压最低量程作为标定基准来进行刻度。 通常按单位dBm进行刻度，即设定测量处的阻抗为标准阻抗600，标定交流电压最低量程档0.775V的位置为0dBm标度点。 3 电压测量技术电子测量技术4. 电平的测量测量电平，实际上是利用交流电压档，只是按电平刻度进行读数。 (1) 绝对电压电平的测量被测电平值 = 量程值 + 显示值-14.8dB -20dB 5.2dB3 电压测量技术电子测量技术(2)绝对功率电平的测量6.3.5 矢量电压表高频宽带微伏级电压的测量相位差的测量3 电压测量技术电子测量技术例3.4 用MF-20电子式多用表测量被测电压，得 ，求其相应的电平值。若采用该表的30V交流电压档对另一处电压进行测量，得电平读数值为-10dBm，求该处的电压值。（设被测点处的负载均为600 ，M