电压测量课件

1、第二篇 基本电参量测量第4章 时间与频率的测量第5章 电压测量第6章 阻抗测量自动化工程学院 邱渡裕Email: 第5章 电压测量5.1 概述5.2 电压标准5.3 交流电压的测量5.4 直流电压的数字化测量及A/D转换原理5.5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表5.6 数字电压表测量的不确定度及 自动校准、自动量程技术5.7 电压测量的干扰及抑制技术1.重要性： 电压测量是许多电测量与非电测量的基础，是电子测量的重要内容。2.特点： （1）频率范围广 （2）测量范围宽 （3）电压波形多样化 （4）阻抗匹配 （5）测量精度 （6）测量速度 （7）抗干扰性能5.1 概述 5.1.1 电压测量

2、的意义和特点5.1 概述 直流电压测量、交流电压测量 模拟测量、数字测量1.交流电压的模拟测量方法有效值、峰值和平均值电压表交流电压检波直流电流驱动表头2. 基于直流采样的电压数字化测量方法 ADC，DVM、DMM AC-DC变换3.基于交流采样的电压数字化测量方法交流电压A/D转换器瞬时采样值u(k) 计算4.示波测量方法5.1.2 电压测量的方法和分类5.2 电压标准 5.2.1 直流电压标准1. 标准电池化学反应稳定的电动势（1.01860V）。温度修正（特别是对饱和型）内阻影响抗振动冲击能力差、不易运输标准电池分类稳定性温度系数饱和型较好（约0.5V/年）较大（约40V/）不饱和型较差

3、小（约4V/）2. 齐纳管电压标准 固态电压标准,齐纳二极管的稳压特性。温度漂移影响，高稳电源和内部恒温控制减小温度系数。集成齐纳管与恒温控制的精密电压基准。WUK7000系列参考源:10V、年稳定性110-6 ；1V、1.0186V，年稳定性210-6 ，温度系数0.0510-6 。3.约瑟夫森量子电压基准约瑟夫森（Josephson）效应 超导体-绝缘体-超导体（SIS）结构约瑟夫森隧道结 交流约瑟夫森效应：电压 交变超导电流 约瑟夫森电压基准 约瑟夫森逆效应：微波（频率f)约瑟夫森结量子化电压Vn 约瑟夫森结阵（JJA）：mV 1-10V约瑟夫森电压量子基准:10-105.2.2 交流电

4、压标准由直流电压标准建立，需经过交流-直流变换。测热电阻桥式高频电压标准将高频电压通过一测热电阻（如热敏电阻），该电阻由于吸收高频电压功率，其阻值将发生变化。再将一标准直流电压施加于该电阻，若引起的阻值变化相等，则高频电压的有效值就等于该直流电压。 双测热电阻电桥的原理高频电压V0V1RFDCDCRFRGRRRTRTCCVRF2.均值定义:直流分量实际测量中，均值通常指经过全波或半波整流后的波形（若无特指为全波整流）：理想正弦电压u(t)=Vpsin(t)，5.3 交流电压的测量 5.3.1 表征交流电压的基本参量峰值、平均值、有效值；波峰因数和波形因数。1.峰值 以零电平为参考的最大电压幅值

5、（Vp）。振幅（Um）:直流分量为参考; 峰峰值（VPP） :最大-最小4.波峰因数和波形因数波峰因数: 波形因数：表征交流电压的基本参量(续)3.有效值定义：交流电压u(t)在一个周期内，通过纯电阻R所产生的热量，与一个直流电压V产生的热量相等时，则该直流电压V的数值就表示交流电压u(t)的有效值。意义：有效值在数学上即为均方根值。反映交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。理想正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，理想正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)5.3.2 交流/直流转换器的响应特性及误差分析 1.AC-DC转换原理 交流电压有效值、峰值和平均值:AC-DC转换。检波电路。峰

6、值检波:二极管峰值检波电路。串联和并联形式。DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc快充慢放前提条件AC-DC转换原理(续)平均值检波:二极管桥式整流（全波和半波）电路。Rd检波二极管导通电阻Rm电流表内阻 有效值检波： 方法1:利用二极管平方律伏安特性检波(小信号时二极管正向伏安特性曲线近似为平方关系).精度低且动态范围小。实际采用分段逼近平方律的二极管伏安特性曲线图. 方法2:利用模拟运算电路或专用集成电路（如AD536 AD736 ）。 方法3：利用热电偶有效值检波热电效应：两种不同导体的两端连接组成一个闭合回路，当两节点处温度不同时，回路中将产生电动势（热电动势），

7、从而形成电流。热电动势的大小与温差T=T-T0成正比。有效值检波(续)热电偶：测温通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，则热电动势将反映该交流电压的有效值。有效值检波(续)具有线性刻度的有效值电压表平衡热偶形成电压负反馈。测量热偶:Ex= k V2 ；平衡热偶:Ef = k Vo2差分放大器:Vi=k(V2- Vo2) ；Vi=0时，输出电压等于u(t)有效值有效值电压表的特点真有效值测量,理论上不存在波形误差。对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成，若其有效值分别为V1、V2、V3、，则读数目前计算式有效值电压表得到更多应用。两种情况使读数偏小： 1.由于电路饱和使电压表可能出现“削波”

8、； 2.高于电压表有效带宽的波形分量将被抑制。有效值检波(续)2.峰值电压表原理、刻度特性和误差分析 峰值响应：不管波形，只要峰值相同，读数相同。刻度特性：按纯正弦波的有效值定度。读数不是峰值，而是假设信号为正弦波时的有效值。任意波形：读数既不是有效值，也不是峰值。根据读数换算峰值和有效值“读数直接当成有效值”产生的误差3.平均值电压表原理、刻度特性和误差分析 均值响应：不管波形，只要均值相同，读数相同。刻度特性：按纯正弦波的有效值定度。读数不是均值，而是假设信号为正弦波时的有效值。任意波形：读数既不是有效值，也不是均值。根据读数换算均值和有效值读数直接当成有效值产生的误差4.实例分析 例1用

9、具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压，读数为1.0V，问如何从该读数得到方波电压的有效值？解由读数=1.0V，得被测信号峰值Vp =1.4V 方波的波峰因数Kp=1，故有效值V=Vp/Kp=1.4V 不换算读数的波形误差例2 用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压，读数为1.0V，问该方波电压的有效值为多少？解 由读数=1.0V，得被测信号均值=0.9=0.9V方波的波形因数 =1，故有效值0.9V。不换算读数的波形误差例3 有效值电压表的有限带宽对测量非正弦电压时的波形误差。设某有效值电压表带宽为10MHz，用该电压表测量下图所示方波，计算由电压表带宽引起的波形误差。实例

10、分析（续） 理论有效值（波峰因数=1）实际有效值（读数）读数误差负值（读数偏小）解 为求解电压表带宽引起的波形误差，需要分析输入方波电压的谐波成分。将方波电压用付里叶级数表示为5.3.3 模拟式交流电压表检波器和放大器是交流电压测量的核心部件。两类组成方案：先检波后放大，检波-放大式； 先放大后检波，放大-检波式。模拟电压表的两个重要指标：带宽和灵敏度(分辨力)。1.检波-放大式电压表频率范围宽常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表”2.放大-检波式电压表灵敏度高。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表” 。模拟式交流电压表结构检波-放大式电压表放大-检波式电压表检波器峰值检波器均值检波器带宽高 较

11、低灵敏度较低高3.分贝测量及宽频电平表(1)分贝：声学中音量单位，通信系统中电平或功率单位。对数表示的相对量值绝对功率(相对1mW)绝对电平(相对0.775V, 600电阻上吸收1mW功率时的电压有效值)3.分贝测量及宽频电平表(续)宽频电平表:具有分贝读数的电压表。在放大-检波式均值电压表基础上设计。步进10dB，相当于衰减 倍75/150/600/高阻调节增益校准标定输入阻抗600，0dB电压有效值0.775V被测电压dB值=衰减器读数表头读数功率电平测量：阻抗两端电压电平的测量。零刻度基准阻抗 ：按600“零刻度基准阻抗”定度。Zi600时，根据读出换算4.外差式选频电平表 外差式接收机

12、宽频电平表通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现高灵敏度。很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。灵敏度可达-120dB，相当于0.775V。“高频微伏表” 。应用特点：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、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。窄带中频放大器增益高5.模拟电压表的使用峰值电压表检波-放大式，峰值响应。频率范围宽(达1GHz)但灵敏度低（mV级），“调制式” 到几十V 。读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值或峰值。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。灵敏度比峰值表提高但频率范围小（10MHz

13、），低频和视频应用。读数的换算：根据波形因数，将读数换算成有效值或均值。有效值电压表直接读出有效值，方便。但复杂，价格较贵。削波和带宽限制。 宽频电平表电压电平(分贝)：步进衰减器读数表头读数。功率电平(分贝)：输入阻抗不等于基准阻抗时，用 修正。选频电平表外差式接收原理。窄带中频放大，使测量灵敏度得到大幅提高市面上的主要DMM产品制造商国外：福禄克（FLUKE）、安捷伦（Agilent）、5.4 直流电压的数字化测量市面上的主要DMM产品制造商国内：胜利高、优利德、费思泰克、华仪 等5.4 直流电压的数字化测量台式万用表 功能更强大，指标更高。5.4 直流电压的数字化测量5.4 直流电压的数

14、字化测量及A/D转换原理 5.4.1 DVM的组成原理及主要性能指标1.DVM(Digital Voltage Meter)的组成量程基本量程（无衰减或放大）由ADC动态范围确定。按10倍扩展。显示位数完整显示位+非完整显示位： 如1999 3 位 。分辨力分辨最小电压变化量能力，反映灵敏度。最小量程上有最高分辨力。用每个字对应的电压（V/字）表示：如分辨力0.1mV/字。用百分数表示(与量程无关)。 3位半的DVM，分辨力0.05% 。2.DVM的主要性能指标DVM的主要性能指标（续）测量速度每秒钟完成的测量次数。主要取决于ADC的转换速度。一般几次-几十次/秒。测量精度固有误差=读数误差+

15、满度误差输入阻抗越大越好，否则将影响测量精度。用输入电阻/电容表示，一般10-1000M/几十-几百pF。某万用表的技术指标5.4.2 A/D转换原理A/D转换器分类积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（PWM）式、电压-频率（V-F）变换式等。非积分式：比较式（逐次逼近式、零平衡式）、斜波电压（线性斜波、阶梯斜波）式、-型A/D转换器等。1.逐次逼近比较式ADC基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。“对分搜索”策略。基准电压Vr=10V，8位ADC，被测电压Vx8.5V的逼近过程。类似天平称重的过程，精度取决于最小砝码。逐次逼近比较式ADC(续)刻度系数：e

16、=Vr/2n （V/字），代表ADC的分辨力。1LSB代表的电压量，逼近时可用的最小“电子砝码”。单片集成逐次比较式ADC。常见的产品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等。2.单斜式ADC（非积分V-T式）误差：斜波电压的线性和稳定性、时间测量精度。比较器的漂移和死区电压。特点、应用：线路简单，成本低。速度取决于斜波电压斜率与被测电压值。用于精度和速度要求不高的DVM中。3.双积分式ADC 主门计数器逻辑控制电路数字输出时钟S1S2CRVx-VrVr积分器比较器-+-+S1S2Vot0t1复零t2t3VoVomT1T2N1N2t积分波形计数器输入b.T011a

17、.清零f0T0T0复零定时积分反向定值积分双积分式ADC的特点基于V-T变换的比较测量。速度较低（几-几十次/秒），与被测电压有关，常用于高精度慢速测量。积分器的R、C元件对转换结果不会产生影响，其精度和稳定性要求不高。参考电压Vr精度和稳定性影响转换结果，需采用精密基准电压源。如16bitADC，分辨率1/2161510-6，要求基准电压稳定性（温漂）优于15ppm。比较器要求具有较高的电压分辨力（灵敏度）和时间分辨力（响应带宽）。比较器灵敏度应优于1LSB 对应的电压量。响应带宽决定比较器及时响应积分器输出信号快速（斜率较陡峭）过零时的能力。响应输入电压的平均值，具有较好的抗干扰能力。选择

18、T1为20ms的整倍数，可消除来自于电网50Hz工频干扰。4.三斜积分式ADC提高分辨力（双斜式受比较器的分辨力和带宽所限）。缓慢进入零点5.-型A/D转换器 1.-结构的ADC是一种内在的过采样转换器。2.-型ADC以很低的采样分辨率（1位）和很高的采样速率将模拟信号数字化，利用过采样技术（Oversampling）、噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率，然后对ADC输出进行抽取（Decimation）处理，以降低ADC的有效采样速率，去除多于信息，减轻数据处理负担 。3.转换分辨率已高达24位，在各类模数转换器中分辨率是最高的 。5.5 数字多用表5.5.1 电流、电压、阻抗变换技术1.A

19、C/DC变换 检波2.I/V变换 取样电阻3.Z/V变换 恒流源 （对C、L需交流参考电压）5.5.2 数字多用表DMM主要特点：DVM的功能扩展。精度：3位半-8位半(Agilent 3458A)。内置微处理器。自检、自校准、自动量程等自动测量。通信接口，RS-232、GPIB等。DMM使用二端法和四端法测电阻5.6 DVM不确定度及自动校准、自动量程技术 5.6.1 DVM的误差分析1.DVM的整体误差固有误差:一定测量条件下DVM所固有的误差，反映性能指标。附加误差:环境（如温度）和测量条件（如内阻）引起的误差。转换误差、满度误差可根据系统组成计算。衰减器、放大器、模拟开关、ADC满度误

20、差：与被测电压无关，主要由系统漂移引起。读数误差：转换误差（刻度误差）+非线性误差。VxN0理想特性转换误差影响下的特性满度误差影响下的特性（平行于理想特性）读数误差和满度误差共同影响下的实际转换特性VD由DVM输入阻抗、输入零电流及温度漂移等引起。DVM的整体误差附加误差典型输入电阻1000M(接入分压器时为10M),输入零电流约为0.5nA。温度漂移引起的附加误差： 用 或温度系数ppm表示。DVM的整体误差举例例 一台3位半的DVM给出的精度为：（0.1%读数+1字），如用该DVM的020V DC的基本量程分别测量5.00V和15.00V的电源电压，试计算DVM测量的固有误差。解 “1字

21、”对应的误差：在0-20V量程上，3位半的DVM的刻度系数为0.01V/字，因而满度误差“1字”相当于0.01V。当Vx=5.00V时，固有误差和相对误差分别为：Vx(0.1%5.00V0.01V)0.015V 当Vx=15.00V时，固有误差和相对误差分别为： Vx(0.1%15.00V0.01V)0.025V 被测电压愈接近满度电压，测量相对误差愈小。例 一台DVM，其输入等效电阻Ri=1000M, 输入零电流I0=1nA，被测信号源等效内阻Rs=2k，分别测量Vx=2V和Vx=0.2V两个电压，计算由Ri和I0引入的附加误差极限值。解 为计算由Ri和I0引入的附加误差极限值，可将分别由R

22、i和I0引入的附加误差进行代数和合成。即Vx=2V时，Vx=0.2V时，测量小电压时I0的影响较大。DVM的整体误差举例2.DVM中各部件的误差分析 以双斜式ADC构成的DVM为例,误差来源于：积分器误差：输入失调电压Uos和输入偏置电流IB，动态校零）比较器误差：灵敏度(电压分辨力)和响应带宽(时间分辨力)模拟开关误差：导通电阻（接通时）及漏电流（断开时）。 在模拟开关到积分器之间加入一级跟随器。基准电压源误差：精度和稳定性问题输入衰减/放大误差：零漂、增益误差、带宽、输入/出阻抗ADC量化误差： 5.6.2 DVM中的自动校正技术1.满度误差与自动校零技术为减小Uos的影响，可在放大器同相

23、或反相输入端采用一个保持电容，用以抵消该漂移电压。“零采样期”接入Vi放大器Uos的影响，比没有自动校零时减小了A倍）。2.读数误差的自动校正技术积分器的零点校正，也可减小读数误差中的转换误差。非线性误差，还需要采取补偿和校正两种措施。3.DVM的校准测量过程软件校准:转换误差（通道增益）和零点漂移参考校准零点校准输入被测电压完全消除了通道零漂Uos和转换系数k引起的误差。5.6.3 DVM中的自动量程技术满度误差与量程的关系：自动量程：相邻两个量程之间适当重叠，避免当被测电压在界限值附近变化时频繁切换( “摇摆不定”)。可将较大一档量程的最小值设为相邻小一档量程满度值的90% 。5.7 电压测量的干扰及抑制技术5.7.1 干扰的来源及分类串模干扰:串