电压测量仪器设计

1、 电压测量仪器设计1一、电压测量的重要性电压测量是电测量与非电量测量的基础； 电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率其中：电流、功率电压，再进行测量电路工作状态：饱和与截止，线性度、失真度电压表征非电测量中，物理量电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度3.1 概述3.1.1 电压测量的意义、特点 2二、电压测量的特点1.频率范围广：零频（直流）109Hz低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。2.测量范围宽微弱信号:心电医学信号、地震波等,纳伏级（10-9V）； 超高压信号：电力系统中，数百千伏。3.电压波形的多样化电压

2、信号波形是被测量信息的载体。各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。34.阻抗匹配在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。 如：采用电压表与电流表测量电阻， 当测量小电阻时，应采用电压表并联方案； 当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。二、电压测量的特点45.测量精度的要求差异很大10-1至10-9。6.测量速度的要求差异很大静态测量：直流（慢变化信号）,几次/秒;动态测量：高速瞬变信号,数亿次/秒（几百MHz）精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。7.抗干扰

3、性能工业现场测试中，存在较大的干扰。二、电压测量的特点53.1.2 电压测量的方法和分类电压测量方法的分类按对象：直流电压测量；交流电压测量按技术：模拟测量；数字测量1）交流电压的模拟测量方法表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电流-驱动表头-指示如：有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。62）数字化直流电压测量方法模拟直流电压-A/D转换器-数字量-数字显示（直观）数字电压表（DVM），数字多用表（DMM）。3）交流电压的数字化测量交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电压-A/D转换器-数字量-数字显示DVM（DM

4、M）的扩展功能。3.1.2 电压测量的方法和分类74）基于采样的交流电压测量方法交流电压-A/D转换器-瞬时采样值u(k) -计算，如有效值 式中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。5）示波测量方法交流电压-模拟或数字示波器-显示波形-读出结果3.1.2 电压测量的方法和分类The End81）交流/直流电压（AC-DC）转换原理二极管峰值检波电路（a.串联式,b.并联式,c.波形）9二极管峰值检波电路工作原理通过二极管正向快速充电达到输入电压的峰值，而二极管反向截止时“保持”该峰值。为此，要求： 式中，Rs和rd分别为等效信号源u(t)的内阻和二极管正向导通电阻，C为充电电容（并联式检波电

5、路中C还起到隔直流的作用），RL为等效负载电阻，Tmin和Tmax为u(t)的最小和最大周期。从波形图可以看出，峰值检波电路的输出存在较小的波动，其平均值略小于实际峰值。1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理101）交流/直流电压（AC-DC）转换原理平均值检波原理全/半波整流电路：I0的平均值(全波)为 式中，T为u(t)的周期，rd和rm分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数（它反映了检波器的灵敏度 ）。I0的平均值 与u(t)的平均值 成正比。 111）交流/直流电压（AC-DC）转换原理有效值检波原理利用二极管平方律伏安特性检波 根据 为得到有效值,首先需对u(t)平

6、方. 小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系。缺点：精度低且动态范围小。 实际应用中，采用分段逼近平方律的二极管伏安特性曲线图的电路。121）交流/直流电压（AC-DC）转换原理利用模拟运算的集成电路检波 原理图通过多级运算器级连实现模拟乘法器（平方）积分开方比例运算。 单片集成TRMS/DC电路，如AD536AK等。131）交流/直流电压（AC-DC）转换原理利用热电偶有效值检波热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，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，从而形成电流，这一现象称为热电效应，所产生的电动势称为热电动势。热电效应原理图当热端T和冷端T0存在温差

7、时（即TT0），则存在热电动势，且热电动势的大小与温差T=T-T0成正比。14利用热电偶有效值检波热电偶： 将两种不同金属进行特别封装并标定后，称为一对热电偶（简称热偶）。热电偶温度测量原理： 若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势就可得到热端（被测温度点）的温度。热电偶有效值检波原理：若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，从而实现了有效值检波。如下图。1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理15热电偶有效值检波原理图图中，直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系： 电流I热电动势热端与冷端的温差，而热端温度u(t)功率u(t)的有效值V的平方，

8、故， 1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理16表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别称为测量热电偶和平衡热电偶，如下图。1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理形成一个电压负反馈系统17测量热偶的热电动势ExV2，令Ex=k1V2 ；平衡热偶的热电动势EfVo2，及Ef =k2Vo2 ；假如两对热偶具有相同特性，即k1=k2=k ，=则差分放大器输入电压Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2) ，若放大器增益足够大，则有Vi=0，=Vo=V （即输出电压等于u(t)有效值）有效值电压表的特点理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。1）交流/直流电压（AC-DC

9、）转换原理18有效值电压表的特点比如，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、，则读数但实际有效值电压表，下面两种情况使读数偏小：对于波峰因数较大的交流电压波形，由于电路饱和使电压表可能出现“削波” ；高于电压表有效带宽的波形分量将被抑制。它们都将损失有效值分量。缺点：受环境温度影响较大，结构复杂，价格较贵。实际应用中，常采用峰值或均值电压表测有效值。1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理193.3.3 模拟式交流电压表模拟电压表组成方案检波器是实现交流电压测量（AC-DC变换）的核心部件，同时，为了测量小信号电压，放大器也是电压表中不可缺少的部件，因此，组

10、成方案有两种类型：一种是先检波后放大，称为检波-放大式；一种是先放大后检波，称为放大-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-放大式电压表组成框图201）检波-放大式电压表a. 组成框图; b.提高灵敏度措施检波器决定电压表的频率范围、输入阻抗和分辨力。 峰值电压表常用这种类型。 超高频二极管检波频率范围可从直流到几百兆赫；具有较高的输入阻抗缺点：1.正向压降限制小信号电压；2.反向击穿电压限制上限高增益、低漂移灵敏度几十微伏211）检波-放大式电压表检波器为减小高频信号在传输过程中的损失，通常将峰值检波器直接设计在探头中。放大器采用桥式直流放大器，它具有较高的增

11、益。直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。主要指标检波-放大式电压表常称为“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（调制式），最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。223.3.3 模拟式交流电压表2）放大-检波式电压表组成框图先放大再检波，因此灵敏度很高。均值电压表常用这种方式。放大器宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为10MHz。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表” 。灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制。233.3.3 模拟式交流电压表3）

12、分贝测量及宽频电平表分贝声学中，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。当用分贝表示功率时，定义为：当用分贝表示电压时，由功率与电压的关系： 和当R1=R2时，有243）分贝测量及宽频电平表分贝分贝是一个用对数表示的相对量值（记作dB），如果相对于一个确定的参考基准量，此时的分贝值则表示了一个绝对电平。若P2= P0（基准量），并取P0=1mW；P1=被测功率，用Px表示，其分贝值用dBm表示（下标m指示以mW为单位表示被测功率绝对值）。则功率电平：显然，当Px=P0=1mW为0dBm时，若Px1mW，分贝值为正，若Px1mW，分贝值为负。253.4 直流电压数字化

13、测量及A/D转换原理 3.4.1 DVM的组成原理及主要性能指标1）DVM的组成数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。组成框图输入电路A/D转换器数字显示器逻辑控制电路时钟发生器模拟部分数字部分Vx26应用直流或慢变化电压信号的测量（通常采用高精度低速A/D转换器）。通过AC-DC变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成交流数字电压表。 通过电流-电压、阻抗-电压等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能。基于微处理器的智能化DVM称为数字多用表（DMM，Digital MultiMeter）。DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能

14、力（平均、方差计算等）和通信接口(如GPIB)。3.4.1 DVM的组成原理及主要性能指标272）主要性能指标显示位数完整显示位：能够显示09的数字。非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最高位上）。如4位DVM，具有4位完整显示位，其最大显示数字为9999 。而 位（4位半）DVM，具有4位完整显示位，1位非完整显示位，其最大显示数字为19999 。量程基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/D转换器动态范围确定。通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展其他量程。3.4.1 DVM的组成原理及主要性能指标28如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V

15、、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。分辨力指DVM能够分辨最小电压变化量的能力。反映了DVM灵敏度。用每个字对应的电压值来表示，即V/字。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。例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字（即当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字” ）。3.4.1 DVM的组成原理及主要性能指标29分辨力分辨率：用百分数表示，与量程无关，比较直观。如上述的DVM在最小量程

16、200mV上分辨力为0.1mV，则分辨率为：分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3位半的DVM，可显示出1999（共2000个字），则分辨率为测量速度每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒几十次/秒。3.4.1 DVM的组成原理及主要性能指标30测量精度取决于DVM的固有误差和使用时的附加误差（温度等）。固有误差表达式：示值（读数）相对误差为：式中，Vx被测电压的读数；Vm该量程的满度值（Full Scale, FS）； 误差的相对项系数； 误差的固定项系数。固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。读数误差： 与当前读数有

17、关。主要包括DVM的刻度系数误差和非线性误差。满度误差： 与当前读数无关，只与选用的量程有关。3.4.1 DVM的组成原理及主要性能指标31测量精度有时将 等效为“n字”的电压量表示，即 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%，即表达式中“1字”的满度误差项与“0.005%”的表示是完全等价的： 当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当被测量较大时，读数误差起主要作用。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。3.4.1 DVM的组成原理及主要

18、性能指标32输入阻抗输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。 对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10M1000M之间。对于交流DVM，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值一般在几十几百pF之间。3.4.1 DVM的组成原理及主要性能指标333.5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表5.5.1 电流、电压、阻抗变换技术AC/DC变换将交流电压变换（检波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。I/V变换 基于欧姆定律，将被测电流通过一个已知的取样电阻，测量取样电阻两端的电压，即可得到被测电流。为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。如下图。343.5.1 电流、电压、阻抗变换技术如图，假如变换后采用的电压量程为200mV，则通过量程开关选择取样电阻分别为1k、100、10、1、0.1，便可测量200A、2mA、20mA、200mA、2A的满量程电流。Z/V变换同样基于欧姆定律。上图中为什么没有10？35对于纯电阻，可用一个恒流源流过被测电阻，测量被测电阻两端的电压，即可得到被测电阻阻值。而对于电感、电容参数的测量，则需采用交流参考电压，并将实部和虚部分离后分别测量得到。