第七章电压测量(上)

第七章电压测量

目录7.1概述7.2模拟式直流电压测量7.3交流电压表征和测量方法7.4低频交流电压测量7.5高频交流电压测量7.6脉冲电压测量7.7电压的数字式测量17-1概述一、电压测量的重要性电压是表示电路中电信号能量的三个基本参数（电压、电流、功率）之一，例如，电路的谐振、平衡、截止、饱和等工作状态以及元器件的工作点和动态范围，通常都以电压形式表现出来。第七章电压测量2二、测量仪器的主要技术参数电压测量仪器的主要参数包括如下几个方面：1、频率范围：从10－6到109Hz，频率不同测量的方法、手段也各异。2、测量幅值范围：低至10－9

V，高到上千伏。3、信号波形：除正弦外，还包括失真的正弦波以及各种非正弦波（如脉冲电压等），不同波形电压的测量方法及对测量准确度的影响是不一样的。第七章电压测量3二、测量仪器的主要技术参数电压测量仪器的主要参数包括如下几个方面：4、被测电路的输出阻抗：由待测电路两端看去的电路的等效电路5、测量精度:受被测电压的频率、波形等因素的影响有较大差异。6、干扰:电压测量易受外界干扰影响，当信号电压较小时，干扰往往成为影响测量精度的主要因素.第七章电压测量4三、电压测量仪器的分类按显示方式不同，电子电压表分为模拟式电子电压表和数字式电子电压表。模拟电压表准确度和分辨率不及数字式电压表，数字电压表的优点是：准确度高，测量速度快，输入阻抗大，过载能力强，便于和计算机组成自动测试系统。不足之处是频率范围不及模拟电压表。1、按显示方式分类第七章电压测量52、模拟式电压表分类1）按测量功能分类直流电压表、交流电压表和脉冲电压表。2）按工作频段分类超低频电压表（低于10Hz）、低频电压表（低于1MHz）、视频电压表（低于30MHz）、高频或射频电压表（低于300MHz）和超高频电压表（高于300MHz）。3）按测量电压量级分类电压表和毫伏表。电压表的量程为伏级，毫伏表的主量程为毫伏，主量程是指不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程。第七章电压测量6

0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0和10.0等级，其满度相对误差分别为0.05％、0.1％、···、10.0％。2、模拟式电压表分类4）按电压测量准确度等级分类5）按刻度特征分类可分为线性刻度、对数刻度、指数刻度和其它非线性刻度电压表。按现行国家标准，模拟电压表的主要技术指标有固有误差、电压范围、频率范围、频率特性误差、输入阻抗、峰值因数（波峰因数）、等效输入噪声、零点漂移等共19项。第七章电压测量73、数字式电压表按测量功能分为:直流数字电压表交流数字电压表第七章电压测量峰值交流数字电压表平均值交流数字电压表有效值交流数字电压表按AC/DC变换原理83、数字式电压表数字式电压表的技术指标较多，包括准确度、基本误差、工作误差、分辨力、读数稳定度、输入阻抗、输入零电流、带宽、串模干扰抑制比（SMR）、共模干扰抑制比（CMR）、波峰因数等30项指标。第七章电压测量9一、动圈式电压表7.2模拟式直流电压测量图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为Re，满偏电流为Im，若作为直流电压表，满度电压：（7.2-1）图7.2-1直流电压表电路第七章电压测量（7.2-2）10一、动圈式电压表7.2模拟式直流电压测量图7.2-1直流电压表电路第七章电压测量为了估计电压表的负载效应影响，在电压测量时要估计电压表内阻，磁电式（动圈式）电压表的内阻与电压量程有关，而且也与电流表表头灵敏度有关。误差：读数误差外，表头本身和倍压电阻的准确度，一般在±1％左右，精密电压表可达±0.1％。缺点:灵敏度不高输入电阻低，11第七章电压测量

[例1]

在下图中，虚框内表示高输出电阻的被测电路，电压表的“Ω/V”数为20KΩ/V，分别用5V量程和25V量程测量端电压Ux，分析输入电阻的影响及用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。一、动圈式电压表12解：理想情况，电压表内阻Rv

为无穷大，此时电压表示值Ux

与被测电压实际值E0

相等，即：Ux=E0=5V当电压表输入电阻为Rv

时，电压表测得值为：（7.2-3）（7.2-4）将有关数据值代入上面两式，可得E0相对误差为第七章电压测量一、动圈式电压表13

5V电压档：25V电压档：由计算可知，5V电压档时输入电阻对测量结果的影响大。第七章电压测量一、动圈式电压表14根据,我们可以推导出消除负载效应影响的计算公式，进而计算出待测电压的近似值：（7.2-5）同理可得：（7.2-6）因此解出：（7.2-7）（7.2-8）其中第七章电压测量一、动圈式电压表15因此，如果用内阻不同的两只电压表，或者同一电压表的不同电压档（此时k=Rv2/Rv1即等于电压量程之比），根据上述两式，即可由两次测得值得到近似的实际值E0。例如将本题中有关数据代入式（7.2-7），可得待测电压近似值在工程测量中提高输入阻抗和灵敏度以提高测量质量最常用的办法是利用电子电压表进行测量。第七章电压测量一、动圈式电压表16所谓电子电压表，就是采用了提高输入阻抗和测量灵敏度的电子器件的电压表。通常使用高输入阻抗的场效应管（FET）源极跟随机器或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度。测量大的直流电压时，输入端接入分压电路。分压电阻的接入将使输入电阻降低，但只要分压电阻取值较大，仍然可以使输入电阻较动圈式电压表大的多。二、直流电子电压表1．电子电压表原理第七章电压测量17下图是这种电子电压表的示意图。R0、R1、R2、R3

组成分压器，由于FET源极跟随器输入电阻很大（几百MΩ以上）。因此由测量端看进去的输入电阻基本上由R0、R1、R2、R3

等串联决定，通常使它们的串联和大于10MΩ，以满足高输入阻抗的要求。同时，在这种结构下，电压表的输入阻抗基本上是个常量，与量程无关。图7.2-3电子电压表框图第七章电压测量1．电子电压表原理18图7.2-4集成运放电压表原理当运放开环放大系数A足够大时，对运放进行理想化处理，可以认为(虚短路和虚断路)，因而有：则（7.2-9）分压器和电压跟随器的作用使Ui

正比于待测电压Uz

，即因而（7.2-10）第七章电压测量1．电子电压表原理19图7.2-4集成运放电压表原理即流过电流表的电流I0与被测电压成正比，只要分压电阻和RF有足够精确和稳定，就可以获得良好的准确度。因此，各分压电阻及反馈电阻都要使用精密电阻。第七章电压测量1．电子电压表原理202、调制式直流放大器直流放大器的零点漂移限制了电压表灵敏度的提高，电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移。图7.2-5调制式直流放大器原理图中微弱的直流电压信号经调制器（又称斩波器）变换为交流信号，再由交流放大器放大，经解调器还原为直流信号（幅度已得到放大）。调制器和解调器实质上是一对固定频率的同步开关，开关控制信号由振荡器提供。第七章电压测量212、调制式直流放大器图7.2-5调制式直流放大器原理图中交流放大器一般采用选频放大器，只对与图中振荡器同频率的信号进行放大而抑制其他频率的噪声和干扰。为提高性能，在解调器输出端和调制器输入端之间增加负反馈网络以提高整个稳定性等。第七章电压测量227.3交流电压表征和测量方法一、交流电压的参数交流电压除用具体的函数关系表达其大小随时间的变化规律外，通常还可以用峰值、幅值、平均值、有效值等参数来表征。图7.3－1交流电压的峰值与幅值第七章电压测量237.3交流电压表征和测量方法一、交流电压的参数1、峰值图7.3－1交流电压的峰值与幅值周期性交变电压u(t)在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值，用Up表示，正、负峰值不等时分别用Up+和Up-表示，如图（a）所示。u(t)在一个周期内偏离直流分量U0的最大值称为幅值或振幅，用Um表示，正、负幅值不等时分别用Um+

和Um-表示，如图(b）所示，图中U0=0，且正、负幅值相等。第七章电压测量242、平均值U(t)的平均值的定义为:（7.3-1）就是周期性电压的直流分量U0

，如左图（a）中虚线所示。图7.32半波和全波整流平均值通常指交流电压检波（也成整流）以后的平均值，又可分为半波整流平均值（简称半波平均值）和全波整流平均值（简称全波平均值），如右图所示，其中（a）为未检波前电压波形，（b）、（c）分别为半波整流和全波整流后的波形。全波平均值定义为（7.3-2）图7.3-1交流电压的峰值与幅值第七章电压测量253、有效值定义：某一交流电压的有效值等于直流电压的数值U，当该交流电压和数值为U的直流电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产生的热量相等。用数学可表示为（7.3-3）上式实质上即数学上的均方根定义，因此电压有效值有时也写作Urms

第七章电压测量264、波形因数、波峰因数交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分别用波形因数（或称波形系数）及波峰因数（或称波峰系数）表示。波形因数KF

定义为该电压的有效值与平均值之比:（7.3-4）波峰因数Kp

定义为该电压的峰值与有效值之比:（7.3-5）不同电压波形，其KF、Kp值不同，下表列出了几种常见交流电压的有关参数。有效值做为交流电压的表征值。第七章电压测量27表7.3-1不同波形交流电压的参数名

称波形系数KF波峰系数KP有效值U

平均值

正弦波1.111.414半波整流1.572A/2全波整流1.111.414三角波1.151.73A/2方波11AA锯齿波1.151.73

脉冲波

隔直脉冲波白噪声1.253A/3A/3.57注：A为波形峰值；tk

脉冲宽度。第七章电压测量28二、交流电压的测量方法1、交流电压测量的基本原理测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同。其中最主要的是利用交流/直流（AC/DC）转换电路将交流电压转换为直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。根据AC/DC转换器的类型，可分成检波法和热电转换法。根据检波特性的不同，检波法又可分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等。第七章电压测量292.模拟交流电压表的主要类型（1）检波－放大式这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。采用超高频检波二极管，电压表的频率范围从几十Hz到几百MHz，输入阻抗也较大。将这种电压表称为“高频毫伏级”（“高频电压表”）或“超高频毫伏级”（“超高频电压表）。图7.3-3检波－放大式电压表框图第七章电压测量30当被测电压过低时，直接进行检波误差会显著增大。为了提高交流电压表的测量灵敏度，可先将被测电压进行放大，而后再检波和推动直流电表显示。这种电压表的频率范围主要取决于宽带交流放大器，灵敏度受到放大器内部噪声的限值。通常频率范围为20Hz～10MHz,因此也称这种电压表为“视频毫伏表”，多用在低频、视频场合。图7.3-4放大－检波式电压表框图（2）放大－检波式第七章电压测量2.模拟交流电压表的主要类型31（3）调制式在前面分析直流电压表时已说明，在检波放大式电压表中，为了减少直流放大器的零点漂移对测量结果的影响，可采用调制式放大器以代替一般的直流放大器，这就构成了如图所示调制式电压表。实际上这种方式仍属于检波－放大式。图7.3-5调制式电压表框图第七章电压测量2.模拟交流电压表的主要类型32（4）外差式图7.3－6外差式电压表框图中频放大器具有良好的频率选择和固定中频频率，解决了放大器增益带宽的矛盾，又因为中频放大器的极窄的带通滤波特性，因而可以在实现高增益的同时，有效地削减干扰和噪声。使测量灵敏度提高到µV级。第七章电压测量2.模拟交流电压表的主要类型33图（b）接入电流表，则由于热电动势又正比A、B端温差。图（c）将被测电压Ux经限流电阻R加到加热丝FG上，FG的温度与Ux的有效值平方成正比，热偶元件热端A与加热丝偶合，温度相同。冷端DE分开后接入直流电流表，该电流大小与Ux2成正比。（5）热偶变换式图7.3－7热电偶原理图第七章电压测量2.模拟交流电压表的主要类型34实际热偶式电压表中，为了克服直流与被测电压有效值的非线性关系，利用两个性能相同的热电偶构成热电偶桥，称为双热偶变换器.只要直流放大器的放大倍数足够大，则输入端电压△U＝Ex－Ef＝0，所以U0＝Ux，从而直流电压表读数U0等于被测电压的有效值Ux，频率范围宽（几十MHz），输入阻抗可达10M。图7.3-8热电偶式电压表框图平衡热电偶，产生的热电动势Ef＝k2U02第七章电压测量（5）热偶变换式T1产生的电动势Ex＝K1Ux235（6）其他方式交流电压表还有其他一些方式，例如锁相同步检波式、取样式、测热电桥式等。①锁相同步检波式：利用同步检波原理，滤除噪声，消弱干扰，适用于被噪声、干扰淹没情况下电压信号的检测。②取样式:实质上是一种频率变换技术，利用取样信号中含有被取样信号的幅度信息（随机取样）或者含有被取样信号的幅度、相位信息（相关取样）的原理将高频被测电压信号交换成低频电压信号进行测量。取样电压表可以测量1mV－1V，10k－1000MHz的电压。第七章电压测量2.模拟交流电压表的主要类型36（6）其他方式③矢量电压表：利用相关采样技术，不仅可以测量幅度，还能测量其相位差。④测热电桥式：利用具有正的或负的温度系数的电阻如半导体热敏电阻、镇流电阻、薄膜测热电阻等精密电桥，通过对低频或直流电压的测量来代替高频电压的测量，这种方式通常用于精密电压测量。第七章电压测量2.模拟交流电压表的主要类型377.4低频交流电压测量通常把测量低频（1MHz以下）信号电压的电压表称做交流电压表或交流毫伏表。这类电压表一般采用放大－检波方式，检波器为平均值检波器或者有效值检波器，分别构成均值电压表和有效值电压表。第七章电压测量38一.均值电压表1.平均值检波器原理4只性能相同的二极管构成桥式全波整流电路。图（c）是其等效电路，整流后的波形为，整流器可等效为串联一电压源，为电流表内阻，为滤波电容，虑除交流成分。将用傅立叶级数展开，其直流（7.4-1）恰为其整流平均值，加在表头上，流过表头的电流I0正比于u，即正比于全波整流平均值。第七章电压测量392.检波灵敏度表征均值检波器工作特性的一个重要参数是检波灵敏度Sd

，定义为(7.4-2）对于上图（a）所示全波桥式整流器，可导出（7.4-3）若，则根据表7.3-1，有（7.4-4）所以（7.4-5）第七章电压测量一.均值电压表40如果Rd＝500Ω，Rm=1kΩ由上式得Ss＝1/314。要提高测量灵敏度，应减小Rd和Rm。

由于二极管是非线性器件，当电压较低时，Rd急剧增大至几kΩ到几十kΩ，Sd急剧下降。因此不宜用这种检波器直接测量0.5Ω以下的电压。第七章电压测量一.均值电压表2.检波灵敏度413.提高输入阻抗以均值检波为AC/DC变换器的均值电压表一般都设计成放大－检波式，如下图所示。放大器的主要作用是放大被测电压，提高测量灵敏度，使检波器工作在线性区域，同时它的高输入阻抗可以大大减少负载效应。图7.3-4放大－检波式电压表框图第七章电压测量一.均值电压表424.波形换算

电压表度盘是以正弦波的有效值定度的，而均值检波器的输出（即流过电流表的电流）与被测信号电压的平均值成线性关系，有（7.4-7）式中Ua

为电压指示值，为被测电压平均值，Ka为定度系数。由于交流电压表是以正弦波有效值定度，因此对于全波检波（整流）电路构成的均值电压表，定度系数Ka就等于正弦信号的波形因数，即（7.4－8）第七章电压测量一.均值电压表434.波形换算根据式可知，电压表示值Ua相等，则平均值也相等。因此可以由（7.4-7）、（7.4-8）两式得到任意波形电压的平均值（7.4－9）再由波形系数定义:（7.4－10）得到任意波形电压的有效值:（7.4－11）被测信号为正弦波形，示值就是被测电压的有效值。对非正弦波形，需进行“波形换算”，由电压表指示值和被测信号的具体波形，推算出被测信号的电压数值。具体方法是：第七章电压测量一.均值电压表44[例2]

用全波整流均值电压表分别测量正弦波，三角波和方波，若电压表示值均为10V，问被测电压的有效值各为多少？解：对于正弦波，由于电压表本来就是按其有效值定度，即电压表的示值就是正弦波的有效值，所以正弦波的有效值对于三角波，查表7.3-1，其波形系数KF＝1.15所以有效值

对于方波，查表7.3-1，其波形系数KF＝1，所以有效值第七章电压测量一.均值电压表4.波形换算45显然，如果被测电压不是正弦波形时，直接将电压表示值作为被测电压的有效值，必将带来较大的误差，通常称作“波形误差”，由式可以得到波形误差的计算公式（7.4－12）仍以上面例中的三角波和方波为例，如果直接将电压表示值Ua＝10V作为其有效值，可以得到波形误差分别为三角波：方波：第七章电压测量一.均值电压表4.波形换算465.均值检波器误差均值电压表的误差包括下列因素：

直流微安表本身的误差

检波二极管老化、变质、不对称带来的误差

超过频率范围时二极管分布参数带来的误差（频响误差）

波形误差

第七章电压测量一.均值电压表47二.有效值检波器在上一节已介绍了电压有效值的定义：（7.4-13）由式可见，为了获得有效值（均方根）响应，必须使AC/DC变换器具有平方律关系的伏安特性。这类变换器有二极管平方律检波式、分段逼近式检波式、热电变换式和模拟计算式等四种。其中热电变换式已在§7.3节进行了分析。第七章电压测量481.二极管平方律检波式真空或半导体二极管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律关系，如下图所示。图7.4-5二极管的平方律特性第七章电压测量二.有效值检波器49图中E0

为偏置电压，当信号电压Ux

较小时，有（7.4-14）由于电容C

的积分（滤波）作用，流过微安表的电流正比于i

的平均值（7.4-15）K为检波系数第七章电压测量1.二极管平方律检波式二.有效值检波器50优点是结构简单，灵敏度高。缺点是满足平方律特性的区域（即有效值检波的动态范围）过窄，特性不易控制和不稳定，所以逐渐被晶体二极管链式网络组成的分段逼近式有效值检波器所代替。式中kE02

是静态工作点电流，可以设法将其抵消,为Ux(t)的平均值，对于正弦波等周期对称电压,是的有效值U0

这样流经微安表的电流为（7.4-16）从而实现了有效值转换。第七章电压测量1.二极管平方律检波式二.有效值检波器512.分段逼近式检波式图7.4－6平方律伏安特性和二极管链式电路第七章电压测量二.有效值检波器工作原理：适当选择直流电源E和分压电阻R3－R10的值，使U1<U2<U3<U4

。当u<U1

时，D3－D4

截止，伏安特性起始部分是直线，斜率由R2决定。52当U1<u<U2

时，D3导通，D4－D6仍然截止，此时R2与分压电阻R3、R4并联，伏安特性斜率增大。当u

继续增大时，D4、D5、D6

依次导通，伏安特性斜率也依次增大。只要各分压电阻选择合适，就可获得如图中（a）所示的近似的平方律关系的伏安特性。第七章电压测量2.分段逼近式检波式二.有效值检波器53由于平方律特性检波器电流与被测电压有效值平方成正比，所以直接接微安表时，刻度是非线性的。国产DJ-2型有效值电压表就利用了上述分段逼近式捡测原理，其电压量程为10mV～300V，频率范围10HZ～150kHZ（上限主要受二极管链式网络寄生电容和寄生电感限制，下限主要受变压器特性限制），输入阻抗1兆欧／/40PF，基本误差±3％。第七章电压测量2.分段逼近式检波式二.有效值检波器543.模拟计算式末级为放大器输出正比于有效值（均方根值）显然，这种模拟计算型电压表的刻度是线性的。图7.4-7模拟计算型有效值电压表原理第七章电压测量有效值电压表的突出优点是输出示值就是被测电压的有效值，而与被测电压的波形无关。二.有效值检波器55三.电压分贝值测量常用分贝值来表示放大器的增益、噪声电平等有关参数。分贝概念实际就是被测量对某一同类基准量比值的对数值。例如电压Ux

的分贝值（7.4-17）式中Us

为基准电压。一般规定在Zs＝600Ω上产生Ps=1mw的功率为基准，相应基准电压为由式（7.4-17）可见，分贝值的测量，实际上仍是电压测量，仅是将原电压示值取对数后在表盘上以分贝定度而已。显然，当Ux

>Us

时，分贝值为正，Ux

<Us时，分贝值为负，Ux

＝Us

时，分