第6章电压测量

第六章电压测量本章重点6.1概述6.2电压测量中的模-数变换6.3交流电压的测量6.4以电压测量为基础的其他测量本章小结习题六本章重点：电压测量的重要性，对电压测量的要求和分类直流电压的测量交流电压的测量数字多用表：以电压测量为基础的其他测量6.1概述

一、电压测量的重要性电压是一个基本物理量，是集总参数电路中表征电信号能量的三个基本参数(电压、电流、功率)之一，电压测量是电子测量中的基本内容。在电子电路中，电路的工作状态如谐振、平衡、截止、饱和以及工作点的动态范围，通常都以电压形式表现出来。电子设备的控制信号、反馈信号及其它信息，主要表现为电压量。在非电量的测量中，也多利用各类传感装置，将非电参数转换成电压参数。电路中其他电参数，包括电流和功率，以及如信号的调幅度、波形的非线性失真系数、元件的Q值、网络的频率特性和通频带、设备的灵敏度等等，都可以视作电压的派生量，通过电压测量获得其量值。最重要的是：电压测量直接、方便电压表并接在被测电路上，只要其Ri足够大，就可获得较满意的测量结果，而几乎不对原电路工作状态有影响。电流测量首先须把电流表串接在被测支路中；其次电流表的接入改变了原来电路的工作状态，测得值不能真实地反映出原有情况。结论：电压测量是电子测量的基础，在电子电路和电子设备的测量调试中，它是不可缺少的基本测量。二、电压表（测量仪器）的分类1．按测量技术和显示方式分类模拟式电压表：数字式电压表：注：电压测量仪器主要指各类电压表。一般在工频(50Hz)和要求不高的低频(低于几十kHz)测量时，可使用一般万用表电压档；其他情况大都使用电子电压表。TO模拟式电压表：模拟交流电压表的频率范围比较宽：尤其在高频电压测量中价格占优灵敏度和精度不高：受表头误差和读数误差的限制；准确度和分辨力不及数字式；不便于与计算机及网络连接；优势：结构相对简单，价格较为便宜，频率范围宽；如不需要准确测量电压的真实大小，而只需要知道电压大小的范围或变化趋势时可选用。数字式电压表：测量速度快：输入阻抗大：DVM的Ri一般为10MΩ左右，高的可超过1000MΩ，负载效应几乎可以忽略测量准确度高：直流数字电压表，高档的可达10-7量级，测量灵敏度达1V；读数清晰，直观方便：测量结果是数字形式输出、显示自动化程度高：功能多样；可组成自动测试系统。不足：结构复杂；成本高；线路复杂；专业维修；频率范围不及模拟式

作为零示器或者谐振电路调谐时观测峰值、谷值，此时用模拟式电压表更为直观。由于微处理器的运用，高中档数字式电压表已普遍具有数据存贮、计算及自检、自校、自动故障诊断功能，并配有IEEE-488或RS232C接口，很容易构成自动测试系统。2．按被测信号的特点分类直流电压表：电压表的主量程为V(伏)量级，毫伏表的主量程mV(毫伏)量级。主量程：不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程。交流电压表：分为超低频(<10Hz)、低频(<1MHz)、视频(<30MHz)、高频或射频(<300MHz)和超高频电压表(>300MHz)。按结构、体积和控制方式分类：按

A/D种类分--积分式，非积分式按

AC-DC的对应关系--均值表，峰值表，有效值表按放大和检波的次序--交流电压表可分为放大-检波式，检波-放大式，外差式按显示结果位数，DVM可分为--3位半、4位、4位半……8位等位数含义：半位、非完整位二、电压表的常用技术指标及自动功能（一）电压表的常用技术指标电压幅度及频率测量范围：应具有足够宽的电压测量和频率范围电压测量的有效值范围：低至10-9V，高到几十伏，几百伏甚至上千伏。可测最高至最低频率范围：除直流外，交流电压的频率从10-6(甚至更低)到109Hz（一）电压表的常用技术指标准确度或不确定度：说明测量结果误差的严重程度与电路的传递函数关系密切A/D量化误差、电压表内部噪声及放大器存在失调电压等造成分辨力：能分辨的电压最小变化值；与DVM显示位数有关输入阻抗及输入零电流：输入阻抗：尽可能大定义：直流（纯

R）、交流表（R//C）的区别；输入零电流：造成测量误差电压表测量电压及其等效电路图数字电压表的显示位数：含义；与分辨力关系测量速度和响应时间：测量速度：每秒测量电压次数；与

A/D类型和显示位数有关响应时间：电压表跟踪电压幅度、极性或量程改变所需时间7．抗干扰能力：必须具有较高的抗干扰能力串模干扰抑制比(SMMR)提高

SMMR

的主要方法：对干扰信号在内的电压表输入端电压按干扰信号的整数倍周期取平均，或适当加长平均时间。共模干扰抑制比：共模干扰的影响：通过接线电阻上产生压降转化为与被测信号串联的电压。共模干扰的抑制：尽可能缩短电压表与被测电路之间连线，减少连线及连接器件的电阻；尽可能选择平衡输入的电压表；对非平衡输入的电压表，采用双层屏蔽。6.2电压测量中的

A/D

变换电压测量的重要性实际电压测量：电压表、多用表数字电路模拟电路DMM组成简图AC-DC变换Ω-V变换I-V变换A/D变换显示直流DVM计数与处理控制逻辑电路比较型

--将输入模拟电压与离散标准电压相比较，典型的是具有闭环反馈系统的逐次比较式。6.2电压测量中的

A/D

变换A/D变换的主要类型积分型

--间接转换形式。对输入模拟电压进行积分并转换成中间量（T或f），再通过计数器等将中间量转换成数字量。由比较型A/D构成的DVM：测量速度快(高达100万次/秒)，电路比较简单；但抗干扰能力差。积分型A/D构成的DVM：突出优点是抗干扰能力强,精度高；主要不足是测量速度慢。复合型A/D--将积分型与比较型结合起来。随着电子技术的发展，新的A/D变换原理和器件不断涌现，推动DVM的性能不断提高。一、积分式A/DTo（一）双积分式A/D：V-T原理框图：工作原理：准备期：取样（第一积分）期：比较（第二积分）期：（一）双积分式A/D：V-T关系式：双积分A/D的优缺点及设计注意问题：优点：抗串模干扰能力强；对积分元件及时钟信号的稳定性和准确度要求降低；测量灵敏度较高（mV级）。缺点：测量速度慢；积分器、比较器中的OA的零漂会带来转换误差；N2存在计数误差。双积分型

DVM

原理框图

常用集成双积分式A/

D型号和主要特性7106：3位半；支持LCD；7107：驱动LED；7116：驱动LCD；7117：驱动LED；7126：驱动LCD；14433：BCD码；7109：二进制码；7135：4位半；BCD码7129：4位半；驱动LCD；7555：5位半；BCD码4斜积分（二）三积分A/D原理框图与双积分类似，但多一个计数器过程：正向积分相同：反向积分时：先接入一段时间Vr，当积分至Vo≤VA，在下一时钟到来时，接入Vr/k至Vo=0。则：结果：（三）多积分式A/D（了解，自学）N1和N21中无计数误差；N22中的计数误差被削弱k倍。（四）脉冲调宽式A/D：V-T原理框图：工作原理与工作波形图：优缺点及设计注意问题：优点：精度相对高缺点：速度慢注意问题：±Vr：基准电压接入；平衡Vx输入，使一周内的电压平均值为零。Vs：节拍方波，起测量控制作用；不直接参与电压转换。Vx=0：±Vr接入时间相等。Vx>0：需要增加-Vr的接入时间TN，缩短+Vr的接入时间TP，以保证一周内电压平均值=0；Vx<0则相反。Vx可以用Vr中负脉冲与正脉冲宽度比衡量。（五）压频（V/F）式A/D：V-FVx->线性变化的电压->产生与被测Vx成正比的f->Nc->Vx（六）∑-△型A/D:二、比较式A/D（一）余数循环比较式A/D原理框图和工作原理：将完成一遍全部比较之后的剩余误差保存，放大后再比较一次，若有误差则再放大再比较，如此反复循环。优缺点：速度快；分辨率受限制二、比较式A/D（二）逐次逼近比较式A/D原理框图和工作原理：类似于天平称量过程，利用对分搜索，依次按二进制递减规律，从数字码的最高位(

MSB

，相当于满度值

FS

的一半)开始，逐次比较到低位，比较时大者弃、小者留，使

Vo逐次逼近

Vx。To三位逐次比较流程图3Bit逐次比较A/D工作波形图表2三位逐次比较过程(Ur＝8V，Ux=5V)优缺点：速度快；精度受D/A位数限制，易受干扰，准确度由Vr、D/A和比较器的漂移决定。采用逐次逼近比较A/D的DVM（8位）原理框图：（二）逐次逼近比较式A/D各类A/D变换器比较A/D变换器：主要技术特性：分辨率，精度，转换时间，量程，电源灵敏度，输出逻辑电平，工作温度范围模拟误差：偏移、非线性、增益误差发展方向：6.3交流电压的测量DVM：是线性化刻度仪器DMM

：配接各种转换器，被测量线性-直流电压。数字电路模拟电路DMM组成简图AC-DC变换Ω-V变换I-V变换A/D变换显示直流DVM计数与处理控制逻辑电路（一）均值

AC-DC

变换器：均值检测器，检波输出的直流电压与输入交流信号的均值成比例交流电压平均值的表征：平均值、全/半波平均值均值检波常见电路：均值检波电压表的一般结构：放大-检波式均值检波表的优缺点：灵敏度高；带宽有限（1KHz～十几MHz）To一、AC-DC变换器：把交流电压变为直流电压（二）峰值AC-DC变换器：峰值检测器，检波输出的直流电压与输入交流信号的峰值成比例交流电压峰值的表征：在一个周期内偏离零电平的最大值几种常见的峰值检波电路：峰值检波电压表的一般结构：检波-放大式峰值检波表的优缺点：高频电压表；现代超高频电压表；直流放大器缺点峰值检波器的安放位置：电压表前端的探头内（三）有效值AC-DC变换器：有效值检测器，检波输出的直流电压与输入交流信号有效值成比例交流电压有效值的表征：几种常见的有效值检波电路有效值检波电压表的一般结构：放大-检波式有效值检波表的优缺点：模拟运算法有效值AC-DC：用乘法器等元器件组装：电路简单，性能一般引入负反馈，改善模拟有效值AC-DC变换器的性能（频率特性和抗干扰性）：直流反馈式有效值AC-DC，对数反馈式有效值AC-DC数字采样式有效值AC-DC：热电转换式有效值AC-DC：热电偶有效值变换的工作原理及其优缺点：热电阻及热敏晶体管有效值变换的工作原理及其优缺点：正弦电压：三种检波电压表均显示其有效值真有效值电压表：对任意波形均显示其有效值非正弦波电压：波形不规则或幅度分布无简单规律：只能用真有效值电压表非正弦的其它有规律的波形或其幅值分布规律明确：可以用波形因数KF及波峰因数KP来换算二、交流电压表的显示特性（刻度特性，重点、难点）波峰因数

KP

：为任意形状电压的峰值与有效值之比波形因数

KF

：为任意形状电压的有效值与平均值之比交流电压的波形因数KF、波峰因数KP：表示交流电压的有效值、平均值和峰值间的关系二、交流电压表的显示特性：对读数的解释用均值表测量时的显示特性均值表测纯正弦波：显示值即为正弦波的Vrms；均值表测非正弦波：读数无直接意义；如被测信号电压波形规则或分布有规律，则可由正弦波和被测信号的KF对显示值变换，得到其均值和有效值。例6-1，例6-2二、交流电压表的显示特性（刻度特性）用峰值表测量时的显示特性峰值表测纯正弦波：显示值即为正弦波的Vrms；峰值表测非正弦波：读数无直接意义；如被测信号电压波形规则或分布有规律，则可由正弦波和被测信号的

KP对显示值变换，得到其峰值和有效值。例6-3，例6-4二、交流电压表的显示特性（刻度特性）三种检波电压表主要特性比较二、交流电压表的显示特性（刻度特性）结论：对非正弦波，使用性能良好的均值表、峰值表和有效值表测量时，测量显示值不同；对波形规则或分布有规律的非正弦波形，可以用均值表或峰值表测量，但要对显示值进行变换。二、交流电压表的显示特性（刻度特性）（一）外差式交流电压表：选频电压表（测试接收机）放大-检波式（均值、有效值）电压表的优缺点检波-放大式（峰检）电压表的优缺点外差式交流电压表及其优点：三、几种各具特色的交流电压表（二）电平表：通信系统传输中应用分贝（相对电平）的概念：描述两个量的比值功率相对电平电压相对电平电流相对电平绝对功率电平绝对电压电平三、几种各具特色的交流电压表（二）电平表：通信系统传输中应用分贝（电平）的测量分贝值测量：即为交流电压测量，表盘以dB分度分贝（电平）表的刻度：分贝表的使用注意事项：分贝表分贝值范围很小，要测大分贝值需在电平表输入端串入步进衰耗器分贝值的测量必须在额定的频率范围内，且测量值为正弦有效值

分贝刻度的读法示意图（三）矢量电压表：测量相位差三、几种各具特色的交流电压表（四）测热电阻式电压表：高精度高频电压测量，用作射频电压标准；二次电压法开关S接DC触点：开关S接RF触点：两次平衡RT上功率相同：两个测热电阻完全对称R=2RT三、几种各具特色的交流电压表6.4以电压测量为基础的其它测量DVM：是线性化刻度仪器DMM

：配接各种转换器，被测量线性-直流电压。数字电路模拟电路DMM组成简图AC-DC变换Ω-V变换I-V变换A/D变换显示直流DVM计数与处理控制逻辑电路一、数字式电压表（DVM）的工作原理1．直流数字式电压表模拟部分：包括输入电路(如阻抗变换，放大电路、量程控制)和A/D变换器。电压表的主要技术指标如准确度、分辨力等主要取决于这一部分电路。数字部分：完成逻辑控制，译码(比如将二进制数字转换成十进制数字)和显示等功能。2．数字多用表(DMM)：在数字直流电压表前端配接相应的变换电路，其核心是数字直流电压表。数字电路模拟电路DMM组成简图AC-DC变换Ω-V变换I-V变换A/D变换显示直流DVM计数与处理控制逻辑电路直流数字电压表是线性化显示，要求DMM前端配接的AC/DC、I/V、Ω/V等变换器也必须是线性变换器。数字电路模拟电路DMM组成简图AC-DC变换Ω-V变换I-V变换A/D变换显示直流DVM计数与处理控制逻辑电路(1)线性AC-DC变换器DMM中的线性AC-DC变换器：有均值检波、有效值检波和峰值检波。有效值AC-DC：可采用热电变换式和计算式（模拟计算式或数字采样式）。均检和峰检通常利用负反馈原理以克服检波二极管的非线性，以实现线性AC-DC转换。数字多用表（DMM）线性平均值AC/DC(2)I-V变换器基本原理：令被测电流Ix流过标准电阻Rs，根据欧姆定律，Rs上端电压，从而完成了I/V线性转换。实现电路及要求：为了减小对被测电路的影响，电阻Rs的取值应尽可能小（受DVM内阻影响）。数字多用表（DMM）图(a)：图(b):当Ix较小时(Ix小于几个毫安)I/V转换电路，忽略运放输入端漏电流，输出电压U0与被测电流Ix间满足：中、大信号I/V变换，采用高输入阻抗同相运算大器，可算出输出：(3)Ω-V变换器恒流法Ω-V变换器：比例电压法Ω-V变换器:数字多用表（DMM）恒流源恒流法Ω/V变换器：输出电压与被测电阻成正比，Us/Rs实质上构成了恒流源，改变Rs，可以改变Rx

的量程。测量误差取决于Rs的准确度。阻抗定义及其表示方法阻抗是描述网络和系统的一个重要参量。对于无源单口网络，阻抗定义为：6.4以电压测量为基础的其它测量二、阻抗的测量

式中的和分别为端口电压和电流向量。在集中参数系统中，表明能量损耗的参量是电阻元件R，而表明系统贮存能量及其变化的参量是电感元件L和电容元件C。严格地分析这些元件内的电磁现象是非常复杂的，因而在一般情况下，往往把它们当作不变的常量来进行测量。

式中R和X分别为阻抗的电阻分量和电抗分量，和分别称为阻抗模和阻抗角。阻抗两种坐标形式的转换关系为：导纳Y是阻抗Z的倒数，即其中

分别为导纳Y的电导分量和电纳分量。导纳的极坐标形式为：式中和分别称为导纳模和导纳角。电阻器、电感器和电容器的电路模型及其基本特性一个实际的元件，如R、C和L，都不可能是理想的，存在着寄生C

、寄生L和损耗。即一个实际的R、L、C元件都含有三个参量：R、L和C。阻抗的数值一般都随所加的I、V、F及环境温度、机械冲击等而变化，尤其频率较高时，各种分布参数的影响变得十分严重。二、阻抗的测量

电阻器、电感器和电容器在考虑各种因素时的等效模型和等效阻抗。其中R0、R0、L0和C0均表示等效分布参量。一个实际的电阻器：在高频情况下，既要考虑其引线电感，同时又必须考虑其分布电容，故其模型如表中的l-3所示。其等效阻抗为：

上式中Re、Xe分别为等效阻抗的电阻分量和电抗分量。在频率不太高时，即时，上式可近似为：

称为电阻器的时常数。显然，当时，电阻器为纯电阻，时，电阻器呈电感性，时电阻器呈电容性。这也就是说，当工作频率很低时，电阻器的电阻分量起主要作用，其电抗分量小到可以忽略不计，此时Ze＝R；随着工作频率的提高，就必须考虑电抗分量了。

精确的测量表明，电阻器的等效电阻本身也是频率的函数，工作于交流情况下的电阻器，由于集肤效应、涡流效应、绝缘损耗等，使等效电阻随频率而变化，设R=和R~分别为电阻器的直流和交流阻值，实验表明，可用如下经验公式足够准确地表示它们之间的关系：

通常用品质因数Q来衡量电感器、电容器以及谐振电路的质量，其定义为电感器：若只考虑导线的损耗，电感器的模型如表中的2-2所示，其品质因数：

式中I和T分别为正弦电流的有效值和周期。在频率较高的情况下，需要考虑分布电容，电感器的模型如表中的2-3所示，其等效阻抗为：

若电感器的Q值很高，其损耗电阻R0很小，上式中分母中的虚部忽略，此时电感器的等效电感为：

电容器：若仅考虑介质损耗及泄漏等因数，其等效模型如表中的3-2所示。其等效导纳为品质因数为：

上式中的U和T分别为电容器两端正弦电压的有效值和周期。对电容器而言，常用损耗角和损耗因数D来衡量其质量。把导纳Y画在复平面上，图中画出了损耗角其正切为：损耗因数定义为：当损耗较小，即较小时，有

当频率很高时，电容器的模型如表中的3-3所示，其中L0为引线电感，

为引线和接头引入的损耗，R0为介质损耗及泄漏。此时，寄生电感的影响相当显著，若忽略其损耗电阻，电容器的等效导纳为：故其等效电容为：由上式可见，若L0越大，频率越高，则Ce与C相差就越大。阻抗的测量特点和方法只是在某些特定条件下，R、L和C才能看成理想元件。一般情况下，它们都随所加的I、V、F、环境T、机械冲击等因素而变化。因此，在测量阻抗时，必须使得测量条件尽可能与实际工作条件接近，否则，测得的结果将会有很大的误差，甚至是错误的结果。二、阻抗的测量阻抗的测量特点和方法了解R、L、C的自身特性，选择合适的测量方法测量阻抗参数最常用的方法伏安法：直流或低频工作元件，准确度稍差电桥法：音频范围内谐振法：高频电路元件；线路简单方便，与使用条件接近现代数字化仪器法：测量误差较小；快捷方便伏安法测量阻抗参数：分别测出元件的V和I，计算出参数值。只用于低频测量，把R、L和C看成理想元件。图(a)：测得的I包含了流过电压表的I，一般用于测量阻抗值较小的元件；图(b)：测得的V包含了电流表上的压降，一般用于测量阻抗值较大的元件。电桥法测量阻抗电桥法测阻抗的基本原理图示的电桥电路，当指示器两端电压相量时，流过指示器的电流相量，这时称电桥达到平衡。由图可知，此时：为了方便，令

当N＝0时，电桥达到平衡。N

越小，表示电桥越接近平衡条件，指示器的读数就越小。因此，只要知道了N随被调元件参数的变化规律，也就知道了指示器读数的变化规律。

上式即为电桥平衡条件，它表明：一对相对桥臂阻抗的乘积必须等于另一对相对桥臂阻抗的乘积。若式中的阻抗用指数型表示，得：电桥法测量阻抗电桥法测阻抗的误差分析：测量误差主要取决于各桥臂Z的误差以及各部分之间的屏蔽效果；为保证电桥的平衡，要求信号源的电压和频率稳定，特别是波形失真要小。电桥法测量R、L、CQs18A型万能电桥电桥法测R电桥法测L电桥法测C常用电桥电路：Qs18A型万能电桥框图及工作原理Qs18A型万能电桥电桥接法是否正确的判断为使交流电桥满足平衡条件，至少要有两个可调元件。一般情况下，任意一个元件参数的变化会同时影响模平衡条件和相位平衡条