第3章模拟测量方法(讲)

3.1电压测量概述1电压测量的意义1)电压测量是电量测量的基础；

2)非电测量中，物理量转换为电压信号，再进行测量

电子测量技术现在是1页\一共有63页\编辑于星期四3.1电压测量概述2电压测量的特点a.应有足够宽的频率范围直流（零频）到数百兆赫

b.应有足够宽的电压测量范围

微弱信号：心电医学信号、地震波信号纳伏级，超高压信号：电力系统中，数百千伏电子测量技术现在是2页\一共有63页\编辑于星期四c.应有足够高的测量准确度电压测量仪器的准确度可用三种方式表示

1).满度值的百分数，用于具有线性刻度的模拟电压表中

2).读数值的百分数，用于具有对数刻度的电压表

3).两者之和，用在线性刻度电压表中的一种比较严格的准确度表征

3.1电压测量概述电子测量技术现在是3页\一共有63页\编辑于星期四d.应有足够高的输入阻抗电压表的输入阻抗是被测电路的额外负载，为减小测量仪表在接入时对被测电路的分压影响，希望仪器具有较高输入阻抗e.应有足够高的抗干扰能力工业现场测试中，有较大的干扰电子测量技术现在是4页\一共有63页\编辑于星期四e.能够测量各种波形的电压。电子测量技术现在是5页\一共有63页\编辑于星期四3.1电压测量概述3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；数字测量电压测量仪器的分类模拟式电压表；数字式电压表电子测量技术现在是6页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量1表征交流电压的基本参量峰值、平均值、有效值、波峰系数和波形系数。(1)峰值以零电平为参考的最大电压幅值（用Up表示）。注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅（通常用Um表示）。电子测量技术现在是7页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量(2)平均值（均值）数学上定义为：

相当于交流电压u(t)的直流分量。（与信号的强度有关）交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T电子测量技术现在是8页\一共有63页\编辑于星期四定义：表达式：

3.2交流电压的测量(3)有效值意义：有效值在数学上即为均方根值。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T电子测量技术现在是9页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量(4)波峰系数和波形系数波峰系数定义：峰值与有效值的比值，用KP表示，波形系数定义：有效值与平均值的比值，用KF

表示，电子测量技术现在是10页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T电子测量技术现在是11页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到：如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方波：Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 锯齿波：Kp=1.73，KF=1.15； 脉冲波：Kp=，KF=，为脉冲宽度，T为周期

白噪声：Kp=3（较大），KF=1.25。电子测量技术现在是12页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量2.交流电压的测量方法

模拟电压表:(最主要的测量方法、仪器）

检波器：实现交流电压测量（AC-DC变换）的核心部件。放大器：为了测量小信号电压，也是电压表中不可缺少的部件。电子测量技术现在是13页\一共有63页\编辑于星期四组成方案有两种类型： 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。目的：为了获得两个重要指标：带宽和灵敏度(分辨力)电子测量技术现在是14页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量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。检波-放大式电压表a.组成框图;b.提高灵敏度电子测量技术现在是15页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量放大-检波式电压表先放大再检波，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。电子测量技术现在是16页\一共有63页\编辑于星期四有效值电压表：热电转换法；公式法外差式电压表原理：外差式接收原理。是解决灵敏度和频率范围的一种方法。3.2交流电压的测量电子测量技术现在是17页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量特点:

由于外差测量法的中频是固定不变的，中频放大器有良好的选择特性，这样就解决了放大器的增益与带宽的矛盾。且可以削弱噪声的影响。应用小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。放大器谐波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。电子测量技术现在是18页\一共有63页\编辑于星期四1)平均值检波原理

a.由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。如图，整流电路输出直流电流I0，其平均值与被测输入电压u(t)的平均值成正比（与u(t)的波形无关）。 （电容C用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）3.平均值电压的测量3.2交流电压的测量电子测量技术现在是19页\一共有63页\编辑于星期四电子测量技术现在是20页\一共有63页\编辑于星期四2)电压表工作原理均值响应，即：u(t)放大均值检波驱动表头3.2交流电压的测量电子测量技术现在是21页\一共有63页\编辑于星期四电子测量技术现在是22页\一共有63页\编辑于星期四

3.2交流电压的测量

3)刻度特性表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度。因此：当输入u(t)为正弦波时，读数α即为u(t)的有效值U（而不是该纯正弦波的均值）。对于非正弦波的任意波形，读数α没有直接意义（既不等于其均值也不等于其有效值U）。但可由读数α换算出均值和有效值。电子测量技术现在是23页\一共有63页\编辑于星期四由读数α换算出均值和有效值的换算步骤如下：第一步，把读数α想象为有效值等于α的纯正弦波输入时的读数，即第二步，由计算该纯正弦波均值第三步，假设均值等于的被测波形（任意波）输入，即

注：“对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等”。第四步，由，再根据该波形的波形系数（查表可得），其有效值3.2交流电压的测量电子测量技术现在是24页\一共有63页\编辑于星期四上述过程可统一推导如下：上式表明，对任意波形，欲从均值电压表读数α得到有效值，需将α乘以因子k。（若式中的任意波为正弦波，则k=1，读数α即为正弦波的有效值）。3.2交流电压的测量电子测量技术现在是25页\一共有63页\编辑于星期四综上所述，对于任意波形而言，均值电压表的读数α没有直接意义，由读数α到均值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下： 式中，α为均值电压表读数，KF为波形系数。波形误差。若将读数α直接作为有效值，产生的误差3.2交流电压的测量电子测量技术现在是26页\一共有63页\编辑于星期四例：用平均值表（全波式）分别测量方波及三角波电压，电压表均指在10V位置，问被测电压的有效值分别是多少？对于方波，先将示值（10V）折算成正弦波的平均值再用波形系数换算成有效值。对于三角波，因示值与方波相同，表明它的平均值也是9V,有效值3.2交流电压的测量电子测量技术现在是27页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量误差分析电子测量技术现在是28页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量1）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。因此，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。5有效值电压的测量电子测量技术现在是29页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量2）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。电子测量技术现在是30页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量3）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存在温差时（即T≠T0），则存在热电动势，且热电动势的大小与温差ΔT=T-T0成正比。电子测量技术现在是31页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量热电偶： 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。电子测量技术现在是32页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量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U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U的平方，故电子测量技术现在是33页\一共有63页\编辑于星期四电子测量技术现在是34页\一共有63页\编辑于星期四电子测量技术现在是35页\一共有63页\编辑于星期四电子测量技术现在是36页\一共有63页\编辑于星期四电子测量技术现在是37页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量1）峰值检波原理：4.峰值电压的测量电子测量技术现在是38页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量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U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U的平方，故电子测量技术现在是39页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量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。电子测量技术现在是40页\一共有63页\编辑于星期四上图中，通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。测量热偶的热电动势Ex∝U2，令Ex=k1U2

； 平衡热偶的热电动势Ef∝U02，及Ef=k2U02

； 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Ui=Ex-Ef=k(U2-U02)， 若放大器增益足够大，则有Ui=0，==〉 U0=U（即输出电压等于u(t)有效值）3.2交流电压的测量电子测量技术现在是41页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量有效值电压表的特点：优点：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）。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U1、U2、U3、……，则读数不足：下面两种情况使读数偏小：①对于波峰系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”；②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：常采用峰值或均值电压表测有效值。电子测量技术现在是42页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量1）峰值检波原理：4.峰值电压的测量电子测量技术现在是43页\一共有63页\编辑于星期四当V1〉V。时：

信号由（+）端加入，OPA的输出Va为正电压，二级管D导通，于是输出电流经D对电容C充电一直充至与Vi相等之电压。

（当D导电时此电路作用如同—电压跟随器）当V1〈V。时：

OPA的输出Va为逆向偏压，相当于开路，于是电容C既不充电也不放电，维持于输入之最大值电压右图为输出与输入的充放电情形，其中输出波形V。，一直保持在输入波形Vi的最大峰值。电子测量技术现在是44页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量2）峰值电压表工作原理：峰值响应，即：u(t)峰值检波放大驱动表头3）刻度特性：表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度。因此： 当输入u(t)为正弦波时，读数α即为u(t)的有效值U（而不是该纯正弦波的峰值Up）。

对于非正弦波的任意波形，读数α没有直接意义（既不等于其峰值Up也不等于其有效值U）。但可由读数α换算出峰值和有效值。4.峰值电压的测量电子测量技术现在是45页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量由读数α换算出峰值和有效值的换算步骤如下：第一步，把读数α想象为有效值等于α的纯正弦波输入时的读数，即第二步，将U~转换为该纯正弦波的峰值第三步，假设峰值等于Up~的被测波形（任意波）输入，即

注：“对于峰值电压表，（任意波形的）峰值相等，则读数相等”。第四步，由，再根据该波形的波峰系数（查表可得），其有效值电子测量技术现在是46页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量上述过程可统一推导如下：该式表明：对任意波形，欲从读数α得到有效值，需将α乘以因子k。（若式中的任意波为正弦波，则k=1，读数α即为正弦波的有效值）。电子测量技术现在是47页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量综上所述，对于任意波形而言，峰值电压表的读数α没有直接意义，由读数α到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：

电子测量技术现在是48页\一共有63页\编辑于星期四3.2交流电压的测量

式中，α为峰值电压表读数，Kp为波峰系数。波形误差。若将读数α直接作为有效值，产生的误差。电子测量技术现在是49页\一共有63页\编辑于星期四例:用峰值表分别测量方波及三角波电压，电压表均指在5V位置，问被测电压有效值是多少？对于方波，3.2交流电压的测量对于三角波，电子测量技术现在是50页\一共有63页\编辑于星期四6.脉冲电压的测量3.2交流电压的测量脉冲电压表的原理电容器C充电时放电时电路平衡时Q1=Q2电子测量技术现在是51页\一共有63页\编辑于星期四理论误差代入Up后得3.2交流电压的测量电子测量技术现在是52页\一共有63页\编辑于星期四定义：电子测量中，习惯上把信号电压以外的电压统称为噪声。产生：电子电路中，各种元器件内部带电质点运动的不规则造成的现象。分类：

热噪声：材料一定温度下，内部微粒不规则的热运动产生

散粒噪声：电荷运动的不连续产生的晶体管噪声

白噪声：各频率能量分布均匀的光称为白光性质：随机信号、波形非周期、变化无规律3.3噪声电压的测量1噪声的基本特性电子测量技术现在是53页\一共有63页\编辑于星期四采用平均值表测量。波形系数有效值注意问题：①选用表频率范围尽量宽②利用量程开关，克服“削波”现象2噪声电压的测量3.3噪声电压的测量电子测量技术现在是54页\一共有63页\编辑于星期四3器件噪声的测量3.3噪声电压的测量电子测量技术现在是55页\一共有63页\编辑于星期四3.3噪声电压的测量正弦信号法噪声发生器法电子测量技术现在是56页\一共有63页\编辑于星期四3.3噪声电压的测量噪声带宽的测量正弦信号法电子测量技术现在是57页\一共有63页\编辑于星期四3.3噪声电压的测量噪声发生器法信噪比的测试电子测量技术现在是58页\一共有63页\编辑于星期四1.分贝的数学定义：声学中，分贝