仪器仪表 模拟测量方法

仪器仪表模拟测量方法第1页，共79页，2023年，2月20日，星期日第3章模拟测量方法

3.1电压测量概述3.2交流电压的测量（*）3.3噪声电压的测量3.4分贝的测量3.５失真度的测量第2页，共79页，2023年，2月20日，星期日第3章模拟测量方法重点：交流电压的测量方法均值电压表有效值电压表峰值电压表其读数原理噪声电压的测量难点：交流电压的测量方法及其读数原理第3页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.1电压测量概述电压测量是电测量与非电测量的基础电测量中，电量的测量可以转化为电压测量电流、功率电压饱和与截止，线性度、失真度电压非电测量中，先转化为电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度一、电压测量的重要性第4页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.1电压测量概述——从直流到数百兆赫兹——二、电压测量的基本要求直流—10－7级交流—10－4∽10－2级————1、宽频率2、宽量程3、高准确度5、高抗干扰能力4、高输入阻抗第5页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.1电压测量概述β%Um——满度值的百分数常用于线性刻度的模拟电压表中α%Ux——读数值的百分数多用于对数刻度的电压表中β%Um+α%Ux用在具有线性刻度电压表的一种较严格的精确度表征，数字电压表都用这种方式。

3、准确度的表示第6页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.1电压测量概述(续)三、电压测量仪器的分类1、按显示方式分：模拟式电压表数字式电压表DVM2、按功能分：直流电压表交流电压表低频电压表高频电压表超高频电压表3、按检波器分：峰值电压表均值电压表有效值电压表第7页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.2交流电压的测量3.2.1交流电压的表征3.2.2交流电压的测量方法3.2.3平均值电压的测量3.2.4有效值电压的测量3.2.5峰值电压的测量3.2.6脉冲电压的测量第8页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.2.1交流电压的表征1、峰值UP—波形正方向或负方向的最高点从参考0电平开始算起2、平均值数学上：电压测量—全波整流振幅峰值平均值第9页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.2.1交流电压的表征(续)3、有效值U定义：－Note：①各类电压表都是按正弦波有效值定度的；②若被测电压都是正弦波，且角频率成倍数关系，则有效值满足叠加性：第10页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.2.1交流电压的表征(续)4、波形系数KF5、波峰系数KP第11页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.2.1交流电压的表征(续)常见波形的KF与KP（P67）1.731.15三角波锯齿波UPUP11方波1.4141.11正弦波¯UKPKF波形U第12页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.2.2交流电压的测量方法直流电压表—分压电阻＋直流表头R交流电压表—整流＋直流表头AC—DC交流直流整流第13页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.2.2交流电压的测量方法（续）整流方式——按灵敏度和频带分：交流直流①放大－检波式放大器检波器整流特点：A、灵敏度受放大器内部噪声限制，mV级B、频率受放大器带宽限制，20～10MHz第14页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.2.2交流电压的测量方法（续）整流方式——按灵敏度和频带分：交流直流②检波－放大式检波器放大器整流特点：A、灵敏度受放大器影响B、频率取决于检波二极管的高频特性，20Hz∽300MHz第15页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.2.2交流电压的测量方法（续）整流方式——按灵敏度和频带分：交流f直流③外差式特点：A、灵敏度高（）B、测高频（20Hz∽300MHz）放大器检波器混频器本振fc可调第16页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.３平均值电压的测量一、组成（视频毫伏表）二、均值检波器半波整流全波整流滤除交流，避免指针抖动交流直流放大器平均值检波器分压器保护二极管第17页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.３平均值电压的测量（续）三、刻度特性—以正弦波的有效值为刻度非正弦波换算—“示值同则均值同”第18页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.３平均值电压的测量（续）例1：用均值表分别测方波、三角波、正弦波，电压表读数均为10V，问被测电压的有效值分别为多少？①平均值：②有效值：正弦波不用换算第19页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.３平均值电压的测量（续）四、误差分析1、可能引起的误差指示微安表自身误差、检波二极管性能参数变化、被测电压超过频率范围、波形不同都会带来误差。2、非正弦波的波形误差

绝对误差：相对误差：

第20页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.３平均值电压的测量（续）例：接上例波形误差：第21页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.３平均值电压的测量（续）四、误差分析3、失真正弦波的波形误差

设测一个包含二次或三次谐波失真的正弦波电压：n次谐波幅度相对于基波的百分数初相角平均值：指示值：第22页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.３平均值电压的测量（续）四、误差分析3、失真正弦波的波形误差

真正的有效值：波形误差：n次谐波的非线性失真系数第23页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.３平均值电压的测量（续）四、误差分析4080120160200240280320360400012345D2＝30％20％10％二次谐波产生的波形误差第24页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.３平均值电压的测量（续）四、误差分析三次谐波产生的波形误差40801201602002402803203604000-404812D2＝30％20％10％-816第25页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.３平均值电压的测量（续）四、误差分析3、失真正弦波的波形误差

结论：①②二次谐波的产生的误差比三次谐波的小③推广：奇次谐波误差比偶次谐波大，偶次谐波误差可忽略。当Dn<10%，奇次谐波的波形误差可估算：第26页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.4有效值电压的测量一、组成二、有效值检波器平方律检波器分段逼近式检波器热电偶式检波器模拟运算式RMS检波器交流直流放大器有效值检波器分压器第27页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.4有效值电压的测量（续）1、平方律检波器趋向0起始电流去掉起始电流的影响，则：特点：①无波形误差②刻度非线性③动态范围小第28页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.4有效值电压的测量（续）2、分段逼近式检波器利用二极管和电阻网络，人为地制造一条用折线逼近的平方率曲线。特点：大大地扩展有效值检波器的动态范围，此种方法用得较为广泛。第29页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.4有效值电压的测量（续）3、热电偶式检波器（1）基本原理第30页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.4有效值电压的测量（续）3、热电偶式检波器（2）热电偶式有效值电压表原理图Ui=0完全对称作用:①刻度线性化②提高热稳定性第31页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.4有效值电压的测量（续）3、热电偶式检波器（3）特点①仪表的灵敏度和频率范围取决于放大器的增益和带宽②刻度线性，基本无波形误差③热惯性，读数较慢例DA－24型量程：1mV-300V频率：10Hz-10MHzS＝1.5第32页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.4有效值电压的测量（续）（3）特点—测量误差④频率误差⑤波形误差原因：受放大器频率宽度的限制范围：抑制方波中的高次谐波而产生误差原因：受放大器动态范围的限制范围：对过高的尖峰可能产生削峰第33页，共79页，2023年，2月20日，星期日饱和失真截止失真第34页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.4有效值电压的测量（续）4、模拟运算式RMS检波器原理:通过多级运算器级连实现5、单片式RMS－DC转换器如AD536AK等。特点:响应时间短、过载性能好特点:准确度高、稳定度高第35页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.5峰值电压的测量一、组成（高频毫伏表）交流直流桥式直流放大器峰值检波器分压器特点:①灵敏度（几十mV）和频率范围（<300MHz）

②电压上限取决于检波二极管的反向击穿电压。改进:①采用高A、低漂移的放大器，灵敏度（几十V）②用超高频二极管，频率范围（<1GHz）③检波器置于探头内—减少高频信号的传输损失。第36页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.5峰值电压的测量（续）二、峰值检波器uc(t)充电＋＋放电串联式并联式Tmax、Tmin是被测电压的最大周期和最小周期起隔直流作用第37页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.5峰值电压的测量（续）三、刻度特性—以正弦波的有效值为刻度非正弦波换算—“示值同则峰值同”第38页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.5峰值电压的测量（续）例3：用峰值表分别测方波、三角波，电压表读数均为5V，问被测电压的有效值分别为多少？①峰值：②有效值：第39页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.5峰值电压的测量（续）四、误差分析①理论误差②频率误差③波形误差原因：放电使测量值小于实际值（固有负误差）正弦波的相对误差：原因：周期长，放电长，误差大（适合高频测量）低频相对误差：原因：对波形的凸起部分非常敏感失真正弦波：尽量不用峰值表第40页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.2.6脉冲电压的测量方法：1、峰值表测量——较大的q值2、脉冲电压表——带脉冲保持电路3、示波器——宽频带第41页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3噪声电压的测量3.3.1噪声电压的基本特性3.3.2用平均值表测量噪声电压3.3.3放大器的噪声参数及其测量第42页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.1噪声电压的基本特性一、分类1、按噪声来源：2、按功率谱：有色噪声白噪声热噪声散粒噪声人为噪声自然噪声电路内部噪声第43页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.1噪声电压的基本特性（续）1、按噪声来源分①人为噪声邻近电台干扰、高压线的电晕放电等②自然噪声打雷放电、雨点静电、太阳的噪声电波等③电路内部噪声由元器件（晶体管、R等）内部带电质点运动不规则造成的现象。一、分类第44页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.1噪声电压的基本特性（续）2、按功率谱分①有色噪声在频率范围内能量分布不均匀②白噪声—在频率范围内能量分布均匀热噪声由于材料内部微粒不规则的热运动产生的散粒噪声在晶体管的PN结中，由于电荷运动不连续而产生的晶体管内部噪声一、分类第45页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.1噪声电压的基本特性（续）1、白噪声电压的瞬时值呈正态分布，其概率密度函数：二、白噪声的统计特性噪声电压瞬时值噪声电压的有效值2、白噪声的功率谱密度：第46页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.2用平均值表测量噪声电压一、读数修正KF未知刻度换算：KF的求解：第47页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.2用平均值表测量噪声电压（续）二、需要考虑的问题1、带宽准则2、测量时间的影响3、波峰因数的影响第48页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.2用平均值表测量噪声电压（续）二、需要考虑的问题1、带宽准则修正后的噪声电压被测系统的噪声带宽测得的噪声电压被测系统＋电压表的噪声带宽第49页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.2用平均值表测量噪声电压（续）B3dBBwn0.786-21.4%2Bwn0.872-12.8%5Bwn0.941-5.9%8Bwn0.962-3.8%电压表的3dB带宽<5%带宽准则：电压表的3dB带宽为被测系统的8∽10倍第50页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.2用平均值表测量噪声电压（续）二、需要考虑的问题2、测量时间的影响时间影响：窄带时间长宽带时间短例：测5Hz和1KHz系统的噪声，使误差<1%，则所需时间分别为1000s和5s。低频测量：通常记录其波形，测其峰－峰值再换算。T时间内的测得值被测系统的噪声带宽测量时间第51页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.2用平均值表测量噪声电压（续）二、需要考虑的问题3、波峰因数的影响量程准则：表头示值不得超过满刻度值的一半半满度测量第52页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.3器件和放大器噪声的测量一、与噪声相关的参数1、等效输入噪声Uni2、噪声带宽Bwn3、信噪比SNR4、噪声系数F二、测量方法：①正弦信号法②噪声发生器法——中、低频——高频第53页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.3器件和放大器噪声的测量（续）1、等效输入噪声Uni的测量（1）定义：把放大器的全部噪声折算为输入端的噪声电压Uni或噪声电流IniA无噪声放大器UniUsRsUnoA无噪声放大器IniUsRsUO电压源电流源第54页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.3器件和放大器噪声的测量（续）1、等效输入噪声Uni的测量（2）测量A无噪声放大器UniRsUno被测器件的输出噪声电压电压增益Au①正弦信号法②噪声发生器法第55页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.3器件和放大器噪声的测量（续）1、等效输入噪声Uni的测量①正弦信号法步骤：UniRsUnoAB、去掉Us，保留Rs，测得UnoC、Note：a、Uni<<Usb、测Uno时，Rs保留，并要符合带宽准则源内阻信号源C、UsRsUoAA、测出放大器增益Au第56页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.3器件和放大器噪声的测量（续）1、等效输入噪声Uni的测量②噪声发生器法UnsRsUno2A步骤：C、计算UniRsUno1AB、只接Rs，A、接上噪声信号源输出Uns，测得Uno2第57页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.3器件和放大器噪声的测量（续）1、等效输入噪声Uni的测量③两种方法比较方法步骤设备范围准确度正弦信号法多通用中低频低噪声发生器法少标准源高频高第58页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.3器件和放大器噪声的测量（续）2、噪声带宽Bwn（1）定义：最大功率增益最大电压增益fG(f)G0Bwn（2）测量方法：①正弦信号法②噪声发生器法第59页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.3器件和放大器噪声的测量（续）3、信噪比SNR（1）定义：（2）测量方法：见P90图3.3-7纯电阻网络分贝表示：第60页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.3.3器件和放大器噪声的测量（续）4、噪声系数F－表征信噪比降低的程度（1）定义：（2）测量方法：见P91图3.3-8分贝表示：放大器功率增益第61页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.4分贝的测量3.4.1数学定义1、功率之比的对数——分贝（dB）（2）分贝P1＝10P2贝尔（1）贝尔1Bel＝10dB（deciBel）取正，P1>P2取负，P1<P2第62页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.4分贝的测量（续）3.4.1数学定义2、电压比的对数R1＝R2取正，U1>U2取负，U1<U2注意系数区别第63页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.4分贝的测量（续）3.4.1数学定义3、绝对电平注意单位一致（1）功率电平dBm假定：以基准量P0＝1mW作为0功率电平（0dBm），则PX的功率电平定义为：第64页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.4分贝的测量（续）3.4.1数学定义3、绝对电平（2）电压电平dBV假定：以基准量U0＝0.775V（正弦有效值）作为0电压电平（0dBV），则UX的电压电平定义为：Note：①PV并未指定阻抗，应指任意阻抗②当R＝600欧，Pw＝PV第65页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.4分贝的测量（续）3.4.1数学定义4、音量单位（VU－VolumeUnits）0VU：600欧阻抗上吸取功率为1mW，则当600欧阻抗上吸取功率为PX[mW]时VU为:第66页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.4分贝的测量（续）3.4.2分贝值的测量应用范围：测量放大器增益或与音响设备有关的参数读数：读数＝量程读数＋指示值例：P97例2和例3实质：仍是交流电压的测量，只是表盘以dB刻度例：P97MF－20表第67页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.５失真度的测量失真：特点：在线性电路中，由于电路的工作点选择不当或信号幅度超过了电路的线性范围，使信号进入了非线性区而产生非线性失真。产生新的频率分量用非线性系数（失真度）表示第68页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.５失真度的测量截止失真饱和失真统称平顶失真第69页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.５失真度的测量纯R负载：3.5.1失真度的定义定义：全部谐波分量的功率之和与基波功率之比的平方根值。全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比。公式：多次