电子测量与仪器第五章电压测量数字万用表1

档位：直流电压，交流电压，直流电流，交流电流，电阻，电容，晶体管目前一页\总数六十四页\编于四点档位切换量程自动选择目前二页\总数六十四页\编于四点5.1电压测量概述

电压测量包括直流测量和交流测量，以及其延伸出来的电流测量、电阻测量等。电压测量的特点：1、频率范围包括直流，交流(10-6~109Hz)。频段不同，测量方法手段也不同。2、测量范围测量电压范围低至几十μV，上限可达几十kV。测量电压低，要求电压表具有较高的分辨力，测量电压高，要加入分压网络，这会降低电压表的输入阻抗。目前三页\总数六十四页\编于四点3、输入阻抗电子测量仪器的输入阻抗就是被测电路的额外负载。为减小测量仪器对被测量的影响，要求仪器具有很高的输入阻抗。4、抗干扰能力仪器工作在高灵敏度时，干扰会引入测量误差。5、测量准确度测量准确度受被测电压的频率、波形等因素影响，在不同条件下准确度的差异较大。不同参数的测量,其准确度相差很大。电压值的基准是直流标准电压。利用数字电压表可使直流电压测量精度优于10-7量级。交流电压测量精度要低得多，在10-2～10-4量级。受AC/DC变换影响，高频时电路分布参数影响不容忽视。目前四页\总数六十四页\编于四点准确度的表示方法：

①满度的百分数---β%Um②读数值的百分数---

α%Ux③满度百分数+读数百分数---α%Ux+β%Um第一种是比较通用的，用于具有线性刻度的电压表；第二种在对数刻度电压表中用得多；第三种用于线性刻度电压表，是一种较严格的准确度表示方法，常用在数字电压表中。在数字电压表中常有“几位半”，误差是“几个字”的说法，指的是数字电压表的精度和误差。具体含义在DVM中叙述。目前五页\总数六十四页\编于四点电压测量仪器的分类：1、按频率范围分直流电压表，交流电压表。交流电压表又分低、高、超高等不同频段。2、按测量功能分类分为直流电压表、交流电压表和脉冲电压表。其中脉冲电压表用于测量脉冲间隔很长的脉冲，一般情况下脉冲电压的测量已逐渐被示波器测量所取代。3、按测量技术分类模拟式电压测量和数字式电压测量。4、按测量电压量级分类分为电压表和毫伏表。电压表的主量程为V(伏)量级，毫伏表的主量程mV(毫伏)量级。主量程是指不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程目前六页\总数六十四页\编于四点5.2模拟直流电压测量一、表头动圈式电压表表头，其工作原理是利用载流导体与磁场间的作用来产生转动力矩，使导体框架转动而带动指针偏转。其偏转角度正比于流过线圈的被测电流大小。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(或满度电流)为Im，若作为直流电压表，满度电压：ImRe表头等效电路目前七页\总数六十四页\编于四点二、扩大量程的测量方法动圈中容许通过的电流很小，例如满偏电流为50μA，电流表内阻为20kΩ，则满偏电压为1V。为了扩大量程，通常采用并联分流法(扩大电流测量范围)或串接倍压电阻(扩大电压测量范围)。

ImReRs并联分流法I目前八页\总数六十四页\编于四点串接倍压电阻扩大测量范围除了不串接倍压电阻的最小电压量程U0外，又增加了三个电压量程U1、U2、U3，对应三个量程，所串三个电阻的阻值分别为：ImReR1R2R3U0U1U2U3目前九页\总数六十四页\编于四点电压灵敏度通常把电压表的内阻与量程之比定义为电压表的电压灵敏度（Ω/V）。电压表在不同档位/量程，其内阻是不同的。可以由电压灵敏度，算出在不同档位时的内阻。目前十页\总数六十四页\编于四点用普通电压表测量高输出电阻的直流电压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(可以知道其量程比值或内阻比值)测量，可由两次测得值计算得到近似的实际值E0。RVV+--UxR0100kΩE05V表头的缺点目前十一页\总数六十四页\编于四点三、直流电子电压表为了改善普通表头的缺点（阻抗不高，不够灵敏），在表头中加装跟随器（提高输入阻抗）或直流放大器（提高测量灵敏度）。R1R2R3放大器FET源极跟随器+--UxR0U1U2U3RmR1R2R3放大器FET源极跟随器+--UxR0U1U2U3RmRF放大倍数A=1+Rm/RF目前十二页\总数六十四页\编于四点图中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Ux测量端看进去的输入电阻基本上只由R0、R1、R2、R3、等串联电阻决定，通常使它们的串联电阻和大于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。(1)R0、R1、R2、R3可以用更大的电阻。(2)电压表输入阻抗基本为常数即流过电流表的电流I0与被测电压成正比，只要分压系数和RF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RF都要使用精密电阻。目前十三页\总数六十四页\编于四点四、调制式直流放大器在上述使用直流放大器的电子电压表中，直流放大器的零点漂移限制了电压表灵敏度的提高，为此，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，可使电子电压表能测量微伏量级的电压。调制式直流放大器的原理: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)。振荡器为调制器和解调器提供固定频率的同步控制信号。两大特点:(1)抑制直流漂移(2)采用交流选频,提高抗干扰能力.目前十四页\总数六十四页\编于四点调制式直流放大器的工作原理

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。在实际直流电子电压表中，还采用了其他措施以提高性能，比如在解调器输出端和调制器输入端间增加负反馈网络以提高整机稳定性等。振荡器交流放大器解调器调制器UitUAtUotUiUBt目前十五页\总数六十四页\编于四点调制工作原理(斩波器)toTUM(c)toUi(b)toUA(d)RCR1KMUiUMUA开闭目前十六页\总数六十四页\编于四点解调器工作原理：图中KD是与调制器中KM同步动作的机械式振子开关或场效应管电子开关，C为隔直流电容，正是由于它的隔直流作用，使放大器的零点漂移被阻断，不至传输到后面的直流电压表表头。R为限流电阻，Rf、Cf成滤波器，滤波后得到放大后的直流信号。

CRRfKDCfUBUDUO目前十七页\总数六十四页\编于四点tttoooTUBUDUo(c)(d)(b)CRRfKDCfUBUDUO解调工作原理开闭目前十八页\总数六十四页\编于四点5.3交流电压的表征和测量一、交流电压的表征交流电压除用具体的函数关系式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。1、峰值周期性交变电压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。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。（峰值与振幅的区别）目前十九页\总数六十四页\编于四点2、平均值u(t)的平均值的数学定义为按照这个定义，实质上就是周期性电压的直流分量U0。目前二十页\总数六十四页\编于四点在电子测量中，平均值通常指交流电压检波(也称整流)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)。未检波前电压波形半波整流和全波整流后的波形

全波平均值定义为如不另加说明，本章所指平均值均为全波平均值。目前二十一页\总数六十四页\编于四点3、有效值在电工理论中曾定义：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。则数学式可表示为实质上即数学上的均方根定义。目前二十二页\总数六十四页\编于四点4、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。波形因数为KF，定义为该电压的有效值与平均值之比波峰因数Kp，定义为该电压的峰值与有效值之比正弦波：目前二十三页\总数六十四页\编于四点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成直流电压，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、有效值检波等二、交流电压的测量方法目前二十四页\总数六十四页\编于四点2、模拟交流电压表的主要类型(1)检波—放大式在直流放大器前面接上检波器，就构成了检波—放大式电压表。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并在电表结构工艺上仔细设计，可使这种电压表的频率范围从几十Hz到几百MHz，输入阻抗也较大。由此可以做成“高频微伏表”目前二十五页\总数六十四页\编于四点(2)放大—检波式当被测电压过低时，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，于是构成了放大—检波式电压表。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制。目前二十六页\总数六十四页\编于四点(3)调制式（高频测量）在前面分析直流电压表时即已提到，为了减小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替代一般的直流放大器，这就构成了调制式电压表。实际上这种方式仍属于检波—放大式。目前二十七页\总数六十四页\编于四点(4)外差式(针对高频电压测量)检波二极管的非线性，限制了检波—放大式电压表的灵敏度，因此虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般仅达到mV级。而对于放大—检波式电压表，由于受到放大器增益与带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围却较窄，一般在10MHz以下。同时两种方式测量电压时，都会由于干扰和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。外差式电压测量法在相当大的程度上解决了上述矛盾。输入电路中包括输入衰减器和高频放大器，衰减器用于大电压测量，高频放大器带宽很大，但不要求有很高的增益。两个矛盾：先检波，电压受检波器限制先放大，增益受放大器限制目前二十八页\总数六十四页\编于四点被测电压的放大主要由后面的中频放大器完成。被测信号经输入电路，与本振信号一起进入混频器转变成频率固定的中频信号，经中频放大器放大后进入检波器转变成直流电压推动表头显示。由于中频放大器具有良好的频率选择性和固定中频频率，从而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，有效地削弱干扰和噪声(它们可认为是宽带的)的影响，使测量灵敏度提高到μV级。可于制成“高频微伏表”。目前二十九页\总数六十四页\编于四点(5)热偶变换式(有效值测量)在对波形未知或波形复杂的电压测量时，例如对噪声电压的测量、失真度测量，都要求能测出电压的真正有效值。这种测量要求AC／DC变换器的输出与输入电压的有效值成正比。利用二极管链式检波器可以实现这种功能，但频率范围不大，一般为几十Hz到几百kHz。另外用得较多的是热偶元件，其基本工作原理如下。热偶元件又称热电偶，是由两种不同材料的导体所构成的具有热电现象的元件。若将被测电压变换成热能加在热电偶上，热电偶将产生相应的电势E=kU2。测量时要求消除热电偶的非线性。电压热能加于热电偶产生热电势目前三十页\总数六十四页\编于四点输入信号u(t)经宽带放大器放大后送入T1，产生热电势E1=k1Ui2。E1经直流放大器A放大后加热平衡热电偶T2，T2产生热电势Ef=k2Uo2。Ef作为负反馈与E1一起加到放大器的A端，直至Ef=E1，放大器保持输出不变。T1与T2完全相同时，Ef=E1，Uo=Ui，实现了有效值的测量及测量的线性化。其它方法目前三十一页\总数六十四页\编于四点1、均值电压表

平均值检波器原理：平均值检波器的基本采用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|ux|，整流器可等效为Rs串联一电压源|ux|，Rm为电流表内阻，C为滤波电容，滤除交流成分。三、交流电压的测量(低频测量)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作交流电压表或交流毫伏表。这类电压表一般采用放大—检波式，检波器有平均值检波器、有效值检波器和峰值检波器。目前三十二页\总数六十四页\编于四点Rd为二极管正向电阻，Rm为电表内阻，上式忽略整流管反向电流的作用。流经表头电流的平均值只与被测电压的平均值有关，全波检波器响应反应被测电压的均值。目前三十三页\总数六十四页\编于四点检波灵敏度：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，定义为对于全波桥式整流器，可导出要提高测量灵敏度，应减小Rd和Rm。目前三十四页\总数六十四页\编于四点输入阻抗：可以证明，对于全波均值整流器，其输入阻抗仍设(这是常规的数值)，则Ri约为1.8kΩ，可见均值检波器输入阻抗很低。放大—检波式目前三十五页\总数六十四页\编于四点2、有效值检波器由式可见，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。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。图中E0为偏置电压，当信号电压ux较小时，有目前三十六页\总数六十四页\编于四点式中k是与二极管特性有关的系数(称为检波系数).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，从而实现了有效值转换。目前三十七页\总数六十四页\编于四点３、峰值检波器峰值检波器输出的直流电压与输入交流信号峰值成比例的检波器。分为串联式和并联式。串联式并联式(具有隔直能力，较常用)充电时间常数要短,放电时间常数要长.目前三十八页\总数六十四页\编于四点要求：充电时间常数RdC远小于放电时间常数Tmin，同时放电时间常数RC要远大于输入信号中的最大周期Tmax。双峰值检波器：将两个串联式检波电路结合在一起，就构成了双峰值检波电路。由上面的分析不难判断，C1或R1上的平均电压近似于ux的正峰值Up+，C2或R2上的平均电压近似于ux的负峰值Up-，检波器输出电压Up+

-Up-，即输出电压近似等于被测电压的峰—峰值。目前三十九页\总数六十四页\编于四点双峰值检波电路四、高频交流电压的测量(略)

采用混频技术目前四十页\总数六十四页\编于四点5.4电压的数字式测量一、数字电压表(DVM)的组成A/D是数字电压表的核心。输入电路A/D变换计数器显示逻辑控制电路时钟发生器模拟部分数字部分ux目前四十一页\总数六十四页\编于四点二、数字电压表的主要技术指标１、测量范围1)量程：借助分压器和输入放大器实现量程扩大。

基本量程：不经衰减或放大的量程。2)位数：数字电压表的位数是以完整显示位来决定的。3)超量程能力：若测量9.999V变成了10.001伏，必须换档，测量没有超量程能力。必须换成100v档才能测。把最大显示位为9的每一位称作一个位，把只能显示0或1的位称为1/2位。显示能变为0、１、２…，但变化不全的位称为3/4位。31/2的表比3位的有100%的超量程能力。“字”“位”目前四十二页\总数六十四页\编于四点２、分辨率指DVM能够显示被测电压的最小变化值，即最小量程时显示器末位跳变一个字所需的最小输入电压。分辨率与ＤＶＭ中的Ａ／Ｄ有关，位数越多，分辨越高。有时称１２位的Ａ／Ｄ具有１２位的分辨率。分辨率越高，被测电压越小都可测，故有时把分辨率称为灵敏度。３、测量误差用被测示值和量程满度值表示。在测量小电压时，宜换用较小的量程档，以提高测量精度。充分利用AD的转换范围。目前四十三页\总数六十四页\编于四点４、测量速率与A/D的速度有关是指DVM测量一次所需要的时间。与内部的触发振荡器,AD速率,显示速率等有关。５、输入阻抗与输入电流输入级多用场效应管形式，输入阻抗比较高。输入电流即可理解为是管的漏电流，这个电流将通过被测信号源。从而在被测信号源内阻上建立压降。因此输入电流应尽量小。６、响应时间(与A/D，显示，振荡器等都有关)7、抗干扰能力（影响测量精度、准确性）目前四十四页\总数六十四页\编于四点三、数字电压表的A/D转换技术１、A/D分类1)比较式：逐次逼近式，直接比较式，….2)积分式：双斜式，Σ-∆，….２、双斜式A/D双斜式A/D通过控制积分器对被测信号及基准电压分别积分，得到与输入电压平均值成正比的时间间隔。实现U－T的转换。目前四十五页\总数六十四页\编于四点先对被测信号固定时间积分，后对固定电压固定斜率积分目前四十六页\总数六十四页\编于四点缺点：精度低、速度低优点：抗干扰能力强，对积分、时钟要求不高，灵敏度不错积分器反向积分，过零比较积分斜率与时间常数及被积信号有关。目前四十七页\总数六十四页\编于四点3、逐次逼近比较式A/D考研逐次比较式A／D主要电路单元有比较器、控制器、逐次逼近寄存器SAR、缓冲寄存器、译码器和模／数(D／A)转换器。(“天平”思想…)Ｔ型电阻网络D/A变换原理：IUo=I*2R有趣的T网络目前四十八页\总数六十四页\编于四点权电阻D/A变换原理：我是一个加法器电阻激光修正目前四十九页\总数六十四页\编于四点逐次逼近式Ａ／Ｄ原理：3V/5V=0.6(99H/FFH)10011001目前五十页\总数六十四页\编于四点逐次逼近式Ａ／Ｄ工作流程目前五十一页\总数六十四页\编于四点+_C3+_C1+_C2编码器RRRR参考信号Ur输入信号Vin比较器输出4、并联比较式A/D---最快的A/D转换器Σ-Δ式A/D目前五十二页\总数六十四页\编于四点AC-DCI-UR-U直流数字电压表UmU∞IxRx5.5数字多用表一、数字多用表(DＭM)的组成将各种被测量变换为电压信号。DVM目前五十三页\总数六十四页\编于四点二、多用表中的转换技术1、ＡＣ-ＤＣ转换器均值、有效值、峰值。前面介绍的转换方法。集成电路实现：按有效值的定义，用集成电路来实现，用集成电路的乘法器、除法器能进行均方根运算。XY/Z平均值电路，输出再送入Z端。最终输出为输入信号的有效值。目前五十四页\总数六十四页\编于四点２、Ｉ－U转换器大信号Ｉ－Ｕ转换器受Rs的影响，大信号要用小电阻，小信号可能要进行放大。此时多采用下一个电路。小信号Ｉ－Ｕ转换器运放具有高输入阻抗(受运放输出电流限制，不宜用来测量大电流）思考:怎么用万用表测电流?内阻目前五十五页\总数六十四页\编于四点3、Ω－U转换器（恒流法）思考：如何用放大器组成电流源？采用跟随器加恒流输出管后，可增大恒流的调节范围。目前五十六页\总数六十四页\编于四点三、DMM的干扰及抑制由于DVM的灵敏度很高，因而对干扰的抑制能力就成为保证它的高精度测量能力的重要因素。干扰可分为随机性干扰和确定性干扰，确定性干扰可分为串模干扰和共模干扰两种。HLHL目前五十七页\总数六十四页\编于四点

1、串模干扰串模干扰是指干扰电压Usm以串联形式与被测电压Ux迭加后加到DVM输入端。图(a)表示串模干扰来自被测信号源内部，图(b)表示串模干