电压测量剖析课件

第五章电压测量本章要点：·电压测量的重要性，对电压测量的要求和分类·模拟式直流、交流电压的测量以及高频、脉冲、噪声电压的测量·数字电压表组成原理、工作特性和分类·积分式和比较式A/D转换器及数字多用表的组成原理与特点·数字电压表的误差与干扰5.1

概述5.1.1

电压测量的重要性电压是电子测量的一个主要参数。电参量的基础：U=IRI=U/RR=U/IP=IU=U2/R=I2R电压的派生量，例如，调幅度，波形的非线性失真系数等等。在非电量测量中，大多数物理量（如温度、压力、振动、速度等）的传感器大多是电压作输出的。因此，电压测量是其它许多电参量、非电参数测量的基础。5.1.2

对电压测量的基本要求1.应有足够宽的电压测量范围nV→μV→mV→V→→kV

2.应有足够宽的频率范围交流电压的频率范围约从几Hz到几百MHz，甚至达GHz量级。目前，模拟电压表可测量的频率范围要比数字表高得多。例如，92C型模拟射频电压表频率上限达1.2GHz，而DP100型数字多用表只能达25MHz。3.应有足够小的测量不确定度即可达10-6微伏量级4.应有足够高的输入阻抗5.应具有高的抗干扰能力5.1.3

电压测量仪器的分类1.模拟式电压表指针式电压表：用磁电式电流表作为指示器模拟示波器：刻度比较2.数字式电压表经A/D将模拟信号转换为数字信号各有千秋模拟表----驾驶台仪表多，一目了然；高频电压表数字表----精度高，输入阻抗高，便于与计算机联接5.2模拟式直流电压的测量5.2.1三用表中的直流电流、电压测量1.表头：三用表中直流电流、电压通常由磁电式高灵敏度直流电流表作指示。直流电流表俗称表头，图5.1给出了动圈式电流表头结构的双视图。其工作原理是利用载流导体与磁场之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，其偏转角度正比于通过线圈的被测电流。图5.1动圈式仪表的结构双视图游丝SNNSPPPPSK永久磁铁标尺指针软心铁K吸靴可动线圈K轴轴承游丝S指针游丝S可动线圈K轴承I=Kθ式中K由设计决定的恒量，它与线圈匝数、线圈面积、磁场强度及游丝扭转力矩有关。K值表示电流表偏转单位角度时所需通过的电流，K值越小，电流表越灵敏。这样就可以从指针所指角度位置来测电流。2．电流表量程扩展允许通过的最大电流值称为量程Im，如50μA、100μA。1mA等。由于电流线圈匝数很多，其内阻较大。设现有一表头，Im=50μA，r=3kΩ.现要测量500μA电流怎么办？要并联分流电阻RS以扩展量程。因两路端电压相等图5.2表头等效电路Im-+rB图5.3电流量程扩展50μA+Rs3KImIIsA-（5.1）式中n称电流量程扩大倍数，也称分流系数。3.直流电压测量用电流表头能否直接测量电压？能测，但测量的电压范围很小。现以图5.4，在指针指示满刻度时，它两端的电压是：U图5.4用表头直接测电压50μAr3KIm1.5V即它所能测量的最大电压为0.15V。为了能测量较高的电压，需串联倍压电阻RP来扩展量程。（5.2）RPrIm图5.5给出了三用表直流电压档量程扩展的原理电路图。图中除最小量程U0=Im×r外，又增加了U1、U2、U3三个量程。根据所需扩展的量程，不难算出3个倍压电阻值：图5.5直流电压表电路ReR1R2R3U3U0U1U22.5v10v50v250v电压灵敏度“Ω/V”通常把电压表内阻RV与量程Um之比定义为电压表的电压灵敏度(每伏欧姆数Ω/V)：（5.4）“Ω/V”数越大，表明为使指针偏转同样角度所需驱动电流越小。“Ω/V”数一般标明在磁电式电压表表盘上，可依据它推算出不同量程时的电压表内阻，即（5.5）例如某电压表的“Ω／V”数为20kΩ／V，则5V量程和25V量程时电压表内阻分别为100kΩ和500kΩ。5.2.2

直流电子电压表直流电子电压表通常是由磁电式表头加装跟随器（以提高输入阻抗）和直流放大器（以提高测量灵敏度）构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路。电子电压表组成框图如图5.7所示。图5.7电子电压表框图＋－R0U1KU2U3R1R3R2UxFET源极跟随器放大器RvμAUx＋－＋－ΔU＋－AI0IIFRFUf＋－μAUi分压器及跟随器FET图5.8集成运放电压表原理5.3

交流电压的测量5.3.1

交流电压的表征交流电压可以用峰值、平均值、有效值、波形系数以及波峰系数来表征。数学定义：均方根值物理定义：能量等效tUUPUPtU峰值平均值直接平均为零；半波均值全波均值tU有效值U图5.9交流电压的峰值u(t)u(t)tt00U0U0Um+（a）（b）－＋＋＋＋＋＋＋－－Up+Up_Um-UPPUm-Um+－峰峰值峰值t00全波平均值t0正半波平均值t负半波平均值通常，在未特别注明时，平均值即指全波平均值而言。3.有效值若某一交流电压u（t）在一个周期内通过纯阻负载所产生的热量，与一个直流电压U在同样情况下产生的热量相等，则U的数值即为u(t)的有效值，U和u(t)的数学关系为（5.10）

实际中，有效值是最广泛应用的参数。例如，电压表的读数除特殊情况外，几乎都是按正弦波有效值进行定度的。有效值获得广泛应用的原因，一方面是它直接反应出交流信号能量的大小，这对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度、能量转换等是十分重要的；另一方面，则是它具有十分简单的叠加性质，计算起来极为方便。

4.波形因数交流电压的波形因数的定义为该电压的有效值与平均值之比，即（5.11）

5.波峰因数

交流电压的波峰因数的定义为该电压的峰值与其有效值之比，即

（5.12）

正弦波三角波方波波形因数KF1.111.151波峰因数KP1AtAttA正弦波半波整流波名称波形峰值有效值U平均值U波形因数KF波峰因数KPAAA全波整流波P159

表5.1

教材堪误5.3.2

交流电压的测量交流电压直流电压均值、峰值和有效值AC/DC1.均值电压表

1)均值电压表的组成

阻抗变换器可变量程衰减器平均值检波器宽带放大器微安表u(t

)图5.11均值电压表的一般组成mV量级20Hz～10MHz均值表视频毫伏表放大―检波式2)均值检波器

余弦脉冲的直流频率分量当θ=90°ui(t)CVD1VD2ui(t

)VD1VD2VD3VD4UttUPU2θ对于全波均值检波器：

流过电表的平均电流

与被测电压的平均值成正比，而与波形无关。灵敏度

提高灵敏度，就应减小Rd和rm的值，为提高输入阻抗检波前要加放大器输入阻抗3)刻度特性角标“～”表示正弦波（5.17）

K——定度系数，或称为刻度系数。由于正弦波及有效值的实际意义，电压表的读数都用正弦有效值进行定度。

这里为何等于1.11？对正弦波正好是其波形因数KF

证明：见P159

表5.1：KF=1.11因此,均值电压表测的平均值,读数是正弦波有效值（假有效值）正弦波UP

=U

对于非正弦波，KF

≠1.11，直接读数无物理意义，要通过换算求得有效值。例5.l用平均值电压表测量一个三角波电压，读得测量值为

10V，试求有效值为多少伏？解:对于均值表，读数（5.17）先求出均值，再通过KF换算成有效值。三角波的均值为查P159

表5.1，得三角波KF=l.15，故被测三角波的有效值为4)波形误差因读数是按标准无失真正弦波有效值定度的，而实际正弦波和非正弦波则会有误差。定义：读数与实际有效值之间的相对误差为波形误差

（5.20）用均值电压表测量非正弦波电压时，其读数应作修正。将式（5.20）代入上式，则有求例5.1中波形误差：三角波KF=1.15典型产品：TH2172型：频率范围5Hz～2MHz，测量范围DA16型：频率范围20Hz～2MHz，测量范围100μV～300V。最小量程lmV，误差±3%，输入电阻1.5MΩ。指针式万用表：交流电压测量档采用了半波均值检波器，并以正弦有效值刻度，由于它依据直接测量原理，且灵敏度低，因此，指针式万用表主要用于工频（50Hz）及要求不高的低频（一般为几到几十kHz以下）电压的测量中。TH2172500型2.峰值电压表峰值电压表的工作频率范围宽、输入阻抗较高，有较高的灵敏度，但存在非线性失真。1)峰值电压表组成峰值电压表，简称峰值表，属检波―放大式电子电压表，又称为超高频毫伏表。它由峰值检波器（置于机箱外探头中）、分压器、直流放大器和微安表等组成（置于电压表机箱中），如图5.13所示。图5.13峰值电压表峰值检波器直流放大器分压器电压表机箱探头2)峰值检波器Rsu(t)VDRLC+图5.14峰值检波器充放u(t)uctT最后输出的平均电压迫近峰值

条件：3)刻度特性峰值电压表响应被测电压的峰值UP，读数α（峰值表的指示值）为

K——定度系数，对正弦波读数α就是有效值非正弦波读数α无物理意义，要通过：求出峰值，再由峰值因数KP求出有效值U例5.2用峰值电压表测量一个三角波电压，读得测量值为10V，试求有效值为多少伏？解：对于峰值表，读数乘以在就等于被测电压的峰值。因此，三角波的峰值为由表5.1查得三角波故被测三角波的有效值为4)波形误差由于峰值电压表的读数没有直接的物理意义，测量非正弦波时，如果不进行换算，将产生波形误差。其定义为（5.28）即（5.29）对于例5.2可见，用峰值表测量失真的正弦电压或非正弦电压时，若将读数当成输入电压的有效值，就会产生波形误差。而且，峰值电压表的波形失真较大。超高频毫伏表都是峰值电压表。典型产品DA－l型：频率范围10kHz～1000MHz，测量范围0.3mV～3V，误差优于±l%（3mV档）。HFJ—8型频率范围5kHz～300MHz，测量范围lmV～3V。HFJ一8A型频率范围5Hz～1GHz，测量范围lmV～3V，可扩展到300V。HFJ-8B3.有效值电压表以上均值表、峰值表测的不是有效值，只是按有效值读数，故实为伪有效值。而有效值电压表，直接获得有效值，是真有效值表。原理有效值的物理定义----热电偶式有效值的数学定义----计算式1)热电偶式：不同金属界面逸出功不同，冷、热端形成电位差电势E=kU2电势正比输入功率，可作微波功率计。如何直接测电压？铁康铜热电偶真空管u(t)RIμAEU宽放u(t)10MHzVT2EfE1Uo∞++T1+-+A图5.17热偶式有效值电压表Ui电路平衡时‖‖‖典型产品：DA30型，频率范围10Hz~10MHz，量程范围1mV~300V2)计算式硬件实现------有专用IC，如AD637软件实现------用计算机完成运算∫√表5.2三种电子电压表主要特性比较电压表组成原理主要适用场合实测读数α读数α的物理意义对正弦波非正弦波均值放大-均检低频信号视频信号有效值U峰值峰检-放大高频信号峰值UP0.707UP有效值UU=UP/KP有效值热电偶式计算式非正弦信号有效值UU真有效值U均值

1.11U=KF

作业：5.35.45.4

数字电压表概述5.4.1

数字电压表组成原理数字电压表(DVM—DigitalVoltmeter)图5.24直流数字电压表的基本方框图输入模拟部分数字部分电源输入电路转换器A-D计数器显示器辑电路控制逻5.4.2

数字电压表的主要工作特性1.测量范围1）量程---借助于分压器和输入放大器来实现量程分基本量程-----不经衰减和放大的量程，误差最小手动量程-----手控换的量程,例:200mV,2V,20V,200V自动量程-----程序控制的量程2)位数显示位数：通常为3½位～8½位。判定数字仪表的位数有两条原则：①能显示从0～9所有数字的位是整数值；②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高位数字做分母。例如，1999≈2000，31/2三位半

39999≈40000，43/4四又四分之三位499999≈500000，54/5五又五分之四位3)超量程能力在临界量程处，不会降低精度和分辨力。10V档：9.999V（只能显示0.006）100V档：

99.99V（只能显示10.00）测量：10.006V溢出1丢失6199999910002000‖‖超量程100%（优秀设计只要加个数码管）

数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称做仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。例如，3½、6½位、8½位DVM的最高分辨力分别为1mV、1μV、10nV。1.999999V：量程/最大显示值=2/1999999

=2/2000000V=10-6V=1μVVmVμV分辨率：数字电压表的分辨力指标亦可用分辨率来表示。分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。例如，3½位DVM的分辨率为1/1999≈0.05％。由于分辨力与数字电压表中A/D的位数有关，位数越多，分辨力愈高，故有时称具有多少位的分辨力。例如，称12位A/D具有12位分辨力，有时也用最低有效位LSB的步长表示，把分辨力说成分辨率1/212或1/4096或。同时，分辨力越高，被测电压愈小，电压表愈灵敏，故有时把分辨力称作灵敏度。3.最大允许误差与不确定度数字电压表的说明书上用绝对误差Δ表示，其表示方式有多种：ΔU=±(a％Ux十b％Um)=±(a％Ux十n个字)=±(appmUx十bppmUm)例：DS-14基本量程5V，44/5位ΔU=±(0.006％Ux十0.002％Um)=±(0.00006Ux十0.00002*5)=±(60*10-6Ux+0.0001V)=±(60ppmUx十1个字)

4.9999V

末位跳1个字100μV满度误差决定量化误差、内部噪声读数误差决定转换系数、非线性

DVM厂家给出的绝对误差实际上也就是该DVM的最大允许误差，即该仪器的置信区间。这是由厂家产品质量决定的，不是通过多次测量由标准差求得的，故属B类标准不确定度。由于最大允许误差在5V量程内对测量值都有影响，即其在5V范围内出现的概率相同，故应属于均匀分布。因此，这里a即为均匀分布的半宽，按表2.10查得。故该数字电压表示值的B类标准不确定度为：第二章已经指出最大允许误差的“模”即绝对值，就是置信区间的半宽a，由它可以求得B类标准不确定度。现仍用例5.3中DS-14DVM来求其在5V量程上测量3V电压时的不确定度分辨力准确度（误差）≠需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的概念。前者表征仪表的“灵敏性”，即对微小电压的“识别”能力；后者反映测量的“准确性”，即测量结果与真值的一致程度。二者无必然的联系，因此不能混为一谈，更不得将分辨力（或分辨率）误以为是类似于准确度的一项指标。实际上分辨力仅与仪表显示位数有关，而准确度则取决于A/D转换器等的总误差。从测量角度看，分辨力是“虚”指标（与测量误差无关），准确度才是“实”指标（代表测量误差的大小）。因此，任意增加显示位数来提高仪表分辨力的方案是不可取的。例选用分辨率为24位的A/D，并不能保证实现24位的准确度。在设计上通常，分辨力应高于准确度，保证分辨力不会制约可获得的准确度，以保证从读数中检测出小的变化量。例：见下页。

4.测量速率

测量速率是每秒钟对被测电压的测量次数或测量一次所需的时间，它主要取决于DVM中所采用的A/D转换器的转换速率。

5.输入阻抗与输入电流目前，多数数字电压表的输入级用场效应管组成，在小量程上，其输入阻抗可高达104MΩ以上，在大量程时(如100V、1000V等)，由于使用了分压器，输入阻抗一般为10MΩ。

6.响应时间

响应时间是DVM跟踪输入电压突变所需的时间。响应时间与量程有关，故可按量程分别规定或规定最长响应时间。响应时间分为三种。

7.抗干扰能力——串模抑制比和共模抑制比

数字电压表的内部干扰有漂移及噪声，外部干扰有串模干扰及共模干扰。

5.4.3数字电压表的分类

1.按结构形式分1)台式通常5以上2)便携式通常3及4位数3)面板表也称数字表头。多为3～4直流电压表，只有一个基本量程，如0~5V，用于机器面板上，取代原来模拟指针式表头。2.按A/D转换器原理A/D变换积分式比较式双斜式、多斜式脉冲调宽式电压反馈型V-F变换式反馈比较式逐次比较式余数循环比较式直接比较式并联比较式分级式（流水线式）各种数字面板表5.5

积分式A/D转换原理1.工作原理Ui-Ur+UrK1K1K2K2K3K3K4K4ARC+--+比较器积分器CD发生器时钟显示器数字辑电路控制逻计数器过程：三阶段准备期----复零，K4接通取样期----第一次积分，K1接通

特点：定时积分T1固定，

UO1∞(正比)于Ui比较期----第二次积分，K3/K4接通

特点：定值积分（反向）

N2∞UO1∞UI5.5.1

双斜积分式A/D转换器K1K2K3断断断断断断通通通通积分器输入A00UiUr(定值)t1t2t1t2t3积分器输出B计数器比较器输出C输入DT1T2(定时)Uo1N2T0N1T0N2T0T0(b)N2U02BK1K2K3断断断断断断通通通通积分器输入A00UiUr(定值)t1t2t1t2t3积分器输出B计数器比较器输出C输入DT1T2(定时)Uo1N2T0N1T0N2T0T0(b)N2U025.6

比较式A/D转换器分为:比较式A/D反馈比较式直接比较式逐次比较式

余数循环比较式A/D并联比较式

分级式（流水线式）5.6.1逐次逼近比较式A/D转换器1.物理思想：对分搜索图5.45天平示意图8盘1未知重量Wx盘2指示标尺214砝码图5.46对分搜索过程示意图0弃弃留留110846W2.电路实现：（与天平秤对应）0110弃弃留留846UQ2Q0Q1Q3UoUx+－+Go启动复位置位D/ASAR1闭0开Q3Q2Q1Q0URCPΔU=UX—U010置位复位10000100011101100110D/A转换器图5.48D/A转换原理图R1000→8V10Kd1_R2R4R8RUo+Urd2d3d40100→4VK4K1K2K3D输入数字寄存器......数字位模拟开关基准电压源权电阻网络放大器运算图5.49D/A转换原理框图U0与原理电路对应得一般性原理框图（5.58）例如，设UFS=16v，当输入数码为“0110”时，输出电压为（5.59）型号位数建立时间线性度功耗DAC083281μS<0.2200mW5G752010500μS<0.0550mWMX7541120.6μS450mWDAC7644EB1610μS15mW表5.9常用的逐次逼近比较式A／D变换器型号位数通道数输入电压范围转换时间功耗ADC0809880~5V100μS15mWADC08168160~5V100μSAD5741210~5V15μSADS78051610~5V100μS100mW逐次逼近，只能逼近，不能完全与被测电压相等。若要减小误差，只有增加位数。但位数增加，电路复杂，成本提高，关键是末位比较电压太小易受干扰噪声影响以至无法工作。能否不要很多位（如只有1位），逐次比较一遍，将相差的余数(剩余误差)存下来，放大10倍再又比较一遍，又将余数存下来，放大后又再比较一遍，这样反复循环下去，则可以用较少的位数实现非常精确的逼近。这就是下面介绍的余数循环式A/D。作业：5.12，5.185.7

数字多用表DMM

数字多用表DMM(DigitalMultiMeter)是具有测量直流电压、直流电流、交流电压、交流电流及电阻等多种功能的数字测量仪器。直流数字电压表AC－DCI－VDCΩ－VDCUmIxRxU∽图5.55数字多用表方框图两种DMM

台式手持式更多功能交流供电可以和其他电子仪器联合工作适用于高测量精度非常便携电池供电价格低适用于移动测量应用（如：现场故障检测）5.7.1

交流—直流(AC—DC)转换器被测信号ui送入到X、Y输入端，从XY／Z端输出的电压经平均值电路(有源低通滤波器)再送回Z输入端，故直流输出电压为+XYXY/ZZRC－Uoui2ui2uiUoUo图5.56均方根法的AC-DC转换器（5.63）真有效值5.7.2

电流-电压（I-U）转换器

Ix=Uo/RS

R1R2R3Rsuo－+ixRf+－ixuo图5.57大信号电流－电压转换电路图5.58基本电流－电压转换电路（5.64）5.7.3

电阻—电压(Ω—V)转换器当在被测的未知电阻Rx中流过已知的恒定电流IS时，在RX上产生的电压降为U＝RxIs，故通过恒定电流可实现Ω—V转换。ErRsRxuo－+AIs5.7.4

数字多用表的发展简况台式DMM的位数较多，精度及自动化程度较高。各厂家都有自己的专利技术，近年已做到8位的极限精度。图5.61

电压测量的理论极限图噪声电压源Un2=4kTRB对于DVM来说，在低源电阻情况下可以测到0.1μV小于μV级的低电平测量要选用专门的纳伏表（KEITHLEY）生产厂家产品型号显示位数工作方式功能直流电压准确度附加功能、接口Fluke（福禄克）77自动校零双积分U、I、R、C0.3%Fluke（福禄克）87自动校零双积分U、I、R、C0.05%+1模拟显示Fluke（福禄克）189自动校零双积分U、I、R、C0.025%+5Agilent（安捷伦）U1252A50000位双显示自动校零双积分U（真有效值）、I、R、C、T、连通性、二极管、频率、占空比、脉宽0.025%20MHz频率计、方波发生器，IR-USB接口深圳胜利DT830自动校零双积分U、I、R、C0.1%深圳胜利DT960自动校零双积分U、I、R、C0.05%+1表5.15几种手持式数字多用表的主要性能表5.16几种台式的数字多用表主要性