电子测量与仪器课件

电子测量与仪器书名：电子测量与仪器书号：978-7-111-50266-1作者：李宗宝出版社：机械工业出版社目录第1章电子测量与仪器的基本认识第2章测量用的信号发生器第3章电压测量与仪器第4章频率和时间测量及仪器第5章示波器测量技术与仪器应用第6章电子元器件参数测量与仪器第7章频域测量与仪器第8章数据域测量与仪器第9章自动测量技术

用数字万用表测量市电的交流电压电压测量与仪器的使用相关的知识与技能。1）电压测量的基本要求、交流电压的表征、电子电压表的分类。2）直流电流的测量、直流电压的测量。3）模拟式交流电压表、低频交流电压表、高频交流电压表（峰值交流电压表）。4）数字电压表主要技术指标、A-D转换器。5）万用表、电压表的使用。掌握交流电压的表征，掌握模拟式交流电压表,数字电压表的核心构成及工作原理。掌握DA-16型晶体管毫伏表是以测正弦波时的有效值来刻度的。理解模拟式和数字式万用电表的基本原理。掌握模拟式和数字式万用表的面板结构、技术性能和测量技能。熟练使用万用表进行参数测量。第3章电压测量与仪器

任务引领：主要内容：学习目标：3.1电压测量的要求与分类

电压是电子测量技术中最基本的电参数之一，电子设备的许多工作特性，都可视为电压的派生量；而电子设备的各种控制信号、反馈信号、报警信号等，往往也直接表现为电压量；电压测量是电子测量的基本任务之一。测量电压所采用的仪器主要是电子电压表。模拟式和数字式两种电压表。1.频率范围宽2.量程宽3.输入阻抗高4.抗干扰能力强5.测量精确度高3.1.1电压测量的基本要求电压表精确度表示方法:（1）满度值的百分数±β%Um:具有线性刻度模拟式电压表采用，±β%为满度相对误差，Um为电压表满刻度值。（2）读数值的百分数±α%Ux:具有对数刻度电压表采用，±α%为读数相对误差，Ux为电压表测量读数值。（3）±(α%Ux+β%Um):数字电压表采用。6.被测电压波形种类多应根据电压表类型和电压波形确定被测电压大小。3.1.1电压测量的基本要求3.1.2电压测量仪器的分类1.模拟式电压表指针式电压表：用磁电式直流电流表作为指示器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

模拟式电压表----直观，一目了然数字式电压表----精度高，输入阻抗高分类：模拟式、数字式3.1.2电压测量仪器的分类

1.模拟电压表的类型直流电压表用于测量直流电压，交流电压表用于测量交流电压。交流电压表测量必须进行AC/DC转换检波器分类：均值、峰值和有效值检波器交流电压表分类：均值、峰值和有效值电压表交流电压表按频率范围分类：超低频电压表（低于10Hz）、低频电压表（低于1MHz）、视频电压表（低于30MHz）、高频或射频电压表（低于300MHz）和超高频电压表（高于300MHz）交流电压表按结构不同分类：放大—检波式、检波—放大式和外差式（1）检波—放大式电压表检波器衰减器直流放大器被测输入（a）衰减器检波器交流放大器（b）被测输入µAµA图3-1检波—放大式电压表组成框图3-2放大—检波式电压表组成框图（1）检波—放大式电压表特点：频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。这种表的频率范围从几十赫兹至数百兆赫兹，甚至可达1GHz，输入阻抗也比较大，一般称之为高频毫伏表或超高频毫伏表。为了使测量灵敏度不受直流放大器零点漂移等的影响，一般利用调制式（即斩波式）直流放大器放大检波后的直流信号。1.模拟式电压表（2）放大—检波式电压表缺点：由于宽带放大器增益与带宽的矛盾使放大—检波式电压表的频宽难以扩展，灵敏度也受到内部噪声和外部干扰的限制。频率范围一般为20Hz～10MHz，灵敏度达毫伏级，通常称之为视频毫伏表，多用在低频、视频场合。（3）外差式电压表（选频电压表或测量接收机）输入电路混频器中频交流放大器图3-3外差式电压表组成框图被测输入均值检波器本振（3）外差式电压表特点1：因外差式电压表用混频器将输入信号变为固定中频信号后进行交流放大，可以较好地解决交流放大器增益与带宽的矛盾，灵敏度可以提高到微伏级。特点2：频率范围取决于本振频率范围，但当本振频率很高时，不仅对本振电路的屏蔽要求更高，而且电压表造价也要提高。若屏蔽不良，本振会对电压表产生干扰而降低测量准确度。所以一般为高频电压表而不是超高频电压表。表3-1三种结构形式电压表的性能比较结构形式灵敏度频带宽度电压表类型放大-检波式稍低较窄高频毫伏表、视频毫伏表检波-放大式稍高很宽超高频毫伏表外差式很高很宽高频微伏表输入电路A/D变换器计数器图3-4数字电压表组成框图被测输入寄存显示电路逻辑控制电路模拟电路数字逻辑电路显示电路2.数字式电压表DVM分类1：直流、交流。直流DVM+交直流变换器=交流数字电压表。分类2：积分式、比较式和复合式。应用较多的是双积分式DVM，其次是逐次比较式DVM，另有三次积分式DVM。组成：模拟电路、数字逻辑电路、显示电路2.数字式电压表DVM特点：测量准确度高、分辨力强、测速快、输入阻抗高、过载能力强、抗干扰能力强。注意：数字式电压表不能完全代替模拟式电压表。3.1.3交流电压的参数及表征方法

1.交流电压的表征包括平均值、峰值、有效值U以及波形因数KF、波峰因数KP。(1)平均值

平均值简称为均值，是指波形中的直流成分。交流电压的平均值特指交流电压经过均值检波后波形的平均值。(2)峰值交流电压的峰值是指交流电压在一个周期内（或一段时间内）以零电平为参考基准的最大瞬时值，记为（或UP），分为正峰值（或UP+）和负峰值(或UP-)。图3-5交流电压的峰值、振幅值波形图(3)有效值U交流电压的大小通常是指它的有效值U，有效值又称为均方根值，是根据它的物理定义来确定的。(4)波形因数KF交流电压的波形因数KF定义为交流电压的有效值U与平均值之比，即(5)波峰因数KP交流电压的波峰因数KP定义为交流电压的峰值与有效值U之比，即表3-2常见波形的波形因数和波峰因数

A/A/名称UKFKP正弦波①A0.637A1.11方波②AAA11三角波③AA/2图3-6三种波形图3.2.1低频交流电压表：放大-检波式1.均值电压表-晶体管毫伏表检波器类型：均值检波器均值检波器特性：输出直流电压（即检波后波形平均值）与输入交流电压平均值成正比。响应特性定义：检波器输入电压与输出电压之间的关系。电压表特性：均值电压表指针偏转角度与被测交流电压平均值成正比。均值电压表以均值检波器作为交直流变换器。3.2模拟交流电压表

（1）均值检波器

图3-7均值检波器原理图

（2）刻度特性均值电压表是按照正弦波电压有效值定度的。是指在均值检波器的输入端加上不同的波形，表头指针偏转响应于平均值，而在表头的刻度盘上一律按照正弦波的有效值进行标度。均值电压表的定度系数，记作

如果被测信号是正弦波，示值Uα为有效值。如果被测信号是非正弦波，则必须进行“波形换算”。【例3-1】用均值电压表测量正弦波、三角波、方波电压时，已知电压表的读数均为10V，试分别计算正弦波、三角波、方波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？

解：测量正弦波时：测量三角波时：测量方波时：（3）均值电压表的组成

图3-8放大-检波式电压表原理框图

（4）误差分析如果被测信号是非正弦波，直接将电压表的示值作为被测电压的有效值带来的误差称为“波形误差”或“示值误差”。测方波时，波形误差为

测三角波时，波形误差为

2.有效值电压表刻度特性：Uα≡Ux，是真有效值电压表。满足特性：只要电路的输出特性曲线具有平方律特性，该电路就可以实现有效值检波。特性：电压表的刻度是非线性的有效值检波器

3．典型仪器—DA-16型晶体管毫伏表

（1）面板

①显示窗口②机械调零电位器③电源指示灯④量程开关⑤电源开关⑥电气调零旋钮⑦输入端口（2）主要技术指标1）电压测量范围：100µV～300V，量程分为1mV、3mV、10mV、30mV、100mV、300mV；1V、3V、10V、30V、100V、300V，共十二档级。2）电平测量范围：-72～+32dB（600Ω）。3）工作频率范围：20Hz～1MHz。4）固有误差：≤±3%（基准频率1kHz）。5）频率响应误差：频率范围在100Hz～100kHz时，频率响应误差≤±3%；频率范围在20Hz～1MHz时，频率响应误差≤±5%。6）工作误差极限：≤±8%。7）输入阻抗：工作频率为1kHz时输入阻抗大于1MΩ。输入电容：在1～300mV各档时输入电容约为70pF，在1～300V各档时输入电容约为50pF。8）使用电源：220（1±10%）V，50（1±4%）Hz，功耗为3W。（3）操作方法及注意事项①通电前，进行机械调零，使表指针指准零位。②接通电源待表指针摆动数次至稳定后，将输入线短接进行电气调零。③测量时，被测信号由“输入“端口送入，先连通地线，再接测试线。④量程合适，尽量使表指针在满量程的2/3以上区域，未知时，量程放到最大挡位，逐渐减小量程至合适位置，以免打坏表针。⑤表读数要根据指针位置和量程挡位来进行。⑥测量交流电压中的直流分量不得超过300V。⑦测量市电，相线接输入端，中线接地，不可接反；测36V以上电压，机壳带电，以防触电。⑧测量完毕，将量程置于最大量程处，按顺序拆线，断电。3.2.2高频交流电压表：检波-放大式

1．峰值电压表-超高频毫伏表检波器：峰值检波器峰值检波器特性：输出的直流电压与输入交流电压的峰值成正比。结论：峰值电压表指针偏转角度与被测交流电压的峰值成正比峰值电压表以峰值检波器作为交直流变换器。

（1）峰值检波器图3-10常见峰值检波器（2）刻度特性峰值电压表也是按照正弦波有效值进行定度的。是指在峰值检波器的输入端加上不同的波形，表头指针偏转响应于峰值，而在表头的刻度盘上一律按照正弦波的有效值进行标度。峰值电压表的定度系数，记作如果被测信号是正弦波，示值Uα为有效值。如果被测信号是非正弦波，则必须进行“波形换算”。【例3-2】用峰值电压表测量正弦波、三角波、方波电压，已知电压表的读数均为20V，试分别计算正弦波、三角波、方波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？解：测量正弦波时：测量三角波时：测量方波时：

（3）峰值电压表的组成

如果被测信号是非正弦波，直接将电压表的示值作为被测电压的有效值带来的误差称为“波形误差”或“示值误差”。图3-11峰值电压表的组成（4）误差分析

测电压为三角波时误差为

测电压为方波时误差为

2．典型仪器——DA22B型超高频毫伏表（1）面板①显示窗口②机械调零电位器③量程开关④电源开关⑤电源指示灯⑥输入端口⑦校准输出端口⑧校准按钮⑨电气调零旋钮⑩校准调节旋钮图3-12DA22B超高频晶体管毫伏表面板图（2）主要技术指标

1）测量电压范围交流电压的测量范围为1mV～10V。量程为：3mV，10mV，30mV，100mV，300mV，1V，3V，10V共八档。2）测量电压的频率范围被测电压频率范围为10KHz～500MHz。3）输入阻抗在100KHz时，输入电阻大于50KΩ，输入电容在100MHz时小于2pF。4）基本准确度：±2%。5）基准条件下的频率影响误差(100kHz)（3）使用方法及注意事项

1）先进行机械调零。2）通电，预热15分钟，将检波头电缆插入“输入”插座内，并将探头的芯线和地线短路，进行电气调零；然后将探头插入“校准输出”插孔，转动“校准”旋钮进行校准，使指针满刻度，方可进行测量。3）测量高频信号从“输入”端口接入，选择合适测量挡位，对应量程读出数值。4）测量高于10V电压时，先校准，将高频探测器插入100∶1分压器测量，读出指示值后倍乘100。5）当调零正常，信号加不进时，一般是探测器损坏，先检查电容是否脱焊、破裂，检查检波二极管是否开路失效。表3-3三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Uα读数Uα的物理意义正弦波非正弦波均值放大-均检低频信号、视频信号均值U-1.11U-有效值UU=KFU-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U1．分类按用途分：直流数字电压表、交流数字电压表和数字万用表按A/D转换器的原理分：比较式、积分式和复合式。2．主要技术指标电压测量范围分辨力测量速度输入特性测量误差抗干扰能力3.3数字电压表（DVM）3.3.1数字电压表主要技术指标（1）测量范围包括显示位数、量程和超量程能力。①量程是以基本量程为基础，常为1V或10V，也有2V或5V。②显示位数指能显示0～9共十个数码的位数。½位指最高位只能取“1”或“0”。½位和基本量程结合起来，能说明DVM有无超量程能力。例如某3½位DVM基本量程为1V，该DVM具有超量程能力。最高位只能取0~5的位称为¾位。5¾位DVM指数字电压表的最大显示为599999。（2）分辨力指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一个字所需的最小输入电压。通常以最小量程的分辨率作为数字万用表的分辨率。例如，4位DMM在1V、10V量程上的分辨率分别为0.0001V、0.001V，则DMM的分辨率为0.0001V。例如SX1842DVM最小量程20mV，最大显示数为19999V，其分辨力为20mV/19999，即1V。Ux——测量示值；Um——满量程值；a%Ux——读数误差；b%Um——满度误差。【例3-3】五位数字电压表（DVM）在10V量程测得电压为8V，已知ΔU=±（0.005%Ux+0.004%Um），求读数误差、满度误差和固有误差各是多少？满度误差相当于几个字？（3）测量误差-固有误差DVM的固有误差通常用绝对误差表示：

解：经分析得知，电压表分辨率为±0.0001V。读数误差为：±α%Ux=±0.005%Ux=±0.005%×8V=±0.0004V满度误差为：±β%Um=±0.004%Um=±0.004%×10V=±0.0004V满度误差相当于：n=±0.0004V/（±0.0001V）=±4字固有误差为：ΔU=±（α%Ux+β%Um）=±（0.0004V+0.0004V）=±0.0008V3.3.2

A-D转换器直流数字电压表是许多数字式电测仪表的核心部件。直流数字电压表的核心是A-D转换器。双积分式A-D转换器以及逐次比较式A-D转换器。

1．双积分式A-D转换器工作原理：将被测电压与基准电压的比较通过正、反两次积分变换为两个时间段的比较，积分正向积分为定时积分，反向积分为定值积分，时间段又与电压成正比，时间段的长短则由计数器来测定，由此计数器所得的数字量即A-D变换的结果。

图3-13双积分式A-D转换器原理框图双积分式A-D转换器的工作过程分为准备、取样和比较三个阶段。

图3-14双积分式A-D转换器工作波形双积分式A/D变换器具有稳定性好，准确度高，抗干扰能力强等优点。积分式A/D变换器的转换速度快不了，决定了其测量速度慢，它的转换速度一般低于20次/s双积分型DVM特点：2．逐次比较式A-D转换器

工作原理：将被测电压Ux与分级可变基准电压UB逐一进行比较，顺序是从大到小，若UB<Ux，则将保留UB，否则舍弃；然后将下一级基准电压加到保留的基准电压上，再作为基准电压与比Ux较，直到累加到最后的基准电压，则最后的累加结果即为被测电压值，对应的被测电压值用二进制数表示。图3-15逐次比较式A-D转换器原理框图逐次比较DVM特点：变换速度快、准确度高。但抗干扰能力差。3.4数字万用表3.4.1

数字万用表的功能特点

数字万用表又称数字多用表（DMM）1.功能特点

（1）功能多（2）指标高（3）用途广2．数字万用表的构成图3-16数字万用表组成框图3.4.2典型仪器——DT9205型数字万用表1．面板①为电源开关②为LCD显示器③为功能和量程转换开关④为电压、电阻和二极管测试插口⑤为公共插口⑥为0.2A电流测试插口⑦为20A电流测试插口⑧为电容测试插口⑨为hFE测试插座。2．主要技术指标

测试功能量程准确度：±（%读数±字数）直流电压200mV、2V、20V、200V1000V±（0.5%读数+3）±（0.8%读数+3）交流电压200mV2V、20V、200V750V±（1.2%读数+3）±（0.8%读数+3）±（1.2%读数+3）直流电流2mA、20mA200mA20A±（0.8%读数+2）±（1.2%读数+2）