ch04模拟测量方法

模拟测量方法第四章电子测量技术（第四版）十二五普通高等教育本科国家级规划教材高等学校电于信息类精品教材01电压测量概述电压测量概述1由于在电子电路测量中所遇到的待测电压具有频率范围宽、电压范围广、等效电阻较高及波形多种多样等特点，故对电压测量提出如下一些要求：(1)应有足够宽的频率范围(2)应有足够宽的电压测量范围(3)应有足够高的测量准确度。(4)应有足够高的输入阻抗。(5)应有足够高的抗干扰能力。电压测量的基本要求电压测量概述模拟式电压表和数字式电压表(1)模拟式电压表根据功能分为:直流电压表、交流电压表、脉冲电压表和多用途电压表等。根据使用频率范围分为:超低频电压表、低频(音频)电压表、高频电压表、超高频电压表和选频电压表等。根据测量目的的不同，可以选用不同特性的检波器，有峰值检波、平均值检波和有效值检波三种，分别简称为峰值电压表、平均值电压表和有效值电压表。2电压测量概述模拟式电压表和数字式电压表(2)数字式电压表近年来，随着大规模集成电路(LSI)技术的飞速发展，出现了由单片A/D转换器构成的多位数字式电压表。主要优点是:准确度高，输入阻抗高，功能齐全，显示直观，可靠性好，过载能力强，耗电少，小巧轻便等。因此，数字式电压表获得了迅速普及和广泛应用。202交流电压的测量交流电压的测量1交流电压可以用峰值、平均值、有效值、波形系数及波峰系数来表征。各类电压表的示值，除特殊情况外，都是按正弦波有效值来定度的。为了表征同一信号的峰值、有效值及平均值的关系，引入波形系数虬和波峰系数Kp。交流电压以Q的波形系数Kf定义为该电压的有效值与其平均值之比。交流电压的表征交流电压的测量2交流电压的测量方法很多，其中最主要的是用检波器把交流电压转换为直流电压，然后再接到直流电压表进行测量。根据检波特性不同，有峰值检波、平均值检波和有效值检波，相应的电压表简称为峰值电压表、平均值电压表和有效值电压表。(1)峰值电压表(2)平均值电压表(3)有效值电压表（4）外差式电压表交流电压的测量方法交流电压的测量31.平均值检波器的工作原理检波电路输出的直流电压正比于输入交流电压绝对值的平均值，这种电路称为平均值检波器。平均值电压的测量2.波形换算方法由于平均值电压表的指针偏转角a与被测电压的平均值&成正比，但仪器仪表度盘是按正弦波电压有效值刻度的。3.误差分析主要分析测量非正弦波（或失真的正弦波）引起的波形误差。交流电压的测量41.有效值电压表原理电压有效值的定义：为了获得均方根响应，必须具有平方律关系的伏安特性。有效值电压的测量2.有效值检波器电压表釆用单片集成电路使电路得以简化。测量交流电流或电压时，若波形是正弦波，使用平均值检波、峰值检波电路将其转换为平均值、峰值电压，将被测量的示值换算成有效值。交流电压的测量5如果被测电压的频率较高，用前述的方法来测量就会产生较大的频率误差，需釆用检波一放大式电压表或外差式电压表来测量。具体测量过程是将被测交流信号首先通过探极进行检波（整流），变成直流电压，这样做的目的是减少高频信号在传输过程中的损失。实现这种测量多用峰值表。当利用峰值表测量正弦波电压时，如果信号的失真度较大，由于峰值检波电路对波形的凸起部分非常敏感，所以将会造成较大的波形误差。因此在测量谐波失真较大的信号电压时，尽量不要选用这种仪器仪表，必须使用时应进行误差修正。峰值电压的测量03噪声电压的测量噪声电压的测量噪声的基本特性在电子电路中，噪声主要是由各种元器件（例如晶体管、电阻等）内部带电粒子的不规则运动所造成的现象。它严重地影响系统传输微弱信号的能力。对于一个放大器，当输入信号为0时，由输出端测得的杂散交流电压，即是噪声电压。导体、半导体及杂质材料在一定温度下，由于内部微粒不规则的热运动产生的噪声，称为热噪声，它与为了保持电路及环境的热平衡所需要的能量进行热交换有关。还有一种噪声是在电路通过晶体管PN结时，由于电荷运动的不连续而产生的晶体管噪声，称为散粒噪声。噪声电压中包含有各种频率成分，噪声电压按频率的分布称为噪声频谱，上述两种噪声在线性频率范围内其能量分布是均匀的。在光谱学里，把各频率能量分布均匀的光称为白光，也称这类噪声为白噪声，噪声测量也是测量领域里的一个重要内容。1噪声电压的测量用平均值表测量噪声电压噪声电压，一般指噪声电压的有效值，当然用有效值电压表测量是比较方便的。使用平均值电压表也能测量噪声电压，需求出噪声电压的波形系数。当所选的平均值电压表为全波检波式时，定度系数K。折算成正弦波检波后的平均值，按平均值相等原则，再算出噪声电压的有效值.测量噪声电压时，还要注意到平均值电压表本身的带宽应该比被测电路的噪声带宽大得多。对于多级放大器而言，其噪声带宽近似等于其3dB带宽。在测量噪声电压时应当选择频率范围尽量宽的平均值电压表，以减小测量误差。2噪声电压的测量器件和放大器噪声的测量1.等效输入噪声电压Um的测量一个有噪声的器件，可以用一个理想的无噪声器件等效，即将实际的输出噪声电压久。32.噪声带宽的测量当研究噪声时，需要知道噪声带宽Bvn0利用正弦信号法测量噪声带宽，实质上是测量被测放大器的幅频特性曲线。3.噪音的测试信号功率与噪声功率R之比称为噪音比(SNR)，可表示为SNR=Ps/Pn 04分贝的测量分贝的测量数学定义在通信系统测试中，通常不直接计算或测量电路中某测试点的电压或负载吸取的功率，而是计算它们与某一电压或功率基准量之比的对数，这就需要引岀一个新的度量名称——分贝。1.功率之比的对数一分贝2.电压比的对数3.绝对电平4.音量单位（VU）1分贝的测量分贝值的测量在测量放大器增益或与音响设备有关的参数时，不是直接测量电压或功率，而是测量它们对某一基准比值的对数值。一般取值的单位为分贝，所以简称为分贝测量。分贝测量实质上是交流电压的测量，只是表盘以dB来刻度。因此在读出方法上与一般的交流电压表不同。205失真度的测量失真度的测量非线性失真的定义1信号的非线性失真通常用非线性失真系数来表示（简称失真度）。其定义为全部谐波分量的功率与基波功率之比的平方根值。如果负载与信号频率无关（例如纯电阻负载），则信号的失真度又可定义为:全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比.失真度的测量失真度测量仪基本工作原理2测量非线性失真的方法有多种:第一种方法是基波抑制法(单音法)，对通过抑制基波的网络来实现(下述)。第二种方法是交互调制法(双音法)，对被测电子设备输入两个正弦信号，测量其交调失真度。因为非正弦波可以视为若干个不同频率的正弦波的叠加，当两个频率不同的正弦波叠加后通过一个非线性网络，不仅会产生它们各自的谐波分量，而且还会产生交叉调制成分，所以用这种方法测量非线性失真更接近实际情况，多用于要求较高的电子接收设备；第三种方法是白噪声法，它是一种比较新的测量方法。因为上述双音法仅取两个正弦信号的叠加，而实际情况是多种不同频率、不同幅值正弦信号的叠加，所以用白噪声信号进行测量将获取被测电子设备通频带内任何频率分量所产生的谐波或交调结果，测量准确度比较高。失真度的测量有源陷波电路31.双T形无源陷波器双T形电路，它由两个T形网络并联组成，其频率特性在某一频率处，输出电压为0。2.双T形有源陷波器双T形有源陷波器，可使Q值增大.3.由RC文氏电桥组成的陷波器由文氏电桥组成的基波抑制电路(陷波器) 失真度的测量失真度测量仪举例4一台典型的失真度测量仪，其被测信号的电压、失真度及频率全部由发光二极管LED自动显示，且釆用真有效值检波，可在电压测量范围为300|xV〜300V、频率范围为10Hz〜550kHz之内实现全自动测量，失真度测量范围为0.01%〜100%，并且在失真度测量方式中实现了宽范围校准。失真度量值不仅随滤除谐波（滤谐）过程进行自动跟踪显示，而且用手动衰减器按10dB步进跟踪。为了提高测量精度，随时用相位调节和平衡调节来完成，设置了自动清0功能，目的是为了使用户在测量低失真、超低失真时，自动对信噪比进行均方根运算，以减少人工计算的麻烦。仪器同时具有平衡输入电压和失真度测量的功能，其工作频率范围较宽。06功率的测量功率的测量音频与较高频信号功率的测量1最常用的一种吸收型功率表是测热计电桥，其中一个电桥臂接有热敏电阻器们将。放在被测功率的信号场内，功率被电阻所吸收，所产生的热量引起电阻变化，电阻的这种变化用电桥电路来测量。它釆用两个匹配的热敏电阻，一个与高频负载0耦合，另一个同测量仪器内部的直流负载R2耦合。两个热敏电阻都接在电桥中，并且用一个高增益直流放大器A作为0值检测器。当高频功率源加到高频负载上时，热敏电阻们被加热，电桥失去平衡。放大器有一输岀信号使直流负载R2加热，同时热敏电阻缶也加热。当两个热敏电阻的热量相等时，电桥又恢复平衡。功率的测量误差分析2误差来源包括仪器误差、信号源与负载的失配及信号波形对某些功率表的影响误差。功率表由生产厂家在严格控制的条件下校准，并以相对于满刻度偏转的百分比误差来表示。在低于满刻度读数时，准确度随输入功率的减小而逐渐下降。因此，一些厂家将准确度指标分为两部分:读数的百分比和满刻度的百分比。在满刻度偏转时，由两种方法提供的准确度一般是相等的，但在较低读数时用第二种方法给定的仪器准确度更好些。功率的测量功率表实例——射频功率表3电路的输入端接射频功率源，输出端接电阻性假负载。输入端到输出端的射频电流流过产生感应电压，经整流后，通过R送到功率表上。G和C2用来调整电路的平衡。使用功率表前，先要校准。方法如下:连接好射频功率源和假负载置于最上端，根据功率表的读数来确认开关的位置（功率表读数最大的位置是“1”位，另一位置是“2”位）。然后置开关于“2”位，调整使功率表指到满量程。07Q值的测量Q值的测量Q表的工作原理1Q表是测量品质因数的仪表，其工作原理是先给被测线圈激励振荡，随后计算两个专门规定的振幅电平间的衰减振荡次数，其振荡次数就是品质因数Q值。当两个电平检测器的误差为±1%时，其计数的误差为±1个数字，精度由。值的大小决定:当Q值为10时，精度为±12