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文档简介

第七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·模拟式直流电压、交流电压的测量·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7.1

概述7.1.1

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。7.1.2

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7.1.3

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7.2模拟式直流电压的测量7.2.1万用表中的直流电流、电压、电阻测量表头:万用表中直流电流、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7.1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7.1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轴承直流万用表的设计1、电流表量程扩展设现有一表头,Im=50μA,r=3kΩ.现要测量500μA电流怎么办?图7.2表头等效电路Im-+rB图7.3电流量程扩展50μA+Rs3KImIIsA-式中n称电流量程扩大倍数,也称分流系数。2.直流电压测量能测,但测量的电压范围很小。现以图7.4,在指针指示满刻度时,它两端的电压是:U图7.4用表头直接测电压50μAr3KIm1.5V即它所能测量的最大电压为0.15V。设计一个多挡电流表:有满偏电流5、50、500(mA)三挡,已知表头的满偏电流为0.1mA,内阻等于800Ω。用电流表头能否直接测量电压?为了能测量较高的电压,需串联倍压电阻RP来扩展量程。(7.2)RPrIm图7.5给出了万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7.5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):(7.4)“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(7.5)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。由全电路欧姆定律式中R0—欧姆调零电阻;

r—电池内阻;

R1——限流电阻;

RC——测量机构内阻;

RZ——欧姆表总内阻。

上式说明,若欧姆表总内阻RZ和电池电动势E保持不变,则线路中的电流I将随被测电阻RX而改变,且I与RX成反比关系。可见,欧姆表测量电阻的实质是测量电流。3、电阻测量当RX=0时,调整R0,使I=Im,指针指在满刻度位置,规定此位置为“欧姆0”。RX=RZ时,RX=2RZ时,

…RX=∞时,I=0,指针不动,规定此位置为“欧姆∞”。

由于仪表指针的偏转角与电流I成正比,而电流I与RX成反比。因此,仪表指针的偏转角就能够反映RX的大小。由以上分析可知,欧姆表的标度尺是不均匀的,而且是反向的500型万用表的标度尺特别地,当RX=RZ时,指针将指在仪表标度尺的中心位置,所以RZ又叫欧姆中心值。因为欧姆中心值正好等于该挡欧姆表的总内阻,因此,欧姆表量程的设计都是以标度尺的中央刻度为标准,然后再求出其他电阻的刻度值扩大欧姆表量程的两种措施(1)保持电池电压不变,改变分流电阻值。

低阻挡(如R×1)用小的分流电阻,高阻挡(如R×l000)用大的分流电阻。这样虽然在高阻挡时的总电流减小了,但通过测量机构的电流仍可保持不变。图中各挡的总内阻应等于该挡的欧姆中心值。一般万用表中R×1~R×1k挡都采用这种方法扩大量程。(2)提高电池电压

当被测电阻和欧姆表总内阻增大后,仍可保持其电流值不变。通常万用表中R×10k挡都采用这种方法来扩大量程。

3.电阻测量试在上述完成的电路中、再加装多档欧姆表电路。电阻测量有×1、×10、×100、×1K、×10K五个档。

[例]在下图中,虚框内表示高输出电阻的被测电路,电压表V的“Ω/V’数为20kΩ/V,分别用5V量程和25V量程测量端电压Ux,分析输入电阻的影响及用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。解:如果是理想情况,电压表内阻Rv应为无穷大,此时电压表示值Ux,与被测电压实际值E0相等:测量高输出电阻电路的电源

当电压表输入电阻为Rv时,电压表测得值:相对误差

将有关数据值代入上面两式,可得5V电压档:Rv1=20kΩ/V*5V=100kΩ

,25V电压档:Rv2=20kΩ/V×25V=500kΩ

由此不难看出电压表输入电阻,尤其是低电压档时输入电阻对测量结果的影响。

在工程测量中提高输入阻抗和灵敏度以提高测量质量;

最常用的办法是利用电子电压表进行测量。7.2.2

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7.7所示。图7.7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7.8集成运放电压表原理2.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。

为了使电子电压表能测量微伏量级的电压,放大器采用调制式直流放大器。

原理:微弱的直流电压信号交流信号直流信号(幅度已得到放大)。图

调制式直流放大器原理7.3交流电压的测量模拟万用表数字万用表本章使用的主要仪器有效值数字万用表图形万用表多重显示数字多用表台式数字多用表有效值电压(电平)表超高频毫伏表视频毫伏表7.3交流电压的测量

7.3.1表征交流电压的基本参量峰值、平均值、有效值、波峰系数和波形系数。峰值以零电平为参考的最大电压幅值(用Vp表示)。

注:振幅:以直流分量为参考的最大电压幅值(通常用Um表示)。7.3.1表征交流电压的基本参量平均值(均值)数学上定义为:相当于交流电压u(t)的直流分量。交流电压测量中,平均值通常指经过全波或半波整流后波形的平均值(一般若无特指,均为全波整流):对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt),若ω=2π/T7.3.1表征交流电压的基本参量有效值定义:交流电压u(t)在一个周期T内,通过某纯电阻负载R所产生的热量,与一个直流电压V在同一负载上产生的热量相等时,则该直流电压V的数值就表示了交流电压u(t)的有效值。表达式: 有效值7.3.1表征交流电压的基本参量有效值(续)意义:有效值在数学上即为均方根值。反映交流电压的功率。对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt),若ω=2π/T波峰系数和波形系数波峰系数定义:峰值与有效值的比值,用Kp表示对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt),若ω=2π/T7.3.1表征交流电压的基本参量波峰系数和波形系数波形系数定义:有效值与平均值的比值,用KF表示,对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt),若ω=2π/TAtAttA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7.3.2模拟式交流电压表模拟电压表的交流电压测量原理:

交流电压--〉直流电流

--〉驱动表头--〉指示。检波器:交流/直流变换,分为峰值响应、有效值响应、平均值响应三类检波器电压表:峰值电压表、均值电压表、有效值电压表输出直流电流待测交流电压模拟电压表组成方案检波器是实现交流电压测量(AC-DC变换)的核心部件,同时,为了测量小信号电压,放大器也是电压表中不可缺少的部件,因此,组成方案有两种类型: 一种是先检波后放大,称为检波-放大式; 一种是先放大后检波,称为放大-检波式。模拟电压表的两个重要指标:带宽和灵敏度(分辨力)。一、放大-检波式电压表(均值电压表)均值电压表先放大再检波,灵敏度很高。放大器宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为10MHz。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表”。灵敏度仍受宽带交流放大器内部噪声限制。特点:均值响应、灵敏度比峰值表有所提高但频率范围较小(<10MHz),主要用于低频和视频场合。一、放大-检波式电压表(均值电压表)典型产品——DA16型频率范围5Hz~2MHz,测量范围100μV~300V。误差±3%,输入电阻1.5MΩ。1、平均值检波原理

半波检波全波检波二、放大-检波式电压表(均值电压表)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图7.4-2DA—16型均值电压表原理

原理均值响应,即:u(t)

放大

均值检波驱动表头定度:表头刻度按(纯)正弦波有效值刻度。刻度特性:均值电压表的检波器响应的是待测信号平均值,读数却是正弦波有效值当输入u(t)为正弦波时,读数Ua即为u(t)的有效值V(而不是该纯正弦波的均值)。

对于非正弦波的任意波形,读数Ua没有直接意义(既不等于其均值也不等于其有效值V)。但可由读数Ua换算出均值和有效值。由于正弦波及有效值的实际意义,电压表的读数都用正弦电压的有效值进行定度刻度特性由读数Ua换算出均值和有效值的换算步骤如下:第一步,把读数Ua想象为有效值等于Ua的纯正弦波输入时的读数,即第二步,由计算该纯正弦波均值第三步,假设均值等于的被测波形(任意波)输入,即 注:“对于均值电压表,(任意波形的)均值相等,则读数相等”。第四步,由,再根据该波形的波形系数(查表可得),其有效值刻度特性上述过程可统一推导如下:上式表明,对任意波形,欲从均值电压表读数Ua得到有效值,需将Ua乘以因子k。(若式中的任意波为正弦波,则k=1.,读数Ua即为正弦波的有效值)。刻度特性综上所述,对于任意波形而言,均值电压表的读数Ua没有直接意义,由读数Ua到峰值和有效值需进行换算,换算关系归纳如下:

波形误差。若将读数Ua直接作为有效值,产生的误差4)实例分析[例]用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压,读数为1.0V,问该方波电压的有效值为多少?[解]根据上述均值电压表的刻度特性,读数α=1.0V, 第一步,假设电压表有一正弦波输入, 其有效值=1.0V; 第二步,该正弦波的均值=0.9α=0.9V; 第三步,将方波电压引入电压表输入, 其均值0.9V; 第四步,查表可知,方波的波形系数=1,则该方波的有效值为: 0.9V。

波形误差为 三角波结论:1、被测信号为正弦波形,则电压表示值就是被测电压的有效值。

2、被测信号是非正弦波形,那么需进行“波形换算”。由示值和被测信号的具体波形,推算出被测信号的有效值。

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、有效值电压表

均值表、峰值表的检波器响应的都不是有效值,只是表盘按有效值刻度而已,故实为伪有效值表。而有效值电压表,是采用电路方法直接获得有效值,是真有效值表。有效值检波原理——

有效值的物理定义:热电偶式检波有效值的数学定义:模拟运算的集成电路检波1)利用热电偶有效值检波热电偶:将两种不同金属进行特别封装并标定后,称为一对热电偶(简称热偶)热电效应:两种不同导体的两端相互连接在一起,组成一个闭合回路,当两节点处温度不同时,回路中将产生电动势,从而形成电流,这一现象称为热电效应,所产生的电动势称为热电动势。当热端T和冷端T0存在温差时(即T≠T0),则存在热电动势,且热电动势的大小与温差ΔT=T-T0成正比。实验----热电偶工作原理演示热电极A右端称为:自由端(参考端、冷端)左端称为:测量端(工作端、热端)热电极B热电势AB1、利用热电偶有效值检波热电偶温度测量原理:若冷端温度为恒定的参考温度,则通过热电动势就可得到热端(被测温度点)的温度。热电偶有效值检波原理:若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热,则热电动势将反映该交流电压的有效值,从而实现了有效值检波。直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系:电流I∝热电动势∝热端与冷端的温差,而热端温度∝u(t)功率∝u(t)的有效值V的平方,故表头刻度线性化处理:采用两对相同的热电偶,分别称为测量热电偶和平衡热电偶。E1=k1V2Ef=k2Vo2假如两对热偶具有相同特性,即k1=k2=k,差分放大器输入电压

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