电子测量技术第四章课件.ppt

1、第六章 电压测量技术二：电压测量的特点二：电压测量的特点(1)频率范围宽。(2)测量范围宽。(3)电压波形的多样化。(4)要求有足够高的输入阻抗。(5)要求有足够高的测量准确度。(6)要求有高的测量速度。(7)要求有高的抗干扰性能。第六章 电压测量技术 一般是指“指针式电压表”，它把被测电压加到磁电式电流表，转换成指针偏转角度的大小来度量。包括模拟万用表和电子电压表。另一种模拟测量是把被测量电压变换成图形高度来测量的仪表，如示波器等。指把被测电压的数值通过数字技术，变换成数字量，然后用数码管以十进制数字显示被测量电压值。三、电压测量方法分类第六章 电压测量技术四、电压标准 1、直流电压标准n标

2、准电池（实物基准，10-6）；n齐纳管电压标准（固态标准，10-6）；n约瑟夫森量子电压基准（量子化自然基准，10-10）2、交流电压标准n 原理n 由直流电压标准建立。因而，需经过交流-直流变换。n 测热电阻桥式高频电压标准第六章 电压测量技术4.2 直流电压的测量直流电压的测量一、普通直流电压表一、普通直流电压表图4-1 普通直流电压表电路电压表内阻mmIUneRRRV串接3个电阻后除了最小电压量程U0=ImRe 外，又增加了U1、U2、U3三个量程第六章 电压测量技术动圈式直流电压表优点：结构简单，使用方便，缺点：误差较大（输入阻抗低）。例如用普通直流电压表测量高输出电阻电路直流电压00

3、000mVVVmEEUURRRRRI00000VUERERR RV越小，越大第六章 电压测量技术式中,K=U2/U1。为了消除负载影响1、可使用两个不同量程挡U1、U2进行测量。将电压表的两次读数值U01、U02代入下式，可计算出被测电压的近似值00202011KEUUKU2、采用直流电子电压表第六章 电压测量技术二、直流电子电压表二、直流电子电压表图4-3 电子电压表组成原理框图跟随器，直流放大器构成和分压电路的作用？第六章 电压测量技术三、直流数字电压表三、直流数字电压表图4-5 直流数字电压表基本结构框图A/D转换器是直流数字电压表的核心电路。第六章 电压测量技术4-3、交流电压的模拟测

4、量方法、交流电压的模拟测量方法交流电压测量的核心是交流电压测量的核心是AC/DC变换，此部分是带共性的，变换，此部分是带共性的，即模拟式和数字式交流电压表都必须完成这一变换过程。即模拟式和数字式交流电压表都必须完成这一变换过程。模拟式电压表分类模拟式电压表分类先检波，后放大先检波，后放大先放大，后检波先放大，后检波第六章 电压测量技术一、交流电压值的表示方法2、平均值平均值dttuTUT0)(1交流信号检波（整流）后的平均值dttuTUT0)(11、峰值峰值:以零电平为参考的最大电压幅度，以零电平为参考的最大电压幅度，UP3、有效值有效值dttuTUT02)(1第六章 电压测量技术表征交流电压

5、的参数有：表征交流电压的参数有：根据检波方式的不同，有三种电压表。根据检波方式的不同，有三种电压表。V均值均值峰值峰值pV有效值有效值V峰值电压表峰值电压表均值电压表均值电压表有效值电压表有效值电压表模拟式电压表模拟式电压表第六章 电压测量技术4、两个概念波形因数波形因数KF波峰因数波峰因数KP该交流电压的有效值与平均值之比该交流电压的有效值与平均值之比UUKF该交流电压的峰值与有效值之比该交流电压的峰值与有效值之比UUKPP 不同的电压波形，其不同的电压波形，其KF、KP亦不相同。亦不相同。第六章 电压测量技术 序号 名称波形因数 KF波峰因数KP有效值平均值n1正弦波1.111.414UP

6、/UP2半波整流1.572UP/UP3全波整流1.111.414UP/UPn4三角波1.151.73UP/UP/25锯齿波1.151.73UP/UP/n6方波11UPUP7白噪声1.253UPUP2121313.75222233第六章 电压测量技术1、峰值检波式电压表、峰值检波式电压表TxptvV0)(max 电路形式电路形式步进步进分压器分压器斩波式斩波式直流放大器直流放大器峰值检波器（探头）峰值检波器（探头）先检波、后放大先检波、后放大高频电压测量高频电压测量时误差较小时误差较小二、交流电压的模拟测量方法二、交流电压的模拟测量方法第六章 电压测量技术检波电路形式检波电路形式DVpCRLu(

7、t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc第六章 电压测量技术 第六章 电压测量技术刻度特性刻度特性=I0 Vp表头的刻度：以正弦有效值刻度。表头的刻度：以正弦有效值刻度。=V（正弦波有效值）（正弦波有效值）波峰因数：波峰因数：VVKpp =V=Vp/1.414=0.707Vp测量任意波形（正弦波除外）,其读数没有直接意义第六章 电压测量技术例例4-1用一块峰值电压表测量一个三角波电压，读数为用一块峰值电压表测量一个三角波电压，读数为10 V，问该方波电压的有效值为多少？问该方波电压的有效值为多少？解：解：被测三角波电压的峰值为被测三角波电压的峰值为VKaVPP1.14102 三角波电压的波

8、峰因数三角波电压的波峰因数3PK故故VKVVPPx15.8波形误差为：%3.1515.815.810第六章 电压测量技术例:已知三角波,Vp=5V,用Vp电压表,求 和V535.3707.0pV(为sint的有效值)86.273.15PPKVV第六章 电压测量技术2、均值电压表、均值电压表（dtVTVTtx 0)(1电路形式电路形式输入输入宽带放大器宽带放大器检波检波A先放大、后检波先放大、后检波大信号检波时线性较大信号检波时线性较好，波形误差较小好，波形误差较小第六章 电压测量技术01()()22Todmdmu tu tIdtTrrrr检波电路形式检波电路形式第六章 电压测量技术刻度特性刻度

9、特性=I 0 ，与波形无关与波形无关V表头的刻度：以正弦有效值刻度。表头的刻度：以正弦有效值刻度。=V（正弦波有效值）（正弦波有效值）波形因数：波形因数：VVKF 第五章第五章 电压测量技术电压测量技术VVKV11.1第六章 电压测量技术例例4-2：用一块平均值电压表测量一个三角波电压，读数为用一块平均值电压表测量一个三角波电压，读数为1 V，问该三角波电压的有效值为多少？，问该三角波电压的有效值为多少？解：解：三角波的均值为三角波的均值为VKaVFx9.011.11(正弦波）正弦波）三角波的波形因数三角波的波形因数15.1 FK故故VVKVxFx035.19.015.1第六章 电压测量技术

10、若用均值电压表,求V11.1FKV11.1PPFKVK11.173.1515.111.1V79.2例:已知三角波,Vp=5V,用Vp电压表,求 和V535.3707.0pV(为sint的有效值)86.273.15PPKVV第六章 电压测量技术3、有效值电压表检波三种方法：1、热电变换2、模拟计算电路：TxXdttvTV02)(1（1）直流变换的原理)(tvx ：热端、：冷端ITVX热热22XVI 3、CD和和CE为两种为两种不同材料制作不同材料制作第六章 电压测量技术2XXKVE 20KVEffXiEEV,A当fXEE 即xVV0两热电偶受T的影响将相互抵消,提高热稳定性。,0iv则以DA-2

11、4型为例平衡热偶的作用：使表头刻度线形化，并提高热稳定性。平衡热偶的作用：使表头刻度线形化，并提高热稳定性。热偶式电压表缺点：具有热惯性，过载能力差，易烧毁。热偶式电压表缺点：具有热惯性，过载能力差，易烧毁。第六章 电压测量技术)(2tvx)(2tvx)(tvxxV模拟乘法器模拟乘法器积分器积分器开方开方 TxxdttvTV02)(1第六章 电压测量技术波形误差的比较波形误差的比较峰值电压表峰值电压表对被测信号波形的谐波失真所引起的对被测信号波形的谐波失真所引起的波形误差非常敏感，故不能测量失真波形的电压。波形误差非常敏感，故不能测量失真波形的电压。均值电压表均值电压表测量含有谐波成分的失真正

12、弦电压的测量含有谐波成分的失真正弦电压的有效值时有如下结论：有效值时有如下结论：1、误差与谐波幅度及初相角有关，当初相角为、误差与谐波幅度及初相角有关，当初相角为00或或1800时误差最大。时误差最大。2、二次谐波误差比三次谐波要小，推广到一般，奇、二次谐波误差比三次谐波要小，推广到一般，奇次谐波比偶次谐波影响大。次谐波比偶次谐波影响大。3、均值表波形误差与峰值检波相比较小。、均值表波形误差与峰值检波相比较小。有效值电压有效值电压表测量非正弦波时理论上不会产生波形误差，表测量非正弦波时理论上不会产生波形误差，实际上由于以下两个原因使产生实际上由于以下两个原因使产生读数偏低读数偏低的误差。的误差

13、。1、电压表线形工作范围的限制。、电压表线形工作范围的限制。2、电压表带宽的限制。、电压表带宽的限制。第六章 电压测量技术电压表的比较n峰值电压表峰值电压表n检波检波-放大式。放大式。n峰值响应、峰值响应、频率范围较宽频率范围较宽（达（达1000MHz1000MHz）但）但灵敏灵敏度低（度低（mVmV级）级）。n改进：改进：“调制式电压表调制式电压表”，采用高增益低漂移的采用高增益低漂移的调制式直流放大器，使测量灵敏度大为提高，从调制式直流放大器，使测量灵敏度大为提高，从mVmV级提高到几十级提高到几十V V。n读数需换算读数需换算n需注意：测量波峰因数大的非正弦波时，需注意：测量波峰因数大的

14、非正弦波时，由于削由于削波可能产生误差波可能产生误差。第六章 电压测量技术n均值电压表均值电压表n放大放大-检波式。检波式。n均值响应，灵敏度比峰值表有所提高，但频率范均值响应，灵敏度比峰值表有所提高，但频率范围较小（围较小（10MHz10MHz），主要用于低频和视频场合。），主要用于低频和视频场合。n读数需换算：读数需换算：n有效值电压表有效值电压表n可以可以直接读出有效值直接读出有效值，非常方便。，非常方便。n由于由于削波和带宽限制削波和带宽限制，将可能损失一部分被测信，将可能损失一部分被测信号的有效值，带来负的测量误差。号的有效值，带来负的测量误差。n结构较为复杂，价格较贵。结构较为复杂

15、，价格较贵。第六章 电压测量技术以分贝表示：21lg10PP002121dBPPdBPP2、电压之比的对数21PP222121/RVRV21RR 2221VV取对数21lg10PP21lg20VV为为dBVV21为为dBVV214.4 电平表1、功率之比的对数一、分贝的定义第六章 电压测量技术电压电平:）（VVVdBuPXV775.0)(lg20功率电平：mwmwPxdBmPw1lg103、绝对电平xxmP mWP dB xxVV VV dB21lg10PP21lg20VV第六章 电压测量技术二、电平的测量实质：刻度不均匀通常指测绝对电平1、宽频电平表第六章 电压测量技术选取Rx=600欧作为

16、零刻度基准阻抗=（2）、功率电平测量：功率电平=RxdBPVV600lg10第六章 电压测量技术2、外差式选频电平表 n原理n外差式接收原理。组成：外差式接收机宽频电平表输输入入电电路路中中频频放放大大器器均均值值检检波波器器dB混混频频器器2 2fZ2(固固定定)f2(固固定定)带带通通滤滤波波器器窄窄带带滤滤波波器器混混频频器器1 1f1(可可调调)fZ1(固固定定)fx(第第一一本本振振)(第第二二本本振振)第六章 电压测量技术n特点n大大提高灵敏度（可达-120dB，相当于0.775V）。n常称为“高频微伏表”。n如DW-1型，频率范围为100kHz300MHz，最小量程15V。n应用

17、n小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。n放大器谐波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。第六章 电压测量技术一、概述关键：A/D变换4-5、电压测量的数字化方法数字电压表的组成框图第六章 电压测量技术非积分式非积分式逐次逼近式逐次逼近式比较式比较式斜坡电压式斜坡电压式代表代表:代表代表:线性斜坡式线性斜坡式阶梯斜坡式阶梯斜坡式积分式积分式代表代表:双斜式双斜式多斜式多斜式根据A/D变换的不同方法分类：积分式非积分式第六章 电压测量技术二、非积分式二、非积分式DVM1、逐次逼近式、逐次逼近式原理：与天平称重相似原理：与天平称重相似砝码砝码待测待测W/2 W/4 W/8 W/16原

18、则：大者弃，小者留原则：大者弃，小者留第六章 电压测量技术钟脉冲钟脉冲起始脉冲起始脉冲逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SAR显示器显示器译码器译码器比较器比较器D/A变换器变换器VrefVfMSB2-12-2例例:三位二进三位二进制制,Vr=5V,Vx=4VSAR输出输出顺序顺序D/A送出送出比较比较比较器输出比较器输出结果结果1100Vr/2=2.52.50保留保留2110Vr/2+Vr/22=3.753.750保留保留3111 Vr/2+Vr/22+Vr/23=4.375 4.3754Vo0舍弃舍弃0000000110 经过译码显示经过译码显示3.75V逐次逼近比较式逐次逼近比较式A/D变换过

19、程变换过程第六章 电压测量技术2xrnNVV第六章 电压测量技术逐次逼近比较式存在量化误差逐次逼近比较式存在量化误差.结论结论:其准确度由基准电压、其准确度由基准电压、D/A变换器、比较器的漂移变换器、比较器的漂移所决定。所决定。变换时间与输入电压大小无关，仅由它的数码的变换时间与输入电压大小无关，仅由它的数码的位数（比特数）和钟频决定。位数（比特数）和钟频决定。逐次逼近比较式的逐次逼近比较式的A/D变换能兼顾速度和精度和成变换能兼顾速度和精度和成本三个方面的要求。本三个方面的要求。由于测量值对应于瞬时值，而不是平均值，所以抗由于测量值对应于瞬时值，而不是平均值，所以抗串模干扰能力差。串模干扰

20、能力差。2xrnNVV第六章 电压测量技术2、斜坡电压式DVM第六章 电压测量技术0VxVx、V Vr r门门控控信信号号计计数数输输入入NV Vr rt1bT0T0 xVkTkT NeNNTRCUUrx0第六章 电压测量技术【例例4-3】某斜波式DVM，4位数字读出，已知基本量程为10 V，斜坡发生器的斜率为10 V/50 ms。试计算时钟信号频率，若计数值N6223，则被测电压值是多少？解解：时钟信号频率为kHz 020ms 05000 100f现若计数值N6223，则门控时间ms 511.31kHz 200622300fNNTTV 322.6ms 511.31ms 50V 10 kTUx

21、又由斜率k10 V/50 ms，即可得被测电压为第六章 电压测量技术1、双斜式积分、双斜式积分(双积分式双积分式)DVM（1）、简化组成方框图）、简化组成方框图V-T变换变换特点特点:在一次测量过程中，用同一积分器先后进行两次积分。在一次测量过程中，用同一积分器先后进行两次积分。三、积分式A/D逻辑逻辑控制电路控制电路十进计数器十进计数器主门主门A1A2-+-+c积分器积分器比较器比较器时钟时钟Vo-VxVrefs1s212第六章 电压测量技术t1VxVxVoVomVomT1T2T2（2）、工作（二次积分）过程：）、工作（二次积分）过程：首先：首先：对对VX定时定时积分积分其次：其次：对对Vr

22、定值定值积分积分比较比较（属于（属于VT变换）变换）第六章 电压测量技术1、无干扰时、无干扰时 121)(1ttxxomVRCTdxVRCV2、有串模干扰、有串模干扰Vsm时时)(smxxVVv 则：则：2111ttxxomvRCTdxvRCV定时积分定时积分结论：平均值减少了影响结论：平均值减少了影响在在T1内：内：（1）（3）、基本关系式）、基本关系式t1VxVxVoVomVomT1T2T2第六章 电压测量技术定值反向积分定值反向积分在在T2内：内：01232 refomttrefomoVRCTVdtVRCVV将（将（1）式代入（）式代入（2）式，有）式，有（2）xrefVVTT12 re

23、frefxVNNVTTV1212 t1VxVxV0VomVomT1T2T2将V转化为T（时间间隔）来测量第六章 电压测量技术讨论：优点：a、XXVNVT22即b、与RC无关（积分元件），对RC的准确度要求下降。c、Vx与 T2/T1有关，而不决定于T1和T2本身的大小，由于T1和T2采用同一个时钟源提供时钟脉冲计数，故对fosc要求降低。221xrNVVeNNrefXVTTV12d、抗干扰能力强例如：当例如：当2444110,101066NNVVVxr当当,10242 N则则Vx=2V。1rVeN第六章 电压测量技术缺点：a、测量速度低。b、量化误差影响C、积分器非线性带来误差第六章 电压测量

24、技术2 2、三斜积分式、三斜积分式ADCADC（1 1）基本原理：）基本原理：n三次积分过程三次积分过程。n在双斜积分式在双斜积分式ADCADC基础上，为进一步提高基础上，为进一步提高ADCADC的的分辨力分辨力而而设计的设计的n将双斜积分式将双斜积分式ADCADC的第二次积分过程，分解为两次，使的第二次积分过程，分解为两次，使积分器输出即将到达零点时，积分器输出即将到达零点时，加长积分过程加长积分过程（缓慢积缓慢积分分），以降低对比较器的分辨力和带宽要求。），以降低对比较器的分辨力和带宽要求。n组成：包括积分器、组成：包括积分器、2 2个比较器、个比较器、2 2个计数器及逻辑控制个计数器及逻

25、辑控制电路。电路。第六章 电压测量技术主主门门高高 位位 计计 数数器器 A A逻逻 辑辑 控控 制制 电电 路路数数 字字输输 出出时时 钟钟S 1S 2CRVx-Vr积积 分分 器器比比 较较 器器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1复复 零零t2t31VoVomT1T2N1N2t积积 分分波波 形形计计 数数 器器输输 入入a.b.清清 零零低低 位位 计计 数数器器 B B主主门门清清 零零-+ABR 1R 2R 3t32T3N3VtVr/10nVtN N2 2N3f0T0T0T0复零阶段定时积分斜率大大降低了第六章 电压测量技术n（2）工作过程）工作过程n当积分完成时，有当积

26、分完成时，有n考虑到，考虑到，(其中其中T T0 0为时钟周期为时钟周期)则则式中，式中，为刻度系数（为刻度系数（V/V/字）；而字）；而 即为即为A/DA/D转换结果的数字量（由计数器转换结果的数字量（由计数器A A和计数器和计数器B B的计的计数值数值N N2 2和和N N3 3加权得到）。加权得到）。231110nxrTTTVVRCRC11 022033 0,TN TTN T TN T2311()10rxnVVNNeNN1rVeN23110nNNN第六章 电压测量技术四、电压测量的常用技术指标1、被测电压的电压幅度、频率范围量程：kVnV1基本量程：A/D变换器的电压范围第六章 电压测量

27、技术2、DVM的显示位数1.9992.000档19.99910.00档4位9.99910.00档表示显示档位位214位2133、超量程能力：最大计数可超过量程。完整显示位 09十位1/2位，指的是最高位只能取“1”或“0”；以及“0”到“4”5.000档4.999位213第六章 电压测量技术5、测量速度：取决于A/D变换器的变换速度。4、分辨力：DVM能够显示出的VX的最小变化值。200mV档：最大显示199.9mV，最大分辨力0.1mV即显示器末位跳动一个数字所需的电压值第六章 电压测量技术n固有误差表达式：(%)xmVVV 6、测量误差（不确定度）组成：固有误差+附加误差（温度等）。误差的

28、相对项系数；误差的固定项系数；U x 被测电压读数；U m 该量程的满度值。固有误差由两部分构成：%xVn读数误差：与当前读数有关。%mV满度误差：与当前读数无关，只与选用的量程有关示值（读数）相对误差为：(%)mxxVVVV 第六章 电压测量技术%mV(%)xmVVV(%)xVVn 字V%mV%第4章 电压测量技术【例例4-4】用某位DVM测量1.5 V的电压，分别用2 V挡和200 V挡测量，已知2 V挡和200 V挡固有误差分别为(0.025Ux1字)和(0.03Ux1字)。试问两种情况下由固有误差引起的测量误差各为多少？214解解：该DVM为四位半显示，最大显示为19 999，所以2

29、V挡和200 V挡1个字分别代表和V 0001.0200002e2UV.01020000200200eU第4章 电压测量技术用2 V挡测量的示值相对误差为用200 V挡测量的示值相对误差为%032.05.1)0001.05.1%025.0(22xeUU%70.05.1)01.05.1%03.0(200200 xeUU第六章 电压测量技术7、输入阻抗及输入零电流n输入等效电路：Rs为Vx的等效内阻，Ri为等效输入电阻I0为输入零电流。第六章 电压测量技术（1）串模干扰和串模抑制比：措施：a、输入端设置滤波器；b、A/D转换原理上采用双积分式消除。串模干扰定义：指干扰源以串联形式与被测电压一起叠加

30、到DVM输入端。Vsm来源：稳压电源的纹波电压，外界大的用电器强磁场穿过测量电路产生的感应电势。8、抗干扰能力VsmVxRl1Rl2Zi高端高端低端低端DVM第六章 电压测量技术衡量DVM对串模干扰的抑制能力：VsmdBSMRlg20)(串模干扰电压峰值由Vsm造成的最大显示误差SMR越大，DVM抗干扰能力越强。n一般DVM的串模抑制比为（5090）dB。第六章 电压测量技术结论（1）低频干扰影响大（2）越越大大增增大大，积积分分SMRT（3）当T=nTSm，干扰信号被完全平均掉11()20lgsinnnTTNMR dBTT用平均法抑制正弦串模干扰，得5 50 06 60 01 10 00 0

31、2 20 00 05 50 00 00 02 20 04 40 0N NM MR R(d dB B)f fn n=1 1/T Tn n(H Hz z)T T1 1=1 10 0m ms sT T1 1=1 10 00 0m ms s2 20 0d dB B/1 10 0倍倍频频程程第六章 电压测量技术（2）共模干扰和共模抑制比：共模干扰定义：通过环路地电流对两根测试线都产生影响的干共模干扰定义：通过环路地电流对两根测试线都产生影响的干扰。扰。被测信号源地线与DVM地线之间存在电位差Vcm来源：Rl1Rl2VcmZiZ2Z1I2I1第六章 电压测量技术减小Vcm的关键：使I1、I2减小措施：a、

32、浮置b、多层屏蔽VsmVcmCMRRlg20共模干扰电压由Vcm转化为Vsm122rIVsm 122lg20rZCMRR 22122/ZVcmZrVcmI采用了浮置DVM一般共模干扰抑制比为（80150）dB衡量DVM对共模干扰的抑制能力：第六章 电压测量技术22()20lgZCMR dBr解 对于浮置测量，有：对直流共模干扰，将 ,r2=1k代入上式，得：对交流共模干扰，于是，(为共模干扰信号的频率)9210Z 931020lg12010CMRdB22222211()1ZRCjCjCR2 2120lg2cmCMRf C rcmf cmf2C2r5012120lg70250 1000 101000HzCMRdB例4-5 一台采用浮置测量的DVM，Z2=109/1000pF，分别计算对直流和50Hz交流时的共模抑制比。导线电阻r2取标称值1k。第六章 电压测量技术数字多用表的框图1、DMM数字多用表五、以电压测量为基础的其他测量A AC C/D DC CI I/V VZ Z/V VD DV VM MC CP PU UD DC CA AC CI IZ Z第六章 电压测量技术第六章 电压测量技术 第六章 电压测量技术