电子测量Chapter-3-模拟测量方法-091016课件.ppt

1、 在电子测量领域中，电压、电流和功率 是表征电信号能量大小的三个基本参量。电压测量占有极为重要的地位。因为：在集中参数电路里，测量的主要参量是电压。许多电参数，如频率特性、失真度、灵敏度等都可视为电压量的派生量。各种电路工作状态,如饱和、截止及动态范围等都以电压的形式反映出来。电子设备的各种控制信号、反馈信号等信息也主要表现为电压量。电压的测量是其他许多电参量测量的基础。很多电子测量仪器，如信号发生器、各种电子式电压表、Q表、示波器等，以及其他电子设备都是用电压表作为它们的指示装置或辅助监测装置的。在调试电子设备或进行各种测量工作时，电压的测量是必不可少的。1.电压测量的特点与要求电压测量的特

2、点与要求 1)电子技术中被测电压的主要特点电子技术中被测电压的主要特点 (1)被测电压频率频率可能为直流、超低频、低频、高频及超高频。(2)被测电压值值可小到微伏甚至毫微伏级，大到几千伏、几十千伏，甚至更高量级。(3)被测电压波形波形有正弦波、失真正弦波及各种非正弦波。如图示几种电压波形图如图示几种电压波形图。(4)被测电压所在电路内阻内阻可能很高，也可能很低，有时还可能是一个谐振回路。(5)被测交流电压中，往往含有含有直流及噪声干扰等不需要测量的成份成份。2)电压测量的基本要求电压测量的基本要求由于被测电压具有以上一些特点，因而在制订电压测量方案时，必须根据具体情况及测量的目的，对电压测量提

3、出如下要求：(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 2.电压测量仪器的分类电压测量仪器的分类 电压测量仪器一般分为两大类：模拟式电压表和数字式电压表。(采用指针式模拟显示的电压表)根据电压性质根据电压性质：按电压特点分为按电压特点分为：直流电压表、交流电压表、脉冲电压表和多用途电压表等。按使用频率范围分为按使用频率范围分为：超低频/低频/高频/超高频电压表和选频电压表等。根据测量方法分为根据测量方法分为：峰值电压表、平均值电压表 和 有效值电压表。根据仪表结构分为根据仪表结构分为：磁电式

4、、电磁式和 电动式电压表等。(采用数字显示的电压表)主要优点是主要优点是：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、小巧轻便仪表的标志 不同类型的电工仪表，具有不同的技术性能。为了便于选择和使用仪表，通常把这些不同的技术特性采用不同的符号标志，标明在仪表的标度盘或面板上。根据国家标准GB776-76的规定，每只仪表应有测量对象单位单位、准确准确度等级度等级、电流种类和相数电流种类和相数、工作原理系别工作原理系别、使用条件组别使用条件组别、工作位置工作位置、绝缘强绝缘强度实验电压度实验电压、仪表型号仪表型号以及各种额定值各种额定值的标志。国家标准规定的各种符号标志列于

5、表2-2-1至表2-2-9。表2-1-1 测量单位的符号表2-1-2 仪表工作原理的图形符号仪表的标志仪表的标志仪表的标志仪表的标志表2-1-4 准确度等级的图形符号表2-1-3 电流种类的图形符号1.51.51.5 2）平均值平均值 U：对周期信号3）有效值）有效值 U：在不特别指明时，交流电压的量值均指有效值。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。4)波形系数波形系数KF ：表征同一信号的有效值与平均值之比。5)波峰系数波峰系数KP ：表征同一信号的峰值与有效值的比值。*各种波形的波峰系数KF 和波峰系数KP 参表3.2.1一、一、交流电压的表征交流电压的表征 交流电

6、压可以用峰值、平均值、有效值来表征；它们相互间的关系可用波形系数、波峰系数来表征。1）峰值：）峰值：交变电压在一个周期内所能达到的最大值。记为UP 。二、交流电压的测量方法二、交流电压的测量方法 交流电压的测量方法很多，其中最主要的方法是用检波器将交流变换为直流、然后再接到直流表头进行测量。根据检波特性不同，有平均值检波平均值检波、峰值检波峰值检波 和 有效值有效值检波检波，相应的电压表简称为平均值电压表、峰值电压表和有效值电压表。三、三、平均值电压表平均值电压表1.结构组成：结构组成：该表又称放大检波式电子电压表，即先放大后检波。2.特点：特点：该表检波器对被测电压的平均值产生响应,频率范围

7、频率范围主要受放大器带宽限制,典型频率范围为20Hz 10MHz,故又称为视频毫伏表、主要用于低频电压测量。灵敏度灵敏度受放大器内部噪声限制，一般可做到毫伏级。一般的“宽频带毫伏表”基本属于这一类。三、三、平均值电压表平均值电压表 3.平均值表头的工作原理平均值表头的工作原理 检波电路如图3.2-5所示。微安表指针偏转角与输入电压关系 平均值检波表头偏转角正比于其输入电压平均值，与其波形无关与其波形无关。其中：R=103104、且微安表两端并联电容用于滤除检波后电流中的交流成分，避免表针抖动；电容的充放电时间常数相等。(a)半波整流半波整流(b)(a)的简化式的简化式 (c)全波整流全波整流(

8、d)(c)的简化式的简化式UKrRUkIkmd 2 mdrRUI 2Ik 式中:是被测正弦波电压的平均值，Ka 是定度系数。UFsinsinsinKUUKa 当采用全波检波时：当采用全波检波时：设正弦峰值电压为1V时，其平均电压：2 U 可见：平均值电压表的定度系数 Ka=1.11 11122.UUKaa 由于被测交流电压多为正弦波，且希望得到测量的有效值，因而仪表刻度采用正弦波有效值 定度定度。即将仪表刻度盘按正弦波电压有效值刻度。电压表被施加正弦正弦交流电压U 时的指示值为：sinsinUKUaa 4.电压测量电压测量21 U4.电压测量电压测量aFFxUKUKU90.再根据相应的波形系数

9、，计算其有效值：aaaaUUKUU90111.正弦量测量正弦量测量 直读 非正弦量测量非正弦量测量 首先按“平均值相等示值也相等”的原则，将示值Ua 折算成被测电压的平均值：例：例：用全波平均值电压表测得三角波电压的示值为10V，则其平均值为：其有效值为：9VV109.09.0 aaaUKUUV VV V35109151.UKUF5.误差分析误差分析 测量非正弦波或失真的正弦波时，引起的波形误差。以 全波平均值表全波平均值表 为例，当以平均值表的示值直接作为被测电压的有效值时，引起的绝对误差为：引起的相对误差为：).(FaKUU901 ).(FaUKUU901 用平均值表测量交流电压会因直流微

10、安表本身的误差及检波二极管的老化，超过频率范围等而产生误差。当以平均值表的示值直接作为被测电压的有效值时，引起的绝对误差为：引起的相对误差为：例：例：用全波平均值电压表测得三角波电压的示值为10V，则其平均值为：其有效值为：9VV109.09.0 aaaUKUUV VV V35109151.UKUF 可见，不管被测非正弦电压的波形如何，直接将电压表示值当做被测电压的有效值将会造成波形误差。)(.).().(V V35015190110901 FaKUU%.%).(53100901 FaUKUU 用平均值电压表测失真正弦波电压的误差分析：设被测电压为：其中：Kn为 n 次谐波幅度相对于基波幅度的

11、百分数，n 谐波次数(取n2或3)；n为n次谐波初相角。被测电压的平均值 被测电压的指示值 但被测电压的实际有效值为：测量失真波形电压误差：axrelaaUUUUUU *谐波失真波形误差可由P79图3.2.6查得。6.平均值检波电压表平均值检波电压表+_放大器放大器衰减器衰减器检波器检波器 四、四、峰值电压的测量峰值电压的测量 1.结构原理：结构原理：电路组成如图所示，被测交流电压先检波后放大，然后驱动直流电流表偏转。该表又称检波放大式电子电压表.2.特点：特点：在峰值电压表中，检被器峰值响应。由于采用桥式直流放大器，增益不高。这类电压表灵敏度较低，一般为几十毫伏。测量电压的上限取决于检波二极

12、管的反向击穿电压。工作频率范围取决于检波二极管的高频特性，一般可达几百兆赫。为了提高检波一放大式电子电压表的灵敏度，目前普遍采用斩波式直流放大器，如图3.2-2(b)所示其增益较高，噪声、0点漂移都很小，其最高灵敏度可达几十微伏。检波电路如图3.2-19所示。3.峰值表头的工作原理峰值表头的工作原理串联式：倍压式：ux(t)RxRCRdi充充i放放ux(t)RxRRdCi放放i充充-+ux(t)RxRC1C2Rd2Rd1并联式：四、四、峰值电压的测量峰值电压的测量 其中：R=107108、且 微安表指针偏转角(示值)正比于其输入电压峰值，与其波形基本无关与其波形基本无关。式中:是被测任意波形电

13、压的峰值，Ka 是定度系数。mUPsinsinsin1)()(KUUKmrmsa 设正弦有效值电压为1V时，其峰值电压：2 mU707021.)()(sinsin mrmsaUUK 由于仪表刻度采用正弦波有效值定度定度。即将正比于输入电压峰值的指针偏转乘以定度系数 Ka 作为仪表刻度值。电压表加正弦交流电压Ua 时的指示值为：maaUKU 四、四、峰值电压的测量峰值电压的测量4.电压测量电压测量appaapmxUKKUKKUU2 *根据相应的波形系数，计算其有效值：aaamUKUU2 正弦量测量正弦量测量-直读非正弦量测量非正弦量测量-首先按“峰值相等-示值也相等”的原则，将示值Ua 折算成被

14、测电压的峰值：四、四、峰值电压的测量峰值电压的测量5.误差分析误差分析 四、四、峰值电压的测量峰值电压的测量(1)理论误差理论误差 由于峰值检波器负载电阻上总要消耗一部分能量，为了维持检波器正常工作，负载电阻上的电压一直处于不断进行充放电的动态平衡状态，其输出电压平均值UR总是低于实际峰值。这是峰值检波器的理论误差，属固有误差。峰值表的误差来源主要有：理论误差、频率误差、波形误差 经数学分析可知，当被测电压为正弦波时产生的理论误差为：绝对误差 四、四、峰值电压的测量峰值电压的测量 (2)频率误差频率误差 峰值表比较适用于高频测量，因为阻容放电时间变换较快，当工作频率很低时，T 很大，使放电时间

15、增加。在一定的放电时间常数RC之下，UR之值便降低愈多，误差也就愈大。为了把低频误差控制在一定限度之内工作频率下限不能太低。如果应用在低频，因为信号周期较长，而产生的频率相对误差为：当利用峰值表测量正弦波电压时，峰值检波电路对波形的凸起部分非常敏感。若信号失真度较大,将会造成较大的波形误差。在测量谐波失真较大的电压时，尽量不要选用这种仪表，必须使用时应进行误差修正。如果被测信号是有规则的非正弦波电压，与平均值表情况类似，可以进行波形换算，以减小波形误差，(3)波形误差波形误差6.峰值检波器电压表峰值检波器电压表 这是反相型峰值检波器。运放 Al 对输入信号进行反相放大，VD2为半波检波二极管，

16、C 为存储电容，A2 为电压跟随器，具有较高的输入阻抗，在电容和输出之间缓冲。电阻R1和R2与电位器RP组成反馈回路，通过调节电位器可以改变环路增益。被测输入信号 0；VD2 导通，VD1截止时；电容C被充电；使uo 跟随ui。被测输入信号 0时，Al的输出 0；VD1 导通，VD2截止时；电容C与Al 隔离；使uc 保持uimax。五、五、有效值电压表有效值电压表实现方法：实现方法：通常实现直接有效值电压测量的方法有两种-热电转换法、公式法 (1)热电转换法：将交流电压的有效值转换成直流电压值。该法没有波形误差，但有热惯性和频带不宽等缺点。(2)公式法：利用方均根值公式进行转换。在实际测量中

17、，有时需要测量非正弦 信号电压的有效值。例如，非线性失真仪需要测量的谐波电压是一种复杂波形，若用峰值检波器或均值检波器去测量，难以换算出实际的电压有效值。需要能直接测出任意波形电压有效值的检波器，这种能直接测出任意波形电压有效值的检波器称为有效值检波器。(1)热电转换法：热电转换法：将交流电压的有效值转换成直流电压值。实现方法实现方法利用热电偶来实现有效值转换的基本电路如图所示，图中AB是加热丝，当接入被测电压 ux 时，加热丝发热，热电偶 M 的热端 C 点的温度将高于冷端 D，E 的温度，产生热电势；有直流电流I 流过微安表。22)()(XmrsxxXmrsUkEETU 即即：；已已知知：

18、2)(XmrsxUIE；又又：电路实现一例：电路实现一例：当分压器及放大器总传输系数为1时，Ex KUx 2热电偶 M2 与 M1 性能相同，Ef KUo2当放大器A的增益足够大时，E=Ex-Ef 0；即：KUo2-KUx 2 0 UoUx 可见：输出直流电压Uo 与被测电压的有效值Ux成正比。该电路完成了RMS DC 的线性转换；表盘可均匀刻度。特点特点：*可测任意周期性波形的电压有效值，同谐波与基波的相角无关，不会产生波形误差。*当用正弦波电压有效值刻度时，表盘刻度是线性的。*该法频率范围受放大器带宽限制,在测矩形方波时,其高次谐波会受抑制而产生误差。*其量程受限于放大器的动态范围。当被测

19、电压波形上的尖蜂过高时会受到电压表放大器动态范围的限制，因此还会产生一定的波形误差。uxuxIf 特点特点：*可测任意周期性波形电压的有效值，同谐波/基波间相角无关，不会产生波形误差。*因为I Uxrms2，用正弦波电压有效值刻度时，表盘刻度是非线性的，。*该法频率范围受转换器限制，常用于频率不高的有效值电压测量中。(2)公式法公式法1-利用二极管进行方均根值转换。实现方法实现方法 -从有效值的定义可知：由上式可见，有效值检波器的函数特性，应具有平方律关系。可选择二极管检波器，并适当调节其工作点，使该检波器电流为：TdttuTU021)(2020202)()()(tkutukEkEtuEkix

20、xx 表头指针偏转角正比于其直流平均值，而检波电流的平均值为：20200200202112xxTxTxkUUkEkEdttuTkdttuTkEkEI )()(式中，为输入电压平均值，且 ；为起始电流可以设法抵消掉；流过表头的电流便是检波器检出的方均值分量。xU0 xU0E2xkUI (3)公式法公式法2-利用模拟运算电路实现有效值电压的测量 从有效值的定义可知：TdttuTU021)(利用模拟运算电路测量电压的有效值，原理如图3.2-12(a)所示，第一级接成平方运算的模拟乘法器，其输出正比于u2(t),第二级接成积分平均电路；第三级将积分器的输出进行开方，最后输出的电压正比于被侧电压的有效值。工作原理工作原理电路实现电路实现-利用专用模块 六、脉冲电压的测量六、脉冲电压的测量1.脉冲电压表的原理脉冲电压表的原理2.误差分析：误差分析：而：可见：T 越大、tW 越小，T 越大。R 越大，T 越小；应尽可能增大负载电阻 R。3.电路实现：电路实现：