第2章电参量测量技术 .ppt

1、东南大学东南大学东南大学仪器科学与工程学院任课教师任课教师：林国余林国余 Tel：13512504727 Email：Andrew.L2第二章第二章 导言导言在现代测试技术中，对于各种类型的被测量大多在现代测试技术中，对于各种类型的被测量大多数都是直接或通过各种传感器、电路等转换为与数都是直接或通过各种传感器、电路等转换为与被测量相关的电压、电流、时间、频率等电学基被测量相关的电压、电流、时间、频率等电学基本参量后进行检测和处理的，这样不仅便于对被本参量后进行检测和处理的，这样不仅便于对被测量的检测、处理、记录和控制，又能提高测量测量的检测、处理、记录和控制，又能提高测量的精度。因此，了解和掌

2、握这些基本参量的测量的精度。因此，了解和掌握这些基本参量的测量方法是十分重要的。本章分别介绍时间、频率和方法是十分重要的。本章分别介绍时间、频率和相位；电压、电流以及阻抗等参量的测量方法。相位；电压、电流以及阻抗等参量的测量方法。3第二章第二章 电参量测量技术电参量测量技术2.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.3 2.3 电流测量电流测量2.2 2.2 电压电压测量测量2.4 2.4 阻抗测量阻抗测量42.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v 时间时间是国际单位制中七个基本物理量之一，单位是秒是国际单位制中七个基本物理量之一，单位是秒(s)。频率

3、频率以单位时间内周期性振荡的次数来计量，单位是赫兹以单位时间内周期性振荡的次数来计量，单位是赫兹(Hz)。因此，频率测量和时间测量是紧密相联系的。频率、。因此，频率测量和时间测量是紧密相联系的。频率、时间的应用与人们日常生活息息相关，而在当代高科技中时间的应用与人们日常生活息息相关，而在当代高科技中显得尤为重要。例如显得尤为重要。例如,邮电通讯，大地测量，地震预报，人邮电通讯，大地测量，地震预报，人造卫星、宇宙飞船、航天飞机的导航定位控制等都与频率、造卫星、宇宙飞船、航天飞机的导航定位控制等都与频率、时间密切相关，因此准确测量时间和频率是十分重要的。时间密切相关，因此准确测量时间和频率是十分重

4、要的。v 相位相位是描述交流信号的三要素之一。相位差的测量是研究是描述交流信号的三要素之一。相位差的测量是研究信号、网络特性的不可缺少的重要方面。信号、网络特性的不可缺少的重要方面。52.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.1.1 频率的测量频率的测量 在工业生产领域中周期性现象十分普遍，如各种周而复始在工业生产领域中周期性现象十分普遍，如各种周而复始的旋转、往复运动、各种传感器和测量电路变换后的周期性的旋转、往复运动、各种传感器和测量电路变换后的周期性脉冲等。脉冲等。周期周期:周期性过程重复出现一次所需要的时间；周期性过程重复出现一次所需要的时间；频率频率:单位时间内

5、周期性过程重复出现的次数；单位时间内周期性过程重复出现的次数；周期与频率互为倒数关系周期与频率互为倒数关系:Tf1数字式测量法数字式测量法模拟式测量法模拟式测量法62.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量72.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v1.频率（周期）的数字测量频率（周期）的数字测量v（1）计数法测量）计数法测量基本原理：基本原理：计数法就是在一定的时间间隔计数法就是在一定的时间间隔T内，对内，对周期性脉冲的重复次数进行计数。若周期性脉冲的周期性脉冲的重复次数进行计数。若周期性脉冲的周期为周期为TA，则计数结果为：，则计数结果为：N=T/TA

6、。82.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量测量原理：测量原理：v 周期为周期为TA的脉冲的脉冲加到闸门的输入端作为输入信号加到闸门的输入端作为输入信号;v 宽度为宽度为T的门控信号的门控信号加到闸门的控制端控制闸门的开、闭加到闸门的控制端控制闸门的开、闭时间，只有在闸门开通时间时间，只有在闸门开通时间T内闸门才输出计数脉冲内闸门才输出计数脉冲到十到十进制计数器进行计数进制计数器进行计数;v 计数器对计数器对TA进行计数。进行计数。92.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量在一定的时间间隔在一定的时间间隔T内，对内，对周期性脉冲的重复次数进行周期性脉冲的

7、重复次数进行计数。若周期性脉冲的周期计数。若周期性脉冲的周期为为TA，则则计数结果计数结果为为:ATTN 102.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量由于由于T不一定是不一定是TA的整数倍，则的整数倍，则计数器的计数有计数器的计数有误差误差。设。设T区间区间内计数脉冲个数为内计数脉冲个数为N，则：则：AAAATNNTTttNttNTT)(2121t1是闸门开启时刻至第一个计是闸门开启时刻至第一个计数脉冲数脉冲上升沿上升沿的时间的时间(假设脉冲假设脉冲上升沿使计数器翻转计数上升沿使计数器翻转计数)；t2是闸门关闭时刻至下一个是闸门关闭时刻至下一个计数脉冲上升沿的时间。计数脉冲

8、上升沿的时间。0 t1 TA，0 t2 TA 112.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量AAAATNNTTttNttNTT)(2121式子中，式子中，0 t1 TA，0 t2 TA。v 如果如果t1=t2，则，则N=0；v 如果如果t1=TA，t2=0，则，则N=1；v 如果如果t1=0，t2=TA，则，则N=1；因此脉冲计数的因此脉冲计数的最大绝对误差最大绝对误差（量化误差）为：（量化误差）为：N=1 脉冲计数脉冲计数最大相对误差最大相对误差为：为：TTNNNA1122.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v（2）通用计数器的基本组成和工作方式）通用

9、计数器的基本组成和工作方式通用计数器的基本组成132.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量通用计数器的基本组成整形器整形器将频率为将频率为fA(或或fB)的正弦信号的正弦信号整形为周期为整形为周期为TA(或或TB)的脉冲信号。的脉冲信号。门控电路门控电路将周期为将周期为m mTB的脉冲变为闸的脉冲变为闸门时间为门时间为T=m mTB的门控信号。的门控信号。十进制计数器的计数结果：十进制计数器的计数结果：BAABAffmTmTTTNT142.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v 通用计数器有通用计数器有测频测频和和测周期测周期两种功能。两种功能。测频方式

10、：测频方式：A A输入端接被测信号输入端接被测信号fx；B B输入端接输入端接（晶振）标准频率（晶振）标准频率fc信号。则：信号。则：通用计数器的基本组成mNfffmffmfNcxcxBA测周方式：测周方式：A A输入端接（晶振）标准频率输入端接（晶振）标准频率fc信号；信号；B B输入端接被测信号输入端接被测信号fx 。则：。则：cxxcxcBAmfNTTmffmffmfN152.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v（3）频率）频率(周期周期)的测量误差与测量范围的测量误差与测量范围 由于周期与频率互为倒数，因此一般认为只要测由于周期与频率互为倒数，因此一般认为只要测出

11、其中一个就可求得另一个，因此，理论上测量频率出其中一个就可求得另一个，因此，理论上测量频率与测量周期是等效的。但实际测量中，上图所示通用与测量周期是等效的。但实际测量中，上图所示通用计数器分别在计数器分别在测频方式测频方式和和测周方式测周方式时，其测量误差和时，其测量误差和范围都范围都不一样不一样。162.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v 测频方式测频方式 相对误差：相对误差：ccccxxffNffNNff1最大相对误差为：最大相对误差为：ccxcxxffmffff结论：结论：测频法中，被测频率测频法中，被测频率fx越高，分频系数越高，分频系数m越大，越大，测频精确度

12、越高。测频精确度越高。cxBAfmffmfNccff晶振精度一般很高，所以晶振精度一般很高，所以0172.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量测频方式测量范围：测频方式测量范围：若采用若采用K位十进制计数器，最大计数值为：位十进制计数器，最大计数值为：110maxKN 为使计数结果不超过计数器最大允许计数值而发生溢出，为使计数结果不超过计数器最大允许计数值而发生溢出，要求：要求：maxNmmfNxcxfmNfmax即：即：同时：同时：maxffx182.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量最大相对误差还应满足测量精度最大相对误差还应满足测量精度 的要求，

13、即：的要求，即：将其代入将其代入xxffccxcxxffmffffcccxffmffmffcx（fc/fc0）测频范围测频范围:maxmaxffmNfmfcxc或结论：结论：测频方式所能测量的最低频率受测量精度测频方式所能测量的最低频率受测量精度 的的限制；限制；能测量的最高频率受计数器容量能测量的最高频率受计数器容量(Nmax)或速或速度度(fmax)的限制。的限制。192.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v 测周方式测周方式 即可用于测周，也可以用于测频。即可用于测周，也可以用于测频。v测周法测周测周法测周相对误差：相对误差：最大相对误差为：最大相对误差为：cccc

14、xxffNffNNTT1cccxxxffmffTT202.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v测周法测频测周法测频相对误差：相对误差：最大相对误差为：最大相对误差为：xxxxTTffcccxxxffmffff结论：结论：测周法中，被测频率测周法中，被测频率fx越低，分频系数越低，分频系数m m大，大，则测周的精度越高，测频的精度也越高。则测周的精度越高，测频的精度也越高。212.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量测周方式测量范围：测周方式测量范围：同样也受到测量精度要求值同样也受到测量精度要求值 和计数器的限制和计数器的限制:xxTTmaxNfmTN

15、cxmaxffc222.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量将将 代入代入xxTTcccxffmfT1max1mfTx（fc=fmax 且且 fc/fc0）结论：结论：测频方式所能测量的最低频率受测量精度测频方式所能测量的最低频率受测量精度 的的限制；限制；能测量的最高频率受计数器容量能测量的最高频率受计数器容量(Nmax)或速或速度度(fmax)的限制。的限制。cccxxxffmffTT测周范围测周范围:cxcmfNTmfmax12.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v 测频方式和测周方式比较cccxxxffmffffccxcxxffmffff中界频

16、率中界频率 f0=fc=fx 被测频率被测频率fx中界频率即晶振标准频率中界频率即晶振标准频率fc时：采用直接测频法时：采用直接测频法被测频率被测频率fx中界频率即晶振标准频率中界频率即晶振标准频率fc时：采用测周法时：采用测周法242.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量cccxxxffmffffccxcxxffmffff1若被测频率若被测频率fx较高，则直接测频的相对误差较小较高，则直接测频的相对误差较小2若被测频率若被测频率fx较低，则测周法测频的相对误差较小较低，则测周法测频的相对误差较小3对于对于fx=fc（=f0），测频与测周相对误差都一样），测频与测周相对误差

17、都一样252.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v2.频率（周期）的模拟测量频率（周期）的模拟测量 直读法测频直读法测频电桥法测频电桥法测频谐振法测频谐振法测频频率频率-电压电压(F/V)F/V)转换法测频转换法测频 比较法测频比较法测频 示波器测频示波器测频262.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v 直读法测频直读法测频 电桥法测频电桥法测频原理：原理：交流电桥的平衡与供桥电源频率有关。可变电阻调交流电桥的平衡与供桥电源频率有关。可变电阻调节旋钮按供桥电源频率刻度。适用于节旋钮按供桥电源频率刻度。适用于10K10K以下音频测量，以下音频测量，精度

18、精度 (0.5(0.5 1)%1)%，高频受寄生参数影响。，高频受寄生参数影响。谐振法测频谐振法测频原理：原理：被测频率加到谐振回路，调节电容使之谐振。适用被测频率加到谐振回路，调节电容使之谐振。适用于粗测或附属测频部件，精度于粗测或附属测频部件，精度(0.25(0.25 1)%1)%。272.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量 频率频率-电压电压(F/V)F/V)转换法测频转换法测频原理：原理：将正弦频率将正弦频率fx转化为周期相等，宽度转化为周期相等，宽度、幅度、幅度Um均为均为定值的矩形脉冲列。定值的矩形脉冲列。通过低通滤波滤除所有交流分量，通过低通滤波滤除所有交流

19、分量，则平均值即为直流分量：则平均值即为直流分量：xmxmfUTUU0可用于可用于MHzMHz级高频测量，可连续监测频率变化。级高频测量，可连续监测频率变化。目前多采用现成的芯片实现，比如：目前多采用现成的芯片实现，比如：LM2917，AD650282.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v 比较法测频比较法测频原理：原理：标准频率与被测频率比较，标准频率与被测频率相等标准频率与被测频率比较，标准频率与被测频率相等 时示值为时示值为0。拍频法（线性元件上叠加）拍频法（线性元件上叠加）测量误差约零点几测量误差约零点几Hz。差频法（非线性元件上混频）差频法（非线性元件上混频）误

20、差低于误差低于10-5，最低可测信号电平，最低可测信号电平0.1 V 1 V。292.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v 示波器测频示波器测频 用示波器测量频率有两种方法：一种是将被测信号加到用示波器测量频率有两种方法：一种是将被测信号加到示波器的示波器的Y通道，在荧光屏上测量被测信号的周期。另一种是通道，在荧光屏上测量被测信号的周期。另一种是将被测信号和标准频率信号分别加到示波器的将被测信号和标准频率信号分别加到示波器的X通道和通道和Y通道通道，观测屏幕上的，观测屏幕上的李沙育图形李沙育图形。302.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v3 两种通

21、用计数器两种通用计数器SP3386SP3386高精度通用计数器高精度通用计数器 SC-7206SC-7206通用计数器通用计数器312.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.1.2 时间间隔的数字测量时间间隔的数字测量 时间间隔和周期的测量都是测量信号或信号间的时间长时间间隔和周期的测量都是测量信号或信号间的时间长度。所以，它们的测量方案基本相同。所不同的仅是此处的度。所以，它们的测量方案基本相同。所不同的仅是此处的门控电路不再采用计数触发方式，而只是要求根据测量时间门控电路不再采用计数触发方式，而只是要求根据测量时间间隔，给出间隔，给出起始计数起始计数和和终止计数终止计

22、数两个触发信号。两个触发信号。322.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量将起始信号将起始信号UB接入接入B B通道，使门控双稳电路置通道，使门控双稳电路置1 1，因而主闸门开启，基准时标通，因而主闸门开启，基准时标通过主闸门进入计数器计数；当终止信号过主闸门进入计数器计数；当终止信号Uc接通接通C C通道，使门控双稳电路复零时通道，使门控双稳电路复零时，主闸门关闭，计数结束。从而得到两个被测信号的时间间隔。，主闸门关闭，计数结束。从而得到两个被测信号的时间间隔。332.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量 若时间间隔即门控信号的宽度为若时间间隔即门控信

23、号的宽度为tx，选用时标周选用时标周期为期为Tc(可选可选)。则计数结果为：。则计数结果为：cxcxftTtN时间隔测量相当于分频系数时间隔测量相当于分频系数m=1m=1的周期的周期Tx的测量。的测量。342.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.1.3 相位差的数字测量相位差的数字测量相位差的测量方法主要有：相位差的测量方法主要有：用示波器测量；用示波器测量；与标准移相器比较与标准移相器比较(零示法零示法)；把相位差转换为电压来测量；把相位差转换为电压来测量；把相位差转换为时间间隔来测等。把相位差转换为时间间隔来测等。352.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间

24、和相位的测量v1.1.相位相位-电压转换法电压转换法362.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量输出波形为周期为输出波形为周期为T，宽度为，宽度为Tx的方波，若方波幅度为的方波，若方波幅度为Ug，则用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，此则用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，此方波的平均值即方波的平均值即直流分量直流分量为为 ：TTUUxg0其中其中Tx由两信号的相位差由两信号的相位差x决定，即决定，即:o360 xxTTjgxUU0360oj故有：故有：372.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量相位相位-电压转换式数字相位计电压

25、转换式数字相位计382.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v2.相位相位-时间转换法时间转换法相位-时间转换式相位计将相位将相位-电压转换法中鉴相器的电压转换法中鉴相器的时间间隔时间间隔Tx用计数法进行测量，用计数法进行测量，便为相位便为相位-时间转换法。时间转换法。与时间间隔的计数测量原理基与时间间隔的计数测量原理基本相同。本相同。若时标脉冲周期为若时标脉冲周期为Tc，则则Tx时时间内的计数值：间内的计数值：cxcxTTTTNo360j392.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量相位-时间转换式相位计若采用十进制计数器计数，若采用十进制计数器计数，假

26、设假设:时标脉冲周期时标脉冲周期Tc与被测信与被测信号周期号周期T 满足：满足：ncTT10360 onxN 10/j则则相对量化误差为相对量化误差为:Nx1jj此时，时标脉冲频率此时，时标脉冲频率fc与被测信与被测信号频率号频率fx的关系为的关系为:36010ncxffo402.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.1.4 频率量测量的应用实例频率量测量的应用实例v基于光电编码器的车轮转速测量基于光电编码器的车轮转速测量光电编码器作为一种光电编码器作为一种位置反馈元件，被广位置反馈元件，被广泛的应用于转速、转泛的应用于转速、转角的测量系统中角的测量系统中 。412.1

27、2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v基于光电编码器的车轮转速测量基于光电编码器的车轮转速测量相对式光电码盘的结构较为简单，它的输出线有相对式光电码盘的结构较为简单，它的输出线有三三相相。转动时输出相差。转动时输出相差9090度的两相正交信号度的两相正交信号A A相、相、B B相，相，同时码盘每旋转一周同时码盘每旋转一周(360(360度度)也输出一个脉冲，定也输出一个脉冲，定义为义为Z Z相。相。ABZ422.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v车轮转速测量车轮转速测量A A相和相和B B相的相的信号频率正比于车轮转速信号频率正比于车轮转速，假设选用的，

28、假设选用的是一个是一个360360线的相对式光电码盘，即车轮每转动一线的相对式光电码盘，即车轮每转动一圈，圈，A A相和相和B B相会输出相会输出360360个方波脉冲，因此可以推个方波脉冲，因此可以推出车轮转速出车轮转速S S与与A A相和相和B B相信号频率相信号频率F F的关系：的关系：6/FS分）（转432.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v车轮转角测量车轮转角测量由于车轮每转一周，由于车轮每转一周，A A相和相和B B相会输出相会输出360360个方波脉冲，即车轮个方波脉冲，即车轮每转动每转动1 1度，度，A A相或相或B B相就会产生一个方波脉冲，记录相就会

29、产生一个方波脉冲，记录A A相或相或B B相相产生的产生的方波脉冲个数方波脉冲个数，就可知道车轮转动的角度了。当，就可知道车轮转动的角度了。当Z Z相方相方波脉冲出现时，则表示车轮又转回到了波脉冲出现时，则表示车轮又转回到了0 0度起始位置。度起始位置。ABZ442.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量 当车轮只向一个方向转动时，采用这种方法可以较容易当车轮只向一个方向转动时，采用这种方法可以较容易的推算出车轮的转动角度。但是当汽车出现往返运动，车轮的推算出车轮的转动角度。但是当汽车出现往返运动，车轮既有正传又有反转时，就必须在对既有正传又有反转时，就必须在对A A相和相和

30、B B相出现脉冲记数时，相出现脉冲记数时，还要确定出汽车是在前进还是在后退。还要确定出汽车是在前进还是在后退。光电码盘输出光电码盘输出A、B两相信号的相差两相信号的相差90度。如果车轮正转，度。如果车轮正转，A相超前相超前B相相90度；如果车轮反转，则度；如果车轮反转，则B相超前相超前A相相90度。其度。其波形如图所示。波形如图所示。ABABTT正转反转452.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v程序具体测量程序具体测量1.频率测量频率测量 利用单片机中利用单片机中PCA模块模块的捕获功能可以在不需要微控制的捕获功能可以在不需要微控制器参与的情况下，采用器参与的情况下，采

31、用测周测周的方法，完成对脉冲宽度的测量，的方法，完成对脉冲宽度的测量，从而获知频率大小。其具体测量过程为：从而获知频率大小。其具体测量过程为：PCA内部一个专用的内部一个专用的16位计数器自行以设置好的时钟从位计数器自行以设置好的时钟从065535循环计数，当循环计数，当PCA捕获引脚上出现上升沿时，会自捕获引脚上出现上升沿时，会自动将计数器当前值装载到一专有寄存器。连续两次装载的计动将计数器当前值装载到一专有寄存器。连续两次装载的计数器值的差即为信号周期，从而测得信号频率。数器值的差即为信号周期，从而测得信号频率。462.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.角度测量角

32、度测量 单片机中单片机中PCA模块模块在在A相信号上升沿到来时，会向相信号上升沿到来时，会向MCU产生产生中断中断。单片机查询。单片机查询B相状态，决定转角计数值是增一还是相状态，决定转角计数值是增一还是减一。减一。Z相信号接微控制器外部中断引脚，每转动一周的相信号接微控制器外部中断引脚，每转动一周的Z相相清零信号出现时，以中断方式将转角计数值复位。清零信号出现时，以中断方式将转角计数值复位。ABABTT正转反转472.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量482.2 2.2 电压的测量电压的测量2.2.1 导言导言 电压是一个基本的物理量，是电路中表征电信号的三个基电压是一

33、个基本的物理量，是电路中表征电信号的三个基本参数（电压、电流、功率）之一。在电子电路中，电路的本参数（电压、电流、功率）之一。在电子电路中，电路的各种工作都是靠电压来表征的。电路中的其它电参数，包括各种工作都是靠电压来表征的。电路中的其它电参数，包括电流、功率、波形的非线性失真系数、设备的灵敏度等，都电流、功率、波形的非线性失真系数、设备的灵敏度等，都可以看作是电压的派生物。在非电测量中，大多数物理量（可以看作是电压的派生物。在非电测量中，大多数物理量（如温度、压力、振动、速度等）的传感器也多是以电压作为如温度、压力、振动、速度等）的传感器也多是以电压作为输出。输出。492.2 2.2 电压的

34、测量电压的测量 在实际电路参数的测量中，电压测量直接方便，在实际电路参数的测量中，电压测量直接方便，将电压表直接并联在测量元件两端，只要电压表的将电压表直接并联在测量元件两端，只要电压表的内内阻足够大阻足够大，即可在几乎不影响电路工作状态的前提下，即可在几乎不影响电路工作状态的前提下得到满意的测量结果。因此电压测量是其他许多电参得到满意的测量结果。因此电压测量是其他许多电参量、非电参数测量的基础。量、非电参数测量的基础。502.2 2.2 电压的测量电压的测量v 电压的测量分为电压的测量分为模拟模拟和和数字数字两种方法。前者采用模拟式电两种方法。前者采用模拟式电表显示测量结果，后者以数字显示器

35、显示测量结果。两者表显示测量结果，后者以数字显示器显示测量结果。两者的区别仅在于后者用的区别仅在于后者用AD转换器和数字显示器取代了前者转换器和数字显示器取代了前者的模拟显示部分。的模拟显示部分。v 模拟电压测量仪器的模拟电压测量仪器的优点优点是结构简单、价格便宜，测量频是结构简单、价格便宜，测量频率范围较宽；率范围较宽；缺点缺点是准确度、分辨力低，不便于与计算机是准确度、分辨力低，不便于与计算机组成自动测试系统。组成自动测试系统。数字式电压测量仪器则正好相反数字式电压测量仪器则正好相反。v 数字式电压测量仪器逐渐取代了模拟式电压测量仪器，并数字式电压测量仪器逐渐取代了模拟式电压测量仪器，并且

36、向高精度、宽量程、小型和和智能化方向发展。且向高精度、宽量程、小型和和智能化方向发展。512.2 2.2 电压的测量电压的测量522.2 2.2 电压的测量电压的测量2.2.2 直流电压测量直流电压测量 普通直流电压表普通直流电压表 普通直流电压通常由动圈式高普通直流电压通常由动圈式高灵敏度灵敏度小量程的直流电流表小量程的直流电流表串串联适当的电阻构成。联适当的电阻构成。设：表的设：表的满偏电流满偏电流(满度电流满度电流)为为Im，电流表本身内阻为电流表本身内阻为Re，串串联电阻联电阻Rn。电压表的满度电压。电压表的满度电压为：为：普通直流电压表电路nemmRRIUmmnevIURRR电压表内

37、阻电压表内阻532.2 2.2 电压的测量电压的测量普通直流电压表电路图中电流表串接图中电流表串接3 3个电阻后，具个电阻后，具有有U0、U1、U2、U3 四个量程。四个量程。根据扩展的量程，可估算出根据扩展的量程，可估算出3 3个个扩展电阻的阻值扩展电阻的阻值:mmemIUURIUURRIUR23312211扩展电阻精度影响电压表精度扩展电阻精度影响电压表精度542.2 2.2 电压的测量电压的测量 直流数字电压表直流数字电压表 将模拟直流电压表中磁电式表头用将模拟直流电压表中磁电式表头用AD转换器及数转换器及数字显示器代替，即构成字显示器代替，即构成直流数字电压表直流数字电压表，如图所示。

38、图中，如图所示。图中AD转换器把直流电压转换成相应的数字量，送往数字转换器把直流电压转换成相应的数字量，送往数字显示器显示出来。直流数字电压表是许多数字式电测仪表显示器显示出来。直流数字电压表是许多数字式电测仪表的核心部件，用途很广。的核心部件，用途很广。552.2 2.2 电压的测量电压的测量 一台典型的直流数字电压表主要一台典型的直流数字电压表主要由输入电路、模由输入电路、模-数数转换器、控制逻辑电路、计数器、显示器以及电源电路等转换器、控制逻辑电路、计数器、显示器以及电源电路等几部分组成几部分组成。输入电路和模。输入电路和模-数转换器统称为模拟电路部数转换器统称为模拟电路部分，而计数器、

39、显示器和控制逻辑电路统称为数字部分。分，而计数器、显示器和控制逻辑电路统称为数字部分。因此一台数字电压表除供电电源外，主要由模拟和数字两因此一台数字电压表除供电电源外，主要由模拟和数字两大部分组成。大部分组成。562.2 2.2 电压的测量电压的测量572.2 2.2 电压的测量电压的测量582.2 2.2 电压的测量电压的测量592.2 2.2 电压的测量电压的测量602.2 2.2 电压的测量电压的测量数字电压表显示位数数字电压表显示位数判定数字仪表的位数的判定数字仪表的位数的两条原则两条原则：能显示从能显示从0-90-9所有数字的位是整数值；所有数字的位是整数值；最大显示值中最高位数字只

40、能显示最大显示值中最高位数字只能显示0 0和和1 1的叫的叫1/21/2位位 ，只能显示，只能显示0 0至至3 3的叫的叫3/43/4位。（位。（0 0通常并不显示）通常并不显示）判断下列最大显示数的数字电压表是几位电压表判断下列最大显示数的数字电压表是几位电压表？999 1999 39999999 1999 39999612.2 2.2 电压的测量电压的测量数字电压表模数字电压表模-数转换技术数转换技术数字电压表的模数转换技术可分三大类：数字电压表的模数转换技术可分三大类：比较型比较型、积分型积分型、复合型复合型。比较型比较型：将模拟输入电压将模拟输入电压经过反馈经过反馈比较后直接得到数字输

41、出比较后直接得到数字输出。其优点是转。其优点是转换速率高、功耗低，在低分辨时（小于换速率高、功耗低，在低分辨时（小于1212位）时价格便宜，但高精度时价格位）时价格便宜，但高精度时价格很高。（逐次逼近型很高。（逐次逼近型ADAD）积分型积分型：利用电压积分的时间进行测量：利用电压积分的时间进行测量。其优点是用简单的电路就能获得其优点是用简单的电路就能获得高分辨率、抗干扰能力强，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转高分辨率、抗干扰能力强，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率低。（双积分型换速率低。（双积分型ADAD）复合型复合型：将比较式和积分式结合起来，取长补短发展起来的一种

42、测速快、：将比较式和积分式结合起来，取长补短发展起来的一种测速快、抗干扰能力强的高精度抗干扰能力强的高精度数字电压表数字电压表，由于结构较复杂，价格高，目前一般用，由于结构较复杂，价格高，目前一般用于实验计算等方面。于实验计算等方面。622.2 2.2 电压的测量电压的测量2.2.3 交流电压测量交流电压测量1.交流电压的表征：交流电压的表征：用用峰值峰值、平均值平均值、有效值有效值、波形系数波形系数以及以及波峰系数波峰系数来表征来表征632.2 2.2 电压的测量电压的测量(1)(1)峰值峰值 某一周期性交流电压某一周期性交流电压u(t)（当不加注明时，当不加注明时，u(t)包括直流分量包括

43、直流分量U0在内在内）在一个周期内在一个周期内偏离零电平偏离零电平的最大值称为该交流电压的峰的最大值称为该交流电压的峰值，用符号值，用符号Up表示。峰值又可分为峰表示。峰值又可分为峰-峰值峰值Upp、正峰值、正峰值Up+、负、负峰值峰值Up-。642.2 2.2 电压的测量电压的测量幅值幅值 某一周期性交流电压某一周期性交流电压u(t)在一个周期内在一个周期内偏离直流分量偏离直流分量U0的的最大值称为该交流电压的幅值或振幅最大值称为该交流电压的幅值或振幅，用符号，用符号Um表示。表示。振幅振幅值也可分为正振幅值值也可分为正振幅值Um+和负振幅值和负振幅值Um-。当。当U0=0时，振幅值时，振幅

44、值即为峰值。即为峰值。652.2 2.2 电压的测量电压的测量(2)(2)平均值平均值 在在T时间内，一个随时间变化函数时间内，一个随时间变化函数u(t)的平均值在数学上的平均值在数学上的定义为：的定义为：TdttuTU0)(1对周期信号而言，对周期信号而言，T为信号的周期。为信号的周期。按照这个定义，按照这个定义，平均值平均值就是被测电压的就是被测电压的直流分量直流分量U0纯粹的交流电压纯粹的交流电压平均值等于零平均值等于零662.2 2.2 电压的测量电压的测量 在测量交流电压时，通常指把交流电压转换成对应的直流在测量交流电压时，通常指把交流电压转换成对应的直流电压。电压。检波器检波器是将

45、交流电整流成直流电的典型电路。所以，交是将交流电整流成直流电的典型电路。所以，交流电压的平均值是指交流电压检波后的平均值。一般仪器的检流电压的平均值是指交流电压检波后的平均值。一般仪器的检波器有波器有半波检波器半波检波器和和全波检波器全波检波器两种，对应的平均值也可分为两种，对应的平均值也可分为全波平均值全波平均值和和半波平均值半波平均值两种。由于全波平均值广泛使用，两种。由于全波平均值广泛使用，如如不加说明，平均值通常指全波平均值不加说明，平均值通常指全波平均值。全波平均值，即在一个周期内全波平均值，即在一个周期内电压绝对值电压绝对值的平均值：的平均值：TdttuTU01672.2 2.2

46、电压的测量电压的测量(3)(3)有效值有效值 一个交流电压和一个直流电压分别加在同一电阻上，若一个交流电压和一个直流电压分别加在同一电阻上，若它们在相同的时间内产生的能耗相等，即满足下式它们在相同的时间内产生的能耗相等，即满足下式:TRUdtRtuT202则则交流电压有效值交流电压有效值U就等于该直流电压，可表示为就等于该直流电压，可表示为:TdttuTU021682.2 2.2 电压的测量电压的测量 一般一般情况下，情况下，电压表几乎都按正弦波的有效值来定度：电压表几乎都按正弦波的有效值来定度：（1 1）如果被测电压是正弦波，那么通过查表很容易从电）如果被测电压是正弦波，那么通过查表很容易从

47、电压表读数即有效值得知它的峰值和平均值；压表读数即有效值得知它的峰值和平均值；（2 2）如果被测电压是非正弦波，那就须根据电压表读数）如果被测电压是非正弦波，那就须根据电压表读数和电压表所采用的检波方法，进行必要的波形换算，才能得和电压表所采用的检波方法，进行必要的波形换算，才能得到有关参数。到有关参数。692.2 2.2 电压的测量电压的测量702.2 2.2 电压的测量电压的测量(4)(4)波形因数、波峰因数波形因数、波峰因数 波形因数波形因数KF定义定义：交流电压的有效值与平均值之比：交流电压的有效值与平均值之比：波峰因数波峰因数Kp定义定义：交流交流电压的峰值与有效值之比：电压的峰值与

48、有效值之比：UUKFUUKpp不同电压波形，其不同电压波形，其KF、Kp值不同，可以通过查表获得值不同，可以通过查表获得712.2 2.2 电压的测量电压的测量2.交流电压的测量方法：交流电压的测量方法：测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同，其中最测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同，其中最主要的是利用主要的是利用交交-直流转换器直流转换器将交流电压转换成直流电压，然将交流电压转换成直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。后再接到直流电压表上进行测量。检波-放大式 放大-检波式 外差式电压表722.2 2.2 电压的测量电压的测量(1)(1)检波检波-放大式放大式 检波检波-放大式电

49、压表是放大式电压表是将被测电压先检波变成直流电流，将被测电压先检波变成直流电流，然后再用直流放大器放大，放大后的直流电流去驱动电流表然后再用直流放大器放大，放大后的直流电流去驱动电流表偏转。偏转。这种类型的特点是这种类型的特点是“先检波后放大先检波后放大”，故测量电压的频，故测量电压的频率范围只决定于率范围只决定于检波器的频响检波器的频响(一般在一般在0Hz数百数百MHz)，通常通常所称所称“高频电压表高频电压表”或或“超高频电压表超高频电压表”都属于这一类型。都属于这一类型。732.2 2.2 电压的测量电压的测量(2)(2)放大放大-检波式检波式 当被测电压较低时，直接检波会显著增大误差。

50、为提高当被测电压较低时，直接检波会显著增大误差。为提高交流电压表的测量灵敏度，交流电压表的测量灵敏度，先用放大器放大被测电压，然后先用放大器放大被测电压，然后再检波再检波。这种类型的特点是这种类型的特点是“先放大后检波先放大后检波”，这种电压表的频，这种电压表的频率范围主要受率范围主要受放大器带宽放大器带宽的限制，而灵敏度受的限制，而灵敏度受放大器内部噪放大器内部噪声声的限制，一般可做到毫伏级，典型频率范围为的限制，一般可做到毫伏级，典型频率范围为2020HzHz10MHz10MHz。742.2 2.2 电压的测量电压的测量检波检波-放大式放大式/放大放大-检波式电压表缺陷：检波式电压表缺陷：