湖南工业大学电子仪器测量P第5章电压测量

探头 峰值检波器 分压器 电压表机箱
直流放大器
图5.13 峰值电压表
2)峰值检波器
充 放 条件：
VD Rs u(t)
充 C
放 Tmax
u(t) uc
+ 放 R L
最后输出的平均电压迫近峰值
t
图5.14 峰值检波器
T
3)刻度特性
峰值电压表响应被测电压的峰值UP，读数α（峰值表的指示值） 为 UP KU P 0.707U P 2 K——定度系数，K
例5.l 用平均值电压表测量一个三角波电压，读得测量值为 10V，试求有效值为多少伏？
解: 对于均值表，读数 1.11U~ （5.17）先求出均值，再通 过KF换算成有效值。 三角波的均值为
1 Ux 0.9 10V 9V 1.11
查 P159 表5.1，得三角波KF=l.15，故被测三角波的有效值为
2/2
U P ~ U Px U~ K P~ 2
对正弦波读数α就是有效值
非正弦波读数α无物理意义，要通过：

U Px 2
求出峰值，再由峰值因数KP求出有效值U
例5.2 用峰值电压表测量一个三角波电压，读得测量值为10V， 试求有效值为多少伏？ 解：对于峰值表，读数乘以 2 在就等于被测电压的峰值。因 此，三角波的峰值为
电压的派生量，例如，调幅度，波形的非线性失真系数等等。 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。
5.1.2 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
N P
N P
游丝S 轴承
I=Kθ 式中K由设计决定的恒量，它与线圈匝数、线圈面积、磁场强 度及游丝扭转力矩有关。K值表示电流表偏转单位角度时所需 通过的电流，K值越小，电流表越灵敏。这样就可以从指针所 指角度位臵来测电流。 2．电流表量程扩展 允许通过的最大电流值称为量程Im，如50μA、100μA。1mA 等。由于电流线圈匝数很多，其内阻较大。 设现有一表头，Im=50μA，r=3kΩ.现要测量500μA电流怎么办？ 要并联分流电阻RS以扩展量程。因两路端电压相等
（a）
＋
0
Um-
－+
Um t
U0
0
U
Um UP
+ P
ˆ U
Um
-
（b）
t
图5.9 交流电压的峰值 正半波平均值
U 1
0
U
2
t
全波平均值
0
t
通常，在未特别注明 时，平均值即指全波 平均值而言。
0
U 1
2
t
负半波平均值
3. 有效值 若某一交流电压u（t）在一个周期内通过纯阻负载所产生的 热量，与一个直流电压U在同样情况下产生的热量相等，则 U的数值即为u(t)的有效值，U和u(t)的数学关系为
第五章 电压测量
授课内容： 一、电压标准
二、电压测量概述
三、直流电压的测量 四、交流电压测量 1、基本概念 2、三种电压表 1、基本概念
五、数字电压表
2、三种A/D转换器
5.1 概 述 5.1.1 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=IR I=U/R R=U/I P=IU=U2/R=I2R
4. 波形因数 交流电压的波形因数的定义为该电压的有效值与平均值之比， 即 U KF （5.11） 5. 波峰因数
U
交流电压的波峰因数的定义为该电压的峰值与其有效值之比， 即 UP KP （5.12）
U
正弦波 波形因数KF 1.11
三角波 1.15
方 波 1
波峰因数KP
2 1.414
3 1.73
这里为何等于1.11？对正弦波正好是其波形因数KF
U
证明：
2

UP
2

2U 0.9U
正弦波UP = 2U
1 U U 1.11U 0.9
见P159 表5.1：KF=1.11
因此,均值电压表测的平均值,读数是正弦波有效值（假有效值）
对于非正弦波，KF ≠1.11，直接读数无物理意义，要通过换 算求得有效值。
R0 U1 K
＋ ＋ 分 压 器 及 FET ＋ ＋
I0
ΔU
R1 U U 3 2 FET
源 极 跟 随 器
A － μA
Ux R 2
放 大 器
Rv Ux
μA
跟 随 器
Ui
＋
I
IF RF
Uf
－ －
－
R3
－
图5.7 电子电压表框图
图5.8 集成运放电压表原理
5.3 交流电压的测量 5.3.1 交流电压的表征
微安表
mV量级 20Hz～10MHz
图5.11 均值电压表的一般组成
2)均值检波器
余弦脉冲的直流频率分量
ui(t)
C
VD1
U
2θ
VD2
t
当θ=90° 1 Sin Cos 1 1 Cos
VD1 ui(t ) VD3
VD2
UP
U
1 U U P 0.318U P
输入阻抗
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
Ri 2 Rd
8

2
rm
3)刻度特性
U~ KU~ 1.11U~
角标“～”表示正弦波
（5.17）
K——定度系数，或称为刻度系数。 由于正弦波及有效值的实际意义，电压表的读数 都用正弦
有效值进行定度。
R
e
R
1
R
2
R
3
2.5v
0
U
10v 50v 1 2
U
U
250v
3
U
图5.5 直流电压表电路
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)：
RV 1 KV Um Im
（5.4）
“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 同量程时波 整流 波 全波 整流 波
波
A
形
峰 值 有效值U
平均值U
波形因数KF 波峰因数KP
A
t
A 2A A 1.11 0.637 0.707A A 0.707A 2 2 2 2
2 1.414
A
A
t
A 2
A

0.318 A

2
1.57
2
2 1.414
U Px 2 1.41410V 14.14V
由表5.1查得三角波 K 3, 故被测三角波的有效值为 P
-
Im
r
+
-
50μA
3K
+
图5.2 表头等效电路
B
Is Rs
图5.3 电流量程扩展
Im A I
I m r ( I I m ) RS
Im 1 1 RS r r r I I Im n 1 1 Im
式中n称电流量程扩大倍数，也称分流系数。 3. 直流电压测量
（5.1）
用电流表头能否直接测量电压？能测，但测量的电压范围很小。 现以图5.4，在指针指示满刻度时，它两端的电压是：
U x KF U x 1.15 9V 10.35 V 10.4V
4) 波形误差
因读数是按标准无失真正弦波有效值定度的，而实际正弦波 和非正弦波则会有误差。 定义：读数与实际有效值之间的相对误差为波形误差 W :
W
U x 100%
（5.20）
用均值电压表测量非正弦波电压时，其读数应作修正。
交流电压可以用峰值、平均值、有效值、波形系数以及波峰系 数来表征。
UP U t
平均值
t
峰值
UP
直接平均为零； 半波均值 全波均值
1 U T

T
0
u (t ) dt
数学定义：均方根值 物理定义：能量等效
U
t
有效值 U
1 T 2 u (t )dt 0 T
u(t)
u(t)
峰值
峰峰值
U0
Up+ Up_
1.表头： 三用表中直流电流、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5.1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。 轴承 游丝S
标尺 指针 永久磁 铁 指针 软心铁 K 游丝 S P S 轴 吸靴 可动线圈K 图5.1 动圈式仪表的结构双视图 可动线圈 K K P S
图5.5给出了三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：
R1 (U 1 / I m ) r R2 (U 2 U 1 ) / I m R3 (U 3 U 2 ) / I m