3电压的测量

方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）-->直流电流 --〉驱动表头--〉指示
——有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。
3）交流电压的数字化测量
交流电压（有效值、峰值和平均值）--〉直流电压--〉 A/D转换器--〉数字量--〉数字显示
——DVM（DMM）的扩展功能。
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3．1．2 电压测量的方法和分类
高。 故电子电压表中常采用斩波式放大器（调制式放大器）
以抑制零点漂移，可使电子电压表能测量微伏级的电压。
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3.1.3 直流电压的测量
3 直流数字电压表
将直流数字电压表的表头用A/D转换器和数字显示器代 替，即构成直流数字电压表。
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3．2 交流电压的测量
3．2．1 表征交流电压的基本参量
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3．2．2 交流/直流转换器的响应特性及误差分析 1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理
模拟电压表的交流电压测量原理：
交流电压--〉直流电流（有效值、峰值和平均值）
--〉驱动表头--〉指示。 AC-DC转换由不同的检波电路实现。
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1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理
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。 热电效应原理图
热端 T 冷端 T0
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。
其中：电流、功率电压，再进行测量
电路工作状态： 饱和与截止，线性度、失真度电压表征 非电测量中，物理量电压信号，再进行测量 如：温度、压力、振动、（加）速度
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3．1．1 电压测量的意义、特点
2）电压测量的特点
1.频率范围广：零频（直流）～109Hz 低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。 2.测量范围宽 微弱信号:心电医学信号、地震波等,纳伏级（10-9V）； 超高压信号：电力系统中，数十千伏。
3.1.3 直流电压的测量
1 普通直流电压表
通常把内阻Rv与Um之比（每伏欧姆数）定义为电压表 的电压灵敏度。 R 1 Kv v Um Im / V 数越大，表明使指针偏转同样角度所需要的电流越小。 一般标明在电磁式电压表的表盘上，可以根据电压灵敏 度推算出不同量程时的电压表内阻。 优点：结构简单、使用方便、误差来源表头本身和扩 展电阻的准确度。±1% 缺点：灵敏度不高、输入电阻低。在量程较低时，输 入电阻更小，其负载效应对被测电路工作状态及测量结果 的影响不可忽略。 第11页
•
•
直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压， 使测量结果偏小。 如：采用电压表与电流表测量电阻， 当测量小电阻时，应采用电压表并联方案； 当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。 交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。 输入阻抗典型数值为1MΩ和15ｐＦ并联。
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3．1．1 电压测量的意义、特点
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1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理
利用模拟运算的集成电路检波
原理图
u(t) Vrms
u (t )
2

T
A
0
通过多级运算器级连实现 模拟乘法器（平方）—>积分—>开方—>比例运算。 单片集成TRMS/DC电路，如AD536AK等。
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1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理
利用热电偶有效值检波
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3.1.3 直流电压的测量
普通直流电压表的误差
为了消除这一影响，可使用两个不同量程U1、U2 进行测 量。将电压表的两次读数值UO1、Uo2 代入下式，即可计算得 到被测电压的近似值： K 1 E0 U O2 UO2 K U O1
K
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
U2 U1
上例中，电压表的每伏欧姆数为20kΩ/V，先后用5V和 25V量程测量端电压Uo的读数值分别为2.5V和4.17V，代入 上式得Eo=5.01V
RV Re Rn Um Im
所构成的电压表的内阻为:
图中电流表串接了3个电阻后除了最小量程外增加了3个 量程U1、U2、U3，根据扩展的量程，可以估算出3个扩 展电阻的阻值：
R1 (U1 / I m ) Re
R2 (U 2 U1 ) / I m
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R3 (U 3 U 2 ) / I m
第3章 电压测量
3.1 概述
3.2 交流电压的测量 3.3 直流电压的数字化测量及A/D转换原理 3.4 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表 3.5 电压表的选择和使用
3.6 应用实例
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3.1 概述
3．1．1 电压测量的意义、特点
1）电压测量的重要性 电压测量是电测量与非电测量的基础；
电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量： 表征电信号能量的三个基本参数： 电压、电流、功率
4）基于采样的交流电压测量方法
交流电压--〉A/D转换器--〉瞬时采样值u(k) --〉计算， 如有效值 1 N 2
V
u N
k 1
(k )
式中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。
5）示波测量方法
交流电压--〉模拟或数字示波器--〉显示波形--〉读出 结果
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3.1.3 直流电压的测量
1 普通直流电压表
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3.1.3 直流电压的测量
2 直流电子电压表
直流电子电压表通常由磁电式表头加装跟随器、直流
放大器构成。当需要测量高直流电压时，输入端接入高阻
值电阻构成的分压电路。
提高测量 灵敏度 提高 输入 阻抗
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3.1.3 直流电压的测量
2 直流电子电压表
在理想运放情况下：
U i KU x IO RF RF
波峰系数和波形系数
常见波形的波峰系数和波形系数可查表得到：
如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11；
方 波：Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15；
锯齿波：Kp=1.73，KF=1.15；
脉冲波：Kp=
T ，K = F

T ， 为脉冲宽度，T为周期

白噪声：Kp=3（较大），KF=1.25。
1 V~ V p 0.707V p 2
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
Kp Vp V 峰值 有效值
对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T
K p~ Vp Vp / 2 2 1.41
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3．2．1 表征交流电压的基本参量
以全波整流电路为例，I0的平均值为
1 Io T

T
0
u (t ) u (t ) dt 2rd rm 2rd rm
式中，T为u(t)的周期，rd和rm分别为检波二极管的
正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数（它反映了
检波器的灵敏度 ）。
I0的平均值 I o 与u(t)的平均值 u (t ) 成正比。
式中 K---分压器和跟随器的电压传输系数
若电流表满偏电流为Im，则由上式可得该直流电子电压 表的量程为：
I m RF Um K
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3.1.3 直流电压的测量
2 直流电子电压表
为了保证该电压表的准确度，各分压电阻和反馈电 阻RF都要使用精密电阻。
缺点：直流放大器的零点漂移限制了电压灵敏度的提
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）：
1 T U u (t ) dt T 0
对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T
U~ 2

Vp 0.637Vp
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3．2．1 表征交流电压的基本参量
V2 T R 2 T u (t ) 0 R dt
由Q_= Q～，有效值
1 V T
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T
0
u 2 (t )dt
3．2．1 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
波形系数定义：有效值与平均值的比值，用KF表示，
V 有效值 KF V 平均值
对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T
(1/ 2)V p KF ~ 1.11 （2 / ）V p 2 2
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3．2．1 表征交流电压的基本参量
1. 电压测量方法的分类
· 按对象：直流电压测量；交流电压测量 · 按技术：模拟测量；数字测量
2. 测量方法
1）数字化直流电压测量方法 模拟直流电压A/D转换器数字量数字显示 ——数字电压表（DVM），数字多用表（DMM）。
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3．1．2 电压测量的方法和分类
2）交流电压的模拟测量方法
表征交流电压的三个基本参量： 有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。
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1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理
D1 D1 u(t ) D3 C D4 I 0 D2 u(t ) D2 I 0 C
整流电路输出直流电流I0，其平均值与被测输入电压 u(t)的平均值成正比（与u(t)的波形无关）。
（电容C用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）
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1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理
平均值检波原理
由动圈式高灵敏度直流电流表串联适当的电阻构成。
设电流表的满偏电流
为Im ,电流表本身内阻为Re, 串联电阻Rn 所构成的电压 表的满度电压为:
μA Re R1 R2 R3
Uo
U1
U2
U3
U
m
I m ( R e Rn )
U 0 I m Re
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3.1.3 直流电压的测量
1 普通直流电压表
2）电压测量的特点
5.测量精度的要求差异很大 10-1至10-9。 6.测量速度的要求差异很大 静态测量：直流（慢变化信号）,几次/秒;
动态测量：高速瞬变信号,数亿次/秒（几百MHz）
精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。 7.抗干扰性能
工业现场测试中，存在较大的干扰。
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3．1．2 电压测量的方法和分类
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： 直流电压V在T内电阻R上产生的热量Q_=I2RT= 交流电压u(t) 在T内电阻R上产生的热量Q～=
3.电压波形的多样化
电压信号波形是被测量信息的载体。 各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯 形波；随机噪声。
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3．1．1 电压测量的意义、特点
2）电压测量的特点
4.阻抗匹配 电压表的输入阻抗是指它的两个输入端之间的等效阻 抗，是被测电路的额外负载。 ---〉应具有较高的输入阻抗
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 ）。
u(t) Vp Um U 0
T
t
注：振幅：以直流分量为参考的最大电压幅值（通常 用Um表示）。
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3．2．1 表征交流电压的基本参量
平均值（均值）
数学上定义为：
1 T U u (t )dt T 0
峰值检波原理
D
二极管峰值检波电路
C
u(t )
C
RL
Vp
u(t )
D
RL
Vp
a 串联式 u(t ) VP
b 并联式
t c 波形
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1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理

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1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理
平均值检波原理
由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。
3.1.3 直流电压的测量
普通直流电压表的误差
用普通直流电压表测量高输出电阻电路的直流电压，设被 测电路输出电阻为Ro，被测电压实际值为Eo，电压表内阻为RV， 则电压表度数值为:
U0 E0 E0 U RV m R0 RV R0 RV I m
相对误差为：
U 0 E0 R0 E0 R0 RV
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1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理
有效值检波原理
利用二极管平方律伏安特性检波
根据
1 T 2 V 0 u (t )dt T
为得到有效值,首先需对u(t)平方
小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系。 缺点：精度低且动态范围小。 因此，实际应用中，采用 分段逼近平方律的二极管伏安 特性曲线图的电路。