电压测量介绍课件PPT

峰值
➢ 以零电平为参考的最大电压幅值（用Vp表示 ） 注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅， （通常用Um表示）
u (t)
Vp Um
U
0
t
T
图5-2 交流电压的峰值
均值
➢
数学上定义为：U
1 T
T
0
u(t)dt
（5-6）
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 后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：
2）单斜式ADC
[例] 设一台基于单斜A/D转换器的4位DVM，基本量程为10V， 斜波发生器的斜率为10V/100ms，试计算时钟信号频率。若 计数值N=5123，则被测电压值是多少？
[解]
f0
10000 100ms
100kHz
N 5123 TNT0f0100kH z51.23m s
V x k T 1 0 V / 1 0 0 m s 5 1 .2 3 m s = 5 .1 2 3 V
PV[dBV]20lgV0.x7[V75]
(5-26)
(2) 宽频电平表 ✓ 具有分贝读数的电压表称为“宽频电平表” ✓ 组成框图：
dB “输入电平”
选择
输入 衰减器
宽带交流 放大器
均值 检波器
dB uA
“输入阻抗” 选择
标准电平 震荡器
“电平校准”
✓ 在均值电压表（放大-检波式）基础上设计的
4 外差式选频电平表
U 1
T
u(t) dt
T0
（5-7）
➢ 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T
2
U~ Vp 0.637Vp
（5-8）
有效值
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。
4）实例分析
[例] 用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压， 读数为1.0V，问该方波电压的有效值为多少？
[解] 根据上述均值电压表的刻度特性，由读数α=1.0V， 第一步，假设电压表有一正弦波输入，
其有效值 V~ =1.0V； 第二步，该正弦波的均值 V ~ =0.9α=0.9V；
第三步，将方波电压引入电压表输入， 其均值 V V~ 0.9V；
第四步，查表可知，方波的波形因数 K F 方 波 =1，则该方波 的有效值为: V KF方波V 0.9V。
5.3.3 模拟式交流电压表
1. 检波-放大式电压表 2. 放大-检波式电压表 3. 分贝测量及宽频电平表 4. 外差式选频电平表
Vx
输入电路
A/D转换器
数字 显示器
模拟部分
逻辑控制 电路
时钟 发生器
数字部分
图5-12 数字电压表组成框图
➢ DVM的主要性能指标 ✓ 显示位数 ✓ 量程 ✓ 分辨力 ✓ 测量速度 ✓ 测量精度 ✓ 输入阻抗
5.4.2 A/D转换原理
分类:
➢ 积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（PWM）式、 电压-频率（V-F）变换式等。
[解] 根据上述峰值电压表的刻度特性，由读数α=1.0V， 第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值=1.0V； 第二步，该正弦波的峰值=1.4V； 第三步，将方波电压引入电压表输入，其峰值Vp=1.4V； 第四步，查表可知，方波的波峰因数Kp=1，则该方波的有 效值为： V=Vp/Kp=1.4V。
Kp~
Vp Vp /
2
21.41
➢ 波形因数定义：有效值与平均值的比值，用KF表示，
KF
V V
有效值 平均值
➢ 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T
KF~
（ (12//） 2)V Vpp
1.11
22
常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到：
如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11；
图的电路
2) 利用模拟运算的集成电路检波
u ( t )
u 2 (t)
T
0
A V r m s
图5-5 计算式有效值变换实现框图
3）利用热电偶有效值检波
➢ 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。
均 值 检 波 器
u A
➢ 先放大再检波，因此灵敏度很高。 均值电压表常用这种方式。
➢ 放大器 ✓ 宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为10MHz。 常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表” 。 ✓ 灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制。
3 分贝测量及宽频电平表 (1) 分贝
P w [dB m ]10lgP x[m W ] (5-25)
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 ，KF= T ，
为脉冲宽度，T为周期
白噪声：Kp=3（较大），KF=1.25。
5.3.2 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
✓ 两级变频：输入fx与第一本振f1（可调）混频，经 带通滤波器选出fZ1（固定）；
5 电压表的使用
➢ 峰值电压表 ➢ 均值电压表 ➢ 有效值电压表 ➢ 宽频电平表 ➢ 选频电平表
5.4 直流电压的数字化测量及A/D转换原理
5.4.1 DVM的组成原理及主要性能指标 1）DVM的组成
➢ 数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。 ➢ 组成框图
2. 特点
(1) 频率范围广 (2) 测量范围宽 (3) 电压波形的多样化 (4) 阻抗匹配 (5) 测量精度 (6) 测量速度 (7) 抗干扰性能
5.1.2 电压测量的方法和分类
·按对象：直流电压测量和交流电压测量
·按技术：模拟测量和数字测量
5.2 电压标准
5.2.1 直流电压标准
电压和电阻是电磁学中的两个基本量 电压基准和电阻基准——〉其他电磁量基准
D /A 转 换 器
Vr
图5－13 逐次逼近比较式ADC原理框图
2）单斜式ADC
输入比较器
Vx
-
+
Vr
斜波电压
发生器
S Q SET RQ
C LR
门控信号 主门
0
&
计数输入
0
0
计数器
+
接地比较器 a
时钟
V x、 V r
Vr
Vx
0
Vx kTkT0N
t
门控信号 计数输入
T
1
N
T0 b
图5－14 单斜式ADC的原理框图和波形图
（任意波）峰值Vp
21.41
（任意波）有效值V
2
Kp
1.K41p
式中，α为峰值电压表读数，为波峰因数。
➢ 波形误差
3.均值电压表原理、刻度特性和误差分析
刻度特性
➢ 对于任意波形而言，均值电压表的读数α没有直接意 义，由读数α到峰值和有效值需进行换算，换算关系 归纳如下：
（任意波）均值V0.9
∝u(t)功率∝u(t)的有效值V的平方，故，I V 2
R u(t)
热 端 测量热偶 T
加
冷
热
端
丝
T0
热 端 平衡热偶 T
连接导线
Ex
+
Vi
Vo
差分放大器
Ef
电流表
图5-7 具有线性刻度的有效值电压表原理图
2. 峰值电压表原理、刻度特性和误差分析
刻度特性
➢ 对于任意波形而言，峰值电压表的读数α没有直接意 义，由读数α到峰值和有效值需进行换算，换算关系 归纳如下：
➢ 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。
➢ 热电偶有效值检波原理图
R
加
热
丝
热
u(t)
端
T
热偶M
连接导线
I
冷
uA
端
T0
➢ 图中，直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系：
电流I∝热电动势∝热端与冷端的温差，而热端温度
（任意波）有效值VKF0.9
式中，α为均值电压表读数，KF为波形因数。 ➢ 波形误差。若将读数α直接作为有效值，产生的误差
K F K F0 .9 0 .9 1 K K FF 0 .0 9 .91 K .1 F 1 1
4）实例分析
[例] 用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压， 读数为1.0V，问如何从该读数得到方波电压的有效值？
➢ 非积分式：斜波电压（线性斜波、阶梯斜波）式、比 较式（逐次逼近式、零平衡式）等。
1）逐次逼近比较式ADC
➢ 原理框图
Vx
+
-
比较器
U x2 N n U re,NeU 2 n r (5 3)1
逐次逼近移位 寄 存 器 (SAR)
CLK STAR T
M SB 2 -1
2 -n L S B
A /D 转 换N 结 果
1）检波-放大式电压表
峰值 检波器
步进 分压器
直流 放大器
uA
(a)
峰值检波器 (探头内)
步进 分压器
斩波稳零式 放大器
uA
(b)
图5-8 检波-放大式电压表组成 a. 组成框图; b.提高灵敏度的措施
5.3.3 模拟式交流电压表
2）放大-检波式电压表
➢ 组成框图
步 进 分 压 器
宽 带 交 流 放 大 器
➢ 组成框图
输 入
混 频 器 fZ1
带 通 混 频 器 fZ2
窄 带 中 频
dB 均 值
fx
电 路
1 (固 定 ) 滤 波 器 2 (固 定 ) 滤 波 器 放 大 器
检 波 器
f1 (可 调 )
f2 (固 定 )
(第 一 本 振 )
(第 二 本 振 )
➢ 组成：外差式接收机＋宽频电平表。
✓ 输入电路：衰减或小增益高频放大。
电压标准
标准电池（实物基准， 10-6） 齐纳管电压标准 （固态标准， 10-6） 约瑟夫森量子电压基准 （量子化自然基准，10-10）
1. 标准电池
原理：利用化学反应产生稳定可靠的电动势 （1.01860V）。有饱和型和不饱和型两种类型。
E t E 2 0 [3 9 .9 4 (t 2 0 ) 0 .9 2 9 (t 2 0 )2 0 .0 0 9 2 (t 2 0 )3 0 .0 0 0 0 6 (t 2 0 )4 ] 1 0 6(V )
(5-1)
2. 齐纳二极管电压标准
利用齐纳二极管的稳压特性制作的电子式电压标 准（也称为固态电压标准）
齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响， 采用高稳定电源和内部恒温控制电路可使其温度 系数非常小
将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压 基准源，如LM199/299/399、REF系列
Dபைடு நூலகம்
RL
Vp
a
b
u (t)
VP
t
c
（2）平均值检波原理
D1
I0
D2
u(t)
u(t)
D3
C
D4
D1
D2 I0
C
图5-4 平均值检波原理图
(3) 有效值检波原理
V 1 T u2(t)dt
T0
1) 利用二极管平方律伏安特性检波
➢ 利用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 ➢ 实际应用中，采用分段逼近平方律的二极管伏安特性曲线
意义：有效值在数学上即为均方根值。有效值反映了交流电压的 功率，是表征交流电压的重要参量。
对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T
V~ 12Vp 0.707Vp
波峰因数和波形因数
➢ 波峰因数定义：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
3. 约瑟夫森量子电压基准
Brian Josephson(1940-)
5.2.2 高频电压标准
C
RT
R
C
RT
G
R
R
RF DC RF DC V RF
高频电压
V0
V1
图5-1 双测热电阻电桥的原理图
5.3 交流电压的测量
5.3.1 表征交流电压的基本参量
➢ 峰值 ➢ 平均值 ➢ 有效值 ➢ 波峰因数和波形因数
➢ 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。
交流电压--〉有效值、峰值和平均值的转换，称为 AC-DC转换。由不同的检波电路实现。
（1）峰值检波原理
二极管峰值检波电路（a.串联式,b.并联式,c.波形）
D
C
u (t)
C
RL
Vp
u (t)
第5章 电压测量
5.1 概述 5.2 电压标准 5.3 交流电压的测量 5.4 直流电压的数字化测量及A/D转换原理 5.5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表 5.6 数字电压表的误差分析及自动化技术 5.7 电压测量的干扰及抑制技术
5.1.1 电压测量的意义、特点 1. 重要性
◆ 电压测量是许多电测量与非电测量的基础 ◆ 是电量测量中最基本、最常见的一种测量 ◆ 电压测量也是非电量测量的基础
3. 双积分式ADC
Vx
S1 R
-V r
Vr
Vo
积分
波形
t0 复 零 t1
S2
f0
C
T0
-
Vo
-
+
+
积分器
比较器
a.
t2
时钟
主 门
计数器
S1 S2
清零
逻辑控制电路
t t3
数字输出
V om
计数器 输入