电子测量技术(西电版)第4章 电压、电流测量

第4章 电压、电流测量
在实际测量中， 电压测量的准确度要求与具体测量 场合有关， 如工业测量领域， 有时只是需要监测电压 的大致范围， 其精度要求可低至百分之几即可， 但有些 场合则需要进行高精度的测量， 如10-5~10-3或更高， 而 作为电压标准的计量仪器， 其精度则可达10-9~10-8。
Um=Im(Re+Rn)
(4-1)
RV
Re
Rn
Um Im
(4-2)
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例如， 图4-1中电流表串接3个电阻后除了最小电压量程 U0=Im·Re 外， 又增加了U1、U2、U3三个量程， 根据所需扩 展的量程，
R1
U1 Im
Re
R2
U2 U1 Im
R3
U3 U2 Im
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(3) 电压波形的多样化。 电压测量除了直流电压以 外， 还有交流电压。 交流电压波形多种多样， 除大量存 在的正弦电压外， 还包括失真的正弦波及各种非正弦波， 如矩形波、 脉冲波、 三角波、 斜坡电压以及各种调制波 形等， 而噪声电压则是一种无规则的随机电压 信号。
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(5) 要求有足够高的测量准确度。 由于电压测量的 基准是直流标准电池， 且在直流电压测量中， 各种分布 性参量的影响极小， 因此， 直流电压的测量可获得最高 的测量准确度。
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目前， 数字电压表测量直流电压的准确度可达10-8。 至于交流电压测量， 一般通过交流/直流(AC/DC)变换(检波) 电路， 而且当测量高频电压时， 分布性参量的影响不可忽 视， 再加上波形误差， 故即使采用数字电压表， 交流电 压的测量准确度目前也只能达到10-5左右。
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1. 直流电压的模拟测量一般是将被测模拟电压经过放大 或衰减后， 驱动直流电流表(动圈式μA表)指针偏转， 以 指示测量结果。 其结构简单， 但一般测量准确度较低。
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2. 为了测量交流电压， 需进行交流-直流(AC/DC)变换 (或称为检波)， 将交流电压变换成直流电压或再经过放 大或衰减后， 驱动直流电流表(动圈式μA表)指针偏转， 以指示测量结果。 交流电压的模拟测量方法(电流表指 示)简单， 价廉， 特别是在测量高频电压时， 其测量准 确度不亚于数字电压表， 因此， 传统的模拟式电压表、 电平表和噪声测量仪表仍在应用。
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4.2 直流电压的测量
4.2.1
普通直流电压表通常由动圈式高灵敏度直流电流表串 联适当的电阻构成， 如图4-1所示。
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图4-1 普通直流电压表电路
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设电流表的满偏电流(或满度电流)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
U0 E0 R0
E0
R0 RV
(4-6)
由式(4-6)可以看出， RV越小， γ越大，对于低的电压
量程挡，RV更小， 则对测量结果的影响更大。
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为了消除这一影响， 可使用两个不同量程挡U1、U2进 行测量。 将电压表的两次读数值U01、U02代入下式， 可计
K 1
E0 K U02 U02 U 01
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在非电量检测中， 许多物理量(如温度、 压力、 振 动、 速度、 加速度等)都可以通过传感器转换成电压量， 通过电压测量即可方便地实现对这些物理量的测量与监 测。 所以， 电压测量也是非电量测量的基础。
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2. 电压测量的特点 电压测量的特点体现了电子测量的基本特点， 这些 特点充分反映在实现电压测量的各种仪器设备和数据采 集系统中， 归纳起来主要有下述几大特点： (1) 频率范围宽。 现代的电压测量技术， 其频率覆 盖范围相当宽， 包括直流电压(零频)和交流电压的测量， 交流电压的频率可从10-6 Hz至109 Hz以上。 在电子测量中， 习惯上将1 MHz以上(至3 GHz)称为 高频或射频， 1 MHz以下称为低频， 10 Hz(或5 Hz)以下 称为超低频。
需要说明的是， 任何测量仪器不可能覆盖测量所 有的电压频率范围、 量程范围、 准确度和速度等要求， 一般只是工作在其中的某一范围。
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4.1.2
被测电压按对象可以分为直流电压测量和交流电压 测量， 按测量的技术手段可以分为模拟电压测量和数字 电压测量。 不同的测量方法， 所用的测量仪器有所不 同。
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图4-3 电子电压表组成原理框图
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图4-4是由集成运放组成的电子电压表的原理电路图。 在理想运放情况下， ΔU=0， I=0， 则电流表头上的电流
I0
I0
IF
Ui RF
KU x RF
式中, K为分压器和跟随器的电压传输系数。
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图4-4 由集成运放组成的电子电压表的原理电路图
式中， Um为某电压量程的满度电压值， RV为对应量
程的内阻， 不同的量程， 其Um和对应的RV不同。
例如，
Ω/V”数为20 kΩ/V， 则5 V量
程和25 V量程时电压表内阻分别为100 kΩ和500 kΩ。
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动圈式直流电压表结构简单， 使用方便， 但误差较 大。 误差除了读数误差外， 主要取决于表头本身和扩展电 阻的准确度， 一般直流电压表的准确度等级在1%~±5% 左右， 精密直流电压表的准确度等级可达±0.1%。 普通直 流电压表的主要缺点是灵敏度不够高和输入电阻偏低， 特 别是在较低的量程上， 电压表的输入电阻更低， 这时的负 载效应对被测电路工作状态及测量结果的影响不可忽视， 会使测量结果产生大的误差， 在高输出电阻的直流电压测 量中， 误差更为明显。
U
1
N
u2 (k )
N k 1
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计算出交流电压的有效值。 式中N为u(t)的一个周期 内的采样点数。 而对被测波形的采样序列u(k)进行平均和 求最大值， 很容易地得到平均值和峰值。 上述交流电压 的测量方法可称为“采样-计算法”。
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6. 利用模拟示波器或数字存储示波器可直观显示出被 测电压波形， 并读出相应的电压参量。 实际上， 示波器是一种广义电压表。
4. 交流电压经过AC/DC变换后得到直流电压， 然后， 通过数字化直流电压测量方法， 即可实现交流电压的数 字化测量。 数字多用表(DMM)可以测量直流和交流的电压、 电 流、 阻抗等， 因而得到广泛应用。
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5. 实现交流电压测量的另一种方法是， 直接采用高速 A/D转换器， 将被测交流电压波形以奈奎斯特采样频率实 时采样， 然后， 对采样数据进行处理， 计算出被测交流 电压的有效值、 峰值和平均值。 例如， 根据交流电压有 效值定义， 可由有效值公式
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(7) 要求有高的抗干扰性能。 各种干扰信号(噪声) 直接或等效地叠加在被测信号上， 对测量结果产生影 响， 特别是微弱信号的测量。 另外， 测量仪器本身也 会产生噪声(如内部热噪声)， 以及存在来自测量仪器的 供电系统的噪声， 因此， 电压测量需要特别重视 抗干扰措施， 提高测量仪器的抗干扰能力。
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(2) 测量范围宽。 现代的电压测量技术， 可测量的电 压范围极宽， 低至纳伏级(10-9 V)的微弱信号(如心电医学信 号， 地震波等), 高至数百千伏的超高压信号(如电力系统中) 。 通常， 将电压测量范围分为： 超高压(几万伏以上)、 高 压(千伏以上)、 大电压(几十伏以上)、 中电压(0.1 V至几十 伏)、 小电压(1 μV~0.1 V)及超小(微弱)电压(1 μV以下)。
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(6) 要求有高的测量速度。 在测量领域， 一般分为 静态测量和动态测量， 静态测量速度可以很慢(每秒几次)， 但通常要求测量准确度很高； 动态测量速度很高(每秒百 万次以上)， 但测量准确度可以较低一些。 测量速度和准 确度始终是一对矛盾体， 人们追求高速度高准确度的测量 往往需要付出很大的代价。
(4) 要求有足够高的输入阻抗。 被测信号可以视为 理想电压源和等效内阻的串联， 被测信号接入电压测量 仪器后， 电压测量仪器的输入阻抗就是被测电路的额外 负载。 由于仪器输入阻抗的存在会对测量结果产生影响， 要求仪器具有足够高的输入阻抗。
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目前， 直流数字电压表的输入阻抗在小于10 V量程 时可高达10 GΩ甚至1000 GΩ以上， 高量程由于分压器的 接入， 一般可达10 MΩ。 对于交流电压的测量， 由于需 通过变换电路， 故即使是数字电压表， 其输入阻抗也做 不高， 一个典型数值为1 MΩ∥15 PF(∥表示并联)。 对 于高频交流电压的测量， 若输入阻抗不匹配会引起被测 信号的反射， 所以还要考虑被测电路和测量仪器输入阻 抗的匹配。
虽然采用上述办法可消除RV对测量结果的影响， 但是比较麻烦。 在工程测量中为了满足测量准确度的 要求， 最常用的办法是采用直流电子电压表进行测量。
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4.2.2
直流电子电压表通常是由磁电式表头加装跟随器(以 提高输入阻， 输入端接入由高阻值电阻构 成的分压电路。 电子电压表组成原理框图如图4-3所示。
通常把内阻RV与量程Um之比(每伏欧姆Ω/V数)定义为
KV
RV Um
1 Im
( / V) (4-3)
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“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， 可依据其大小推算出不同量程时的电压表内阻，
RV=KV·Um
(4-4)
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若电流表满偏电流为Im，则由上式可得该直流电子
Um
Im RF K
(4-8)
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为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。
式中,K=U2/U1。
(4-7)
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图4-2 用普通直流电压表测量高输出电阻 电路直流电压的等效电路图
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例如， 在图4-2中， 若电压表的“Ω/V”数为 20 kΩ/V， 先后用5 V量程和25 V量程测量端电压Uo的 读数值分别为2.50 V和4.17 V，代入上式可计算得 E0≈5.10 V。
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图4-2表示用普通直流电压表测量高输出电阻电路直流 电压的等效电路图。 设被测电路输出电阻R0为100 kΩ， 被 测电压实际值E0为5 V，电压表内阻为RV。 若不考虑其它方 面的误差影响，
U0
E0 R0 RV
RV
E0 R0 RV
Um Im
(4-5)
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3. 直流电压数字化测量是通过模拟-数字(A/D)转换器， 将模拟电压量转换成对应的数字电压量。 然后用电子计 数器计数， 并以十进制数字显示被测电压值。 数字化电 压测量直观方便， 功耗低， 测量准确度高， 以A/D转换 器为核心即可构成数字电压表(DVM)。
第4章 电压、电流测量
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4.1 概述 4.2 直流电压的的测量 4.3 交流电压的测量 4.4 分贝的测量 4.5 电压的数字化测量 4.6 电流的测量 思考与练习
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4.1 概
4.1.1
1. 电压量广泛存在于科学研究、 航空航天、 现代 化生产以及人类生活的各种活动之中， 电压测量是许 多电测量与非电测量的基础， 是电子测量的重要内容。
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在集中参数电路中， 电压、 电流、 功率是表征 电信号能量的三个基本参数， 而电流和功率又往往通 过电压进行间接测量。 从测量角度看， 测量的主要 参量是电压。 另外， 电子电路及电子设备的各种工 作状态和特性都可以通过电压量表现出来。 例如， 电路的饱和与截止状态、 线性工作范围、 电路中的 控制信号和反馈信号等， 以及频率特性、 调制度、 失真度、 灵敏度等。 所以， 电压测量是电量测量中 最基本、 最常见的一种测量。