电子测量技术第3章..

直流电压测量中，各种分布性参数的影响极小，直
流电压的测量可获得较高的测量准确度。

交流电压必须经交流-直流（AC-DC）转换电路转变 成直流电压，同时高频测量时分布参数的影响很难 避免，交流电压测量的精度比直流电压精度低很多
，通常只能达到10-5量级左右。
电压测量的特点

抗干扰性能

高精度电压测量要求电压表具有足够的抗干扰能力 电压测量易受外界干扰的影响，当信号电压较小时 ，干扰往往成为影响测量精度的主要因素，相应要
理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt),若 ω=2π/T
1 U~ U p 0.707U p 2
21
波形因数和波峰因数

交流电压的波形因数KF定义为该电压的有效值 与均值之比:
U rms KF U av

对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt),若 ω=2π/T
KF~
(1/ 2)U P 1.11 (2 / )U P 2 2

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热电转换原理
A + D
ux(t)
-
C
M
µA
B
E

直流电流I与被测电压u(t)的有效值U的关系： 电流I∝热电动势∝热端与冷端的温差,而热端温 度∝u(t)功率∝u(t)的有效值U的平方,故I∝ U2
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热电式有效值电压表

在实际热偶式电压表中,为了克服直流电流与被测 电压有效值的非线性关系(I∝kUx),利用两个性能 相同的热电偶构成热电偶桥,称为双热偶变换器,

齐纳二极管稳压特性存在温度漂移的影
响，采用高稳定电源和内部恒温控制电
路可使其温度系数变小。
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电压标准

约瑟夫森量子电压基准

电压与频率在约瑟夫森结上存在一个不受 时间、空间环境变化的系数KJ。

从1990年1月1日开始,在世界范围内同时 启用了约瑟夫森电压量子基准并给出了KJ 常数值,记为KJ-90＝ 483597.9GHz/V
求高灵敏度电压表(如数字式电压表、高频毫伏表等
)必须具有较强的抗干扰能力，测量时也要特别注意 采取相应措施(例如正确的接线方式、必要的电磁屏 蔽)，以减少外界干扰的影响。
电压测量方法
电压的模拟测量

是将被测电压成比例地转换为电流,再采用机 械动圈式电流表进行测量。 通过ADC实现高精度直流电压的数字测量。 经过AC-DC变换后得到直流电压再测
μA


可变量程衰减器 ：通常是阻容分压电路，用来改变
均值表的量程，以适应不同幅度的被测电压。
宽带放大器：通常采用多级负反馈电路,其性能往往
是整个电压表质量的关键。
平均值检波器 ：通过整流和滤波提取宽带放大器输
出电压的平均值，并输出与它成正比的直流电流，最 后驱动微安表指示电压的大小。
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平均值电压的测量
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放大-检波与检波-放大
对于交流电压的测量通常有两种基本方式： 放大—检波式：


测量灵敏度高但频率范围只能达到几百kHz 频率范围可以从直流到几百MHz,但其灵敏度较低。
检波—放大式：

宽带放大
检波
读数显示
检波
直流放大
读数显示
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平均值电压测量

放大—检波式
衰减器 宽带 放大器 检波器
直流电压的数字测量

交流电压的数字测量

交流采样

采用高速ADC直接对高频信号进行数字化采集 与处理,通过微处理器换算出有效值、峰值、 均值
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示波测量
电压测量仪器的分类
万用表 电子电压表

均值电压表 峰值电压 有效值电表
模拟式：

磁电式电流表(表头)作指示器 利用A／D转换器实现电压的测量

电路中的其他电参量包括电流、功率以及信号 的调幅度、波形的非线性失真系数、网络的频 率特性、设备的灵敏度等等,都可视为电压的 派生量,通过电压测量获得其量值。
电压测量的重要性

电压比较器结构简单且应用广泛,这使电压的数 字化非常容易。

利用各种传感器和变换电路,可以把其他类型的 物理信号(如温度、压力、流量、音响等)转换为 电压,通过测量电压来实现对这些参量的测量。

只要采样的频率足够高,就可以尽量真实地再现被 测信号。
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热电转换原理
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。 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。
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间接型RMS/DC运算法
间接型RMS/DC运算法 图中第一级为模拟乘法/除法器,第二级是由运 算放大器组成的低通滤波器。它在电路的输入 级使用反馈间接实现平方根运算。 u2x/ U0将随着输入信号的有效值线性变化。

U 0 u (t )
2 x
u
2 x o
－
Uo
ux
2
ux (t)
交流信号峰值成比例。

常见的峰值检波器有串联式和并联式两种 。
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峰值检波器

二极管峰值检波电路(a.串联式,b.并联式,c.波形)
VD Rs ux (t) Rs + C VD ux (t) RL
+
~
充
C
放
RL
~
b
a
ux (t)
uc=uo ux
t
c
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峰值电压表

基本要求： 放电时间常数远大于输入信号中最大的周期Tmax
数字显示被 测电压的值

数字式：

电压标准

标准电池

标准电池利用化学反应产生稳定、可靠 的电动势,它是一种重要的电压实物标 准,常作为各级计量、检定、研究和生
产部门的直流电压标准量具。
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电压标准

齐纳二极管电压标准

利用了齐纳二极管反向击穿时的稳压特 性,系统结构简单,容易实现集成,广泛 应用于工程仪表中。

铁
铜
热端 热Hale Waihona Puke Baidu偶
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热电转换原理
利用热电偶有效值检波 热电偶： 将两种不同金属进行特别封装并标定后,称 为一对热电偶(简称热偶)。 热电偶温度测量原理： 若冷端温度为恒定的参考温度,则通过热电 动势就可得到热端(被测温度点)的温度。 热电偶有效值检波原理： 若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加 热,则热电动势将反映该交流电压的有效值, 从而实现了有效值检波。

T
0
| u x (t ) | dt
通常平均值就 指全波平均值
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交流电压的表征
有效值Urms

交流电压有效值,是指该交流电压在一个周期 内通过某一纯电阻负载时所产生的热量,与一 个直流电压在同样的条件下所产生的热量相等 时，该直流电压的量值,记为Urms
U rms

1 T 2 u (t )dt T 0
方波：
Kp=1，
KF=1；
KF=1.15； KF=1.15；
KF T
三角波：Kp=1.73， 锯齿波：Kp=1.73， 脉冲波：K P T
τ为脉冲宽度,T为周期
白噪声：Kp=3(较大), KF=1.25。
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3.2.2 交流-直流转换
模拟测量—— 数字测量——

模拟电压表
数字电压表 虽然数字电压表越来越普及,但就目前的技术条 件来说,尤其是对于很高频率信号的测量还不能 完全取代模拟电压表。
U0:直流分量
U0 0
Um
Up+
Upp
t Up-
Um：振幅,u(t)在一个周期内偏离直流分量U0的最大值
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交流电压的表征
平均值Uav

交流电压的平均值定义为
U av


半波整流平均值：
交流电压的正(负)半周在一个周期的平均值
1 T

T
0
u x (t ) dt

全波整流平均值
U av
1 T

不同波形的电压的测量方法及对测量准确 度的影响是不一样的。
电压测量的特点

输入特性

被测信号接入电压表后,电压表的等效输入
阻抗将对测量结果产生影响。

电压测量仪器的输入电阻就是被测电路的额
外负载，为了减小仪器的接入对被测电路的
影响，要求其具有较高的输入电阻。
电压测量的特点

测量精度

直流电压可获得较高的测量准确度

由于放大器频率特性的限制,通常测量高频信号的 电压表采用检波—放大式。

检波—放大式高频毫伏表检波器多采用峰值式

采用这种结构,放大器放大的是检波后的直流信 号,其频率特性不会影响整个电压表的频率响应

测量电压的频率范围主要取决于检波器频率响应
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峰值电压表
峰值检波器：检波输出的直流电压与输入
电压测量的特点
频率范围

电压测量的频率范围相当广 电子电路中电压信号的频率范围相当广，除 直流外，交流电压的频率从10－6 Hz(甚至更 低)到109 Hz，频段不同，测量方法也各异。
电压测量的特点

测量范围

电压幅值的变化范围极宽 电子电路中待测电压的大小低至10－9 V，高到几十 伏、 几百伏甚至上千伏。

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
VD1 VD1
I0
VD2
ux(t)
VD3
C
ux(t)
VD4
VD2
I0
C

如图,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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峰值电压的测量
第 3章
电压测量
第3章电压测量
3.1 3.2
3.3
3.4 3.5 3.6
概述 电压的模拟测量 电压的数字化测量 电压测量中的模-数转换器 数字多用表 数字电压测量的误差分析
2
3.1 电压测量概述
电压测量的重要性

电压测量是电子测量的一个重要内容。

在表征电信号能量的三个基本参数(电压、电 流、功率)中,电压测量是最直接也是最普遍的
Z Y
ZY X
U
＋
X
R
C
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数字采样法

采样又称为取样。根据有效值的定义,若把连续积 分变为在信号周期内足够多采样值平方的代数和, 则可得交流电压有效值的另一表达式
U rms
1 N
2 u x i 1
N
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数字采样法

数字采样法采用高速A-D器件,对信号进行实时逐 点采样,以实现交流信号的真有效值测量,还可以 检测出信号的瞬时特性,比如信号峰值、波形畸变 因数等其它瞬时信号特性。

模拟式电子电压表是通过AC／DC变换器将交流电压 转换成直流电压后,再变换成直流电流,最后驱动磁 电式电流表,通过指针来指示所测得的电压。 测量交流电压的仪表通常称为电子电压表或毫伏表
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检波特性
根据检波特性不同

平均值检波——平均值电压表


峰值 检波——峰值 电压表
有效值检波——有效值电压表
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3.2 电压的模拟测量
3.2.1 交流电压的表征
交流电压可以用峰值、幅值、平均值、有
效值及瞬时值来表征。
u
Uav
Urms
Up
Upp
t
图3-1 常用电压参数
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交流电压的表征
峰值Up


交流电压u(t)在一个周期内偏离零电平的最大 值 一般情况下,正峰值Up+和负峰值Up-并不相等
u
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波形因数和波峰因数

交流电压的波峰因数Kp定义为该电压的峰值与有 效值之比
UP KP U rms

对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt),若 ω=2π/T
K P~
UP 2 1.41 UP / 2
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波峰因数和波形因数

常见波形的波峰因数和波形因数可查表3-1得到 如正弦波: Kp=1.41， KF=1.11；
A
ux(t)
D
+
C B
M E
Ex Uo Ef + ΔE
测量热电偶M1: 产生的热电动势Ex= KUx2 平衡热电偶M2: 产生的热电动势Ef = KU02
M
ΔE = Ex－Ef≈0
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3.2.3 交流电压表的刻度特性

在进行交流电压测量时,国际上一直以有效值表 示被测电压的大小,因为有效值反映了被测信号 的功率。但在实际测量中由于检波器的工作特性 不同所得结果有峰值、平均值、有效值之别。

检波器的充电时间常数远小于放电时间常数；
τ放＞＞Tmax
τ充＜＜τ放
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模拟运算式有效值变换器

直接型RMS-DC运算法如图所示,使用乘法器和运 算放大器直接计算有效值
U rms 1 T

T
0
2 ux (t )dt
ux(t)
u x (t )
2

T 0
A
Urms

图中第一级接成平方运算的模拟乘法器,其输出 正比于 ux2(t),第二级接成积分平均电路,第三 级将积分器的输出进行开方,最后输出的电压正 比于被测电压的有效值。

若信号电压电平低， 则要求电压表分辨力高， 而
这些又会受到干扰、 内部噪声等的限制。

若信号电压电平高， 则要考虑电压表输入级中加接 分压网络， 而这又会降低电压表的输入阻抗。
电压测量的特点

电压波形


交流电压波形多种多样
电子电路中待测电压的波形除正弦波外，还 包括失真的正弦波以及各种非正弦波(方波 、三角波、脉冲电压等)。