电压测量技术

任务4：交流电压的基本参数 要点1．峰值
一个周期性交流电压u(t)在一个周期内
所出现的最大瞬时值称为该交流电压的 峰值U p。 峰值U p是参考零电平计算的。 有正峰值和负峰值之分，分别用Up+和 Up-表示。 含直流分量的交流电压，其正峰值Up+ 和负峰值Up-的绝对值大小是不相等的；
度差别大、波形多样化等特点，所以对 测量电压所采用的电子电压表也提出了 相应的要求，主要有： 1．频率范围宽 除直流电压外，交流电压的频率可以从 0Hz到千兆赫兹范围内变化，甚至达到G 兆赫兹。
任务2：电压测量的特点
2．量程宽(测量范围)
通常，被测信号电压小到微伏级，大到 千伏以上。 这就要求测量电压仪表的量程相当宽。 电压表所能测量的下限值定义为电压表 的灵敏度，目前只有数字电压表才能达 到微伏级的灵敏度。
任务2：电压测量的特点
5．抗干扰能力強 测量工作一般都在有干扰的环境下进行，
所以要求测量仪表具有较強的抗干扰能 力。 对于数字电压表来说，这个要求更为突 出。 测量时，采取必要的措施，如接地、屏 蔽等，可减小干扰的影响。
任务2：电压测量的特点
6.被测波形的多样性
除正弦波外，电路中还有失真的正弦波
任务5：模拟电压表的分类 要点2．放大-检波式
被测电压先经宽带放大器放大，然后再
检波，变成直流电信号，驱动微安表指 针偏转。
这种电压表灵敏度由于先行放大而提高，
但受放大器内部噪声的限制；其频率范 围主要受放大器带宽的限制，典型
任务5：模拟电压表的分类 要点2．放大-检波式
的频率范围为20HZ～10MHZ,称“视频
正峰值Up+＝负 峰值Up-的绝对 值＝交流电压的 振幅值Um！
任务4：交流电压的基本参数 要点2．平均值
又称为均值。交流电压的平均值在数学
上定义为
1 U T

T
0
u (t ) dt
显然，不含直流分量的正弦信号的电压
平均值为零。 平均值又分为半波平均值和全波平均值， U1 。 分别记为 和 U 2
U
T
0
u (t ) dt
均值电压表一般采用放大-检波式电路组
成低频电压表，或采用外差式电路组成 高频微伏表。
任务6：均值电压表 要点1.均值表的一般组成
均值电压表框图如下。 通过整流和滤波提取 阻容分压电路， 宽放输出电压的平均 值，并输出与它成正 用来改变均值 比的直流电流 表的量程
任务4：交流电压的基本参数 要点5．波峰因数 Kp
波峰因数Kp定义为峰值与有效值之比：
UP Kp U
正弦信号的波峰因数
三角波的波峰因数 方波信号的波峰因数
Kp 3
Kp 2
Kp 1
任务5：模拟电压表的分类
在模拟式交流电压表中，大都采用整流
的方法将交流信号变成直流信号，再以 其平均值驱动指示器，给出有效值读数。 这种方法在电子测量领域中称检波法。 它具有准确度高、频带宽、灵敏度较高 等优点，是目前使用比较广泛的方法。
任务2：电压测量的特点
4．测量精度高 一般的工程测量，如市电的测量、电路
电源电压的测量等都不要求高的精度， 准确度在1%~3%即可。 一般对直流电压的测量可获得最高准确 度，达10-4~10-7量级(数字表)；对交流 电压的测量可获得10-2~10-4量级的准确 度。 模拟式电压表一般只能达到10-2量级。
sin t (1 cos 2t ) 2 T
2
2 U U 2 m 2T 0
(1 cos2t )dt
2 ( ) T
2 Um 1 T [t 0 sin 2t T 0] 2T 2 2 2 2 Um Um Um 2 (0) 2(2 ) 4 (2 ) 2
任务5：模拟电压表的分类
另外还有热电转换法和公式法。
热电转换法是通过热电偶将交流电有效
值转换成直流电压； 公式法是利用有效值公式进行转换，经 过模拟平方器、积分器、开平方器等转 换环节来完成。 根据电压表电路组成的方式不同，模拟 式电压表又可分为以下几种。
任务5：模拟电压表的分类 要点1．检波-放大式
滤波电容， 使指针稳 定滤去检 波器输出 电流中的 交流成分
R使检波器损耗增 加，使流经微安表 的电流减小，应保 证充放电的时间常 数相等。
任务6：均值电压表 要点2.(平)均值检波器
被测电压为Ux，电表内阻rm，D1~D4的正反向 电阻分别为Rd、Rr。一般Rd为100~500Ω， Rr为1~3KΩ。 由于Rr ＞＞ Rd ，忽略反向 电流的作用，流过电表的平均电流为
本章主要任务
任务9：掌握数字电压表的工作原理
任务10：掌握数字多用表的工作原理
任务11：了解电压标准
任务12：了解失真度的测量
任务1：电压测量的必要性
电压、电流、功率是表征电信号能量大
小的三个基本参量。 在电子电路中，只要测量出其中一个参 量就可以根据电路的阻抗求出其它两个 参量。 考虑到测量的方便性、安全性、准确性 等因素，几乎都用测量电压的方法来测 定表征电信号能量大小的三个基本参量。
均值表的输入级，通 常采用射极跟随器或 源极跟随器来提高均 值表的输入阻抗
采用多级负反馈电路， 其性能是整个电压表 质量的关键
任务6：均值电压表 要点2.(平)均值检波器
电子电压表内常用的全波均值检波器电
路如下图所示，图（a）为桥式电路，图 （b）为半桥式电路。检波器输出平均 电流正比于输入电压的平均值。
它的变換精度、分辨力、抗干扰能力直 接影响数字式电压表的测量精度、灵敏 度和抗干扰能力。
任务4：交流电压的基本参数
电路中某点的电压是指该点信号的电压，
它可能是直流，一般是含有直流成分的 复杂信号。 波形是指电压随时间变化的U-t图形，反 映电压瞬时值的变化情况。 一个交流电压的幅度特性可用峰值、平 均值、有效值等基本参数来表征。
任务4：交流电压的基本参数 要点1．峰值
振幅Um是参考直流分量值开始计算。
下图的直流分量U0大于零，注意 Up+、
Up-和Um的区别。其中，Upp是峰峰值
正峰值Up+≠负 峰值Up-的绝对 值≠交流电压的 振幅值Um！
任务4：交流电压的基本参数 要点1．峰值
下图的直流分量等于零。

与前面的直流分量大于零的情况作对比， 注意 Up+、 Up-和Um的区别。
毫伏表”。 平均值电压表属于放大-检波式电压表。
任务5：模拟电压表的分类 要点3．外差式
检波-放大式和放大-检波式两种电压表，
频率响应和灵敏度互相矛盾，很难兼顾， 可以通过外差测量方法来解决。 外差式电压表的电路结构图如下图所示， 其原理与外差式收音机相似。
任务5：模拟电压表的分类 要点3．外差式
任务4：交流电压的基本参数 要点2．平均值
半波平均值是指交流电压的正半周或负
半周在一个周期内的平均值。 1 T U 1 u (t )dt (U(t)≥0)

(U(t)＜0) 通常用全波检波后的波形的平均值来表 征正弦信号的幅度特性，故有： 1 T U u (t ) dt T 0
任务2：电压测量的特点
3．输入阻抗高
电压测量仪器以并联方式连入电路，其
输入阻抗是被测电路的附加并联负载。 为了减小电压表对测量结果的影响，对 于直流和低频电压，就要求电压表的输 入阻抗很高，即输入电阻大； 对于高频电压，要求输入电容小，使附 加的并联负载对被测电路影响很小。 目前，直流数字电压表在小量程上的输 入阻抗高达10GMΩ，高量程时可达 10MΩ。
电压加在某个电阻上产生的功率与一个 直流电压在同一个电阻上产生的功率相 同时，则定义这个直流电压值为该交流 电压的有效值。 数学上交流电压的有效值定义为它的方 均根值： T
1 2 U u (t )dt U rms T 0
任务4：交流电压的基本参数 要点3．有效值
U (t ) U m sin t 以正弦波为例， 代入有效值计 T 算公式 1 2 U 2 U m sin 2 tdt 1 T0
任务1：电压测量的必要性
此外，许多参数，例如频率特性、谐波
失真度、调制度等都可视为电压的派生 量。 所以电压的测量是其它许多电参量测量 的基础。 非电量测量中，物理量——〉电压信号， 再进行测量
如：温度、压力、振动、（加）速度
任务2：电压测量的特点
电子电路中的电压具有频率范围宽、幅
任务3：电压表的分类
2．数字式电压表
数字式电压表实际上就是一种用A／D变
換器作测量机构，用数字显示器显示测 量结果的电压表。 测量交流电压及其它电参量的数字式电 压表必须在A／D变換器之前对被测电参 量进行转换处理，将被测电参量变換成 直流电压。
任务3：电压表的分类
A／D变換器是数字式电压表的核心部分，
外差测量法的中频是固定不变的，中频
放大器有良好的选择性，相当高的增益， 这样就解决了放大器的带宽与增益的矛 盾，削弱噪声的影响，提高了测量灵敏 度，扩展了频率范围。 一般的高频微伏表即属于这一类。
任务6：均值电压表
在均值电压表内，电压的平均值指被测
电压经整流后的平均值，这通常是就全 波整流而言，即输入电压的绝对值在一 1 T 个周期的平均值。
第五章 电压测量技术
目的与要求：电压是表征电信号能 量大小的基本参量之一，电压测量 是其它许多电参量测量的基础。本 章重点要求掌握电压的基本测量原 理和各种电压测量仪表的正确使用。
本章主要任务
任务1：了解电压测量的必要性
任务2：了解电压测量的特点
任务3：了解电压表的分类 任务4：掌握交流电压的基本参数 任务5：了解模拟电压表的分类 任务6：掌握均值电压表的工作原理 任务7：掌握峰值电压表的工作原理 任务8：掌握有效值电压表的工作原理
和大量的非正弦波。 测量时，应考虑不同波形的需要。 测非正弦波形时其读数无直接意义，被 测电压大小要根据电压表的类型和波形 来确定，即需要进行换算。
任务3：电压表的分类
电压表按其工作原理和读数方式分为模
拟式电压表和数字式电压表两大类。 1．模拟式电压表 模拟式电压表又叫指针式电压表，一般 都采用磁电式直流电流表头作为被测电 压的指示器。 测量直流电压时，可直接或经放大或经 衰减后变成一定量的直流电流驱动直流 表头的指针偏转指示。

1 T U 1 u (t )dt 0 T 2
2
T
0
任务4：交流电压的基本参数 要点2．平均值
全波整流波形，表 征正弦信号的幅度 特性
半波整流波形，半 波检波后的平均值 是全波平均值的一 半，即为正弦信号 电压平均值的一半。
任务4：交流电压的基本参数 要点3．有效值
交流电压的有效值理论上定义为：交流
检波-放大式电压表的电路结构如图所示。 将被测电压Ux先变成直流电压，再经直
流放大器放大，然后驱动直流微安表指 针偏转。
任务5：模拟电压表的分类 要点1．检波-放大式
电压表的频带宽Hale Waihona Puke Baidu主要取决于检波电路
的频率响应。 通常所称“高频电压表”或“超高频电 压表”都属于这一类。 由于二极管导通时有一定的起始电压， 且采用普通直流放大器会有零点漂移， 故其灵敏度不高，不适宜测量小信号。
任务3：电压表的分类
测量交流电压时，必需经过交流-直流变
换器即检波器，将被测交流电压先转换 成与之成比例的直流电压后，再进行直 流电压的测量。 模拟式电压表按检波方式分为均值电压 表、有效值电压表和峰值电压表。 按电压表电路组成的方式也可分为检波放大式电压表、放大-检波式电压表、外 差式电压表三类。
任务4：交流电压的基本参数 要点3．有效值
U U rms Um 2
1 2
对正弦波而言，其有效值为最大值的
倍。
任务4：交流电压的基本参数 要点4．波形因数Kf
交流电压的有效值与平均值之比称为该
交流电压的波形因数，用Kf表示。 U Kf U 正弦信号的波形因数 K f ＝1.11 2 1.15 三角波的波形因数 K f 3 方波信号的波形因数 K ＝1 f