第四章波形测量万用表和脉冲技术

第四章波形测量，万用表和脉冲技术

4.1引言

随着工业领域的进步和科技的发展，先进的测量仪器已经成为性能比较，参数提高的主要需求。然而，在许多工程领域，测量V，I，R，Z和温度等的基础仪器占据了仪器市场的主要份额。

在实际环境中，如服务现场和维修车间，简单的仪器,例如万用表经常被用来测量信号,但却没有考虑波形和信号的频率成分的影响以及自身的仪器能力的限制。在数字系统环境中，脉冲波形用于器件表征和性能检查。在这样的情况下，脉冲参数和技术发挥了重要作用，要求设计者，服务者或者是测试工程师了解脉冲参数和测试技术。

本章提供了一个关于波形测量，万用表使用和脉冲技术的概述。

4.2 波形参数和振幅的相关测量

大多数波形可分为周期和非周期信号。更进一步，非周期信号可以分为有限和无限的能量信号。图4.1中的树形图，展示了一些按以上标准分类的实际信号。

图4.1 波形和他们的分类

每一种波形有其固有的特性和品质，同时一些参数已经被定义来说明和计算这些特性和品质。表4.1显示不同类型的波形的不同参数，根据实际中的情况，分为主要和次

要两类。

表4.1 波形和他们的参数

有许多不同的仪器可以用来进行波形参数的测量，如模拟万用表，数字万用表，示波器，频谱分析仪，频率计数器，逻辑分析仪，磁场强度计，误码率计等。尽管有一些测量是在频域利用频谱分析仪和选择性电平表等仪器进行的，但大多数测量是在时域进行的。

我们有必要定义和讨论一些与最常用仪器使用有关的重要参数，例如，测量幅值的模拟万用表和数字万用表。参数如下：

●平均值

●方均根值（r.m.s ）

●整流平均值rectified mean

●波峰因数

●波形因数Form factor

时变电压波形的平均值V ave 定义如下

01()T

ave V v t dt T =⎰ 时变电压波形的有效值V rms 定义如下

20()T rms V v t dt ⎫=⎪⎭

⎰ 时变电压波形的整流平均或平均绝对偏差（交流平均）值数学上的定义为

01()T

mad V v t dt T =⎰ ()v t 是波形的瞬时电压，T 是波形的周期

在实际中，一个交流电流的方均根值等于对负载产生相同热量的直流电流的值，出于校准的目的，热量产生的概念依然在热电压校准的情况下使用，一些万用表利用热转换的技术来进行方均根值测量。

波形的波峰因数是其峰值与其方均根值的比。

波形的波形因数被定义为方均根值与其平均值之比。

了解这些参数的实际意义，对于解释从模拟和数字万用表读出的值，特别是在测量非正弦的波形的情况下，有着巨大的帮助。例如，在许多采用永久磁铁动圈式（PMMC ）偏转系统的模拟仪表中，仪表对通过移动线圈的平均电流产生响应。当这样一个表用于测量方均根值时，仪表工作在整流平均传感模式，量程校准使用了整流平均值和方均根值之间的关系，通常假设输入为一个纯正弦波。因此，这些定义好的的参数对于解读模拟仪器为校准某些特殊的波形的表盘示数，尤其是失调的正弦波，是非常有用的。

方均根值是交流信号幅值的一个基本测量参数。除非测量仪器中含有特殊的方均根值转换阶段，这些参数必须谨慎使用，牢记以下准则。

(i)确定仪器主要响应的基础参数。

(ii)确定用于校准仪器表盘的因素和仪器精确响应的波形。

(iii)对于不同的波形测量，应根据波形知识来确定一个校正因子。

为了计算（iii）中的校正因子，该仪器可以在逻辑上划分成两个基本块（图4.2），其中使用了表4.2中的信息。

例如，如果一个PMMC模拟仪表被设计用来测量方均根值，那么当一个纯正弦波被测量时，仪表将会根据B点波形的平均值来相应的移动同时表盘也会被相应的校准。如果仪器是按半波整流阶段将交流输入信号转换为直流设计的，在B点的波形将会是一个半正弦波。如果这个仪器使用全波整流，那么这个仪器的响应将会是整流平均值。因此，这两种情况的表盘校准将会不同。如果在这两个仪器上观察三角波，第一个仪表的读数V1和第二个仪器的读数V2将计算如下。

图4.2 模拟万用表的基本框图

表4.2 一些基本波形的有效值、平均值和波峰因数

多数情况，

()rms B V k V =

K 是校准表盘时的一个常数，V B 是B 点的平均值。

当输入是一个纯正弦波，同时转换电路是一个半波整流，0.318B m V V =，

0.070rms m V V =。所以这个仪器对纯正弦波进行校准时，0.318m V k =⨯，因此，2.22k =

类似，全波整流时，'(..)rms V k m a d =

当输入时一个纯正弦波，'0.7070.673m m V k V =⨯。因此' 1.11k =

现在，考虑一个矩形波用这两个仪器测量，用表3.2中的参数，对于第一个仪器，读数为

1 2.220.5554

m m V V V =⨯=

然而，实际的有效值应为0.577m V =，因此误差百分比是

0.5770.555 3.80.577m m m

V V V -≈% 相似地，第二个仪器的读数2 1.110.5m V V =⨯，因此误差百分比是3.8%。

同样，如果我们对这两个仪器施以半正弦波，我们可以知道，第一个仪器读数是 1 2.220.3180.707m m V V V =⨯=

第二个仪器读数为

2 1.110.3180.353m m V V V =⨯=

实际半正弦波的有效值应为''0.5m V V =

因此，第一个和第二个仪器的误差分别为-41.4%和 29.4%，在计算误差时，负载效应和由于频率限制的其他效应也需要被考虑进来。这些一般影响的处理和数学分析见附录2和3。图4.3演示了在仪表中所使用的精确整流滤波电路

这个整流平均方案将交流输入进行精确整流。整流输出供给一个简单的RC 平

均值电路来进行输出。在实际中，你设定增益所以直流输出等于一个正弦波的有效值。如果输入保持一个纯正弦波，精确度是很好的。然而，非正弦波输入将会引起巨大的误差。这种电压表只有在正弦波输入的时候才是精确的并且随着输入越偏离正弦波误差越大。

图4.3 正弦输入的整流平均测量