《电压的测量》

2. 电表的工作原理
设电流表铁心5与极掌2之 间工作气隙内的磁感应强度为B，
N 铁芯 S
且由于气隙结构特点，使得气
隙内的B值处处相等，其方向如 图4-2所示，都是通过轴心呈辐
射形。
N
S
图 4-2 磁电式电表中的磁场分布图
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4.2 磁电动圈式直流电表
4. 2. 1 磁电动圈式电表的工作原理
根据物理学原理，可动线圈通电后在气隙磁场内所受的转动力 矩M 为： M NSBI 线圈在转动的过程中要受到游丝产生的反作用力矩Mα的作用， 其大小与线圈转动的角度α成正比，即： M D 当转动力矩M 等于反作用 力矩Mα时，上式可得： 表测量电流的工作原理。
上面介绍的电表习惯上称为表头，它只能通过小电流，两 端的电压也很小。如果要测量更大的电流，必须在表头上并联 分流电阻，以扩大测量电流的量程。如果要测量更高的电压， 需要与表头串联附加电阻，以扩大测量电压的量程。
Rsh1
Rsh2
Rin 300 6.12 n 1 50 1
Rin 300 0.60 n 1 500 1 Rin 300 0.12 n 1 2500 1
n2
I 100mA 500 I m 200A I 0.5A 2500 I m 200A
整个可动部分支承在轴承上，线圈放在环形气隙之中， 由于永久磁铁放在可动线圈的外面，所以称为外磁式。
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4.2 磁电动圈式直流电表
4. 2. 1 磁电动圈式电表的工作原理
可动线圈通电之后，受到三个力矩的作用力。 ①一个是与永久磁铁的磁场相互作用形成的转动力矩，使可动线圈 产生偏转。 ②另一个是反作用力矩，通常由游丝产生，每一个游丝都是一端与 可动线圈相连。它的作用除了产生反作用力矩外，还可以作为电流 导入可动线圈的引线。
I Ish a Rsh b
图中表头内阻为Rin，分
流电阻为Rsh，它与表头 并联（即Rsh与Rin并联）。
Im
Rin
图 4-3 用分流电阻 Rsh 扩大电流表量程
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4.2 磁电动圈式直流电表
4. 2. 2 电流表扩大量程的方法
假设当被测电流为I 时，通过表头的满刻度电流为 Im，其余电流 通过电阻Rsh分流（即Ish），可以建立下面的的关系式：
1. 磁电动圈式电表的结构 图4-1所示，磁电式电表 由固定部分和可动部分组成。 其中固定部分由永久磁铁1、 极掌2和固定在支架上的圆柱 形铁心5构成。可动部分由绕
8 1 2 3 4 5
在铝框架上的可动线圈4、线
圈极端的两个半轴3、与转轴 相连的指针8、平衡锤6，以及 游丝7所组成。
7 6 1－永久磁铁，2－极掌，3－半轴，4－可动线圈， 5－圆柱形铁心，6－平衡锤，7－游丝，8－指针 图 4-1 外磁电式电表测量机构示意图
4.2 磁电动圈式直流电表
4. 2. 3 电压表扩大量程的方法
2．电压灵敏度 通常把电压表内阻RV 与相应量程电压U 之比定义为电压灵敏度。 “Ω/V”数越大，指针偏转同样角度所需的驱动电流越小。由 “Ω/V”数，可推算出不同量程的内阻。 例如，某电压表的“Ω/V”为“20kΩ/V”， 当用10V档时，电压表的内阻为RV =10×20kΩ =200kΩ；
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4.2 磁电动圈式直流电表
4. 2. 3 电压表扩大量程的方法
1．附加电阻的计算 设磁电动圈式表头的内阻为Rin，满刻度电流为Im，如果该表头 作为直流电压表使用，则其满刻度电压Um为：
U m Rin I m
通常磁电动圈式表头的满刻度电压很小，例如某表头的满刻度 电流为200μA，内阻为300Ω，它的满刻度电压仅为60 mV，显然不 能满足实际测量的需要。为了扩大表头测量电压的范围，通常与表
压表是与被测电路并联的，电压表的负载效应对测量结果的准确度
有影响，尤其是对输出阻抗Z0比较高的电路，因此，要求电压表的 内阻大，相关的电压测量仪器输入阻抗高。
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4.1 概述
4. 1. 1 电压测量的特点
（5）测量精度差异大 由于被测电压的频率、波形等因素的影响。电压测量的准确度 有较大差异。电压值的基准是直流标准电压，直流测量时分布参数 等的影响可以忽略不计，因而直流电压测量的精度较高，但交流电 压测量精度要低得多。 （6）外界干扰
数字式电压表目前尚无统一的分类标准。一般按测量功能分为
直流数字电压表和交流数字电压表。交流数字电压表按其AC/DC变 换原理分为峰值交流数字电压表、平均值交流数字电压表和有效值 交流数字电压表。
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第四章 电压的测量
4.2 磁电动圈式直流电表
4.2 磁电动圈式直流电表
4. 2. 1 磁电动圈式电表的工作原理
R1 触点接触不良，对于开路式分流器， R2 就会造成分流器断开，若此时通电， S R3 会造成表头损坏。在万用表中一般
3 Sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ＋
2
1
采用如图4-5所示的闭路式分流器
+ － 来改变电流的量程。这种分流器的 图4-4 开路式分流器 特点是整个闭合电路的电阻不变， －
图4-5 闭路式分流器
分流电阻减少时，表头支路的电阻 增大，通过表头的电流变小。
③第三个是阻尼力矩，可以与永久磁铁磁场作用形成一个电磁阻尼
力矩，它的方向总是与铝框架的运动方向相反，这样就能使指针很 快停留在相应的读数位置，防止指针左右摆动。
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4.2 磁电动圈式直流电表
M NSBI 4. 2. 1 磁电动圈式电表的工作原理
线框
在转动的过程中要受到游丝产生的反作用力矩
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NSBI D

BSN I D
电流表可动线圈的偏转角α与电流 I 成正比。这就是磁电式电
4.2 磁电动圈式直流电表
4. 2. 2 电流表扩大量程的方法
1．分流电阻的计算 从磁电式电表的工作原理可以看出，磁电式电表可以直接作为 电流表使用。但由于被测电流需要通过游丝和可动线圈，而它们又 都是截面极细的金属丝，所以直接测量电流时最大量程只能是微安 或毫安级。如果要测量大电流，就要加接分流电阻。 分流电阻扩大电流量 程的电路如图4-3所示，
电子测量技术
第四章 电压的测量
第四章 电子示波器
学习交直电压信号测量的各种方法，以及相关测量仪器的 结构和工作原理。
磁电指针电压和电流表，交流均值电压表和峰值电表，数 字电压表。
磁电指针电压表对测量结果的影响，电压分贝值的测量， 双积分A/D转换。
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第四章 电压的测量
4.1 概述
4.1 概述
例：有一磁电式表头，其满刻度电流为200 μA，可动线圈内阻为 300 Ω，若要把满刻度电流扩大到10 mA、100 mA、0.5A，应分别 并联多大的分流电阻？ 解： （1）10 mA的量程，
（2）100 mA的量程， （3）0.5A的量程，
n1 I 10mA 50 I m 200A
别计算出Ra1、Ra2、Ra3，
Ra1 Ra 2 U1 1V Rin 4k 16k Im 50μA U 2 U1 10V 1V 180k Im 50A
Ra3
U 3 U 2 100V 10V 1800k Im 50A
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头串接若干个附加电阻，Ra1、Ra2、Ra3、…。这样，就引入了U1、
U2、U3、……多个电压量程。
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4.2 磁电动圈式直流电表
4. 2. 3 电压表扩大量程的方法
由图可以计算，各个附加电阻的阻值分别为：
U1 U m U1 Rin I m U1 Rin Im Im Im U U1 Ra 2 2 Im Um=Im,Rin U U2 Ra 3 3 Im Ra1
4. 1. 1 电压测量的特点 电压是反映电信号特征的基本参数，它的测量是电子电 气测量的基本内容。 在电子电路中，电路的工作状态，如谐振、平衡、截止、 饱和以及工作点的动态范围，通常都以电压形式表现出来。 电子设备的控制信号、反馈信号及其他信息主要表现为电压 量。 在非电量的测量中，也多利用各类传感装置将非电量参 数转换成电压参数。
……
Ra1
Ra2
Ra3
U1
U2
U3
－ 图4-6 用附加电阻扩大电压表量程
＋
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4.2 磁电动圈式直流电表
例：假设图4-6中表头的满刻度电流为50 μA，内阻为4 kΩ，三个量 程的电压分别为1V、10V、100V，求对应于三个电压量程的附加 电阻。
解： 已知表头的内阻 Rin = 4 kΩ，满刻度电流 Im =50 μA，根据公式，可分
电压测量易受外界干扰的影响，当被测信号电压较小时，干扰
往往成为影响测量精度的主要因素。对于高灵敏度的电压表，如数 字电压表、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。
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4.1 概述
4. 1. 2 电压测量仪器的分类
1．模拟式电压表 模拟式电压表的结构相对简单，价格较为便宜，频率范围也宽， 另外在某些场合并不需要准确测量电压的真实大小，而只需要知道 电压大小的范围或变化趋势，此时用模拟式电压表反而更为灵活、 直观。 （1）按测量功能分，分为直流电压表、交流电压表和脉冲电压表；
来改变电流的量程，这种电路简单， 分流电阻的计算也比较方便。
－ 图4-4
S
+ 开路式分流器
－ 图4-5
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4.2 磁电动圈式直流电表
4. 2. 2 电流表扩大量程的方法
2．两种分流电路
Im，Rin ②对于万用表中的分流器，， Im，Rin － R3 ＋ R2 R1
因为转换开关经常转动，如果开关 － +
n3
Rsh3
上述结果表明，电流量程越大，分流电阻越小，通 过分流电阻的电流越大，但通过表头的电流是不变的。
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4.2 磁电动圈式直流电表
4. 2. 2 电流表扩大量程的方法
Im，Rin
2．两种分流电路 ① 对于固定式扩大电流量程，
－ R1 R2 R3
+ R3
－
可采用图4-4所示的开路式分流器
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4.1 概述
4. 1. 1 电压测量的特点 电路中其他电参数，包括电流和功率，以及信号的幅度、 波形的非线性失真系数、元件的Q值、网络的频率特性和通 频带、设备的灵敏度等，都可以视做电压的派生量，通过电 压测量获得其量值。 最重要的是，电压测量直接、方便，将电压表并接在被 测电路上，只要电压表的内阻足够大，就可以获得较满意的 测量结果。 作为比较，电流测量就不具备这些优点，首先必须把电
（2）按工作频段分类，低频电压表、高频电压表等；
（3）按电压量级分类，压表可分为电压表和毫伏表（毫伏量级）； （4）按准确等级分类，分为0.05、0.1、0.2等。
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4.1 概述
4. 1. 2 电压测量仪器的分类
2. 数字式电压表分类 数字式电压表的优点表现在：测量准确度高，测量速度快，输 入阻抗高，过载能力强，抗干扰能力和分辨率优于模拟式电压表。 此外，由于测量结果以数字形式输出、显示，因此除读数直观 外，还便于和计算机及其他设备连用，组成自动化测试仪器或自动 测试系统。
I m Rin I
Rsh Rin Rsh Rin
若n 表示被测电流与表头满度电流之比 I / Im，那么n 值就是电流 表并联分流电阻后量程扩大的倍数。
n
R Rin I R sh 1 in Im Rsh Rsh
Rsh
Rin n 1
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4.2 磁电动圈式直流电表
（2）测量范围大
待测电压的大小差别很大，若待测信号电压电平低，则要求电 压表分辨力高，而这种要求又受到外部干扰、内部噪声等的限制。 若待测信号电压电平高，则要考虑电压表输入级中加接分压网络， 但这样又会降低电压表的输入阻抗。
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4.1 概述
4. 1. 1 电压测量的特点
（3）信号波形复杂 待测电压的波形除了正弦波外，还包括失真的正弦波以及各种 非正弦波，如方波、三角波、尖脉冲等信号，不同波形电压的测量 方法及对测量准确的影响是不同的。 （4）被测电路的输出阻抗差别大 在实际中被测电路的输出阻抗Z0差别很大，在电压测量中，电
流表串接在被测电路中，很不方便.
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4.1 概述
4. 1. 1 电压测量的特点
2．电压测量的特点和要求 （1）频率范围宽 在电子电路和电气设备中，电压信号的频率范围非常宽，除直 流外，且频段不同，测量方法也各不相同。例如，对于低频电压信 号，是先放大，后检波，再测量；而对于高频电压信号，则是先检 波，后放大，再测量。