第七章 电压测量(下)

第七章
电 压 测 量
7.5 高频交流电压测量 测量电压的频率范围主要取决于检波器的频率响应。 由于放大器频率特性的限制，测量高频信号的电压表不 采用放大－检波式，而采用检波－放大式。 压 好处是放大后的直流信号，其频率特性不会影响整个电
表的频率响应。
现在的高频电压表都把用特殊性能的高频检波二极管
（如2AP31B等）构成的检波器放置在屏蔽良好的探头（探 极）内，用探头的探针直接接触被测点，这样可以大大减小 高频信号在传输过程中的损失并减小各种分布参数的影响．
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第七章
电 压 测 量
一、示波器测量脉冲电压
用示波器测量信号电压通常使用较多的是直接测量法 和比较测量法。
1. 直接测量法 直接测量法也称灵敏度换算法。它是将被测电压信号接在 示波器Y（垂直）通道，根据示波管荧光屏上电压波形的高度 及Y 轴偏转因数，直接计算出脉冲峰值 U p d H （7.6－1） 其中H是荧光屏上脉冲波形高度，d是Y轴总偏转因数 （V/cm或V/div）。要注意的是：探头有无衰减，是否使 用“倍率”，当然信号接入时还应将Y轴微调置“校正 位”。直接测量法是最常用的方法。由于光迹较宽、视差 及衰减器、放大器误差等限制，测量误差约为±5％。
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2. 补偿式脉冲电压表
Up U0
D R A B 差 分 放大器
V
ux
Rf D1
放大器
D2
直流电压表
ux
C 可 调 电压源 (a)
2 3
（7.5-3）
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电 压 测 量
二. 误差分析 2. 频率误差 低频情况下，由于Tmax加大，放电时间较长， U c 下降较多， 因而造成低频误差，理论分析得知低频误差为

1 2 fRC
（7.5-4）
虽然峰值检波式电压表比较适用于高频测量，但由于高频时 分布参数的影响加大会带来高频误差。
+ E0
C0 ux ux
Up
T1
D1
T2
P
T3
R1 C1
+ (a)
uc1 U0 uc 2
(b)
D2 R2
C2
+ -
R3
20
图7.6-1 脉冲保持电路及波形
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1. 脉冲保持型电压表
C0 ux
+ E0
T3
ux
Up
T1
D1
T2
P
R1 C1
+ (a)
uc1 U0 uc 2
(b)
D2 R2
fx 模拟电压表中的“频率特性误差”（也叫频率影响误差） 反映了电压表的频率误差，它定义为电压表在工作范围内各频 率点的电压测量值相对于基准频率的电压测量值的误差：
fx
U fx U f Uf
0 0
100%
Uf0:基准频率上被测电压示值。Ufx:其他频率上被测电压示值
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将两个串联式检波电路结合在一起，构成双峰值检波电 路。
C1或R1上的平均电压近似于Ux的正峰值Up＋，C2 或R2上的
平均电压近似于Ux的负峰值Up－，检波器输出电压 即输出电压近似等于被测电压的峰－峰值。
U 0 Up Up
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一. 峰值检波器
3、并联式检波器
u ux D
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二、用脉冲电压表测量脉冲电压 1. 脉冲保持型电压表 峰值电压表测量脉冲电压的误差：主要原因是在脉 冲期间，由于充电时常数不够小而使电容上电压充不到 脉冲峰值，而在脉冲休止期间又由于放电时常数不够大 而使原充电电压降落过多，从而电容上电压的平均值 U c 小于脉冲峰值Up。 如果能尽量减小充电时常数而增大放电时常数，使 在脉冲存在期间能充电至脉冲幅值，脉冲休止期间电压
当被测电压为非正弦波时，应进行波形换算才能得到
被测电压的有效值。波形换算的原理是：示值Ua相等则峰 值Up也相等，由式（7.5-6）和（7.5-7）得峰值
U p 2U a
2 Ua Kp
（7.5-8）
再由表 7.3-1 给出得波峰因数 kp＝Up / U 得到有效值
U
（7.5-9）
上式仅适用于峰值电压表测试时。
U xp p
H1 U sp p H2
（7.6-2）
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一、示波器测量脉冲电压 2. 比较测量法 以SR-8双踪示波器为例，机器内的标准信号发生器可 产生 1kHz的峰峰值为1V的矩形波。 首先将被测电压信号经探极（设衰减为1）接至 Ya 通 道，记下高度H1，然后用同轴电缆将标准信号(校准信号) 与 Ya 输入端相连，记下矩形波标准信号的高度 H2。即可 测得被测信号的峰峰值。 还可以首先用校准信号将Ya、Yb两通道偏转灵敏度调 至相等，然后将检测电压和校准信号分别经Ya、Yb通道输 入，比较其各自的高度，计算出被C 测电压值。由于比较 测量法的测量准确度主要决定于标准信号的电压准确度， 而与Y通道增益无关，因而测量误差比直接测量法小。
（7.5-2）
若把二极管 D 反接，则可测得 ux 的负峰值。
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一. 峰值检波器
2. 双峰值检波器
D1 C1
+
ux
D2
C2
+U p +U p -
R1 R2
+
Uo
C
D1 D2
C1 C2
R1
C3
R3
C4 R2
R4
调制式 直 流 放大器
探头
图7.5-2 双峰值检波电路
图7.5-3 HFJ-8超高频毫伏表检波电路
R C p
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一. 峰值检波器 4．倍压式峰值检波器 u D
uc1 C1
2
+ -
+ -
uR D1 C2
ux
+ uc 2
R
0
ux
UF
t
(a)
(b)
图7.5-5 倍压峰值检波电路及波形
为了提高检波器输出电压，还采用倍压式峰值检波器。 在ux负半周，电压源经过D1向C1充电，uC1迅速达到ux的 峰值。ux正半周，uC1和ux串联后经过D2向C2充电，C2上电压 uC2 迅速达到（uC1+ux）的峰值，由于RC2>>Tmax，放电非常 缓慢，R 上电压下降不大，近似等于 ux 峰值的两倍， 即 U R 2U p ，如图（b）所示。
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二. 误差分析
1. 理论误差
由前面的分析可知，峰值检波器输出电压的平均 值略小于被测电压的峰值，即式 Uc U R kdUp 中的 检波器系数 kd 略小于1，实际数值与充电、放电时常数
有关。对于正弦波，由数学分析可得到理论误差为
U U R U p
R 2.2 d R
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一、示波器测量脉冲电压
1. 直接测量法 [ 例1 ] 用SR-8 示波器测量脉冲电压。Y轴微调已置“校正 位”，开关“V/div”置0.2处，探头衰减10倍，脉冲在荧光屏上 高度H＝1.4div（格），求被测电压峰值（实际上是峰峰值）。
解：由于探极已将信号衰减10倍（为方便，写作k1=10）所以 脉冲电压的峰-峰值: Up-p=k × H=k1 × d × H=0.2101.4=2.8(V) 【例2］用SBM-14示波器测量脉冲电压峰峰值。波形高度H＝ 3diV，开关“V／div”置0.2处，探极衰减k1＝10，“倍频”置 × 5位（k2＝5，信号放大5倍后接于Y偏转系位），求被测电 压峰峰值。
(a)
(b)
在被测电压Ux 的正半周，二极管 D 导通，由于充电时 常数 RdC 非常小，电容 C 上电压迅速达到 Ux 峰值 Up 。 在Ux负半周，二极管D 截止，由于放电时常RC 很大， 电容上电压跌落很小，从而使得其平均值 U C 或 U R 始终 接近Ux的峰值，即 Uc U R Up
ux
检波器
可变量程 分压器
直 流 放大器
A
1
图7.3-3 检波－放大式电压表框图
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7.5 高频交流电压测量 这种电压表的频率上限可达 1000MHz。例如DA36 型和AS2271型超高频毫伏表，其测量电压的频率范围都
是10kHz～1GHz。在这类检波－放大式高频毫伏表中，
检波器多采用峰值式检波器。
C2
+ -
R3
图7.6-1 脉冲保持电路及波形
将Uc1经T2源极跟随器对C2充电，由于源极跟随器 负载能力强，因此C2上电压在充电期结束时，能接近Ux
峰值Up。同时C2取值较大，在脉冲休止期间放电非常缓
慢，从而就大大减小了其平均值Uc2与此Up间的误差。 图（a）中按钮P用于短接D2，以便在测量完毕时使C2 迅速放电，以利下一次测量。
ux
检波器
可变量程 分压器
图7.3-3 检波－放大式电压表框图
直 流 放大器
A
2
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一. 峰值检波器 1. 串联式单峰值检波器
D

I
u
U
U
ux

充电
C
放 电
p
R
t
ux
(a)
(b )
图7.5－1 串联峰值检波电路及波形
上图是串联式峰值检波器原理电路及检波波形，元件参数 满足 充电 放电
放 电
+ -
+ Cux
充 电
t R
0
UR uR
(a)
(b)
图7.5-4 并联峰值检波电路及波形
元件参数仍然满足式（7.5-1）条件。在ux正半周，ux通 过二极管D迅速给电容C充电，ux负半周，电容C上电压 经过电压源和电阻R 缓慢放电，电容C上电压接近ux 峰值， 以因此电阻R的电压如图（b）中uR所示，滤除高频分量， 其平均值 等于电容上平均电压，近似等于 ux峰值， UR U U U 即
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电 压 测 量
7.6
脉冲电压测量
两种方法：示波器，脉冲电压表 示波器方便、直观。可观察和测量脉冲信号的波形和 各有关参数，如脉冲峰值（幅值）、脉冲上冲、顶部跌落、 脉冲宽度、占空系数等，又由于示波器已成为非常通用的 电子测量仪器，所以大多数情况下人们都是使用示波器测 量脉冲信号。 只有个别情况下（例如高压脉冲测量、脉冲间隔实际 很长的脉冲信号测量），才使用脉冲电压表。 一般的脉冲波形不使用高频峰值检波器测量脉冲电压， 因 为其测量误差过大。
二. 误差分析
3. 波形误差
注意：峰值电压表按正弦波有效值定度
对于正弦波，电压表示值即为其有效值，对于其他非正
弦波，可利用表7.3-l 给出的波峰系数进行换算才能得到有
效值，对于那些不能通过波峰系数进行波形换算的被测信
号，只好将电压表示值作为其近似的有效值，这样就带来 了波形误差。此外，根据式 UC U R kdU p ，峰值检波 器的输出与检波系数 kd 有关，不同波形的信号和正弦波相 比，kd 是有差异的，这也带来了波形误差。
解：Up-p＝KH＝（k1／k2）d×H＝（10/5）0.2 × 3＝1.2（V）
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一、示波器测量脉冲电压 2. 比较测量法 比较测量法就是用已知电压值（一般为峰峰值）的信
号（一般为方波）与被测信号电压波形比较而求得被测
电压值。 设在保持输入衰减和Y轴增益不变得情况下，被测信号 和标准信号在荧光屏上的高度分别为H1，H2，标准信号 的峰峰值为Usp-p，则被测电压峰峰值为
保持基本不变，那么就可以有效地减小测量误差，下图
就是基于这种原理而构造的脉冲保持电路。
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第七章
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1. 脉冲保持型电压表 T1为射极跟随器，作用之一是减小仪表对被测电路的影 响，作用之二是射极跟随器等效输出电阻很小，即减小了 充电电阻。被测信号Ux经D1对C1充电，C1取值较小，T2、 T3管都接成源极输出电路，输入电阻很大，因此在充电期 间，C1上电压可基本达到Ux峰值，但在脉冲休止期间Uc1降 落仍然很大。
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第七章
电 压 测 量
一. 峰值检波器 1. 串联式单峰值检波器
D

I
u
U
U
ux

充电
C
放 电
p
R
t
ux
(a)
(b)
图7.5-1 串联峰值检波电路及波形
如上图（b）所示，实际上检波器输出电压平均值 U C 略小 于Up，用 kd 表示峰值检波系数，有
Uc U R kdUp
显然，kd 略小于1，由电路本身确定
Rd C Tmin
RC Tmax
（7.5-1）
式中Tmax、Tmin分别表示被测信号的最大周期和最小周期，
Rd包括二极管正向导通电阻及被测电压的等效信号源内阻。
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第七章
源自文库电 压 测 量
一. 峰值检波器 1. 串联式单峰值检波器
u
D

I
ux

充电
C
U
放 电
p
U
R
t
ux
图7.5-1 串联峰值检波电路及波形
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第七章
电 压 测 量
1.定度
三. 波形换算
电压表示值 Ua 与峰值检波器输出 Up 间满足
Ua kaU p
（7.5-6）
ka 称为定度系数。 由于电压表以正弦波有效值定度，所以
U a U rms 1 ka U p Um 2
（7.5-7）
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第七章
电 压 测 量
2. 波形换算
三. 波形换算