第五章-电压测量解读

Vp
u(t)
D
RL
Vp
a u(t)
b
快充慢放
前提条件
t
VP
c
AC-DC转换原理(续)
平均值检波:二极管桥式整流（全波和半波）电路。
D1 D1 I 0 D2 u(t ) D2 I 0 C
Rd检波二极管导通电阻 Rm电流表内阻
u(t ) D3 C D4
有效值检波： 方法1:利用二极管平方律伏安特性检波(小信号时二极管正向伏安 特性曲线近似为平方关系).精度低且动态范围小。实际采用分段逼 近平方律的二极管伏安特性曲线图. 方法2:利用模拟运算电路或专用集成电路（如AD536 AD736 ）。
R 加 热 丝 热 端 T 热偶M 冷 端 T0 连接导线 I uA
u(t)
有效值检波(续)
具有线性刻度的有效值电压表
连接导线 R 热 端 T 测量热偶
u(t)
Ex +
加 热 丝 热 端 T
冷 端 T0
Vi 差分放大器
Vo
电流表
平衡热偶
Ef
平衡热偶形成电压负反馈。 测量热偶:Ex= k V2 ；平衡热偶:Ef = k Vo2 差分放大器:Vi=k(V2- Vo2) ；Vi=0时，输出电压等于u(t)有效值
模拟式 交流电压表结构
检波器 带宽 灵敏度
检波-放大式 电压表
峰值检波器 高 较低
放大-检波式 电压表
均值检波器 较低 高
3.分贝测量及宽频电平表
(1)分贝：声学中音量单位，通信系统中电平或功率单位。
对数表示的相对量值 绝对功率(相对1mW) 绝对电平 (相对0.775V, 600Ω 电阻上吸 收1mW功率时的电压有效值)
均值响应：不管波形，只要均值相同，读数相同。 刻度特性：按纯正弦波的有效值定度。读数α 不是均值， 而是假设信号为正弦波时的有效值。 任意波形：读数α 既不是有效值，也不是均值。
根据读数换算 均值和有效值
读数直接当 成有效值产 生的误差
4.实例分析
[例1]用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压， 读数为1.0V，问如何从该读数得到方波电压的有效值？ [解]由读数α =1.0V，得被测信号峰值Vp =1.4V 方波的波峰因数Kp=1，故有效值V=Vp/Kp=1.4V 不换算读数的波形误差 [例2] 用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压， 读数为1.0V，问该方波电压的有效值为多少？
5.1 概述
5.1.2 电压测量的方法和分类
直流电压测量、交流电压测量 模拟测量、数字测量 1.交流电压的模拟测量方法 有效值、峰值和平均值电压表 交流电压检波直流电流驱动表头 2. 基于直流采样的电压数字化测量方法 ADC，DVM、DMM AC-DC变换 3.基于交流采样的电压数字化测量方法 交流电压A/D转换器瞬时采样值u(k) 计算 4.示波测量方法
3.分贝测量及宽频电平表(续)
宽频电平表:具有分贝读数的电压表。 在放大-检波式均值电压表基础上设计。
步进10dB，相当于衰减 10 3.162 倍
dB
“输入电平” 选择 宽带交流 放大器
标定输入阻抗600Ω ， 0dB电压有效值0.775V
dB 均值 检波器 uA
输入 衰减器
75Ω /150Ω“输入阻抗” / 600Ω /高阻 选择
P
t
理论有效值（波峰因数=1）
实际有效值（读数）
读数误差 负值（读数偏小）
5.3.3 模拟式交流电压表
检波器和放大器是交流电压测量的核心部件。 两类组成方案：先检波后放大，检波-放大式； 先放大后检波，放大-检波式。 模拟电压表的两个重要指标：带宽和灵敏度(分辨力)。
1.检波-放大式电压表
2.峰值电压表原理、刻度特性和误差分析
峰值响应：不管波形，只要峰值相同，读数相同。 刻度特性：按纯正弦波的有效值定度。读数α 不是峰值， 而是假设信号为正弦波时的有效值。 任意波形：读数α 既不是有效值，也不是峰值。 根据读数换算 峰值和有效值 “读数直接当成有效 值”产生的误差
3.平均值电压表原理、刻度特性和误差分析
表征交流电压的基本参量(续)
3.有效值 定义：交流电压u(t)在一个周期内，通过纯电阻R所产生 的热量，与一个直流电压V产生的热量相等时，则该直流 电压V的数值就表示交流电压u(t)的有效值。 意义：有效值在数学上即为均方根值。反映交流电压的功 率，是表征交流电压的重要参量。 理想正弦交流电压u(t)=Vpsin(ω t)，
5.6 数字电压表测量的不确定度及 自动校准、自动量程技术 5.7 电压测量的干扰及抑制技术
5.1 概述
5.1.1 电压测量的意义和特点
1.重要性：
电压测量是许多电测量与非电测量的基础，是电子测量 的重要内容。 2.特点： （1）频率范围广 （2）测量范围宽 （3）电压波形多样化 （4）阻抗匹配 （5）测量精度 （6）测量速度 （7）抗干扰性能
峰值 峰值 检 波器 检波器 步进 步进 分压 器 分压器 直流 直流 放 大器 放大器
uA
频率范围宽 常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表”
2.放大-检波式电压表
步进 峰值 检波器 分压器 宽带交流 步进 分压器 放大器 均值 直流 放 大器 检波器
uA
灵敏度高。 常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表” 。
2. 齐纳管电压标准 固态电压标准,齐纳二极管的稳压特性。 温度漂移影响，高稳电源和内部恒温控制减小温度系数。 集成齐纳管与恒温控制的精密电压基准。 WUK7000系列参考源:10V、年稳定性1×10-6 ；1V、 1.0186V，年稳定性2×10-6 ，温度系数0.05×10-6 。 3.约瑟夫森量子电压基准 约瑟夫森（Josephson）效应 超导体-绝缘体-超导体（SIS）结构——约瑟夫森隧道结 交流约瑟夫森效应：电压 交变超导电流 约瑟夫森电压基准 约瑟夫森逆效应： 微波（频率f)约瑟夫森结量子化电压Vn 约瑟夫森结阵（JJA）：mV 1-10V 约瑟夫森电压量子基准:10-10
5.2 电压标准
5.2.1 直流电压标准
化学反应稳定的电动势（1.01860V）。 标准电池 分类
饱和型 不饱和型
1. 标准电池
稳定性
较好 （约<0.5μ V/年） 较差
温度系数
较大 （约－40μ V/℃） 小 （约－4μ V/℃）
温度修正（特别是对饱和型） 内阻影响 抗振动冲击能力差、不易运输
有效值检波(续)
有效值电压表的特点 真有效值测量,理论上不存在波形误差。 对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成， 若其有效值分别为V1、V2、V3、……，则读数
目前计算式有效值电压表得到更多应用。 两种情况使读数偏小：


1.由于电路饱和使电压表可能出现“削波” ；
2.高于电压表有效带宽的波形分量将被抑制。
第二篇 基本电参量测量
第4章 时间与频率的测量
第5章 电压测量 第6章 阻抗测量
自动化工程学院 邱渡裕
Email: qiuduyu@uestc.edu.cn
第5章 电压测量
5.1 概述 5.2 电压标准
5.3 交流电压的测量
5.4 直流电压的数字化测量及A/D转换原理
5.5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表
u(t)
u (t )
2

T
A
Vrms
0
有效值检波(续)
方法3：利用热电偶有效值检波 热电效应：两种不同导体的两端连接组成一个闭合回路，当 两节点处温度不同时，回路中将产生电动势（热电动势），从 而形成电流。热电动势的大小与温差Δ T=T-T0成正比。 热电偶：测温 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。
“电平校准” 标准电平 震荡器
校准
调节增益
被测电压dB值=衰减 器读数＋表头读数
功率电平测量：阻抗两端电压电平的测量。 零刻度基准阻抗 ：按600Ω“零刻度基准阻抗”定度。 Zi≠600Ω时，根据读出换算
4.外差式选频电平表
输入 电路 混频器 带通 1 (固定) 滤波器 f 可调) 1 ( f Z1 混频器 窄带 2 (固定) 滤波器 f 固定) 2 ( f Z2 dB 中频 放大器 均值 检波器
5.4.1 DVM的组成原理及主要性能指标 1.DVM(Digital Voltage Meter)的组成
Vx 输入电路 A/D转换器
处理器 (MCU)
逻辑控制 电路
显示
时钟 发生器 数字部分
模拟部分
2.DVM的主要性能指标
量程 基本量程（无衰减或放大）由ADC动态范围确定。 按10倍扩展。 显示位数 完整显示位+非完整显示位： 如1999 3 ½ 位 。 分辨力 分辨最小电压变化量能力，反映灵敏度。
f x
窄带中频放大器增益高
(第一本振)
(第二本振)
外差式接收机＋宽频电平表 通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现 高灵敏度。很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。 灵敏度可达-120dB，相当于0.775μ V。“高频微伏表” 。 应用特点： 小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。 放大器谐波失真、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。
[解] 由读数α =1.0V，得被测信号均值=0.9α =0.9V
方波的波形因数ＫＦ =1，故有效值＝0.9V。 不换算读数的波形误差
实例分析（续）
[例3] 有效值电压表的有限带宽对测量非正弦电压时的波形误 差。设某有效值电压表带宽为10MHz，用该电压表测量 下图所示方波，计算由电压表带宽引起的波形误差。 u(t ) [解] 为求解电压表带宽引起的波形误差， 需要分析输入方波电压的谐波成分。 V 0 将方波电压用付里叶级数表示为 T =1uS
5.2.2 交流电压标准
由直流电压标准建立，需经过交流-直流变换。 测热电阻桥式高频电压标准 将高频电压通过一测热电阻（如热敏电阻），该电阻由于 吸收高频电压功率，其阻值将发生变化。再将一标准直流 电压施加于该电阻，若引起的阻值变化相等，则高频电压 的有效值就等于该直流电压。
双测热电阻电桥的原理
C RT
C
RT G R R
R
RF DC RF DC VRF 高频电压 V0 V1
5.3 交流电压的测量
5.3.1 表征交流电压的基本参量
峰值、平均值、有效值；波峰因数和波形因数。 1.峰值 以零电平为参考的最大电压幅值（Vp）。
振幅（Um）:直流分量为参考; 峰峰值（VPP） :最大-最小
2.均值 定义:直流分量 实际测量中，均值通常指经过全波或半波整流后的波形 （若无特指为全波整流百度文库： 理想正弦电压u(t)=Vpsin(ω t)，
5.模拟电压表的使用
峰值电压表 检波-放大式，峰值响应。 频率范围宽(达1GHz)但灵敏度低（mV级），“调制式” 到几十μ V 读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值或峰值。 测量波峰因数大的非正弦波时，由于削波可能产生误差。 均值电压表 放大-检波式，均值响应。 灵敏度比峰值表提高但频率范围小（<10MHz），低频和视频应用。 读数的换算：根据波形因数，将读数换算成有效值或均值。 有效值电压表 直接读出有效值，方便。但复杂，价格较贵。削波和带宽限制。 宽频电平表 电压电平(分贝)：步进衰减器读数＋表头读数。 功率电平(分贝)：输入阻抗不等于基准阻抗时，用 修正。 选频电平表 外差式接收原理。窄带中频放大，使测量灵敏度得到大幅提高
5.4 直流电压的数字化测量
市面上的主要DMM产品制造商
国外：福禄克（FLUKE）、安捷伦（Agilent）、
5.4 直流电压的数字化测量
市面上的主要DMM产品制造商
国内：胜利高、优利德、费思泰克、华仪 等
5.4 直流电压的数字化测量
台式万用表 功能更强大，指标更高。
5.4 直流电压的数字化测量及A/D转换原理
最小量程上有最高分辨力。
用每个字对应的电压（V/字）表示：如分辨力0.1mV/ 字。 用百分数表示(与量程无关)。 3位半的DVM，分辨力
4.波峰因数和波形因数
波峰因数: 波形因数： 理想正弦交流电压u(t)=Vpsin(ω t)
5.3.2 交流/直流转换器的响应特性及误差分析
1.AC-DC转换原理
交流电压有效值、峰值和平均值:AC-DC转换。检波电路。
峰值检波:二极管峰值检波电路。串联和并联形式。
D C
u(t)
C
RL