第4章电压测量技术

图4-5 平均值检波器电路
以图4-5（a）为例，设输入电压为U（t）、D1～D4 相同其正向电阻为Rd，微安表内阻为rm。理论证明， 流过微安表的电流 为 I
I
U 2 Rd rm
由上式可知，均值电压表的表头偏转正比于被测电 压的平均值，即 I ∝ KU （K为比例系数）。整流 后的平均电流与输入波形无关，只与其平均值有关。
即产生负3.5%的误差。由例4.1可知，实际有效值为 10.35V，但电压表的示值为10V，少指示0.35V，其误差为 3.5%。 可见，对于不同的波形，所产生的误差大小及方向是不 同的。 用均值表测交流电压，除了波形误差之外，还有直流微 安表本身的误差，检波二极管的老化或变值等所造成的误差 等，但主要是波形误差。
压表的选择。 3．等效电阻高
电压测量仪器的输入电阻就是被测电路的额外
负载，为了减小仪器的接入对被测电路的影响，要
求其具有较高的输入电阻。
4．波形多种多样
电子电路中除了正弦波电压外，还有大量的非正弦电压。 这时，从普通指示仪表度盘上直接获得的示值往往含有较大
的波形误差。
另外，被测的电压中往往是交流与直流并存，甚至还串 入一些噪声干扰等不需要测量的成份。这需要在测量中加以 区分。
U rms
1 T

T
0
u 2 (t )dt
进行转换。经过模拟平方器、积分器、开方器等转换环 节。这种方法，频带受转换器的限制，准确度较低。常用于 较低频率有效值电压的测量。
2．数字式电压表
数字式电压表首先利用模/数（A/D）转
换原理，将被测的模拟量电压转换成相应的
数字量，用数字式直接显示被测电压的量值。
KF 再根据波形系数
求出被测电压的有效值。
U xrms K F U 0.9K FU
不同波形的信号电压具有不同的波形系数 K F ，见表4-1。 常用的波形系数有：正弦波K F =1.11，方波K F =1，三角波K F =1.15。
由上可知，用均值型电压表测电压时，对非正弦波要进 行波形换算。换算方法是：当测量任意波形电压时，将从电 压表刻度盘上读取的示值先除以定度系数折算成正弦波电压 的平均值；然后按平均值相等示值也相等的原则，用波形系 数换算出被测的非正弦电压有效值。 对于采用全波检波电路的电压表，被测电压的有效值与 示值的关系是
3．波形误差分析 以全波均值表为例，当以示值 U 作为被测电压有效值 U xrms 时所引起的绝对误差 U ：
U U 0.9K FU (1 0.9K F )U
示值相对误差 u ： U (1 0.9 K F ) u 1 0.9 K F
例如，当被测电压为方波时
图4-4 直流数字电压表的组成
⑴ 逐次比较型数字电压表 以逐次比较型A/D转换器为核心部件，将被测电压 与已知的不断递减的基准电压进行逐次比较，最终获得 被测电压值。 ⑵ 积分型数字电压表 以积分型A/D转换器为核心部件，利用积分原理把 被测电压量转换为与之成正比的时间或频率，再利用计 数器测量脉冲的个数来反映电压的数值。
在模拟式电子电压表中，大都采用整流的方法
将交流信号转换成直流信号，然后通过直流表头指
示读数，这种方法称为检波法；另外还有热电偶转
换法和公式转换法等。
根据电子电压表电路组成方式的不同，模拟式
电子电压表又有不同类型，下面介绍几种典型的类
型。
⑴ 放大-检波式 放大-检波式电子电压表，是先将被测信号进行放大， 再进行检波，然后通过直流表头指示读数，如图4-2所示。
U
U
u 1 0.9K F 1 0.9 1 0.1 10%
即产生正10%的误差。由例4.1可知，实际有效值是9V， 但电压表示值为10V，多指示1V，其误差为10%。
当被测电压为三角波时
u 1 0.9K F 1 0.9 1.15 0.1 3.5%
第4章 电压测量技术 4.1 概述
4.2 模拟式电子电压表
4.3 数字电子电压表
4.4 电子电压表的使用方法
4.1 概述
4.1.1 电子电路中电压的特点 4.1.2 交流电压的基本参数 4.1.3 电子电压表的分类
4.1 概述
电压测量是电子电路测量的一个重要内容。是 许多电参量测量的基础。 在科学实验中、生产及仪器设备的检修和调试
图4-6 DA-16型均值表原理图
4.2.2 峰值型电压表
它属于检波-放大式电子电压表。被测交流电压先进行检波，然后进 行放大。检波器-交直流转换器常采用峰值检波器，所以称为峰值型电压 表。峰值型电压表常用来测量高频信号电压。 1．峰值检波器原理 峰值电压表内常用的峰值检波器如图4-7所示。图4-7（a）为串联式， 图4-7（b）为并联式。
电子电路中电压的频率可以从直流到数百MHz
范围内变化。而单纯50Hz的电压是很少的。不同频
率的电压量就要用相应的电压表去测量。
2．电压范围广
被测电压的量值范围是选定电压测量仪器量程 范围的依据。通常，电子电路中的电压值的下限低
至nV数量级，而上限高至几十kV左右。这就要求所
使用的电压测量仪器依测量电压的量值进行不同电
UP KP U rms
波峰因数：交流电压峰值与有效值之比，通常，用
表示，即
4.1.3 电子电压表的分类
按测量结果的显示方式将它们分为模拟式电子电压表 和数字式电子电压表。
1．模拟式电子电压表 模拟式电子电压表，一般是用磁电式电流表头 作为指示器。由于磁电式电流表只能测量直流电流， 测量直流电压时，可直接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其大 小；测量交流电压时，须经过交流-直流变换器，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。
U xrms 0.9K FU
想一想：用均值型电压表测量正弦波电压时，读数有意义吗？ 其值是什么？
例4.1 用均值表（全波式）分别测量正弦波、方波及三角波 电压，电压表示值为10V，问被测电压的有效值分别是多少 伏？ 解：⑴ 对于正弦波示值就是有效值，故正弦波的有效值
U rms 10
⑵ ∵ ∴ ⑶ ∵ ∴ 对于方波 方波的波形因数 K F =1，示值 U 10 方波电压的有效值 U rms 0.9K FU 0.9 1 10 9 对于三角波 三角波的波形因数 K F =1.15，示值 U 10 三角波电压的有效值U rms 0.9KFU 0.9 1.15 10 10.35
中，采用普通的电工仪表是不能进行有效测量
的，必须借助于电子电压表来进行测量。 本章将讨论模拟式和数字式两种电子电压表， 它们是应用最广泛的电压测量仪器。
4.1.1 电子电路中电压的特点
谈到电压的测量，很多人会首先想到万用表。的 确，万用表的应用是很广泛的，但是在电子电路 中它往往是不能适应的。电子电路中的电压具有 如下特点： 1．频率范围宽
2．定度系数与波形换算
由于实际测量中正弦波使用最普遍，因 此，电子电压表刻度皆用正弦有效值来定度。 微安表的指针偏转角α与被测电压平均值 U 成正比， U K U
其中，式中 U 是被测任意波形电压的 平均值；K 是定度系数。由上式可知
K U U
如果被测电压是正弦波，又采用全波检波电路， 若已知正弦有效值电压为1V时，全波检波后的平均 2 2 值为 V，故
电子电路中电压量的测量，通常属于工程测量， 只要求有一定的精确度即可。但有些场合，要求 有较高的精确度。具体测量要识具体情况现而定。
4.1.2 交流电压的基本参数
描述交流电压的基本参数有：峰值、平均值和有效值。 1．峰值
任一个交变电压在所观察的时间内或一个周期性信号在 一个周期内偏离零电平的最大电压瞬时值称为峰值，通常， 用Up表示。如果电压波形是双极性的，且不对称，则正峰 值和负峰值是不同的，如图4-1（a）所示。
ux
衰减
交流 放大
检波
µ A
图4-2 检波-放大式电子电压表的原理框图
其中放大电路一般采用多级宽带交流放大器，灵敏度很 高，可测几十～几百微伏左右的电压，频率上限可达10MHz； 交直流转换器常采用平均值检波器。这种类型的电子电压表
常称为“毫伏表”。
⑵ 检波-放大式
检波放大式电子电压表对被测交流电压采取了先检波 后放大的方法，故频率范围、输入阻抗等都主要取决于检

U 1 K 1.11 U 2 2 /
利用均值表测量非正弦波电压时，其示值 U 是没有直接意义的，只有把示值转换后，才能得到 被测电压的有效值。这是在使用此类电压表要特别 注意的一点。
首先按“平均值相等示值也相等”的原则将示值U 折 算成被测电压的平均值。
U U 1 U 0.9U K 1.11
最基本、最常见的数字电压表是直流数
字电压表（DVM），在其输入端配以不同的转
换器或传感器就可测量交流电压、电流、电
阻等电量。
典型的数字式电压表的组成框图如图4-4所示。仪 器主要由模拟电路ห้องสมุดไป่ตู้数字逻辑电路及显示器组成。其中
模拟电路中的模/数（A/D）转换器是数字式电压表的核
心，应用不同的A/D转换原理就能构成不同类型的数字 电压表。
4.DA-16型毫伏表简介 现以DA-16型晶体管毫伏表为例对均值型电子电压表作简要介绍。 其原理图如图4-6所示。前置级组成阻抗变换器，获得高输入阻抗。步进分 压器用于选择量程。放大电路A与T5、T6组成的串联电压负反馈电路构成宽频带 放大器。二极管D1、D2及R1、R2组成全波检波电路。微安表及附属元件构成指示 电路。
波器。如果应用超高频检波二极管检波，则频率范围可达
20Hz-1GHz。因此，这类电压表也称为“超高频电子电压 表”。原理框图如4-3所示。
检波-放大式电子电压表的交直流转换器采用了峰值检
波器。
ux
检波 衰减
直流放大
µA
图4-3检波-放大式电子电压表原理框图
⑶ 热电转换式和公式法 热电转换式通过热电偶将交流电有效值转换成直流电压 值，这种方法的优点是没有波形误差，但是有热惯性,频带不 宽。 公式法是利用有效值公式
4.2 模拟式电子电压表
4.2.1 均值型电子电压表
4.2.2 峰值型电压表 4.2.3 有效值电子电压表 4.2.4 应用实例
4.2.1 均值型电子电压表
模拟式电子电压表根据交直流转换方式（检波方式）的不 同分为均值型、峰值型和有效值型三种。下面分别讨论这三 种类型电压表的基本组成、工作及其使用中的误差处理方法。
U rms 1 T

T
0
u 2 (t )dt
当不特别指明时，交流电压的值就是指它的有效 值，而且各类电压表的示值都是按有效值刻度的。
4. 波形因数和波峰因数
为了表征同一信号的峰值、有效值及平均值的 关系，引入了波形因数和波峰因数。 波形因数：交流电压的有效值与平均值之比，通常， 用表示，即
U rms KF U
任一个交变电压在所观察的时间内或一个周期性信 号在一个周期内偏离直流分量的最大值称为幅值或振 幅，用Um表示，正、负幅值不等时分别用和表示，如 图4-1（b）所示，图中=0，且正、负幅值相等。
图4-1 交流电压的峰值
2．平均值
任何一个周期性信号u(t)，在一周期内电压的平均大小 称为平均值，通常，用U 表示。平均值的数学表达式为：
均值型电子电压表属于放大-检波式电子电压表。被测交 流电压先进行放大，然后进行检波。检波器-交直流转换器常 采用平均值检波器，所以称为均值型电压表。均值型电压表 常用测低频信号电压。 平均值检波器分为半波式和全波式两种，不特别注明时， 都指全波式平均检波器。
1．均值检波器原理 均值电压表内常用均值检波电路如图4-5所示。图4-5（a）为桥式 全波整流器电路，4-5（b）为半桥式的全波整流电路。图4-5（b）中以 电阻代替了图4-5（a）中的两只二极管，这在实际电路中是常见的。
1 T U u(t )dt T 0
_
在交流电压测量中，平均值指检波之后的平均值，故又 可分为半波平均值及全波平均值。
3．有效值
任何一个交流电压，通过某纯电阻所产生的热量 与一个直流电压在同样情况下产生的热量相同时，该 直流电压的数值即为交流电压的有效值，通常，用 Urms表示。有效值的数学表达式为