交流电压的测量方法

+
D R UR
–
0
t
电路中的电容C有隔直流和滤波作用。
31
+
+D
作用在二极管D两端上的电压为ui(t)
ui
ui id
与uo(t)之差，即uD= ui- uo。所以二极管的 -
-
导通与否取决于uD
+
R
C
uo
-
当uD= ui- uo>0，二极管导通； 当uD= ui- uo<0 ，二极管截止。
rd
+
+
零。
平均值又分为半波平均值和全波平均值，分别记
为U
1 2
和
U
。
21
半波平均值是指交流电压的正半周或负半周 在一个周期内的平均值。
U1 2
1 T
T
u(t)dt
0
(U(t)≥0)
1T
U1 2
T
0
u(t)dt
(U(t)＜0)
通常用全波检波后的波形的平均值来表征正 弦信号的幅度特性，故有：
1T
数学上交流电压的有效值定义为它的方均根值 ：
U
1 T
Tu2(t)d
0
tUrms
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4．波形因数Kf
交流电压的有效值与平均值之比称为该交 流电压的波形因数，用Kf表示。
Kf
U U
正弦信号的波形因数 K 三角波的波形因数 Kf
f
＝1.11
2
1.15
3
方波信号的波形因数 K f ＝1
25
5．波峰因数 Kp
3.1.2 直流电压测量
1、简单直流电压表 图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻 为Re，满偏电流(或满度电流)为Im，若作为直流电
压表，满度电压 UmReIm
9
为了扩大量程通常串接若干倍压电阻，
如 阻图的中最小R1电、 压R2量、 程R2。U0这外样，除又了增不加串了U 接1、 倍压U电2、 U3
DVM的输入阻抗：就是从两个输入端子看进去的等效电阻。 取决于输入电路，并与量程有关。 高输入阻抗能够减小电路连接时信号的变化，因而也是最理想的。
组成框图
步 进 宽 带 交 流 均 值 分 压 器 放 大 器 检 波 器
u A
先放大再检波，因此灵敏度很高。 均值电压表常用这种方式。
放大器 宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限 为10MHz。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表 ”。 灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制。
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UT0 u(t)dt
22
全波整流波形，表 征正弦信号的幅度 特性
半波整流波形，半 波检波后的平均值 是全波平均值的一 半，即为正弦信号 电压平均值的一半。
23
3．有效值
交流电压的有效值理论上定义为：交流电压加 在某个电阻上产生的功率与一个直流电压在同 一个电阻上产生的功率相同时，则定义这个直 流电压值为该交流电压的有效值。
峰值U p是参考零电平计算的。 有正峰值和负峰值之分，分别用Up+和Up-表
示。 含直流分量的交流电压，其正峰值Up+和负
峰值Up-的绝对值大小是不相等的；
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振幅Um是参考直流分量值开始计算。 下图的直流分量U0大于零，注意 Up+、 Up-
和Um的区别。其中，Upp是峰峰值
正峰值Up+≠负峰 值Up-的绝对值≠ 交流电压的振幅值
6
3.1.2 电压测量的方法和分类
3）数字化直流电压测量方法 模拟直流电压--〉A/D转换器--〉数字量--〉数 字显示（直观） ——数字电压表（Digital Volt Meter）
4）交流电压的数字化测量 交流电压（有效值、峰值和平均值）--〉 AC/DC转换器--〉直流电压--〉A/D转换器--〉 数字量--〉数字显示 ——数字多用表（DMM）
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3.1.3 交流电压的测量
一、交流电压的基本参数 电路中某点的电压是指该点信号的电压，它
可能是直流，一般是含有直流成分的复杂信 号。 波形是指电压随时间变化的U-t图形，反映电 压瞬时值的变化情况。 一个交流电压的幅度特性可用峰值、平均值、 有效值等基本参数来表征。
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1．峰值
一个周期性交流电压u(t)在一个周期内所出现 的最大瞬时值称为该交流电压的峰值U p。
7
3.1.2 电压测量的方法和分类
5）基于采样的交流电压测量方法 交流电压--〉A/D转换器--〉瞬时采样值u(k) --〉 计算，如有效值
V
1
N
u2(k)
N k1
式中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。
6）示波测量方法
交流电压--〉模拟或数字示波器--〉显示波形--〉 读出结果
The E8nd
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特点： 受检波器件非线性的影响，测量微弱电压
时，外界干扰就特别明显。因此，这种电 压表的灵敏度将受到限制，一般不做成毫 伏计，其测量范围在零点一伏到数千伏之 间。 由于采用了直流放大器，将引起零点漂移， 影响电表的读数。所以，对电源电压的稳 定度要求比较高，要采用稳压措施。
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2）放大-检波式
5．抗干扰能力強 测量工作一般都在有干扰的环境下进行，所以要求
测量仪表具有较強的抗干扰能力。 对于数字电压表来说，这个要求更为突出。 测量时，采取必要的措施，如接地、屏蔽等，可减
小干扰的影响。 6.被测波形的多样性 除正弦波外，电路中还有失真的正弦波和大量的非
正弦波。 测量时，应考虑不同波形的需要。 测非正弦波形时其读数无直接意义，被测电压大小
Ui(t)<Uc(t),D截止，C放电，UR(t)= Ui(t)–Uc(t), RC>>Tmax;
(RD为二极管内阻，RDC为充电常数；RC为放电常数)
所以： UR(t)= Ui(t)–UcU(tc)
UR = Ui –Uc ≈ Ui –UP+ =U0 –UP+ =–Um+
Uc
+–
UC
Ux
C
~Ui(t)
2.交流电压的测量方法
1）峰值电压表
这类电压表由于放大器频率特性的限制，采 用“检波－放大”式，其检波器常用峰值检 波器。
1、峰值检波器原理 峰值响应，即：u(t) 峰值检波 放大 驱动表头 由二极管峰值检波电路完成，有二极管串联和并联 两种形式。
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判断二极管的导通及截止情况；
Ui(t)>Uc(t),D导通，向C充电，UR(t)=0, RDC<<Tmin;
三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的 阻值分别为:
R1 (U1 / Im)Re R2 (U2 U1)/ Im R3 (U3 U2)/ Im
缺点： 内阻较低 灵敏度较低，不能测量较低的电压值。
10
2、直流电子电压表
电子电压表原理框图
11
电子电压表中，通常使用跟随器以提高电压 表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度， 当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。 分压电路的接入将使输入电阻降低，但只要分压 电阻取值较大，仍然可以使输入电阻比动圈式电 压表大得多。
◆电路或元件、器件的工作状态，通常皆以电压的形式反映出 来。
◆电压的测量对电流、场强、衰减等参数的测量也很重要。 ◆非电测量中，物理量 电压信号，再进行测量
如：温度、压力、振动、（加）速度
2
二、电压测量的特点
电子电路中的电压具有频率范围宽、幅度差别大、波形多样 化等特点，所以对测量电压所采用的电子电压表也提出了 相应的要求，主要有：
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3、数字式电压表(DVM)
Vx
输入电路
A/D转换器
数字 显示器
模拟部分
逻辑控制 电路
时钟 发生器
数字部分
直流数字电压表的组成框图。
14
各部分作用：
包括模拟和数字两部分。
输入电路：对输入电压衰减/放大、变 换等。
核心部件是A/D转换器（Analog to Digital Converter，简称ADC），实现 模拟电压到数字量的转换。
数字显Baidu Nhomakorabea器：显示模拟电压的数字量结 果。
逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完 成内部电路的协调有序工作。
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DVM的特点： 数字式仪表显得格外精巧、轻便。它具有
下列模拟式仪表所不能比拟的优点。
(1)准确度高 (2)数字显示,测量结果以十进制数字显示， (3)输入阻抗高。一般的数字电压表(DVM)为 10MΩ左右，高的可超过1 000MΩ (4)测量速度快，自动化程度高 (5)功能多样。现在的数字式仪表一般都具有多种 功能，这种仪表称为数字多用表
电压测量仪器设计
3.1 概述
3.1.1 电压测量的意义、特点
一、电压测量的重要性
◆电压测量是电测量与非电测量的基础；
◆表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率。其中： 电流、功率 电压，再进行测量。
◆电压是主要的技术指标：很多电子设备都与电压有关，如信 号发生器、发射机和接收机等；
◆其他技术指标，如灵敏度、选择性和增益，也都与电压有
放RC 》 Tmax
32
要求； 充电时间常数很小，就能快速充电，即使是
很窄的脉冲也能很快充电到稳定值。 放电时间常数很大，就能缓慢放电，检波的
输出电压可在很长一段时间内保持在峰值 上。
33
Uc
UC
0
t
34
DVM的输入阻抗
输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U，测量输入 端的电流I，则输入阻抗R就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电 阻的阻值，就是输入阻抗。
Um！
19
下图的直流分量等于零。
与前面的直流分量大于零的情况作对比，注 意 Up+、 Up-和Um的区别。
正峰值Up+＝负 峰值Up-的绝对值 ＝交流电压的振 幅值Um！
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2.平均值 又称为均值。交流电压的平均值在数学上定义为
U1
T
u(t)dt
T0
显然，不含直流分量的正弦信号的电压平均值为
3．输入阻抗高 电压测量仪器以并联方式连入电路，其输入阻抗是被测电路的附加并联
负载。 为了减小电压表对测量结果的影响，对于直流和低频电压，就要求电压
表的输入阻抗很高，即输入电阻大； 对于高频电压，要求输入电容小，使附加的并联负载对被测电路影响很
小。Jwl*I=U 电压提前于电流 1/jwc j-相位 目前，直流数字电压表在小量程上的输入阻抗高达10GMΩ，高量程时
波峰因数Kp定义为峰值与有效值之比：
Kp
UP U
正弦信号的波峰因数
Kp
2
三角波的波峰因数 Kp 3 方波信号的波峰因数 Kp 1
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2.交流电压的测量方法 1）模拟电压表之检波-放大式
检波-放大式电压表的电路结构如图所示。 将被测电压Ux先变成直流电压，再经直流放大器
放大，然后驱动直流微安表指针偏转。 典型应用：峰值电压表
可达10MΩ。 4．测量精度高 一般的工程测量，如市电的测量、电路电源电压的测量等都不要求高的
精度，准确度在1%~3%即可。 一般对直流电压的测量可获得最高准确度，达10-4~10-7量级(数字表)
；对交流电压的测量可获得10-2~10-4量级的准确度。 模拟式电压表一般只能达到10-2量级。
4
二、电压测量的特点
要根据电压表的类型和波形来确定，需要进行换 算
5
3.1.2 电压测量的方法和分类
➢ 电压测量方法的分类 按对象：直流电压测量；交流电压测量 按技术：模拟测量；数字测量 1）直流电压的模拟测量方法 直流电流（放大或衰减）--〉驱动表头--〉指示 2）交流电压的模拟测量方法
表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和平均 值。以有效值测量为主。 方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）--〉直流 电流--〉驱动表头--〉指示 如：有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。
1．频率范围宽 除直流电压外，交流电压的频率可以从0Hz到千兆赫兹范 围内变化，甚至达到G兆赫兹。
2．量程宽(测量范围) 通常，被测信号电压小到微伏级，大到千伏以上。 这就要求测量电压仪表的量程相当宽。 电压表所能测量的下限值定义为电压表的灵敏度，目前只 有数字电压表才能达到微伏级的灵敏度。
3
二、电压测量的特点
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电压跟随器
电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。 电压电路的输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使
得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使 得后一级的放大电路更好的工作。 电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可 以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当 于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级 电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级 电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输 出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离 作用，使前、后级电路之间互不影响。
C
ui -
i充
i放
uo
-
充电时间常数：从恒定正弦波电压加到检波器的输入端瞬间起，到检波器的 输出电压达到其终值的63%为止，其间所用的时间就是充电时间常数
充 rs rdC 《 T min
放电时间常数：从移去加在检波级输入端的恒定正弦波电压的瞬间起，到检波 器的输出电压降至其初始值的37%为止，其间所用的时间就是放电时间常数