第5章电压的测量

第五章电压的测量

电压是最常用的表征电信号能量大小的基本参数。

电路中电流的状态可用电压形式来描述；电参数也可视为电压的派生量；许多电子测量仪器都用电压量作指示。因此，电压测量是其他许多电参数量，也包括非电参数量测量的基础，是相当重要和相当普及的一种参数测量。

电压主要具有以下几个特征：

①量值的范围宽

②波形的多样化

③频率各不相同

④不同端点的输出阻抗不同

⑤电压成分多样化

一个交流电压的大小，可用平均值、峰值和有效值等多种方式来表示。

①峰值的基本概念

交流电压的峰值，是指交流电压u (t) 在一个周期内（或一段观察时间内）电压所达到的最大值。用Ù（或Up）表示。

②平均值的基本概念

对于一个纯粹的交流电压，正半周和负半周完全相同中，Ū 等于零。此时，无法用平均值来表征电压的大小。交流电压的测量中，交流电压的平均值是指经过测量仪器的检波器后的全波平均值。

③有效值的基本概念

交流电压的有效值是指均方根值（rms)，用U或Urms表示。

它的物理意义为：在交流电压的一个周期，这个交流电压在某电阻负载中所产生的热能如果与一个直流电压在同样的电阻负载中产生的热能相等时，这个相当的直流电压值就是该交流电压的有效值。各类交流电压表的示值，除特殊情况外，都是用正弦有效值来度的。

①波形因数KF；电压的有效值与平均值之比称为波形因数KF。

②波峰因数KP；交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数KP。

①模拟式电压表

一般是指“指针式电压表”，它把被测电压加到磁电式电流表，转换成指针偏转角度α的大小来度量。包括模拟万用表和电子电压表。另一种模拟测量是把被测量电压变换成图形高度来测量的仪表，如示波器等。

②数字式电压表

指把被测电压的数值通过数字技术，变换成数字量，然后用数码管以十进制数字显示被测量电压值。

模拟式交流电压表使用时应注意：

（1）交流电压灵敏度低于直流电压灵敏度，所以测量交流电压的误差大于测量直流电压的误差。

（2）表盘上表针的偏转角度近似于交流电压的半波（或全波）整流电压平均值，但表盘上刻度是按正弦有效值刻度的。

（3）模拟万用表测量交流电压的频率范围在45Hz－100Hz。

（4）一般在交流电压低量程档刻度是非线性的，因此，交流电压10V档单独刻度。

电子电压表在万用表的基础上加上放大环节，把微弱的被测电压加以放大，然后再利用磁电式表头进行测量的仪表。电子电压表一般由分压器、磁电式指示表头、检波器、放大器和整机电源等五部分组成。按检波器在放大器之前或之后，电子电压表有两种组成形式，即放大-检波式和检波-放大式。

①放大-检波式

放大-检波式的通频带一般为2Hz~10MHz，测量的最小幅值为几百微伏或几毫伏，因此一般称为低频毫伏表。

②检波-放大式

这种方案的主要特点是被测信号先检波后放大，其带宽可很宽，上限频率可达1000 MHz，故有超高

频毫伏表之称。

（1）工作频率范围

指电子电压表按规定的准确度进行测量的的电压范围。

（2）灵敏度和量程

量程是指电子电压表可以测量的电压范围；灵敏度则是指量程的下限。

（3）准确度和工作误差

电子电压表的准确度通常由基本误差、频率附加误差、温度附加误差等系统误差来表征。

（4）输入阻抗

指输入电阻R i和输入电容C i的并联值。

3. 有效值-直流变换电路

有效值—直流变换电路有分段逼近式检波器、热电偶式变换电路和模拟计算式变换电路。

（1）分段逼近式检波器

采用二极管的链式电路，适当选择直流电源和分压电阻值，使二极管轮流导通，获得近似平方律的伏安特性。

（2）热电偶式变换电路

有效值—直流变换电路是根据热电变换原理来完成交流电压有效值到直流电流之间变换的。

（3）模拟计算变换式

电子电压表中的放大器特点是：输入阻抗高、频带宽、动态范围大、线性好。

（1）输入阻抗高，可达数兆欧姆，工作频率宽，高频可达数百MHz以上，低频小于10KHz。

（2）读数按正弦有效值刻度，只有测量正弦电压时，其有效值才是被测波形得真正有效值。测量非正弦电压时，其有效值必须通过波形换算获得。

（3）波形误差大。

（4）输入阻抗高，可达数兆欧姆，工作频率宽，高频可达数百MHz以上，低频小于10KHz。

（5）读数按正弦有效值刻度，只有测量正弦电压时，其有效值才是被测波形得真正有效值。测量非正弦电压时，其有效值必须通过波形换算获得。

（6）波形误差大。

（7）读数刻度不均匀，因为它是在小信号时进行检波。

（8）均值检波器的输入阻抗低，必须采用过阻抗变换来提高电压表的输入阻抗。工作频率一般为20Hz～1MHz。

（9）读数是按正弦波有效值刻度，只有测量正弦电压时，读数才正确，若测量非正弦电压，也要进行波形换算。

（10）波形误差相对不大。

（11）因为是对大信号进行检波，读数刻度均匀。

（12）读数是按正弦电压有效值刻度，测量正弦波或非正弦电压的有效值，可直接从表上读数，无需换算。

（13）输入阻抗高，工作频率在峰值与均值电压表之间。高频可达几十MHz ，低频小于50Hz 。

数字式电压表（DVM）利用模拟—数字（A/D）转换器，将模拟的被测电压量转换成数字量，然后利用十进制数字显示方式显示被测量数值。数字多用表（DMM）的框图5.13所示。测量范围包括显示的位数、量程的范围和是否具有超量程能力等。

（1）显示位数

位数是指能显示0~9共十个完整数码的显示器的位数。其中1/2位，指的是最高位只能取“1”或“0”，不能将0~9十个数码全部显示的位。

（2）量程的范围

DVM的量程范围包括基本量程和扩展量程。基本量程是测量误差最小的量程，它不经过衰减和放大器；扩展量程是采用输入衰减器和放大器来完成的，它的测量精度比基本量程的测量精度降低。

（3）超量程能力