电子测量技术基础 第07章

7.2
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7.2.1
图7.2-1是动圈式电压表示意图。 图中， 虚线框内为
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， 则满度电压为
Um=Re ·Im
(7.2-1)
例如满偏电流为50 μA， 电流表内阻为20 kΩ， 则满
偏电压为1 V。 为了扩大量程， 通常串接若干个倍压电阻，
如图7.2-1中的R1、 R2、 R3。
这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程U0外， 又增 加了U1、 U2、 U3三个电压量程， 不难计算出三个倍压电 阻的阻值分别为
R1
U1 Im
Re
R
2
U
2 U Im
1
R
3
U
3U Im
2
(7.2-2)
图7.2-1 直流电压表电路
通常把内阻RV与量程U之比定义为模拟磁电式电压表的 “每伏欧姆(Ω/V)数”， 也称电压灵敏度。 “Ω/V”数越大， 表明 为使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小。 “Ω/V”数一般 标明在磁电式(如万用表电压挡)电压表表盘上， 可依据它推算 出不同量程时电压表的内阻。 若上面列举的数据中Im=50 μA， 则“Ω/V”为“20 kΩ/V”， 用10 V电压挡时， 电压表的内阻即 为200 kΩ。 由上面叙述不难看出， 给出了“Ω/V”， 实际上也 就给出了电流表的满偏电流。
数字式电压表的技术指标较多， 包括准确度、 基本误 差、 工作误差、 分辨力、 读数稳定度、 输入阻抗、 输入 零电流、 带宽、 串模干扰抑制比(SMR)、 共模干扰抑制比 (CMR)、 波峰因数等30
在本章后面的几节中， 我们将分别介绍直流电压、 交 流电压和脉冲电压的测量原理和测量仪器。 因为不同的测 量仪器是基于不同的测量原理而后由电子电路实现的， 所 以我们把原理与仪器结合在一起加以叙述。
7.2.2
1. 电子电压表中， 通常使用高输入阻抗的场效应管(FET) 源极跟随器或真空三极管阴极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 电阻有所降低， 但只要分压电阻取值较大， 仍然可以使输 入电阻较动圈式电压表大得多。
第7章 电 压 测 量
7.1 概述 7.2 模拟式直流电压测量 7.3 交流电压的表征和测量方法 7.4 低频交流电压测量 7.5 高频交流电压测量 7.6 脉冲电压测量 7.7 电压的数字式测量 小结
7.1 概
7.1.1
电压是一个基本物理量， 是集总电路中表征电信号能 量的三个基本参数(电压、 电流、 功率)之一。 电压测量是 电子测量中的基本内容。 在电子电路中， 电路的工作状态 (如谐振、 平衡、 截止、 饱和以及工作点的动态范围)通常 都以电压形式表现出来。 电子设备的控制信号、 反馈信号 及其他信息主要表现为电压量。 在非电量的测量中， 也多 利用各类传感器件装置将非电参数转换成电压参数。
(2) 按工作频段分类： 分为超低频电压表(低于10 Hz)、 低 频电压表(低于1 MHz)、 视频电压表(低于30 MHz)、 高频或射 频电压表(低于300 MHz)和超高频电压表(高于300 MHz)。
(3) 按测量电压量级分类： 分为电压表和毫伏表。 电压 表的主量程为V(伏)量级， 毫伏表的主量程为mV(毫伏)量级。 主量程是指不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程。
3. 电子电路中待测电压的波形除正弦波外， 还包括失真 的正弦波以及各种非正弦波(如脉冲电压等)， 不同波形的电 压的测量方法及对测量准确度的影响是不一样的。
4. 被测电路的输出阻抗 由待测电压两端看去的电子电路的等效电路可以用图 7.1-1(b)表示， 其中Z0为电路的输出阻抗， Zi为电压表的输 入阻抗。 在实际的电子电路中， Z0的大小不一， 有些电路 Z0很小， 可以小于几十欧姆， 有些电路Z0很大， 可能大于 几百千欧姆。 前面已经讲过， 电压表的负载效应对测量结 果的准确度有影响， 尤其是输出阻抗Z0比较高的电路。
(4) 按电压测量准确度等级分类： 分为0.05、 0.1、 0.2、 0.5、 1.0、 1.5、 2.5、 5.0和10.0等级， 其满度相对误差分别 为0.05%、 0.1%、 …、 10.0%
(5) 按刻度特性分类： 分为线性刻度、 对数刻度、 指数 刻度和其他有特殊需要的非线性刻度。
此外， 模拟式电压表还可以按测量原理分类。 这将在交 模拟电压表的主要
技术指标有固有误差、 电压范围、 频率范围、 频率特性误 差、 输入阻抗、 峰值因数(波峰因数)、 等效输入噪声、 零 点漂移等共19项。
3. 数字式电压表目前尚无统一的分类标准。 一般按测量功 能分为直流数字电压表和交流数字电压表。 交流数字电压表 按其AC/DC变换原理分为峰值交流数字电压表、 平均值交流 数字电压表和有效值交流数字电压表。
1. 电子电路中电压信号的频率范围相当广， 除直流外， 交流电压的频率从10－6 Hz(甚至更低)到109 Hz， 频段不同， 测量方法也各异。
2. 测量范围 电子电路中待测电压的大小低至10－9 V， 高到几十伏、
几百伏甚至上千伏。 若信号电压电平低， 则要求电压表分 辨力高， 而这些又会受到干扰、 内部噪声等的限制。 若信 号电压电平高， 则要考虑电压表输入级中加接分压网络，
目前由于微处理器的运用， 高中档数字式电压表已普 遍具有数据存储、 计算及自检、 自校、 自动故障诊断功能， 并配有IEEE-488或RS232C接口， 很容易构成自动测试系统。 数字式电压表当前存在的不足是频率范围不及模拟式电压表 宽。
除上面介绍的按显示方式进行的分类外， 还有下述几
2. (1) 按测量功能分类： 分为直流电压表、 交流电压表和脉 冲电压表。 其中， 脉冲电压表主要用于测量脉冲间隔很长(即 占空系数很小)的脉冲信号和单脉冲信号。 一般情况下， 脉冲
6. 干扰 电压测量易受外界干扰的影响， 当信号电压较小时， 干扰往往成为影响测量精度的主要因素， 相应要求高灵 敏度电压表(如数字式电压表、 高频毫伏表等)必须具有较 强的抗干扰能力， 测量时也要特别注意采取相应措施(例 如正确的接线方式、 必要的电磁屏蔽)， 以减少外界干扰 的影响。
7.1.3
【例1】 在图7.2-2中， 虚线框内表示高输出电阻的被 测电路， 电压表 V 的“Ω/V”数为20 kΩ/V， 分别用5 V量程 和25 V量程测量端电压Ux， 分析电压表输入电阻的影响并用
解： 如果是理想情况， 则电压表内阻RV应为无穷大， 此时电压表示值Ux与被测电压实际值E0相等， 即
Ux=E0=5 V
另外在某些场合并不需要准确测量电压的真实大小， 而 只需要知道电压大小的范围或变化趋势， 例如作为零示器或 者谐振电路调谐时峰值、 谷值的观测， 此时用模拟式电压表 反而更为直观。 数字式电压表的优点表现在： 测量准确度高， 测量速度快， 输入阻抗大， 过载能力强， 抗干扰能力和分 辨率优于模拟电压表。 此外， 由于测量结果以数字形式输出、 显示， 因此除读数直观外， 还便于和计算机及其他设备联用 组成自动化测试仪器或自动测试系统。
图7.2-2 测量高输出电阻电路的直流电压
Ux
RV E0 RV R0
相对误差为
U xE0
RV RV R0
E0
E0
E0
E0
R0 R0 RV
(7.2-3) (7.2-4)
将有关数据值代入式（7.2-3)和式(7.2-4)， 5 V电压挡： RV1=20 kΩ/V · 5 V=100 kΩ
由此不难看出， 电压表输入电阻尤其是低电压挡时 输入电阻对测量结果的影响还是相当严重的。
根据式(7.2-3)我们可以推导出消除负载效应影响的计算公 式， 进而计算出待测电压的近似值：
Ux1RVR1V 1R0 E0 R0RVU1x1E0 RV1
同理可得：
R0RV U2x2E0 RV2
(7.2-5) (7.2-6)
U x111 0 1 0 00 0 5 0 .02.50 V
111 0 1 0 00 0 100 % 05% 0
5 V电压挡： RV2=20 kΩ/V · 25 V=500 kΩ
U x215 05 0 00 0 5 04.17 V
2 11 0 5 0 00 0 10% 0 0 1.7 6 %
电路中其他电参数(包括电流和功率， 以及信号的幅度、 波形的非线性失真系数、 元件的Q值、 网络的频率特性和 通频带、 设备的灵敏度等)都可以视做电压的派生量， 通 过电压测量获得其量值。 最后也是最重要的是， 电压测量 直接、 方便， 将电压表并接在被测电路上， 只要电压表 的输入阻抗足够大， 就可以在几乎不对原电路工作状态有 所影响的前提下获得较满意的测量结果。
作为比较， 电流测量就不具备这些优点， 首先必须把 电流表串接在被测支路中， 很不方便， 其次电流表的接入 改变了原来电路的工作状态， 测得值不能真实地反映出原 有情况。 由此不难得出结论： 电压测量是电子测量的基础， 在电子电路和设备的测量调试中， 电压测量是不可缺少的 基本测量。
7.1.2
第1章中介绍的电子测量的基本特点同样在电压测量中 得到体现， 电压测量的特点对电压测量的主要仪器——电 压表的性能提出了相应的要求， 这些要求主要包括下面几 个方面。
E0 (551)4.14.7175.01V 2.5
除了利用上面的公式计算来消除负载效应之外， 当 然也可以利用其他测量方法， 如零示法(如电桥)和微差 法(比如利用微差电压表)， 但一般操作都比较麻烦， 通 常用在精密测量中。 在工程测量中提高输入阻抗和灵敏 度以提高测量质量最常用的办法是利用电子电压表进行 测量。
因此
RV Ux 1 1E0RV 1RV Ux2 2E0RV2
解出
E0
(k k
1)U x2 U x2
U x1
(7.2-7)
式中：
k RV2 R V1
(7.2-8)
因此， 如果用内阻不同的两只电压表， 或者同一电压表 的不同电压挡(此时k=RV2/RV1， 即等于电压量程之比)， 则根 据式（7.2-7)和式（7.2-8)即可由两次测得值得到近似的实际 值E0。 例如将本题中有关数据代入式(7.2-7)， 可得待测电压 近似值为
意图。 图中， R0、 R1、 R2、 R3组成分压器。 由于 FET源极跟随器输入电阻很大(几百MΩ以上)， 因此由Ux测 量端看进去的输入电阻基本上由R0、 R1等串联电阻决定， 通常使它们的串联和大于10 MΩ， 以满足高输入阻抗的要 求。 同时， 在这种结构下， 电压表的输入阻抗基本上是 一个常量， 与量程无关。
图7.1-1 电压表测量电压及其等效电路
5. 由于被测电压的频率、 波形等因素的影响， 电压测量 的准确度有较大差异。 电压值的基准是直流标准电压， 直 流测量时分布参数等的影响也可以忽略， 因而直流电压测 量的精度较高。 目前利用数字电压表可使直流电压测量精 度优于10－7量级。 但交流电压测量精度要低得多， 因为交 流电压必须经交流/直流(AC/DC)变换电路变成直流电压， 交流电压的频率和电压大小对AC/DC变换电路的特性都有 影响， 同时高频测量时分布参数的影响很难避免和准确估 算， 因此目前交流电压测量的精度一般在10-2~10-4量级。
动圈式直流电压表的结构简单， 使用方便。 误差除来 源于读数误差外， 主要取决于表头本身和倍压电阻的准确度， 一般在±1%左右， 精密电压表可达±0.1%。 其主要 缺点是灵敏度不高和输入电阻低， 当量程较低时， 输入阻 抗更小， 其负载效应对被测电路工作状态及测量结果的影响 不可忽略。 相比之下， 模拟式电子电压表可以有效地提高 电压表的灵敏度和输入阻抗。 有时也可以根据电路原理利用 公式计算来消除电压表的负载效应， 得到被测电压接近实际 值的数据。
1. 电压测量仪器主要指各类电压表。 在一般工频(50 Hz) 和要求不高的低频(低于几十千赫兹)测量时， 可使用一般 万用表电压挡， 其他情况大都使用电子电压表。 按显示方 式不同， 电子电压表分为模拟式电子电压表和数字式电子 电压表。 前者以模拟式电表显示测量结果， 后者用数字显 示器显示测量结果。 模拟式电压表的准确度和分辨力不及 数字式电压表， 但由于其结构相对简单， 价格较为便宜， 频率范围也宽。