章第七章电子电压表

• 本章第三节和第六节介绍几种电压表的实例，希
望通过实例能进一步掌握仪表电路的分析方法，提高
阅读电子仪器电路的能力。这两节内容可根据教学时
数选择讲授。
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第一节 电子电压表的结构与特点
一、电子电压表的特点
1.利用检波电路提高测量的频率范围 传统的磁电系电压表只能测量直流或低频。电子电压表则通过 检波将被测电压转换为直流，使得本来只能测直流的磁电系电压 表、也可以测量高频交流。
三端可调分流基准源芯片IC6(TL431)使2、3两点 产生较稳定的基准电压，若有波动通过IC6分流， 改变R21、R23上的压降，保证输出不变零点稳 定。 RP1作为调零。当输入为零时，调节RP1使 显示为0。
IC1A、VD1、 VD2组成具 有负反馈的 检波电路
IC1B组成直流放大器，RP2为 调节满度电位器。从输入端加 入100V电压，调节RP2使显示 100.0
可见，若开环放大倍数足够大，反馈电阻又比较准确， 输出到指示仪表的电流将正比于输入电压。
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三、有效值检波
真正的有效值检波，需要采用能直接反映有效值的 传感器，例如热电偶等，才能用来测量任意波形的有 效值。而利用正弦波有效值与平均值或峰值的关系， 按有效值刻度的平均值或峰值电压表，其刻度只能用 于正弦波。
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第五节 数字电压表实例
一、CL系列数字式交流电压表基本结构
整个电路是由输入通道、时钟电路、A/D转换、驱动 显示四大部分组成
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CL系列数字式交流电压表电路图
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二、CL系列数字式交流电压表的输入通道 。
R1、R2、R3、R5、C1组成取样电路， 被测电压转换为小电压，送IC1检波并 放大，
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三、A/D转换芯片ICL7135
图中包括由运放单元组成的缓冲器、积分器、比较 器以及四组模拟开关，在外围（虚线之外）接有基准 电容、积分电容、积分电阻和自动调零补偿电容。
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A/D转换芯片ICL7135的工作过程
第一阶段：自动调零阶段
上电时内部控制逻辑令所有带AZ下标的开关闭合, 其余断开，输入端IN+、IN-亦开断，这时无外部电 压输入，若输出端出现不为零的电压，说明电路失 调，所出现电压就称为失调电压。利用失调电压对 自动调零补偿电容 充电，测量时利用调零电容 上的电压与外部被测电压相抵消，以补偿测量时电 路失调造成的误差。
第一阶段基准电压源还通过模拟开关向 充电， 充到等于 为止，以供第三阶段使用。
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第二阶段：正向积分阶段或称为取样阶段
在取样阶段，由控制器发出的取样命令，让所有带 INT下标的开关闭合，其余断开。 被测电压通过缓冲器、 积分电阻对积分电容进行充电，经一定时间间隔后断开， 这时积分电容上所充的电压为
均值或有效值转换为直流电压，然后用磁电系进行测量， 所以检波电路是电子电压表的核心，它有以下几种形式。
一、 峰值检波
1.开路式峰值检波 开路式检波电路是利用二极管将电容器充电至峰值，
它必须满足以下条件：
RC≥
≥T
满足该条件，其指示仪表的
指针偏转角将与被测电压峰值成
正比。
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2.闭路式峰值检波
峰-峰值检波电路
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二、平均值检波
1.半波平均值检波
特点：由于仪表可动部分的 惯性，指针偏转角将正比于 交流电压正半波平均值。
特点：由于交流电压正半 波由二极管形成闭路，指 针的偏转角将正比于交流 电压负半波平均值。
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2.全波平均值检波 电路特点：正、负半波的电压所产生的电流， 以同一方向流过电流表P，P的指针偏转角 α 正比 于交 流电压全波平均值。（全波平均值一般是指 一个周期内，取电压瞬时值的绝对值平均所得。）
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第三节 模拟式电子电压表实例
一、JFX晶体管万用表的组成
JFX晶体管万用表由10mV直流电压表单元、10mV交流电压表 单元、振荡器单元、量程转换开关和用途选择按键等部分组成。
用途选择按键
R键：用于测量电阻，
带动内部三开关1.将指示 电表正接；2.将电阻测量 电路接入电源；3.接通电 压表单元电源。
振荡器单元输出1120Hz的低频信号，作为测量电感、 电容的交流信号源。
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二、 JB-1B晶体管电压表:
JB-1B型电压表的频率范围2Hz ~500kHz，最小量程50µV。
第一级衰 减电阻
前置放大 第二级衰减电阻
电源部分
全波均 值检波 主放大器
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三、HFJ-8超高频毫伏计
又称斜波型，它将不同被测电压值转换为不同的时间间隔，用这 个时间间隔的起止点，控制进入计数器的脉冲个数，使显示器能 显示出不同数值。
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2 电压-频率变换型 将不同被测电压值转换为不同频率的信号，再 通过整形转换为同频率的脉冲，进入频率计数器 进行计数显示，所显示的频率值就代表电压值。
考虑到公共端的电流较大，所以 用达林顿晶体管阵列ULN2003作 为公共端的驱动
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第六节 数字万用表实例
数字电压表有各种类型，数字万用表则是一种集成化的数字电压 表，它的结构简单又具备数字电压表的基本功能，故以它为实例作简 要介绍。
一、数字万用表的性能指标
一般的数字万用表其性能指标有： 1.准确度：置于直流电压档，可达± 0.5% ±1字 其他档位略低 2.工作频率：一般不超过1kHz。 3.测量范围：可测量电压、电流、频率和电路参数R、L、C。 4.分辨力：可显示的最小数字与最大数字比为0.5%。 5.测量速度：每秒2 ~5次。 6.输入阻抗：输入电阻10MΩ，电容150pF。 7.保护：一般都有过载与过电压保护。 8.显示位数：有3 ½、4 ¾等几种，整数部分表示能显示0 ~ 9的位 数，分数部分表示最高位性能，分子表示最高位所能显示的最大数值， 分母表示满程时所表示的数值。
电压表选用四位数码管,分别 显示个、十、百和千位。另一单 位的数码管显示万位。采用动态 显示方式，由ICL7135的B1、B2、 B3、B4四引脚输出被测电压的 BCD码。经CD4543译码后接数码 管。
其中万位只需显示数码1或符号， 所以只接数码管的b、c两个引脚。
从D1、D2、D3、D4、D5依次 输出位码。当D1=1时，BCD码对 应于个位。D2=1时对应于十位， 以此类推。
闭路式检波电路如果满足以 下条件：
RC≥ RC≥ 则其指示仪表指针的偏转角 将与被测电压交流峰值成正比。
闭路式峰值检波电路
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3.峰-峰值检波
峰- 峰值检波电路利用被测电压的正半波对 充电充至电压正半波的最大值为止，然后在负半 波期间，被测电压与 电压串接后对 充电， 因此 电压可充至峰 - 峰值。指示仪表指针偏转 角将与被测电压的峰 - 峰值成正比。
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4.外差式
这种方式先通过混频，将被测频率转换为固定的中 频，经中频放大后再通过检波转换为直流。既能解决 放大在前频率范围受到限制的缺点，又能解决检波在 前仪表的灵敏度不足的问题。多用于高频和超高频的 测量。
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三、数字电压表的结构类型
1 电压-时间变换型
采用检波在前的方式，以提高频率特性，频率范围为 5kHz ~300MHz，通过斩波器将检波后直流，转换为交 流，避免使用直流放大器，量程范围可达3mV ~300V。
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HFJ-8超高频毫伏计方框图
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第四节 模拟式电子电压表的使用
使用电子电压表应注意以下几点: 一、按峰值刻度的开路峰值检波电压表，读数与波 形无关。
2.利用放大电路提高仪表灵敏度和量程范围 虽然磁电系电压表的灵敏度可达到毫伏级，但通过仪表的放大 电路之后，可扩展到微伏级。
3.利用放大电路提高仪表的输入阻抗 电子电压表利用电子电路提高仪表的输入阻抗，以降低表耗功
率，减少测量仪表对被测电路的影响。
4.利用各种补偿电路提高仪表的线性
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然后由电压表单元进行测 量。
停机：用于关机，带
动内部三个开关作用是 1.(空)；2.(空)；3.断开放 大器电源。
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2.JFX晶体管万用表电路
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3. 10mV直流电压表单元
10mV直流电压表单元是整个万用表的基础，由场效 应晶体管作前置放大，与运算放大器BG305组成负反馈 放大器，开环放大倍数可达5万倍以上，输入电压近似等 于反馈电压。
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2020/11/24
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本章要点
•
本章主要介绍模拟式和数字式电子电压表。前者
是在传统的磁电系电压表基础上，增加了检波、放大
等电子电路，提高它的频率范围、灵敏度和输入阻抗。
后者则是从根本上改变传统仪表的读数方式，采用模
数转换和数字显示技术，完全消除了因可动部件引发
的误差，改变了制造仪表的生产工艺。
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3.调制式
检波在前的电压表灵敏度不高，是由于检波后已将信 号转换为直流，只能使用直流放大器，而直流放大器的 放大倍数因漂移受到很大限制。调制式则利用斩波器先 把直流转换为低频交流，然后用低频交流放大器进行放 大，放大后再通过解调恢复为直流，这种方式既能采用 检波在前，又能避免使用直流放大器而影响灵敏度。
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四、时钟电路
ICL7135型转换芯片需要外接时钟信号，图7-37中 选用74HC4060（IC3）作为时钟振荡器，振荡器部分 通过外接4MHz的晶振，产生4MHz的时钟脉冲，经64 分频，从IC3的Q6接到A/D转换芯片ICL7135的引脚
CLK。
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五、显示电路
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3 逐次逼近比较型
将被测电压与数码开关送出的基准电压进行比较，如果 基准电压小于被测电压，则将基准电压逐次递加，直至基 准电压逼近被测电压并等于被测电压为止，这时显示器所 显示的数码寄存器基准电压就是被测电压。
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第二节 电子电压表的检波电路
电子电压表是利用检波电路把被测电压的峰值或平
晶体管测量键：用于测
量晶体管放大倍数，带动 内部三开关1.使用负电压 将指示电表反接2.(空)3.接 通电压表单元电源
LC键：用于测量电感或
电容，带动内部三个开关1. 将指示电表接检波器；2.将 振荡器输出接入；3.接通放 大器电源。
量程转换开关:共23 档，
其作用是通过转换开关电 路将被测量转换为10mV直 流电压或10mV交流电压，
二、按峰值刻度的闭路峰值检波电压表，读数与波 形是否有直流分量有关，读出的是交流分量峰值。
三、按峰-峰值刻度的闭路峰值检波电压表，读数与 波形以及是否有为直流分量无关。
四、按有效值刻度的各种类型电压表，只适用于测 量正弦波有效值，如果被测电压不是正弦波或含有直 流分量，首先要按检波电路型式，从读数求得驱动电 压值。然后按照被测电压波形，求得驱动电压值与有 效值关系，将驱动电压转换为真正的有效值。（使用 有效值传感器的电压表除外，驱动电压指峰值驱动、 平均值驱动或有效值驱动）
二、模拟式电子电压表 的结构类型
1. 放大-检波式
这种方式采取放大在前， 检波在后，通过放大电路提 高仪表的灵敏度，可以用来 测量微弱电压。但因频率范 围受放大器限制，一般只用 于低频电压表。
2.检波-放大式 这种方式采取检波在前， 放大在后，由于被测电压一 开始就转换为直流，所以频 率范围不受放大器限制，可 用于测量视频、超高频电压， 但灵敏度较低。
场效应管前级+运算放大器
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4. 10mV交流电压表单元
以 10mV 直流电压表单元为基础，加上均值检波电路。 即可组成 10mV 交流电压表。但电路中通过检波二极管的 电流只有一半，按第二节有负反馈的线性平均值检波实际 电路计算公式，通过指示电表的电流为
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5. 振荡器单元
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3.具有负反Байду номын сангаас的线性放大器
也就是输出电流平均值，与输入电压平均 值成线性的正比关系。
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4.具有负反馈的线性平均值检波电路
在线性放大器的基础上将 换成接有指示仪表的全 波均值检波，即组成具有负反馈的线性平均值检波电路。 在该电路中通过指示仪表的电流等于输出电流的一半， 若将它化为平均值。可得
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第三阶段：反向放电阶段
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第四阶段：零积分阶段
如果超量程，经过以上三个阶段之后，积分电
容上电压可能尚未回零，为保证积分电容的快速 回零，控制器令 将IN-与COM短接，IN+与输 出端短接保证积分电路迅速回零。
自动调零
积分电容正向充电
将模拟电压转换 为时间间隔
积分电容反向放电 零积分保证积分电容回零