第4章模擬測(cè)量方法

1、4.1 電壓測(cè)量概述電壓測(cè)量概述 1.電壓測(cè)量的基本要求電壓測(cè)量的基本要求 要求：要求：(1)應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍 (2)應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y(cè)量范圍應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y(cè)量范圍 (3)應(yīng)有足夠高的測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)有足夠高的測(cè)量準(zhǔn)確度 (4)應(yīng)有足夠高的輸入阻抗應(yīng)有足夠高的輸入阻抗 (5)應(yīng)有足夠高的抗干擾能力應(yīng)有足夠高的抗干擾能力 2.電壓測(cè)量儀器的分類電壓測(cè)量儀器的分類 (1)模擬式電壓表模擬式電壓表 峰值表峰值表 ， 均值表，有效值電壓表均值表，有效值電壓表 外差式電壓表外差式電壓表 (2)數(shù)字式電壓表數(shù)字式電壓表 3.2 交流電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量 4.2.1 交流電壓的表征

2、交流電壓的表征 1.峰值峰值UP 2.平均值平均值 (4.2.1) T dttu T U 0 )( 1 T dttu T U 0 )( 1 3.有效值有效值 (4.2.2) 波形系數(shù)波形系數(shù) (4.2.3) (4.2.4) 波峰系數(shù)波峰系數(shù) 說明：所有交流電壓不管是峰值表、均值表都是按正說明：所有交流電壓不管是峰值表、均值表都是按正 弦電壓定度的。弦電壓定度的。 4.2.2 交流電壓的測(cè)量方法交流電壓的測(cè)量方法 1.峰值電壓表峰值電壓表(結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：先檢波，后放大。）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：先檢波，后放大。） 峰值表的組成結(jié)構(gòu)及各部分個(gè)作用 峰值檢波器：峰值檢波器： 定義：檢波器輸出與被測(cè)信號(hào)的峰值成正比定義

3、：檢波器輸出與被測(cè)信號(hào)的峰值成正比 。 作用：把交流變?yōu)橹绷鳌Ｗ饔茫喊呀涣髯優(yōu)橹绷鳌?分壓器：擴(kuò)展量程。分壓器：擴(kuò)展量程。 直流放大器：放大直流信號(hào)。直流放大器：放大直流信號(hào)。 微安表：指示測(cè)量結(jié)果。微安表：指示測(cè)量結(jié)果。 2.平均值電壓表：（結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：先放大，后檢波。）平均值電壓表：（結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：先放大，后檢波。） 均均值表的組成結(jié)構(gòu)及各部分個(gè)作用值表的組成結(jié)構(gòu)及各部分個(gè)作用： 分壓器：擴(kuò)展量程。分壓器：擴(kuò)展量程。 直流放大器：放大直流信號(hào)。直流放大器：放大直流信號(hào)。 均值檢波器：均值檢波器： 定義：檢波器輸出與被測(cè)信號(hào)的定義：檢波器輸出與被測(cè)信號(hào)的平均平均值成正比。值成正比。 作用：把交流變

4、為直流。作用：把交流變?yōu)橹绷鳌?微安表：指示測(cè)量結(jié)果。微安表：指示測(cè)量結(jié)果。 3.有效值電壓表 (1)熱電轉(zhuǎn)換法 (2)公式法 4.外差式電壓表：類似收音機(jī)一樣組成結(jié)構(gòu)的電壓表叫外差式電壓表：類似收音機(jī)一樣組成結(jié)構(gòu)的電壓表叫 外差式電壓表。外差式電壓表。輸入回路：接收信號(hào)輸入回路：接收信號(hào) 本機(jī)振蕩器：產(chǎn)生本機(jī)高頻正弦信號(hào)。本機(jī)振蕩器：產(chǎn)生本機(jī)高頻正弦信號(hào)。 混頻器：混頻器：把不同頻率的信號(hào)被測(cè)信號(hào)，都要變成同一把不同頻率的信號(hào)被測(cè)信號(hào)，都要變成同一 個(gè)固定頻率的信號(hào)個(gè)固定頻率的信號(hào) 中頻放大器：為窄帶選頻放大器，放大固定中頻信號(hào)中頻放大器：為窄帶選頻放大器，放大固定中頻信號(hào) 均值檢波器，微安

5、表。均值檢波器，微安表。 4.2.3 平均值電壓的測(cè)量平均值電壓的測(cè)量 1.平均值檢波器的工作原平均值檢波器的工作原 理理 2.利用平均值電壓表測(cè)正弦信號(hào)其測(cè)量值就是正弦信號(hào)利用平均值電壓表測(cè)正弦信號(hào)其測(cè)量值就是正弦信號(hào) 的有效值；的有效值； 3.當(dāng)當(dāng)用平均值電壓表用平均值電壓表非正弦電壓時(shí)，其讀數(shù)無實(shí)際物理意非正弦電壓時(shí)，其讀數(shù)無實(shí)際物理意 義；但讀數(shù)與被測(cè)信號(hào)的平均值有關(guān)系義；但讀數(shù)與被測(cè)信號(hào)的平均值有關(guān)系, 要想求得被測(cè)信號(hào)的平均值、有效值、與峰值必須換算。要想求得被測(cè)信號(hào)的平均值、有效值、與峰值必須換算。 先用上式求出正弦信號(hào)的平均值；先用上式求出正弦信號(hào)的平均值； 再用示值相等，平均

6、值也相等的原則再用示值相等，平均值也相等的原則a式式 求出其平均值。求出其平均值。 再用波形因數(shù)和非正弦波的平均值用再用波形因數(shù)和非正弦波的平均值用b式式 求出其有效值。求出其有效值。 用波峰因數(shù)、非正弦波的有效值和用波峰因數(shù)、非正弦波的有效值和b式求式求 出其峰值。出其峰值。 例例4.2.1用平均值表（全波式）分別測(cè)量方波及三角波用平均值表（全波式）分別測(cè)量方波及三角波 電壓，電壓表均指在電壓，電壓表均指在10V位置，問被測(cè)電壓的有效值分位置，問被測(cè)電壓的有效值分 別是多少？別是多少？ 對(duì)于方波，先將示值（對(duì)于方波，先將示值（10V）折算成正弦波的平均值）折算成正弦波的平均值 再用波形系數(shù)換

7、算成有效值。再用波形系數(shù)換算成有效值。 對(duì)于三角波，因示值與方波相同，表明它的平均值對(duì)于三角波，因示值與方波相同，表明它的平均值 也是也是9V,有效值有效值 再用波峰系數(shù)和有效值求出其峰值。再用波峰系數(shù)和有效值求出其峰值。 再用三角波的波峰系數(shù)和有效值求出其峰值。再用三角波的波峰系數(shù)和有效值求出其峰值。 3.誤差分析誤差分析 4.平均值檢波器電壓表平均值檢波器電壓表 4.2.4 有效值電壓的測(cè)量有效值電壓的測(cè)量 1.有效值電壓表原理有效值電壓表原理 另一種有效值轉(zhuǎn)換的方法是利用熱電偶來實(shí)現(xiàn)的。另一種有效值轉(zhuǎn)換的方法是利用熱電偶來實(shí)現(xiàn)的。 熱電偶式有效值電壓表原理框圖熱電偶式有效值電壓表原理框圖

8、 利用模擬運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)有效值電壓的測(cè)量利用模擬運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)有效值電壓的測(cè)量 隱含計(jì)算式隱含計(jì)算式RMS轉(zhuǎn)換器原理框圖轉(zhuǎn)換器原理框圖 直流反饋計(jì)算式直流反饋計(jì)算式RMS轉(zhuǎn)換器原理框圖轉(zhuǎn)換器原理框圖 單片半導(dǎo)體加熱式單片半導(dǎo)體加熱式RMS轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 2.有效值檢波器電壓表有效值檢波器電壓表 AD536型型RMS轉(zhuǎn)換器原理框圖轉(zhuǎn)換器原理框圖 AD536型型RMS轉(zhuǎn)換器的連接圖轉(zhuǎn)換器的連接圖 3.2.5 峰值電壓的測(cè)量峰值電壓的測(cè)量 1.峰值表原理峰值表原理 2.誤差分析誤差分析 (1)理論誤差理論誤差 絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差 相對(duì)誤差相對(duì)誤差 (2)頻率誤差頻率誤差 (3)波形誤差波形誤差 3.波形換算

9、方法波形換算方法 例例3.2.3用峰值表分別測(cè)量方波及三角波電壓，電用峰值表分別測(cè)量方波及三角波電壓，電 壓表均指在壓表均指在5V位置，問被測(cè)電壓有效值是多少？位置，問被測(cè)電壓有效值是多少？ 對(duì)于方波，對(duì)于方波， 對(duì)于三角波，對(duì)于三角波， 4.高精度峰值檢波器高精度峰值檢波器 3.2.6 脈沖電壓的測(cè)量脈沖電壓的測(cè)量 1.脈沖電壓表的原理脈沖電壓表的原理 電容器電容器C充電時(shí)充電時(shí) 放電時(shí)放電時(shí) 電路平衡時(shí)電路平衡時(shí)Q1=Q2 理論誤差理論誤差 代入代入U(xiǎn)p后得后得 脈沖保持電路及波形圖脈沖保持電路及波形圖 2.高壓脈沖幅值的測(cè)量高壓脈沖幅值的測(cè)量 單脈沖電壓正峰值保持電路單脈沖電壓正峰值保持

10、電路 3.尖脈沖峰值電壓的測(cè)量尖脈沖峰值電壓的測(cè)量 4.用示波法測(cè)量脈沖電壓用示波法測(cè)量脈沖電壓 5.測(cè)量脈沖電壓應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：測(cè)量脈沖電壓應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： (1)測(cè)量脈沖幅度宜用交流耦合方式，并需注意極性測(cè)量脈沖幅度宜用交流耦合方式，并需注意極性 (2)觀測(cè)方波信號(hào)時(shí)應(yīng)選用頻帶較寬的示波器觀測(cè)方波信號(hào)時(shí)應(yīng)選用頻帶較寬的示波器 6.脈沖測(cè)量時(shí)電纜的終端匹配問題脈沖測(cè)量時(shí)電纜的終端匹配問題 在實(shí)際測(cè)量過程中，容易產(chǎn)生以下兩點(diǎn)錯(cuò)誤：在實(shí)際測(cè)量過程中，容易產(chǎn)生以下兩點(diǎn)錯(cuò)誤： 在示波器一端，除了示波器的輸入阻抗之外，電纜的在示波器一端，除了示波器的輸入阻抗之外，電纜的 終端未得到匹配終端未得到匹配

11、在脈沖發(fā)生器的輸出端用一個(gè)外加的在脈沖發(fā)生器的輸出端用一個(gè)外加的50 電阻器電阻器 和和50電纜相連接，而在示波器輸入端電纜終端未電纜相連接，而在示波器輸入端電纜終端未 得到匹配得到匹配 3.3 噪聲電壓的測(cè)量噪聲電壓的測(cè)量 3.3.1 噪聲的基本特性噪聲的基本特性 3.3.2 用平均值表測(cè)量噪聲電壓用平均值表測(cè)量噪聲電壓 3.3.3 器件噪聲和放大器噪聲的測(cè)量器件噪聲和放大器噪聲的測(cè)量 1.等效輸入噪聲等效輸入噪聲Uni的測(cè)量的測(cè)量 (1)正弦信號(hào)法正弦信號(hào)法 (2)噪聲發(fā)生器法噪聲發(fā)生器法 (3)兩種測(cè)量方法的比較兩種測(cè)量方法的比較 (4)測(cè)量噪聲時(shí)需要考慮的問題測(cè)量噪聲時(shí)需要考慮的問題

12、帶寬的影響帶寬的影響 平均值和波形系數(shù)平均值和波形系數(shù) 測(cè)量時(shí)間的影響測(cè)量時(shí)間的影響 由于白噪聲呈高斯正態(tài)分布，為避免噪聲波峰被削由于白噪聲呈高斯正態(tài)分布，為避免噪聲波峰被削 掉，測(cè)量過程中表頭示值不得超過滿刻度值的一半。掉，測(cè)量過程中表頭示值不得超過滿刻度值的一半。 3.噪聲帶寬的測(cè)量噪聲帶寬的測(cè)量 (1)正弦信號(hào)法正弦信號(hào)法 (2)噪聲發(fā)生器法噪聲發(fā)生器法 3.信噪比的測(cè)試信噪比的測(cè)試 4.噪聲系數(shù)的測(cè)量噪聲系數(shù)的測(cè)量 (1)利用噪聲發(fā)生器測(cè)量噪聲系數(shù)利用噪聲發(fā)生器測(cè)量噪聲系數(shù) (2)正弦信號(hào)法正弦信號(hào)法 5.集成運(yùn)算放大器噪聲參數(shù)的測(cè)量集成運(yùn)算放大器噪聲參數(shù)的測(cè)量 (1)測(cè)試原理測(cè)試原理

13、 電壓噪聲電壓噪聲 電流噪聲電流噪聲 (2)運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器Uni的實(shí)用測(cè)量電路的實(shí)用測(cè)量電路 (3)輸入噪聲電流輸入噪聲電流I-和和I+的測(cè)量的測(cè)量 3.4 分貝的測(cè)量分貝的測(cè)量 3.4.1 數(shù)學(xué)定義數(shù)學(xué)定義 1.功率之比的對(duì)數(shù)功率之比的對(duì)數(shù)分貝分貝(Db) 2.電壓比的對(duì)數(shù)電壓比的對(duì)數(shù) 3.絕對(duì)電平絕對(duì)電平 (1)功率電平功率電平dBm (2)電壓電平電壓電平dBV 4.音量單位音量單位(VU) 3.4.2 分貝值的測(cè)量分貝值的測(cè)量 分貝刻度分貝刻度 3.5 失真度的測(cè)量失真度的測(cè)量 3.5.1 非線性失真的定義非線性失真的定義 全部諧波電壓的有效值與基波電壓的有效值之比全部諧波電壓的

14、有效值與基波電壓的有效值之比 3.5.2 失真度測(cè)量儀基本工作原理失真度測(cè)量儀基本工作原理 3.5.3 有源陷波電路有源陷波電路 1. 雙雙T形電路構(gòu)成的無源陷波器形電路構(gòu)成的無源陷波器 2.雙雙T形有源陷波器形有源陷波器 例設(shè)計(jì)一個(gè)雙例設(shè)計(jì)一個(gè)雙T形陷波器，要求在形陷波器，要求在1000Hz時(shí)陷波，且時(shí)陷波，且 陷波器的陷波器的3dB帶寬為帶寬為50Hz。 取取C=103,RT=10K 3. 由由RC文氏電橋組成的陷波器文氏電橋組成的陷波器 電橋的元件參數(shù)關(guān)系為電橋的元件參數(shù)關(guān)系為R1=2R2,C1=C2=C,R3=R4=R 采用由文氏電橋組成的有源陷波電路采用由文氏電橋組成的有源陷波電路

15、3.5.4 失真度測(cè)量儀舉例失真度測(cè)量儀舉例 1.基本工作原理基本工作原理 儀器指示的失真度儀器指示的失真度 當(dāng)失真度小于當(dāng)失真度小于10%時(shí)，時(shí)， 當(dāng)失真度大于當(dāng)失真度大于10%時(shí)，應(yīng)按下式加以計(jì)算修正時(shí)，應(yīng)按下式加以計(jì)算修正 2.失真度測(cè)量的誤差分析失真度測(cè)量的誤差分析 (1)儀器指示的失真度與理論失真度的偏差儀器指示的失真度與理論失真度的偏差 (2)失真儀中的基波抑制網(wǎng)絡(luò)很難做到將基波分量全失真儀中的基波抑制網(wǎng)絡(luò)很難做到將基波分量全 部濾除，也很難做到對(duì)二次以上的諧波一點(diǎn)不衰部濾除，也很難做到對(duì)二次以上的諧波一點(diǎn)不衰 減，這也會(huì)造成一定的測(cè)量誤差。減，這也會(huì)造成一定的測(cè)量誤差。 (3)

16、測(cè)試儀器本身也會(huì)由于許多原因而產(chǎn)生誤差。測(cè)試儀器本身也會(huì)由于許多原因而產(chǎn)生誤差。 (4) 由電壓表讀出的失真度應(yīng)扣除儀器本身的失真度。由電壓表讀出的失真度應(yīng)扣除儀器本身的失真度。 (5) 若采用峰值或平均值電壓表，則會(huì)引入一定誤差若采用峰值或平均值電壓表，則會(huì)引入一定誤差 (6) 陷波濾波器陷波濾波器 (7) 其它其它 3.6 功率的測(cè)量功率的測(cè)量 3.6.1 音頻與較高頻信號(hào)功率的測(cè)量音頻與較高頻信號(hào)功率的測(cè)量 在較高頻率時(shí)，可采用吸收型功率表測(cè)量功率。在較高頻率時(shí)，可采用吸收型功率表測(cè)量功率。 基本的量熱式功率表，被測(cè)信號(hào)把電阻器加熱，使其基本的量熱式功率表，被測(cè)信號(hào)把電阻器加熱，使其 溫度上升。溫度上升。 測(cè)熱計(jì)電橋測(cè)熱計(jì)電橋 熱電偶功率表熱電偶功率表 二極管功率表二極管功率表 3.6.2 誤差分析誤差分析 3.6.3 功率表實(shí)例功率表實(shí)例射頻功率表射頻功率表 3.7 Q值的測(cè)量值的測(cè)量 3.7.1 Q表的工作原理表的工作原理 被測(cè)線圈振蕩波形圖被測(cè)線圈振蕩波形圖 3.7.2 用虛、實(shí)部分分