電子測量模擬測量方法PPT學習教案

1、會計學1電子測量模擬測量方法電子測量模擬測量方法1.電壓測量的特點與要求電壓測量的特點與要求 1)電子技術(shù)中被測電壓的主要特點電子技術(shù)中被測電壓的主要特點 (1)被測電壓頻率頻率可能為直流、超低頻、低頻、高頻及超高頻。 (2)被測電壓值值可小到微伏甚至毫微伏級，大到幾千伏、幾十千伏，甚至更高量級。 (3)被測電壓波形波形有正弦波、失真正弦波及各種非正弦波。如圖示幾種電壓波形圖如圖示幾種電壓波形圖。 (4)被測電壓所在電路內(nèi)阻內(nèi)阻可能很高，也可能很低，有時還可能是一個諧振回路。 (5)被測交流電壓中，往往含有含有直流及噪聲干擾等不需要測量的成份成份。 2)電壓測量的基本要求電壓測量的基本要求由于

2、被測電壓具有以上一些特點，因而在制訂電壓測量方案時，必須根據(jù)具體情況及測量的目的，對電壓測量提出如下要求： (1)應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍 (2)應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y量范圍 (3)應(yīng)有足夠高的測量準確度 (4)應(yīng)有足夠高的輸入阻抗 (5)應(yīng)有足夠高的抗干擾能力 2. 電壓測量儀器的分類電壓測量儀器的分類 電壓測量儀器一般分為兩大類：模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表。( 采用指針式模擬顯示的電壓表) 根據(jù)電壓性質(zhì)根據(jù)電壓性質(zhì)： 按電壓特點分為按電壓特點分為：直流電壓表、交流電壓表、脈沖電壓表和多用途電壓表等。 按使用頻率范圍分為按使用頻率范圍分為：超低頻 / 低頻 / 高頻 / 超高頻電壓表和選頻電壓表等。

3、 根據(jù)測量方法分為根據(jù)測量方法分為： 峰值電壓表、平均值電壓表 和 有效值電壓表。 根據(jù)儀表結(jié)構(gòu)分為根據(jù)儀表結(jié)構(gòu)分為： 磁電式、電磁式和 電動式電壓表等。(采用數(shù)字顯示的電壓表) 主要優(yōu)點是主要優(yōu)點是：準確度高，輸入阻抗高，功能齊全，顯示直觀，可靠性好過載能力強，耗電少、小巧輕便第1頁/共30頁儀表的標志 不同類型的電工儀表，具有不同的技術(shù)性能。為了便于選擇和使用儀表，通常把這些不同的技術(shù)特性采用不同的符號標志，標明在儀表的標度盤或面板上。根據(jù)國家標準GB776-76的規(guī)定，每只儀表應(yīng)有測量對象單位單位、準確度等級準確度等級、電流種類和相數(shù)電流種類和相數(shù)、工作原理系別工作原理系別、使用條件組別

4、使用條件組別、工作位置工作位置、絕緣強度實驗電壓絕緣強度實驗電壓、儀表型號儀表型號以及各種額定值各種額定值的標志。國家標準規(guī)定的各種符號標志列于表2-2-1至表2-2-9。表2-1-1 測量單位的符號名名 稱稱符號符號名名 稱稱符符 號號名名 稱稱符符 號號千千 安安kA瓦瓦 特特W 毫毫 歐歐m 安安 培培A兆兆 乏乏Mvar 微微 歐歐 毫毫 安安mA千千 乏乏kvar 相位角相位角 微微 安安A乏乏 爾爾var 功率因數(shù)功率因數(shù)cos 千千 伏伏kV兆兆 赫赫MHz無功功率因數(shù)無功功率因數(shù)sin 伏伏 特特V千千 赫赫kHz 微微 法法 F毫毫 伏伏mV赫赫 茲茲Hz 微微法微微法pF微

5、微 伏伏V兆兆 歐歐M 亨亨H兆兆 瓦瓦MW千千 歐歐k 毫毫 亨亨mH千千 瓦瓦kW歐歐 姆姆 微微 亨亨H第2頁/共30頁表2-1-2 儀表工作原理的圖形符號名 稱符 號名 稱符 號名 稱符 號磁電式儀表電動式儀表感應(yīng)式儀表磁電式比率表電動式比率表靜電式儀表電磁式儀表鐵磁電動式儀表整流式儀表（帶半導體整流器和磁電式測量機構(gòu)）電磁式比率表鐵磁電動式比率表熱電式儀表（帶接觸式熱變換器和磁電式測量機構(gòu)）儀表的標志儀表的標志第3頁/共30頁儀表的標志儀表的標志名 稱符 號名 稱符 號名 稱符 號 直流交流（單相）具有單元件的三相平衡負載交流表2-1-4 準確度等級的圖形符號名 稱符 號名 稱符 號

6、名 稱符 號以標度尺量限百分數(shù)表示的準確度等級例如：1.5級以標度尺長度百分數(shù)表示的準確度等級例如：1.5級以指示值百分數(shù)表示的準確度等級例如：1.5級表2-1-3 電流種類的圖形符號1.51.51.5第4頁/共30頁 2）平均值平均值 U ： 對周期信號3）有效值）有效值 U ： 在不特別指明時，交流電壓的量值均指有效值。各類電壓表的示值，除特殊情況外，都是按正弦波有效值來定度的。 4) 波形系數(shù)波形系數(shù)KF ：表征同一信號的有效值與平均值之比。 5) 波峰系數(shù)波峰系數(shù)KP ：表征同一信號的峰值與有效值的比值。 *各種波形的波峰系數(shù)KF 和波峰系數(shù)KP 參表3.2.1一、一、 交流電壓的表征

7、交流電壓的表征 交流電壓可以用峰值、平均值、有效值來表征；它們相互間的關(guān)系可用波形系數(shù)、波峰系數(shù)來表征。1）峰值：）峰值：交變電壓在一個周期內(nèi)所能達到的最大值。記為UP 。第5頁/共30頁第6頁/共30頁 二、交流電壓的測量方法二、交流電壓的測量方法 交流電壓的測量方法很多，其中最主要的方法是用檢波器將交流變換為直流、然后再接到直流表頭進行測量。 根據(jù)檢波特性不同，有平均值檢波平均值檢波、峰值檢波峰值檢波 和 有效有效值檢波值檢波，相應(yīng)的電壓表簡稱為平均值電壓表、峰值電壓表和有效值電壓表。第7頁/共30頁 三、三、 平均值電壓表平均值電壓表1.結(jié)構(gòu)組成：結(jié)構(gòu)組成： 該表又稱放大檢波式電子電壓表

8、，即先放大后檢波。 2.特點：特點： 該表檢波器對被測電壓的平均值產(chǎn)生響應(yīng), 頻率范圍頻率范圍主要受放大器帶寬限制, 典型頻率范圍為20Hz 10MHz, 故又稱為視頻毫伏表、主要用于低頻電壓測量。 靈敏度靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲限制，一般可做到毫伏級 。 一般的“寬頻帶毫伏表”基本屬于這一類。第8頁/共30頁 三、三、 平均值電壓表平均值電壓表 3.平均值表頭的工作原理平均值表頭的工作原理 檢波電路如圖3.2-5所示。 微安表指針偏轉(zhuǎn)角與輸入電壓關(guān)系 平均值檢波表頭偏轉(zhuǎn)角正比于其輸入電壓平均值，與其波形無關(guān)與其波形無關(guān)。 其中：R = 103104、且微安表兩端并聯(lián)電容用于濾除檢波后電流中的交

9、流成分，避免表針抖動 ；電容的充放電時間常數(shù)相等。 (a)半波整流半波整流(b) (a)的簡化式的簡化式 (c)全波整流全波整流(d) (c)的簡化式的簡化式微安表指針與電流關(guān)系微安表電流與電壓關(guān)系微安表指針與電壓關(guān)系UKrRUkIkmd 2 mdrRUI 2Ik 第9頁/共30頁式中: 是被測正弦波電壓的平均值，Ka 是定度系數(shù)。UFsinsinsinKUUKa 當采用全波檢波時：當采用全波檢波時： 設(shè)正弦峰值電壓為1V時，其平均電壓： 2 U 可見：平均值電壓表的定度系數(shù) Ka =1.11 11122. UUKaa 由于被測交流電壓多為正弦波，且希望得到測量的有效值，因而儀表刻度采用正弦波

10、有效值 定度定度。即將儀表刻度盤按正弦波電壓有效值刻度。電壓表被施加正弦正弦交流電壓U 時的指示值為：sinsinUKUaa 4.電壓測量電壓測量21 U第10頁/共30頁4.電壓測量電壓測量aFFxUKUKU90. 再根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)，計算其有效值： aaaaUUKUU90111. 正弦量測量正弦量測量 直讀 非正弦量測量非正弦量測量 首先按“平均值相等示值也相等”的原則，將示值Ua 折算成被測電壓的平均值： 例：例：用全波平均值電壓表測得三角波電壓的示值為10V， 則其平均值為： 其有效值為：9VV109 . 09 . 0 aaaUKUUV VV V35109151. UKUF第11頁/

11、共30頁5. 誤差分析誤差分析 測量非正弦波或失真的正弦波時，引起的波形誤差。 以 全波平均值表全波平均值表 為例，當以平均值表的示值直接作為被測電壓的有效值時，引起的絕對誤差為： 引起的相對誤差為：).(FaKUU901 ).(FaUKUU901 用平均值表測量交流電壓會因直流微安表本身的誤差及檢波二極管的老化，超過頻率范圍等而產(chǎn)生誤差。 當以平均值表的示值直接作為被測電壓的有效值時， 引起的絕對誤差為： 引起的相對誤差為： 例：例：用全波平均值電壓表測得三角波電壓的示值為10V， 則其平均值為： 其有效值為：9VV109 . 09 . 0 aaaUKUUV VV V35109151. UK

12、UF 可見，不管被測非正弦電壓的波形如何，直接將電壓表示值當做被測電壓的有效值將會造成波形誤差。)(.).().(V V35015190110901 FaKUU%.%).(53100901 FaUKUU 第12頁/共30頁 用平均值電壓表測失真正弦波電壓的誤差分析： 設(shè)被測電壓為： 其中：Kn為 n 次諧波幅度相對于基波幅度的百分數(shù)， n 諧波次數(shù) ( 取n2或3)； n為n次諧波初相角。 被測電壓的平均值 被測電壓的指示值 但被測電壓的實際有效值為： 測量失真波形電壓誤差：axrelaaUUUUUU *諧波失真波形誤差可由P79圖3.2.6查得。第13頁/共30頁6. 平均值檢波電壓表平均值

13、檢波電壓表+_放大器放大器衰減器衰減器檢波器檢波器第14頁/共30頁 四、四、 峰值電壓的測量峰值電壓的測量 1.結(jié)構(gòu)原理：結(jié)構(gòu)原理： 電路組成如圖所示，被測交流電壓先檢波后放大，然后驅(qū)動直流電流表偏轉(zhuǎn)。該表又稱檢波放大式電子電壓表. 2.特點：特點： 在峰值電壓表中，檢被器峰值響應(yīng)。 由于采用橋式直流放大器，增益不高。這類電壓表靈敏度較低，一般為幾十毫伏。測量電壓的上限取決于檢波二極管的反向擊穿電壓。工作頻率范圍取決于檢波二極管的高頻特性，一般可達幾百兆赫。 為了提高檢波一放大式電子電壓表的靈敏度，目前普遍采用斬波式直流放大器，如圖3.2-2 (b)所示其增益較高，噪聲、0點漂移都很小，其最

14、高靈敏度可達幾十微伏。第15頁/共30頁 檢波電路如圖3.2-19所示。 3. 峰值表頭的工作原理峰值表頭的工作原理串聯(lián)式：倍壓式：ux(t)RxRCRdi充充i放放ux(t)RxRRdCi放放i充充-+ux(t)RxRC1C2Rd2Rd1并聯(lián)式： 四、四、 峰值電壓的測量峰值電壓的測量 其中：R = 107108、且 微安表指針偏轉(zhuǎn)角(示值 )正比于其輸入電壓峰值， 與其波形基本無關(guān)與其波形基本無關(guān)。 第16頁/共30頁式中: 是被測任意波形電壓的峰值，Ka 是定度系數(shù)。mUPsinsinsin1)()(KUUKmrmsa 設(shè)正弦有效值電壓為1V時，其峰值電壓： 2 mU707021.)()

15、(sinsin mrmsaUUK 由于儀表刻度采用正弦波有效值定度定度。即將正比于輸入電壓峰值的指針偏轉(zhuǎn)乘以定度系數(shù) Ka 作為儀表刻度值。 電壓表加正弦交流電壓Ua 時的指示值為：maaUKU 四、四、 峰值電壓的測量峰值電壓的測量4.電壓測量電壓測量appaapmxUKKUKKUU2 * 根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)，計算其有效值： aaamUKUU2 正弦量測量正弦量測量-直讀非正弦量測量非正弦量測量-首先按 “峰值相等-示值也相等” 的原則，將示值Ua 折算成被測電壓的峰值：第17頁/共30頁第18頁/共30頁 四、四、 峰值電壓的測量峰值電壓的測量5. 誤差分析誤差分析 四、四、 峰值電壓的測

16、量峰值電壓的測量 (1) 理論誤差理論誤差 由于峰值檢波器負載電阻上總要消耗一部分能量，為了維持檢波器正常工作，負載電阻上的電壓一直處于不斷進行充放電的動態(tài)平衡狀態(tài)，其輸出電壓平均值UR總是低于實際峰值。這是峰值檢波器的理論誤差，屬固有誤差。 峰值表的誤差來源主要有： 理論誤差 、頻率誤差、波形誤差 經(jīng)數(shù)學分析可知，當被測電壓為正弦波時產(chǎn)生的理論誤差為： 絕對誤差 第19頁/共30頁 四、四、 峰值電壓的測量峰值電壓的測量 (2) 頻率誤差頻率誤差 峰值表比較適用于高頻測量，因為阻容放電時間變換較快，當工作頻率很低時，T 很大，使放電時間增加。在一定的放電時間常數(shù)RC之下，UR之值便降低愈多，

17、誤差也就愈大。為了把低頻誤差控制在一定限度之內(nèi)工作頻率下限不能太低。 如果應(yīng)用在低頻，因為信號周期較長，而產(chǎn)生的頻率相對誤差為： 當利用峰值表測量正弦波電壓時，峰值檢波電路對波形的凸起部分非常敏感。若信號失真度較大, 將會造成較大的波形誤差。在測量諧波失真較大的電壓時，盡量不要選用這種儀表，必須使用時應(yīng)進行誤差修正。 如果被測信號是有規(guī)則的非正弦波電壓，與平均值表情況類似，可以進行波形換算，以減小波形誤差，(3) 波形誤差波形誤差第20頁/共30頁6. 峰值檢波器電壓表峰值檢波器電壓表 這是反相型峰值檢波器。運放 Al 對輸入信號進行反相放大，VD2為半波檢波二極管，C 為存儲電容，A2 為電

18、壓跟隨器，具有較高的輸入阻抗，在電容和輸出之間緩沖。電阻R1和R2與電位器RP組成反饋回路，通過調(diào)節(jié)電位器可以改變環(huán)路增益。 被測輸入信號 0；VD2 導通，VD1截止時；電容C被充電；使uo 跟隨ui 。 被測輸入信號 0時，Al的輸出 0；VD1 導通，VD2截止時；電容C與Al 隔離；使uc 保持uimax 。 第21頁/共30頁 五、五、 有效值電壓表有效值電壓表實現(xiàn)方法：實現(xiàn)方法： 通常實現(xiàn)直接有效值電壓測量的方法有兩種-熱電轉(zhuǎn)換法、公式法 (1)熱電轉(zhuǎn)換法：將交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。 該法沒有波形誤差，但有熱慣性和頻帶不寬等缺點。 (2)公式法：利用方均根值公式進行轉(zhuǎn)換。

19、 在實際測量中，有時需要測量非正弦 信號電壓的有效值。例如，非線性失真儀需要測量的諧波電壓是一種復雜波形，若用峰值檢波器或均值檢波器去測量，難以換算出實際的電壓有效值。需要能直接測出任意波形電壓有效值的檢波器， 這種能直接測出任意波形電壓有效值的檢波器稱為有效值檢波器。第22頁/共30頁 (1) 熱電轉(zhuǎn)換法：熱電轉(zhuǎn)換法：將交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。 實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法利用熱電偶來實現(xiàn)有效值轉(zhuǎn)換的基本電路如圖所示，圖中AB是加熱絲，當接入被測電壓 ux 時，加熱絲發(fā)熱，熱電偶 M 的熱端 C 點的溫度將高于冷端 D，E 的溫度，產(chǎn)生熱電勢；有直流電流I 流過微安表。22)()(Xmrsxx

20、XmrsUkEETU 即即：；已已知知： 2)(XmrsxUIE；又又： 電路實現(xiàn)一例：電路實現(xiàn)一例：當分壓器及放大器總傳輸系數(shù)為1時， Ex KUx 2熱電偶 M2 與 M1 性能相同， Ef KUo2當放大器A的增益足夠大時， E= Ex -Ef 0；即： KUo2 - KUx 2 0 UoUx 可見：輸出直流電壓Uo 與被測電壓的有效值Ux成正比。 該電路完成了RMS DC 的線性轉(zhuǎn)換；表盤可均勻刻度。 特點特點： *可測任意周期性波形的電壓有效值，同諧波與基波的相角無關(guān)，不會產(chǎn)生波形誤差。 *當用正弦波電壓有效值刻度時，表盤刻度是線性的。 * 該法頻率范圍受放大器帶寬限制, 在測矩形方波時, 其高次諧波會受抑制而產(chǎn)生誤差。 * 其量程受限于放大器的動態(tài)范圍。當被測電壓波形上的尖蜂過高時會受到電壓表放大器動態(tài)范圍的限制，因此還會產(chǎn)生一定的波形誤差。 uxuxIf第23頁/共30頁 特點特點： *可測任意周期性波形電壓的有效值，同諧波/基波間相角無關(guān)，不會產(chǎn)生波形誤差。 * 因為I Uxrms2，用正弦波電壓有效值刻度時，表盤刻