模擬測量方法

1、第四章第四章 模擬測量方法模擬測量方法田寶鳳田寶鳳儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院2主要內(nèi)容主要內(nèi)容 4.1 電壓測量概述電壓測量概述 4.2 交流電壓的測量交流電壓的測量 4.3 小結(jié)小結(jié)教學(xué)重點與難點教學(xué)重點與難點 重點：重點： 交流電壓的表征交流電壓的表征 平均值檢波器電路及工作原理平均值檢波器電路及工作原理 峰值檢波器電路及工作原理峰值檢波器電路及工作原理 有效值檢波三種實現(xiàn)方法原理有效值檢波三種實現(xiàn)方法原理 難點：難點： 波形換算方法及誤差分析波形換算方法及誤差分析34.1 4.1 電壓測量概述電壓測量概述 電壓是電子電路中的一個主要參量，是其它許多電參量測電壓是電子電路

2、中的一個主要參量，是其它許多電參量測量、非電測量的基礎(chǔ)。量、非電測量的基礎(chǔ)。4例如：功率測量，P=V2/R=IV，歸于電壓的測量。失真系數(shù)失真系數(shù)：122vvDnii 54.1 4.1 電壓測量概述電壓測量概述1 1 電壓測量的基本要求電壓測量的基本要求 (1)(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( (直流到數(shù)百兆赫）直流到數(shù)百兆赫） (2)(2)應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y量范圍應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y量范圍（微伏級，幾十千伏）（微伏級，幾十千伏） (3)(3)應(yīng)有足夠高的測量準(zhǔn)確度應(yīng)有足夠高的測量準(zhǔn)確度 電壓測量儀器的準(zhǔn)確度可用以下三種方式之一來表示：電壓測量儀器的準(zhǔn)確度可用以下三種方式之一來表

3、示： 滿度值的百分?jǐn)?shù)，即滿度值的百分?jǐn)?shù)，即 ； 讀數(shù)值的百分?jǐn)?shù)，即讀數(shù)值的百分?jǐn)?shù)，即 ； 讀數(shù)值百分?jǐn)?shù)與滿度值百分?jǐn)?shù)之和，讀數(shù)值百分?jǐn)?shù)與滿度值百分?jǐn)?shù)之和， 即即 + + 。xV%mV%xV%mV%實質(zhì)是對電壓測量設(shè)備的要求實質(zhì)是對電壓測量設(shè)備的要求一般用于線形刻度模擬電壓表用于具有對數(shù)刻度的電壓表用于數(shù)字電壓表64.1 4.1 電壓測量概述電壓測量概述 (4)(4)應(yīng)有足夠高的輸入阻抗應(yīng)有足夠高的輸入阻抗 電壓表的輸入阻抗接入被測電路時，作為被測電路電壓表的輸入阻抗接入被測電路時，作為被測電路的額外負(fù)載，為減小測量儀表對被測電路的影響，的額外負(fù)載，為減小測量儀表對被測電路的影響，希望儀器具有較

4、高的輸入阻抗。希望儀器具有較高的輸入阻抗。 (5)(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 干擾可能引入較大的測量誤差干擾可能引入較大的測量誤差 vE0R2 2 電壓測量儀器的分類電壓測量儀器的分類模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表74.2 交流電壓的測量 4.2.1 交流電壓的表征交流電壓的表征 （1）峰值）峰值 （2）平均值）平均值 （3）有效值）有效值 （4）波形系數(shù)及波峰系數(shù)）波形系數(shù)及波峰系數(shù)84.2 交流電壓的測量1.峰值峰值 以以零電平零電平為參考的最大電壓幅值（用為參考的最大電壓幅值（用UpUp表示表示 ）。）。注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱

5、為振幅，注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱為振幅，（通常用（通常用UmUm表示）。表示）。t tu(t)Vp0UmTUUpU0Um94.2.1 4.2.1 交流電壓的表征交流電壓的表征正峰值正峰值Up+負(fù)峰值負(fù)峰值Up-的絕對值的絕對值交流電交流電壓的振幅值壓的振幅值Um！104.2.1 4.2.1 交流電壓的表征交流電壓的表征正峰值正峰值Up+負(fù)峰負(fù)峰值值Up-的絕對值的絕對值交流電壓的振幅值交流電壓的振幅值Um！114.2.1 4.2.1 交流電壓的表征交流電壓的表征2.平均值平均值 平均值在數(shù)學(xué)上的定義為：平均值在數(shù)學(xué)上的定義為： 相當(dāng)于交流電壓相當(dāng)于交流電壓u(t)u(t)的的直流

6、分量直流分量。 顯然，顯然，不含直流分量的正弦信號的電壓平均值為零。不含直流分量的正弦信號的電壓平均值為零。01( )TUu t dtT124.2.1 4.2.1 交流電壓的表征交流電壓的表征 交流電壓測量中，平均值通常指經(jīng)過全波或半波交流電壓測量中，平均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后的波形。整流后的波形。全波整流波形全波整流波形半波整流波形，半波檢半波整流波形，半波檢波后的平均值是全波平波后的平均值是全波平均值的一半，即為正弦均值的一半，即為正弦信號電壓平均值的一半。信號電壓平均值的一半。 134.2.1 4.2.1 交流電壓的表征交流電壓的表征 一般若無特指，均為全波整流：一般若無特指，均為

7、全波整流： 對理想的正弦交流電壓對理想的正弦交流電壓u(t)=Uu(t)=UP Psin(t)sin(t)，若，若=2/T,=2/T,則：則：01( )TUu t dtTpUU2144.2.1 4.2.1 交流電壓的表征交流電壓的表征 3.有效值有效值 定義：定義：交流電壓交流電壓u(t)u(t)在一個周期在一個周期T T內(nèi)，通過某純電阻負(fù)載內(nèi)，通過某純電阻負(fù)載R R所產(chǎn)生的熱量，與一個直流電壓所產(chǎn)生的熱量，與一個直流電壓U U在同一負(fù)載上產(chǎn)生的在同一負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時，則該直流電壓熱量相等時，則該直流電壓U U的數(shù)值就表示了交流電壓的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)u(t)的有效值。的有效值

8、。 表達(dá)式：表達(dá)式：直流電壓直流電壓U,U,在在T T內(nèi)電阻內(nèi)電阻R R上產(chǎn)生的熱量：上產(chǎn)生的熱量： 交流電壓交流電壓u(t),u(t),在在T T內(nèi)電阻內(nèi)電阻R R上產(chǎn)生的熱量：上產(chǎn)生的熱量：由由 可得：可得：有效值有效值TRURTIQ22dtRtuQT02)(QQ TdttuTU02)(1154.2.1 4.2.1 交流電壓的表征交流電壓的表征 對理想的正弦交流電壓對理想的正弦交流電壓u(t)=Uu(t)=Up psin(t)sin(t)，若，若=2/T=2/T，則：則：4.4.波形系數(shù)和波峰系數(shù)波形系數(shù)和波峰系數(shù) 波形系數(shù)定義：波形系數(shù)定義：電壓的有效值與其平均值之比，用電壓的有效值與其

9、平均值之比，用K KF F表表示。示。2pUU 平均值有效值UUKF 164.2.1 4.2.1 交流電壓的表征交流電壓的表征 波峰系數(shù)定義：波峰系數(shù)定義：電壓的峰值與其有效值之比，用電壓的峰值與其有效值之比，用K KP P表示。表示。有效值峰值UUKpP414. 12 pK1pK73.13 pK 174.2.2 4.2.2 交流電壓的測量方法交流電壓的測量方法 交流電壓的測量核心是用各種檢波器實現(xiàn)交流電壓的測量核心是用各種檢波器實現(xiàn)AC/DC變換，然變換，然后再接到直流電壓表上進(jìn)行測量。后再接到直流電壓表上進(jìn)行測量。 根據(jù)檢波特性的不同：根據(jù)檢波特性的不同： 峰值檢波峰值檢波峰值電壓表峰值電

10、壓表 平均值檢波平均值檢波均值電壓表均值電壓表 有效值檢波有效值檢波有效值電壓表有效值電壓表184.2.2 4.2.2 交流電壓的測量方法交流電壓的測量方法1.1.峰值電壓表峰值電壓表 檢波檢波- -放大式電子電壓表放大式電子電壓表( (將被測電壓經(jīng)檢波器檢波變成直將被測電壓經(jīng)檢波器檢波變成直流電壓，經(jīng)直流放大器放大后驅(qū)動直流微安表偏轉(zhuǎn)流電壓，經(jīng)直流放大器放大后驅(qū)動直流微安表偏轉(zhuǎn)) ) 檢波輸出的直流電壓與輸入交流信號檢波輸出的直流電壓與輸入交流信號峰值成比例的檢波器峰值成比例的檢波器 分壓器 直流放大器峰值檢波器（探頭）先檢波、后放大194.2.2 4.2.2 交流電壓的測量方法交流電壓的測

11、量方法增益不高，靈敏度低。 靈敏度高，噪聲、零點漂移小。204.2.2 4.2.2 交流電壓的測量方法交流電壓的測量方法 2.2.平均值電壓表平均值電壓表 放大放大- -檢波式電子電壓表檢波式電子電壓表( (先將被測交流信號進(jìn)行放先將被測交流信號進(jìn)行放大大, ,然后再進(jìn)行檢波然后再進(jìn)行檢波, ,最后通過直流表頭指示讀數(shù)最后通過直流表頭指示讀數(shù)) )阻容分壓電路，阻容分壓電路，用來改變均值表用來改變均值表的量程的量程通過整流和濾波提取寬放輸出電通過整流和濾波提取寬放輸出電壓的平均值，并輸出與它成正比壓的平均值，并輸出與它成正比的直流電流的直流電流先放大、后檢波214.2.2 4.2.2 交流電壓

12、的測量方法交流電壓的測量方法 3.3.有效值電壓表有效值電壓表 采用三種方法實現(xiàn)：采用三種方法實現(xiàn)： （1 1）平方律伏安特性檢波平方律伏安特性檢波 （2 2）熱電轉(zhuǎn)換法：將交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。）熱電轉(zhuǎn)換法：將交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。 （3 3）公式法：利用有效值的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。）公式法：利用有效值的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。TdttuTU02)(1224.2.3 4.2.3 平均值電壓的測量平均值電壓的測量 平均值檢波器的工作原理平均值檢波器的工作原理234.2.3 4.2.3 平均值電壓的測量平均值電壓的測量 平均值檢波器的工作原理（續(xù)）平均值檢波器的工作原理（續(xù)） 以全波整流

13、電路為例，平均值檢波器的工作原理：以全波整流電路為例，平均值檢波器的工作原理： 輸出直流電流輸出直流電流I Io o，其平均值與被測輸入電壓，其平均值與被測輸入電壓u(t)u(t)的平均值的平均值成正比（與成正比（與u(t)u(t)的波形無關(guān)）。的波形無關(guān)）。式中：式中：T T為為u(t)u(t)的周期，的周期，r rd d和和r rm m分別為檢波二極管的正向?qū)ǚ謩e為檢波二極管的正向?qū)娮韬碗娏鞅韮?nèi)阻，視為常數(shù)電阻和電流表內(nèi)阻，視為常數(shù)01( )( )22Todmdmu tu tIdtTrrrr電容電容C C用于濾除整流后的交用于濾除整流后的交流成分，避免指針擺動流成分，避免指針擺動24

14、4.2.3 4.2.3 平均值電壓的測量平均值電壓的測量 波形換算方法波形換算方法 由于指針偏轉(zhuǎn)角由于指針偏轉(zhuǎn)角與被測電壓平均值與被測電壓平均值 成正比，但儀表成正比，但儀表度盤是度盤是按正弦波電壓有效值按正弦波電壓有效值刻度的。所以電表在額定頻率刻度的。所以電表在額定頻率下加正弦交流電壓時的指示值：下加正弦交流電壓時的指示值：UUKU定度系數(shù)定度系數(shù)被測信號的平均值被測信號的平均值UUK可得：可得：V平平均均值值檢檢波波表表頭頭( (讀讀數(shù)數(shù)= =) )u(t)UU 254.2.3 4.2.3 平均值電壓的測量平均值電壓的測量 波形換算的步驟波形換算的步驟 (1)(1)把讀數(shù)把讀數(shù) 想象為有

15、效值等于想象為有效值等于 的純正弦波輸入，采用的純正弦波輸入，采用全波檢波時的讀數(shù)，計算定度系數(shù)。全波檢波時的讀數(shù)，計算定度系數(shù)。 (2)(2)根據(jù)任意波形根據(jù)任意波形“平均值相等示值也相等的原則平均值相等示值也相等的原則”，將示，將示值換算成被測電壓的平均值。值換算成被測電壓的平均值。 (3)(3)利用被測信號的波形系數(shù)利用被測信號的波形系數(shù)K KF F，求出被測電壓的有效值。求出被測電壓的有效值。11. 12222/ppUUUUKUUKUU9 . 011. 1/UKUKUFFrmsX9 . 0264.2.3 4.2.3 平均值電壓的測量平均值電壓的測量 誤差分析誤差分析 主要分析當(dāng)測量非正

16、弦波信號時引起的波形誤差。主要分析當(dāng)測量非正弦波信號時引起的波形誤差。 當(dāng)以平均值表的示值直接作為被測電壓的有效值時，引起當(dāng)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：的絕對誤差： 示值相對誤差：示值相對誤差：U)K9 . 01 (UK9 . 0UUFF%100)9 . 01 (%100)9 . 01 (%100FFUKUUKUU274.2.3 4.2.3 平均值電壓的測量平均值電壓的測量 波形換算例子波形換算例子 用平均值表（全波式）分別測量方波及三角波電壓，電表用平均值表（全波式）分別測量方波及三角波電壓，電表均指在均指在1010伏位置，問被測電壓的有效值分別是多少伏？伏位

17、置，問被測電壓的有效值分別是多少伏？ 解解:(1):(1)首先求被測電壓（任意波形）的平均值。首先求被測電壓（任意波形）的平均值。 (2)(2)利用波形系數(shù)求被測電壓的有效值。利用波形系數(shù)求被測電壓的有效值。 對于方波：對于方波：K KF F=1,=1,所以：所以： 對于三角波：對于三角波：K KF F=1.15,=1.15,所以：所以：V9109 . 0U9 . 0UV991UKUFrmsxV35.10915. 1UKUFrmsx284.2.4 4.2.4 有效值電壓的測量有效值電壓的測量 有效值檢波原理有效值檢波原理 (1)利用二極管平方律伏安特性檢波利用二極管平方律伏安特性檢波 根據(jù)電壓

18、有效值定義：根據(jù)電壓有效值定義： 為了得到有效值，首先需要對為了得到有效值，首先需要對u(t)u(t)平方。二極管的正向特平方。二極管的正向特性曲線可近似為平方關(guān)系。性曲線可近似為平方關(guān)系。 圖中電流：圖中電流： TrmsdttuTU02)(1uxE0ux峰值2x0) t (uEKi) t (Ku) t (uKE2KEi2xx020294.2.4 4.2.4 有效值電壓的測量有效值電壓的測量 直流電流表的指針的偏轉(zhuǎn)角與電流直流電流表的指針的偏轉(zhuǎn)角與電流i i的平均值的平均值 成比例：成比例：IT0dt) t ( iT1Irmsx2x020KUUKE2KE對于正弦對于正弦波或周期波或周期對稱的電

19、對稱的電壓，此項壓，此項為為0。起始電流，起始電流，可以設(shè)法可以設(shè)法在電路中在電路中抵消此項。抵消此項。與被測電壓與被測電壓有效值的平有效值的平方成比例的方成比例的項。項。xrms2KUI 因而可以得到：因而可以得到：實現(xiàn)了有效值轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)了有效值轉(zhuǎn)換。304.2.4 4.2.4 有效值電壓的測量有效值電壓的測量 (2)利用熱電偶來實現(xiàn)有效值檢波利用熱電偶來實現(xiàn)有效值檢波 熱電效應(yīng)：熱電效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一個閉合回路，當(dāng)兩節(jié)點處溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電動個閉合回路，當(dāng)兩節(jié)點處溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電動勢，從而形成電流，這一現(xiàn)

20、象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢稱為動勢稱為熱電動勢熱電動勢。 當(dāng)熱端當(dāng)熱端T T和冷端和冷端T0T0存在溫差時（即存在溫差時（即TT0TT0），則存在熱電動），則存在熱電動勢，且勢，且熱電動勢的大小與溫差熱電動勢的大小與溫差T=T-T0T=T-T0成正比。成正比。冷冷端端T T0 0熱熱端端T T314.2.4 4.2.4 有效值電壓的測量有效值電壓的測量 熱電偶：熱電偶： 將兩種不同金屬進(jìn)行特別將兩種不同金屬進(jìn)行特別封裝并標(biāo)定后，稱為一對封裝并標(biāo)定后，稱為一對熱電偶（簡稱熱偶）。熱電偶（簡稱熱偶）。 熱電偶有效值檢波原理：熱電偶有效值檢波原理

21、：若通過被測交流電壓對熱若通過被測交流電壓對熱電偶的熱端進(jìn)行加熱，則電偶的熱端進(jìn)行加熱，則熱電動勢將反映該交流電熱電動勢將反映該交流電壓的有效值，從而實現(xiàn)了壓的有效值，從而實現(xiàn)了有效值檢波。有效值檢波。R Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加熱熱絲絲熱熱端端T T熱熱偶偶M Mu uA A連連接接導(dǎo)導(dǎo)線線I I2UI 324.2.4 4.2.4 有效值電壓的測量有效值電壓的測量 (3)利用模擬運(yùn)算電路實現(xiàn)有效值檢波利用模擬運(yùn)算電路實現(xiàn)有效值檢波Ux rms334.2.5 4.2.5 峰值電壓的測量峰值電壓的測量 常見峰值表檢波電路原理圖常見峰值表檢波電路原理圖(a) 串聯(lián)式串聯(lián)式

22、(b) 并聯(lián)式并聯(lián)式(c) 倍壓式倍壓式344.2.5 4.2.5 峰值電壓的測量峰值電壓的測量 峰值檢波原理峰值檢波原理 以串聯(lián)式峰值檢波電路為例，以串聯(lián)式峰值檢波電路為例，通過二極管通過二極管正向快速充電正向快速充電達(dá)到達(dá)到輸入電壓的峰值，而二極管輸入電壓的峰值，而二極管反反向截止時向截止時“保持保持”該峰值。該峰值。 為此，要求：為此，要求： 這樣可以做到電容這樣可以做到電容C C充電時間短、充電時間短、放電時間長，從而保持電容放電時間長，從而保持電容C C兩兩端的電壓始終接近等于輸入電端的電壓始終接近等于輸入電壓的峰值壓的峰值 。minmaxTCRTRC，dsRRR pcRUUU354.2.5 4.2.5 峰值電壓的測量峰值電壓的測量 波形換算方法波形換算方法 一般的峰值表與平均值表類似，也是按正弦波有效值進(jìn)行刻一般的峰值表與平均值表類似，也是按正弦波有效值進(jìn)行刻度，在額定頻率下度盤上的指示值：度，在額定頻率下度盤上的指示值： (1)當(dāng)被測電壓是正弦波時，計算定度