第七章 電壓的測量

1、第七章 電壓測量 7.1 概 述一、電壓測量的重要性 電壓是一個基本物理量，是集總電路中表征電信號能量的三個基本參數(shù)（電壓、電流、功率）之一，電壓測量是電子測量中的基本內(nèi)容。在電子電路中，電路的工作狀態(tài)如諧振、平衡、截止、飽和以及工作點的動態(tài)范圍，通常都以電壓形式表現(xiàn)出來。電子設(shè)備的控制信號、反饋信號及其它信息，主要表現(xiàn)為電壓量。 在非電量的測量中，也多利用各類傳感器件裝置，將非電參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓參數(shù)。 電路中其他電參數(shù)，包括電流和功率，以及如信號的調(diào)幅度、波形的非線性失真系數(shù)、元件的Q值、網(wǎng)絡(luò)的頻率特性和通頻帶、設(shè)備的靈敏度等等，都可以視作電壓的派生量，通過電壓測量獲得其量值。 最后也是最重要

2、的，電壓測量直接、方便，將電壓表并接在被測電路上，只要電壓表的輸入阻抗足夠大，就可以在幾乎不對原電路工作狀態(tài)有所影響的前提下獲得較滿意的測量結(jié)果。作為比較，電量測量就不具備這些優(yōu)點，首先需要把電流表串接在被測支路中，很不方便，其次電流 表的接入改變了原來電路的工作狀態(tài)，測得值不能真實地反映出原有情況。 由此不難得出結(jié)論：電壓測量是電子測量的基礎(chǔ)，在電子電路和設(shè)備的測量調(diào)試中，電壓測量是不可缺少的基本測量。二、電壓測量的特點 第一章中介紹的電子測量的基本特點，同樣在電壓測量中得到體現(xiàn)，電壓測量的特點就對電壓測量的主要儀器電壓表的性能 ，提出了相應(yīng)的要求。這些主要包括下面幾個方面。 頻率范圍 電子

3、電路中電壓信號的頻率范圍相當(dāng)廣，除直流外，交流電壓的頻率從 Hz(甚至更低)到 Hz，頻段不同，測量方法手段也各異。 測量范圍 電子電路中待測電壓的大小，低至 v，高到幾十伏，幾百伏甚至上千伏。信號電壓電平低，就要求電壓表分辨力高，而這些又會受到干擾、內(nèi)部噪聲等的限制。信號電壓電平高，就要考慮電壓表輸入級中加接分610910910 壓網(wǎng)絡(luò)，而這又會降低電壓表的輸入阻抗。 信號波形 電子電路中待測電壓的波形，除正弦波外，還包括失真的正弦波以及各種非正弦波（如脈沖電壓等），不同波形電壓的測量方法以及對測量準(zhǔn)確度的影響是不一樣的。 被測電路的輸出阻抗 由待測電壓兩端看去的電子電路的等效電路，可以用圖

4、7.1-1（b）表示，其中 為電路的輸出阻抗， 為電壓表的輸入阻抗。在實際的電子電路中， 的大小 不一，有些電路 很低，可以小于幾十歐姆，有些電路ozizozoz 很高，可能大于幾百千歐，前面已經(jīng)講過，電壓表的負(fù)載效應(yīng)對測量結(jié)果的準(zhǔn)確度有影響，尤其是對輸出阻抗 比較高的電路。 ozoz被測電路電壓表xu（a）（b）xuoziciR圖 7.1-1 電壓表測量電壓及其等效電路 測量精度 由于被測電壓的頻率、波形等因素的影響，電壓測量的準(zhǔn)確度有較大差異。電壓值的基準(zhǔn)是直流標(biāo)準(zhǔn)電壓，直流測量時分布參數(shù)等的影響也可以忽略，因而直流電壓測量的精度較高。 目前利用數(shù)字電壓表可使直流電壓測量精度優(yōu)于 量級。但

5、交流電壓測量精度要低得多，因為交流電壓須經(jīng)交流/直流（AC/DC）變換電路變成直流電壓，交流電壓的頻率和電壓大小對AC/DC變換電路的特性都有影響。710 同時高頻測量時分布參數(shù)的影響很難避免和準(zhǔn)確估算，因而目前交流電壓測量的精度一般在 量級。 干擾 電壓測量易受外界干擾影響，當(dāng)信號電壓較小時，干擾往往成為影響測量精度的主要因素，相應(yīng)要求高靈敏度電壓表（如數(shù)字式電壓表、高頻毫伏表等）必須具有較高的抗干擾能力，測量時也要特別注意采取相應(yīng)措施（例如正確的接線方式，必要的電磁屏蔽），以減少外界干擾的影響。210410 三、 電壓測量儀器的分類 按顯示方式分類 電壓測量儀器只要指各類萬用表。在一般工頻

6、（50Hz）和要求不高的低頻（低于幾十kHz）測量時，可使用一般萬用表電壓檔，其他情況大都使用電子電壓表。按顯示方式不同，電子電壓表分為模擬式電子電壓表和數(shù)字式電子電壓表。 前者以模擬式電表顯示測量結(jié)果，后者用數(shù)字顯示器顯示測量結(jié)果。模擬式電壓表準(zhǔn)確度和分辨力不及數(shù)字式電壓表，但由于結(jié)構(gòu)相對簡單， 價格較為便宜，頻率范圍也寬，另外在某些場合，并不需要準(zhǔn)確測量電壓的真實大小，而只需要知道電壓大小的范圍或變化趨勢，例如作為零示器或者諧振電路調(diào)諧時峰值、谷值的觀測，此時用模擬式電壓表反而更為直觀。 數(shù)字式電壓表的優(yōu)點表現(xiàn)在：測量準(zhǔn)確度高，測量速度快，輸入阻抗大，過載能力強(qiáng)，抗干擾能力和分辨率優(yōu)于模擬

7、電壓表。此外，由于測量結(jié)果是數(shù)字形式輸出、顯示，除讀數(shù)直觀外，還便于和計算機(jī)及其他設(shè)備聯(lián)用組成自動化測試儀器或自動測試系統(tǒng)。 目前由于微處理器的運(yùn)用，高中檔數(shù)字式電壓表已普遍具有數(shù)據(jù)存貯、計算及自檢、自校、自動故障診斷功能，并配有IEEE-488或RS232C接口，很容易構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。數(shù)字式電壓表當(dāng)前存在的不足是頻率范圍不及模擬式電壓表。 除上面介紹的按顯示方式進(jìn)行的分類外，還有下述幾種分類方法。 模擬式電壓表分類 （1）按測量功能分類 分為直流電壓表、交流電壓表和脈沖電壓表。其中脈沖電壓表主要用于測量脈沖間隔很長（即占空系數(shù)很?。┑拿}沖信號和單脈沖信號，一般情況下脈沖電壓的測量已逐漸被示

8、波器測量所取代。 （2） 按工作頻段分類 可分為超低頻電壓表（低于10Hz）、低頻電壓表（低于1MHz）、視頻電壓表（低于30MHz）、高頻或射頻電壓表（低于300MHz）和超高頻電壓表（高于300MHz）。 （3） 按測量電壓量級分類 分為電壓表和毫伏表。電壓表的主量程為V（伏）量級，毫伏表的主量程mV（毫伏）。主量程是指不加分壓器或外加前置放大器時電壓表的量程。 （4） 按電壓測量準(zhǔn)確度等級分類 分為0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0和10.0等級，其滿度相對誤差分別為0.05%、0.1%、. 、10.0%。 （5） 按刻度特性分類 可分為線性刻度、對數(shù)刻度、

9、指數(shù)刻 度和其他非線性刻度。 此外，還可以按測量原理分類。這將在交流電壓測量中介紹。 按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，模擬電壓表的主要技術(shù)指標(biāo)有固有誤差、電壓范圍、頻率范圍、頻率特性誤差、輸入阻抗、峰值因數(shù)（波峰因數(shù)）、等效輸入噪聲、零點漂移等共19項。 數(shù)字式電壓表 數(shù)字式電壓表目前尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。一般測量功能分為直流數(shù)字電壓表和交 流數(shù)字電壓表。交流數(shù)字電壓表按其AC/DC變換原理分為峰值交流數(shù)字電壓表、平均值交流數(shù)字電壓表和有效值交流數(shù)字電壓表。 數(shù)字式電壓表的技術(shù)指標(biāo)較多，包括準(zhǔn)確度、基本誤差、工作誤差、分辨力、讀數(shù)穩(wěn)定度、輸入阻抗、輸入零電流、帶寬、串模干擾抑制比（SMR）、共模干擾抑制比（CM

10、R）、波峰因數(shù)等30項指標(biāo)。 在本章后面的幾節(jié)中，我們將分別介紹直流電壓、交流電壓、和脈沖電壓的測量原理和測量儀器。因為不同的測量儀器是基于 不同的測量原理而后由電子電路實現(xiàn)的裝置，所以我們把原理與儀器結(jié)合在一起加以敘述。7.2 模擬式直流電壓測量 一、動圈式電壓表 圖7.2-1是動圈式電壓表示意圖。圖中虛框內(nèi)為一直流動圈式高靈敏度電流表，內(nèi)阻為 ，滿偏電流（或滿度電流）為 ，若作為直流電壓表，滿度電壓 = 例如滿偏電流為50 A,電流表內(nèi)阻為20K，則滿偏電壓為1V。為了擴(kuò)大量程，通常串接ReImUmReIm 若干倍壓電阻，如圖7.2-1中 、 、 。這樣除了不串接倍壓電阻的最小電壓量程 外

11、，又增加了 、 、 三個電壓量程，不難計算出三個倍壓電阻的阻值分別為 （7.2-2） 1R2R3R0U1U2U3UAeR1R2R3R0U1U2U3U圖7.2-1 直流電壓表電路11me221m332m(/)()/()/RUIRRUUIRUUI 為了估計電壓表的負(fù)載效應(yīng)影響，在電壓測量時要估計電壓表內(nèi)阻，而上述磁電式（動圈式）電壓表的內(nèi)阻與電壓量程有關(guān)，而且也與電流表表頭靈敏度有關(guān)。量程一定是表頭越靈敏（即滿偏電流越小）內(nèi)阻就越大。 通常把內(nèi)阻 與量程U之比定義為模擬磁電式電壓表的“每伏歐姆（ / V）數(shù)”,也稱電壓靈敏度?！?/ V”數(shù)越大，表明為使指針偏轉(zhuǎn)同樣角度所需的驅(qū)動電流越小?！?/V

12、”數(shù)一般標(biāo)明在磁電式（如萬用表電壓檔）電壓表表盤上，可依據(jù)它推算出不同量程時電壓表的內(nèi)阻。 如上面列舉的數(shù)據(jù)例中 =50 則“ /V”為“20k /V ”，那么用10V電壓檔時vRmIA ，電壓表的內(nèi)阻即為200k 。由上面敘述不難看出，給出了“ /V”,實際上也就給出了電流表的滿偏電流。 動圈式直流電壓表的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。誤差除來源于讀數(shù)誤差外，主要決定于表頭本身和倍壓電阻的精確度，一般在 1%左右，精密電壓表可達(dá) 0.1%。其主要缺點是靈敏度不高和輸入電阻低，當(dāng)量程較低時，輸入阻抗更小，其負(fù)載效應(yīng)對被測電路工作狀態(tài)即測量結(jié)果的影響不可忽略。 相比之下，模擬式電子電壓表可以有效地提高電壓

13、表的靈敏度和輸入阻抗。有時也可以根據(jù)電路原理利用公式計算來消除電壓表的負(fù)載 效應(yīng)，得到被測電壓接近實際值的數(shù)據(jù)。 【例一】在圖7.2-2中，虛框內(nèi)表示高輸出電阻的被測電路，電壓表 的“ /V”數(shù)為20k /V，分別用5V量程和25V量程測量端電壓 ，分析輸入電阻的影響及用公式計算來消除負(fù)載效應(yīng)對測量結(jié)果的影響。 VxU5VVxU100k0RvR0E 解：如果是理想情況，電壓表內(nèi)阻 應(yīng)為無窮大，此時電壓表示值 與被測電壓實際值 相等： 當(dāng)電壓表輸入電阻為 時，電壓表測得值： （7.2-3） 相對誤差為 （7.2-4） 將有關(guān)數(shù)據(jù)值代入上面兩式，可得 vRxU0EvR05xUEV00vxvR EU

14、RR00000000vxvvREEUERRREERR 5V電壓檔： 25V電壓檔： 120k/5100vRVVk111005.02.50100 100100100%50%100 100 xUV220/25500vRkVVk2250054.17100 500100100%16.7%100 500 xUV 由此不難看出電壓表輸入阻抗尤其是低電壓檔時輸入電阻對測量結(jié)果的影響。 根據(jù)式（7.2-3），我們可以推導(dǎo)出消除負(fù)載效應(yīng)影響的計算公式，進(jìn)而計算出待測電壓的近似值： （7.2-5） 同理可得 （7.2-6） 1101010011vxvvvxRUERRRERRU20022vvxRERRU由此解出 （

15、7.2-7）式中 （7.2-8） 10201212vvvvxxRERERRUU2021(1)xxxkUEUkU21vvRkR 因此，如果內(nèi)阻不同的兩只電壓表，或者同一電壓表的不同電壓檔（此時 即等于電壓量程之比），根據(jù)上述兩式，即可由兩次測得值得到近似的實際值 。例如將本題中有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（7.2-7），可得待測電壓近似值 除了利用上面的公式計算來消除負(fù)載效應(yīng)之外，當(dāng)然也可以其他除了方法，如零示法（如電橋）和微差法（比如利用微差電壓表），但一般操作都比較麻煩，通常用在精密測量中。在工程21/vvkRR0E0(5 1) 4.175.014.1752.5EV 測量中提高輸入阻抗和靈敏度以提高測量質(zhì)

16、量最常用的辦法是利用電子電壓表進(jìn)行測量。 二、電子電壓表 電子電壓表原理 電子電壓表中，通常使用高輸入阻抗的場效應(yīng)管（FET）源極跟隨器或真空三極管陰極跟隨器以提高電壓表輸入阻抗，后接放大器以提高電壓表靈敏度，當(dāng)需要測量高直流電壓時，輸入端接入分壓電路。分壓電路的接入將使輸入電阻有所降 低 ，但只要分壓電阻取值較大，仍然可以使輸入電阻較動圈式電壓表大得多。 圖7.2-3是這種電子電壓表的示意圖。圖中 、 、 、 組成分壓器，由于FET源極跟隨器輸入電阻很大（幾百 以上），因此由 測量端看進(jìn)去的輸入電阻基本上由 、 等串聯(lián)決定，通常使它們的串聯(lián)和大于10 ，以滿足高輸入阻抗的要求。同時，在這種結(jié)

17、構(gòu)下，電壓表的輸入阻抗基本上是個常量，與量程無關(guān)。 0R1R2R3RMxU0R1RM源極跟隨器FET放大器A0R1R2R3RmRk1U2U3U圖7.2-3 電子電壓表框圖 圖7.2-4是MF-65集成運(yùn)放型電子電壓表的原理圖。 圖7.2-4 集成運(yùn)放電壓表原理 在第三章3.3節(jié)我們曾對運(yùn)放進(jìn)行過理想化和分析。當(dāng)運(yùn)放開環(huán)放大系數(shù)A足夠大時，可以認(rèn)為 ， （虛短路和虛斷路），因而有 分壓器及FET跟隨器AAxUiUfUUmRFRFI0I1I0U0iI 0iFFUUII 所以 （7.2.-9） 分壓器和電壓跟隨器的作用使 正比于待測電壓 ： 因而 （7.2-10） 即流過電流表的電流 與被測電壓成正

18、比，只要分壓系數(shù)和 足夠精確和穩(wěn)定，就可以獲得良好的準(zhǔn)確度，因此，各分壓電阻及反饋電阻 都要使用精密電阻。0iFUIRiUxUixUkU0 xFkIUR0IFRFR 調(diào)制式直流放大器 在上述使用直流放大器的電子電壓表中，直流放大器的零點漂移限制了電壓表靈敏度的提高，為此，電子電壓表中常采用調(diào)制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使電子電壓表能測量微伏量級的電壓。 調(diào)制式直流放大器的原理示于圖7.2-5.圖中微弱的直流電壓信號經(jīng)調(diào)制器（又稱斬波器） 變換為交流信號，再由交流放大器放大，經(jīng)解調(diào)器還原為直流信號（幅度已得到放大）。振蕩器為調(diào)制器和解調(diào)器提供固定頻率的同步控制信號。 圖7.2-5 調(diào)制

19、式直流放大器原理 調(diào)制器和解調(diào)器實質(zhì)上是一對同步開關(guān)，開關(guān)控制信號由振蕩器提供。調(diào)制器工作原理及各點波形示于圖7.2-6。（a）圖中 為機(jī)械式振子開關(guān)或場效應(yīng)管電子開關(guān)，R為限流電阻，以防信號源被短路，C為隔直流電容， 為交流放大器等效輸入電阻。圖（d）中 為輸入直流信號，設(shè)0T/2區(qū)間， 打開如（b）圖， ， 0000tttt調(diào)制器交流放大器解調(diào)器振蕩器AiUiUAUBUoUmKiRiUmKmiUU 在T/2T區(qū)間， 閉合如（C圖）圖， ，如此交替，獲得如圖（f）所示 波形，經(jīng)電容C濾除直流成分，得到圖（e）所示交流信號，由交流放大器進(jìn)行放大。 mK0mU mUiUmKmUAUiRCR（a）

20、iU0Et（b）iURmKCAUiR（b）（e）mU0tTT/2（c）iURmKCAUiR（f）mU0T/2TtEE/2圖7.2-6 調(diào)制器個哦那工作原理 解調(diào)器工作原理和各點波形示于圖7.2-7。其中圖（a）中 是與調(diào)制器中 同步動作的機(jī)械式振子開關(guān)或場效應(yīng)管電子開關(guān)，C為隔直流電容，正是由于它的隔直流作用，使放大器的零點漂移被阻斷，不至傳輸?shù)胶竺娴闹绷麟妷罕肀眍^。R為限流電阻， 、 構(gòu)成濾波器，濾波后得到放大后的直流信號。解調(diào)器中各點波形示于圖7.2-7（b）、（c）、（d）。 DKmKfRfC（a）CROUBUDUfRfCDKBU（b）BU0T/2Tt（c）DU0T/2TtOU0t（d）

21、圖7.2-7 解調(diào)器工作原理 圖7.2-5中的交流放大器一般采用選頻放大器，只對與圖中振蕩器同頻率的信號進(jìn)行放大而抑制其他頻率的噪聲和干擾。 在實際直流電子電壓表中，還采用了其他措施以提高性能，比如在解調(diào)器輸出端和調(diào)制解調(diào)器輸入端間增加負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)以提高整機(jī)穩(wěn)定性等。7.4 分貝值測量 測量實踐中，常常用分貝值來表示放大器的增益、噪聲電平、音響設(shè)備等有關(guān)參數(shù)。第一章中曾介紹過分貝的概念，實際上分貝值就是被測量對某一同類基準(zhǔn)量比值的對數(shù)值。例如電壓 的分貝值 （dB）為 （7.4-17）式中 為基準(zhǔn)電壓。一般規(guī)定在 上產(chǎn)生 的功率為基準(zhǔn)，相應(yīng)基準(zhǔn)電壓為 由式（7.4-17）可見，分貝值的測量，實

22、xU()20lgxzsUUdBUsU600sZ 1sPmW31 106000.755sssUPZV際上仍是電壓的測量，僅是將原電壓示值取對數(shù)后在表盤上以分貝定度而已。顯然，當(dāng) 時，分貝值為正， 時，分貝值為負(fù)， 時，分貝值為零。 圖7.4-8為MF-20電子式多用表表盤上的刻度及電壓值與其分貝值的對照表。在1.5V量程刻度線上的0.755處定為0dB， 時，為正分貝值， 時，為負(fù)分貝值。 該儀表分貝刻度為-30dB+5dB，相應(yīng)電壓值要根據(jù)所使用的量程進(jìn)行換算。xsUUxsUUxsUU0.755xUV0.755xUV圖7.4-8 分貝刻度的讀法 【例二】 用1.5V量程測電壓， ，問對應(yīng)的分貝

23、值。 解： 1.38xUV1.38()20lg50.755xUdBdB 即此時該表指針指向+5dB處。 【例三】 用MF-20的30V電壓量程，測得電壓 ，問其分貝值為多少？ 解： 但此時MF-20表針指出的分貝值為+5dB，顯然這不是 的分貝值。原因在于：MF-20多用表的電壓基本量程是01.5V，表盤上的分貝值與該量程上電壓值相對應(yīng)。27.5xUV27.5()20lg310.755xUdBdBxU 當(dāng)使用30V量程時，在該表的可變量程分壓器的分壓比為30/1.5=20，因此加在后面電壓表表頭上的電壓是衰減20倍的被測電壓，或者說實際被測電壓應(yīng)是加在表頭上電壓的20倍。設(shè)表頭上電壓為 ，則實

24、際被測電壓為 ，寫成分貝形式為 （7.4-18）例中表針指出的+5dB即式中 的值，因此xU20 xxUU()20lg(20)20lg(20)20lg2620lgxxxxUdBUUdBU20lgxU 的實際分貝值為26dB+5dB=31dB。同樣，可以計算出不同量程下被測電壓的分貝值。圖7.4-8中兩側(cè)的對照表就是為了這種計算而列出的。 例如若使用150V電壓檔，被測電壓的分貝值應(yīng)是表盤上分貝值加上+40dB，若使用60mV電壓檔，被測電壓的分貝值應(yīng)是表盤上指針對應(yīng)的分貝值加上（-28）dB，以此類推。 【例四】 用MF-20的300mV檔測電壓，表針指在-10dB處，被測電壓的分貝值為多少？

25、 解：由圖7.4-8左側(cè)表格知，使用300mV檔時xU被測電壓的分貝值應(yīng)是表盤上指針指出的分貝值減去14dB，所以被測電壓 由此可見，對MF-20型表，僅當(dāng)使用1.5V檔時，才能直接讀取分貝值，使用其他的電壓檔，都應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的計算。()10 1424xUdBdB 本次課程結(jié)束 謝謝欣賞 7.3 交流電壓表征和測量方法 一、交流電壓的表征 交流電壓除用具體的函數(shù)關(guān)系式表達(dá)其大小隨時間的變化規(guī)律外，通常還可以用峰值、幅值、平均值、有效值等參數(shù)來表征。 峰值 周期性交變電壓u（t）在一個周期內(nèi)偏離零電平的最大值稱為峰值，用 表示，正、負(fù)峰值不等時分別用 和 表示，如圖7.3-1（a）所示。pUpUp

26、Uu（t）在一個周期內(nèi)偏離直流分量 的最大值稱為幅值或振幅，用 表示，正、負(fù)幅值不等時分別用 和 表示，如圖7.3-1（b）所示，圖中 ，且正、負(fù)幅值相等。0UmUmUmU00U (a)(b)圖 7.3-1 交流電壓的峰值與幅值 平均值 u（t）的平均值 的數(shù)學(xué)定義為 （7.3-1） 按照這個定義， 實質(zhì)上就是周期性電壓的直流分量 ，如圖7.3-1（a）中虛線所示。 在電子測量中，平均值通常指交流電壓檢波（也稱整流）以后的平均值，又可分為斑駁整流平均值（簡稱半波平均值）和全波整流平均值（簡稱全波平均值），U01( )TUu t dtTU0U 全波平均值定義為 （7.3-2）如不另加說明，本章所

27、指平均值均為式（7.3-2）所定義的全波平均值。 有效值 在電工理論中曾定義：某一交流電壓的有效值等于直流電壓的數(shù)值U，當(dāng)該交流電壓和數(shù)值U的直流電壓分別施加于同一電阻上時，在一個周期內(nèi)兩者產(chǎn)生的熱量相等。用數(shù)學(xué)式可表示為 01( )TUu t dtT如圖7.3-2所示，其中（a）為未檢波前電壓波形，（b）、（c）分別為半波整流和全波整流后的波形。（a）（b）（c）圖 7.3-2 半波和全波整流 （7.3-3）式（7.3-3）實質(zhì)上即數(shù)學(xué)上的均方根定義，因此電壓有效值有時也寫作 。 波形因素、波封因數(shù) 交流電壓的有效值、平均值和峰值有一定的關(guān)系，可分別用波形因數(shù)（或稱波形系數(shù)）及波峰因數(shù)（或稱

28、波峰系數(shù)）表示。 波形因數(shù) 定義為該電壓的有效值與平均值之比rmsU201( )TUt dtTuFK （7.3-4） 波峰因數(shù) 定義為該電壓的峰值和有效值之比 （7.3-5） 不同電壓波形， 、 值不同，表7.3-1列出了幾種常見交流電壓的有關(guān)參數(shù)。 雖然電壓量值可以用波峰、有效值和平均值表征，但基于功率的概念，國際上一直以有效值作為交流電壓的表征量 PKFUKUPPUKUFKPK例如電壓表，除特殊情況外，幾乎都按正弦波的有效值來定度。 當(dāng)用以正弦波的有效值定度的交流電壓表測量電壓時，如果被測電壓時正弦波，那么由表7.3-1，很容易從電壓表讀數(shù)即有效值得知它的峰值和平均值，如果被測電壓是非正弦

29、波，那么須根據(jù)電壓表讀數(shù)和電壓表所采用的檢波方法，進(jìn)行必要的波形換算，才能得到有關(guān)參數(shù)，參見7.4【例一】。表 7.3-1 不同波形交流電壓的參數(shù)名稱波形系數(shù)波峰系數(shù)有效值U平均值正弦波1.111.411.414 4半波整流1.571.57 2 2全波整流1.111.111.411.414 4FKPKU2A2A2A2A2AA3A3A2A2A13A13.75AkkTttkkTttkktATtkktATtkTtkTtktATktATktkt三角波方波鋸齒波脈沖波隔直流脈沖波白噪聲1.151.7311AA1.151.731.153 二、交流電壓表的測量方法 交流電壓測量的基本原理 測量交流電壓的方法

30、很多，依據(jù)的原理也不同。其中最主要的是利用交流/直流（AC/DC）轉(zhuǎn)換電路將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后再接到直流電壓表上進(jìn)行測量。根據(jù)AC/DC轉(zhuǎn)換器的類型，可分成檢波法和熱電轉(zhuǎn)換法。根據(jù)檢波特性的不同，檢波法又分成平均值檢波、峰值檢波、有效值檢波等。 模擬交流電壓表的主要類型 （1）檢波放大式 在直流放大器前面接上檢波器，就構(gòu)成了如圖7.3-3所示的檢波放大式電壓表。這種電壓表的頻率范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器。采用高頻檢波二極管并在電表結(jié)構(gòu)工藝上仔細(xì)設(shè)計，可使這種電壓表的頻率范圍從幾十Hz到幾百M(fèi)Hz，輸入阻抗也較大。一般將這種電壓表稱為“高頻毫伏表”（“高頻電壓表”）或“超高頻毫伏表

31、”（“超高頻電壓表”）如國產(chǎn)DA36型超高頻毫伏表，其測量頻率范圍為10kHz1000MHz。 電壓范圍1mV10V（不加分壓器）。輸入阻抗分別為：100kHz時，3V量程，輸入阻抗100 ；50MHz時，3V量程，輸入阻抗50 ，輸入電容2pF。KKxu檢波器可變量程分壓器直流放大器A圖 7.3-3 檢波放大式電壓表框圖 （2） 放大檢波式 當(dāng)被測電壓過低時，直接進(jìn)行檢波誤差會顯著增大。為了提高交流電壓表的測量靈敏度，可先將被測電壓進(jìn)行放大，而后再檢波和推動直流電表顯示，于是構(gòu)成圖7.3-4所示的放大檢波式電壓表。xu可變量程分壓器寬帶交流放大器檢波器A圖 7.3-4 放大檢波式電壓表框圖

32、這種電壓表的頻率范圍主要取決于寬帶交流放大器，靈敏度受到放大器內(nèi)部噪聲的限值。通常頻率范圍為20Hz10MHz,因此也稱這種電壓表為“視頻毫伏表”，多用在低頻、視頻場合。例如S401視頻毫伏表，其頻率范圍為20Hz10MHz。測量電壓范圍為100 1V。輸入阻抗為 1 20pF（含義是輸入阻抗可等效為電阻 和電容 并聯(lián)， 1 ， 20pF參見圖7.1-1（b）。 （3） 調(diào)制式 VMiRiCiRMiC 在前面分析直流電壓表時即已說明，為了減小直流放大器的零點漂移對測量結(jié)果的影響，可采用調(diào)制式放大器以替代一般的直流放大器，這就構(gòu)成了圖7.3-5所示調(diào)制式電壓表。檢波器可變量程分壓器調(diào)制器振蕩器交

33、流放大器反饋電路解調(diào)器A圖 7.3-5 調(diào)制式電壓表框圖 實際上這種方式仍屬于檢波放大式。DA36型超高頻毫伏表就采用了這種方式，其中放大器是由固體斬波器和振蕩器構(gòu)成的調(diào)制式直流放大器。 （4） 外差式 檢波二極管的非線性，限制了檢波放大式電壓表的靈敏度，因此雖然其頻率范圍較寬，但測量靈敏度一般一般僅達(dá)到mV級。而對于放大檢波式電壓表，由于受到放大器增益與帶寬矛盾的限制，雖然靈敏度可以提高，但頻率范圍卻較窄， 一般在10MHz 一下。同時兩種方式測量電壓時，都會由于干擾和噪聲的影響而妨礙了靈敏度的提高。外差式電壓測量法在相當(dāng)大的程度上解決了上述矛盾。其原理框圖如圖7.3-6所示。xu輸入電路混

34、頻器本機(jī)振蕩器中頻放大器檢波器A圖 7.3-6 外差式電壓表框圖 輸入電路中包括輸入衰減器和高頻放大器，衰減器用于大電壓測量，高頻放大器帶寬很大，但不要求有很高的增益，被測電壓的放大主要由后面的中頻放大器完成。被測信號經(jīng)輸入電路，與本振信號一起進(jìn)入混頻器轉(zhuǎn)變成頻率固定的中頻信號，經(jīng)中頻放大器放大后進(jìn)入檢波器轉(zhuǎn)變成直流電壓推動表頭顯示。 由于中頻放大器具有良好的頻率選擇性和固定中頻頻率，從而解決了放大器增益帶寬的矛盾，又因為中頻放大器的極窄的帶通濾波特性，因而可以在實現(xiàn)高增益的同時，有效地削弱干擾和噪聲（它們都具有很大的帶寬）的影響，使測量靈敏度提高到 級 因此稱為“高頻微伏表”，典型的外差式電

35、壓表如DW-1型高頻微伏表，最小量程15 ，最大量程15mV（加衰減器可擴(kuò)展到1.5V），頻率范圍從100kHz到300MHz,分8個頻段，基本誤差為 3%。 （5） 熱偶變換式 在對波形未知或波形復(fù)雜的電壓測量時，VV例如對噪聲電壓的測量、失真度測量，都要求能測出電壓的真正有效值。 這種測量要求AC/DC變換器的輸出與輸入電壓的有效值成正比。利用二極管鏈?zhǔn)綑z波器可以實現(xiàn)這種功能，但頻率范圍不大，一般為幾十Hz到幾百kHz。另外用得較多的是熱偶元件，其基本工作原理如下。 熱偶元件又稱熱電偶，是由兩種不同材料的導(dǎo)體所構(gòu)成的具有熱電現(xiàn)象的元件，如圖7.3-7所示。 圖（a）為鐵和康銅組成的熱電偶，

36、在A、B兩個接觸端面，由于兩種金屬表面電子逸出功不相等，交界面上形成電位差，該電位差大小與接觸端面溫度有關(guān)。當(dāng)A、B端溫度相等時，兩電位差大小相等彼此抵消。若使A端（熱端）溫度高于（B）端（冷端），則兩端電位差不相等，若像圖AB鐵康銅（a）A1B2BA（b）xuRFGATDEA（c） （b）那樣接入電流表，則由于熱電動勢的存在，將有電流流過電流表，該電流正比于熱電動勢，而熱電動勢又正比于A、B端溫差。若像圖（c）所示，將被測電壓 經(jīng)限流電阻R加到加熱絲FG上，F(xiàn)G的溫度與 的有效值平方成正比，熱偶元件熱端A與加熱絲耦合，溫度相同。冷端DE分開后接入直流電流表，該電流大小與 成正比。 在實際熱偶

37、式電壓表中，為了克服直流電流與被測電壓有效值的非線性關(guān)系（ ），利用兩個性能下相同的xuxu2xu2xIkU熱電偶構(gòu)成熱電偶橋，稱為雙熱偶變換器，其原理如圖7.3-8所示。圖中 、 兩個熱電偶特性一樣。 產(chǎn)生的熱電動勢 ， 稱為平衡熱電偶， 產(chǎn)生的熱電動勢 xu可變量程分壓器寬帶放大器調(diào)制式直流放大器1T2TxEfEoUUA圖 7.3-8 熱電偶式電壓表框圖1T2T1T21xxEk U2T22foEk U 只要直流放大器的放大倍數(shù)足夠大，那么輸入端電壓 ，因而 ，又因為 、 特性一樣， ，因而 ，從而直流電壓表讀數(shù) 等于被測電壓的有效值 。這種方式的電壓表頻率范圍很寬，頻率高端可達(dá)幾十MHz以

38、上，由于輸入端阻抗變換器和衰減器的作用，可使輸入阻抗提高到10 左右。 國產(chǎn)DA30、DA24型有效值電壓表就是利用這種原理制成的。其中DA24型的頻率范圍為10Hz10MHz，最小量程0 xfUEE2212xokUk U1T2T12kkoxUUoUxUM為1mV，最大量程為300V，滿度誤差 （6） 其他方式 交流電壓表還有其他一些方式，例如鎖相同步檢波式、取樣式、測熱電橋式等。鎖相同步檢波式利用同步檢波原理，濾除噪聲，消除干擾，適用于被噪聲、干擾淹沒情況下電壓信號的檢測。 取樣式實質(zhì)上是一種頻率變換技術(shù)，利用取樣信號中含有被取樣信號的幅度信息（隨機(jī)取樣）或者含有被取樣信號的幅度、相位信息（

39、相關(guān)取樣）的原理1.5% 將高頻被測電壓信號變換成低頻電壓信號進(jìn)行測量。取樣電壓表可以測量1mV1V、10kHz1000MH（1GHz）的電壓。 利用相關(guān)采樣技術(shù)制成的矢量電壓表，不僅可以測量兩路電壓的幅度，還能測量其相位差。 測熱電橋式是利用具有正的或負(fù)的溫度系數(shù)的電阻如半導(dǎo)體熱敏電阻、鎮(zhèn)流電阻、薄膜測熱電阻等構(gòu)成精密電橋，通過對低頻或直流電壓的測量來代替高頻電壓的測量，這種方法通常用于精密電壓測量。7.6 脈沖電壓測量 測量脈沖電壓的方法大體有兩種，第一種是利用示波器，第二種是利用脈沖電壓表。由于使用示波器可以方便、直觀地觀察和測量脈沖信號的波形和各有關(guān)參數(shù)，如脈沖峰值（幅值）、脈沖上沖、

40、頂部跌落、脈沖寬度、占空系數(shù)等，又由于已成為非常通用的電子測量儀器，所以大多數(shù)情況下人們都是使用示波器測量脈沖信號。 只有個別情況下（例如高壓脈沖測量、脈沖間隔時間很長的脈沖信號測量），才使用脈沖電壓表測量脈沖峰值。一般不使用前面 所述的峰值表測量脈沖電壓，因為其測量誤差過大。 一、 用示波器測量脈沖電壓 用示波器測量信號電壓的原理在第四章4.5已做過說明，通常使用較多的是直接測量法和比較測量法。 直接測量法 直接測量法也稱靈敏度換算法。它是將被測電壓信號接在示波器Y（垂直）通道，根據(jù)示波管熒光屏上電壓波形的高度及Y軸偏轉(zhuǎn)因數(shù)，直接計算書脈沖峰值 （7.6-1） 其中H是熒光屏上脈沖波形高度，

41、d是Y軸偏轉(zhuǎn)因數(shù)（V/cm或V/div）。要注意的是：探極有無衰減，是否使用“倍率”，當(dāng)然信號接入時還應(yīng)將Y軸微調(diào)置“校正位”（參看第四章圖4.5-3SR-8面板布置圖）。 直接測量法是最常用的方法。由于光跡較寬，視差及衰減器、放大器誤差等因數(shù)限制，測量誤差約為 。 【例1】 用SR-8示波器測量脈沖電壓。Y軸微調(diào)已置校正位，開關(guān)“V/div”置0.2處，探極衰減10倍，脈沖在熒光屏上高度H=1.4div（格），求被測電壓峰值（實際上pUdH5% 是峰峰值）。 解：由于探極已將信號衰減10倍（為方便，寫作 ），所以脈沖電壓的峰-峰值 【例2】 用SBM-14示波器測量脈沖電壓峰峰值。波形高度H

42、=3div，開關(guān)“V/div”置0.2處，探極衰減 ，“倍率”置5位（ ，信號放大5倍后接于Y偏轉(zhuǎn)系位），求被測電壓峰峰值。 解：110k 110k 25k 12()0.2/105 3/1.2p pUkHdkkHV divV divV 10.2/10 1.42.8ppUkHdkHVdivdivV 比較測量法 比較測量法就是用已知電壓值（一般為峰峰值）的信號（一般為方波）與被測信號電壓波形比較而求得被測電壓值。設(shè)在保持輸入衰減和Y軸增益不變的情況下，被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號在熒光屏上的高度分別為 、 ，標(biāo)準(zhǔn)信號的峰峰值為 ，則被測電壓峰峰值為 （7.6-2) 以SR-8雙蹤示波器為例，機(jī)器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)信號

43、發(fā)生器可產(chǎn)生1kHz峰峰值為1V的矩形波。首先將被測電壓信號經(jīng)探極（設(shè)衰減為1）接1H2HsppU12xp psp pHUUH 至 通道，記下其高度 ，然后用同軸電纜將標(biāo)準(zhǔn)信號（校準(zhǔn)信號）與 輸入端相連，記下矩形波標(biāo)準(zhǔn)信號的高度 ，即可得到被測信號的峰峰值。還可以首先用校準(zhǔn)信號將 、 兩通道偏轉(zhuǎn)靈敏度調(diào)至相等，然后將被測電壓和校準(zhǔn)信號分別經(jīng) 、 通道輸入，比較其各自高度，計算出被測電壓值。 由于比較測量法的測量準(zhǔn)確度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)信號的電壓準(zhǔn)確度，而與Y通道增益無關(guān)，因此測量誤差比直接測量法小。AY1HAY2HAYBYAYBY 二、 用脈沖電壓表測量脈沖電壓 脈沖保持型電壓表 在7.5，曾分析

44、過峰值電壓表測量脈沖電壓的誤差（見7.5式（7.5-8），其主要原因是在脈沖期間，由于充電時常數(shù)不夠小而使電容上電壓充不到脈沖峰值，而在脈沖休止期間又由于放電時常數(shù)不夠大而使原充電電壓降落過多，從而電容上電壓的平均值 小于脈沖峰值 。 如果能盡量減小充電時常數(shù)而增大放電時常數(shù)，使在脈沖存在期間能充電至脈沖幅值，脈沖休止期間電壓保持基本不變，那么CUpU 就可以有效地減小測量誤差，圖7.6-1就是基于這種原理而構(gòu)成的脈沖保持電路。 補(bǔ)償式脈沖電壓表xUxUpU1cu2cu（a）（b）圖 7.6-1 脈沖保持電路及波形 圖7.6-2是一種補(bǔ)償式脈沖電壓表。原理如圖（a）所示：待測電壓 經(jīng)二極管D改

45、電容C充電至峰值 ，并輸入到直流差分放大器A端，B端加入可調(diào)的直流補(bǔ)償電壓 ，當(dāng)調(diào)整可調(diào)電壓使差分放大器輸出為0時， ，用電壓表測出 即得到了 。圖（b）是自動補(bǔ)償式脈沖電壓表的原理。被測電壓 經(jīng)二極管 對電容 充電， 上電壓 峰值為 ，并在脈沖休止期間按指數(shù)規(guī)律下降。 經(jīng)放大器放大后經(jīng) 對 充電（ ）， 經(jīng)反饋電阻 加至電容 上作補(bǔ)償電壓。適當(dāng)選擇時常數(shù) ，使脈沖休止期 上放電很xupU0U0pUU0UpUxu1D1C1C1cupU1cu2D2C2cufR1C22RC2C21CC? 少。隨著輸入脈沖增多， 逐漸增大，當(dāng) 時， 不再增加，由后面的直流電壓表測出 。 高壓脈沖電壓表2cu2cpU

46、U2cU2cpUUxuDpUR0UCAB差分放大器可調(diào)電壓源VV（a）xu1D2D1C2C2RfR1cu2cu放大器直流電壓表（b）圖 7.6-2 補(bǔ)償式脈沖電壓表 在雷達(dá)發(fā)射機(jī)等設(shè)備的測試中，會碰到高萬伏的高壓脈沖，除利用電容分壓法使用示波器測試外，還可以使用高壓脈沖電壓表進(jìn)行測量，圖7.6-3是用充放電法測高壓脈沖的原理。 0.1uFuA數(shù)字電壓表幾十 幾百M(fèi)M圖 7.6-3 用充放電法測高壓脈沖 圖中D為高壓硅堆，經(jīng)限流電阻 和電容 構(gòu)成峰值檢波器。 與微安表可用來直接指示被測脈沖峰值。 為標(biāo)準(zhǔn)電阻，限值小于 ，其上電壓為毫伏級， 是旁路電容，該電壓可送直流電壓表（數(shù)字電壓表）顯示。開關(guān)

47、K在測量時閉合，測量后斷開，以保護(hù)電壓表。 當(dāng)正向脈沖輸入時，D導(dǎo)通， 充電。脈沖休止期D截止 ， 放電，由電表讀取脈沖電壓峰值。 本章前幾節(jié)，著重介紹了模擬電壓測量技術(shù)和模擬電壓表。自1982年商品化電壓1R1C2R3R2R2C1C1C 表問世以來，模擬電壓表的類型不斷增多，性能不斷完善。雖然數(shù)字電壓表有著許多優(yōu)點，尤其是帶微處理器和通用總線接口（GPIB）數(shù)字電壓表的出現(xiàn)使電壓測量進(jìn)入自動化、智能化階段，但由于數(shù)字電壓表還存在一些不足，尤其是測量上限頻率不夠高，因此模擬電壓表及模擬電壓測量技術(shù)仍得到廣泛應(yīng)用。 80年代以來，國內(nèi)先后解決了1GHz超高頻毫伏表線性化刻度和1GHz以下真有效值

48、測量等技術(shù)難題，使我國在電壓的模擬測量技術(shù)領(lǐng)域，達(dá)到了和國際先進(jìn)水平大體相當(dāng)?shù)乃?。?.6-1列舉了不同頻段國外和國內(nèi)有代表性電壓表的主要技術(shù)性能，供讀者參考。 表 7.6-1 國內(nèi)外模擬電壓表性能對照表（1）低頻電壓表指標(biāo)指標(biāo)日本利達(dá)LMV181中國蘇州電訊儀器廠 SX2172電壓量程1mV300V1mV300V頻率范圍5Hz2MHz5Hz2MHz固有誤差滿刻度的滿刻度的頻率響應(yīng)誤差輸入阻抗電阻 并聯(lián)電容45pF電阻 并聯(lián)電容45pF2%2%2% 10%2% 10%810M810M （2）視頻電壓表指標(biāo)荷蘭飛利浦PM2254中國上海無線電儀器廠AS401電壓測量1mV300V1mV100V

49、頻率范圍2Hz12MHz20Hz10MHz固有誤差滿刻度的滿刻度的頻率響應(yīng)誤差輸入阻抗電阻 ，并聯(lián)電容30pF電阻 ，并聯(lián)電容 ，并聯(lián)電容2050pF1010HzMHz1010HzMHz1% 5%1% 5%0.75% 5%1% 5%峰值因數(shù) *10:110:11M7M* 有效值電壓表測量脈沖或非正弦電壓的峰值與有效值之比4）射頻毫伏表指標(biāo)指標(biāo)日本立安公司ML69A中國中原無線電廠HW2281電壓量程1mV3V線性刻度1mV10V線性刻度頻率范圍固有誤差滿刻度的滿刻度的頻率響應(yīng)誤差駐波系數(shù)1.31 （通常k在 之間），因此上式簡化為 （7.7-3） 即由于反饋電阻 的負(fù)反饋作用，放大器的輸出和輸入間成線性關(guān)系，而與運(yùn)放的開環(huán)增益無關(guān)。 基于上述原理，分析圖（b）電路的特性：在 負(fù)半周，A點電壓 為正值， 導(dǎo) 通，設(shè) 檢波增益為 ，則 ，由于k值很大，因而 值也很大，引入 5810 10221(1)oxkRuuRk R 21oxRuuR 2RxuAu1D1Ddk/oiduuk k dkk 圖（a）分析結(jié)論，此負(fù)半周 輸出滿足式（7.7-