電子測(cè)量3模擬測(cè)量方法ppt課件

1、 在電子測(cè)量領(lǐng)域中，電壓、電流和功率 是表征電信號(hào)能量大小的三個(gè)基本參量。電壓測(cè)量占有極為重要的地位。因?yàn)椋?在集中參數(shù)電路里，測(cè)量的主要參量是電壓。 許多電參數(shù)，如頻率特性、失真度、靈敏度等都可視為電壓量的派生量。 各種電路工作狀態(tài), 如飽和、截止及動(dòng)態(tài)范圍等都以電壓的形式反映出來(lái)。 電子設(shè)備的各種控制信號(hào)、反饋信號(hào)等信息也主要表現(xiàn)為電壓量。 電壓的測(cè)量是其他許多電參量測(cè)量的基礎(chǔ)。很多電子測(cè)量?jī)x器，如信號(hào)發(fā)生器、各種電子式電壓表、Q表、示波器等，以及其他電子設(shè)備都是用電壓表作為它們的指示裝置或輔助監(jiān)測(cè)裝置的。在調(diào)試電子設(shè)備或進(jìn)行各種測(cè)量工作時(shí)，電壓的測(cè)量是必不可少的。1.電壓測(cè)量的特點(diǎn)與要求

2、電壓測(cè)量的特點(diǎn)與要求 1)電子技術(shù)中被測(cè)電壓的主要特點(diǎn)電子技術(shù)中被測(cè)電壓的主要特點(diǎn) (1)被測(cè)電壓頻率可能為直流、超低頻、低頻、高頻及超高頻。被測(cè)電壓頻率可能為直流、超低頻、低頻、高頻及超高頻。 (2)被測(cè)電壓值可小到微伏甚至毫微伏級(jí)，大到幾千伏、幾十千伏，甚至更高被測(cè)電壓值可小到微伏甚至毫微伏級(jí)，大到幾千伏、幾十千伏，甚至更高量級(jí)。量級(jí)。 (3)被測(cè)電壓波形有正弦波、失真正弦波及各種非正弦波。如圖示幾種電壓波被測(cè)電壓波形有正弦波、失真正弦波及各種非正弦波。如圖示幾種電壓波形圖。形圖。 (4)被測(cè)電壓所在電路內(nèi)阻可能很高，也可能很低，有時(shí)還可能是一個(gè)諧振回被測(cè)電壓所在電路內(nèi)阻可能很高，也可能很

3、低，有時(shí)還可能是一個(gè)諧振回路。路。 (5)被測(cè)交流電壓中，往往含有直流及噪聲干擾等不需要測(cè)量的成份。被測(cè)交流電壓中，往往含有直流及噪聲干擾等不需要測(cè)量的成份。 2)電壓測(cè)量的基本要求電壓測(cè)量的基本要求由于被測(cè)電壓具有以上一些特點(diǎn)，因而在制訂電壓測(cè)量方案時(shí)，必須根據(jù)具體由于被測(cè)電壓具有以上一些特點(diǎn)，因而在制訂電壓測(cè)量方案時(shí)，必須根據(jù)具體情況及測(cè)量的目的，對(duì)電壓測(cè)量提出如下要求：情況及測(cè)量的目的，對(duì)電壓測(cè)量提出如下要求： (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

4、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?jī)x器的分類(lèi) 電壓測(cè)量?jī)x器一般分為兩大類(lèi)：模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表。 (1)模擬式電壓表( 采用指針式模擬顯示的電壓表) 根據(jù)電壓性質(zhì)： 按電壓特點(diǎn)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：超低頻 / 低頻 / 高頻 / 超高頻電壓表和選頻電壓表等。 根據(jù)測(cè)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： 磁電式、電磁式和 電動(dòng)式電壓表等。 (2)數(shù)字式電壓表(采用數(shù)字顯示的電壓表) 主要優(yōu)點(diǎn)是：準(zhǔn)確度高，輸入阻抗高，功能齊全，顯示直觀

5、，可靠性好過(guò)載能力強(qiáng)，耗電少、小巧輕便儀表的標(biāo)志 不同類(lèi)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(hào)標(biāo)志，標(biāo)明在儀表的標(biāo)度盤(pán)或面板上。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，每只儀表應(yīng)有測(cè)量對(duì)象單位、準(zhǔn)確度等級(jí)、電流種類(lèi)和相數(shù)、工作原理系別、使用條件組別、工作位置、絕緣強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)電壓、儀表型號(hào)以及各種額定值的標(biāo)志。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種符號(hào)標(biāo)志列于表2-2-1至表2-2-9。表2-1-1 測(cè)量單位的符號(hào)表2-1-2 儀表工作原理的圖形符號(hào)儀表的標(biāo)志儀表的標(biāo)志儀表的標(biāo)志儀表的標(biāo)志表2-1-4 準(zhǔn)確度等級(jí)的圖形符號(hào)表2-1-3 電流種類(lèi)的圖形符號(hào)1.51.51.5 2平均

6、值平均值 U ： 對(duì)周期信號(hào)對(duì)周期信號(hào)3有效值有效值 U ： 在不特別指明時(shí)，交流電壓的量值均指有效值。各類(lèi)電壓表的示值，除特殊情況外，都是按正弦波有效值來(lái)定度的。 4) 波形系數(shù)波形系數(shù)KF ：表征同一信號(hào)的有效值與平均值之比。：表征同一信號(hào)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(hào)的峰值與有效值的比值。：表征同一信號(hào)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、 交流電壓的表征交流電壓的表征 交流電壓可以用峰值、平均值、有效值來(lái)表征；它們相互間的關(guān)系可用波形系數(shù)、波峰系數(shù)來(lái)表征。1峰值：交變電壓在一個(gè)周期內(nèi)所能達(dá)到的最大值。

7、記為峰值：交變電壓在一個(gè)周期內(nèi)所能達(dá)到的最大值。記為UP 。 二、交流電壓的測(cè)量方法二、交流電壓的測(cè)量方法 交流電壓的測(cè)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(jìn)行測(cè)量。 根據(jù)檢波特性不同，有平均值檢波、峰值檢波 和 有效值檢波，相應(yīng)的電壓表簡(jiǎn)稱(chēng)為平均值電壓表、峰值電壓表和有效值電壓表。 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(chēng)放大該表又稱(chēng)放大檢波式電子電壓表，即先放大后檢波。檢波式電子電壓表，即先放大后檢波。 2.特點(diǎn)： 該表檢波器對(duì)被測(cè)電壓的平均值產(chǎn)生響應(yīng), 頻率范圍主要受放大器帶寬限制, 典型頻率范圍為20Hz 10MHz,

8、故又稱(chēng)為視頻毫伏表、主要用于低頻電壓測(cè)量。 靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲限制，一般可做到毫伏級(jí) 。 一般的“寬頻帶毫伏表基本屬于這一類(lèi)。 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 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(wú)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流成分，避免表針抖動(dòng) ；電容的充放電時(shí)間常數(shù)相等。 (a)半波整流半波整流(b) (a)的簡(jiǎn)化式的簡(jiǎn)化式 (c)全波整流全波整流(d) (c)的簡(jiǎn)化式的簡(jiǎn)化式UKrRUkIkmd 2 mdrRUI 2Ik 式中:

9、 是被測(cè)正弦波電壓的平均值，Ka 是定度系數(shù)。UFsinsinsinKUUKa 當(dāng)采用全波檢波時(shí)： 設(shè)正弦峰值電壓為1V時(shí)，其平均電壓： 2 U 可見(jiàn)：平均值電壓表的定度系數(shù) Ka =1.11 11122. UUKaa 定度系數(shù)定度系數(shù)Ka：由于被測(cè)交流電壓多為正弦波，且希望得到測(cè)量的有效值，因：由于被測(cè)交流電壓多為正弦波，且希望得到測(cè)量的有效值，因而儀表刻度采用正弦波有效值而儀表刻度采用正弦波有效值 定度。即將儀表刻度盤(pán)按正弦波電壓有效值刻度。定度。即將儀表刻度盤(pán)按正弦波電壓有效值刻度。電壓表被施加正弦交流電壓U 時(shí)的指示值為：sinsinUKUaa 4.電壓測(cè)量電壓測(cè)量21 U4.電壓測(cè)量

10、電壓測(cè)量aFFxUKUKU90. 再根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)，計(jì)算其有效值： aaaaUUKUU90111. 正弦量測(cè)量正弦量測(cè)量 直讀直讀 非正弦量測(cè)量非正弦量測(cè)量 首先按首先按“平均值相等示值也相等平均值相等示值也相等的原則，將示值的原則，將示值Ua Ua 折算成被測(cè)電壓的平折算成被測(cè)電壓的平均值：均值： 例：用全波平均值電壓表測(cè)得三角波電壓的示值為例：用全波平均值電壓表測(cè)得三角波電壓的示值為10V， 則其平均值為：則其平均值為： 其有效值為：其有效值為：9VV109 . 09 . 0 aaaUKUUV VV V35109151. UKUF5. 誤差分析誤差分析 測(cè)量非正弦波或失真的正弦波時(shí)，引

11、起的波形誤差。 以 全波平均值表 為例，當(dāng)以平均值表的示值直接作為被測(cè)電壓的有效值時(shí)，引起的絕對(duì)誤差為： 引起的相對(duì)誤差為：).(FaKUU901 ).(FaUKUU901 用平均值表測(cè)量交流電壓會(huì)因直流微安表本身的誤差及檢波二極管的老化，超過(guò)頻率范圍等而產(chǎn)生誤差。 當(dāng)以平均值表的示值直接作為被測(cè)電壓的有效值時(shí)， 引起的絕對(duì)誤差為： 引起的相對(duì)誤差為： 例：用全波平均值電壓表測(cè)得三角波電壓的示值為例：用全波平均值電壓表測(cè)得三角波電壓的示值為10V， 則其平均值為：則其平均值為： 其有效值為：其有效值為：9VV109 . 09 . 0 aaaUKUUV VV V35109151. UKUF 可見(jiàn)

12、，不管被測(cè)非正弦電壓的波形如何，直接將電壓表示值當(dāng)做被測(cè)電壓的有效值將會(huì)造成波形誤差。)(.).().(V V35015190110901 FaKUU%.%).(53100901 FaUKUU 用平均值電壓表測(cè)失真正弦波電壓的誤差分析：用平均值電壓表測(cè)失真正弦波電壓的誤差分析： 設(shè)被測(cè)電壓為：設(shè)被測(cè)電壓為： 其中：其中：KnKn為為 n n 次諧波幅度相對(duì)于基波幅度的百分?jǐn)?shù)，次諧波幅度相對(duì)于基波幅度的百分?jǐn)?shù)， n n 諧波次數(shù)諧波次數(shù) ( ( 取取n n2 2或或3)3)； n n為為n n次諧波初相角。次諧波初相角。 被測(cè)電壓的平均值 被測(cè)電壓的指示值 但被測(cè)電壓的實(shí)際有效值為： 測(cè)量失真波

13、形電壓誤差：axrelaaUUUUUU *諧波失真波形誤差可由P79圖3.2.6查得。6. 平均值檢波電壓表平均值檢波電壓表+_放大器放大器衰減器衰減器檢波器檢波器 四、四、 峰值電壓的測(cè)量峰值電壓的測(cè)量 1.結(jié)構(gòu)原理：結(jié)構(gòu)原理： 電路組成如圖所示，被測(cè)交流電壓先檢波后放大，然后驅(qū)動(dòng)電路組成如圖所示，被測(cè)交流電壓先檢波后放大，然后驅(qū)動(dòng)直流電流表偏轉(zhuǎn)。該表又稱(chēng)檢波直流電流表偏轉(zhuǎn)。該表又稱(chēng)檢波放大式電子電壓表放大式電子電壓表. 2.特點(diǎn)： 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(lèi)電壓表靈敏度較低，一般為幾十毫伏。測(cè)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

14、范圍取決于檢波二極管的高頻特性，一般可達(dá)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(diǎn)漂移都很小，其最高靈敏度可達(dá)幾十微伏。 檢波電路如圖3.2-19所示。 3. 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(cè)量峰值電壓的測(cè)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(wú)關(guān)。 式中: 是被測(cè)任意波形電壓的峰值，Ka 是定度系數(shù)。mUP

15、sinsinsin1)()(KUUKmrmsa 設(shè)正弦有效值電壓為1V時(shí)，其峰值電壓： 2 mU707021.)()(sinsin mrmsaUUK 電壓表加正弦交流電壓Ua 時(shí)的指示值為：maaUKU 四、四、 峰值電壓的測(cè)量峰值電壓的測(cè)量4.電壓測(cè)量電壓測(cè)量appaapmxUKKUKKUU2 * 根據(jù)相應(yīng)的波形系數(shù)，計(jì)算其有效值： aaamUKUU2 正弦量測(cè)量正弦量測(cè)量-直讀直讀非正弦量測(cè)量非正弦量測(cè)量-首先按首先按 “ “峰值相等峰值相等-示值也相等示值也相等” ” 的原則，將的原則，將示值示值Ua Ua 折算成被測(cè)電壓的峰值：折算成被測(cè)電壓的峰值： 四、四、 峰值電壓的測(cè)量峰值電壓的

16、測(cè)量5. 誤差分析誤差分析 四、四、 峰值電壓的測(cè)量峰值電壓的測(cè)量 (1) 理論誤差理論誤差 由于峰值檢波器負(fù)載電阻上總要消耗一部分能量，為了維持由于峰值檢波器負(fù)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(fù)載電阻上的電壓一直處于不斷進(jìn)行充放電的檢波器正常工作，負(fù)載電阻上的電壓一直處于不斷進(jìn)行充放電的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，其輸出電壓平均值動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，其輸出電壓平均值UR總是低于實(shí)際峰值。這是總是低于實(shí)際峰值。這是峰值檢波器的理論誤差，屬固有誤差。峰值檢波器的理論誤差，屬固有誤差。 峰值表的誤差來(lái)源主要有： 理論誤差 、頻率誤差、波形誤差 經(jīng)數(shù)學(xué)分析可知，當(dāng)被測(cè)電壓為正弦波時(shí)產(chǎn)生的理論誤差為：

17、 絕對(duì)誤差 四、四、 峰值電壓的測(cè)量峰值電壓的測(cè)量 (2) 頻率誤差頻率誤差 峰值表比較適用于高頻測(cè)量，因?yàn)樽枞莘烹姇r(shí)間變換較快，峰值表比較適用于高頻測(cè)量，因?yàn)樽枞莘烹姇r(shí)間變換較快，當(dāng)工作頻率很低時(shí)，當(dāng)工作頻率很低時(shí)，T 很大，使放電時(shí)間增加。在一定的放電時(shí)很大，使放電時(shí)間增加。在一定的放電時(shí)間常數(shù)間常數(shù)RC之下，之下，UR之值便降低愈多，誤差也就愈大。為了把低之值便降低愈多，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。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?yàn)樾盘?hào)周期較長(zhǎng)，而產(chǎn)生的頻率相對(duì)誤如果應(yīng)用在低頻，因?yàn)樾盘?hào)周期較長(zhǎng)，而產(chǎn)生的頻率相對(duì)誤

18、差為：差為： 當(dāng)利用峰值表測(cè)量正弦波電壓時(shí)，峰值檢波電路對(duì)波形的凸起部分非常敏感。若信號(hào)失真度較大, 將會(huì)造成較大的波形誤差。在測(cè)量諧波失真較大的電壓時(shí)，盡量不要選用這種儀表，必須使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行誤差修正。 如果被測(cè)信號(hào)是有規(guī)則的非正弦波電壓，與平均值表情況類(lèi)似，可以進(jìn)行波形換算，以減小波形誤差，(3) 波形誤差波形誤差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(yùn)放 Al 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反相放大，VD2為半波檢波二極管，C 為存儲(chǔ)電容，A2 為電壓跟隨器，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(guò)調(diào)節(jié)電位器可以改變環(huán)路增益。 被測(cè)輸入

19、信號(hào) 0；VD2 導(dǎo)通，VD1截止時(shí)；電容C被充電；使uo 跟隨ui 。 被測(cè)輸入信號(hào) 0時(shí)，Al的輸出 0；VD1 導(dǎo)通，VD2截止時(shí)；電容C與Al 隔離；使uc 保持uimax 。 五、五、 有效值電壓表有效值電壓表實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)方法： 通常實(shí)現(xiàn)直接有效值電壓測(cè)量的方法有兩種通常實(shí)現(xiàn)直接有效值電壓測(cè)量的方法有兩種-熱電轉(zhuǎn)換法、熱電轉(zhuǎn)換法、公式法公式法 (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。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(méi)有波形誤差，但有熱慣性和頻帶不寬等缺點(diǎn)。該法沒(méi)有波形誤差，但有熱慣性和頻帶不寬等缺點(diǎn)。 (2)公式法：利用方均根值公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。公式

20、法：利用方均根值公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 在實(shí)際測(cè)量中，有時(shí)需要測(cè)量非正弦 信號(hào)電壓的有效值。例如，非線性失真儀需要測(cè)量的諧波電壓是一種復(fù)雜波形，若用峰值檢波器或均值檢波器去測(cè)量，難以換算出實(shí)際的電壓有效值。需要能直接測(cè)出任意波形電壓有效值的檢波器， 這種能直接測(cè)出任意波形電壓有效值的檢波器稱(chēng)為有效值檢波器。 (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。 實(shí)現(xiàn)方法利用熱電偶來(lái)實(shí)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(dāng)接入被測(cè)電壓 ux 時(shí)，加熱絲發(fā)熱，熱電偶 M 的熱端 C 點(diǎn)的溫度將高于冷端 D，E 的溫度，產(chǎn)生熱電勢(shì)；有直流電流I 流過(guò)微安表。22)()(XmrsxxXmrs

21、UkEETU 即即：；已已知知： 2)(XmrsxUIE；又又： 電路實(shí)現(xiàn)一例：電路實(shí)現(xiàn)一例：當(dāng)分壓器及放大器總傳輸系數(shù)為1時(shí)， Ex KUx 2熱電偶 M2 與 M1 性能相同， Ef KUo2當(dāng)放大器A的增益足夠大時(shí)， E= Ex -Ef 0；即： KUo2 - KUx 2 0 UoUx 可見(jiàn)：輸出直流電壓Uo 與被測(cè)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(pán)可均勻刻度。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： *可測(cè)任意周期性波形的電壓有效值，同諧波與基波的相角無(wú)關(guān)，不會(huì)產(chǎn)生波可測(cè)任意周期性波形的電壓有效值，同諧波與基波的相角無(wú)關(guān)，不會(huì)產(chǎn)生波形誤差。形誤差。 *當(dāng)用正弦波電壓有效值刻度時(shí)，表盤(pán)刻度是線性的。當(dāng)用正弦波電壓有效值刻度時(shí)，表盤(pán)刻度是線性的。 * 該法頻率范圍受放大器帶寬限制該法頻率范圍受放大器帶寬限制, 在測(cè)矩形方波時(shí)在測(cè)矩形方波時(shí), 其高次諧波會(huì)受抑制而產(chǎn)其高次諧波會(huì)受抑制而產(chǎn)生誤差。生誤差。 * 其量程受限于放大器的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)被測(cè)電壓波形上的尖蜂過(guò)高時(shí)會(huì)受到其量程受限于放大器的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)被測(cè)電壓波形上的尖蜂過(guò)高時(shí)會(huì)受到電壓表放大器動(dòng)態(tài)范圍的限制，因此還會(huì)產(chǎn)生一定的波形誤差。電壓表放大器動(dòng)態(tài)范圍