第3章電流、電壓與功率測量(電子測量技術課件)

1、第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量3.1 直流電流的測量直流電流的測量3.2 交流電流的測量交流電流的測量3.3 直流電壓的測量直流電壓的測量3.4 交流電壓的測量交流電壓的測量 3.5 功率測量功率測量3.6 數(shù)字萬用表的特點與技術原理數(shù)字萬用表的特點與技術原理思考題思考題3第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.1 直流電流的測量直流電流的測量3.1.1 直流電流測量的原理與方法 其過程如圖3.1所示。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.1 直流電流測量A第第3章章 電流、電

2、壓與功率測量電流、電壓與功率測量 設電流表的內(nèi)阻為r，在圖3.2（a）所示的測量電路中，原電路中電流I=E/R，而在圖3.2（b）所示的電路中，電流改變?yōu)镮=E/(R+r) ，兩者的誤差為rRRErRRErrREREI/11)(第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 IER(a)EAR(b)I第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.1.2 模擬直流電流表的工作原理直流電流表多數(shù)為磁電式儀表，磁電式儀表一般由可動線圈、游絲和永久磁鐵組成。線圈框架的轉軸上固定一個讀數(shù)指針，當線圈流過電流時，在磁場的作用下，可動線圈發(fā)生偏轉，帶動上面固定的讀數(shù)指針偏轉，偏轉的角度與通

3、過可動線圈的電流成正比。模擬直流電流表具有不需電池驅動、顯示穩(wěn)定等優(yōu)點，同時亦存在非線性誤差大、容易損壞等缺點。3.1.3 數(shù)字萬用表測量直流電流的原理數(shù)字萬用表是用電子技術來檢測直流電流的。通常在直流電流擋，對外電路來說，數(shù)字萬用表僅相當于一個取樣電阻RN（不同的量程RN的值不同），測量時RN上有電壓信號Ui=IRN，其測量過程如圖3.3所示。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.3 數(shù)字萬用表測量原理框圖預處理A/D轉換器數(shù)字量顯示Ui第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.2 交流電流的測量交流電流的測量 3.2.1 低頻交流電流的測量原理和方法

4、圖3.4所示的交直流轉換電路。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.4 交直流轉換電路A第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.2.2 高頻交流電流的測量原理和方法我們可以通過測量這種與高頻電流密切相關的直流電流的大小，間接地檢測出高頻電流的大小，具體原理如圖3.5所示。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.5 熱電偶電表原理GAECDB第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.3 直流電壓的測量直流電壓的測量3.3.1 直流電壓的測量原理與方法一般來說，直流電壓測量是將直流電壓表直接跨接在被測電壓的兩端，由直流電壓

5、表讀出被測電壓的值。因此，電壓測量是一種最簡便的電參數(shù)測量，其過程如圖3.6所示。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.6 電壓測量 電壓表Ux第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 當其與適當?shù)姆謮弘娮柘嗯浜蠒r，即組成了直流電壓表，如圖3.7所示。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.7 基于直流表的直流電壓表構成框圖 ARg直流電流表R1R2R3R4R5Ux第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 設被測電路可等效為內(nèi)阻為Rx，開路電壓為Ux的電壓源，直流電壓表的等效內(nèi)阻為R0，則測量的完整電路簡化為圖3.8。第第3章章

6、 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.8 直流電壓表測量電路AR0RxE直流電壓表第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 由圖3.8可知，當直流電壓表并接于被測電路兩端時，由于R0的存在，電壓表所測得的電壓由原來的Ux改變?yōu)椋?xxxxURRURRR)/11(000(3-1)第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.3.2 直流電壓測量儀表1.模擬式萬用表在圖3.9所示分壓電路中，使用MF500-B型萬用表的100 V擋進行測量，該儀表的靈敏度為10 k/V，可以推算出在100 V擋的輸入電阻為10010=1000 k=1 M，實際測得的電壓為VRRR

7、RRii401005001000500100050050010005001000100/212第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.9 高內(nèi)阻電路的電壓測量V100 VR1500 kR2500 k第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 2.數(shù)字式萬用表數(shù)字萬用表均有電流電壓測量擋。與模擬式萬用表相比，主要優(yōu)點是： (1) 輸入阻抗高，一般直流輸入阻抗可達20 M以上。(2) 分辨力高，可精確到百分之一，即在10 V擋，可分辨到0.1 V，而指針式的模擬萬用表的分辨力為最小刻度間隔所代表的電壓值的一半，量程越大，分辨力越低。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流

8、、電壓與功率測量 3.示波器示波器的直流電壓擋特別適用于觀察較大幅度的直流電壓信號或含有交流成份的直流電壓信號。4.電子電壓表電子電壓表一般為數(shù)字式儀表，輸入端設有由場效應管電路組成的阻抗隔離電路和放大電路，因而具有較高的輸入阻抗和靈敏度，適用于在電子電路中測量高內(nèi)阻電路的電壓。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.4 交流電壓的測量交流電壓的測量 3.4.1 交流電壓的特征與量值表示常見電壓的波形如圖3.10所示。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.10 常見電壓的波形正弦波脈沖波方波三角波低頻噪聲波階梯波第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓

9、與功率測量 2.交流電壓的表示量值交流電壓幅度值的相對大小常用峰-峰值、平均值和有效值來表示。1) 峰-峰值UP-P峰-峰值表示信號的最大值與最小值的差。對于對稱的正弦信號來說，更常用的是峰值UP，其等于1/2的UP-P。如U(t)=Acosct，則有UP-P=2 A，UP=1 A。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 2) 平均值設電壓信號為U（t），其周期為T，則平均值為（3-2）這時平均值的意義為 UTdttUTU0)(1TdttUTU0)(1（3-3）第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3) 有效值URMS有效值指的是信號的均方根值（RMS）。電壓信號

10、的有效值用URMS表示，其數(shù)學表達式為對于正弦波U(t)=Um cosct來說： （3-5） TKMSdttUTU02)(1（3-4）PPRMSUUU707. 02第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 工程上定義如下兩個參數(shù)： （1） 波形因數(shù)KF: 表示電壓的有效值與平均值之比，即 （3-6） （2） 波峰因數(shù)KP: 表示交流電壓的峰值與有效值之比，即uuKRMSFRMSPPuuK （3-7）第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.4.2 交流電壓的測量原理與方法1. 測量方法交流電壓測量與直流電壓測量相類似，都是將電壓表并聯(lián)于被測電路上，其測量的連接如圖3

11、.11所示。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.11 交流電壓的測量VR1R2U(t)第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 2. 測量原理1） 交流電壓的模擬測量用模擬電路的技術和方法測量交流電壓，最常用的轉換器有峰值檢波器、平均值檢波器和有效值直流變換電路。其工作原理如圖3.12（a）、（b）、（c）所示。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.12 測量原理（a） 峰值檢波電路；（b） 平均值檢波器； （c） 熱電偶式變換電路ux12VDCRuoux uo(a)(b)RuxDABEuA(c)第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、

12、電壓與功率測量 以峰值電壓表為例，其顯示值是將峰值檢波器檢測到的電壓值除以波峰因數(shù)KP得到的，若顯示讀數(shù)為，則（3-8）例3.1 用一峰值電壓表去測量一個方波電壓，讀數(shù)為10 V，問該方波電壓的有效值是多少？ 2PPPRMSuKuu第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 解 峰值檢波器的輸出為被測信號的最大幅度，由儀表的刻度關系知，被測方波的幅度為 。由于方波的有效值與峰值相當，故方波的有效值為14.1 V。而對于有效值轉換器，其特性符合如下公式： 由于不同頻率的諧波的乘積在（0，T）上積分為0，公式可以簡化為 V1 .14102TnTxdttututuTdttuTu022102

13、)(.)()(1)(1（3-9） TndttututuTu0222221)(.)()(1（3-10） 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 2) 交流電壓的數(shù)字化測量3.4.3 交流模擬電壓表1. 放大檢波式電壓表放大檢波式電壓表的工作原理如圖3.13（a）所示，各個組成單元的基本特性如下： 1） 阻抗變換器阻抗變換器的作用是對外（輸入）呈現(xiàn)高阻抗，對內(nèi)（輸出）呈現(xiàn)低阻抗，典型的電路如圖3.13（b）所示。其中，V1是高頻場效應管，輸入電阻極大，輸入電容小于2 pF； V2為高頻晶體三極管，輸出電阻為R4，一般為100 ，該電路傳輸衰減系數(shù)較小，且能驅動75 電纜。第第3章章

14、電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 2） 衰減器 衰減器的作用是在測量大信號時對輸入信號進行衰減以擴大測量量程。衰減器亦要求有寬帶的特性，在高頻時要考慮電路與元件的分布電容效應，采用復合阻容結構，典型的衰減器如圖3.13（c）所示。當R1C1=R2C2時，衰減比與頻率無關。 3） 寬帶放大器 寬帶放大器一般選用寬帶線性集成放大器，如LM733，可工作在直流到50 MHz的頻率范圍。 4） 檢波器 常用的檢波器有峰值檢波器和倍壓檢波器，如圖3.13 （d） 所示。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.13 放大檢波式模擬電壓表原理框圖（a） 放大檢波式電壓表組成原理

15、； （b） 阻抗變換器； （c） 衰減器； (d) 檢波器AC阻抗變換器衰減器檢波器寬帶放大器指示器峰值檢波器倍壓檢波器(a)VV2UoVR4R3V1R2R1UiR1R2UiC1C2Uo(b)(c)UiVDCRUiVD2C2RVD1C1Uo(d)Uo第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 2. 檢波-放大式電壓表 檢波-放大式電壓表直接對被測電壓信號進行檢波，然后對轉化成的直流信號進行處理并顯示，具有結構簡單，輸入阻抗高，適用于高頻測量的特點。缺點是起始測量信號較大，一般為幾十毫伏，非線性誤差亦大。其工作原理如圖3.14所示。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量

16、 圖3.14 檢波-放大式電壓表原理框圖衰 減 器檢 波 器直 流 放 大 器指 示 器第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3 熱偶式電壓表熱電偶不僅可以用于電流測量，而且可以作為電壓測量的核心部件。 4 外差式電壓表由于頻響和靈敏度的限制，放大-檢波式電壓表、檢波-放大式電壓表和熱偶式電壓表均不可以用于高頻微伏級電壓檢測。這時可采用外差式電壓表，它的測量頻率可達幾百兆赫，靈敏度一般都是微伏級。其工作原理如圖3.15所示。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.15 外差式電壓表原理框圖探 頭混 頻 器中 頻 放 大檢 波 器指 示 電 表第第3章章 電流

17、、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.4.4 交流數(shù)字電壓表低頻數(shù)字電壓表一般是在直流數(shù)字電壓表的基礎上增加放大器、交直流變換器而組成的，如圖3.16（a）所示。高頻數(shù)字電壓表的一般組成如圖3.16（b）所示。它的檢波器探頭高頻特性較好。寬帶數(shù)字電壓表的一般組成如圖3.16（c）所示。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.16 交流數(shù)字電壓表組成框圖（a） 低頻數(shù)字電壓表組成框圖； （b） 高頻數(shù)字電壓表組成框圖； （c） 寬帶數(shù)字電壓表組成框圖； (d) 智能型電子電壓表組成框圖寬帶放大器輸入檢波器直流數(shù)字電壓表輸出高阻輸入探頭(a)放大器輸入檢波器直流數(shù)字電壓表

18、輸出(b)(c)檢波器探頭輸入直流放大器直流數(shù)字電壓表輸出寬帶放大器輸入高速采樣計算顯示輸出高阻輸入電路(d)第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.4.5 交流電壓測量的其他應用1.脈沖電壓測量脈沖電壓的特點是幅度較大，持續(xù)時間短。如果用峰值檢波器檢測已知占空比的脈沖電壓，可以由數(shù)學的方法或根據(jù)經(jīng)驗對測量結果進行合適的修正。 2.噪聲電壓測量在電子學領域，噪聲電壓是一種普遍存在的隨機信號。典型的有電阻的熱噪聲、晶體三極管的內(nèi)部噪聲、電子放大器的輸出噪聲等等。在設計電子電路時，免不了要對噪聲，特別是高斯白噪聲進行測量。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3

19、.5 功率測量功率測量3.5.1 直流功率測量由電工學可知，功率即為單位時間內(nèi)所做的功。具體表達式為 tWP時間功功率（ )（3-11）第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 式中，Q電荷，單位為C(庫侖)；U電壓，單位為V(伏特)； I電流，單位為A(安培)。在電阻電路中，還可導出：3.5.2 交流功率測量對于純電感電路，電流滯后電壓90，如圖3.17（a）所示； 對于純電容電路，電流超前于電壓90，如圖3.17（b）所示。 RUPRIP22, （3-13） 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.17 U與I的相位關系UIUUIOtttOO(a)(b)(c

20、)I第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 設 ，則平均功率為視在功率、無功功率與有效平均功率的關系為： （3-15） )cos(2),cos(2tIitUucCcos)cos)2(cos()cos(cos)cos(211000UIdttTUIdtttUITdtuiTPCTCTCT （3-14） 22RTAPPP第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.18為交直流功率表的工作原理與電路中單個負載的連接情況。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.18 功率測量原理負載功率表線路電壓C1C2V1V2第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓

21、與功率測量 圖3.19中，兩個電壓線圈互相垂直安裝，一個與無感電阻相串聯(lián)，一個與電感器相串聯(lián)，所以可以近似地認為兩線圈中的電流相位之差為90。電流線圈是與電路相串聯(lián)的，與被測線路電流同相。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.19 功率因數(shù)連接電路電流線圈RR負載電壓垂直活動線圈輸入第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 經(jīng)典型電度表的內(nèi)部結構如圖3.20所示。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.20 經(jīng)典型電度表的結構S1線電壓S2DMM永久磁鐵鋁盤負載RFFBFFF到指示度盤(A)電樞第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓

22、與功率測量 3.5.3 高頻功率測量一般可用無感電阻和交流表頭，或高頻電壓表與理想負載構成測試單元，如圖3.21所示。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.21 高頻功率測量A功率輸入RL50 高頻電表RL50 功率輸入(a)(b)第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 比如，在檢修一個400 W單邊帶無線電臺發(fā)信機的功率時，即可用4個100 W燈泡作為簡易功率計，測量方法如圖3.22所示。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.22 400 W短波電臺簡易功率測試單邊帶發(fā)信機功放天線輸出端第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與

23、功率測量 3.5.4 功率測量與電壓測量的電平表示（1） 絕對功率電平LP。以600 電阻上消耗1 mW的功率作為基準功率，任意功率與之相比的對數(shù)稱為絕對功率電平，其值為（2） 相對功率電平L dBmPPLxP0lg10（3-16） dBPPLBAPlg10 （3-17） 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 由于600 電阻上消耗的功率為1 mW，其上的電壓為0.775 V，以此作為基準電壓，可以確定電壓的絕對電平Lu和相對電平Lu分別為要注意的是量程問題。電壓表的量程是乘數(shù)關系，電平表則是加法關系。因此在擴大N倍量程的情況下，有dBuuLdBVuLBxuxulg20775.

24、 0lg20（3-18） （3-19） NuNuLxxulg20775. 0lg20775. 0lg20（3-20） 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 例3.2 用MF-20電子多用表的30 V量程測量電壓，當該量程的讀數(shù)為27.5 V時，問該電壓信號對應的分貝值是多少？解 因為MF-20多用表將1.5 V量程刻度線上的0.775 V定義為0 dB，30V量程是1.5 V的20倍擴展，27.5 V示值位置對應在1.5 V量程上的讀數(shù)為1.38 V，所以有dBVLu31775. 038. 1lg2026第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.6 數(shù)字萬用表的

25、特點與技術原理數(shù)字萬用表的特點與技術原理3.6.1 數(shù)字萬用表的特點數(shù)字萬用表具有以下特點： （1） 功能多。 (2） 指標高。數(shù)字萬用表的直流電壓測量技術指標有如下特色： 輸入范圍大。 準確度高。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 分辨率高。 輸入阻抗高。 顯示位數(shù)多。 讀數(shù)速率快?？蛇_500次/s。（3） 用途廣。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.6.2 數(shù)字萬用表的主要技術指標數(shù)字萬用表最主要的技術指標有： （1） 顯示位數(shù)。 （2） 分辨率。（3） 測量速率。（4） 輸入特性。（5） 抗干擾能力。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功

26、率測量 3.6.3 數(shù)字萬用表的組成數(shù)字萬用表的組成框圖如圖3.23所示。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.23 數(shù)字萬用表組成框圖I輸入控制UR L CCMPU數(shù)字化液晶屏A/D轉換器BE第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 3.6.4 數(shù)字萬用表的技術原理與要求1.輸入電路技術原理數(shù)字萬用表一般通過一對紅黑表筆引入外部輸入信號，對于二端元件的測量也是通過表筆輸入的。對于晶體管這樣的三端元件，一般由獨立的測試座輸入。針對輸入信號幅值的不同，輸入單元電路設有不同的衰減器，當測量的量值超出范圍時，系統(tǒng)能給出溢出提示，部分數(shù)字萬用表設有語音提示功能，會及

27、時給出操作有誤的信息。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 2.顯示單元技術原理絕大多數(shù)數(shù)字萬用表選用液晶顯示屏作為顯示終端。液晶屏由許多個由液晶材料構成的顯像單元（像素）組成，典型的如筆段式，82、161字符型，12232、128240點陣式等。 3.控制處理單元技術原理微處理器特別是單片計算機在數(shù)字萬用表中構成控制器，管理測量操作過程和處理測量結果。此外, 在一定程度上可以以軟件功能代替或簡化硬件功能，如自動量程轉換、自動誤差校正、抑制干擾等。MPU的使用在很大程度上降低了系統(tǒng)成本，提高了儀表的智能化程度和操作的便利性。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量

28、 4.轉換電路技術原理數(shù)字萬用表的轉換電路包括兩類: 一類是基本轉換電路，負責將模擬狀態(tài)的直流電量轉換為數(shù)字量； 另一類是測試轉換電路，負責將被測的物理量轉換為儀器可以處理的直流電量。1) 基本轉換電路原理雙斜式A/D轉換器是一種應用較早且目前仍被廣泛應用的A/D轉換器，其原理如圖3.24所示。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.24 雙斜式A/D轉換器原理電路控制電路A1A2J1J2J3J4RUiS2S3S4 Ur UrS1第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 雙斜式A/D轉換器的工作過程如圖3.25所示，可以分為采樣期和比較期兩個階段。(1) 采樣期

29、。(2) 比較期。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.25 雙斜式A/D轉換器的工作過程ttUi1Ui2t1t2 Urt3t3P2P1t1t2t3t3T1T2T2tOOO第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 脈沖調(diào)寬式A/D轉換器的原理電路如圖3.26所示。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.26 脈沖調(diào)寬式A/D轉換器原理電路方波發(fā)生器控制電路時鐘發(fā)生器計數(shù)器ACR2R1R3Ui Ur UrCUsJ1J2第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 2) 測試轉換電路圖3.27為美國FLUKE公司8520A型數(shù)字萬用表的ACV/DCV轉換器原理。 第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.27 ACV/DCV變換原理(b)(a)5 k5 k5 k半波整流A1A220 k10 k平均值放大器A4A35 k均方根相加、平方UiUo第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.28是一種測量電阻用變換電路。第第3章章 電流、電壓與功率測量電流、電壓與功率測量 圖3.28 R/V變換原理電路AIR3S3S210 V9 VVRxR2R