5電壓測量介紹課件PPT2

第5章電壓測量5.1概述5.2電壓標準5.3交流電壓的測量5.4直流電壓的數(shù)字化測量及A/D轉換原理5.5電流、電壓、阻抗變換技術及數(shù)字多用表5.6數(shù)字電壓表的誤差分析及自動化技術5.7電壓測量的干擾及抑制技術1.

重要性◆電壓測量是許多電測量與非電測量的基礎◆是電量測量中最基本、最常見的一種測量◆電壓測量也是非電量測量的基礎5.1.1電壓測量的意義、特點

2.

特點(1)頻率范圍廣(2)測量范圍寬(3)電壓波形的多樣化(4)阻抗匹配(5)測量精度(6)測量速度(7)抗干擾性能5.1.2電壓測量的方法和分類·按對象：直流電壓測量和交流電壓測量·按技術：模擬測量和數(shù)字測量5.2電壓標準

5.2.1直流電壓標準 電壓和電阻是電磁學中的兩個基本量 電壓基準和電阻基準——〉其他電磁量基準

電壓標準

標準電池（實物基準，10-6）齊納管電壓標準（固態(tài)標準，10-6）約瑟夫森量子電壓基準（量子化自然基準，10-10）

1.標準電池 原理：利用化學反應產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的電動勢（1.01860V）。有飽和型和不飽和型兩種類型。

(5-1)2.齊納二極管電壓標準

利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性制作的電子式電壓標準（也稱為固態(tài)電壓標準）齊納管的穩(wěn)壓特性仍然存在受溫度漂移的影響，采用高穩(wěn)定電源和內(nèi)部恒溫控制電路可使其溫度系數(shù)非常小將齊納管與恒溫控制電路集成在一起的精密電壓基準源，如LM199/299/399、REF系列

BrianJosephson(1940-)3.約瑟夫森量子電壓基準

圖5-1雙測熱電阻電橋的原理圖5.2.2高頻電壓標準

5.3交流電壓的測量

5.3.1表征交流電壓的基本參量峰值平均值有效值波峰因數(shù)和波形因數(shù)峰值以零電平為參考的最大電壓幅值（用Vp表示） 注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱為振幅，（通常用Um表示）圖5-2交流電壓的峰值均值數(shù)學上定義為：相當于交流電壓u(t)的直流分量。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（一般若無特指，均為全波整流）：對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T

（5-6）（5-7）（5-8）有效值交流電壓u(t)在一個周期T內(nèi)，通過某純電阻負載R所產(chǎn)生的熱量，與一個直流電壓V在同一負載上產(chǎn)生的熱量相等時，則該直流電壓V的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)的有效值。意義：有效值在數(shù)學上即為均方根值。有效值反映了交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T波峰因數(shù)和波形因數(shù)波峰因數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用Kp表示，對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T波形因數(shù)定義：有效值與平均值的比值，用KF表示，對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T常見波形的波峰因數(shù)和波形因數(shù)可查表得到： 如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方波：Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 鋸齒波：Kp=1.73，KF=1.15； 脈沖波：Kp=，KF=，為脈沖寬度，T為周期

白噪聲：Kp=3（較大），KF=1.25。5.3.2交流/直流轉換器的響應特性及誤差分析

1.交流/直流電壓（AC-DC）轉換原理模擬電壓表的交流電壓測量原理： 交流電壓--〉直流電流（有效值、峰值和平均值）

--〉驅動表頭--〉指示。 交流電壓--〉有效值、峰值和平均值的轉換，稱為

AC-DC轉換。由不同的檢波電路實現(xiàn)。（1）峰值檢波原理

二極管峰值檢波電路（a.串聯(lián)式,b.并聯(lián)式,c.波形）（2）平均值檢波原理

圖5-4平均值檢波原理圖(3)有效值檢波原理利用二極管平方律伏安特性檢波利用小信號時二極管正向伏安特性曲線可近似為平方關系缺點：精度低且動態(tài)范圍小實際應用中，采用分段逼近平方律的二極管伏安特性曲線圖的電路2)利用模擬運算的集成電路檢波圖5-5計算式有效值變換實現(xiàn)框圖3）利用熱電偶有效值檢波熱電效應：兩種不同導體的兩端相互連接在一起，組成一個閉合回路，當兩節(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)象稱為熱電效應，所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。熱電效應原理圖當熱端T和冷端T0存在溫差時（即T≠T0），則存在熱電動勢，且熱電動勢的大小與溫差ΔT=T-T0成正比。熱電偶有效值檢波原理圖圖中，直流電流I與被測電壓u(t)的有效值V的關系：電流I∝熱電動勢∝熱端與冷端的溫差，而熱端溫度∝u(t)功率∝u(t)的有效值V的平方，故，圖5-7具有線性刻度的有效值電壓表原理圖2.峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析刻度特性對于任意波形而言，峰值電壓表的讀數(shù)α沒有直接意義，由讀數(shù)α到峰值和有效值需進行換算，換算關系歸納如下： 式中，α為峰值電壓表讀數(shù)，為波峰因數(shù)。波形誤差3.均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析刻度特性對于任意波形而言，均值電壓表的讀數(shù)α沒有直接意義，由讀數(shù)α到峰值和有效值需進行換算，換算關系歸納如下： 式中，α為均值電壓表讀數(shù)，KF為波形因數(shù)。波形誤差。若將讀數(shù)α直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差4）實例分析

[例]用具有正弦有效值刻度的峰值電壓表測量一個方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問如何從該讀數(shù)得到方波電壓的有效值？[解]根據(jù)上述峰值電壓表的刻度特性，由讀數(shù)α=1.0V， 第一步，假設電壓表有一正弦波輸入，其有效值=1.0V； 第二步，該正弦波的峰值=1.4V； 第三步，將方波電壓引入電壓表輸入，其峰值Vp=1.4V； 第四步，查表可知，方波的波峰因數(shù)Kp=1，則該方波的有效值為： V=Vp/Kp=1.4V。

4）實例分析[例]用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測量一個方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問該方波電壓的有效值為多少？[解]根據(jù)上述均值電壓表的刻度特性，由讀數(shù)α=1.0V， 第一步，假設電壓表有一正弦波輸入， 其有效值=1.0V； 第二步，該正弦波的均值=0.9α=0.9V； 第三步，將方波電壓引入電壓表輸入， 其均值0.9V； 第四步，查表可知，方波的波形因數(shù)=1，則該方波的有效值為: 0.9V。

5.3.3模擬式交流電壓表1.檢波-放大式電壓表2.放大-檢波式電壓表3.分貝測量及寬頻電平表4.外差式選頻電平表1）檢波-放大式電壓表圖5-8檢波-放大式電壓表組成a.組成框圖;b.提高靈敏度的措施5.3.3模擬式交流電壓表2）放大-檢波式電壓表組成框圖先放大再檢波，因此靈敏度很高。 均值電壓表常用這種方式。放大器寬帶交流放大器決定了電壓表的頻率范圍。一般上限為10MHz。常稱為“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表”。靈敏度受仍受寬帶交流放大器內(nèi)部噪聲限制。3分貝測量及寬頻電平表(1)分貝(5-25)

(5-26)

(2)寬頻電平表具有分貝讀數(shù)的電壓表稱為“寬頻電平表”組成框圖：在均值電壓表（放大-檢波式）基礎上設計的4外差式選頻電平表組成框圖組成：外差式接收機＋寬頻電平表。輸入電路：衰減或小增益高頻放大。兩級變頻：輸入fx與第一本振f1（可調）混頻，經(jīng)帶通濾波器選出fZ1（固定）；5電壓表的使用峰值電壓表均值電壓表有效值電壓表寬頻電平表選頻電平表5.4直流電壓的數(shù)字化測量及A/D轉換原理

5.4.1DVM的組成原理及主要性能指標1）DVM的組成數(shù)字電壓表（DigitalVoltageMeter，簡稱DVM）。組成框圖圖5-12數(shù)字電壓表組成框圖DVM的主要性能指標顯示位數(shù)量程分辨力測量速度測量精度輸入阻抗5.4.2A/D轉換原理分類:

積分式：雙積分式、三斜積分式、脈沖調寬（PWM）式、電壓-頻率（V-F）變換式等。非積分式：斜波電壓（線性斜波、階梯斜波）式、比較式（逐次逼近式、零平衡式）等。1）逐次逼近比較式ADC原理框圖圖5－13逐次逼近比較式ADC原理框圖2）單斜式ADC

圖5－14

單斜式ADC的原理框圖和波形圖2）單斜式ADC[例]設一臺基于單斜A/D轉換器的4位DVM，基本量程為10V，斜波發(fā)生器的斜率為10V/100ms，試計算時鐘信號頻率。若計數(shù)值N=5123，則被測電壓值是多少？[解]3.雙積分式ADC

雙積分式ADC特點積分器的R、C元件對A/D轉換結果不會產(chǎn)生影響，因而對元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高。參考電壓Ur的精度和穩(wěn)定性對A/D轉換結果有影響具有較好的抗干擾能力4.三斜積分式ADC5.5電流、電壓、阻抗變換技術及數(shù)字多用表5.5.1電流、電壓、阻抗變換技術1AC/DC變換2I/V變換3Z/V變換2.I/V變換圖5-17電流-電壓（I/V）變換3.Z/V變換圖5-18電阻-電壓（R/V）變換的原理圖5.5.2數(shù)字多用表1.組成框圖圖5-19DMM的組成框圖5.5.2數(shù)字多用表2.數(shù)字多用表（DMM）的主要特點DVM的功能擴展。DMM可進行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測量。測量分辨力和精度有低、中、高三個檔級，位數(shù)3位半~8位半。一般內(nèi)置有微處理器?？蓪崿F(xiàn)開機自檢、自動校準、自動量程選擇，以及測量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均方根值）等自動測量功能。一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于組成自動測試系統(tǒng)。

a.二端法 b.四端法3.數(shù)字多用表的使用圖5-20DMM的二端法與四端法測電阻引線電阻接觸電阻5.6數(shù)字電壓表的誤差分析及自動化技術

5.6.1DVM的誤差分析

1.DVM的整體誤差

2.DVM中各部件的誤差分析1.滿度誤差與自動校零技術

a.放大器的Uos引起輸出變化AUos b.自動校零原理（并聯(lián)式）5.6.2DVM中的自動校正技術圖5-24放大器的零點漂移及自動校零電路5.6.2DVM中的自動校正技術2讀數(shù)誤差的自動校正技術積分器的零點校正，不僅可以減小滿度誤差，也可減小讀數(shù)誤差中的轉換誤差。讀數(shù)誤差中的非線性誤差，則還需要采取其他措施，主要有補償和校正兩種措施3.DVM的校準測量原理圖5-25DVM的軟件校準測量原理（5-57）5.6.3DVM中的自動量程技術1.滿度誤差與量程選擇的關系圖5-26滿度誤差在全量程范圍內(nèi)的變化5.6.3DVM中的自動量程技術2.量程自動選擇實現(xiàn)原理圖5-27DVM的自動量程轉換5.7電壓測量的干擾及抑制技術5.7.1干擾的來源及分類圖5-28DVM的串模干擾和共模干擾5.7.1干擾的來源及分類圖5-29串模干擾與共模干擾的實際例子5.7.2串模干擾的抑制1抑制原理及基本方法直流串模干擾：由于串模干擾是疊加在被測信號上，則很難從硬件上予以抑制，通?？刹捎密浖屎蛿?shù)據(jù)處理的方法來處理。周期性串模干擾：可采用濾波的方法抑制（從被測信號中濾除掉干擾信號）。另外，采用積分式A/D轉換器