第3章 模擬測(cè)量方法

第3章

模擬測(cè)量方法第3章模擬測(cè)量方法

3.1電壓測(cè)量概述3.2交流電壓的測(cè)量（*）3.3噪聲電壓的測(cè)量3.4分貝的測(cè)量3.５失真度的測(cè)量第3章模擬測(cè)量方法重點(diǎn)：交流電壓的測(cè)量方法均值電壓表有效值電壓表峰值電壓表其讀數(shù)原理噪聲電壓的測(cè)量難點(diǎn)：交流電壓的測(cè)量方法及其讀數(shù)原理3.1電壓測(cè)量概述電壓測(cè)量是電測(cè)量與非電測(cè)量的基礎(chǔ)電測(cè)量中，電量的測(cè)量可以轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量電流、功率電壓飽和與截止，線性度、失真度電壓非電測(cè)量中，先轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再進(jìn)行測(cè)量如：溫度、壓力、振動(dòng)、（加）速度一、電壓測(cè)量的重要性3.1電壓測(cè)量概述——從直流到數(shù)百兆赫茲二、電壓測(cè)量的基本要求直流—10－7級(jí)交流—10－4∽10－2級(jí)——1、寬頻率2、寬量程3、高準(zhǔn)確度5、高抗干擾能力4、高輸入阻抗——-——-3.1電壓測(cè)量概述β%Um——滿度值的百分?jǐn)?shù)常用于線性刻度的模擬電壓表中α%Ux——讀數(shù)值的百分?jǐn)?shù)多用于對(duì)數(shù)刻度的電壓表中β%Um+α%Ux用在具有線性刻度電壓表的一種較嚴(yán)格的精確度表征，數(shù)字電壓表都用這種方式。

3、準(zhǔn)確度的表示3.1電壓測(cè)量概述(續(xù))三、電壓測(cè)量?jī)x器的分類1、按顯示方式分：模擬式電壓表數(shù)字式電壓表DVM2、按功能分：直流電壓表交流電壓表低頻電壓表高頻電壓表超高頻電壓表3、按檢波器分：峰值電壓表均值電壓表有效值電壓表3.2交流電壓的測(cè)量3.2.1交流電壓的表征3.2.2交流電壓的測(cè)量方法3.2.3平均值電壓的測(cè)量3.2.4有效值電壓的測(cè)量3.2.5峰值電壓的測(cè)量3.2.1交流電壓的表征1、峰值UP—波形正方向或負(fù)方向的最高點(diǎn)從參考0電平開(kāi)始算起2、平均值數(shù)學(xué)上：電壓測(cè)量—全波整流振幅峰值平均值3.2.1交流電壓的表征(續(xù))3、有效值U定義：－Note：①各類電壓表都是按正弦波有效值定度的；②若被測(cè)電壓都是正弦波，且角頻率成倍數(shù)關(guān)系，則有效值滿足疊加性：3.2.1交流電壓的表征(續(xù))4、波形系數(shù)KF5、波峰系數(shù)KP3.2.1交流電壓的表征(續(xù))常見(jiàn)波形的KF與KP（P67）1.731.15三角波鋸齒波UPUP11方波1.4141.11正弦波ˉUKPKF波形U3.2.2交流電壓的測(cè)量方法直流電壓表—分壓電阻＋直流表頭R交流電壓表—整流＋直流表頭AC—DC交流直流整流3.2.2交流電壓的測(cè)量方法（續(xù)）整流方式——按靈敏度和頻帶分：交流直流①放大－檢波式放大器檢波器整流特點(diǎn)：A、靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲限制，mV級(jí)B、頻率受放大器帶寬限制，20～10MHz3.2.2交流電壓的測(cè)量方法（續(xù)）整流方式——按靈敏度和頻帶分：交流直流②檢波－放大式檢波器放大器整流特點(diǎn)：A、靈敏度低（幾十mV）B、頻率取決于檢波二極管的高頻特性，20Hz∽300MHz3.2.2交流電壓的測(cè)量方法（續(xù)）整流方式——按靈敏度和頻帶分：交流f直流③外差式特點(diǎn)：A、靈敏度高B、測(cè)高頻（20Hz∽300MHz）放大器檢波器混頻器fc可調(diào)3.3.３平均值電壓的測(cè)量一、組成（視頻毫伏表）二、均值檢波器半波整流全波整流濾除交流，避免指針抖動(dòng)交流直流放大器平均值檢波器分壓器保護(hù)二極管3.3.３平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）三、刻度特性—以正弦波的有效值為刻度非正弦波換算—“示值同則均值同”3.3.３平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）例1：用均值表分別測(cè)方波、三角波、正弦波，電壓表讀數(shù)均為10V，問(wèn)被測(cè)電壓的有效值分別為多少？①平均值：②有效值：正弦波不用換算3.3.３平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析1、可能引起的誤差指示微安表自身誤差、檢波二極管性能參數(shù)變化、被測(cè)電壓超過(guò)頻率范圍、波形不同都會(huì)帶來(lái)誤差。2、非正弦波的波形誤差

絕對(duì)誤差：相對(duì)誤差：

3.3.３平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）例：接上例波形誤差：3.3.３平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析3、失真正弦波的波形誤差

設(shè)測(cè)一個(gè)包含二次或三次諧波失真的正弦波電壓：n次諧波幅度相對(duì)于基波的百分?jǐn)?shù)初相角平均值：指示值：3.3.３平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析3、失真正弦波的波形誤差

真正的有效值：波形誤差：n次諧波的非線性失真系數(shù)3.3.３平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析4080120160200240280320360400012345D2＝30％20％10％二次諧波產(chǎn)生的波形誤差3.3.３平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析三次諧波產(chǎn)生的波形誤差(P69)40801201602002402803203604000-404812D2＝30％20％10％-8163.3.３平均值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析3、失真正弦波的波形誤差

結(jié)論：①②二次諧波的產(chǎn)生的誤差比三次諧波的小③推廣：奇次諧波誤差比偶次諧波大，偶次諧波誤差可忽略。當(dāng)Dn<10%，奇次諧波的波形誤差可估算：3.3.4有效值電壓的測(cè)量一、組成二、有效值檢波器平方律檢波器分段逼近式檢波器熱電偶式檢波器模擬運(yùn)算式RMS檢波器交流直流放大器有效值檢波器分壓器3.3.4有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）1、平方律檢波器趨向0起始電流去掉起始電流的影響，則：特點(diǎn)：①無(wú)波形誤差②刻度非線性③動(dòng)態(tài)范圍小3.3.4有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）2、分段逼近式檢波器利用二極管和電阻網(wǎng)絡(luò)，人為地制造一條用折線逼近的平方率曲線。特點(diǎn)：大大地?cái)U(kuò)展有效值檢波器的動(dòng)態(tài)范圍，此種方法用得較為廣泛。3.3.4有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）2、分段逼近式檢波器利用二極管和電阻網(wǎng)絡(luò)，人為地制造一條用折線逼近的平方率曲線。特點(diǎn)：大大地?cái)U(kuò)展有效值檢波器的動(dòng)態(tài)范圍，此種方法用得較為廣泛。3.3.4有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）3、熱電偶式檢波器（1）基本原理3.3.4有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）3、熱電偶式檢波器（2）熱電偶式有效值電壓表原理圖Ui=0完全對(duì)稱作用:①刻度線性化②提高熱穩(wěn)定性3.3.4有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）3、熱電偶式檢波器（3）特點(diǎn)①儀表的靈敏度和頻率范圍取決于放大器的增益和帶寬②刻度線性，基本無(wú)波形誤差③熱慣性，讀數(shù)較慢例DA－24型量程：1mV-300V頻率：10Hz-10MHzS＝1.53.3.4有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）（3）特點(diǎn)—測(cè)量誤差④頻率誤差原因：受放大器頻率寬度的限制范圍：抑制方波中的高次諧波而產(chǎn)生誤差設(shè)有效值電壓表的帶寬為10MHZ，用該電壓表測(cè)量1MHZ的方波型號(hào)，有電壓表引起的波形誤差為：3.3.4有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）（3）特點(diǎn)—測(cè)量誤差⑤波形誤差原因：受放大器動(dòng)態(tài)范圍的限制范圍：對(duì)過(guò)高的尖峰可能產(chǎn)生削峰3.3.4有效值電壓的測(cè)量（續(xù)）4、模擬運(yùn)算式RMS檢波器原理:通過(guò)多級(jí)運(yùn)算器級(jí)連實(shí)現(xiàn)單片式RMS－DC轉(zhuǎn)換器如AD536AK等。特點(diǎn):響應(yīng)時(shí)間短、過(guò)載性能好特點(diǎn):準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定度高3.3.5峰值電壓的測(cè)量一、組成（高頻毫伏表）交流直流橋式直流放大器峰值檢波器分壓器特點(diǎn):①靈敏度（幾十mV）和頻率范圍（<300MHz）

②電壓上限取決于檢波二極管的反向擊穿電壓。改進(jìn):①采用高A、低漂移的放大器，靈敏度（幾十V）②用超高頻二極管，頻率范圍（<1GHz）③檢波器置于探頭內(nèi)—減少高頻信號(hào)的傳輸損失。3.3.5峰值電壓的測(cè)量（續(xù)）二、峰值檢波器uc(t)充電＋＋放電串聯(lián)式并聯(lián)式Tmax、Tmin是被測(cè)電壓的最大周期和最小周期起隔直流作用<<>>3.3.5峰值電壓的測(cè)量（續(xù)）三、刻度特性—以正弦波的有效值為刻度非正弦波換算—“示值同則峰值同”3.3.5峰值電壓的測(cè)量（續(xù)）例3：用峰值表分別測(cè)方波、三角波，電壓表讀數(shù)均為5V，問(wèn)被測(cè)電壓的有效值分別為多少？①峰值：②有效值：例：一只串聯(lián)式峰值電壓表和一只并聯(lián)式峰值電壓表分別測(cè)量電壓，判斷兩只電壓表內(nèi)檢波器的輸出時(shí)多少V？串聯(lián)式峰值電壓表：并聯(lián)式峰值電壓表：3.3.5峰值電壓的測(cè)量（續(xù)）四、誤差分析①理論誤差②頻率誤差③波形誤差原因：放電使測(cè)量值小于實(shí)際值（固有負(fù)誤差）正弦波的相對(duì)誤差：原因：周期長(zhǎng)，放電長(zhǎng)，誤差大（適合高頻測(cè)量）低頻相對(duì)誤差：原因：對(duì)波形的凸起部分非常敏感失真正弦波：盡量不用峰值表uc(t)三種電子電壓表主要特性比較放大-檢波3.3噪聲電壓的測(cè)量3.3.1噪聲電壓的基本特性3.3.2用平均值表測(cè)量噪聲電壓3.3.3放大器的噪聲參數(shù)及其測(cè)量3.3.1噪聲電壓的基本特性一、分類1、按噪聲來(lái)源：2、按功率譜：有色噪聲白噪聲熱噪聲散粒噪聲人為噪聲自然噪聲電路內(nèi)部噪聲3.3.1噪聲電壓的基本特性（續(xù)）1、按噪聲來(lái)源分①人為噪聲鄰近電臺(tái)干擾、高壓線的電暈放電等②自然噪聲打雷放電、雨點(diǎn)靜電、太陽(yáng)的噪聲電波等③電路內(nèi)部噪聲由元器件（晶體管、R等）內(nèi)部帶電質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不規(guī)則造成的現(xiàn)象。一、分類3.3.1噪聲電壓的基本特性（續(xù)）2、按功率譜分①有色噪聲在頻率范圍內(nèi)能量分布不均勻②白噪聲—在頻率范圍內(nèi)能量分布均勻熱噪聲由于晶體管內(nèi)部微粒不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的

散粒噪聲在晶體管的PN結(jié)中，由于電荷運(yùn)動(dòng)不連續(xù)而產(chǎn)生的晶體管內(nèi)部噪聲一、分類3.3.1噪聲電壓的基本特性（續(xù)）1、白噪聲電壓的瞬時(shí)值呈正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)：二、白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性噪聲電壓瞬時(shí)值噪聲電壓的有效值3.3.2用平均值表測(cè)量噪聲電壓一、讀數(shù)修正刻度換算：KF的求解：3.3.2用平均值表測(cè)量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問(wèn)題1、帶寬準(zhǔn)則2、測(cè)量時(shí)間的影響3、波峰因數(shù)的影響3.3.2用平均值表測(cè)量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問(wèn)題1、帶寬準(zhǔn)則修正后的噪聲電壓被測(cè)系統(tǒng)的噪聲帶寬測(cè)得的噪聲電壓被測(cè)系統(tǒng)＋電壓表的噪聲帶寬3.3.2用平均值表測(cè)量噪聲電壓（續(xù)）B3dBBwn0.786-21.4%2Bwn0.872-12.8%5Bwn0.941-5.9%8Bwn0.962-3.8%電壓表的3dB帶寬<5%帶寬準(zhǔn)則：電壓表的3dB帶寬為被測(cè)系統(tǒng)的8∽10倍3.3.2用平均值表測(cè)量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問(wèn)題2、測(cè)量時(shí)間的影響時(shí)間影響：窄帶時(shí)間長(zhǎng)寬帶時(shí)間短例：測(cè)5Hz和1KHz系統(tǒng)的噪聲，使誤差<1%，則所需時(shí)間分別為1000s和5s。低頻測(cè)量：通常記錄其波形，測(cè)其峰－峰值再換算。T時(shí)間內(nèi)的測(cè)得值被測(cè)系統(tǒng)的噪聲帶寬測(cè)量時(shí)間3.3.2用平均值表測(cè)量噪聲電壓（續(xù)）二、需要考慮的問(wèn)題3、波峰因數(shù)的影響量程準(zhǔn)則：表頭示值不得超過(guò)滿刻度值的一半半滿度測(cè)量3.3.3器件和放大器噪聲的測(cè)量一、與噪聲相關(guān)的參數(shù)1、等效輸入噪聲Uni2、噪聲帶寬Bwn3、信噪比SNR4、噪聲系數(shù)F二、測(cè)量方法：①正弦信號(hào)法②噪聲發(fā)生器法——中、低頻——高頻3.3.3器件和放大器噪聲的測(cè)量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測(cè)量（1）定義：把放大器的全部噪聲折算為輸入端的噪聲電壓Uni或噪聲電流IniA無(wú)噪聲放大器UniUsRsUnoA無(wú)噪聲放大器IniUsRsUnO電壓源電流源3.3.3器件和放大器噪聲的測(cè)量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測(cè)量（2）測(cè)量A無(wú)噪聲放大器UniRsUno被測(cè)器件的輸出噪聲電壓電壓增益Au①正弦信號(hào)法②噪聲發(fā)生器法3.3.3器件和放大器噪聲的測(cè)量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測(cè)量①正弦信號(hào)法步驟：UniRsUnoAB、去掉Us，保留Rs，測(cè)得UnoC、Note：a、Uni<<Usb、測(cè)Uno時(shí)，Rs保留，并要符合帶寬準(zhǔn)則源內(nèi)阻信號(hào)源C、UsRsUoAA、測(cè)出放大器增益Au3.3.3器件和放大器噪聲的測(cè)量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測(cè)量②噪聲發(fā)生器法UnsRsUno2A步驟：C、計(jì)算UniRsUno1AA、只接Rs，B、保留Rs，接上噪聲信號(hào)源輸出Uns，測(cè)得Uno23.3.3器件和放大器噪聲的測(cè)量（續(xù)）1、等效輸入噪聲Uni的測(cè)量③兩種方法比較方法步驟設(shè)備范圍準(zhǔn)確度正弦信號(hào)法多通用中低頻低噪聲發(fā)生器法少標(biāo)準(zhǔn)源高頻高3.3.3器件和放大器噪聲的測(cè)量（續(xù)）2、噪聲帶寬Bwn（1）定義：最大電壓增益（2）測(cè)量方法：①正弦信號(hào)法②噪聲發(fā)生器法3.3.3器件和放大器噪聲的測(cè)量（續(xù)）3、信噪比SNR（1）定義：（2）測(cè)量方法：見(jiàn)P90圖3.3-7純電阻網(wǎng)絡(luò)分貝表示：3.3.3器件和放大器噪聲的測(cè)量（續(xù)）4、噪聲系數(shù)F－表征信噪比降低的程度（1）定義：（2）測(cè)量方法：見(jiàn)P91圖3.3-8分貝表示：放大器功率增益3.4分貝的測(cè)量3.4.1數(shù)學(xué)定義1、功率之比的對(duì)數(shù)——分貝（dB）（2）分貝P1＝10P2貝爾（1）貝爾1Bel＝10dB（deciBel）取正，P1>P2取負(fù)，P1<P23.4分貝的測(cè)量（續(xù)）3.4.1數(shù)學(xué)定義2、電壓比的對(duì)數(shù)R1＝R2取正，U1>U2取負(fù)，U1<U2注意系數(shù)區(qū)別3.4分貝的測(cè)量（續(xù)）3.4.1數(shù)學(xué)定義3、絕對(duì)電平注意單位一致（1）功率電平dBm假定：以基準(zhǔn)量P0＝1mW作為0功率電平（0dBm），則PX的功率電平定義為：3.4分貝的測(cè)量（續(xù)）3.4.1數(shù)學(xué)定義3、絕對(duì)電平（2）電壓電平dBV假定：以基準(zhǔn)量U0＝0.775V（正弦有效值）作為0電壓電平（0dBV），則UX的電壓電平定義為：Note：①PV并未指定阻抗，應(yīng)指任意阻抗②當(dāng)R＝600歐，Pw＝PV3.4分貝的測(cè)量（續(xù)）3.4.1數(shù)學(xué)定義4、音量單位（VU－VolumeUnits）0VU：600歐阻抗上吸取功率為1mW，則當(dāng)600歐阻抗上吸取功率為PX[mW]時(shí)VU為:3.4分貝的測(cè)量（續(xù)）3.4.2分貝值的測(cè)量應(yīng)用范圍：測(cè)量放大器增益或與音響設(shè)備有關(guān)的參數(shù)讀數(shù)：讀數(shù)＝量程讀數(shù)＋指示值例：P97例2和例3實(shí)質(zhì)：仍是交流電壓的測(cè)量，只是表盤以dB刻度例：97MF－20表例：在150Ω的電阻上，測(cè)得其電壓電平為＋20dBV，其對(duì)應(yīng)的功率電平為多少？3.５失真度的測(cè)量失真：特點(diǎn)：在線性電路中，由于電路的工作點(diǎn)選擇不當(dāng)或信號(hào)幅度超過(guò)了電路的線性范圍，使信號(hào)進(jìn)入了非線性區(qū)而產(chǎn)生非線性失真。產(chǎn)生新的頻率分量用非線性系數(shù)（失真度）表示3.５失真度的測(cè)量純R負(fù)載：3.5.1失真度的定義定