第5章-電壓測量

第5章電壓測量1一、電壓測量的重要性◆電壓測量是電測量與非電量測量的基礎(chǔ)；◆電測量中，許多電量的測量可以轉(zhuǎn)化為電壓測量： 表征電信號能量的三個基本參數(shù)：電壓、電流、功率 其中：電流、功率——〉電壓，再進(jìn)行測量 電路工作狀態(tài)： 飽和與截止，線性度、失真度——〉電壓表征◆非電測量中，物理量——〉電壓信號，再進(jìn)行測量

如：溫度、壓力、振動、（加）速度5.1概述5.1.1電壓測量的意義、特點2二、電壓測量的特點1.頻率范圍廣：零頻（直流）～109Hz 低頻：1MHz以下；高頻（射頻）：1MHz以上。2.測量范圍寬 微弱信號:心電醫(yī)學(xué)信號、地震波等,納伏級（10-9V）；超高壓信號：電力系統(tǒng)中，數(shù)百千伏。3.電壓波形的多樣化 電壓信號波形是被測量信息的載體。 各種波形：純正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；隨機(jī)噪聲。34.阻抗匹配 在多級系統(tǒng)中，輸出級阻抗對下一輸入級有影響。

直流測量中，輸入阻抗與被測信號源等效內(nèi)阻形成分壓，使測量結(jié)果偏小。 如：采用電壓表與電流表測量電阻， 當(dāng)測量小電阻時，應(yīng)采用電壓表并聯(lián)方案； 當(dāng)測量大電阻時，應(yīng)采用電流表串聯(lián)方案。

交流測量中，輸入阻抗的不匹配引起信號反射。二、電壓測量的特點45.測量精度的要求差異很大 10-1至10-9。6.測量速度的要求差異很大 靜態(tài)測量：直流（慢變化信號）,幾次/秒; 動態(tài)測量：高速瞬變信號,數(shù)億次/秒（幾百M(fèi)Hz） 精度與速度存在矛盾，應(yīng)根據(jù)需要而定。7.抗干擾性能 工業(yè)現(xiàn)場測試中，存在較大的干擾。二、電壓測量的特點55.1.2電壓測量的方法和分類電壓測量方法的分類按對象：直流電壓測量；交流電壓測量按技術(shù)：模擬測量；數(shù)字測量1）交流電壓的模擬測量方法 表征交流電壓的三個基本參量：有效值、峰值和平均值。以有效值測量為主。 方法：交流電壓（有效值、峰值和平均值）--〉直流電流--〉驅(qū)動表頭--〉指示 如：有效值、峰值和平均值電壓表，電平表等。62）數(shù)字化直流電壓測量方法 模擬直流電壓--〉A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器--〉數(shù)字量--〉數(shù)字顯示（直觀） ——數(shù)字電壓表（DVM），數(shù)字多用表（DMM）。3）交流電壓的數(shù)字化測量 交流電壓（有效值、峰值和平均值）--〉直流電壓--〉A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器--〉數(shù)字量--〉數(shù)字顯示 ——DVM（DMM）的擴(kuò)展功能。5.1.2電壓測量的方法和分類74）基于采樣的交流電壓測量方法 交流電壓--〉A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器--〉瞬時采樣值u(k)--〉計算，如有效值

式中，N為u(t)的一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。5）示波測量方法 交流電壓--〉模擬或數(shù)字示波器--〉顯示波形--〉讀出結(jié)果5.1.2電壓測量的方法和分類TheEnd85.2電壓標(biāo)準(zhǔn)電壓和電阻是電磁學(xué)中的兩個基本量。電壓基準(zhǔn)和電阻基準(zhǔn)——〉其他電磁量基準(zhǔn)。電壓標(biāo)準(zhǔn)有：

1)標(biāo)準(zhǔn)電池（實物基準(zhǔn)，10-7）；

2)齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn)（固態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，10-6）；

3)約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)（量子化自然基準(zhǔn)，10-10）。電阻標(biāo)準(zhǔn)有：

1)精密線繞電阻（實物標(biāo)準(zhǔn)）；

2)霍爾電阻基準(zhǔn)（量子化自然基準(zhǔn)，10-9）。5.2.1直流電壓標(biāo)準(zhǔn)95.2.1直流電壓標(biāo)準(zhǔn)1.標(biāo)準(zhǔn)電池

原理：利用化學(xué)反應(yīng)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。

飽和型特點：電動勢非常穩(wěn)定（年穩(wěn)定性可小于0.5μV，相當(dāng)于5×10-7），但溫度系數(shù)較大（約－40μV/℃）。用于計量部門恒溫條件下的電壓標(biāo)準(zhǔn)器。

不飽和型特點：溫度系數(shù)很小（約－4μV/℃），但穩(wěn)定性較差。用于一般工作量具，如實驗室中常用的便攜式電位差計。102.齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn)原理 利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性制作的電子式電壓標(biāo)準(zhǔn)（也稱為固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)）。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(zhǔn)源，如LM199/299/399、REF系列。

113.約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)

原理基于約瑟夫森（Josephson）效應(yīng)的量子電壓基準(zhǔn)約瑟夫森效應(yīng)約瑟夫森隧道結(jié)：在兩塊相互隔開（約10埃的絕緣層）的超導(dǎo)體之間，由于量子隧道效應(yīng)，超導(dǎo)電流（約mA量級）可以穿透該絕緣層，使兩塊超導(dǎo)體之間存在微弱耦合，這種超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體（SIS）結(jié)構(gòu)稱為約瑟夫森隧道結(jié)。約瑟夫森效應(yīng)：當(dāng)在約瑟夫森結(jié)兩邊加上電壓V時，將得到穿透絕緣層的超導(dǎo)電流，這是一種交變電流，這種現(xiàn)象稱為交流約瑟夫森效應(yīng)。12約瑟夫森效應(yīng)即：電壓V—〉約瑟夫森結(jié)—〉超導(dǎo)電流。超導(dǎo)交變電流的頻率為：式中：e為電子電荷，h為普朗克常數(shù)，因而KJ為一常數(shù)。當(dāng)電壓V為mV量級時，頻率f相當(dāng)于厘米波。逆效應(yīng)：若將約瑟夫森結(jié)置于微波場中（即用微波輻射到處于超導(dǎo)狀態(tài)下的約瑟夫森結(jié)上）時，將在約瑟夫森結(jié)上得到量子化階梯電壓Vn。 即：微波（頻率f）—〉約瑟夫森結(jié)—〉量子化階梯電壓Vn（第n個階梯）。3.約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)

13約瑟夫森電壓基準(zhǔn)根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)：由穩(wěn)定的頻率（f）—〉確定電壓V。 即：通過時間（頻率）單位得到量子化電壓基準(zhǔn)。 量子化電壓基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度可接近時間（頻率）準(zhǔn)確度。國際計量委員會的建議：從1990年1月1日開始，在世界范圍內(nèi)同時啟用了約瑟夫森電壓量子基準(zhǔn)（JJAVS，10-10）。并給出 KJ-90=483597.9GHz/V。3.約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)

145.2.2高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)原理由直流電壓標(biāo)準(zhǔn)建立。因而，需經(jīng)過交流-直流變換。測熱電阻橋式高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)基本原理：將高頻電壓通過一電阻（稱為測熱電阻，如熱敏電阻），該電阻由于吸收高頻電壓功率，其阻值將發(fā)生變化，再將一標(biāo)準(zhǔn)直流電壓同樣施加于該電阻，若引起的阻值變化相等，則高頻電壓的有效值就等于該直流電壓。雙測熱電阻電橋：見課本p185，圖5-1。TheEnd155.3交流電壓的測量峰值、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）。5.3.1表征交流電壓的基本參量165.3.1表征交流電壓的基本參量平均值（均值）數(shù)學(xué)上定義為：相當(dāng)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/T175.3.1表征交流電壓的基本參量有效值定義：交流電壓u(t)在一個周期T內(nèi)，通過某純電阻負(fù)載R所產(chǎn)生的熱量，與一個直流電壓V在同一負(fù)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。表達(dá)式： 直流電壓V在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q_=I2RT= 交流電壓u(t)在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q~= 由Q_=Q~得， 有效值185.3.1表征交流電壓的基本參量有效值意義：有效值在數(shù)學(xué)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，195.3.1表征交流電壓的基本參量波峰因數(shù)和波形因數(shù)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/T205.3.1表征交流電壓的基本參量波峰因數(shù)和波形因數(shù)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。215.3.2交流/直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)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(qū)動表頭--〉指示。

▲交流電壓--〉有效值、峰值和平均值的轉(zhuǎn)換，稱為AC-DC轉(zhuǎn)換。由不同的檢波電路實現(xiàn)。峰值檢波原理 由二極管峰值檢波電路完成。有二極管串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。如下圖。221）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理二極管峰值檢波電路（a.串聯(lián)式,b.并聯(lián)式,c.波形）23二極管峰值檢波電路工作原理通過二極管正向快速充電達(dá)到輸入電壓的峰值，而二極管反向截止時“保持”該峰值。 為此，要求：

式中，Rs和rd分別為等效信號源u(t)的內(nèi)阻和二極管正向?qū)娮?，C為充電電容（并聯(lián)式檢波電路中C還起到隔直流的作用），RL為等效負(fù)載電阻，Tmin和Tmax為u(t)的最小和最大周期。從波形圖可以看出，峰值檢波電路的輸出存在較小的波動，其平均值略小于實際峰值。≤≥1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理241）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理平均值檢波原理全/半波整流電路：I0的平均值(全波)為式中，T為u(t)的周期，rd和rm分別為檢波二極管的正向?qū)娮韬碗娏鞅韮?nèi)阻，可視為常數(shù)（它反映了檢波器的靈敏度）。I0的平均值與u(t)的平均值成正比。251）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理有效值檢波原理利用二極管平方律伏安特性檢波根據(jù)為得到有效值,首先需對u(t)平方.小信號時二極管正向伏安特性曲線可近似為平方關(guān)系。缺點：精度低且動態(tài)范圍小。實際應(yīng)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。261）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理利用模擬運(yùn)算的集成電路檢波

原理圖通過多級運(yùn)算器級連實現(xiàn) 模擬乘法器（平方）—〉積分—〉開方—〉比例運(yùn)算。單片集成TRMS/DC電路，如AD536AK等。271）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理利用熱電偶有效值檢波熱電效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一個閉合回路，當(dāng)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(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。熱電效應(yīng)原理圖當(dāng)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。28利用熱電偶有效值檢波熱電偶： 將兩種不同金屬進(jìn)行特別封裝并標(biāo)定后，稱為一對熱電偶（簡稱熱偶）。熱電偶溫度測量原理：若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過熱電動勢就可得到熱端（被測溫度點）的溫度。熱電偶有效值檢波原理：

若通過被測交流電壓對熱電偶的熱端進(jìn)行加熱，則熱電動勢將反映該交流電壓的有效值，從而實現(xiàn)了有效值檢波。如下圖。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理29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(guān)系：電流I∝?zé)犭妱觿荨責(zé)岫伺c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，1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理30表頭刻度線性化處理：采用兩對相同的熱電偶，分別稱為測量熱電偶和平衡熱電偶，如下圖。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理形成一個電壓負(fù)反饋系統(tǒng)31測量熱偶的熱電動勢Ex∝V2，令Ex=k1V2； 平衡熱偶的熱電動勢Ef∝Vo2，及Ef=k2Vo2； 假如兩對熱偶具有相同特性，即k1=k2=k，==〉 則差分放大器輸入電壓Vi=Ex-Ef=k(V2-Vo2)， 若放大器增益足夠大，則有Vi=0，==〉

Vo=V（即輸出電壓等于u(t)有效值）有效值電壓表的特點理論上不存在波形誤差，因此也稱真有效值電壓表（讀數(shù)與波形無關(guān)）。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理32有效值電壓表的特點比如，對非正弦波，可視為由基波和各次諧波構(gòu)成。若其有效值分別為V1、V2、V3、……，則讀數(shù)但實際有效值電壓表，下面兩種情況使讀數(shù)偏?。?對于波峰因數(shù)較大的交流電壓波形，由于電路飽和使電壓表可能出現(xiàn)“削波”；高于電壓表有效帶寬的波形分量將被抑制。它們都將損失有效值分量。缺點：受環(huán)境溫度影響較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。實際應(yīng)用中，常采用峰值或均值電壓表測有效值。1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理332）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析原理峰值響應(yīng)，即：u(t)峰值檢波放大驅(qū)動表頭刻度特性表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此： 當(dāng)輸入u(t)為正弦波時，讀數(shù)α即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的峰值Vp）。

對于非正弦波的任意波形，讀數(shù)α沒有直接意義（既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)α換算出峰值和有效值。34刻度特性由讀數(shù)α換算出峰值和有效值的換算步驟如下：第一步，把讀數(shù)α想象為有效值等于α的純正弦波輸入時的讀數(shù)，即第二步，將V~轉(zhuǎn)換為該純正弦波的峰值第三步，假設(shè)峰值等于Vp~的被測波形（任意波）輸入，即 注：“對于峰值電壓表，（任意波形的）峰值相等，則讀數(shù)相等”。第四步，由，再根據(jù)該波形的波峰因數(shù)（查表可得），其有效值2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析

35刻度特性上述過程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下：該式表明：對任意波形，欲從讀數(shù)α得到有效值，需將α乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數(shù)α即為正弦波的有效值）。2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析

36刻度特性綜上所述，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(jìn)行換算，換算關(guān)系歸納如下： 式中，α為峰值電壓表讀數(shù)，Kp為波峰因數(shù)。波形誤差。若將讀數(shù)α直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差。2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析

373）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析

原理均值響應(yīng)，即：u(t)放大均值檢波驅(qū)動表頭刻度特性表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此： 當(dāng)輸入u(t)為正弦波時，讀數(shù)α即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的均值）。

對于非正弦波的任意波形，讀數(shù)α沒有直接意義（既不等于其均值也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)α換算出均值和有效值。383）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析刻度特性由讀數(shù)α換算出均值和有效值的換算步驟如下：第一步，把讀數(shù)α想象為有效值等于α的純正弦波輸入時的讀數(shù)，即第二步，由計算該純正弦波均值第三步，假設(shè)均值等于的被測波形（任意波）輸入，即 注：“對于均值電壓表，（任意波形的）均值相等，則讀數(shù)相等”。第四步，由，再根據(jù)該波形的波形因數(shù)（查表可得），其有效值393）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析刻度特性上述過程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下：上式表明，對任意波形，欲從均值電壓表讀數(shù)α得到有效值，需將α乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數(shù)α即為正弦波的有效值）。403）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析刻度特性綜上所述，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(jìn)行換算，換算關(guān)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414）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(shè)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。 波形誤差為：(可見若不換算，波形誤差是很大的)424）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(shè)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。 波形誤差為 435.3.3模擬式交流電壓表模擬電壓表組成方案檢波器是實現(xiàn)交流電壓測量（AC-DC變換）的核心部件，同時，為了測量小信號電壓，放大器也是電壓表中不可缺少的部件，因此，組成方案有兩種類型： 一種是先檢波后放大，稱為檢波-放大式； 一種是先放大后檢波，稱為放大-檢波式。模擬電壓表的兩個重要指標(biāo)：帶寬和靈敏度(分辨力)。1）檢波-放大式電壓表組成框圖441）檢波-放大式電壓表a.組成框圖;b.提高靈敏度措施檢波器決定電壓表的頻率范圍、輸入阻抗和分辨力。

峰值電壓表常用這種類型。超高頻二極管檢波頻率范圍可從直流到幾百兆赫；具有較高的輸入阻抗缺點：1.正向壓降限制小信號電壓；2.反向擊穿電壓限制上限高增益、低漂移靈敏度幾十微伏451）檢波-放大式電壓表檢波器為減小高頻信號在傳輸過程中的損失，通常將峰值檢波器直接設(shè)計在探頭中。放大器采用橋式直流放大器，它具有較高的增益。直流放大器的零點漂移也將影響電壓表的靈敏度。主要指標(biāo)檢波-放大式電壓表常稱為“高頻毫伏表”或“超高頻毫伏表”。如國產(chǎn)DA36型超高頻毫伏表，頻率范圍為10kHz～1000MHz，電壓范圍（不加分壓器）1mV～10V。國產(chǎn)HFJ-8型高頻毫伏表（調(diào)制式），最低量程為3mV，最高工作頻率300MHz。465.3.3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。475.3.3模擬式交流電壓表3）分貝測量及寬頻電平表分貝聲學(xué)中，分貝是表示音量強(qiáng)弱的一個單位。通信系統(tǒng)中，也常用分貝表示電平或功率。當(dāng)用分貝表示功率時，定義為：當(dāng)用分貝表示電壓時， 由功率與電壓的關(guān)系：和 當(dāng)R1=R2時，有483）分貝測量及寬頻電平表分貝分貝是一個用對數(shù)表示的相對量值（記作dB），如果相對于一個確定的參考基準(zhǔn)量，此時的分貝值則表示了一個絕對電平。若P2=P0（基準(zhǔn)量），并取P0=1mW； P1=被測功率，用Px表示，其分貝值用dBm表示（下標(biāo)m指示以mW為單位表示被測功率絕對值）。 則功率電平：

顯然，當(dāng)Px=P0=1mW為0dBm時，若Px>1mW，分貝值為正，若Px<1mW，分貝值為負(fù)。493）分貝測量及寬頻電平表分貝電壓電平：以600Ω電阻上吸收P0=1mW的基準(zhǔn)功率時電壓的有效值為參考基準(zhǔn)量V0。 由于 因此，取基準(zhǔn)量V0=0.775V，其分貝值用dB或dBV表示（下標(biāo)V指示以V為單位表示被測電壓絕對值）。對于任意被測電壓Vx，其電壓電平定義為和之間可換算或查表。503）分貝測量及寬頻電平表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(chǔ)上設(shè)計的。校準(zhǔn)用于調(diào)節(jié)放大器增益513）分貝測量及寬頻電平表寬頻電平表如圖，輸入衰減器上用dB表示“輸入電平”選擇，衰減步進(jìn)為10dB，相當(dāng)于衰減倍， （）?？筛鶕?jù)測量時的阻抗匹配原則選擇“輸入阻抗”（一般有75Ω/150Ω/600Ω/高阻共4檔）。表頭刻度為dB，可以是dBV（測量電壓電平）或dBm（測量功率電平）兩者之一，也可以是兩者兼容。523）分貝測量及寬頻電平表寬頻電平表寬頻電平表刻度特性及dB值的讀出。

電壓電平測量：表頭標(biāo)定時選擇輸入阻抗600Ω，則對應(yīng)的0dB電壓為0.775V（有效值）。通常0dB約在表頭指針滿刻度的2/3左右，0dB的左邊為-dB（<0.775V）,0dB的右邊為+dB（>0.775V）。表頭讀數(shù)只能表示輸入無衰減且交流放大器增益為1時被測電壓的分貝值。當(dāng)引入衰減和放大后，被測電壓的dB值應(yīng)為： 衰減器讀數(shù)＋表頭讀數(shù)。534）電壓表的使用了解不同電壓表的性能特點，根據(jù)應(yīng)用場合加以選用。峰值電壓表檢波-放大式。峰值響應(yīng)、頻率范圍較寬（達(dá)1000MHz）但靈敏度低（mV級）。“調(diào)制式電壓表”：采用高增益低漂移的調(diào)制式直流放大器，使測量靈敏度大為提高，從mV級提高到幾十μV。讀數(shù)的換算：根據(jù)波峰因數(shù)，將讀數(shù)換算成有效值（或峰值）。需注意：測量波峰因數(shù)大的非正弦波時，由于削波可能產(chǎn)生誤差。54均值電壓表放大-檢波式。均值響應(yīng)、靈敏度比峰值表有所提高但頻率范圍較小（<10MHz），主要用于低頻和視頻場合。讀數(shù)的換算：根據(jù)波形因數(shù)，將讀數(shù)換算成有效值（或均值）。有效值電壓表可以直接讀出有效值，非常方便。由于削波和帶寬限制，將可能損失一部分被測信號的有效值，帶來負(fù)的測量誤差。較為復(fù)雜，價格較貴。4）電壓表的使用55寬頻電平表以分貝表示的功率電平和電壓電平。電壓電平：步進(jìn)衰減器讀數(shù)＋表頭讀數(shù)。功率電平：當(dāng)輸入阻抗等于表頭標(biāo)定時采用的零刻度基準(zhǔn)阻抗600Ω時，功率電平與電壓電平具有相同的表頭刻度。否則，需用進(jìn)行修正。選頻電平表外差式接收原理。內(nèi)部放大器對窄帶中頻放大，增益很高，使測量靈敏度得到大幅提高。適合測量小信號。4）電壓表的使用TheEnd565.4直流電壓數(shù)字化測量及A/D轉(zhuǎn)換原理5.4.1DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)1）DVM的組成數(shù)字電壓表（DigitalVoltageMeter，簡稱DVM）。組成框圖輸入電路A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字顯示器邏輯控制電路時鐘發(fā)生器模擬部分?jǐn)?shù)字部分Vx575.4.1DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)1）DVM的組成組成框圖包括模擬和數(shù)字兩部分。輸入電路：對輸入電壓衰減/放大、變換等。核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter，簡稱ADC），實現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。數(shù)字顯示器：顯示模擬電壓的數(shù)字量結(jié)果。邏輯控制電路：在統(tǒng)一時鐘作用下，完成內(nèi)部電路的協(xié)調(diào)有序工作。58應(yīng)用直流或慢變化電壓信號的測量（通常采用高精度低速A/D轉(zhuǎn)換器）。通過AC-DC變換電路，也可測量交流電壓的有效值、平均值、峰值，構(gòu)成交流數(shù)字電壓表。通過電流-電壓、阻抗-電壓等變換，實現(xiàn)電流、阻抗等測量，進(jìn)一步擴(kuò)展其功能?；谖⑻幚砥鞯闹悄芑疍VM稱為數(shù)字多用表（DMM，DigitalMultiMeter）。DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的數(shù)據(jù)處理能力（平均、方差計算等）和通信接口(如GPIB)。5.4.1DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)592）主要性能指標(biāo)顯示位數(shù)完整顯示位：能夠顯示0～9的數(shù)字。非完整顯示位(俗稱半位)：只能顯示0和1（在最高位上）。如4位DVM，具有4位完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為9999。而位（4位半）DVM，具有4位完整顯示位，1位非完整 顯示位，其最大顯示數(shù)字為19999。量程基本量程：無衰減或放大時的輸入電壓范圍，由A/D轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍確定。通過對輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴(kuò)展其他量程。5.4.1DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)60如基本量程為10V的DVM，可擴(kuò)展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五檔量程；基本量程為2V或20V的DVM，可擴(kuò)展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五檔量程。分辨力指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映了DVM靈敏度。用每個字對應(yīng)的電壓值來表示，即V/字。不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同，顯然，在最小量程上具有最高分辨力。例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以測量的最大輸入電壓為199.9mV，其分辨力為0.1mV/字（即當(dāng)輸入電壓變化0.1mV時，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個字”）。5.4.1DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)61分辨力分辨率：用百分?jǐn)?shù)表示，與量程無關(guān)，比較直觀。 如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力為0.1mV，則分辨率為：

分辨率也可直接從顯示位數(shù)得到（與量程無關(guān)），如3位半的DVM，可顯示出1999（共2000個字），則分辨率為測量速度每秒鐘完成的測量次數(shù)。它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。一般低速高精度的DVM測量速度在幾次/秒～幾十次/秒。5.4.1DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)62測量精度取決于DVM的固有誤差和使用時的附加誤差（溫度等）。固有誤差表達(dá)式：示值（讀數(shù)）相對誤差為： 式中，Vx——被測電壓的讀數(shù)；Vm——該量程的滿度值（FullScale,FS）；——誤差的相對項系數(shù)；——誤差的固定項系數(shù)。固有誤差由兩部分構(gòu)成：讀數(shù)誤差和滿度誤差。讀數(shù)誤差：與當(dāng)前讀數(shù)有關(guān)。主要包括DVM的刻度系數(shù)誤差和非線性誤差。滿度誤差：與當(dāng)前讀數(shù)無關(guān)，只與選用的量程有關(guān)。5.4.1DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)63測量精度有時將等效為“±n字”的電壓量表示，即如某臺3位半DVM，說明書給出基本量程為2V， =±（0.01%讀數(shù)+1字）。 則在2V量程上，1字=0.1mV，由2V=0.1mV可知， =0.005%，即表達(dá)式中“1字”的滿度誤差項與“0.005%”的表示是完全等價的：當(dāng)被測量（讀數(shù)值）很小時，滿度誤差起主要作用，當(dāng)被測量較大時，讀數(shù)誤差起主要作用。為減小滿度誤差的影響，應(yīng)合理選擇量程，以使被測量大于滿量程的2/3以上。5.4.1DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)64輸入阻抗輸入阻抗取決于輸入電路（并與量程有關(guān)）。輸入阻抗宜越大越好，否則將影響測量精度。對于直流DVM，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般在10MΩ～1000MΩ之間。對于交流DVM，輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容表示，電容值一般在幾十～幾百pF之間。5.4.1DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)655.5電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用表5.5.1電流、電壓、阻抗變換技術(shù)AC/DC變換將交流電壓變換（檢波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。I/V變換基于歐姆定律，將被測電流通過一個已知的取樣電阻，測量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測電流。為實現(xiàn)不同量程的電流測量，可以選擇不同的取樣電阻。如下圖。665.5.1電流、電壓、阻抗變換技術(shù)如圖，假如變換后采用的電壓量程為200mV，則通過量程開關(guān)選擇取樣電阻分別為1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω、0.1Ω，便可測量200μA、2mA、20mA、200mA、2A的滿量程電流。Z/V變換同樣基于歐姆定律。上圖中為什么沒有10Ω？67對于純電阻，可用一個恒流源流過被測電阻，測量被測電阻兩端的電壓，即可得到被測電阻阻值。而對于電感、電容參數(shù)