第七章電子電壓表

本章要點(diǎn)

本章主要介紹模擬式和數(shù)字式電子電壓表。前者是在傳統(tǒng)的磁電系電壓表基礎(chǔ)上，增加了檢波、放大等電子電路，提高它的頻率范圍、靈敏度和輸入阻抗。后者則是從根本上改變傳統(tǒng)儀表的讀數(shù)方式，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字顯示技術(shù)，完全消除了因可動(dòng)部件引發(fā)的誤差，改變了制造儀表的生產(chǎn)工藝。本章第三節(jié)和第六節(jié)介紹幾種電壓表的實(shí)例，希望通過實(shí)例能進(jìn)一步掌握儀表電路的分析方法，提高閱讀電子儀器電路的能力。這兩節(jié)內(nèi)容可根據(jù)教學(xué)時(shí)數(shù)選擇講授。

當(dāng)前1頁，總共48頁。第一節(jié)電子電壓表的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

電壓是一個(gè)基本的物理量，是集中電路中表征電信號(hào)的三個(gè)基本參數(shù)（電壓、電流、功率）之一，電壓測量是電子測量中的基本內(nèi)容。測量電壓所采用的儀器主要是電子電壓表，電壓測量對儀表的要求如下：一、電子電壓表的基本要求1、儀表應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍。傳統(tǒng)的磁電系電壓表只能測量直流或低頻。電子電壓表則通過檢波將被測電壓轉(zhuǎn)換為直流，使得本來只能測直流的磁電系電壓表、也可以測量高頻交流。當(dāng)前2頁，總共48頁。第一節(jié)電子電壓表的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

電壓是一個(gè)基本的物理量，是集中電路中表征電信號(hào)的三個(gè)基本參數(shù)（電壓、電流、功率）之一，電壓測量是電子測量中的基本內(nèi)容。測量電壓所采用的儀器主要是電子電壓表，電壓測量對儀表的要求如下：一、電子電壓表的基本要求1、儀表應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍。2、儀表應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y量范圍。

雖然磁電系電壓表的靈敏度可達(dá)到毫伏級(jí)，但通過儀表的放大電路之后，可擴(kuò)展到微伏級(jí)。當(dāng)前3頁，總共48頁。第一節(jié)電子電壓表的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

電壓是一個(gè)基本的物理量，是集中電路中表征電信號(hào)的三個(gè)基本參數(shù)（電壓、電流、功率）之一，電壓測量是電子測量中的基本內(nèi)容。測量電壓所采用的儀器主要是電子電壓表，電壓測量對儀表的要求如下：一、電子電壓表的基本要求1、儀表應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍。2、儀表應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y量范圍。3、儀表應(yīng)有足夠高的輸入阻抗電子電壓表利用電子電路提高儀表的輸入阻抗，以降低表耗功率，減少測量儀表對被測電路的影響。當(dāng)前4頁，總共48頁。第一節(jié)電子電壓表的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

電壓是一個(gè)基本的物理量，是集中電路中表征電信號(hào)的三個(gè)基本參數(shù)（電壓、電流、功率）之一，電壓測量是電子測量中的基本內(nèi)容。測量電壓所采用的儀器主要是電子電壓表，電壓測量對儀表的要求如下：一、電子電壓表的基本要求1、儀表應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍。2、儀表應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y量范圍。3、儀表應(yīng)有足夠高的輸入阻抗。4、儀表的標(biāo)尺應(yīng)能線性刻度電子式模擬指示電壓表的儀表刻度可實(shí)現(xiàn)線性，其度盤刻度可均勻等分，有利于簡化生產(chǎn)工藝，提高儀表準(zhǔn)確度。當(dāng)前5頁，總共48頁。常用的測量電壓的儀器有模擬式電壓表、電子電壓表、數(shù)字式電壓表三種類型。電子電壓表的分類模擬式電壓表

數(shù)字式電壓表

電子電壓表

常用的指針式電壓表將被測交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后測量。將被測電壓的數(shù)值用譯碼顯示電路顯示出來。當(dāng)前6頁，總共48頁。模擬式電子電壓表當(dāng)前7頁，總共48頁。電子電壓表當(dāng)前8頁，總共48頁。臺(tái)式數(shù)字電壓表當(dāng)前9頁，總共48頁。二、簡單模擬電壓表1.簡單的模擬直流電壓表用單獨(dú)的一個(gè)磁電式表頭就可測量小于Ug

(Ug

=Ig·Rg)的直流電壓,若要測量較大的電壓，可利用串聯(lián)電阻分壓原理，即在表頭上串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻。若采用多個(gè)分壓電阻與表頭串聯(lián)，就可制成多量程的直流電壓表。當(dāng)前10頁，總共48頁。2.簡單模擬交流電壓表模擬式交流電壓表先將交流電流變換成直流電流，然后采用串聯(lián)電阻的方法構(gòu)成多量程電壓表。模擬式交流電壓表的原理與模擬式直流電壓表類似，只不過增加了整流電路。模擬式電壓表主要結(jié)構(gòu)表頭：磁電式直流電流表；交直流轉(zhuǎn)換器：檢波器。當(dāng)前11頁，總共48頁。但模擬式交流電壓表有一些特點(diǎn)，使用時(shí)應(yīng)注意：（1）交流電壓靈敏度低于直流電壓靈敏度。（2）表針的偏轉(zhuǎn)角度近似于交流電壓的半波（或全波）整流電壓的平均值，但表盤上的刻度是按正弦有效值刻度的。（3）模擬式萬用表測量交流電壓的頻率范圍在45～100Hz內(nèi)。（4）交流電壓10V檔單獨(dú)刻度。當(dāng)前12頁，總共48頁。交流10V檔專用刻度線當(dāng)前13頁，總共48頁。

1.放大-檢波式

主要特點(diǎn)是先用放大器將被測信號(hào)放大，提高測量靈敏度。然后檢波器對大信號(hào)檢波，避免了因檢波器的非線性產(chǎn)生的失真。這種方式采取放大在前，檢波在后，可以提高儀表的靈敏度，測量微弱電壓。但因頻率范圍受放大器限制，一般用于低頻電壓表。三、模擬式電子電壓表的結(jié)構(gòu)類型放大檢波式的通頻帶一般為2Hz-10MHz，測量的最小幅值為幾百微伏或幾毫伏，因此一般稱為低頻毫伏表。當(dāng)前14頁，總共48頁。2.檢波-放大式這種方式采取檢波在前，放大在后，由于被測電壓一開始就轉(zhuǎn)換為直流，所以頻率范圍不受放大器限制。采用高頻檢波二極管時(shí)頻率范圍可達(dá)到幾十赫茲到數(shù)百兆赫茲。可用于測量視頻、超高頻電壓，頻率范圍較寬，但靈敏度較低。當(dāng)前15頁，總共48頁。

3.調(diào)制式

檢波在前的電壓表靈敏度不高，是由于檢波后已將信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流，只能使用直流放大器，而直流放大器的放大倍數(shù)因漂移受到很大限制。調(diào)制式則利用斬波器先把直流轉(zhuǎn)換為低頻交流，然后用低頻交流放大器進(jìn)行放大，放大后再通過解調(diào)恢復(fù)為直流，這種方式既能采用檢波在前，又能避免使用直流放大器而影響靈敏度。當(dāng)前16頁，總共48頁。

4.外差式

這種方式先通過混頻，將被測頻率轉(zhuǎn)換為固定的中頻，經(jīng)中頻放大后再通過檢波轉(zhuǎn)換為直流。既能解決放大在前頻率范圍受到限制的缺點(diǎn)，又能解決檢波在前儀表的靈敏度不足的問題。多用于高頻和超高頻的測量。返回本章首頁當(dāng)前17頁，總共48頁。數(shù)字電壓表通常由輸入通道、檢波、A/D轉(zhuǎn)換與顯示等部分組成

1.電壓—時(shí)間變換型

又稱斜波型，它將不同被測電壓值轉(zhuǎn)換為不同的時(shí)間間隔，用這個(gè)時(shí)間間隔的起止點(diǎn)，控制進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖個(gè)數(shù)，使顯示器能顯示出不同數(shù)值。四、數(shù)字電壓表的結(jié)構(gòu)類型當(dāng)前18頁，總共48頁。

2.電壓—頻率變換型

將不同被測電壓值轉(zhuǎn)換為不同頻率的信號(hào)，再通過整形轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖，進(jìn)入頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)顯示，所顯示的頻率值就代表電壓值。當(dāng)前19頁，總共48頁。

3.逐次逼近比較型將被測電壓與數(shù)碼開關(guān)送出的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，如果基準(zhǔn)電壓小于被測電壓，則將基準(zhǔn)電壓逐次遞加，直至基準(zhǔn)電壓逼近被測電壓并等于被測電壓為止，這時(shí)顯示器所顯示的數(shù)碼寄存器基準(zhǔn)電壓就是被測電壓。返回本章首頁當(dāng)前20頁，總共48頁。第二節(jié)電子電壓表的檢波電路電子電壓表是利用檢波電路把被測電壓的峰值或平均值或有效值轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后用磁電系進(jìn)行測量，所以檢波電路是電子電壓表的核心，它有以下幾種形式。

一、峰值檢波電路

1.開路式峰值檢波電路

開路式檢波電路是利用二極管將電容器充電至峰值，它必須滿足以下條件：

RC＞＞

RiC

RC＞＞

T

滿足該條件，其指示儀表的指針偏轉(zhuǎn)角將與被測電壓峰值成正比。當(dāng)前21頁，總共48頁。峰值檢波波形Ux當(dāng)前22頁，總共48頁。

2.閉路式峰值檢波電路

閉路式檢波電路如果滿足以下條件：RC＞＞

RiCRC＞＞

T則其指示儀表指針的偏轉(zhuǎn)角將與被測電壓交流峰值成正比。當(dāng)前23頁，總共48頁。交流分量正向峰值U~m＝Um－Uxcp交流分量反向峰值U′~m＝－U′m－Uxcp峰-峰值UP－P＝Um－（－U′m）當(dāng)前24頁，總共48頁。

3.峰-峰值檢波電路

峰-峰值檢波電路利用被測電壓的正半波對C1充電充至電壓正半波的最大值為止，然后在負(fù)半波期間，被測電壓與C1

電壓串接后對C2充電，因此C2

電壓可充至峰-峰值。指示儀表指針偏轉(zhuǎn)角將與被測電壓的峰-峰值成正比。當(dāng)前25頁，總共48頁。峰值檢波器的輸入阻抗較高，適用于檢波－放大式電壓表。經(jīng)過峰值檢波器后的直流電壓UDC是正比于被測電壓的峰值Um的。而一般情況下，峰值電壓表的讀數(shù)刻度是按正弦波有效值刻度的，即表頭上的讀數(shù)正比于被測正弦信號(hào)的有效值。所以，采用峰值檢波器的電壓表進(jìn)行刻度時(shí)，應(yīng)通過一個(gè)波峰因數(shù)Kp進(jìn)行變換。結(jié)論：Kp

＝正弦波峰值有效值＝UmU當(dāng)前26頁，總共48頁。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)。＝

1.414a

（任意波）峰值Um

＝a2（任意波）有效值U＝a2Kp＝1.414aKp當(dāng)前27頁，總共48頁。要求被測電壓的有效值，可按“峰值相等則讀數(shù)相等”的原則，經(jīng)過波形換算求得。波形波峰因數(shù)KP波形因數(shù)KF正弦波1.4141.11方波11三角波1.731.15鋸齒波1.731.15當(dāng)前28頁，總共48頁。當(dāng)用峰值電壓表測量非正弦波電壓時(shí)，讀數(shù)沒有直接意義，只有把讀數(shù)值乘以Kp才等于被測電壓Ux的峰值Up

。解：用峰值電壓表測得的數(shù)值就是正弦波的有效值正弦波的峰值=20×1.414=28.28V=三角波的峰值=方波的峰值U（三角波）=U峰值/KP=28.28/1.73=16.34VU（方波）=U峰值/KP=28.28/1=28.28VKp＝峰值有效值＝UmUUm=KP.U正弦波ù例：用峰值電壓表測量正弦波、方波、三角波時(shí)的讀數(shù)值均為20V，試計(jì)算三種波形的有效值、峰值各是多少？當(dāng)前29頁，總共48頁。

二、平均值檢波

1.半波平均值檢波特點(diǎn)：由于儀表可動(dòng)部分的慣性，指針偏轉(zhuǎn)角將正比于交流電壓正半波平均值。特點(diǎn)：由于交流電壓正半波由二極管形成閉路，指針的偏轉(zhuǎn)角將正比于交流電壓負(fù)半波平均值。當(dāng)前30頁，總共48頁。

2.全波平均值檢波

電路特點(diǎn)：正、負(fù)半波的電壓所產(chǎn)生的電流，以同一方向流過電流表P，P的指針偏轉(zhuǎn)角α正比于交流電壓全波平均值。（全波平均值一般是指一個(gè)周期內(nèi)，取電壓瞬時(shí)值的絕對值平均所得。）

當(dāng)前31頁，總共48頁。均值檢波器電路RLuiouo1234ab+–+–uD2uD4uouDttuuD1uD3u

負(fù)半周，Vb>Va，二極管D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3

截止。－當(dāng)前32頁，總共48頁。當(dāng)用均值電壓表測量非正弦波電壓時(shí)，讀數(shù)也沒有直接意義。例：用均值電壓表測量正弦波、方波、三角波時(shí)的讀數(shù)值均為10V，試計(jì)算三種波形的有效值、均值各是多少？解：用均值電壓表測得的數(shù)值就是正弦波的有效值又因?yàn)椋赫也ǖ木担?0/1.11＝9V＝三角波的均值＝方波的均值當(dāng)前33頁，總共48頁。

3.具有負(fù)反饋的線性放大器

也就是輸出電流平均值，與輸入電壓平均值成線性的正比關(guān)系。當(dāng)前34頁，總共48頁。

4.具有負(fù)反饋的線性平均值檢波電路

在線性放大器的基礎(chǔ)上將R1換成接有指示儀表的全波均值檢波，即組成具有負(fù)反饋的線性平均值檢波電路。在該電路中通過指示儀表的電流等于輸出電流的一半，若將它化為平均值?？傻每梢?，若開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，反饋電阻又比較準(zhǔn)確，輸出到指示儀表的電流將正比于輸入電壓。當(dāng)前35頁，總共48頁。三、有效值檢波

真正的有效值檢波，需要采用能直接反映有效值的傳感器，例如熱電偶等，才能用來測量任意波形的有效值。而利用正弦波有效值與平均值或峰值的關(guān)系，按有效值刻度的平均值或峰值電壓表，其刻度只能用于正弦波。返回本章首頁熱電偶元件當(dāng)前36頁，總共48頁。第四節(jié)模擬式電子電壓表的使用

使用電子電壓表應(yīng)注意以下幾點(diǎn):一、按峰值刻度的開路峰值檢波電壓表，讀數(shù)與波形無關(guān)。二、按峰值刻度的閉路峰值檢波電壓表，讀數(shù)與波形是否有直流分量有關(guān)，讀出的是交流分量峰值。三、按峰-峰值刻度的閉路峰值檢波電壓表，讀數(shù)與波形是否有直流分量無關(guān)。四、按有效值刻度的各種類型電壓表，只適用于測量正弦波有效值，如果被測電壓不是正弦波或含有直流分量，首先要按檢波電路型式，從讀數(shù)求得驅(qū)動(dòng)電壓值。然后按照被測電壓波形，求得驅(qū)動(dòng)電壓值與有效值關(guān)系，將驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換為真正的有效值。（使用有效值傳感器的電壓表除外，驅(qū)動(dòng)電壓指峰值驅(qū)動(dòng)、平均值驅(qū)動(dòng)或有效值驅(qū)動(dòng)）返回本章首頁當(dāng)前37頁，總共48頁。VT-186型電子電壓表1.表頭：紅指針表示CH2黑表筆表示CH12.電源開關(guān)：按下為打開彈出為關(guān)閉3.機(jī)械調(diào)零：紅的為紅指針調(diào)零，黑的為黑指針調(diào)零4.量程選擇開關(guān)：左邊為CH1通道的量程，右邊為CH2通道的量程。5.輸出接口：左邊為CH1通道的輸出右邊為CH2通道的輸出6、同步異步選擇開關(guān)：彈出是同步，按下是異步當(dāng)前38頁，總共48頁。電子電壓表使用方法1．通電前，先調(diào)整電表指針的機(jī)械零位。2．接通電源，按下電源開關(guān)，儀器立刻工作。但為了保證性能穩(wěn)定可預(yù)熱10分鐘后使用，開機(jī)后10秒鐘內(nèi)指針無規(guī)則擺動(dòng)數(shù)次是正常的。3．先將量程開關(guān)置于適當(dāng)量程，再加入測量信號(hào)。若測量電壓未知，應(yīng)將量程開關(guān)置最大檔，然后逐級(jí)減小量程。4．當(dāng)輸入電壓在任何一量程檔指示為滿度值時(shí)，監(jiān)視輸出端的輸出電壓為0.1V。5．若要測量高電壓時(shí)，輸入端黑柄鱷魚夾必須接在“地”端。當(dāng)前39頁，總共48頁。第五節(jié)數(shù)字電壓表實(shí)例一、CL系列數(shù)字式交流電壓表基本結(jié)構(gòu)

整個(gè)電路是由輸入通道、時(shí)鐘電路、A/D轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)顯示四大部分組成當(dāng)前40頁，總共48頁。 CL系列數(shù)字式交流電壓表電路圖當(dāng)前41頁，總共48頁。

二、CL系列數(shù)字式交流電壓表的輸入通道R1、R2、R3、R5、C1組成取樣電路，被測電壓轉(zhuǎn)換為小電壓，送IC1檢波并放大。三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源芯片IC6、IC7

(TL431)使2、3兩點(diǎn)產(chǎn)生較穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，若有波動(dòng)通過IC6、IC7分流，改變R21、R25上的壓降，保證輸出不變零點(diǎn)穩(wěn)定。RP1作為調(diào)零。當(dāng)輸入為零時(shí)，調(diào)節(jié)RP1使顯示為0。IC1B組成直流放大器，RP2為調(diào)節(jié)滿度電位器。從輸入端加入100V電壓，調(diào)節(jié)RP2使顯示100.0IC1A、VD1、VD2組成具有負(fù)反饋的檢波電路當(dāng)前42頁，總共48頁。三、A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135

圖中包括由運(yùn)放單元組成的緩沖器、積分器、比較器以及四組模擬開關(guān)，在外圍（虛線之外）接有基準(zhǔn)電容、積分電容、積分電阻和自動(dòng)調(diào)零補(bǔ)償電容。

當(dāng)前43頁，總共48頁。

A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135的工作過程

第一階段：自動(dòng)調(diào)零階段

上電時(shí)