《電壓的測量》課件

電子測量技術(shù)第四章電壓的測量電子測量技術(shù)第四章電壓的測量Page

2第四章電子示波器學(xué)習(xí)交直電壓信號測量的各種方法，以及相關(guān)測量儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理。教學(xué)目的磁電指針電壓和電流表，交流均值電壓表和峰值電表，數(shù)字電壓表。磁電指針電壓表對測量結(jié)果的影響，電壓分貝值的測量，雙積分A/D轉(zhuǎn)換。教學(xué)重點教學(xué)難點Page2第四章電子示波器學(xué)習(xí)交直電第四章電壓的測量4.1概述第四章電壓的測量4.1概述Page

44.1概述電壓是反映電信號特征的基本參數(shù)，它的測量是電子電氣測量的基本內(nèi)容。

在電子電路中，電路的工作狀態(tài)，如諧振、平衡、截止、飽和以及工作點的動態(tài)范圍，通常都以電壓形式表現(xiàn)出來。電子設(shè)備的控制信號、反饋信號及其他信息主要表現(xiàn)為電壓量。

在非電量的測量中，也多利用各類傳感裝置將非電量參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓參數(shù)。4.1.1電壓測量的特點Page44.1概述電壓是反映電信號特Page

54.1概述電路中其他電參數(shù)，包括電流和功率，以及信號的幅度、波形的非線性失真系數(shù)、元件的Q值、網(wǎng)絡(luò)的頻率特性和通頻帶、設(shè)備的靈敏度等，都可以視做電壓的派生量，通過電壓測量獲得其量值。

最重要的是，電壓測量直接、方便，將電壓表并接在被測電路上，只要電壓表的內(nèi)阻足夠大，就可以獲得較滿意的測量結(jié)果。作為比較，電流測量就不具備這些優(yōu)點，首先必須把電流表串接在被測電路中，很不方便.4.1.1電壓測量的特點Page54.1概述電路中其他電參數(shù)Page

64.1概述2．電壓測量的特點和要求（1）頻率范圍寬在電子電路和電氣設(shè)備中，電壓信號的頻率范圍非常寬，除直流外，且頻段不同，測量方法也各不相同。例如，對于低頻電壓信號，是先放大，后檢波，再測量；而對于高頻電壓信號，則是先檢波，后放大，再測量。（2）測量范圍大待測電壓的大小差別很大，若待測信號電壓電平低，則要求電壓表分辨力高，而這種要求又受到外部干擾、內(nèi)部噪聲等的限制。若待測信號電壓電平高，則要考慮電壓表輸入級中加接分壓網(wǎng)絡(luò)，但這樣又會降低電壓表的輸入阻抗。4.1.1電壓測量的特點Page64.1概述2．電壓測量的特點和要求4.Page

74.1概述（3）信號波形復(fù)雜待測電壓的波形除了正弦波外，還包括失真的正弦波以及各種非正弦波，如方波、三角波、尖脈沖等信號，不同波形電壓的測量方法及對測量準(zhǔn)確的影響是不同的。（4）被測電路的輸出阻抗差別大在實際中被測電路的輸出阻抗Z0差別很大，在電壓測量中，電壓表是與被測電路并聯(lián)的，電壓表的負(fù)載效應(yīng)對測量結(jié)果的準(zhǔn)確度有影響，尤其是對輸出阻抗Z0比較高的電路，因此，要求電壓表的內(nèi)阻大，相關(guān)的電壓測量儀器輸入阻抗高。4.1.1電壓測量的特點Page74.1概述（3）信號波形復(fù)雜4.1.Page

84.1概述（5）測量精度差異大由于被測電壓的頻率、波形等因素的影響。電壓測量的準(zhǔn)確度有較大差異。電壓值的基準(zhǔn)是直流標(biāo)準(zhǔn)電壓，直流測量時分布參數(shù)等的影響可以忽略不計，因而直流電壓測量的精度較高，但交流電壓測量精度要低得多。（6）外界干擾電壓測量易受外界干擾的影響，當(dāng)被測信號電壓較小時，干擾往往成為影響測量精度的主要因素。對于高靈敏度的電壓表，如數(shù)字電壓表、高頻毫伏表等，必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力，測量時也要特別注意采取相應(yīng)措施。4.1.1電壓測量的特點Page84.1概述（5）測量精度差異大4.1.Page

94.1概述

1．模擬式電壓表模擬式電壓表的結(jié)構(gòu)相對簡單，價格較為便宜，頻率范圍也寬，另外在某些場合并不需要準(zhǔn)確測量電壓的真實大小，而只需要知道電壓大小的范圍或變化趨勢，此時用模擬式電壓表反而更為靈活、直觀。（1）按測量功能分，分為直流電壓表、交流電壓表和脈沖電壓表；（2）按工作頻段分類，低頻電壓表、高頻電壓表等；（3）按電壓量級分類，壓表可分為電壓表和毫伏表（毫伏量級）；（4）按準(zhǔn)確等級分類，分為0.05、0.1、0.2等。4.1.2電壓測量儀器的分類Page94.1概述1．模擬式電壓表4.1.Page

104.1概述2.數(shù)字式電壓表分類數(shù)字式電壓表的優(yōu)點表現(xiàn)在：測量準(zhǔn)確度高，測量速度快，輸入阻抗高，過載能力強(qiáng)，抗干擾能力和分辨率優(yōu)于模擬式電壓表。

此外，由于測量結(jié)果以數(shù)字形式輸出、顯示，因此除讀數(shù)直觀外，還便于和計算機(jī)及其他設(shè)備連用，組成自動化測試儀器或自動測試系統(tǒng)。數(shù)字式電壓表目前尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。一般按測量功能分為直流數(shù)字電壓表和交流數(shù)字電壓表。交流數(shù)字電壓表按其AC/DC變換原理分為峰值交流數(shù)字電壓表、平均值交流數(shù)字電壓表和有效值交流數(shù)字電壓表。4.1.2電壓測量儀器的分類Page104.1概述2.數(shù)字式電壓表分類4.第四章電壓的測量4.2磁電動圈式直流電表第四章電壓的測量4.2磁電動圈式直流電表Page

124.2磁電動圈式直流電表1.磁電動圈式電表的結(jié)構(gòu)圖4-1所示，磁電式電表由固定部分和可動部分組成。其中固定部分由永久磁鐵1、極掌2和固定在支架上的圓柱形鐵心5構(gòu)成?？蓜硬糠钟衫@在鋁框架上的可動線圈4、線圈極端的兩個半軸3、與轉(zhuǎn)軸相連的指針8、平衡錘6，以及游絲7所組成。4.2.1磁電動圈式電表的工作原理整個可動部分支承在軸承上，線圈放在環(huán)形氣隙之中，由于永久磁鐵放在可動線圈的外面，所以稱為外磁式。Page124.2磁電動圈式直流電表1.磁電動圈Page

134.2磁電動圈式直流電表可動線圈通電之后，受到三個力矩的作用力。①一個是與永久磁鐵的磁場相互作用形成的轉(zhuǎn)動力矩，使可動線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。②另一個是反作用力矩，通常由游絲產(chǎn)生，每一個游絲都是一端與可動線圈相連。它的作用除了產(chǎn)生反作用力矩外，還可以作為電流導(dǎo)入可動線圈的引線。③第三個是阻尼力矩，可以與永久磁鐵磁場作用形成一個電磁阻尼力矩，它的方向總是與鋁框架的運(yùn)動方向相反，這樣就能使指針很快停留在相應(yīng)的讀數(shù)位置，防止指針左右擺動。4.2.1磁電動圈式電表的工作原理Page134.2磁電動圈式直流電表可Page

144.2磁電動圈式直流電表2.電表的工作原理設(shè)電流表鐵心5與極掌2之間工作氣隙內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，且由于氣隙結(jié)構(gòu)特點，使得氣隙內(nèi)的B值處處相等，其方向如圖4-2所示，都是通過軸心呈輻射形。4.2.1磁電動圈式電表的工作原理Page144.2磁電動圈式直流電表2.電表的工Page

154.2磁電動圈式直流電表根據(jù)物理學(xué)原理，可動線圈通電后在氣隙磁場內(nèi)所受的轉(zhuǎn)動力矩M為：4.2.1磁電動圈式電表的工作原理線圈在轉(zhuǎn)動的過程中要受到游絲產(chǎn)生的反作用力矩Mα的作用，其大小與線圈轉(zhuǎn)動的角度α成正比，即：當(dāng)轉(zhuǎn)動力矩M

等于反作用力矩Mα?xí)r，上式可得：電流表可動線圈的偏轉(zhuǎn)角α與電流I成正比。這就是磁電式電表測量電流的工作原理。上面介紹的電表習(xí)慣上稱為表頭，它只能通過小電流，兩端的電壓也很小。如果要測量更大的電流，必須在表頭上并聯(lián)分流電阻，以擴(kuò)大測量電流的量程。如果要測量更高的電壓，需要與表頭串聯(lián)附加電阻，以擴(kuò)大測量電壓的量程。Page154.2磁電動圈式直流電表Page

164.2磁電動圈式直流電表

1．分流電阻的計算從磁電式電表的工作原理可以看出，磁電式電表可以直接作為電流表使用。但由于被測電流需要通過游絲和可動線圈，而它們又都是截面極細(xì)的金屬絲，所以直接測量電流時最大量程只能是微安或毫安級。如果要測量大電流，就要加接分流電阻。4.2.2電流表擴(kuò)大量程的方法分流電阻擴(kuò)大電流量程的電路如圖4-3所示，圖中表頭內(nèi)阻為Rin，分流電阻為Rsh，它與表頭并聯(lián)（即Rsh與Rin并聯(lián)）。1Page164.2磁電動圈式直流電表1．分流電阻Page

174.2磁電動圈式直流電表假設(shè)當(dāng)被測電流為I時，通過表頭的滿刻度電流為Im，其余電流通過電阻Rsh分流（即Ish），可以建立下面的的關(guān)系式：4.2.2電流表擴(kuò)大量程的方法若n表示被測電流與表頭滿度電流之比I/Im，那么n值就是電流表并聯(lián)分流電阻后量程擴(kuò)大的倍數(shù)。2Page174.2磁電動圈式直流電表Page

184.2磁電動圈式直流電表例題4-1例：有一磁電式表頭，其滿刻度電流為200μA，可動線圈內(nèi)阻為300Ω，若要把滿刻度電流擴(kuò)大到10mA、100mA、0.5A，應(yīng)分別并聯(lián)多大的分流電阻？解：（1）10mA的量程，（2）100mA的量程，（3）0.5A的量程，上述結(jié)果表明，電流量程越大，分流電阻越小，通過分流電阻的電流越大，但通過表頭的電流是不變的。3Page184.2磁電動圈式直流電表例題4-1例：Page

194.2磁電動圈式直流電表2．兩種分流電路①對于固定式擴(kuò)大電流量程，可采用圖4-4所示的開路式分流器來改變電流的量程，這種電路簡單，分流電阻的計算也比較方便。4.2.2電流表擴(kuò)大量程的方法4Page194.2磁電動圈式直流電表2．兩種分流電Page

204.2磁電動圈式直流電表2．兩種分流電路②對于萬用表中的分流器，，因為轉(zhuǎn)換開關(guān)經(jīng)常轉(zhuǎn)動，如果開關(guān)觸點接觸不良，對于開路式分流器，就會造成分流器斷開，若此時通電，會造成表頭損壞。在萬用表中一般采用如圖4-5所示的閉路式分流器來改變電流的量程。這種分流器的特點是整個閉合電路的電阻不變，分流電阻減少時，表頭支路的電阻增大，通過表頭的電流變小。4.2.2電流表擴(kuò)大量程的方法5Page204.2磁電動圈式直流電表2．兩種分流電Page

214.2磁電動圈式直流電表1．附加電阻的計算設(shè)磁電動圈式表頭的內(nèi)阻為Rin，滿刻度電流為Im，如果該表頭作為直流電壓表使用，則其滿刻度電壓Um為：4.2.3電壓表擴(kuò)大量程的方法通常磁電動圈式表頭的滿刻度電壓很小，例如某表頭的滿刻度電流為200μA，內(nèi)阻為300Ω，它的滿刻度電壓僅為60mV，顯然不能滿足實際測量的需要。為了擴(kuò)大表頭測量電壓的范圍，通常與表頭串接若干個附加電阻，Ra1、Ra2、Ra3、…。這樣，就引入了U1、U2、U3、……多個電壓量程。1Page214.2磁電動圈式直流電表1．附加電阻的Page

224.2磁電動圈式直流電表由圖可以計算，各個附加電阻的阻值分別為：4.2.3電壓表擴(kuò)大量程的方法2Page224.2磁電動圈式直流電表Page

234.2磁電動圈式直流電表例題4-2例：假設(shè)圖4-6中表頭的滿刻度電流為50μA，內(nèi)阻為4kΩ，三個量程的電壓分別為1V、10V、100V，求對應(yīng)于三個電壓量程的附加電阻。解：已知表頭的內(nèi)阻Rin=4kΩ，滿刻度電流Im

=50μA，根據(jù)公式，可分別計算出Ra1、Ra2、Ra3，3Page234.2磁電動圈式直流電表例題4-2例：Page

244.2磁電動圈式直流電表2．電壓靈敏度通常把電壓表內(nèi)阻RV與相應(yīng)量程電壓U之比定義為電壓靈敏度?！唉?V”數(shù)越大，指針偏轉(zhuǎn)同樣角度所需的驅(qū)動電流越小。由“Ω/V”數(shù)，可推算出不同量程的內(nèi)阻。例如，某電壓表的“Ω/V”為“20kΩ/V”，當(dāng)用10V檔時，電壓表的內(nèi)阻為RV=10×20kΩ=200kΩ；當(dāng)100V檔時，內(nèi)阻為RV=100×20kΩ=2000kΩ。如果給出了表頭的靈敏度，實際上也就給出了電表的滿刻度電流。例如，上述電壓靈敏度為“20kΩ/V”的表頭，它的滿刻度電流為Im=1V/20kΩ=50μA。4.2.3電壓表擴(kuò)大量程的方法4Page244.2磁電動圈式直流電表2．電壓靈敏度Page

254.2磁電動圈式直流電表1．電壓表和電流表內(nèi)阻對測量結(jié)果的影響磁電動圈式直流電壓表和電流表的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格便宜，其主要缺點是靈敏度不高，內(nèi)阻對測量結(jié)果影響較大。由于測量電壓時電壓表與被測電路并聯(lián)，當(dāng)電壓表的量程較低時，電壓表的內(nèi)阻較小，其負(fù)載效應(yīng)對被測電路工作狀態(tài)及測量結(jié)果的影響較大。而測量電流時，電流表與被測電路串聯(lián)，如果電流表的內(nèi)阻較大，也會影響電路的工作狀態(tài)及測量結(jié)果。4.2.4電表內(nèi)阻對測量的影響因此，電壓表的內(nèi)阻應(yīng)盡量大些，且量程越大，內(nèi)阻應(yīng)越大；而電流表的內(nèi)阻應(yīng)盡量小一些，且量程越大，內(nèi)阻應(yīng)越小。Page254.2磁電動圈式直流電表1．電壓表和電Page

264.2磁電動圈式直流電表例題4-3例：如圖4-7所示，圖中電阻R1、R2的阻值都為100kΩ，電源電壓為200V，用內(nèi)阻Rv分別為100kΩ和1000kΩ電壓表測量R1的電壓，分別計算電壓表內(nèi)阻影響所產(chǎn)生的誤差。解：R1上的實際電壓值為:用內(nèi)阻為Rv1=100kΩ電壓表測量得R1上的電壓為:Page264.2磁電動圈式直流電表例題4-3例：Page

274.2磁電動圈式直流電表例題4-3這時測量的相對誤差為:用內(nèi)阻為Rv2=1000kΩ電壓表測量得R1上的電壓為:相對誤差為:

可見，用內(nèi)阻大的電壓表，對被測電路影響小，測量結(jié)果的誤差比較小。Page274.2磁電動圈式直流電表例題4-3這時Page

284.2磁電動圈式直流電表例題4-4例：如圖4-8所示，圖中電阻R為400Ω，電壓U為100V，用內(nèi)阻Ri分別為400Ω和10Ω的電流表測量電路中的電流，分別計算由電流表內(nèi)阻影響所產(chǎn)生的測量誤差。解：從圖中可以看出，如果不考慮電流表內(nèi)阻的影響，電路中的實際電流為:如果電流表內(nèi)阻Ri1為400Ω，則電路中的電流為:這時測量的相對誤差為:Page284.2磁電動圈式直流電表例題4-4例：Page

294.2磁電動圈式直流電表例題4-4如果電流表內(nèi)阻Ri2為10Ω，則電路中的電流為:這時的相對誤差為:可見，電流表的內(nèi)阻越小，對被測電路影響越小，測量結(jié)果的誤差就越小。Page294.2磁電動圈式直流電表例題4-4Page

304.2磁電動圈式直流電表2．消除電壓表的負(fù)載效應(yīng)對于內(nèi)阻大的電源，欲測量其空載電壓Ux，如果用電壓表直接測量，由于電壓表內(nèi)阻Rv并接在電源兩端，形成電流回路，電源內(nèi)部有一定的電壓降，會使測量結(jié)果造成較大的誤差。

為此，采用圖4-9所示的電路測量。4.2.4電表內(nèi)阻對測量的影響Page304.2磁電動圈式直流電表2．消除電壓表Page

314.2磁電動圈式直流電表圖中Ux為電源的空載電壓，Ri為電源的內(nèi)阻，Rv為電壓表的內(nèi)阻。先按圖4-9（a）的電路測量，電壓表的指示電壓為U1，即：4.2.4電表內(nèi)阻對測量的影響然后按圖4-9（b）串接一個輔助測量電阻Rs，這時電壓表指示的電壓值為U2，即將兩式相除，消除Ux后，可得：Page314.2磁電動圈式直流電表Page

324.2磁電動圈式直流電表4.2.4電表內(nèi)阻對測量的影響利用上式，可解出電源的內(nèi)阻Ri，即：代上式，可得電源的空載電壓Ux：如果上述測量中的輔助電阻Rs是一只電位器，調(diào)節(jié)Rs，使U2剛好等于U1的一半，上式中的U2/（U1－U2）=1，可簡化：Page324.2磁電動圈式直流電表4.2.4第四章電壓的測量4.3交流電壓的量值和測量方法第四章電壓的測量4.3交流電壓的量值和測量方法Page

344.3交流電壓的量值和測量方法交流電壓除用具體的函數(shù)關(guān)系式表達(dá)其大小隨時間變化的規(guī)律外，通常還可以用峰值、平均值、有效值等參數(shù)表示。（1）峰值一個周期內(nèi)偏離基線的最大值稱為幅值，也叫峰值，用Um表示。在波形不失真的情況下，正、負(fù)峰值是相等的。4.3.1交流電壓的量值表示Page344.3交流電壓的量值和測量方法Page

354.3交流電壓的量值和測量方法（2）平均值在數(shù)學(xué)上，交流電壓u（t）的平均值定義為按照這個定義，對于對稱正弦波電壓，上式的積分等于零，即平均值為零。在電子電氣測量中，平均值通常是指交流電壓檢波（也稱整流）以后的平均值。（3）有效值某一交流電壓的有效值等于這樣一個直流電壓的數(shù)值U，即當(dāng)該交流電壓和數(shù)值為U的直流電壓分別施加于同一個電阻上時，在一個周期內(nèi)兩者消耗的電能相等。4.3.1交流電壓的量值表示圖形面積、除1.4或乘0.7Page354.3交流電壓的量值和測量方法（2）平Page

364.3交流電壓的量值和測量方法（1）波形因數(shù)：波形因數(shù)定義為交流電壓的有效值U與平均值之比，用符號KF表示，即：4.3.2交流電壓量值的轉(zhuǎn)換（2）波峰因數(shù)：波峰因數(shù)定義為交流電壓的峰值Um與有效值U之比，用符號KP表示，即：

雖然電壓量值可以用峰值、有效值和平均值表征，但基于功率的概念，國際、國內(nèi)均以有效值作為交流電壓的表征量，例如電壓表，除特殊情況外，幾乎都是按正弦波的有效值來定度。Page364.3交流電壓的量值和測量方法（1）波Page

374.3交流電壓的量值和測量方法當(dāng)用正弦波有效值定度的交流電壓表測量電壓時，如果被測電壓是正弦波，電壓表的讀數(shù)就是正弦波電壓的有效值，根據(jù)表4-1很容易從電壓表讀數(shù)即有效值得知它的峰值和平均值。

如果被測電壓是非正弦波，那么必須根據(jù)電壓表讀數(shù)和電壓表所采用的檢波方法進(jìn)行必要的波形換算，才能得到有效值、峰值和平均值。4.3.2交流電壓量值的轉(zhuǎn)換Page374.3交流電壓的量值和測量方法Page

384.3交流電壓的量值和測量方法Page384.3交流電壓的量值和測量方法Page

394.3交流電壓的量值和測量方法Page394.3交流電壓的量值和測量方法Page

404.3交流電壓的量值和測量方法測量交流電壓的方法很多，依據(jù)的原理也不同。其中最主要的是利用交流/直流（AD/DC）轉(zhuǎn)換電路（多為二極管檢波電路），將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后接到直流電壓表上進(jìn)行顯示。根據(jù)檢波特性的不同，檢波法又可分成平均值檢波、峰值檢波、有效值檢波等。模擬交流電子電壓表主要有以下幾種類型：4.3.3電子交流電壓表的主要類型Page404.3交流電壓的量值和測量方法Page

414.3交流電壓的量值和測量方法（1）檢波-放大式先對被測交流電壓進(jìn)行檢波，然后將檢波得到的直流電壓送直流放大器放大，最后送電表顯示，如圖4-12所示。這種電子電壓表的頻率范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器。4.3.3電子交流電壓表的主要類型Page414.3交流電壓的量值和測量方法（1）檢Page

424.3交流電壓的量值和測量方法（2）放大-檢波式這種類型是先對被測電壓信號進(jìn)行放大，然后檢波，最后將檢波得到的直流電壓送電表顯示，如圖4-13所示。

這種電子電壓表的輸入阻抗大，測量靈敏度高，頻率范圍主要取決于寬帶交流放大器。4.3.3電子交流電壓表的主要類型Page424.3交流電壓的量值和測量方法（2）放Page

434.3交流電壓的量值和測量方法（3）調(diào)制式調(diào)制式電子電壓表實際上仍然屬于檢波-放大式類型。在這種方式中，為了減小直流放大器的零點漂移對測量結(jié)果的影響，采用調(diào)制式放大器替代，即先將微弱的直流電壓信號經(jīng)調(diào)制器變換為低頻的交流信號，由交流放大器進(jìn)行放大，然后經(jīng)解調(diào)器還原為直流電壓信號（幅度已得到了放大），最后送電表顯示。4.3.3電子交流電壓表的主要類型Page434.3交流電壓的量值和測量方法（3）調(diào)Page

444.3交流電壓的量值和測量方法（4）外差式檢波-放大式電壓表雖然頻率范圍較寬，但檢波二極管的非線性限制了它的靈敏度；而放大-檢波式電壓表，雖然靈敏度可以提高，但頻率范圍較窄。

外差式電壓測量法主要用于解決了靈敏度和頻率范圍之間的矛盾。4.3.3電子交流電壓表的主要類型Page444.3交流電壓的量值和測量方法（4）外Page

454.3交流電壓的量值和測量方法這種電壓表的輸入電路包括輸入衰減器和高頻放大器，衰減器用于大電壓測量，高頻放大器帶寬很寬，但不要求有很高的增益，被測電壓的放大主要由后面的中頻放大器完成。①被測信號經(jīng)輸入電路，與本機(jī)振蕩信號一起進(jìn)入混頻器，轉(zhuǎn)變成頻率固定的中頻信號，②經(jīng)中頻放大器放大后，進(jìn)入檢波器轉(zhuǎn)變成直流電壓，最后送電表顯示。

由于中頻放大器具有良好的頻率選擇性和固定的中頻頻率，從而解決了放大器增益帶寬的矛盾，又因為中頻放大器具有極窄的帶通濾波特性，因而可以在實現(xiàn)高增益的同時，有效地抑制干擾和噪聲的影響。4.3.3電子交流電壓表的主要類型Page454.3交流電壓的量值和測量方法第四章電壓的測量4.4電子交流電壓表第四章電壓的測量4.4電子交流電壓表Page

474.4電子交流電壓表1．平均值檢波器

4.4.1均值電壓表平均值檢波器由4只性能相同的二極管構(gòu)成橋式全波檢波（整流）電路。半橋式整流等效電路為了改善整流二極管的非線性Page474.4電子交流電壓表1．平均值檢波器Page

484.4電子交流電壓表2．低頻均值電壓表

4.4.1均值電壓表①放大器的主要作用是放大被測電壓，提高測量靈敏度，使檢波器工作在線性區(qū)域，同時它的高輸入阻抗可以大大減小負(fù)載效應(yīng)。②由于放大器頻率特性的限制，測量頻率多在1MHz以下，測量的電壓信號頻率比較低，所以這種電壓表屬于低頻交流電壓表。上述的平均值檢波電路輸入阻抗低，當(dāng)輸入信號比較小時，會出現(xiàn)非線性特性。因此，均值電壓表一般都設(shè)計成放大-檢波式的結(jié)構(gòu)。Page484.4電子交流電壓表2．低頻均值電壓表Page

494.4電子交流電壓表圖4-17是JB-1B型交流電壓表的未級電路原理圖，放大器后接了一個全波橋式整流器，由4只二極管D1～D4組成均值檢波器，頻率測量范圍為2Hz～500kHz，電壓測量范圍為50μV～300V的電壓，最小量程為1mV。

圖4-17中，R1、C2組成濾波器，R2、D5為線性補(bǔ)償電路，當(dāng)信號電壓較低時，由于二極管具有非線性，因此表頭電流偏小，此時R2、D5的分流作用也減小，使表頭電流有所增加，從而起到線性補(bǔ)償作用。當(dāng)信號頻率過低（2～10Hz）時，阻尼開關(guān)S閉合，以避免表針擺動。

4.4.1均值電壓表Page494.4電子交流電壓表圖Page

504.4電子交流電壓表3．波形換算電壓表的刻度是以正弦波電壓的有效值定度的，而均值檢波器的輸出（即流過電流表的電流）與被測信號電壓的平均值成線性關(guān)系，因而有：

4.4.1均值電壓表式中Ua為電壓表的指示值，為被測交流電壓的平均值，Ka稱為定度系數(shù)。由于交流電壓表是以正弦波有效值定度的，因此對于全波檢波（整流）電路構(gòu)成的均值電壓表，定度系數(shù)Ka就等于正弦信號的波形因數(shù)，即：Page504.4電子交流電壓表3．波形換算4.Page

514.4電子交流電壓表如果被測信號為正弦波，則電壓表的指示值就是被測電壓的有效值。如果被測信號是非正弦波形，那么需要進(jìn)行“波形換算”，由電壓表指示值和被測信號的具體波形推算出被測信號電壓的有效值。

由波形因數(shù)KF定義可知，有效值U=KF×平均值，并可得任意波形電壓的有效值的變換公式，即：

4.4.1均值電壓表這就是均值電壓表測量非正弦波信號電壓有效值的波形變換公式。Page514.4電子交流電壓表Page

524.4電子交流電壓表例題4-5例：用全波整流均值電壓表分別測量正弦波、三角波和方波，若電壓指示值均為10V，求這些被測電壓的平均值和有效值。解：根據(jù)電壓表指示值相等，均值也相等的原理，可得三種波形的平均電壓都為：對于正弦波，由于電壓表是按正弦波有效值定度的，電壓表的指示值就是正弦波的有效值，即：U=Ua=10V對于三角波，查表4-1知，三角波的波形因數(shù)為KF=1.15，所以三角波的有效值為：VPage524.4電子交流電壓表例題4-5例：用全Page

534.4電子交流電壓表例題4-5

對于方波，由前表可知，方波的波形因數(shù)數(shù)KF=1，所以方波的有效值為：

顯然，如果被測電壓不是正弦波形，而直接將電壓表的指示值作為被測電壓的有效值，必將帶來較大的誤差，通常稱為“波形誤差”。如果直接將電壓表的指示值Ua

=10V作為其有效值，則三角波的波形誤差為：方波的波形誤差為：解：Page534.4電子交流電壓表例題4-5Page

544.4電子交流電壓表1．峰值檢波器（1）串聯(lián)型峰值檢波器圖4-18分別是串聯(lián)式峰值檢波電路和波形，圖中元件參數(shù)應(yīng)滿足RC

>>Tmax

；

RdC<<Tmin

，式中Tmax、Tmin分別表示被測信號的最大周期和最小周期，Rd包括二極管正向?qū)娮鑂D及被測電路的等效信號源內(nèi)阻Rx。4.4.2峰值電壓表1Page544.4電子交流電壓表1．峰值檢波器4.Page

554.4電子交流電壓表1、在被測信號電壓ux的正半周時，二極管D導(dǎo)通，被測信號ux通過它對電容C充電，由于充電時常數(shù)RdC非常小，因此電容C上的電壓迅速達(dá)到ux的峰值Um。2、在ux負(fù)半周時，二極管D截止，電容C通過電阻R放電，由于放電時常數(shù)RC很大，電容上電壓跌落很小，從而使得電容C兩端的電壓，即檢波器的輸出電壓Uo始終接近ux的峰值，即Uo

≈Um，如圖4-18（b）所示。3、實際上檢波器輸出電壓Uo略小于Um。在圖4-18（a）中，若把二極管D反接，則可以測到ux的負(fù)峰值4.4.2峰值電壓表2Page554.4電子交流電壓表1、在被測信號電壓Page

564.4電子交流電壓表（2）雙峰值檢波器將兩個串聯(lián)式檢波電路結(jié)合在一起，就構(gòu)成了圖4-19所示的雙峰值檢波電路。4.4.2峰值電壓表輸出電壓Uo近似等于被測電壓的峰-峰值，為單串聯(lián)檢波電路的兩倍。3Page564.4電子交流電壓表（2）雙峰值檢波器Page

574.4電子交流電壓表（3）并聯(lián)型峰值檢波器圖4-20分別為并聯(lián)式峰值檢波器電路和電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的檢波波形。在ux的正半周時，ux通過二極管D迅速給電容C充電而達(dá)到峰值Um；在ux的負(fù)半周時，電容上電壓經(jīng)過電壓源及R緩慢放電，電容C上的電壓接近ux的峰值，因此輸出電壓Uo等于電阻R的電壓，近似等于峰值Um4.4.2峰值電壓表4Page574.4電子交流電壓表（3）并聯(lián)型峰值檢Page

584.4電子交流電壓表（4）倍壓峰值檢波器為了提高檢波器的輸出電壓，實際電壓表中還采用圖4-21所示的倍壓式峰值檢波器。4.4.2峰值電壓表5Page584.4電子交流電壓表（4）倍壓峰值檢波Page

594.4電子交流電壓表1、在ux的負(fù)半周時，被測信號源經(jīng)過D1向C1充電，C1上的電壓迅速達(dá)到ux的峰值。2、在ux的正半周時，C1上的電壓Uc1和ux串聯(lián)后經(jīng)過D2向C2充電，C2上的電壓迅速達(dá)到（Uc1+ux）的峰值，由于RC2>>Tmax，因此放電非常緩慢，輸出電壓Uo（即電阻R上電壓）下降很少，其值近似為ux峰值的兩倍，即Uo≈2Um4.4.2峰值電壓表6Page594.4電子交流電壓表1、在ux的負(fù)半周Page

604.4電子交流電壓表2．高頻峰值電壓表由于放大器頻率特性的限制，通常測量高頻信號的電壓表不采用放大-檢波式，而采用下圖的檢波-放大式。在這類檢波-放大式高頻毫伏表中，檢波器一般采用峰值檢波電路。4.4.2峰值電壓表1Page604.4電子交流電壓表2．高頻峰值電壓表Page

614.4電子交流電壓表采用這種結(jié)構(gòu)，放大器放大的是檢波后的直流電壓信號，其頻率特性不會影響整個電壓表的頻率響應(yīng)。此時測量電壓的頻率范圍主要取決于檢波器的頻率響應(yīng)。

現(xiàn)在的高頻電壓表都采用特殊性能的高頻檢波二極管構(gòu)成的檢波電路，并放置在屏蔽良好的探頭內(nèi)，用探頭的探針直接接觸被測點，這樣可以避免過長輸入線的分布電容和引線電感的影響，大大地減小高頻信號在傳輸過程中的損失。在這類檢波-放大式高頻毫伏表中，檢波器一般采用峰值檢波電路。為了減小一般直流放大器零點漂移對測量結(jié)果的影響，多采用調(diào)制式直流放大器放大檢波后的直流電壓信號。4.4.2峰值電壓表2Page614.4電子交流電壓表采Page

624.4電子交流電壓表DA36型和AS2271型超高頻毫伏表，其探頭內(nèi)裝有兩組嚴(yán)格對稱的檢波二極管，一組直接對高頻信號檢波，另一組對其進(jìn)行電壓反饋，以克服二極管固有的小信號區(qū)城的非線性特性，從而提高了檢測的靈敏度。4.4.2峰值電壓表3Page624.4電子交流電壓表DPage

634.4電子交流電壓表3.波形換算有電壓表指示值Ua；峰值檢波器輸出電壓Uo（等于峰值電壓Um）

；電壓的有效值U等于電壓表的指示值Ua波峰因數(shù)定義為Kp=Um

/U，由此可得峰值Um和有效值U為：4.4.2峰值電壓表這就是峰值電壓表測量非正弦波信號電壓有效值的波形變換公式。4Page634.4電子交流電壓表3.波形換算4.Page

644.4電子交流電壓表例題4-6例：用峰值電壓表分別測量正弦波、三角波和方波，電壓表均指在10V位置，問三種波形的被測信號的峰值和有效值各為多少？解：根據(jù)示值相等峰值也相等的原理及公式，可得三種波形的電壓峰值Um都為：因為電壓表就是以正弦波的有效值定度的，因此正弦波的有效值就是電壓表的指示值，即正弦波的有效值U=10V。對于三角波，根據(jù)公式和查表知Kp

=1.73，其有效值U為：對于方波，波峰因數(shù)為Kp=1.0，其有效值U為：5Page644.4電子交流電壓表例題4-6例：用峰Page

654.4電子交流電壓表在前面已介紹了交流電壓有效值定義的數(shù)學(xué)表達(dá)式：4.4.3有效值電壓表由上式可知，為了獲得有效值（均方根值），必須使AC/DC變換器具有平方律關(guān)系的伏安特性。

這類變換器有二極管平方律檢波、分段逼近檢波、熱電變換式和模擬計算式等四種。1Page654.4電子交流電壓表在前Page

664.4電子交流電壓表1．二極管平方律檢波半導(dǎo)體二極管在其正向特性的起始部分具有近似的平方律關(guān)系。4.4.3有效值電壓表可見，通過電表的平均電流與被測電壓的有效值成正比，從而實現(xiàn)了有效值的平方律轉(zhuǎn)換。2這種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是電路簡單，靈敏度高。

缺點是滿足平方律特性的區(qū)域（即有效值檢波的動態(tài)范圍）過窄，特性不易控制且不穩(wěn)定，所以逐漸被晶體二極管鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)組成的分段逼近式有效值檢波器所代替。Page664.4電子交流電壓表1．二極管平方律檢Page

674.4電子交流電壓表

2.分段逼近檢波式下圖是分段逼近式有效值檢波電路及其平方律伏安特性。由二極管D3～D6和電阻R3～R10構(gòu)成的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于與R2并聯(lián)的可變負(fù)載。接在寬帶變壓器次級的二極管D1、D2對被測電壓進(jìn)行全波檢波。適當(dāng)調(diào)節(jié)檢波器負(fù)載，可使其伏安特性成平方律關(guān)系，而使通過電表的電流正比于被測電壓有效值的平方。4.4.3有效值電壓表3Page674.4電子交流電壓表2.分段逼近檢Page

684.4電子交流電壓表二極管鏈?zhǔn)诫娐返墓ぷ髟硎牵孩龠m當(dāng)選擇直流電源E和分壓電阻R3～R10的值，使U1<U2<U3<U4。②當(dāng)u<U1時，二極管D3～D6截止，伏安特性起始部分是直線，斜率由R2決定。③當(dāng)U1<u<U2時，U2導(dǎo)通，D4～D6仍然截止，此時R2與分壓電阻R3、R4并聯(lián)，電路的伏安特性斜率增大。④當(dāng)u繼續(xù)增大時，D4、D5、D6依次導(dǎo)通，伏安特性斜率也依次增大。⑤只要各分壓電阻選擇得合適，就可獲得如圖4-25（b）所示的近似平方律關(guān)系的伏安特性。

由于平方律檢波器的電流與被測電壓的有效值平方成正比，所以直接接入電表時，表盤刻度是非線性的。4.4.3有效值電壓表4Page684.4電子交流電壓表Page

694.4電子交流電壓表

3．熱電偶變換式當(dāng)被測電壓波形未知或波形復(fù)雜時，例如對噪聲電壓的測量、失真度測量，都要求能測出電壓的真正有效值。這種測量要求AC/DC變換器的輸出與輸入電壓的有效值成正比。利用二極管鏈?zhǔn)綑z波器可以實現(xiàn)這種功能，但頻率范圍不寬，一般為幾十赫茲到幾百千赫茲。要實現(xiàn)這種功能除二極管鏈?zhǔn)綑z波器以外，用得較多的是熱偶元件。4.4.3有效值電壓表5Page694.4電子交流電壓表3．熱電偶變換式Page

704.4電子交流電壓表熱偶元件又稱為熱電偶，當(dāng)A、B端溫度相同時，兩電勢差大小相等、方向相反，彼此互相抵消。如果A端（熱端）溫度高于B端（冷端），則兩端電勢差不等。如圖（b）所示，由于熱電動勢的存在，將有電流通過電流表，電流的大小與回路的熱電動勢成正比，而熱電動勢又正比于A、B兩端的溫度差。4.4.3有效值電壓表6Page704.4電子交流電壓表Page

714.4電子交流電壓表如圖（c）所示，如果被測電壓信號ux經(jīng)限流電阻R加到熱絲FG上，則FG的溫度與ux的有效值U平方成正比。熱電偶熱端A與加熱絲耦合，溫度相同，冷端D、E之間接入電流表（D、E兩點溫度相同），熱電偶中的電流I與被測電壓信號ux有效值的平方成正比，即兩者之間呈平方律關(guān)系。

因此，可以利用熱電偶中的電流I來反映ux的有效值U。4.4.3有效值電壓表7Page714.4電子交流電壓表如Page

724.4電子交流電壓表4．模擬計算式由于電子技術(shù)的發(fā)展，利用集成乘法器、積分器、開方器等是測量交流電壓有效值的一種新形式，其原理如圖4-28所示。4.4.3有效值電壓表8①第一級是由乘法器構(gòu)成的平方器，輸出電壓U01與被測信號電壓的平方成正比，②第二級為積分器，輸出電壓U02正比于，③第三級實現(xiàn)開方運(yùn)算，④末級為放大器，輸出電壓U0正比于有效值（均方根值）。

顯然，這種模擬計算式電壓表的刻度是線性的。Page724.4電子交流電壓表4．模擬計算式4.Page

734.4電子交流電壓表4.4.3有效值電壓表有效值電壓表的突出優(yōu)點是：輸出示值就是被測電壓的有效值，而與被測電壓的波形無關(guān)。

當(dāng)然，由于放大器的動態(tài)范圍和工作帶寬的限制，對于某些被測信號，例如尖峰過高，高次諧波分量豐富的波形，會產(chǎn)生一定的誤差（叫做波形誤差）。9Page734.4電子交流電壓表4.4.3有Page

744.4電子交流電壓表測量實踐中，常常用分貝值來表示放大器的增益、噪聲電平、音響設(shè)備等有關(guān)參數(shù)。分貝值實際上是被測量對某一同類基準(zhǔn)量比值的對數(shù)值。例如，電壓Ux的分貝值Lx(dB)為：

4.4.4分貝值的測量1顯然，當(dāng)Ux

>Us時，分貝值為正；當(dāng)Ux<Us時分貝值為負(fù)；當(dāng)Ux=Us時，分貝值為零。Page744.4電子交流電壓表測量Page

754.4電子交流電壓表例題4-7例：用1.5V量程測電壓，Ux=1.38V，問對應(yīng)的分貝值。解：已知被測電壓為Ux=1.38V，利用前面公式計算該電壓的分貝值，即：此時電表指針指向+5dB處。2Page754.4電子交流電壓表例題4-7例：用1Page

764.4電子交流電壓表例題4-8例：用MF-20的30V電壓量程測得電壓Ux=27.5V，問其分貝值為多少？解：Ux

=27.5V電壓的實際分貝值為：但此時MF-20表針指示的分貝值為+5dB，顯然這不是Ux=27.5的分貝值。原因在于：MF-20多用表測量電壓分貝值的基本量程是0～1.5V，表盤上的分貝值與該量程上的分貝值相對應(yīng)。當(dāng)使用30V量程時，該表的可變量程分壓器的分壓比為30/1.5=20，因此加在電壓表的表頭上的電壓是衰減20倍后的被測電壓，或者說實際被測電壓應(yīng)是加在表頭上電壓的20倍。3Page764.4電子交流電壓表例題4-8例：用MPage

774.4電子交流電壓表例題4-8設(shè)加在表頭上的電壓為Ux1，則實際被測電壓為Ux=20Ux1，寫成分貝形式為：例題4-8中表針指示的分貝值為+5dB，即式中20lgUx1的分貝值，因此Ux的實際分貝值為：圖4-29中兩側(cè)的對照表就是為這種計算而列出的。例如，若使用150V電壓檔，則被測電壓的分貝值應(yīng)是表針指示的分貝值加上+40dB；若使用60mV電壓檔，則被測電壓的分貝值應(yīng)是表針指示的分貝值加上-28dB，以此類推。上面的說明可用下式表示：

被測電壓的分貝值=表針指示的分貝值+相應(yīng)量程的分貝值4+26dB+5dBPage774.4電子交流電壓表例題4-8Page

784.4電子交流電壓表例題4-9例：用MF-20的300mV檔測電壓，表針指在-10dB處，被測電壓的分貝值為多少？解：由圖4-28左側(cè)表格知，使用300mV檔時，量程分貝值為-14dB，所以被測電壓的分貝值為：由上面的三個例題可知，對MF-20型表，僅當(dāng)使用1.5V檔時，才能直接讀取分貝值，使用其他電壓量程檔時，都應(yīng)按上述方法進(jìn)行換算。Lx=-10+(-14)=-24dB5Page784.4電子交流電壓表例題4-9例：用M第四章電壓的測量4.5脈沖電壓的測量第四章電壓的測量4.5脈沖電壓的測量Page

804.5脈沖電壓的測量1．直接測量法

直接測量法也稱靈敏度換算法。它是將被測電壓信號接入示波器Y（垂直）通道，根據(jù)示波管熒光屏上電壓波形的高度及Y軸偏轉(zhuǎn)因數(shù)，直接計算出脈沖電壓的峰值。4.5.1用示波器測量脈沖電壓其中H是熒光屏上脈沖波形的高度，d是Y通道的偏轉(zhuǎn)因數(shù)（V/cm或V/div）。要注意的是，探極有無衰減，是否使用“倍率”。1Page804.5脈沖電壓的測量1．直接測量法4.Page

814.4電子交流電壓表例題4-10例：用SR-8型示波器測量脈沖電壓，Y軸微調(diào)已置校正位，開關(guān)

“Y/div”置于“0.2”處，探極衰減10倍，脈沖在熒光屏上高度

H=1.4div（格），求被測電壓峰值（實際上是峰-峰值）。解：由于探極已將信號衰減10倍（為了方便，寫為k=10），因此脈沖電壓的值為：2Page814.4電子交流電壓表例題4-10例：用Page

824.5脈沖電壓的測量2．比較測量法比較測量法就是用已知電壓值的信號（一般為方波的峰-峰值））與被測信號電壓波形比較，求得被測電壓值。設(shè)在保持輸入衰減和Y軸增益不變的情況下，被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號在熒光屏上的高度分別為Hx、Hs，標(biāo)準(zhǔn)信號電壓的峰-峰值為Uspp，則被測電壓峰-峰值Uxpp為4.5.1用示波器測量脈沖電壓由于比較測量法的測量準(zhǔn)確度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)信號的電壓準(zhǔn)確度，而與Y通道增益無關(guān)，因此測量誤差比直接測量法小。H比

=1.5divU比=3.0V3Page824.5脈沖電壓的測量2．比較測量法4.Page

834.5脈沖電壓的測量前面曾分析過峰值電壓表測量脈沖電壓的誤差，其主要原因是在脈沖期間充電時常數(shù)不夠小而使電容上的電壓達(dá)不到脈沖峰值，而在脈沖休止期間放電時常數(shù)又不夠大而使原充電電壓降落過多，從而使充電電容上電壓的平均值小于脈沖峰值Um。

如果能盡量減小充電時的時間常數(shù)而增大放電時的時間常數(shù)，使在脈沖存在期間能充電至脈沖幅值，在脈沖休止期間電壓能保持基本不變，那么就可以有效地減小測量誤差。4.5.2脈沖保持型電壓表1Page834.5脈沖電壓的測量前面曾Page

844.5脈沖電壓的測量圖4-30（a）就是按照上述的基本思路構(gòu)成的脈沖保持電路。圖中T1為射極跟隨器，它有兩個作用：一是射極跟隨器的輸入電阻高，可以減小儀表對被測電路的影響，二是射極跟隨器的輸出電阻低，可以減小充電電阻。4.5.2脈沖保持型電壓表2Page844.5脈沖電壓的測量Page

854.5脈沖電壓的測量①被測信號ux經(jīng)二極管D1對C1充電，C1取值比較小，T2、T3管都接成源極跟隨器，輸入電阻很大，因此在充電期間，電容C1上的電壓可基本達(dá)到ux峰值。②由于C1較小，因此在脈沖休止期間，C1上的電壓Uc1降落仍然較大，為此將Uc1經(jīng)源極跟隨器T2和二極管D2對電容C2充電，由于源極跟隨器負(fù)載能力強(qiáng)，因此C2上的電壓在充電期結(jié)束時能接近ux的峰值電壓Um。③同時由于C2取值較大值，且源極跟隨器T3的輸入電阻很高，所以在脈沖休止期間放電非常緩慢，從而大大地減小了Uc2的平均值與峰值電壓Um之間的誤差，從而保持了輸入脈沖的峰值電壓。④圖4-30（a）中的開關(guān)S用于短接二極管D2，以便在測量完畢時使C2迅速放電，為下一次測量作準(zhǔn)備。4.5.2脈沖保持型電壓表3Page854.5脈沖電壓的測量①被測信號ux經(jīng)Page

864.5脈沖電壓的測量在電視機(jī)、雷達(dá)發(fā)射機(jī)等設(shè)備的測試中，會碰到高達(dá)萬伏的高壓脈沖，除利用電容分壓法使用示波器測試外，還可以使用高壓脈沖電壓表進(jìn)行測量。4.5.3高壓脈沖電壓表1Page864.5脈沖電壓的測量在Page

874.5脈沖電壓的測量1、DL是高壓硅堆，R1是限流電阻，C1是充電電容，R2是放電電阻，它們共同組成峰值檢波電路。2、電流表與R2串聯(lián)，用于直接指示被測脈沖的峰值。3、R3為標(biāo)準(zhǔn)電阻，其阻值遠(yuǎn)小于R2，其上的電壓為毫伏級，C2是旁路電容，該電壓可送至直流電壓表或數(shù)字電壓表顯示。4、測量時開關(guān)S閉合，測量后斷開，以保護(hù)電壓表。5、當(dāng)正向脈沖輸入時，高壓硅堆DL導(dǎo)通，電容C1充電。6、脈沖休止期間DL截止，C1放電，由電壓表顯示輸入脈沖電壓的峰值。4.5.3高壓脈沖電壓表2Page874.5脈沖電壓的測量1、DL是高壓硅堆第四章電壓的測量4.6數(shù)字電壓表第四章電壓的測量4.6數(shù)字電壓表Page

894.6數(shù)字電壓表隨著電子技術(shù)和計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式儀表的大部分電路都已集成化，擺脫了笨重的指針式表頭，所以數(shù)字式儀表顯得格外精巧、輕便。與模擬式儀表相比，數(shù)字式儀表有如下特點：（1）準(zhǔn)確度高高檔的準(zhǔn)確度可達(dá)10-7量級，測量靈敏度（分辨力）達(dá)1μV，抗干擾性能強(qiáng)，穩(wěn)定性好。（2）數(shù)字顯示測量結(jié)果以十進(jìn)制數(shù)字的形式顯示，直觀性好，符合人眼觀察習(xí)慣，消除了指針式儀表的讀數(shù)誤差。由于數(shù)字顯示代替指針機(jī)械偏轉(zhuǎn)，儀器內(nèi)部有又各種保護(hù)電路，因此數(shù)字式儀表的過載能力強(qiáng)。4.6.1數(shù)字電壓表的特點Page894.6數(shù)字電壓表隨著電Page

904.6數(shù)字電壓表（3）輸入阻抗高一般的數(shù)字電壓表的輸入阻抗高為10MΩ左右，高的可超過1000MΩ，因而其負(fù)載效應(yīng)幾乎可以忽略，并且不隨量程而變化，對被測電路影響小。（4）測量速度快由于數(shù)字式電壓表中沒有指針機(jī)械偏轉(zhuǎn)的慣性，被測信號輸入后，測量過程是電信號的傳遞過程，完成一次測量的時間很短，從信號輸入到顯示結(jié)果可小于幾個μs。4.6.1數(shù)字電壓表的特點Page904.6數(shù)字電壓表（3）輸入阻抗高4.Page

914.6數(shù)字電壓表（5）自動化程度高由于微處理器的應(yīng)用，中、高檔DVM已普遍具有很強(qiáng)的數(shù)字存儲、計算、自檢、自校、自診斷等功能，并配有IEEE-488和/或RS232C接口，有的還具有模擬量輸出，很容易構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。（6）功能多樣現(xiàn)在的數(shù)字式儀表一般都具有多種功能，這種儀表稱為數(shù)字多用表，具有測量直流電壓（DCV）、直流電流（DCI）、交流電壓（ACV）、交流電流（ACI）、電阻（Ω）、電容（C）、晶體管參數(shù)等多項功能，有的還有測量頻率、溫度等功能。4.6.1數(shù)字電壓表的特點與模擬指針式儀表相比，數(shù)字式電壓表的缺點是：測量交流電壓信號時，頻率范圍不夠?qū)?，一般上限頻率在1MHz以下。Page914.6數(shù)字電壓表（5）自動化程度高4.Page

924.6數(shù)字電壓表1．直流數(shù)字電壓表數(shù)字電壓表是利用A/D轉(zhuǎn)換的原理，將被測模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將測量結(jié)果以數(shù)字的形式顯示出來的一種電子測量儀器。

直流數(shù)字式電壓表（DVM）的基本組成如圖4-32所示，它主要由輸入電路、A/D變換器、數(shù)字顯示器、邏輯控制電路、時鐘發(fā)生器等組成。圖中輸入電路包括阻抗變換、放大器、量程控制。

A/D變換器是數(shù)字電壓表的核心部件，用于完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。數(shù)字電壓表的主要技術(shù)指標(biāo)如準(zhǔn)確度、分辨力等主要取決于A/D變換電路。數(shù)字部分完成邏輯控制、譯碼（比如叫二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)字）和顯示等功能。4.6.2數(shù)字電壓表的基本組成Page924.6數(shù)字電壓表1．直流數(shù)字電壓表4.Page

934.6數(shù)字電壓表4.6.2數(shù)字電壓表的基本組成Page934.6數(shù)字電壓表4.6.2數(shù)字電Page

944.6數(shù)字電壓表2.數(shù)字多用表數(shù)字多用表（DMM）又叫做數(shù)字式萬用表，它是在直流數(shù)字電壓表前端配接相應(yīng)的①交流-直流變換電路（AC/DC）、②電流-電壓轉(zhuǎn)換電路（I/V）、③電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路（Ω/V）、④電容-電壓轉(zhuǎn)換電路（C/V）等可構(gòu)成的，如圖4-33所示。從圖中可以看出，數(shù)字式多用表的核心是數(shù)字直流電壓表。

由于直流數(shù)字式電壓表是線性化顯示儀器，因此要求其前端配接的AC/DC、I/V、Ω/V等變換器也必須是線性變換器，即變換器的輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。4.6.2數(shù)字電壓表的基本組成Page944.6數(shù)字電壓表2.數(shù)字多用表4.Page

954.6數(shù)字電壓表4.6.2數(shù)字電壓表的基本組成Page954.6數(shù)字電壓表4.6.2數(shù)字電Page

964.6數(shù)字電壓表

1.線性AC/DC變換器圖4-34是線性平均值檢波器的原理，其中圖（a）是集成運(yùn)算放大器和二極管構(gòu)成的負(fù)反饋半波線性檢波電路，圖（b）是輸入和輸出波形。4.6.3電壓、電流、電阻轉(zhuǎn)換電路Page964.6數(shù)字電壓表1.線性AC/DCPage

974.6數(shù)字電壓表設(shè)集成運(yùn)放的開環(huán)增益為A0，輸入阻抗很高，則有：4.6.3電壓、電流、電阻轉(zhuǎn)換電路通常集成運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)A0在105～106之間，A0>>1，因此（4-35）式可簡化為：上式表明，由于電阻R2的負(fù)反饋作用，放大器的輸出和輸入之間呈線性關(guān)系，輸出電壓uo大小與比值R2/R1成正比，而與其它參數(shù)無關(guān)。Page974.6數(shù)字電壓表設(shè)集成Page

984.6數(shù)字電壓表

2．I/V變換器將直流電流Ix變換成直流電壓最簡單的方法:是讓該電流流過一只標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs。根據(jù)歐姆定律，Rs上的端電壓Ux=Rs

Ix，從而完成了I/V的線性轉(zhuǎn)換。為了減小Rs對被測電路的影響，標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs的取值應(yīng)盡可能小。4.6.3電壓、電流、電阻轉(zhuǎn)換電路Page984.6數(shù)字電壓表2．I/V變換器4.Page

994.6數(shù)字電壓表圖（a）是采用高輸入阻抗同相運(yùn)算放大器，其輸出電壓Uo與被測電流Ix之間滿足以下關(guān)系：4.6.3電壓、電流、電阻轉(zhuǎn)換電路當(dāng)被測電流較小時（Ix小于幾個毫安），采用圖4-36（b）所示的轉(zhuǎn)換電路，忽略運(yùn)放輸入端的漏電流，輸出電壓Uo與被測電流Ix之間滿足下面的關(guān)系：上面兩式表明，運(yùn)放的輸出電壓Uo與被測電流Ix成正比，從而實現(xiàn)了電流的I/V轉(zhuǎn)換。Page994.6數(shù)字電壓表圖（a）Page

1004.6數(shù)字電壓表

3．Ω/V變換器實現(xiàn)Ω/V變換的方法有多種。圖4-37是恒流法Ω/V變換器的原理圖。圖中Rx為待測電阻，Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻，－Us為基準(zhǔn)電壓源。該圖實質(zhì)上是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的負(fù)反饋電路，利用前面的分析方法，可以得到：4.6.3電壓、電流、電阻轉(zhuǎn)換電路即輸出電壓Uo與被測電阻Rx成正比，Us/Rs實質(zhì)上構(gòu)成了恒流源，改變Rs，可以改變Rx的量程。Page1004.6數(shù)字電壓表3．Ω/V變換器4Page

1014.6數(shù)字電壓表1．A/D轉(zhuǎn)換的主技術(shù)參數(shù)（1）轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換的精度用分辨力和轉(zhuǎn)換誤差表示。分辨力以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制位數(shù)表示，它說明A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨的輸入信號最小變化量。實際上，n位的A/D轉(zhuǎn)換的功能是將基準(zhǔn)對應(yīng)的滿量程電壓分為2n分，通過比較確定輸入電壓屬于哪一份。在這一過程中，必定會引入誤差，即轉(zhuǎn)換誤差。例如，8位A/D轉(zhuǎn)換器的最小分辨電壓為5V/256=19.5mV，10位A/D轉(zhuǎn)換器的最小分辨電壓為5V/1024=4.9mV，12位A/D轉(zhuǎn)換器的最小分辨電壓為5V/4096=1.24mV。這表明，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高，分辨力越高，轉(zhuǎn)換誤差越小。4.6.4數(shù)字電壓表的A/D轉(zhuǎn)換器Page1014.6數(shù)字電壓表1．A/D轉(zhuǎn)換的主技Page

1024.6數(shù)字電壓表（2）轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換從啟動信號到轉(zhuǎn)換完成，數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸出所需要的時間。不同方式的A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間差別很大，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換的時間通常很短，而積分型A/D轉(zhuǎn)換的時間則比較長。（3）轉(zhuǎn)換線性度輸入電壓與輸出數(shù)碼之間理想的傳遞關(guān)系應(yīng)該是線性對應(yīng)的。但是，實際的A/D轉(zhuǎn)換器的傳遞關(guān)系總是或多或少存在非線性。轉(zhuǎn)換線性度通常用非線性誤差表示，即由于非線性的傳遞關(guān)系使輸出數(shù)碼具有的最大誤差。4.6.4數(shù)字電壓表的A/D轉(zhuǎn)換器Page1024.6數(shù)字電壓表（2）轉(zhuǎn)換時間4.Page

1034.6數(shù)字電壓表2.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器4.6.4數(shù)字電壓表的A/D轉(zhuǎn)換器1Page1034.6數(shù)字電壓表2.逐次比較型A/Page

1044.6數(shù)字電壓表如圖4-38所示，逐次比較型A/D變換器主要包括比較器、控制電路、逐次逼近寄存器SAR、緩沖寄存器、基準(zhǔn)電壓源、譯碼顯示電路和數(shù)/模（D/A）變換器等。

比較器利用特殊設(shè)計的高速高增益運(yùn)算放大器來完成輸入端兩個電壓的比較運(yùn)算。在圖4-38中，被測模擬輸入電壓Ux和反饋電壓Uo分別作用在比較器的兩個輸入端，若Uo>Ux，則比較器輸出Qc=0（邏輯低電平），若Uo≤Ux，則Qc=1（邏輯高電平）。4.6.4數(shù)字電壓表的A/D轉(zhuǎn)換器2Page1044.6數(shù)字電壓表如圖4Page

1054.6數(shù)字電壓表控制電路發(fā)出一系列的節(jié)拍脈沖，并根據(jù)Qc值控制逐次逼近寄存器SAR各位的輸出狀態(tài)。SAR是一組雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如果是二進(jìn)制n位A/D轉(zhuǎn)換，則SAR中有n個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，各位的輸出由控制電路控制，SAR的輸出數(shù)碼分兩輸出，一路送緩沖寄存器鎖存，另一路送D/A變換器，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量Uo。

D/A變換器包括基準(zhǔn)電壓源、電子開關(guān)和分壓分流電路組成的解碼網(wǎng)絡(luò)，其功能是將二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。4.6.4數(shù)字電壓表的A/D轉(zhuǎn)換器3Page1054.6數(shù)字電壓表控制Page

1064.6數(shù)字電壓表逐次比較型A/D的轉(zhuǎn)換過程類似于天秤稱質(zhì)量的過程。它利用對分搜索的原理，依次按二進(jìn)制遞減規(guī)律變小，從數(shù)碼的最高位開始，逐次比較到最低位，使圖4-38中的反饋電壓Uo逐次接近被測輸入電壓Ux?，F(xiàn)以一個簡單的3比特（即3位二進(jìn)制）逐次比較的過程說明其工作原理。設(shè)基準(zhǔn)電壓Us=8V，被測輸入電壓Ux=5V，3比特逐次逼近寄存器SAR的輸出為Q2Q1Q0?？刂齐娐肥紫戎肧AR的輸出為Q2Q1Q0=100，即從最高位開始比較。100經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成Uo=Us/2=4V，加至比較器的反饋輸入端，因為Uo≤Ux，比較器輸出Qc=1，使SAR的Q2維持“1”。4.6.4數(shù)字電壓表的A/D轉(zhuǎn)換器4Page1064.6數(shù)字電壓表逐Page

1074.6數(shù)字電壓表在此基礎(chǔ)上再令Q1=1，這時Q2Q1Q0=110，加至D/A