電流、電壓與功率測量

第3章電流、電壓與功率測量3.1直流電流的測量3.2交流電流的測量3.3直流電壓的測量3.4交流電壓的測量3.5功率測量

3.6數(shù)字萬用表的特點(diǎn)與技術(shù)原理思考題3

電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇3.1直流電流的測量

3.1.1直流電流測量的原理與方法 其過程如圖3.1所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.1直流電流測量電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 設(shè)電流表的內(nèi)阻為r，在圖3.2（a）所示的測量電路中，原電路中電流I=E/R，而在圖3.2（b）所示的電路中，電流改變?yōu)镮′=E/(R+r)，兩者的誤差為電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.2電流表內(nèi)阻的影響電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.1.2模擬直流電流表的工作原理 直流電流表多數(shù)為磁電式儀表，磁電式儀表一般由可動線圈、游絲和永久磁鐵組成。線圈框架的轉(zhuǎn)軸上固定一個讀數(shù)指針，當(dāng)線圈流過電流時，在磁場的作用下，可動線圈發(fā)生偏轉(zhuǎn)，帶動上面固定的讀數(shù)指針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度與通過可動線圈的電流成正比。模擬直流電流表具有不需電池驅(qū)動、顯示穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時亦存在非線性誤差大、容易損壞等缺點(diǎn)。

3.1.3數(shù)字萬用表測量直流電流的原理 數(shù)字萬用表是用電子技術(shù)來檢測直流電流的。通常在直流電流擋，對外電路來說，數(shù)字萬用表僅相當(dāng)于一個取樣電阻RN（不同的量程RN的值不同），測量時RN上有電壓信號Ui=IRN，其測量過程如圖3.3所示。

電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.3數(shù)字萬用表測量原理框圖電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇3.2交流電流的測量

3.2.1低頻交流電流的測量原理和方法 圖3.4所示的交直流轉(zhuǎn)換電路。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.4交直流轉(zhuǎn)換電路電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.2.2高頻交流電流的測量原理和方法 我們可以通過測量這種與高頻電流密切相關(guān)的直流電流的大小，間接地檢測出高頻電流的大小，具體原理如圖3.5所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.5熱電偶電表原理電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇3.3直流電壓的測量

3.3.1直流電壓的測量原理與方法 一般來說，直流電壓測量是將直流電壓表直接跨接在被測電壓的兩端，由直流電壓表讀出被測電壓的值。因此，電壓測量是一種最簡便的電參數(shù)測量，其過程如圖3.6所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.6電壓測量電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 當(dāng)其與適當(dāng)?shù)姆謮弘娮柘嗯浜蠒r，即組成了直流電壓表，如圖3.7所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.7基于直流表的直流電壓表構(gòu)成框圖電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 設(shè)被測電路可等效為內(nèi)阻為Rx，開路電壓為Ux的電壓源，直流電壓表的等效內(nèi)阻為R0，則測量的完整電路簡化為圖3.8。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.8直流電壓表測量電路電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 由圖3.8可知，當(dāng)直流電壓表并接于被測電路兩端時，由于R0的存在，電壓表所測得的電壓由原來的Ux改變?yōu)椋?/p>

(3-1)電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.3.2直流電壓測量儀表

1.模擬式萬用表 在圖3.9所示分壓電路中，使用MF500-B型萬用表的100V擋進(jìn)行測量，該儀表的靈敏度為10kΩ/V，可以推算出在100V擋的輸入電阻為100×10=1000kΩ=1MΩ，實(shí)際測得的電壓為

電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.9高內(nèi)阻電路的電壓測量電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

2.數(shù)字式萬用表 數(shù)字萬用表均有電流電壓測量擋。與模擬式萬用表相比，主要優(yōu)點(diǎn)是：

(1)輸入阻抗高，一般直流輸入阻抗可達(dá)20MΩ以上。

(2)分辨力高，可精確到百分之一，即在10V擋，可分辨到0.1V，而指針式的模擬萬用表的分辨力為最小刻度間隔所代表的電壓值的一半，量程越大，分辨力越低。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.示波器 示波器的直流電壓擋特別適用于觀察較大幅度的直流電壓信號或含有交流成份的直流電壓信號。

4.電子電壓表 電子電壓表一般為數(shù)字式儀表，輸入端設(shè)有由場效應(yīng)管電路組成的阻抗隔離電路和放大電路，因而具有較高的輸入阻抗和靈敏度，適用于在電子電路中測量高內(nèi)阻電路的電壓。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇3.4交流電壓的測量

3.4.1交流電壓的特征與量值表示 常見電壓的波形如圖3.10所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.10常見電壓的波形電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

2.交流電壓的表示量值 交流電壓幅度值的相對大小常用峰-峰值、平均值和有效值來表示。

1)峰-峰值UP-P

峰-峰值表示信號的最大值與最小值的差。對于對稱的正弦信號來說，更常用的是峰值UP，其等于1/2的UP-P。如U(t)=Acosωct，則有UP-P=2A，UP=1A。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

2)平均值

設(shè)電壓信號為U（t），其周期為T，則平均值為

（3-2） 這時平均值的意義為

（3-3）電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3)有效值URMS

有效值指的是信號的均方根值（RMS）。電壓信號的有效值用URMS表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

對于正弦波U(t)=Um

cosωct來說： （3-5）

（3-4）電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 工程上定義如下兩個參數(shù)： （1）波形因數(shù)KF:表示電壓的有效值與平均值之比，即 （3-6） （2）波峰因數(shù)KP:表示交流電壓的峰值與有效值之比，即

（3-7）電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.4.2交流電壓的測量原理與方法

1.測量方法 交流電壓測量與直流電壓測量相類似，都是將電壓表并聯(lián)于被測電路上，其測量的連接如圖3.11所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.11交流電壓的測量電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

2.測量原理

1）交流電壓的模擬測量 用模擬電路的技術(shù)和方法測量交流電壓，最常用的轉(zhuǎn)換器有峰值檢波器、平均值檢波器和有效值—直流變換電路。其工作原理如圖3.12（a）、（b）、（c）所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.12測量原理（a）峰值檢波電路；（b）平均值檢波器；（c）熱電偶式變換電路電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 以峰值電壓表為例，其顯示值是將峰值檢波器檢測到的電壓值除以波峰因數(shù)KP得到的，若顯示讀數(shù)為α，則 （3-8） 例3.1用一峰值電壓表去測量一個方波電壓，讀數(shù)為10V，問該方波電壓的有效值是多少？

電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 解峰值檢波器的輸出為被測信號的最大幅度，由儀表的刻度關(guān)系知，被測方波的幅度為。由于方波的有效值與峰值相當(dāng)，故方波的有效值為14.1V。

而對于有效值轉(zhuǎn)換器，其特性符合如下公式： 由于不同頻率的諧波的乘積在（0，T）上積分為0，公式可以簡化為

（3-9）（3-10）電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

2)交流電壓的數(shù)字化測量

3.4.3交流模擬電壓表

1.放大檢波式電壓表 放大檢波式電壓表的工作原理如圖3.13（a）所示，各個組成單元的基本特性如下：

1）阻抗變換器 阻抗變換器的作用是對外（輸入）呈現(xiàn)高阻抗，對內(nèi)（輸出）呈現(xiàn)低阻抗，典型的電路如圖3.13（b）所示。其中，V1是高頻場效應(yīng)管，輸入電阻極大，輸入電容小于2pF；

V2為高頻晶體三極管，輸出電阻為R4，一般為100Ω，該電路傳輸衰減系數(shù)較小，且能驅(qū)動75Ω電纜。

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2）衰減器 衰減器的作用是在測量大信號時對輸入信號進(jìn)行衰減以擴(kuò)大測量量程。衰減器亦要求有寬帶的特性，在高頻時要考慮電路與元件的分布電容效應(yīng)，采用復(fù)合阻容結(jié)構(gòu)，典型的衰減器如圖3.13（c）所示。當(dāng)R1C1=R2C2時，衰減比與頻率無關(guān)。

3）寬帶放大器 寬帶放大器一般選用寬帶線性集成放大器，如LM733，可工作在直流到50MHz的頻率范圍。

4）檢波器 常用的檢波器有峰值檢波器和倍壓檢波器，如圖3.13 （d）所示。

電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.13放大檢波式模擬電壓表原理框圖（a）放大檢波式電壓表組成原理；（b）阻抗變換器；（c）衰減器；(d)檢波器電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

2.檢波-放大式電壓表

檢波-放大式電壓表直接對被測電壓信號進(jìn)行檢波，然后對轉(zhuǎn)化成的直流信號進(jìn)行處理并顯示，具有結(jié)構(gòu)簡單，輸入阻抗高，適用于高頻測量的特點(diǎn)。缺點(diǎn)是起始測量信號較大，一般為幾十毫伏，非線性誤差亦大。其工作原理如圖3.14所示。

電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.14檢波-放大式電壓表原理框圖電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3．熱偶式電壓表 熱電偶不僅可以用于電流測量，而且可以作為電壓測量的核心部件。

4．外差式電壓表 由于頻響和靈敏度的限制，放大-檢波式電壓表、檢波-放大式電壓表和熱偶式電壓表均不可以用于高頻微伏級電壓檢測。這時可采用外差式電壓表，它的測量頻率可達(dá)幾百兆赫，靈敏度一般都是微伏級。其工作原理如圖3.15所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.15外差式電壓表原理框圖電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.4.4交流數(shù)字電壓表 低頻數(shù)字電壓表一般是在直流數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上增加放大器、交直流變換器而組成的，如圖3.16（a）所示。 高頻數(shù)字電壓表的一般組成如圖3.16（b）所示。 它的檢波器探頭高頻特性較好。 寬帶數(shù)字電壓表的一般組成如圖3.16（c）所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 圖3.16交流數(shù)字電壓表組成框圖 （a）低頻數(shù)字電壓表組成框圖； （b）高頻數(shù)字電壓表組成框圖； （c）寬帶數(shù)字電壓表組成框圖；

(d)智能型電子電壓表組成框圖電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.4.5交流電壓測量的其他應(yīng)用

1.脈沖電壓測量 脈沖電壓的特點(diǎn)是幅度較大，持續(xù)時間短。 如果用峰值檢波器檢測已知占空比的脈沖電壓，可以由數(shù)學(xué)的方法或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對測量結(jié)果進(jìn)行合適的修正。

2.噪聲電壓測量 在電子學(xué)領(lǐng)域，噪聲電壓是一種普遍存在的隨機(jī)信號。典型的有電阻的熱噪聲、晶體三極管的內(nèi)部噪聲、電子放大器的輸出噪聲等等。在設(shè)計電子電路時，免不了要對噪聲，特別是高斯白噪聲進(jìn)行測量。

電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇3.5功率測量

3.5.1直流功率測量 由電工學(xué)可知，功率即為單位時間內(nèi)所做的功。具體表達(dá)式為

（3-11）電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 式中，Q—電荷，單位為C(庫侖)；U—電壓，單位為V(伏特)；I—電流，單位為A(安培)。

在電阻電路中，還可導(dǎo)出：

3.5.2交流功率測量 對于純電感電路，電流滯后電壓90°，如圖3.17（a）所示；對于純電容電路，電流超前于電壓90°，如圖3.17（b）所示。

（3-13）電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.17U與I的相位關(guān)系電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 設(shè)，則平均功率為 視在功率、無功功率與有效平均功率的關(guān)系為： （3-15）（3-14）電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 圖3.18為交直流功率表的工作原理與電路中單個負(fù)載的連接情況。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.18功率測量原理電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 圖3.19中，兩個電壓線圈互相垂直安裝，一個與無感電阻相串聯(lián)，一個與電感器相串聯(lián)，所以可以近似地認(rèn)為兩線圈中的電流相位之差為90°。電流線圈是與電路相串聯(lián)的，與被測線路電流同相。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.19功率因數(shù)連接電路電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 經(jīng)典型電度表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.20所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.20經(jīng)典型電度表的結(jié)構(gòu)電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.5.3高頻功率測量 一般可用無感電阻和交流表頭，或高頻電壓表與理想負(fù)載構(gòu)成測試單元，如圖3.21所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.21高頻功率測量電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 比如，在檢修一個400W單邊帶無線電臺發(fā)信機(jī)的功率時，即可用4個100W燈泡作為簡易功率計，測量方法如圖3.22所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.22400W短波電臺簡易功率測試電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.5.4功率測量與電壓測量的電平表示 （1）絕對功率電平LP。以600Ω電阻上消耗1mW的功率作為基準(zhǔn)功率，任意功率與之相比的對數(shù)稱為絕對功率電平，其值為 （2）相對功率電平L

（3-16）（3-17）電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 由于600Ω電阻上消耗的功率為1mW，其上的電壓為0.775V，以此作為基準(zhǔn)電壓，可以確定電壓的絕對電平Lu和相對電平L′u分別為 要注意的是量程問題。電壓表的量程是乘數(shù)關(guān)系，電平表則是加法關(guān)系。因此在擴(kuò)大N倍量程的情況下，有（3-18）（3-19）（3-20）電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 例3.2用MF-20電子多用表的30V量程測量電壓，當(dāng)該量程的讀數(shù)為27.5V時，問該電壓信號對應(yīng)的分貝值是多少？ 解因?yàn)镸F-20多用表將1.5V量程刻度線上的0.775V定義為0dB，30V量程是1.5V的20倍擴(kuò)展，27.5V示值位置對應(yīng)在1.5V量程上的讀數(shù)為1.38V，所以有

電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇3.6數(shù)字萬用表的特點(diǎn)與技術(shù)原理

3.6.1數(shù)字萬用表的特點(diǎn) 數(shù)字萬用表具有以下特點(diǎn)： （1）功能多。

(2）指標(biāo)高。數(shù)字萬用表的直流電壓測量技術(shù)指標(biāo)有如下特色： ①輸入范圍大。 ②準(zhǔn)確度高。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇③分辨率高。

④輸入阻抗高。

⑤顯示位數(shù)多。⑥讀數(shù)速率快?？蛇_(dá)500次/s。（3）用途廣。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.6.2數(shù)字萬用表的主要技術(shù)指標(biāo) 數(shù)字萬用表最主要的技術(shù)指標(biāo)有： （1）顯示位數(shù)。 （2）分辨率。 （3）測量速率。 （4）輸入特性。 （5）抗干擾能力。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.6.3數(shù)字萬用表的組成 數(shù)字萬用表的組成框圖如圖3.23所示。

電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.23數(shù)字萬用表組成框圖電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

3.6.4數(shù)字萬用表的技術(shù)原理與要求

1.輸入電路技術(shù)原理 數(shù)字萬用表一般通過一對紅黑表筆引入外部輸入信號，對于二端元件的測量也是通過表筆輸入的。對于晶體管這樣的三端元件，一般由獨(dú)立的測試座輸入。針對輸入信號幅值的不同，輸入單元電路設(shè)有不同的衰減器，當(dāng)測量的量值超出范圍時，系統(tǒng)能給出溢出提示，部分?jǐn)?shù)字萬用表設(shè)有語音提示功能，會及時給出操作有誤的信息。

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2.顯示單元技術(shù)原理 絕大多數(shù)數(shù)字萬用表選用液晶顯示屏作為顯示終端。液晶屏由許多個由液晶材料構(gòu)成的顯像單元（像素）組成，典型的如筆段式，8×2、16×1字符型，122×32、128×240點(diǎn)陣式等。

3.控制處理單元技術(shù)原理 微處理器特別是單片計算機(jī)在數(shù)字萬用表中構(gòu)成控制器，管理測量操作過程和處理測量結(jié)果。此外,在一定程度上可以以軟件功能代替或簡化硬件功能，如自動量程轉(zhuǎn)換、自動誤差校正、抑制干擾等。MPU的使用在很大程度上降低了系統(tǒng)成本，提高了儀表的智能化程度和操作的便利性。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

4.轉(zhuǎn)換電路技術(shù)原理 數(shù)字萬用表的轉(zhuǎn)換電路包括兩類:一類是基本轉(zhuǎn)換電路，負(fù)責(zé)將模擬狀態(tài)的直流電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；另一類是測試轉(zhuǎn)換電路，負(fù)責(zé)將被測的物理量轉(zhuǎn)換為儀器可以處理的直流電量。

1)基本轉(zhuǎn)換電路原理 雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器是一種應(yīng)用較早且目前仍被廣泛應(yīng)用的A/D轉(zhuǎn)換器，其原理如圖3.24所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.24雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器原理電路電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器的工作過程如圖3.25所示，可以分為采樣期和比較期兩個階段。

(1)采樣期。

(2)比較期。

電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.25雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器的工作過程電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 脈沖調(diào)寬式A/D轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖3.26所示。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.26脈沖調(diào)寬式A/D轉(zhuǎn)換器原理電路電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

2)測試轉(zhuǎn)換電路 圖3.27為美國FLUKE公司8520A型數(shù)字萬用表的ACV/DCV轉(zhuǎn)換器原理。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.27ACV/DCV變換原理電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 圖3.28是一種測量電阻用變換電路。電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇圖3.28R/V變換原理電路電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇 圖中+10V和+9V電壓由高穩(wěn)定度直流電壓源提供，+10V電壓經(jīng)過電阻R1、R2、R3加到運(yùn)算放大