交流電壓測量電路

交流電壓測量電路（1）溝通電壓的表征

溝通電壓可以用峰值、平均值、有效值、波形系數(shù)以及波峰系數(shù)來表征。

①峰值

周期性溝通電壓u（t）在一個周期內(nèi)偏離零電平的最大值稱為峰值，用U0表示，正、負峰值不等時分別用Up+和Up-表示，如圖1（a）所示。u（t）在一個周期內(nèi)偏離直流重量U0的最大值稱為幅值或振幅，用Um表示，正、負幅值不等時分別用Um+和Um-表示，如圖1（b）所示，圖中U0=0，且正、負幅值相等。

②平均值

u（t）的平均值的數(shù)學定義為

（1）

根據(jù)這個定義，可實質(zhì)上就是被測電壓的直流重量U0，如圖1（a）中虛線所示。

圖1溝通電壓的峰值和幅值

在電子測量中，平均值通常指溝通電壓檢波（也稱整流）以后的平均值，又可分為半波整流平均值和全波整流平均值。全波整流平均值定義為

（2）

③有效值

一個溝通電壓u（t）和一個直流電壓u分別加在同一電阻R上，若它們在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，則溝通電壓有效值等于該直流電壓U，可表示為

即

（3）

④波形系數(shù)、波峰系數(shù)

溝通電壓的波形系數(shù)KF定義為該電壓的有效值與平均值之比

（4）

溝通電壓的波峰系數(shù)KP定義為該電壓的峰值與有效值之比

（5）

不同電壓波形，其KF、KP群值不同，表1列出了幾種常見電壓的有關(guān)參數(shù)。

表1不同波形溝通電壓的參數(shù)

雖然溝通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，國際上始終以有效值作為溝通電壓的表征量。例如電壓表，除特別狀況外，幾乎都按正弦波的有效值來定度。當用以正弦波的有效值定度的溝通電壓表測量電壓時，假如被測電壓是正弦波，那么由表1很簡單從電壓表讀數(shù)即有效值得知它的峰值和平均值；假如被測電壓是非正弦波，那就需依據(jù)電壓表讀數(shù)和電壓表所采納的檢波方法，進行必要的波形換算，才能得到有關(guān)參數(shù)。

（2）溝通電壓的測量方法

測量溝通電壓的方法許多，依據(jù)的原理也不同，其中最主要的是利用溝通／直流（AC／DC）轉(zhuǎn)換電路將溝通電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后再接到直流電壓表上進行測量。依據(jù)AC／DC轉(zhuǎn)換器的類型，可分為檢波法和熱電轉(zhuǎn)換法。依據(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。

根據(jù)AC／DC變換的先后不同，模擬式溝通電壓表大致可分成下列三種類型。

①檢波-放大式

圖2（a）為檢波-放大式電壓表的組成方框圖，它是將被測電壓先檢波變成直流電流，然后再用直流放大器放大，放大后的直流電流去驅(qū)動電流表偏轉(zhuǎn)。這種類型的特點是“先檢波后放大”，故測量電壓的頻率范圍只打算于檢波器的頻響（一般在20Hz至數(shù)百兆赫），通常所稱“高頻電壓表”或“超高頻電壓表”都屬于這一類型。早期的檢波－放大式電壓表，其靈敏度不高，一般約為0.1V，主要受直流放大器增益的限制。目前，采納調(diào)制式直流放大器，可把檢波－放大式電壓表的靈敏度提高到mV級。進一步提高靈敏度將受到檢波器件的非線性限制。

圖2溝通電壓表類型

②放大-檢波式

當被測電壓較低時，直接檢波會顯著增大誤差。為提高溝通電壓表的測量靈敏度，先用寬帶放大器放大被測電壓，然后再檢波。放大－檢波式電壓表的方框圖見圖2-9（b）。這種電壓表的頻率范圍主要受寬帶放大器帶寬的限制，而靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲的限制，一般可做到mV級，典型的頻率范圍為20Hz～10MHz，故又稱“視頻毫伏表”。

③外差式電壓表

檢波-放大式電壓表的靈敏度受檢波器件非線性的限制。而放大-檢波式電壓表，由于寬帶放大器增益和帶寬的沖突，也很難把頻率上限提得很高，同時，兩種測量方法的靈敏度都受到儀器內(nèi)部噪聲和外部干擾的限制。

圖3所示外差測量方法可以解決上述沖突。輸入電路包括輸入衰減器（用于大電壓測量）和高頻放大器（用于寬頻帶低增益放大）。被測信號通過輸入電路，在混頻器中與本機振蕩器（本振）頻率fL混頻，輸出頻率固定的中頻（fL-fx）信號（可轉(zhuǎn)變fL以跟蹤信號頻率fx，保持fL-fx不變），用中頻放大器選擇并放大，然后檢波，并用表頭指示。

由于中頻放大器具有良好的頻率選擇性，而且中頻是固定的，這樣就解決了放大器增益與帶寬的沖突。同時，由于中頻放大器有很窄的帶通濾波特性，從而可以在高增益條件下，大大減弱內(nèi)部噪聲的影響，使測量靈敏度提高到μV級。因此，這類儀表稱為高頻微伏表。

圖3外差式電壓表

（3）低頻溝通電壓的測量

通常把測量低頻（1MHz以下）信號電壓的電壓表稱作溝通電壓表或溝通毫伏表。這類電壓表一般采納放大－檢波式，檢波器多為平均值檢波器或有效值檢波器，分別構(gòu)成均值電壓表或有效值電壓表。

平均值電壓表中的檢波器是平均值檢波器，電壓表的讀數(shù)與被測電壓的平均值成正比。但是，平均值電壓表的表頭卻不是按平均值定度的，而是按正弦波的有效值定度的。這就是說，一個有效值為U的正弦電壓加到平均值電壓表上時平均值電壓表的指示值也為U而不是。由式（2）可知，只有將指示值U除以正弦波的波形系數(shù)KF=1.11才能求得被測正弦電壓的平均值。

由于表頭是按正弦波的有效值定度的，因此表頭指示值并不適用于被測電壓為非正弦電壓的狀況。當用平均值電壓表測量非正弦電壓時，應(yīng)先將讀數(shù)值Ua除以正弦波的波形系數(shù)KF=1.11，折算成正弦波電壓的平均值。由于平均值電壓表的讀數(shù)只與被測電壓的平均值有關(guān)，與其波形無關(guān)，所以正弦波形與非正弦波形的指示值相等，就意味著兩者的平均值也相等。折算出的正弦電壓的平均值也就是被測非正弦電壓的平均值，將此平均值乘以被測電壓的波形系數(shù)KF，即可求得被測非正弦電壓的有效值Uxrms。因此，波形換算公式為

（4）

明顯，假如被測電壓不是正弦波時，直接將電壓表指示值作為被測電壓的有效值，必將帶來較大的誤差，通常稱作“小型誤差”。由上式可得，波形誤差計算公式為

（5）

（4）高頻溝通電壓的測量

高頻溝通電壓的測量不采納放大-檢波式（以避開高頻測量受放大器通頻帶的限制）而采納檢波-放大式或外差式電壓表來測量。最常用的檢波-放大式高頻電壓表都把高頻二極管構(gòu)成的峰值檢波器放置在屏蔽良好的探頭（探極）內(nèi)，用探頭探針直接接觸被測點，把被測高頻信號首先變成直流電壓，這樣可大大削減分布參數(shù)的影響和信號傳輸損失。

采納峰值檢波器的電壓表，稱為峰值電壓表。像均值電壓表一樣，峰值電壓表也是按正弦電壓的有效值定度的。這就是說，一個有效值為u的正弦電壓加到峰值電壓表上時，峰值電壓表的指示值也為U而不是UP。據(jù)式（3）可知，只有將指示值Ua乘以正弦電壓的波峰系數(shù)才能求得被測正弦電壓的峰值UP，即