《電子測(cè)量技術(shù)》課件-第3章

第3章電流、電壓與功率測(cè)量3.1直流電流的測(cè)量3.2交流電流的測(cè)量3.3直流電壓的測(cè)量3.4交流電壓的測(cè)量3.5功率測(cè)量3.6數(shù)字萬(wàn)用表的特點(diǎn)與技術(shù)原理

3.1直流電流的測(cè)量

3.1.1直流電流測(cè)量的原理與方法從原理上來(lái)講,直流電流測(cè)量是一種最基本的電子測(cè)量。它讓直流電流經(jīng)過(guò)一種叫電流表的電磁裝置或電子裝置,在這些裝置上以指針的偏轉(zhuǎn)角度或數(shù)字的大小表示出被測(cè)電流量的大小。其過(guò)程如圖3.1所示。

圖3.1直流電流測(cè)量

可以用來(lái)測(cè)量直流電流的儀表有許多,最常用的有模擬直流電流表、模擬萬(wàn)用表、數(shù)字多用表等。用電流表進(jìn)行電流測(cè)量要注意兩個(gè)方面的問(wèn)題。一方面,由于實(shí)際電路的外在條件會(huì)影響被測(cè)電流的大小,因此,為了保證足夠的精度,電流表的內(nèi)阻必須足夠小。設(shè)電流表的內(nèi)阻為r,在圖3.2(a)所示的測(cè)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

僅當(dāng)R?r時(shí),ΔI才可以忽略不計(jì)。

圖3.2電流表內(nèi)阻的影響

另一方面,實(shí)際電路一般是密合的整體,要測(cè)定其中某一支路中的電流,必須將其斷開(kāi),插入電流表,這是很不方便的,而且是很危險(xiǎn)的,一旦搞錯(cuò)極易造成電路中其他回路電流的不正常增加或減少,引起電子元件的意外損壞,或者造成測(cè)量?jī)x表的損壞,這時(shí)可以采用間接測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量。間接測(cè)量法是通過(guò)測(cè)量被測(cè)電流所流過(guò)的電阻上產(chǎn)生的電壓,由公式I=U/R推算出電流的值。在有些工作時(shí)不能中斷的電路中,可以增設(shè)一個(gè)電阻,工作時(shí)只需檢測(cè)該電阻上的電壓,即可監(jiān)測(cè)其電路中電流的情況,這樣的電阻稱(chēng)為取樣電阻。取樣電阻阻值較小,一般為零點(diǎn)幾歐到幾十歐。

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(dòng)線圈、游絲和永久磁鐵組成。線圈框架的轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)讀數(shù)指針,當(dāng)線圈流過(guò)電流時(shí),在磁場(chǎng)的作用下,可動(dòng)線圈發(fā)生偏轉(zhuǎn),帶動(dòng)上面固定的讀數(shù)指針偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)的角度與通過(guò)可動(dòng)線圈的電流大小成正比。模擬直流電流表具有無(wú)須電池驅(qū)動(dòng)、顯示穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)亦存在非線性誤差大、容易損壞等缺點(diǎn)。

3.1.3數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量直流電流的原理

數(shù)字萬(wàn)用表是用電子技術(shù)來(lái)檢測(cè)直流電流的。通常在直流電流擋,對(duì)外電路來(lái)說(shuō),數(shù)字萬(wàn)用表僅相當(dāng)于一個(gè)取樣電阻RN

(不同的量程RN的值不同),測(cè)量時(shí)RN上有電壓信號(hào)Ui=IRN

,其測(cè)量原理如圖3.3所示。

圖3.3數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量原理框圖

3.2交流電流的測(cè)量

3.2.1低頻交流電流的測(cè)量原理和方法對(duì)于工頻(50Hz)和低頻交流電流的測(cè)量,完全類(lèi)似于直流電流的測(cè)量。其區(qū)別僅僅是將采樣信號(hào)先進(jìn)行檢波,轉(zhuǎn)換為直流電壓再進(jìn)行測(cè)量。以磁電式萬(wàn)用表為例,其交流電流擋比直流電流擋增加了一個(gè)二極管整流和濾波電路。被測(cè)交流電流經(jīng)過(guò)二極管被整流成單向脈動(dòng)電流,再經(jīng)過(guò)電容與電阻組成的低通濾波電路,最后成為近似的直流電壓,并加以適當(dāng)修正后送給后續(xù)直流電壓測(cè)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量與顯示。

與磁電式萬(wàn)用表相比,數(shù)字萬(wàn)用表可以測(cè)量頻率更高(頻率為幾千赫至幾十千赫)的交流電流,其交流電流測(cè)量電路比直流電流測(cè)量電路多一個(gè)如圖3.4所示的交、直流轉(zhuǎn)換電路。

圖3.4交、直流轉(zhuǎn)換電路

3.2.2高頻交流電流的測(cè)量原理和方法

高頻電流的測(cè)量(特別是在頻率特別高的情況下)可以采用熱電偶電表來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法的理論依據(jù)是,在高頻電流流過(guò)的導(dǎo)體附近的閉合線路內(nèi)有直流電流產(chǎn)生。因此,我們可以通過(guò)測(cè)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(cè)出高頻電流的大小,具體原理如圖3.5所示。

圖3.5熱電偶電表原理

3.3直流電壓的測(cè)量

3.3.1直流電壓的測(cè)量原理與方法一般來(lái)說(shuō),直流電壓測(cè)量是將直流電壓表直接跨接在被測(cè)電壓的兩端,由直流電壓表讀出被測(cè)電壓的值。因此,電壓測(cè)量是一種最簡(jiǎn)便的電參數(shù)測(cè)量,其過(guò)程如圖3.6所示。

圖3.6直流電壓測(cè)量

從原理上說(shuō),直流電壓測(cè)量是在直流電流測(cè)量的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)展而來(lái)的。我們已經(jīng)知道,一般形式的直流電流表都可以等效為一個(gè)較小的內(nèi)阻Rg和一個(gè)指示器的簡(jiǎn)單形式。當(dāng)其與適當(dāng)?shù)姆謮弘娮柘嗯浜蠒r(shí),即組成了直流電壓表,如圖3.7所示。

圖3.7基于直流表的直流電壓表構(gòu)成框圖

因此,從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),直流電壓測(cè)量和直流電流測(cè)量的核心原理是相同的。區(qū)別在于:直流電流表具有較小的內(nèi)阻,測(cè)量時(shí)直接串接于被測(cè)電路中;直流電壓表的內(nèi)阻很大,測(cè)量時(shí)并接于被測(cè)電路的兩端。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確度,要求直流電壓表的內(nèi)阻要比被測(cè)電路的等效阻抗大得多。設(shè)被測(cè)電路可等效為內(nèi)阻為Rx、開(kāi)路電壓為Ux的電壓源,直流電壓表的等效內(nèi)阻為R0,則測(cè)量的完整電路簡(jiǎn)化為圖3.8所示的電路。圖3.8直流電壓表測(cè)量電路

由圖3.8可知,當(dāng)直流電壓表并接于被測(cè)電路兩端時(shí),由于R0的存在,電壓表所測(cè)得的電壓由原來(lái)的Ux

改變?yōu)?/p>

因此,只要R0

?Rx,即可進(jìn)行精確的測(cè)量。

3.3.2直流電壓測(cè)量?jī)x表

1.模擬式萬(wàn)用表

模擬式萬(wàn)用表的直流電壓擋是由表頭串聯(lián)分壓電阻而構(gòu)成的。儀表一般都給出了輸入電阻的值。

在測(cè)量具有高內(nèi)阻的電路時(shí),要根據(jù)萬(wàn)用表的內(nèi)阻對(duì)測(cè)量結(jié)果加以修正。

在圖3.9所示的分壓電路中,使用MF500B型萬(wàn)用表的100V擋進(jìn)行測(cè)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(cè)得的電壓為

可見(jiàn),實(shí)際測(cè)量值比理論值少了10V。

2.數(shù)字式萬(wàn)用表

數(shù)字萬(wàn)用表均有直流電壓測(cè)量擋。與模擬式萬(wàn)用表相比,其主要優(yōu)點(diǎn)是:

(1)輸入阻抗高,一般直流輸入阻抗在20MΩ以上。

(2)分辨力高,可精確到1%,即在10V擋,可分辨到0.1V,而指針式的模擬萬(wàn)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,其分辨力越低。

3.示波器

示波器的直流電壓擋特別適用于觀測(cè)較大幅度的直流電壓信號(hào)或含有交流成分的直流電壓信號(hào)。

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(chǎng)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(cè)量高內(nèi)阻電路的電壓。

3.4交流電壓的測(cè)量

3.4.1交流電壓的特征與量值表示1.交流電壓信號(hào)的特點(diǎn)交流電壓信號(hào)的幅度與時(shí)間的關(guān)系是復(fù)雜的。從波形來(lái)看,可以是規(guī)則的正弦波、方波、三角波、脈沖波等,也可以是調(diào)制波、組合波、隨機(jī)噪聲等;從頻率的角度來(lái)看,可以是極低頻率的信號(hào),如0.01Hz的信號(hào),也可以是極高頻率的信號(hào),如高達(dá)數(shù)千吉赫茲的信號(hào);從幅值的強(qiáng)度來(lái)看,可以是微伏級(jí)的,也可以是數(shù)千伏級(jí)的。

常見(jiàn)交流電壓的波形如圖3.10所示。圖3.10常見(jiàn)交流電壓的波形

2.交流電壓的表示量值

交流電壓幅度值的相對(duì)大小常用峰峰值、平均值和有效值來(lái)表示。

1)峰－峰值UP-P

峰－峰值表示信號(hào)的最大值與最小值的差。對(duì)于對(duì)稱(chēng)的正弦信號(hào)來(lái)說(shuō),更常用的是峰值UP,其值等于UP-P/2。例如,U(t)=Acosωct,則有UP-P=2A,UP=A。

3.4.2交流電壓的測(cè)量原理與方法

1.測(cè)量方法

交流電壓測(cè)量與直流電壓測(cè)量相類(lèi)似,都是將電壓表并聯(lián)于被測(cè)電路上,其電路連接如圖3.11所示。

圖3.11交流電壓的測(cè)量

2.測(cè)量原理

交流電壓的大小一般由峰值、平均值和有效值來(lái)表征。

1)交流電壓的模擬測(cè)量

用模擬電路的技術(shù)和方法測(cè)量交流電壓,最常用的轉(zhuǎn)換器有峰值檢波電路、平均值檢波電路和熱電偶式轉(zhuǎn)換電路,其工作原理如圖3.12(a)、(b)、(c)所示。

圖3.12測(cè)量原理

盡管模擬電壓表的檢波器或轉(zhuǎn)換器有不同的種類(lèi),但一般均以有效值來(lái)劃分指示表頭的刻度。這僅對(duì)正弦波形的電壓來(lái)說(shuō)是正確的。以峰值電壓表為例,其顯示值是將峰值檢

波器檢測(cè)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

例3.1用一峰值電壓表去測(cè)量一個(gè)方波電壓,讀數(shù)為10V,該方波電壓的有效值是多少?

2)交流電壓的數(shù)字化測(cè)量

現(xiàn)代的數(shù)字化電壓測(cè)量方法是對(duì)被測(cè)交流電壓信號(hào)進(jìn)行抽樣,再對(duì)抽樣值進(jìn)行求峰值、平均值和有效值的運(yùn)算,得出所需的測(cè)量值。其特點(diǎn)是嚴(yán)格按定義測(cè)量特征值,沒(méi)有波形誤差和轉(zhuǎn)換誤差,其測(cè)量精度高,速度快。

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組成如圖3.13(a)所示,各個(gè)組成單元的基本特性如下所述。

1)阻抗變換器

阻抗變換器的作用是對(duì)外(輸入)呈現(xiàn)高阻抗,對(duì)內(nèi)(輸出)呈現(xiàn)低阻抗,典型的電路如圖3.13(b)所示。

2)衰減器

衰減器的作用是在測(cè)量大信號(hào)時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減以擴(kuò)大測(cè)量量程。衰減器亦要求有寬帶的特性,在高頻時(shí)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。

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。

圖3.13放大檢波式模擬電壓表原理框圖

2.檢波－放大式電壓表

檢波－放大式電壓表首先直接對(duì)被測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行檢波,然后對(duì)轉(zhuǎn)化成的直流信號(hào)進(jìn)行處理并顯示,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入阻抗高、適用于高頻測(cè)量的特點(diǎn),其頻率范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器。當(dāng)采用了超高頻檢波二極管時(shí),頻率范圍為幾十至幾百兆赫茲,稱(chēng)為高頻或超高頻毫伏表。缺點(diǎn)是檢波二極管導(dǎo)通需要的起始測(cè)量信號(hào)較大,一般為幾十

毫伏,信號(hào)非線性誤差也較大。其工作原理如圖3.14所示。

圖3.14檢波放大式電壓表原理框圖

3.熱偶式電壓表

熱電偶不僅可以用于電流測(cè)量,還可以作為電壓測(cè)量的核心部件。我們知道,熱電的直流輸出僅與熱電偶接觸界面的溫差成正比。當(dāng)我們把被測(cè)電壓作為加熱源,即熱電偶

的溫差由被測(cè)電壓產(chǎn)生時(shí),通過(guò)檢測(cè)熱電偶的熱電勢(shì),即構(gòu)成了真有效值電壓表。這種電壓表可以測(cè)量直流至上百兆的交流信號(hào)。其缺點(diǎn)是靈敏度低(一般為上百伏),輸入阻抗低,受環(huán)境溫度影響大,具有非線性特性等。

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(jí)電壓檢測(cè)。這時(shí)可采用外差式電壓表,它的測(cè)量頻率可達(dá)幾百兆赫,靈敏度一般都是微伏級(jí)。其工作原理如圖3.15所示。

圖3.15外差式電壓表原理框圖

3.4.4交流數(shù)字電壓表

根據(jù)工作頻率的高低,交流數(shù)字電壓表可分為低頻、高頻和寬帶三種類(lèi)型。

低頻數(shù)字電壓表一般是在直流數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上增加放大器和交、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。

圖3.16交流數(shù)字電壓表組成框圖

3.4.5交流電壓測(cè)量的其他應(yīng)用

1.脈沖電壓測(cè)量

脈沖電壓的特點(diǎn)是幅度較大、持續(xù)時(shí)間短。一些占空比很小的脈沖,含有很高的頻率分量。對(duì)于一些采用交流放大、檢波直流放大流程的交流電壓表,不僅會(huì)對(duì)其動(dòng)態(tài)范圍和頻率范圍提出更高的要求,而且由于檢波器的電容對(duì)窄脈沖的電壓信號(hào)不能很好保持,檢波效率大為下降。

2.噪聲電壓測(cè)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(hào)。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。在設(shè)計(jì)電子電路時(shí),免不了要對(duì)噪聲(特別

是高斯白噪聲)進(jìn)行測(cè)量。噪聲的幅度與出現(xiàn)的時(shí)間是無(wú)序的。噪聲電壓一般是指有效值(均方值),故可選用具有有效值測(cè)量能力的交流電壓表進(jìn)行測(cè)量。由于峰值檢波器不適合噪聲電壓,因此一般不用這類(lèi)儀表去測(cè)量噪聲電壓。

3.選頻電壓測(cè)量

如何對(duì)混雜于眾多信號(hào)或噪聲中的某一頻率信號(hào)的電平進(jìn)行測(cè)量,這便涉及選頻電壓測(cè)量。實(shí)現(xiàn)選頻電壓測(cè)量的儀表稱(chēng)作選頻電平表。選頻電平表的原理框圖如圖3.17所示。

圖3.17選頻電平表原理框圖

輸入信號(hào)與本地產(chǎn)生的頻率可調(diào)的本振信號(hào)進(jìn)行混頻,混頻后的信號(hào)通過(guò)中心頻率固定為f0的窄帶濾波器進(jìn)行濾波,這樣,輸入信號(hào)中只有滿(mǎn)足fx

=fL-f0的頻率分量能夠通過(guò)此窄帶濾波器。窄帶濾波后信號(hào)的后續(xù)處理與普通的交流毫伏表一樣,經(jīng)放大、檢波后送表頭進(jìn)行電平指示,最終完成選頻電壓(電平)的測(cè)量,測(cè)量值以電平(dB)表示,即

式中:N為被測(cè)分量信號(hào)電平;Ux為被測(cè)分量信號(hào)電壓有效值;0.775為0dB對(duì)應(yīng)的電壓有效值(0.775V)。

3.5功率測(cè)量

電功率測(cè)量的主要任務(wù)是測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)電能量的大小,在以下幾種場(chǎng)合必須加以考慮:(1)電力工程中電網(wǎng)的輸出功率和負(fù)載的消耗功率。(2)電子裝置和電子設(shè)備中直流電源的輸出功率和各個(gè)電路單元消耗的功率。(3)高頻無(wú)線電發(fā)射設(shè)施的發(fā)信功率,如廣播電視塔的發(fā)射功率直接影響到廣播電視信號(hào)的傳播質(zhì)量。

3.5.1直流功率測(cè)量

3.5.2交流功率測(cè)量

交流功率通常是一個(gè)周期內(nèi)的平均功率。當(dāng)一個(gè)電路加上交流電壓以后,對(duì)于純電阻性的電路,總可以由本節(jié)中所介紹的方式測(cè)出其三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè),進(jìn)而求出其功率。但對(duì)于存在電感或電容的電路,即非純阻性電路,此測(cè)量不具有適用性。因?yàn)樵谶@種電路中,電感與電容不消耗任何功率,只是以電場(chǎng)或磁場(chǎng)的形式交替地存儲(chǔ)能量,表現(xiàn)在數(shù)學(xué)形式上是電壓與電流存在一定的相位差。對(duì)于純電感電路,電流滯后電壓90°,如圖3.18(a)所示;對(duì)于純電容電路,電流超前于電壓90°,如圖3.18(b)所示。

圖3.18U與I的相位關(guān)系

我們定義視在功率為PA=UI(單位為伏安),無(wú)功功率為PR=UIsinθ(單位為乏),有效平均功率為PT=UIcosθ(單位為瓦),cosθ稱(chēng)為功率因數(shù),當(dāng)電路是純電阻時(shí),cosθ=1,其變化范圍在0~1之間。而當(dāng)電路是純電抗時(shí),cosθ=0。視在功率、無(wú)功功率與有效平均功率的關(guān)系為

圖3.19為交直流功率表的工作原理及其與電路中單個(gè)負(fù)載的連接情況。

圖3.19功率測(cè)量原理

圖3.20中,兩個(gè)電壓線圈互相垂直安裝,其中一個(gè)與無(wú)感電阻相串聯(lián),另一個(gè)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(cè)線路電流同相。

圖3.20功率因數(shù)測(cè)量原理

與功率測(cè)量密切相關(guān)的是電能量的測(cè)量。由功率測(cè)量的定義知

電能量一般用千瓦小時(shí)(kW·h)表示,1kW·h=3.6×106J。能指示消耗多少電能的測(cè)量電能量的儀表稱(chēng)為電度表。電度表考慮了功率和時(shí)間兩個(gè)因素。它在原理上是一個(gè)小電動(dòng)機(jī),其瞬時(shí)速度與通過(guò)它的電流的功率成正比,在給定的時(shí)間里總轉(zhuǎn)數(shù)與在該時(shí)間內(nèi)所消耗的總能量成正比。經(jīng)典型電度表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.21所示。

圖3.21經(jīng)典型電度表的結(jié)構(gòu)

電能基本表達(dá)式如下:

式中,u(t)、i(t)、P(t)分別是瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率值,所以測(cè)量電能的基本方法是將電壓、電流相乘,然后在時(shí)間上進(jìn)行積分,而這一積分可近似為眾多微小時(shí)間間隔內(nèi)電能的累加。根據(jù)這一原理,可以得到數(shù)字式電度表的原理框圖如圖3.22所示。

圖3.22數(shù)字式電度表原理框圖

ADE7755的內(nèi)部信號(hào)處理框圖如圖3.23所示。圖3.23ADE7755內(nèi)部信號(hào)處理框圖

3.5.3高頻功率測(cè)量

在高頻信號(hào)的傳輸過(guò)程中,輸出功率的大小往往是衡量系統(tǒng)設(shè)施容量的最重要指標(biāo)。

高頻功率測(cè)量與低頻功率測(cè)量有很大的不同。在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)特別注意負(fù)載匹配問(wèn)題。以短波、超短波等無(wú)線電臺(tái)為例,其發(fā)信機(jī)的輸出天線是不允許開(kāi)路的,因?yàn)橐坏╅_(kāi)路,將造成功率無(wú)法輸出,能量消耗在機(jī)器內(nèi)部,極易造成功放部件的損壞。高頻功率的測(cè)量一般可用無(wú)感電阻和交流表頭,或高頻電壓表與理想負(fù)載構(gòu)成測(cè)試單元,如圖3.24所示。

圖3.24高頻功率測(cè)量

考慮到高頻信號(hào)傳輸?shù)姆瓷湓?在較嚴(yán)格的場(chǎng)合中,要使用功率計(jì)/駐波表來(lái)測(cè)量高頻信號(hào)功率。而更一般的高頻功率計(jì)都采用量熱式原理,即測(cè)量該信號(hào)能產(chǎn)生多大的熱量,再核算出相應(yīng)的高頻功率。例如,在檢測(cè)一個(gè)400W單邊帶無(wú)線電臺(tái)發(fā)信機(jī)的功率時(shí),即可用4個(gè)100W燈泡作為簡(jiǎn)易功率計(jì),測(cè)量方法如圖3.25所示。

圖3.25400W短波電臺(tái)簡(jiǎn)易功率測(cè)試

3.5.4功率測(cè)量與電壓測(cè)量的電平表示

常用的功率電平可分為絕對(duì)電平和相對(duì)電平兩種。

(1)絕對(duì)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(duì)數(shù)稱(chēng)為絕對(duì)功率電平,其值為

式中,Px

為任意功率,P0為基準(zhǔn)功率。

(2)相對(duì)功率電平L'P。任意兩功率之比的對(duì)數(shù)稱(chēng)為相對(duì)功率電平,即

式中,PA、PB為任意兩功率。

例3.2用MF20電子多用表的30V量程測(cè)量電壓,當(dāng)該量程的讀數(shù)為27.5V時(shí),問(wèn)該電壓信號(hào)對(duì)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(duì)應(yīng)在1.5V量程上的讀數(shù)為1.38V,所以有

3.6數(shù)字萬(wàn)用表的特點(diǎn)與技術(shù)原理

3.6.1數(shù)字萬(wàn)用表的特點(diǎn)數(shù)字萬(wàn)用表具有以下特點(diǎn):(1)功能多。(2)指標(biāo)高。數(shù)字萬(wàn)用表的直流電壓測(cè)量技術(shù)指標(biāo)有如下特色:①輸入范圍大。②準(zhǔn)確度高。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。(3)用途廣。

3.6.2數(shù)字萬(wàn)用表的主要技術(shù)指標(biāo)

數(shù)字萬(wàn)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(cè)量速率。

(4)輸入特性。

(5)抗干擾能力。

3.6.3數(shù)字萬(wàn)用表的組成

模擬萬(wàn)用表一般是通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)機(jī)械表頭顯示測(cè)量結(jié)果的,所以其主要測(cè)量均以電流表為基礎(chǔ)。而現(xiàn)代數(shù)字萬(wàn)用表采用了數(shù)字化技術(shù),以液晶顯示屏顯示測(cè)量結(jié)果,它的主要測(cè)量是以電壓測(cè)量為基礎(chǔ)的。數(shù)字萬(wàn)用表的組成框圖如圖3.26所示。

圖3.26數(shù)字萬(wàn)用表組成框圖

3.6.4數(shù)字萬(wàn)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(wàn)用表一般通過(guò)一對(duì)紅黑表筆引入外部輸入信號(hào),對(duì)于二端元件的測(cè)量也是通過(guò)表筆輸入的。對(duì)于晶體管這樣的三端元件,一般由獨(dú)立的測(cè)試座輸入。針對(duì)輸入信號(hào)幅值

的不同,輸入單元電路設(shè)有不同的衰減器,當(dāng)測(cè)量的量值超出范圍時(shí),系統(tǒng)能給出溢出提示,部分?jǐn)?shù)字萬(wàn)用表設(shè)有語(yǔ)音提示功能,會(huì)及時(shí)給出操作有誤的信息。對(duì)于超出正常范圍的大信號(hào)的測(cè)量(如測(cè)量10A的直流電流),儀表一般設(shè)有獨(dú)立的輸入端口。對(duì)于元件參數(shù)的測(cè)量,輸入單元能夠提供元件工作時(shí)必需的直流電壓和激勵(lì)信號(hào)。

2.顯示單元技術(shù)原理

絕大多數(shù)數(shù)字萬(wàn)用表選用液晶顯示屏作為顯示終端。液晶屏由許多個(gè)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。

從物理機(jī)制上來(lái)看,當(dāng)加在單個(gè)像素上的電壓為高電平(3.5V)時(shí),顯示為亮;反之,當(dāng)加在像素上的電壓為低電平(0V)時(shí),顯示為暗。因此,液晶屏能夠方便地顯示數(shù)據(jù)或黑白二值圖像。對(duì)于多值圖像,即有灰度等級(jí)的圖像,示波管是通過(guò)加在其陰極射線上電壓的強(qiáng)弱不同來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而液晶顯示器可以通過(guò)在一段時(shí)間里對(duì)應(yīng)像素的高電平出現(xiàn)的次數(shù)多寡(占空比)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)明暗不同的控制。作為一種功耗極低的平板顯示器件,液晶顯示模塊都有由集成電路實(shí)現(xiàn)的掃描模塊,使用極為方便、靈活,幾乎成了數(shù)字萬(wàn)用表的必然選擇。

3.控制處理單元技術(shù)原理

微處理器特別是單片計(jì)算機(jī)在數(shù)字萬(wàn)用表中構(gòu)成控制器和處理器,管理測(cè)量操作過(guò)程和處理測(cè)量結(jié)果。此外,在一定程度上可以以軟件功能代替或簡(jiǎn)化硬件功能,如自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)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。

4.轉(zhuǎn)換電路技術(shù)原理

數(shù)字萬(wàn)用表的轉(zhuǎn)換電路包括兩類(lèi):

一類(lèi)是基本轉(zhuǎn)換電路,其負(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(lèi)是測(cè)試轉(zhuǎn)換電路,其負(fù)責(zé)將被測(cè)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

數(shù)字萬(wàn)用表是基于電壓測(cè)量的數(shù)字式電表,其基本轉(zhuǎn)換電路是將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器。

(1)雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。

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3.27所示。

圖3.27雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器原理電路

雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程如圖3.28所示,可以分為采樣期和比較期兩個(gè)階段。

①采樣期。

②比較期。

圖3.28雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程