第3章 電壓測(cè)量與電壓表.ppt

1、1,3.1 概述 3.2 直流電流、直流電壓的測(cè)量 3.3 模擬式交流電壓表 3.4 數(shù)字電壓表 本章小結(jié),第3章 電壓測(cè)量與電壓表,2,第3章 電壓測(cè)量與電壓表,學(xué)習(xí)參考：電壓是最基本的被測(cè)量，電壓表是基本測(cè)量?jī)x器之一。要求通過(guò)學(xué)習(xí)了解電流的測(cè)量方法，理解電壓表的工作原理，熟練掌握電壓表的使用方法及讀數(shù)換算方法，明確積分式A/D變換器的工作原理，了解逐次比較式、三次積分式A/D變換器的工作原理。 本章要點(diǎn)：交流電壓的表征，模擬式交流電壓表的結(jié)構(gòu)、檢波器、正弦波有效值定度及電壓測(cè)量，數(shù)字電壓表的組成、性能指標(biāo)及A/D變換器。,3,3.1 概述 電壓測(cè)量是電子測(cè)量的基礎(chǔ)，基本的電壓測(cè)量?jī)x器是電壓

2、表。電壓表、示波器、計(jì)數(shù)器是電子測(cè)量三大儀器。 3.1.1 電壓測(cè)量的基本要求 在實(shí)際測(cè)量中，被測(cè)電壓具有頻率范圍寬、幅度差別大、波形種類(lèi)多等特點(diǎn)，電壓測(cè)量應(yīng)滿足下列基本要求： 1. 頻率范圍寬 被測(cè)電壓的頻率范圍自零赫茲到數(shù)百兆赫茲，大致分為直流、低頻、視頻、高頻和超高頻等。所用電壓表必須具有足夠?qū)挼念l率范圍。 2. 量程寬,4,被測(cè)電壓的量值范圍很寬，小到幾納伏，大到幾百伏，甚至幾千伏至幾萬(wàn)伏。測(cè)量之前，應(yīng)對(duì)被測(cè)電壓有大概的估計(jì)，所用電壓表應(yīng)具有相當(dāng)寬的量程或具有針對(duì)性。測(cè)量小信號(hào)時(shí)應(yīng)選用高靈敏度電壓表，測(cè)量高電壓時(shí)應(yīng)選用絕緣強(qiáng)度高的電壓表來(lái)測(cè)量。 3. 輸入阻抗高 測(cè)量電壓時(shí)，電壓表等效

3、為輸入電阻Ri和輸入電容Ci的并聯(lián)，其輸入阻抗（Ri/Ci）是被測(cè)電路的額外負(fù)載。為了使被測(cè)電路的工作狀態(tài)盡量少受影響，電壓表應(yīng)具有足夠高的輸入阻抗，即Ri應(yīng)盡量大、Ci應(yīng)盡量小。 低頻測(cè)量時(shí)，因?yàn)榻涣麟妷罕淼妮斎腚娮琛⑤斎腚娙菀话銥?M、110pF，二者對(duì)被測(cè)電路的影響很小，故一般,5,不考慮電壓表輸入阻抗對(duì)被測(cè)電路的影響。但在高頻測(cè)量時(shí)，輸入電阻Ri和輸入電容Ci的容抗將變小，二者對(duì)被測(cè)電路的影響變大，一般要考慮電壓表輸入阻抗的影響，當(dāng)它的影響不可忽略時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。 4. 抗干擾能力強(qiáng) 測(cè)量工作一般是在受各種干擾的情況下進(jìn)行的。當(dāng)電壓表工作在高靈敏度時(shí)，干擾會(huì)引入明顯的測(cè)量誤差

4、，這就要求電壓表具有較強(qiáng)的抗干擾能力。必要時(shí)，應(yīng)采取一些抗干擾措施，如良好接地、使用短的測(cè)試線、進(jìn)行屏蔽等，以減小干擾的影響。 5. 測(cè)量精確度高 直流電壓的測(cè)量可獲得較高的測(cè)量精確度，例如直流數(shù)字,6,電壓表一般可達(dá)10-410-7量級(jí)；交流電壓表的測(cè)量精確度可達(dá)10-210-4量級(jí)。在測(cè)量精確度要求不高時(shí)，可選用測(cè)量精確度在1%3%左右的電壓表。電壓表精確度表示方法如下： （1）滿度值的百分?jǐn)?shù)%Um 具有線性刻度的模擬式電壓表一般采用這種表示方法，式中%為滿度相對(duì)誤差，Um為電壓表滿刻度值。 （2）讀數(shù)值的百分?jǐn)?shù)%Ux 具有對(duì)數(shù)刻度的電壓表一般采用這種表示方法，式中%為讀數(shù)相對(duì)誤差，Ux為

5、電壓表測(cè)量讀數(shù)值。 （3）(%Ux+%Um) 數(shù)字電壓表一般采用這種表示方法。,7,（六）被測(cè)電壓波形種類(lèi)多 不同類(lèi)型電壓表的適用對(duì)象和使用方法是不同的，測(cè)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)電壓表的類(lèi)型和電壓波形來(lái)確定被測(cè)電壓的大小。 3.1.2 交流電壓的表征 交流電壓的表征量包括平均值 、峰值 、有效值U以及波形因數(shù)KF、波峰因數(shù)KP。 （一）平均值 平均值簡(jiǎn)稱(chēng)為均值，是指波形中的直流成分，所以純交流電壓的平均值為零。為了更好地表征交流電壓的大小，交流電壓的平均值特指交流電壓經(jīng)過(guò)均值檢波后波形的平均值，它分為半波平均值 和全波平均值 。如無(wú)特別說(shuō)明，純交流電壓的平均值均為全波平均值 。,8,9,2. 峰值 交流

6、電壓的峰值是指交流電壓在一個(gè)周期內(nèi)（或一段時(shí)間內(nèi)）以零電平為參考基準(zhǔn)的最大瞬時(shí)值，記為 （或UP），分為正峰值 （或UP+）和負(fù)峰值 (或UP-)。 一般情況下，正峰值 和負(fù)峰值 并不相等，峰值與振幅值Um也不相等，這是因?yàn)檎穹凳且噪妷翰ㄐ蔚闹绷鞒煞譃閰⒖蓟鶞?zhǔn)的最大瞬時(shí)值。 對(duì)于雙極性對(duì)稱(chēng)的純交流電壓，數(shù)值上存在關(guān)系：,經(jīng)常用到的交流電壓表征量還有谷值 和峰峰值UP-P，如圖3.1所示，注意圖中的平均值是未經(jīng)均值檢波的波形平均值。,10,11,4. 波形因數(shù)KF 交流電壓的波形因數(shù)KF定義為交流電壓的有效值U與平均值 之比，即 5. 波峰因數(shù)KP 交流電壓的波峰因數(shù)KP定義為交流電壓的峰值

7、與有效值U之比，即,不同波形的波形因數(shù)和波峰因數(shù)具有不同的定值，如表3-1所示。圖3.2所示為表3-1所用的波形圖。,12,13,3.1.3 電子電壓表的分類(lèi) 電子電壓表簡(jiǎn)稱(chēng)為電壓表，分為模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表。 1. 模擬式電壓表 模擬式電壓表即指針式電壓表，它用磁電式直流電流表（俗稱(chēng)表頭）作為指示器，有直流電壓表和交流電壓表之分。 直流電壓表是構(gòu)成交流電壓表的基礎(chǔ)，用于測(cè)量直流電壓。 交流電壓表用來(lái)測(cè)量交流電壓，測(cè)量時(shí)，首先利用交直流變換器將交流變成直流，再依照測(cè)量直流電壓的方法進(jìn)行測(cè)量，其核心為交直流變換器AC/DC。一般利用檢波器來(lái)實(shí)現(xiàn)交,14,直流變換。檢波器按其響應(yīng)特性分為均值

8、、峰值和有效值檢波器三種，交流電壓表則相應(yīng)地分為均值電壓表、峰值電壓表和有效值電壓表。 按照測(cè)量電壓頻率范圍的不同，交流電壓表還可分為超低頻電壓表（低于10Hz）、低頻電壓表（低于1MHz）、視頻電壓表（低于30MHz）、高頻或射頻電壓表（低于300MHz）和超高頻電壓表（高于300MHz）。 為了滿足不同測(cè)量對(duì)象的要求，模擬式交流電壓表有放大檢波式、檢波放大式和外差式等三種不同的結(jié)構(gòu)形式。 （1）檢波放大式電壓表 檢波放大式電壓表如圖3.3(a)所示。這種電壓表的頻率,15,范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器。采用超高頻檢波二極管時(shí)，可使這種表的頻率范圍從幾十赫茲至數(shù)百兆赫茲，甚至可達(dá)1GHz，

9、輸入阻抗也比較大，一般稱(chēng)之為高頻毫伏表或超高頻毫伏表。為了使測(cè)量靈敏度不受直流放大器零點(diǎn)漂移等的影響，一般利用調(diào)制式（即斬波式）直流放大器放大檢波后的直流信號(hào)。而且將檢波器做成探頭直接與被測(cè)電路連接，從而減小分布參數(shù)及外部干擾信號(hào)的影響。目前，高頻毫伏表的靈敏度已由以前的約0.1V提高到了毫伏級(jí)。如國(guó)產(chǎn)DA36型超高頻毫伏表即采用了調(diào)制式直流放大器，其頻率范圍為10kHz1000MHz；電壓范圍為1mV10V；3V量程，100kHz時(shí)的輸入阻抗100k，50MHz時(shí)的輸入阻抗50k。,16,（2）放大檢波式電壓表 放大檢波式電壓表如圖3.3(b)所示。由于寬帶放大器增益與帶寬的矛盾（二者乘積為

10、常數(shù)），使放大檢波式電壓表的頻寬難以擴(kuò)展，靈敏度也受到內(nèi)部噪聲和外部干擾的限制。其頻率范圍一般為20Hz10MHz，靈敏度達(dá)毫伏級(jí)，通常稱(chēng)之為視頻毫伏表，多用在低頻、視頻場(chǎng)合，如S401型視頻毫伏表的頻率范圍為20Hz10MHz，電壓測(cè)量范圍為100V1V，輸入電阻1M，輸入電容20pF。,17,（3）外差式電壓表 外差式電壓表又稱(chēng)為選頻電壓表或測(cè)量接收機(jī)，其組成框圖如圖3.4所示。雖然也屬于放大檢波式，但因外差式電壓表利用混頻器，將輸入信號(hào)變?yōu)楣潭ㄖ蓄l信號(hào)后進(jìn)行交流放大，可以較好地解決交流放大器增益與帶寬的矛盾，其靈敏度可以提高到微伏級(jí)。其頻帶寬度取決于本振頻率范圍，可從100kHz至數(shù)百兆

11、赫茲，一般稱(chēng)之為高頻微伏表。如DW-1型高頻微伏表，最小量程為15V，最大量程為15mV（加衰減器可擴(kuò)展到1.5V），頻率范圍為100kHz300MHz，分8個(gè)頻段，基本誤差為3%。,18,三種結(jié)構(gòu)形式電壓表的性能比較如表3-2所示。,19,此外，還有熱偶式電壓表。熱偶元件是由兩種不同材料的導(dǎo)體連接而成的具有熱電現(xiàn)象的元件。熱偶式電壓表是利用被測(cè)電壓加在電熱絲上對(duì)熱偶元件加熱而產(chǎn)生熱電勢(shì)，再根據(jù)熱電勢(shì)與加熱溫度的函數(shù)關(guān)系來(lái)測(cè)出被測(cè)電壓。 熱偶式電壓表的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果與被測(cè)信號(hào)波形無(wú)關(guān)，是一種真正的有效值電壓表，可以測(cè)量直流至上百兆赫茲的交流信號(hào)。例如DA24型熱偶表的頻率范圍為10Hz10MH

12、z，最小量程為300V，滿度誤差為1.5%。它的缺點(diǎn)是靈敏度低、輸入電阻低、受環(huán)境溫度影響大、個(gè)別電壓表的刻度非線性。,20,2. 數(shù)字式電壓表 數(shù)字式電壓表（DVM，Digital Voltmeter）是利用A/D（模/數(shù)）變換器將模擬量變換成數(shù)字量，并以十進(jìn)制數(shù)字形式顯示被測(cè)電壓值的一種電壓測(cè)量?jī)x器。 最基本的數(shù)字電壓表是直流數(shù)字電壓表。直流數(shù)字電壓表配上交直流變換器即構(gòu)成交流數(shù)字電壓表。如果在直流數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上，配上交流電壓/直流電壓（AC/DC）變換器、電流/直流電壓（I/V）變換器和電阻/直流電壓（R/V）變換器，就構(gòu)成數(shù)字萬(wàn)用表。 直流數(shù)字電壓表的核心是A/D變換器。A/D變換

13、器分為積分式、比較式和復(fù)合式三種類(lèi)型，直流數(shù)字電壓表相應(yīng)地分為,21,積分式、比較式和復(fù)合式三種類(lèi)型。目前，應(yīng)用比較廣泛的是雙積分式DVM，其次是逐次比較式DVM。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)測(cè)量要求的提高，現(xiàn)在已有復(fù)合式DVM和雙積分式DVM的改進(jìn)型三次積分式DVM等多種類(lèi)型的數(shù)字電壓表供應(yīng)市場(chǎng)。 數(shù)字電壓表由模擬電路、數(shù)字邏輯電路和顯示電路三大部分組成，如圖3.5所示。圖中A/D變換器是數(shù)字電壓表的核心，它將被測(cè)模擬電壓變換成數(shù)字量，然后由數(shù)字邏輯電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由顯示電路顯示出被測(cè)電壓的數(shù)值。A/D變換器與數(shù)字邏輯電路、顯示電路一起構(gòu)成數(shù)字電壓表表頭。,22,數(shù)字電壓表還具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、分辨

14、力強(qiáng)、測(cè)速快、輸入阻抗高、過(guò)載能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于微處理器的應(yīng)用，目前高中檔數(shù)字電壓表已普遍具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自檢等功能，并配有標(biāo)準(zhǔn)接口，可以方便構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。而模擬式電壓表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，頻率范圍寬等特點(diǎn)，并且還可以更直觀地觀測(cè)信號(hào)電壓變化情況。因此數(shù)字式電壓表還不能完全代替模擬式電壓表。,23,3.2 直流電流、直流電壓的測(cè)量 3.2.1 直流電流的測(cè)量 磁電式直流電流表（即表頭）可以直接用來(lái)測(cè)量較小的直流電流，測(cè)量時(shí)應(yīng)與被測(cè)電路串聯(lián)，而且允許通過(guò)的電流較小，如果電流過(guò)大，將損壞表頭，通常用作檢流計(jì)、微安表和小量程毫安表。 為了擴(kuò)大表頭的電流量程，常采用與表頭并聯(lián)電阻的

15、方法，此并聯(lián)電阻稱(chēng)為分流電阻或分流器，如圖3.6(a)和圖3.6(b)所示分別為開(kāi)路式分流器和閉路式環(huán)形分流器。改變分流器阻值的大小可以改變電流表的量程，RP為電流表表頭內(nèi)阻。,24,在圖3.6中，由于被測(cè)電流IX的一部分被分流電阻R1、R2、R3分流，而使流過(guò)表頭的電流IA仍然能夠維持在額定范圍內(nèi)，這樣就不會(huì)損壞表頭，但因?yàn)楸肀P(pán)刻度是以被測(cè)電流的大小進(jìn)行刻度的，所以能夠直接測(cè)出被測(cè)電流的大小。改變量程變換開(kāi)關(guān)S的位置，接入不同的分流電阻R1、R2或R3，就,25,可以測(cè)量不同大小的電流IX。 一般選用電流表或萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量電流，測(cè)量時(shí)，儀表不能并接于被測(cè)電路兩端，而應(yīng)將儀表串接入被測(cè)電路中。測(cè)

16、量直流電流時(shí)，應(yīng)注意使被測(cè)電流經(jīng)正表筆（“+”端）流入儀表，由負(fù)表筆（“”端）流出。如果不知被測(cè)電流的正負(fù)極性可以將萬(wàn)用表量程開(kāi)關(guān)打在最大量程，瞬間測(cè)量一下，觀察表針偏轉(zhuǎn)方向，如果正偏，說(shuō)明接法正確，反偏則應(yīng)調(diào)換表筆位置。另外，還應(yīng)注意選用合適的量程進(jìn)行測(cè)量，不知被測(cè)電流范圍時(shí)，可從最大量程量起，逐漸變小量程，直至量程合適為止。 3.2.2 直流電壓的測(cè)量 磁電式電流表指針偏轉(zhuǎn)角度與被測(cè)電流I成正比，當(dāng)它,26,具有一定內(nèi)阻時(shí)，偏轉(zhuǎn)角度與其兩端的電壓也成正比，它可以用來(lái)測(cè)量直流電壓。但因?yàn)楸眍^的內(nèi)阻不大，允許通過(guò)的電流又小，所以測(cè)量電壓的范圍很小，一般為毫伏級(jí)。為了測(cè)量大電壓，常采用與表頭串聯(lián)

17、電阻的方法，此電阻稱(chēng)為分壓電阻，如圖3.7所示。改變分壓電阻可以改變電壓表的量程。 交流電壓的測(cè)量參見(jiàn)本章后續(xù)內(nèi)容。 除了用電壓表測(cè)量電壓外，還可以利用示波器、失真度,27,測(cè)量?jī)x、頻譜儀等儀器來(lái)測(cè)量電壓。電壓表和示波器是電壓測(cè)量的基本儀器，但示波器能夠直接測(cè)量出交流電壓的瞬時(shí)值，而電壓表卻不能測(cè)量出交流電壓的瞬時(shí)值。 3.3 模擬式交流電壓表 模擬式交流電壓表主要分為高頻電壓表和低頻電壓表。高頻電壓表一般采用檢波放大式結(jié)構(gòu)，多采用峰值檢波器檢波，故稱(chēng)之為峰值電壓表。低頻電壓表通常稱(chēng)為交流電壓表或交流毫伏表，一般采用放大檢波式結(jié)構(gòu)，利用平均值檢波器或有效值檢波器檢波，分別構(gòu)成均值電壓表和有效值

18、電壓表。 3.3.1 低頻交流電壓表 1. 均值電壓表 均值電壓表以均值檢波器作為交直流變換器。均值檢波,28,器即整流器，它輸出的直流電壓（即檢波后波形的平均值）與輸入交流電壓的平均值成正比（該特性稱(chēng)為檢波器的響應(yīng)特性），故稱(chēng)為均值檢波器。均值電壓表指針偏轉(zhuǎn)角度與被測(cè)交流電壓的平均值成正比，故交流電壓平均值稱(chēng)為均值檢波器或均值電壓表的實(shí)際響應(yīng)值。 （1）均值檢波器 常用均值檢波器電路如圖3.8所示，圖3.8(a)、圖3.8(b)、圖3.8(c)、圖3.8(d)分別為橋式、半橋式全波均值檢波器和半波整流式、加隔直電容的半波整流式均值檢波器，比較常用的是半橋式全波均值檢波器和圖3.8(d)圖的半

19、波整流式均值檢波器，電容C為濾波電容。,29,均值檢波器輸出的直流電壓即電容C兩端的電壓，設(shè)為 。經(jīng)推導(dǎo)得知，橋式、半橋式檢波器滿足關(guān)系： = ， 為輸入交流電壓的平均值；半波整流式檢波器滿足關(guān)系： 。分析檢波器的工作波形，可見(jiàn)均值檢波器的輸出始終等于整流后波形的平均值。 圖3.9(a)和圖3.9(b)分別為JB-F1型、JB-1B型均值電壓表檢,30,波器。圖3.9(a)圖與圖3.8(b)相同，VD3用以保護(hù)微安表不致因過(guò)載而損壞。圖3.9(b)圖中，VD1VD4構(gòu)成全橋式檢波器，R1、C2組成濾波器，R2、VD5為線性補(bǔ)償電路，當(dāng)信號(hào)較低時(shí)，由于二極管的非線性，表頭電流偏小，此時(shí)，R2、V

20、D5的分流作用減小，使表頭電流有所增加，起到線性補(bǔ)償作用；當(dāng),31,信號(hào)頻率過(guò)低（210 Hz）時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)S可以減小表針擺動(dòng)，稱(chēng)之為阻尼開(kāi)關(guān)。 （2）刻度特性 均值電壓表一般以輸入正弦波有效值的大小來(lái)定度，即正弦波有效值定度。當(dāng)測(cè)量正弦波電壓時(shí)，正弦波的有效值U就等于電壓表的讀數(shù)值U，即U=U；當(dāng)測(cè)量非正弦波電壓時(shí)，電壓表的讀數(shù)值無(wú)明確的物理意義，只說(shuō)明非正弦波電壓平均值與讀數(shù)值相等的正弦波電壓平均值相等，即,32,式中，K為電壓表的定度系數(shù)，反映的是電壓表實(shí)際響應(yīng)值 與讀數(shù)值U之間的關(guān)系； 為正弦波平均值； 、UN、 、KFN、KPN為非正弦波的平均值、有效值、峰值、波形因數(shù)和波峰因數(shù)。常

21、見(jiàn)波形的波形因數(shù)、波峰因數(shù)的大小可以查閱表3-1。 只要確定出檢波輸出電壓后，不管是哪種均值檢波器的電壓表，均可采用上述計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算。 例3-1 用均值電壓表測(cè)量正弦波、三角波電壓時(shí)，已知電壓表的讀數(shù)均為20V，試分別計(jì)算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？,33,解： 測(cè)量正弦波時(shí)： U=U=20V 測(cè)量三角波時(shí)： 答：（略）。 （3）均值電壓表的組成 經(jīng)推導(dǎo)得知，全波均值檢波器輸入電阻 ，而Rd、Rm的大小一般為100500、12k，則全波均值檢波,34,器的輸入電阻Ri=13k，不滿足電壓表高輸入阻抗的要求，所以均值電壓表的結(jié)構(gòu)不可以是檢波放大式，否則，將嚴(yán)重影響被測(cè)電路的

22、工作狀態(tài)。均值電壓表的組成如圖3.10所示，屬于放大檢波式電壓表。 阻抗變換器是均值電壓表的輸入級(jí)，通常利用射極跟隨器或源極跟隨器來(lái)提高均值電壓表的輸入阻抗?？勺兞砍趟p器通常是阻容分壓器，用于改變均值電壓表的量程。寬帶交流放大器是決定均值電壓表性能的關(guān)鍵，用于信號(hào)放大，以提高均值電壓表的測(cè)量靈敏度。 均值電壓表屬于低頻電壓表，它的靈敏度可以達(dá)到毫伏數(shù),35,量級(jí)，頻率范圍一般為20Hz10MHz，故又稱(chēng)之為視頻毫伏表。均值電壓表的應(yīng)用很普遍，如SX-2172型、DA-16型、DA-12型、GB-9型、GB-10型、AS2292型等。 （4） 誤差分析 均值電壓表測(cè)量誤差的主要來(lái)源包括：指示電

23、流表的誤差、檢波元器件的不穩(wěn)定性誤差、波形誤差及頻率誤差等。在此主要分析波形誤差和頻率誤差。 1）波形誤差 波形誤差是在用均值電壓表測(cè)量非正弦波電壓時(shí)，將電壓表的讀數(shù)值當(dāng)成被測(cè)電壓的有效值而產(chǎn)生的誤差。 波形誤差的絕對(duì)誤差為：U=U0.9KFNU=(10.9KFN)U 波形誤差的示值相對(duì)誤差為：=U/U=10.9KFN,36,例如，測(cè)量三角波時(shí)的波形誤差為： 因此，在使用電壓表測(cè)量非正弦波電壓時(shí)，應(yīng)注意檢波器的類(lèi)型，正確理解讀數(shù)的含義，并進(jìn)行換算。 2）頻率誤差 頻率誤差是在檢波器對(duì)高頻輸入信號(hào)檢波時(shí)，由于二極管結(jié)電容容抗減小而使本應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)的二極管失去單向?qū)щ娦远鴰?lái)的高頻頻響誤差。圖3

24、.11為圖3.8(a)均值檢波器負(fù)半周內(nèi)的高頻等效電路，圖中Rd、Cd為二極管的正向?qū)娮韬徒Y(jié)電容；Rm、L為電流表的等效電感及內(nèi)阻。 低頻時(shí)，Cd的容抗很大，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。高頻時(shí)，Cd的容抗變小而產(chǎn)生,37,分流，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生， 該誤差稱(chēng)為頻率誤差。 例如SX2172型交流毫伏 表20Hz100kHz的頻率 誤差為2%；10Hz 500kHz時(shí)為5%； 5Hz2MHz時(shí)為10%。 除此之外，交流放大器增益與帶寬的矛盾也是產(chǎn)生頻率誤差的原因之一。,38,2. 有效值電壓表 有效值電壓表類(lèi)型繁多，例如，檢波式（常用分段逼近式有效值檢波器）、熱偶式、計(jì)算式等。一般認(rèn)為有效值電壓表的讀數(shù)就

25、是被測(cè)電壓的有效值，而與被測(cè)電壓波形無(wú)關(guān)，稱(chēng)之為真有效值電壓表。 （1）分段逼近式有效值檢波器 經(jīng)推導(dǎo)得知，只要電路的輸出特性曲線具有平方律特性，該電路就可以實(shí)現(xiàn)有效值檢波。圖3.12所示的分段逼近式有效值檢波器的輸出特性曲線就具備上述特性，但它的曲線是由眾多不同斜率的線段構(gòu)成的。這些線段是因?yàn)檩斎腚妷旱拇笮〔煌淖兞藱z波器負(fù)載電阻的大小得到的。圖3.12(b)圖中，由三條不同斜率的曲線逼近成為具有平方率特,39,性的曲線。 分段逼近式有效值檢波 器的輸出與交流電壓有效值 的平方成正比，因此，電壓 表的刻度是非線性的。如 DY-2型電壓表即屬于分段逼近式有效值電壓表。 （2）熱偶式（即熱電變

26、換式）有效值檢波器 它是根據(jù)交流電壓有效值的定義，利用具有熱電變換效應(yīng)的熱電偶來(lái)實(shí)現(xiàn)有效值檢波的。該方式的電壓表頻率范圍很寬，上限頻率達(dá)幾十兆赫。,40,圖3.13為DA-24型電壓表原理圖。T1、T2兩個(gè)性能相同的熱電偶構(gòu)成熱電偶橋，稱(chēng)為雙熱偶變換器，T2稱(chēng)為平衡熱電偶。T1、 T2產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)分別為Ex=k（k1Ux）2（k為熱電偶比例常數(shù)、k1為放大器增益）、Ef=kUo2，只要直流放大器增益很大，則輸入端電壓U=ExEf0，即Uok1Ux。 DA-24型電壓表頻率范圍為10Hz10MHz，最小量程為1mV，最大量程為300V，滿度誤差為1.5%。,41,（3）計(jì)算式有效值檢波器 如圖

27、3.14所示，計(jì)算式有效值電壓表是根據(jù)交流電壓有效值的數(shù)學(xué)計(jì)算式，利用有關(guān)的運(yùn)算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)有效值檢波。,42,3.3.2 高頻交流電壓表（峰值交流電壓表） 測(cè)量用高頻交流電壓表一般為峰值電壓表，峰值電壓表以峰值檢波器作為交直流變換器。峰值檢波器的響應(yīng)特性及其名稱(chēng)的由來(lái)是：峰值檢波器輸出的直流電壓與輸入交流電壓的峰值成正比。因此，峰值電壓表指針偏轉(zhuǎn)角度與被測(cè)交流電壓的峰值成正比，交流電壓的峰值稱(chēng)為峰值檢波器的實(shí)際響應(yīng)值。 1. 峰值檢波器 圖3.15所示常見(jiàn)峰值檢波器中，圖3.15（a）圖為串聯(lián)式峰值檢波器，又稱(chēng)為開(kāi)路式峰值檢波器，即包絡(luò)檢波器；圖3.15（b）圖為并聯(lián)式峰值檢波器，又稱(chēng)為閉路式

28、峰值檢波器。圖,43,3.15（a）、圖3.15（b）圖的檢波器輸出電壓 。 圖3.15（c）圖為雙峰值檢波器，是兩個(gè)串聯(lián)峰值檢波器的組合， 。圖3.15（d）、圖3.15（e）圖為倍壓式峰值檢波器，圖3.15（d）圖結(jié)構(gòu)為橋式，圖3.15（e）圖是并聯(lián)、串聯(lián)峰值檢波器的組合， 。 串聯(lián)式峰值檢波器中的電容C起到濾波和檢波的作用，無(wú)隔直作用，所以檢波器的實(shí)際響應(yīng)值為交流電壓實(shí)際波形的峰值。并聯(lián)式峰值檢波器中的電容C既為隔直電容又是檢波電容，所以檢波器的實(shí)際響應(yīng)值為交流電壓的振幅Um。除少數(shù)情況下，一般采用并聯(lián)式峰值檢波器或雙峰值檢波器。如無(wú)特別說(shuō)明，峰值檢波器均特指為并聯(lián)式峰值檢波器。,44,

29、45,雖然圖3.15(a)、圖3.15(b)所示電路與圖3-8d圖的電路形式相似，但前者必須滿足峰值檢波條件，即充電時(shí)間常數(shù)RdCTmin；放電時(shí)間常數(shù)RCTmax；Tmin和Tmax 為輸入信號(hào)最小周期和最大周期，Rd為二極管正向?qū)娮?。而后者的充放電時(shí)間常數(shù)近似相等。 圖3.16(a)為HFG-1B型高頻毫伏表的并聯(lián)式峰值檢波器，其中C1、VD1、R2為檢波電容、檢波二極管、檢波負(fù)載電阻，R1、C2組成濾波器。在R2與調(diào)制放大器之間的雙T形網(wǎng)絡(luò)，可以防止50Hz干擾信號(hào)串入調(diào)制放大器。C1的取值視被測(cè)電壓頻率范圍而定。從擴(kuò)展上限頻率的角度來(lái)看，C1應(yīng)小一些，從擴(kuò)展下限頻率角度來(lái)看，C1應(yīng)

30、大一些。 圖3.16(b)為DA-4型高頻毫伏表雙峰值檢波器。為了擴(kuò)展頻,46,率范圍，檢波器利用了兩個(gè)探頭，上下部分分別為高頻探頭和低頻探頭。R3為檢波負(fù)載電阻，R1、C3、C4與L構(gòu)成濾波器，,47,VD2與其右邊器件構(gòu)成串聯(lián)式峰值檢波器，VD1、C1與右邊器件構(gòu)成并聯(lián)式峰值檢波器。低頻探頭與高頻探頭的構(gòu)成相似。 2. 刻度特性 峰值電壓表也以正弦波有效值進(jìn)行定度。當(dāng)測(cè)量正弦波電壓時(shí)，正弦波電壓有效值U等于電壓表的讀數(shù)值U，即U=U。當(dāng)測(cè)量非正弦波電壓時(shí)，電壓表的讀數(shù)值U沒(méi)有明確的物理意義，只說(shuō)明非正弦電壓的峰值與讀數(shù)值相等的正弦波的峰值相等。 測(cè)量非正弦波電壓時(shí)，非正弦波電壓有效值等的計(jì)

31、算如下：,（3-1）,（3-2）,48,式中，K為峰值電壓表的定度系數(shù)。 采用串聯(lián)式峰值檢波器時(shí)，式(3-1)、（3-2）中的峰值為交流電壓實(shí)際波形的峰值，而采用并聯(lián)式峰值檢波器時(shí)，式(3-1)、（3-2）中的峰值為純交流電壓波形的峰值，即交流電壓波形的振幅值。 例3-2 用峰值電壓表測(cè)量正弦波、三角波電壓，已知電壓表的讀數(shù)均為20V，試分別計(jì)算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？,49,解： 測(cè)量正弦波時(shí)： U=U=20V 測(cè)量三角波時(shí)： 答：（略）,50,3. 峰值電壓表的組成 串聯(lián)式、并聯(lián)式峰值檢波器的輸入阻抗分別為負(fù)載電阻R的1/2、1/3倍，R通常取值為幾兆歐姆至幾百兆歐

32、姆，故峰值檢波器的輸入阻抗很高，能夠與被測(cè)電路相接。峰值表的構(gòu)成一般為檢波放大式，如圖3.17所示，其中直流放大器通常為調(diào)制式直流放大器。由于峰值檢波器體積小，故可以做成探頭與被測(cè)電路直接相接，因此，通過(guò)交流信號(hào)的測(cè)試線很短，分布參數(shù)以及引入的干擾信號(hào)比較?。欢矣捎诓捎谜{(diào)制式直流放大器，使得檢波放大式峰值表的頻寬及靈敏度都比較理想。不過(guò)，峰值電壓表的構(gòu)成也可以是放大檢波式，但性能不如檢波放大式好。這是因?yàn)榉糯笃鞑粌H體積大而且需要電源，,51,所以放大器不能直接與被測(cè)電路相接，這樣勢(shì)必要加長(zhǎng)測(cè)試線，從而增大了分布參數(shù)、干擾信號(hào)等對(duì)測(cè)量精度的影響；而且由于采用交流放大器，使得電壓表的頻寬也受到影

33、響。,峰值表常用作超高頻毫伏表，適于測(cè)量高頻信號(hào)，這是由檢波放大式電壓表特性所決定的。峰值表也是比較常用的電子電壓表，如DA-1型、DA-4型、HFJ-8型、HFJ-8A型、DYC-5型等。 4. 誤差分析,52,（1）理論誤差 因峰值檢波器輸出電壓平均值實(shí)際上要略小于被測(cè)電壓峰值UP，因此會(huì)產(chǎn)生理論誤差。測(cè)量正弦波時(shí)的 理論誤差為： （2）波形誤差 峰值電壓表測(cè)量非正弦波電壓時(shí)，若將電壓表讀數(shù)值當(dāng)成它的有效值會(huì)產(chǎn)生波形誤差。 波形誤差的絕對(duì)誤差為：,53,例如，測(cè)量三角波時(shí)的波形誤差為： （3）頻率誤差 如果被測(cè)信號(hào)頻率過(guò)低而不滿足RCTmax的峰值檢波條件時(shí)，由于放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，下將較多，而

34、產(chǎn)生低頻頻率誤差。低頻頻率誤差為： 除低頻頻率誤差外，高頻分布參數(shù)的影響也會(huì)帶來(lái)高頻誤差。,54,頻率特性誤差fx又稱(chēng)為頻率影響誤差，是指電壓表在工作頻率范圍內(nèi)各頻率點(diǎn)的電壓值相對(duì)于基準(zhǔn)頻率電壓值的誤差，它反映了電壓表的頻率誤差。計(jì)算如下： 式中，Uf0為基準(zhǔn)頻率上被測(cè)電壓示值；Ufx為其他頻率上被測(cè)電壓示值。 例如，AS2271超高頻毫伏表頻率特性誤差，以100kHz為基準(zhǔn)，100kHz50MHz，3%；10kHz600MHz，10%；600MHz1GHz，15%。,55,3.3.3 模擬式電壓表實(shí)例 AS2292型雙輸入交流電壓表是一種單指針電表指示、雙路輸入的放大檢波式電壓表。該電壓表具

35、有小型化、低噪聲、高輸入阻抗、高靈敏度、溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、維修等工作中的電壓或電平測(cè)量。 1. 主要技術(shù)指標(biāo) （1）電壓測(cè)量范圍 300V100V，分12擋。 （2）電平測(cè)量范圍 70dB40dB(0dB 1mV 600)。,56,（3）頻率范圍 20Hz1MHz。 （4）電壓測(cè)量固有誤差（以1kHz為基準(zhǔn)） 300V3mV各擋5%；3mV100V各擋3%。 （5）電壓測(cè)量工作誤差（在基準(zhǔn)頻率時(shí)） 各擋7%。 （6）輸入阻抗 1kHz時(shí)輸入電阻約為500k；輸入電容在300uV1V各擋約為45pF，3V100V各擋約為25pF。,57,2. 工作原理

36、AS2292型交流電壓表原理框圖如圖3.18所示，主要由衰減器、分壓器、放大檢波器、穩(wěn)壓電源和量程控制器等部分組成。,58,輸入信號(hào)由S1切換“A輸入”或“B輸入”狀態(tài)。R1、R2組成高阻衰減器。對(duì)于1V以上的輸入信號(hào)經(jīng)衰減后進(jìn)入阻抗變換器。1V以下量程均不作衰減。 在10mV以下量程，放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大；在30mV以上量程，信號(hào)均由分壓器衰減。 分壓器由R3R6低阻值電阻組成，衰減量分別為0dB、10dB、20dB、30dB。將放大器、分壓器、分壓器的三組信號(hào)組合起來(lái)使用，構(gòu)成儀表的12擋量程。 儀表的量程由2刀12位波段開(kāi)關(guān)控制。其中高阻衰減器由繼電器S4變換，放大器和分壓器由開(kāi)關(guān)S

37、5控制。在10mV以下各擋，分壓器斷開(kāi)；在30mV以上各擋，放大器不工,59,作，信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減后進(jìn)入分壓器，分壓器由四刀模擬開(kāi)關(guān)（CH4066）變換。檢波器為如圖3.8(b)所示的半橋式均值檢波器。 3.3.4 使用方法及注意事項(xiàng) 一般來(lái)說(shuō)，在選用電壓表時(shí)除了要選擇量程、頻率范圍、誤差和輸入阻抗合適的電壓表外，還應(yīng)注意： （1）調(diào)零 測(cè)量電壓之前應(yīng)注意檢查指針是否處在零位，否則應(yīng)進(jìn)行機(jī)械調(diào)零或電氣調(diào)零。必要時(shí)還要注意通電預(yù)熱。 （2）量程選擇 除非所用電壓表為非線性刻度的電壓表或者被測(cè)信號(hào)是特,60,殊信號(hào)，例如，均值電壓表測(cè)量噪聲電壓時(shí)的指針要求指在滿度值的1/2處，一般情況下，應(yīng)盡量使指針

38、處在量程滿刻度值的2/3以上區(qū)域。如果事先不知道被測(cè)電壓的大小，可以先從大量程開(kāi)始，再逐步減小量程，直至量程合適為止。 （3）拆接線順序 由于電壓表靈敏度較高，測(cè)量時(shí)應(yīng)先接入與機(jī)殼相連的接地線，然后接入另一測(cè)試線。測(cè)量結(jié)束時(shí)，應(yīng)按相反順序取下連接線。否則外界或者內(nèi)部的感應(yīng)信號(hào)有可能使儀表指針偏轉(zhuǎn)超過(guò)量程而損壞表頭。測(cè)量時(shí)，接地點(diǎn)應(yīng)可靠接地。 （4）測(cè)量非正弦波電壓 除了選擇檢波類(lèi)型合適的電壓表外，還應(yīng)注意正確理解讀數(shù)的,61,含義并對(duì)讀數(shù)進(jìn)行修正，否則將產(chǎn)生波形誤差，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。 （5）測(cè)量音頻電壓 在測(cè)量數(shù)伏級(jí)以上的音頻電壓時(shí)，可以使用一般的導(dǎo)線作為測(cè)試線；而在測(cè)量毫伏級(jí)音頻電壓時(shí)，必須

39、嚴(yán)格調(diào)零，并盡量選用短的金屬屏蔽線作為測(cè)試線。 （6）測(cè)量電平值 電平即絕對(duì)電平，有功率電平Pw和電壓電平Pu之分。 1）功率電平LP(Power Level)的定義式為 式中，Px和Pr分別為被測(cè)點(diǎn)的功率和基準(zhǔn)功率。,62,當(dāng)取Pr=1mW時(shí)，Lp的單位為dBmW（分貝毫瓦），即 當(dāng)取Pr=1W時(shí)，Lp的單位為dBW（分貝瓦），即 2）電壓電平Lv（Voltage Level）的定義式為 式中，Ux和Ur分別為被測(cè)電壓有效值和基準(zhǔn)電壓。 當(dāng)Ux為600被測(cè)阻抗的電壓有效值，并取Ur=0.775V時(shí)，由于1mW功率在600阻抗上的電壓為0.775V，所以所求得的電壓電平Lv的單位可寫(xiě)成dBW（

40、分貝毫伏）。即,63,實(shí)際工作中，如果被測(cè)阻抗為600，可將測(cè)試線直接并接于被測(cè)點(diǎn)兩端，電壓電平Lv為 Lv=LvL+LvP(dBmW) 式中，LvL和LvP分別為儀表量程開(kāi)關(guān)和儀表表頭的分貝指示值，LvL、LvP和Lv的單位為dBmV。 實(shí)際工作中，如果被測(cè)阻抗不等于600，經(jīng)推導(dǎo)得知，電壓電平為 或,64,式中，R為被測(cè)阻抗，單位為；LvL、LvP和Lv的單位為dBmV。 以上以dBmV為單位表示的電壓電平與相應(yīng)功率電平（dBmW）的數(shù)值相等。例如，如果600阻抗上的電壓為0.775V時(shí)，阻抗上的功率約為1mW（1mW(0.775)2600 ），此時(shí)的電壓電平和功率電平的數(shù)值均為0；如果1

41、50阻抗上的電壓為1.55V時(shí)，阻抗上的功率約為16.02mW（16.02mW（1.55V)2150 ），此時(shí)，電壓電平和功率電平分別為,65,如果只考慮電壓電平本身，不考慮是否與相應(yīng)功率電平之間的關(guān)系，那么求電壓電平時(shí)，可以不管被測(cè)點(diǎn)的阻抗是否為600，此時(shí)，電壓電平單位為dBV（分貝微伏）。電壓電平的計(jì)算如下： Lv=lvL+LvP(dBV) 當(dāng)取Ur=1V為基準(zhǔn)電壓時(shí)，電壓電平的單位為dBV(分貝伏)。 目前電壓電平常用于廣播通信方面，如調(diào)音臺(tái)的調(diào)音設(shè)備及電氣測(cè)試設(shè)備及儀表等。功率電平常用于聲學(xué)儀器及其他測(cè)試儀器。 （7）注意安全、防止觸電 在測(cè)量36V以上電壓時(shí)，必須注意,66,3.4

42、 數(shù)字電壓表,安全，以防觸電。 （8）校準(zhǔn) 為保證儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度，儀表使用一個(gè)時(shí)期后應(yīng)借助標(biāo)準(zhǔn)電壓表進(jìn)行校準(zhǔn)。,與模擬式電壓表相比，數(shù)字電壓表具有精度高、測(cè)速快、抗干擾能力強(qiáng)和便于實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量智能化與自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。但由于不能較直觀地觀測(cè)到交變電壓的變化情況，故不能完全替代模擬式電壓表。在此，我們僅討論直流數(shù)字電壓表。 3.4.1 主要技術(shù)指標(biāo) 1. 電壓測(cè)量范圍,67,（1）量程 數(shù)字電壓表一般有好幾個(gè)量程，量程的改變通常由電壓表的步進(jìn)衰減器與輸入放大器的適當(dāng)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)未經(jīng)衰減器衰減和放大器放大的量程稱(chēng)為基本量程，基本量程的測(cè)量誤差最小。量程變換有手動(dòng)變換和自動(dòng)變換兩種，

43、自動(dòng)變換借助于內(nèi)部邏輯控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （2）顯示位數(shù) 數(shù)字電壓表中能顯示09十個(gè)數(shù)碼的數(shù)位稱(chēng)為滿位，否則，稱(chēng)為半位或1/2位。例如，最大顯示數(shù)字為9.999的稱(chēng)為4位數(shù)字電壓表；最大顯示數(shù)字為19.999的稱(chēng)為 位數(shù)字電壓表。最大顯示數(shù)字為39.999的稱(chēng)為 位數(shù)字電壓表，因?yàn)?9.999的,68,左邊第一位可以顯示的數(shù)字為03共4個(gè)數(shù)字，但可以作為有效數(shù)字的只有1、2、3共3個(gè)數(shù)字，而滿位位數(shù)為4，故稱(chēng)之為 位數(shù)字電壓表。最大顯示數(shù)字為11.999的也稱(chēng)為 位數(shù)字電壓表，因?yàn)橛捎诹砍滔拗频仍颍m然左邊第二位在顯示最大數(shù)字時(shí)只能顯示為1，但在其他情況下也可以顯示09這十個(gè)數(shù)字，該位仍為滿位

44、，而左邊第一位則可以顯示01共2個(gè)數(shù)字，故仍稱(chēng)之為 位數(shù)字電壓表。最大顯示數(shù)字為19.999、39.999、11.999的數(shù)字電壓表統(tǒng)稱(chēng)為4位半數(shù)字電壓表。 （3）超量程能力 超量程能力是指數(shù)字電壓表在一個(gè)量程上所能測(cè)量的最大電壓超出量程值的能力，是數(shù)字電壓表的一個(gè)重要指標(biāo)。數(shù)字,69,電壓表有無(wú)超量程能力，要根據(jù)它的量程分擋情況以及能夠顯示的最大數(shù)字情況來(lái)決定，其計(jì)算式如下： 例如，最大顯示數(shù)字分別為9.999、19.999、5.999、11.999，對(duì)應(yīng)量程分別為10V、20V、5V、10V的數(shù)字電壓表的超量程能力分別為0%、0%、20%、20%。 有了超量程能力，在有些情況下可以提高測(cè)量

45、精度，例如被測(cè)電壓為10.001V，若采用不具有超量程能力的4位DVM10V擋測(cè)量，讀數(shù)為9.999V；用100V擋測(cè)量，讀數(shù)為10.00V，這樣就丟掉了0.001V的信息。若改用有超量程能力的四位半DVM10V擋測(cè)量，均可讀出10.001V，顯然提高了精度。,70,2.分辨力 分辨力即靈敏度，是指數(shù)字電壓表能夠反映出的被測(cè)電壓最小變化值，實(shí)際上就等于所選量程最右邊數(shù)字的一個(gè)單位，即末尾的“1”表示出的電壓值。不同量程的分辨力不同，最小量程的分辨力最高。通常以最小量程的分辨力作為數(shù)字電壓表的分辨力。 例如，4位DVM在1V、10V量程上的分辨力分別為0.0001V、0.001V，則DVM的分辨

46、力為0.0001V。這是因?yàn)椋?位DVM的最大顯示數(shù)字為9999，量程為1V、10V時(shí)，可以判斷出滿量程時(shí)的顯示數(shù)字應(yīng)分別為“.9999”、“9.999”，根據(jù)定義即可判斷出上述分辨力的大小。,71,3.測(cè)量誤差 數(shù)字電壓表的測(cè)量誤差通常以它的固有誤差或工作誤差來(lái)表示，屬于允許誤差。數(shù)字電壓表的固有誤差一般采用以下兩種表示方法： U=(%Ux+%Um) 或 U=%Uxn字 式中，Ux為被測(cè)電壓讀數(shù)值；Um為數(shù)字電壓表量程滿度值；%Ux稱(chēng)為讀數(shù)誤差，隨被測(cè)電壓的變化而變化；、稱(chēng)為相對(duì)項(xiàng)系數(shù)、固定項(xiàng)系數(shù)；%Um=n字，稱(chēng)為滿度誤差。 量程確定后，滿度誤差為固定值，可用n字來(lái)表示，n字等于滿度誤差與

47、末尾數(shù)字1個(gè)單位電壓（即分辨力）的比值。,72,例3-3 某5位DVM在5V量程測(cè)得電壓為2V，已知5V量程的固有誤差計(jì)算式為U=(0.005%Ux+0.004%Um)，試求DVM的固有誤差、讀數(shù)誤差和滿度誤差各是多少？滿度誤差相當(dāng)于幾個(gè)字？ 解：因?yàn)镈VM位數(shù)為5，且量程為5V，所以電壓表末尾1個(gè)單位為0.0001V。 讀數(shù)誤差為：0.005%Ux=0.005%2V=0.0001V 滿度誤差為：0.004%Um=0.004%5V=0.0002V 滿度誤差相當(dāng)于： 固有誤差：（0.0001V+0.0002V）=0.0003V 答：（略）,73,4. 輸入電阻和輸入零電流 數(shù)字電壓表的輸入電阻一

48、般不小于10M，可達(dá)1G，一般情況下基本量程的輸入電阻最高。 為了提高數(shù)字電壓表的輸入阻抗而用場(chǎng)效應(yīng)管等有源器件構(gòu)成電壓表的輸入電路，故當(dāng)電壓表輸入端短路時(shí)，測(cè)試線上會(huì)有電流通過(guò)，該電流稱(chēng)為輸入零電流或輸入偏置電流。測(cè)量電壓時(shí)該電流是始終存在的，應(yīng)盡量減小輸入零電流。 5.抗干擾能力 數(shù)字電壓表的抗干擾能力較強(qiáng)，通常用串模干擾抑制比和共模干擾抑制比來(lái)表示，干擾抑制比的數(shù)值越大，表明數(shù)字電壓表抗干擾的能力越強(qiáng)。,74,（1）串模干擾 串模干擾又稱(chēng)為常模干擾或常態(tài)干擾，是指以串聯(lián)方式與被測(cè)信號(hào)一起作用于儀表輸入端的干擾信號(hào)，如圖3.19(a)所示。圖中ux、 usm1為被測(cè)電壓和其中混有的串模干擾

49、信號(hào)，usm2為引線感應(yīng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)、H、 L為DVM的高、低輸入端。,75,串模干擾抑制比一般是針對(duì)工頻干擾而言，計(jì)算如下： （2）共模干擾 當(dāng)被測(cè)對(duì)象為浮置電壓或與DVM相距較遠(yuǎn)時(shí)，由于被測(cè)信號(hào)源地線與DVM地線之間存在電位差而產(chǎn)生共模干擾，該干擾信號(hào)對(duì)DVM的高、低輸入端都產(chǎn)生影響，這種干擾可能是直流，也可能是工頻或高頻交流。 圖3.19(b)為共模干擾示意圖。圖中，Z1 、Z2為DVM兩個(gè)輸入端與機(jī)殼間絕緣電阻，一般Z1Z2。R1、R2為輸入信號(hào)線電阻。共模干擾電壓ucm將產(chǎn)生電流I1和I2分別串入R1、R2兩個(gè)支路，形成兩個(gè)串模干擾電壓I1(R1+R2)和I2 R2對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。

50、,76,共模干擾抑制比計(jì)算如下： 6.測(cè)量速度 測(cè)量速度是指在單位時(shí)間內(nèi)，以規(guī)定的準(zhǔn)確度完成的最大測(cè)量次數(shù)，或完成單次測(cè)量所用的時(shí)間。數(shù)字電壓表的測(cè)量速度主要取決于A/D變換器的類(lèi)型，不同類(lèi)型的DVM的測(cè)量速度差別很大，測(cè)速較快的是比較式DVM，測(cè)速較慢的是積分式DVM。測(cè)量速度是描述數(shù)字電壓表的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，而不是模擬式電壓表的技術(shù)指標(biāo)。 另外，數(shù)字電壓表DVM通常具有自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)切換量程和顯示極性等自動(dòng)功能。,77,3.4.2 A/D變換器 數(shù)字電壓表的核心是A/D變換器，應(yīng)用比較廣泛的是雙積分式A/D變換器以及逐次比較式A/D變換器。 1. 雙積分式A/D變換器 雙積分式A/D變換

51、器即雙斜式A/D變換器，屬于V-T型積分式A/D變換器。它將直流電壓與基準(zhǔn)電壓的比較通過(guò)兩次積分變換為兩個(gè)時(shí)間段的比較，并由此將模擬電壓變換為與其輸入電壓的平均值（即輸入直流電壓）成正比的時(shí)間段，時(shí)間段的長(zhǎng)短則由計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)定，計(jì)數(shù)器所得的計(jì)數(shù)值即A/D變換的結(jié)果。 雙積分式A/D變換器的工作過(guò)程分為準(zhǔn)備、取樣和比較三個(gè),78,階段，其原理框圖如圖3.20所示，輸入為負(fù)電壓時(shí)的工作波形如圖3.21所示，圖中ui(t)、uo(t)和p(t)分別為積分器的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖，（t0t1）、（t1t2）、（t2t3）分別為準(zhǔn)備、取樣、比較時(shí)段，虛線為輸入U(xiǎn)x時(shí)的波形，輸入為正電壓時(shí)的工作波形

52、與圖示波形方向相反。 準(zhǔn)備階段，S1閉合、S2接地，使積分電容C完全放電，為取樣作準(zhǔn)備。 取樣階段，S1斷開(kāi)、S2將積分器的輸入端接輸入電壓Ux，積分器對(duì)Ux定時(shí)積分（設(shè)正向充電），當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為N1（常數(shù)），即t2時(shí)刻，定時(shí)取樣完畢。 比較階段，S1仍斷開(kāi)、S2打在與Ux極性相反的基準(zhǔn)電壓UR（UR為恒定值，電路中一般設(shè)置有輸入電壓極性檢測(cè)電路）,79,處，積分器對(duì)UR反向積分(即反向放電)。當(dāng)積分器輸出電壓下降為零，即t3時(shí)刻，邏輯控制電路控制計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，本次A/D變換結(jié)束。,80,顯然，電容 t2時(shí)刻充上的電荷與t3時(shí)刻放去的電荷相等。經(jīng)推導(dǎo)得知： （3-3） （3-4） 式中， 為

53、Ux在時(shí)間T1內(nèi)的平均值；T1=t2t1，為定時(shí)取樣時(shí)間；T2=t3t2，為定值比較時(shí)間；UR/N1稱(chēng)為A/D變換器的變換靈敏度，通常設(shè)置為110nV(n為自然數(shù))，即數(shù)字電壓表的分辨力；N2為取樣階段所計(jì)脈沖數(shù)，與輸入電壓的大小有關(guān)。 可見(jiàn)，雙積分式A/D變換器的取樣階段為定時(shí)不定值正向積分，比較階段為定值（基準(zhǔn)電壓）不定時(shí)反向積分。,81,雙積分式A/D變換器具有穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度高，抗干擾能力強(qiáng)等的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)槿雍捅容^時(shí)使用的是同一積分器和時(shí)鐘，因此，R、C參數(shù)值的緩慢變化以及運(yùn)算放大器、時(shí)鐘等性能的不穩(wěn)定都不會(huì)影響變換準(zhǔn)確度。由式（3-3）可看出，變換結(jié)果只反映模擬輸入的平均值，所以

54、，只要采,82,樣時(shí)間T1為干擾信號(hào)（特指工頻干擾）周期的整數(shù)倍，則干擾信號(hào)產(chǎn)生的平均值為零，A/D變換器抗干擾能力得以提高。因?yàn)殡p積分式A/D變換器的輸出只響應(yīng)于輸入信號(hào)的平均值，所以計(jì)算式中用 而不用Ux。 由于雙積分式A/D變換器具有上述突出的優(yōu)點(diǎn)，雙積分式數(shù)字電壓表應(yīng)用比較廣泛，如國(guó)產(chǎn)PZ-12、DS-14、DS-26、DS-18A型等。 由式（3-4）可看出，無(wú)論是要增強(qiáng)變換器的抗干擾能力，還是要提高數(shù)字電壓表的分辨力，都要延長(zhǎng)取樣時(shí)間，這樣就使得雙積分式A/D變換器的變換速度不可能提高上去，它的變換速度一般低于20次/s。為了提高A/D變換器的變換速度，對(duì)雙積分式A/D變換器進(jìn)行改

55、進(jìn)而出現(xiàn)了三次積分式A/D變換器。,83,2. 三次積分式A/D變換器 三次積分式A/D變換器又稱(chēng)為三斜式A/D變換器，它是將雙積分式A/D變換器的第二次積分（定值反向積分）分成兩次進(jìn)行：粗積分、精積分。其目的是加快變換速度、減小變換誤差。 三次積分式A/D變換器的工作過(guò)程分為準(zhǔn)備、取樣、粗積分和精積分四個(gè)階段，在此主要介紹后三個(gè)階段的工作過(guò)程。其原理框圖和積分器輸出波形如圖3.22和圖3.23所示。 （1）取樣階段（t1t2） 圖3.22中計(jì)數(shù)器共有2n位。t1時(shí)刻，邏輯控制電路控制S4閉合，S1S3斷開(kāi)，Ux被接入積分器，開(kāi)始取樣（第一次積,84,分），取樣時(shí)間由計(jì)數(shù)器低位部分溢出脈沖控制

56、，設(shè)t2時(shí)刻結(jié)束取樣，則取樣時(shí)間為（t2t1）=2n/f0，即計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)為N1=2n。 （2）粗積分階段（t2t3） t2時(shí)刻，邏輯控制電路控制S3閉合，S1、S2、S4斷開(kāi)，基準(zhǔn)電壓UR接入積分器，開(kāi)始粗積分（第二次積分），積分器輸出向反方向變化，當(dāng)反方向積分至基準(zhǔn)電壓Ur時(shí)，比較器1動(dòng)作，產(chǎn)生標(biāo)志t3時(shí)刻的指令。在對(duì)UR進(jìn)行積分期間僅計(jì)數(shù)器高位部分（22n-12n）工作，至t3時(shí)止，計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)為N2=2nf0(t3t2)。 （3）精積分階段（t3t4）,85,根據(jù)t3時(shí)刻的指令，邏輯控制電路閉合S2，斷開(kāi)S1、S3、S4，將UR/2n接入積分器，開(kāi)始精積分（第三次積分），直至積

57、分輸出電壓為0，比較器2動(dòng)作，產(chǎn)生標(biāo)志t4時(shí)刻的指令，至此一個(gè)變換周期結(jié)束。 在t3t4期間， 計(jì)數(shù)器低位部分 工作，進(jìn)行精確 計(jì)數(shù)，所計(jì)脈沖 數(shù)如為N3=f0(t4t3)， 果計(jì)數(shù)器超出2n （即低位部分溢,86,出），溢出脈沖進(jìn)位到計(jì) 數(shù)器高位部分。 在三次積分期間，積 分器的輸出從零開(kāi)始最后 回到零，故積分電容凈得 電荷為零。經(jīng)推導(dǎo)得知： N=2nN2+N3 （3-5） 式中，N為計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)，它表示輸入電壓的平均值。由于N3對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓為UR/2n，所以得出式（3-5）。,87,經(jīng)證明得知：m位分辨力的雙積分式A/D變換器一般需要2m+1個(gè)脈沖數(shù)來(lái)變換滿度值（每次積分需要2m個(gè)脈

58、沖）。所以時(shí)鐘頻率為10MHz的14位分辨力的雙積分式A/D變換器的變換速度約為300次/秒（ ）。而14位三次積分式A/D變換器計(jì)滿的脈沖數(shù)共為32m/2=327，其變換速度可達(dá)26000次/秒（ ），故比雙積分式的速度可提高約85倍。三次積分式A/D變換器常被用于智能數(shù)字電壓表中，例如HP3455型、HP3458A型數(shù)字電壓表等。 另外，由于精積分時(shí)的基準(zhǔn)電壓僅為UR/2n，而使積分器輸出以很慢的速度越過(guò)零點(diǎn)，故可以提高變換精度。,88,3. 逐次比較式A/D變換器 逐次比較式數(shù)字電壓表又稱(chēng)為反饋編碼式數(shù)字電壓表，其核心是逐次比較式A/D變換器。逐次比較式A/D變換器的工作原理類(lèi)似于天平稱(chēng)

59、量物體質(zhì)量，按照“大者棄、小者留”的原則，將被測(cè)電壓與可變基準(zhǔn)電壓逐次進(jìn)行比較，直至逼近出被測(cè)電壓值。 (1) 逐次比較式A/D變換器工作原理 逐次比較式A/D變換器的原理框圖如圖3.24所示。 數(shù)碼寄存器SAR(Successive Approximation Register)在時(shí)鐘脈沖的作用下逐次提供從高位到低位代表不同電壓（即跳步電壓）的二進(jìn)制基準(zhǔn)碼。例如，設(shè)DVM基本量程滿度值為10V,89,（即UR=10V），且A/D變換器的位數(shù)為6位（二進(jìn)制），則從高位到低位每個(gè)二進(jìn)制基準(zhǔn)碼的跳步電壓值分別為 5V （102-1）、2.5V(102-2)、1.25V(102-3)、 0.625V(102-4)、0.3125