电压测量与电压表课件PPT.ppt 45页

'第3章电压测量与电压表电压测量是电测量与非电测量的基础；基本的电压测量仪器是电压表电子测量的三大仪器:电压表示波器电子计数器1 3.1概述3.1.1电压测量的基本要求1.频率范围广：0Hz（直流）～109Hz低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。2.量程宽微弱信号:心电医学信号、地震波等,纳伏级（10-9V）；超高压信号：电力系统中，数百千伏。3.电压波形的多样化电压信号波形是被测量信息的载体。各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。2 3.1.1电压测量的基本要求4.阻抗匹配在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。如：采用电压表与电流表测量电阻，当测量小电阻时，应采用电压表并联方案；当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。3 5.测量精度的要求差异很大10-1至10-9。6.测量速度的要求差异很大静态测量：直流（慢变化信号）,几次/秒;动态测量：高速瞬变信号,数亿次/秒（几百MHz）精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。7.抗干扰性能工业现场测试中，存在较大的干扰。3.1.1电压测量的基本要求4 3.2直流电流、直流电压的测量3.2.1直流电流的测量磁电式表头5 表头的满偏电流IO表头内阻ROIORO6 3.2.1直流电流的测量一、开路式分流电路例1：表头的灵敏度为1mA，内阻为360Ω，若测0~50mA，0~100mA的电流时，分流电阻为多少？0～50mA：0～100mA：量程变换开关的接触电阻对分流器电阻值的影响很大，尤其是对大电流量程，严重时会烧毁仪表，所以很少采用。+–AIARPR1R2R3SIX分流器7 3.2.1直流电流的测量二、闭路式分流电路AIARPR1R2R3SIX+–分流器8 三、实际测量中应注意的问题测量时，应将仪表串接入被测电路中；测量时，应注意使被测电流经正表笔(“+”端)流入仪表，由负表笔(“-”端)流出；如果不知被测电流的正负极性应将万用表量程开关打在最大量程，瞬间测量一下，观察表针偏转方向，如果正偏，说明接法正确，反偏则应调换表笔位置；应注意选用合适的量程进行测量，不知被测电流范围时，可从最大量程量起，逐渐变小量程，直至量程合适为止。9 3.2.2直流电压的测量测量电压时，应将仪表并接于被侧电路的两端；测量直流电压时，注意电压表正表笔(“+”端)接被测电压的高电位，负表笔(“-”端)接低电位，不能接反。AIARPR1R2SUX+–分压器10 3.3交流电压的测量3.3.1表征交流电压的基本参量峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。峰值以零电平为参考的最大电压幅值（用Vp表示）。注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）。11 3.3.1表征交流电压的基本参量平均值（均值）数学上定义为：相当于交流电压u(t)的直流分量。交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：12 3.3.1表征交流电压的基本参量有效值定义：交流电压u(t)在一个周期T内，通过某纯电阻负载R所产生的热量，与一个直流电压V在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压V的数值就表示了交流电压u(t)的有效值。表达式：13 3.3.1表征交流电压的基本参量波峰因数和波形因数波峰因数：峰值与有效值的比值，用Kp表示波形因数：有效值与平均值的比值，用KF表示14 3.3.2交流电压的测量方法交流/直流电压（AC-DC）转换原理模拟电压表的交流电压测量原理：交流电压--〉直流电流（有效值、峰值和平均值）--〉驱动表头--〉指示。交流电压--〉有效值、峰值和平均值的转换，称为AC-DC转换。由不同的检波电路实现。利用交流电压的热效应数字化测量的方法15 3.3.3峰值电压表一、组成框图二、峰值检波器二极管峰值检波电路（a.串联式b.并联式c.波形）VPu(t)t检波-放大式（b）并联式（a）串联式+u(t)−CR++–u(t)+−CR++–峰值检波器分压器直流放大器被测输入µA16 3.3.3峰值电压表特点：峰值检波器的输入阻抗高，可与被测电路相联峰值检波器体积小，可做成探头与被测电路相联，因此通过交流信号的测试线很短，分布参数以及引入的干扰信号小峰值电压表常用做超高频毫伏表，适于测量高频信号峰值电压表的常见型号：DA-1型、DA-4型、HFJ-8型、HFJ-8A型、DYC-5型等17 3.3.3峰值电压表三、刻度特性以正弦有效值刻度设电压表读数为α，测量正弦信号时：（正弦波电压有效值）2)测量非正弦信号时：α没有明确的物理意义，只说明:非正弦波电压的峰值与读数值相等的正弦波的峰值相等。18 【例1】用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压，电压表读数为10V，试求该方波电压的有效值为多少？【解】查得方波电压的波峰因数KP=1，则被测方波电压的有效值为：19 3.3.4均值电压表一、组成框图放大-检波式二、均值检波器（a）桥式（b）半桥式（c）半波整流式常用均值检波器+−u(t)C+−u(t)C+−u(t)Cu(t)+−C（d）加隔直电容半波整流式被测电压输入阻抗变换器可变量程衰减器宽带交流放大器均值检波器20 3.3.4均值电压表特点：均值电压表属于低频电压表；灵敏度可达到毫伏数量级，频率范围一般为20Hz~10MHz，故称为视频毫伏表；常见型号有：SX-2172型、DA-16型、DA-12型、GB-9型、GB-10型、AS2292型等。21 3.3.4均值电压表三、刻度特性以正弦有效值刻度设电压表读数为α，测量正弦信号时：（正弦波电压有效值）2)测量非正弦信号时：α没有明确的物理意义，只说明:非正弦波电压的均值与读数值相等的正弦波的均值相等。22 【例2】用DA-16型晶体管毫伏表去测量三角波电压，读得测量值为1V，试求三角波电压的有效值为多少？【解】查得三角波的波形因数KF=1.15，所以被测三角波的有效值为：23 3.3.4模拟式电压表实例（AS2292型）1.主要性能指标电压测量范围300μV～100V，分12挡。电平测量范围–70dB～40dB（0dB1mV600Ω）。频率范围20Hz～1MHz。电压测量固有误差（以1kHz为基准）300μV～3mV各挡±5%；＞3mV～100V各挡±3%。电压测量工作误差（在基准频率时）各挡±7%。输入阻抗1kHz时输入电阻约为500kΩ；输入电容在300μV～1V各挡约为45pF，3V～100V各挡约为25pF。24 M输出阻抗变换器分压器Ⅰ放大器Ⅰ量程控制Ⅰ量程控制Ⅱ放大器Ⅱ均值检波器±12V电源S2S3S1S4R1R2R3R4R5R6A输入B输入高阻衰减器分压器ⅡAS2292型交流电压表原理框图S5返回25 2.工作原理组成：衰减器、分压器、放大器、检波器、稳压电源、量程控制器等。S1：切换“A输入”或“B输入”状态。R1、R2：组成高阻衰减器。放大器Ⅰ：对10mV以下量程输入信号进行放大。分压器Ⅰ：对30mV以上量程输入信号进行衰减。分压器Ⅱ：由R3～R6组成。12挡量程：放大器Ⅰ、分压器Ⅰ、分压器Ⅱ组合。仪表量程控制：2刀12位波段开关。高阻衰减器由S4变换；放大器Ⅰ、分压器Ⅰ由S5控制。10mV以下挡，分压器Ⅰ断开；30mV以上挡，放大器Ⅰ不工作，信号经衰减进入分压器Ⅱ，分压器Ⅱ由四刀模拟开关（CH4066）变换。26 3.3.5使用方法及注意事项1.调零：机械调零或电气调零2.量程选择：一般情况，尽量使指针处在量程满刻度值的2/3以上区域。若事先不知道被测电压的大小，先从大量程开始，逐步减小量程，直至合适。3.拆接线顺序：测量时应先接入接地线，然后接另一测试线；测量结束时，按相反顺序取下连接线；测量时，接地点应可靠接地。4.测量非正弦波电压：选择合适的电压表外，还应对读数进行修正。5.测量音频电压：测量数伏级以上音频电压时，可使用一般导线作为测试线；测量毫伏级音频电压时，须严格调零、尽量选用短的带金属屏蔽的电缆作为测试线。27 6.测量电平值（绝对电平）分类：功率电平Pw、电压电平Pu0dB基准：1mW或0.775V（1）功率电平：Pw(dBm)=10lg(Px/1mW)（2）电压电平定义式：Pu(dBV)=10lg(Ux/0.775V)如果被测点的阻抗为600Ω，可将测试线直接并接于被测点两端，被测点的实际电平为Pu(dBV)=PuL(dBV)+PuP(dBV)式中，PuL(dBV)：量程开关分贝指示值；PuP(dBV)：表头分贝指示值。28 如果被测点阻抗不是600Ω，被测点的实际电平为Pu(dBV)=PuL(dBV)+PuP(dBV)+10lg当被测点阻抗为150Ω时，被测点实际电平为Pu(dBV)=PuL(dBV)+PuP(dBV)+10lg如果被测点为开路，应并接600Ω或150Ω无感电阻，实际电平值分别按以上两式计算。注意：零电平时的基准功率或基准电压，所用基准不同，换算得到的功率或电压值不同。7.注意安全、防止触电8.校准29 3.4数字电压表DVM的组成框图数字电压表（DigitalVoltageMeter，DVM）直流数字电压表输入电路A/D变换器计数器被测输入寄存显示电路逻辑控制电路模拟电路数字逻辑电路显示电路30 3.4数字电压表直流数字电压表的核心是A/D转换器积分式比较式复合式31 3.4.1逐次比较式DVM反馈编码式数字电压表工作原理：类似于“天平称量物体质量”一、工作原理Ux电压比较器数码寄存器译码显示D/A变换器基准电压逻辑控制电路时钟脉冲UsY1～Y6逐次比较式A/D变换器原理框图UR32 3.4.1逐次比较式DVM二、特点优点：变换速度快、精度高只要二进制数码位数足够多，其精度亦很高缺点：抗干扰能力差通常在输入端设置低通滤波器来抑制串模工频干扰33 3.4.2双积分式A/D转换器一、原理框图基准电压±URUx–∞++运放逻辑控制电路零比较器闸门计数器时钟脉冲显示复零溢出CRS1S234 3.4.2双积分式A/D转换器二、积分过程准备阶段逻辑控制器将计数器清零取样阶段在t1时刻S2闭合，积分器对被测电压Vx定时积分比较阶段在t2时刻，负极性的基准电压被接入到积分器，开始反向积分35 3.4.2双积分式A/D转换器T1定时正向积分T2定值反向积分T2′定值反向积分t1t0t2t3t3′URtttp(t)N1N2N2′000uo(t)ui(t)UxUx′双积分式A/D变换器工作波形36 3.4.2双积分式A/D转换器三、基本关系式例：已知一双积分式DVM，基准电压Ur=10V，设积分时间T1=1ms，时钟频率fo=10MHz，DVM显示T2时间计数值N=5600，问被测电压Ux=？37 3.4.2双积分式A/D转换器四、双积分式DVM的优点被测电压仅与T2和T1的比值有关，而与时钟脉冲频率的精确度及长期稳定度无关，故这种电压表对时钟脉冲的要求不高。RC元件的数值精度与测量结果无关，即可用低精度的RC元件来获得高精度的测量结果。对被测电压中混有对称周期性和噪声干扰信号时，电压表有很强的抑制能力。尤其是对于来自工频的干扰有着很强的抑制作用。成本低，电路简单。38 3.4.3DVM的工作特性电压测量范围显示位数完整显示位：能够显示0~9的数字。非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最高位上）。如4位DVM，具有4位完整显示位，其最大显示数字为9999。而4位半的DVM，具有4位完整显示位，1位非完整显示位，其最大显示数字为19999。量程基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/D转换器动态范围确定。通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展其他量程。如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五档量程；基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五档量程。39 3.4.3DVM的工作特性电压测量范围超量程能力——是指数字电压表在一个量程上所能测量的最大电压超出量程值的能力，是数字电压表的一个重要指标。例如：Ux=10.001V1、用基本量程为1V的4位DVM测量时：2、用基本量程为1V的4位半的DVM测量时：40 3.4.3DVM的工作特性分辨力指DVM能够分辨最小电压变化量的能力。反映了DVM灵敏度。用每个字对应的电压值来表示，即V/字。不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小量程上具有最高分辨力。例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字（即当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字”）。41 3.4.3DVM的工作特性测量速度每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒~几十次/秒。42 3.4.3DVM的工作特性测量精度取决于DVM的固有误差和使用时的附加误差（温度等）。固有误差表达式：读数误差：与当前读数有关。主要包括DVM的刻度系数误差和非线性误差。满度误差：与当前读数无关，只与选用的量程有关。43 3.4.3DVM的工作特性输入阻抗输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10MΩ~1000MΩ之间。对于交流DVM，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值一般在几十~几百pF之间。44 45'