《电压的测量》ppt课件

电子测量技术第四章 电压的测量电子测量技术第四章 电压的测量Page 2第四章 电子示波器学习交直电压信号测量的各种方法，以及相关测量仪器的结构和工作原理。磁电指针电压和电流表，交流均值电压表和峰值电表，数字电压表。磁电指针电压表对测量结果的影响，电压分贝值的测量，双积分A/D转换。Page 2第四章 电子示波器 学习交直电第四章 电压的测量4.1 概述第四章 电压的测量4.1 概述Page 44.1 概述电压是反映电信号特征的基本参数，它的测量是电子电气测量的基本内容。在电子电路中，电路的工作状态，如谐振、平衡、截止、饱和以及工作点的动态范围，通常都以电压形式表现出来。电子设备的控制信号、反馈信号及其他信息主要表现为电压量。在非电量的测量中，也多利用各类传感装置将非电量参数转换成电压参数。4.1.1 电压测量的特点Page 44.1 概述 电压是反映电信号特Page 54.1 概述电路中其他电参数，包括电流和功率，以及信号的幅度、波形的非线性失真系数、元件的Q值、网络的频率特性和通频带、设备的灵敏度等，都可以视做电压的派生量，通过电压测量获得其量值。最重要的是，电压测量直接、方便，将电压表并接在被测电路上，只要电压表的内阻足够大，就可以获得较满意的测量结果。作为比较，电流测量就不具备这些优点，首先必须把电流表串接在被测电路中，很不方便.4.1.1 电压测量的特点Page 54.1 概述 电路中其他电参数Page 64.1 概述2电压测量的特点和要求（1）频率范围宽在电子电路和电气设备中，电压信号的频率范围非常宽，除直流外，且频段不同，测量方法也各不相同。例如，对于低频电压信号，是先放大，后检波，再测量；而对于高频电压信号，则是先检波，后放大，再测量。（2）测量范围大待测电压的大小差别很大，若待测信号电压电平低，则要求电压表分辨力高，而这种要求又受到外部干扰、内部噪声等的限制。若待测信号电压电平高，则要考虑电压表输入级中加接分压网络，但这样又会降低电压表的输入阻抗。4.1.1 电压测量的特点Page 64.1 概述2电压测量的特点和要求4.Page 74.1 概述（3）信号波形复杂待测电压的波形除了正弦波外，还包括失真的正弦波以及各种非正弦波，如方波、三角波、尖脉冲等信号，不同波形电压的测量方法及对测量准确的影响是不同的。（4）被测电路的输出阻抗差别大在实际中被测电路的输出阻抗Z0差别很大，在电压测量中，电压表是与被测电路并联的，电压表的负载效应对测量结果的准确度有影响，尤其是对输出阻抗Z0比较高的电路，因此，要求电压表的内阻大，相关的电压测量仪器输入阻抗高。4.1.1 电压测量的特点Page 74.1 概述（3）信号波形复杂4.1.Page 84.1 概述（5）测量精度差异大由于被测电压的频率、波形等因素的影响。电压测量的准确度有较大差异。电压值的基准是直流标准电压，直流测量时分布参数等的影响可以忽略不计，因而直流电压测量的精度较高，但交流电压测量精度要低得多。（6）外界干扰电压测量易受外界干扰的影响，当被测信号电压较小时，干扰往往成为影响测量精度的主要因素。对于高灵敏度的电压表，如数字电压表、高频毫伏表等，必须具有较强的抗干扰能力，测量时也要特别注意采取相应措施。4.1.1 电压测量的特点Page 84.1 概述（5）测量精度差异大4.1.Page 94.1 概述1模拟式电压表模拟式电压表的结构相对简单，价格较为便宜，频率范围也宽，另外在某些场合并不需要准确测量电压的真实大小，而只需要知道电压大小的范围或变化趋势，此时用模拟式电压表反而更为灵活、直观。（1）按测量功能分，分为直流电压表、交流电压表和脉冲电压表；（2）按工作频段分类，低频电压表、高频电压表等；（3）按电压量级分类，压表可分为电压表和毫伏表（毫伏量级）；（4）按准确等级分类，分为0.05、0.1、0.2等。4.1.2 电压测量仪器的分类Page 94.1 概述 1模拟式电压表4.1.Page 104.1 概述2.数字式电压表分类数字式电压表的优点表现在：测量准确度高，测量速度快，输入阻抗高，过载能力强，抗干扰能力和分辨率优于模拟式电压表。此外，由于测量结果以数字形式输出、显示，因此除读数直观外，还便于和计算机及其他设备连用，组成自动化测试仪器或自动测试系统。数字式电压表目前尚无统一的分类标准。一般按测量功能分为直流数字电压表和交流数字电压表。交流数字电压表按其AC/DC变换原理分为峰值交流数字电压表、平均值交流数字电压表和有效值交流数字电压表。4.1.2 电压测量仪器的分类Page 104.1 概述2.数字式电压表分类4.第四章 电压的测量4.2 磁电动圈式直流电表第四章 电压的测量4.2 磁电动圈式直流电表Page 124.2 磁电动圈式直流电表1.磁电动圈式电表的结构图4-1所示，磁电式电表由固定部分和可动部分组成。其中固定部分由永久磁铁1、极掌2和固定在支架上的圆柱形铁心5构成。可动部分由绕在铝框架上的可动线圈4、线圈极端的两个半轴3、与转轴相连的指针8、平衡锤6，以及游丝7所组成。4.2.1 磁电动圈式电表的工作原理 整个可动部分支承在轴承上，线圈放在环形气隙之中，由于永久磁铁放在可动线圈的外面，所以称为外磁式。Page 124.2 磁电动圈式直流电表1.磁电动圈Page 134.2 磁电动圈式直流电表可动线圈通电之后，受到三个力矩的作用力。一个是与永久磁铁的磁场相互作用形成的转动力矩，使可动线圈产生偏转。另一个是反作用力矩，通常由游丝产生，每一个游丝都是一端与可动线圈相连。它的作用除了产生反作用力矩外，还可以作为电流导入可动线圈的引线。第三个是阻尼力矩，可以与永久磁铁磁场作用形成一个电磁阻尼力矩，它的方向总是与铝框架的运动方向相反，这样就能使指针很快停留在相应的读数位置，防止指针左右摆动。4.2.1 磁电动圈式电表的工作原理Page 134.2 磁电动圈式直流电表 可Page 144.2 磁电动圈式直流电表2.电表的工作原理设电流表铁心5与极掌2之间工作气隙内的磁感应强度为B，且由于气隙结构特点，使得气隙内的B值处处相等，其方向如图4-2所示，都是通过轴心呈辐射形。4.2.1 磁电动圈式电表的工作原理Page 144.2 磁电动圈式直流电表2.电表的工Page 154.2 磁电动圈式直流电表根据物理学原理，可动线圈通电后在气隙磁场内所受的转动力矩M 为：4.2.1 磁电动圈式电表的工作原理线圈在转动的过程中要受到游丝产生的反作用力矩M的作用，其大小与线圈转动的角度成正比，即：当转动力矩M 等于反作用力矩M时，上式可得：电流表可动线圈的偏转角与电流I 成正比。这就是磁电式电表测量电流的工作原理。上面介绍的电表习惯上称为表头，它只能通过小电流，两端的电压也很小。如果要测量更大的电流，必须在表头上并联分流电阻，以扩大测量电流的量程。如果要测量更高的电压，需要与表头串联附加电阻，以扩大测量电压的量程。Page 154.2 磁电动圈式直流电表 Page 164.2 磁电动圈式直流电表1分流电阻的计算从磁电式电表的工作原理可以看出，磁电式电表可以直接作为电流表使用。但由于被测电流需要通过游丝和可动线圈，而它们又都是截面极细的金属丝，所以直接测量电流时最大量程只能是微安或毫安级。如果要测量大电流，就要加接分流电阻。4.2.2 电流表扩大量程的方法 分流电阻扩大电流量程的电路如图4-3所示，图中表头内阻为Rin，分流电阻为Rsh，它与表头并联（即Rsh与Rin并联）。Page 164.2 磁电动圈式直流电表 1分流电阻Page 174.2 磁电动圈式直流电表 假设当被测电流为I 时，通过表头的满刻度电流为 Im，其余电流通过电阻Rsh分流（即Ish），可以建立下面的的关系式：4.2.2 电流表扩大量程的方法 若n 表示被测电流与表头满度电流之比 I/Im，那么n 值就是电流表并联分流电阻后量程扩大的倍数。Page 174.2 磁电动圈式直流电表 Page 184.2 磁电动圈式直流电表例：有一磁电式表头，其满刻度电流为200 A，可动线圈内阻为300，若要把满刻度电流扩大到10 mA、100 mA、0.5A，应分别并联多大的分流电阻？解：（1）10 mA的量程，（2）100 mA的量程，（3）0.5A的量程，上述结果表明，电流量程越大，分流电阻越小，通过分流电阻的电流越大，但通过表头的电流是不变的。Page 184.2 磁电动圈式直流电表例题4-1例：Page 194.2 磁电动圈式直流电表2两种分流电路 对于固定式扩大电流量程，可采用图4-4所示的开路式分流器来改变电流的量程，这种电路简单，分流电阻的计算也比较方便。4.2.2 电流表扩大量程的方法Page 194.2 磁电动圈式直流电表2两种分流电Page 204.2 磁电动圈式直流电表2两种分流电路 对于万用表中的分流器，因为转换开关经常转动，如果开关触点接触不良，对于开路式分流器，就会造成分流器断开，若此时通电，会造成表头损坏。在万用表中一般采用如图4-5所示的闭路式分流器来改变电流的量程。这种分流器的特点是整个闭合电路的电阻不变，分流电阻减少时，表头支路的电阻增大，通过表头的电流变小。4.2.2 电流表扩大量程的方法Page 204.2 磁电动圈式直流电表2两种分流电Page 214.2 磁电动圈式直流电表1附加电阻的计算 设磁电动圈式表头的内阻为Rin，满刻度电流为Im，如果该表头作为直流电压表使用，则其满刻度电压Um为：4.2.3 电压表扩大量程的方法 通常磁电动圈式表头的满刻度电压很小，例如某表头的满刻度电流为200A，内阻为300，它的满刻度电压仅为60 mV，显然不能满足实际测量的需要。为了扩大表头测量电压的范围，通常与表头串接若干个附加电阻，Ra1、Ra2、Ra3、。这样，就引入了U1、U2、U3、多个电压量程。Page 214.2 磁电动圈式直流电表1附加电阻的Page 224.2 磁电动圈式直流电表 由图可以计算，各个附加电阻的阻值分别为：4.2.3 电压表扩大量程的方法Page 224.2 磁电动圈式直流电表 Page 234.2 磁电动圈式直流电表例：假设图4-6中表头的满刻度电流为50 A，内阻为4 k，三个量程的电压分别为1V、10V、100V，求对应于三个电压量程的附加电阻。解：已知表头的内阻 Rin=4 k，满刻度电流 Im=50 A，根据公式，可分别计算出Ra1、Ra2、Ra3，Page 234.2 磁电动圈式直流电表例题4-2例：Page 244.2 磁电动圈式直流电表2电压灵敏度 通常把电压表内阻RV 与相应量程电压U 之比定义为电压灵敏度。“/V”数越大，指针偏转同样角度所需的驱动电流越小。由“/V”数，可推算出不同量程的内阻。例如，某电压表的“/V”为“20k/V”，当用10V档时，电压表的内阻为RV=1020k=200k；当100V档时，内阻为RV=10020k=2000k。如果给出了表头的灵敏度，实际上也就给出了电表的满刻度电流。例如，上述电压灵敏度为“20k/V”的表头，它的满刻度电流为Im=1V/20 k=50 A。4.2.3 电压表扩大量程的方法Page 244.2 磁电动圈式直流电表2电压灵敏度Page 254.2 磁电动圈式直流电表1电压表和电流表内阻对测量结果的影响 磁电动圈式直流电压表和电流表的结构简单，使用方便，价格便宜，其主要缺点是灵敏度不高，内阻对测量结果影响较大。由于测量电压时电压表与被测电路并联，当电压表的量程较低时，电压表的内阻较小，其负载效应对被测电路工作状态及测量结果的影响较大。而测量电流时，电流表与被测电路串联，如果电流表的内阻较大，也会影响电路的工作状态及测量结果。4.2.4 电表内阻对测量的影响 因此，电压表的内阻应尽量大些，且量程越大，内阻应越大；而电流表的内阻应尽量小一些，且量程越大，内阻应越小。Page 254.2 磁电动圈式直流电表1电压表和电Page 264.2 磁电动圈式直流电表例：如图4-7所示，图中电阻R1、R2的阻值都为100k，电源电压为200V，用内阻Rv分别为100k和1000k电压表测量R1的电压，分别计算电压表内阻影响所产生的误差。解：R1上的实际电压值为:用内阻为Rv1=100 k电压表测量得R1上的电压为:Page 264.2 磁电动圈式直流电表例题4-3例：Page 274.2 磁电动圈式直流电表这时测量的相对误差为:用内阻为Rv2=1000 k电压表测量得R1上的电压为:相对误差为:可见，用内阻大的电压表，对被测电路影响小，测量结果的误差比较小。Page 274.2 磁电动圈式直流电表例题4-3这时Page 284.2 磁电动圈式直流电表例：如图4-8所示，图中电阻R为400，电压U为100V，用内阻 Ri 分别为400和10的电流表测量电路中的电流，分别计算由电流表内阻影响所产生的测量误差。解：从图中可以看出，如果不考虑电流表内阻的影响，电路中的实际电流为:如果电流表内阻Ri1为400，则电路中的电流为:这时测量的相对误差为:Page 284.2 磁电动圈式直流电表例题4-4例：Page 294.2 磁电动圈式直流电表 如果电流表内阻Ri2为10，则电路中的电流为:这时的相对误差为:可见，电流表的内阻越小，对被测电路影响越小，测量结果的误差就越小。Page 294.2 磁电动圈式直流电表例题4-4 Page 304.2 磁电动圈式直流电表2消除电压表的负载效应 对于内阻大的电源，欲测量其空载电压Ux，如果用电压表直接测量，由于电压表内阻Rv并接在电源两端，形成电流回路，电源内部有一定的电压降，会使测量结果造成较大的误差。为此，采用图4-9所示的电路测量。4.2.4 电表内阻对测量的影响Page 304.2 磁电动圈式直流电表2消除电压表Page 314.2 磁电动圈式直流电表 图中Ux为电源的空载电压，Ri为电源的内阻，Rv为电压表的内阻。先按图4-9（a）的电路测量，电压表的指示电压为U1，即：4.2.4 电表内阻对测量的影响 然后按图4-9（b）串接一个辅助测量电阻Rs，这时电压表指示的电压值为U2，即 将两式相除，消除Ux后，可得：Page 314.2 磁电动圈式直流电表 Page 324.2 磁电动圈式直流电表4.2.4 电表内阻对测量的影响 利用上式，可解出电源的内阻Ri，即：代上式，可得电源的空载电压Ux：如果上述测量中的辅助电阻Rs是一只电位器，调节Rs，使U2刚好等于U1的一半，上式中的U2/（U1U2）=1，可简化：Page 324.2 磁电动圈式直流电表4.2.4第四章 电压的测量4.3 交流电压的量值和测量方法第四章 电压的测量4.3 交流电压的量值和测量方法Page 344.3 交流电压的量值和测量方法 交流电压除用具体的函数关系式表达其大小随时间变化的规律外，通常还可以用峰值、平均值、有效值等参数表示。（1）峰值 一个周期内偏离基线的最大值称为幅值，也叫峰值，用Um表示。在波形不失真的情况下，正、负峰值是相等的。4.3.1 交流电压的量值表示Page 344.3 交流电压的量值和测量方法 Page 354.3 交流电压的量值和测量方法（2）平均值 在数学上，交流电压u（t）的平均值定义为按照这个定义，对于对称正弦波电压，上式的积分等于零，即平均值为零。在电子电气测量中，平均值通常是指交流电压检波（也称整流）以后的平均值。（3）有效值 某一交流电压的有效值等于这样一个直流电压的数值U，即当该交流电压和数值为U的直流电压分别施加于同一个电阻上时，在一个周期内两者消耗的电能相等。4.3.1 交流电压的量值表示图形面积、除1.4或乘 0.7Page 354.3 交流电压的量值和测量方法（2）平Page 364.3 交流电压的量值和测量方法（1）波形因数：波形因数定义为交流电压的有效值U与平均值 之比，用符号KF 表示，即：4.3.2 交流电压量值的转换（2）波峰因数：波峰因数定义为交流电压的峰值Um与有效值U 之比，用符号KP 表示，即：虽然电压量值可以用峰值、有效值和平均值表征，但基于功率的概念，国际、国内均以有效值作为交流电压的表征量，例如电压表，除特殊情况外，几乎都是按正弦波的有效值来定度。Page 364.3 交流电压的量值和测量方法（1）波Page 374.3 交流电压的量值和测量方法 当用正弦波有效值定度的交流电压表测量电压时，如果被测电压是正弦波，电压表的读数就是正弦波电压的有效值，根据表4-1很容易从电压表读数即有效值得知它的峰值和平均值。如果被测电压是非正弦波，那么必须根据电压表读数和电压表所采用的检波方法进行必要的波形换算，才能得到有效值、峰值和平均值。4.3.2 交流电压量值的转换Page 374.3 交流电压的量值和测量方法 Page 384.3 交流电压的量值和测量方法Page 384.3 交流电压的量值和测量方法Page 394.3 交流电压的量值和测量方法Page 394.3 交流电压的量值和测量方法Page 404.3 交流电压的量值和测量方法 测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同。其中最主要的是利用交流/直流（AD/DC）转换电路（多为二极管检波电路），将交流电压转换成直流电压，然后接到直流电压表上进行显示。根据检波特性的不同，检波法又可分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等。模拟交流电子电压表主要有以下几种类型：4.3.3 电子交流电压表的主要类型Page 404.3 交流电压的量值和测量方法 Page 414.3 交流电压的量值和测量方法（1）检波-放大式 先对被测交流电压进行检波，然后将检波得到的直流电压送直流放大器放大，最后送电表显示，如图4-12所示。这种电子电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。4.3.3 电子交流电压表的主要类型Page 414.3 交流电压的量值和测量方法（1）检Page 424.3 交流电压的量值和测量方法（2）放大-检波式 这种类型是先对被测电压信号进行放大，然后检波，最后将检波得到的直流电压送电表显示，如图4-13所示。这种电子电压表的输入阻抗大，测量灵敏度高，频率范围主要取决于宽带交流放大器。4.3.3 电子交流电压表的主要类型Page 424.3 交流电压的量值和测量方法（2）放Page 434.3 交流电压的量值和测量方法（3）调制式 调制式电子电压表实际上仍然属于检波-放大式类型。在这种方式中，为了减小直流放大器的零点漂移对测量结果的影响，采用调制式放大器替代，即先将微弱的直流电压信号经调制器变换为低频的交流信号，由交流放大器进行放大，然后经解调器还原为直流电压信号（幅度已得到了放大），最后送电表显示。4.3.3 电子交流电压表的主要类型Page 434.3 交流电压的量值和测量方法（3）调Page 444.3 交流电压的量值和测量方法（4）外差式 检波-放大式电压表虽然频率范围较宽，但检波二极管的非线性限制了它的灵敏度；而放大-检波式电压表，虽然灵敏度可以提高，但频率范围较窄。外差式电压测量法主要用于解决了灵敏度和频率范围之间的矛盾。4.3.3 电子交流电压表的主要类型Page 444.3 交流电压的量值和测量方法（4）外Page 454.3 交流电压的量值和测量方法 这种电压表的输入电路包括输入衰减器和高频放大器，衰减器用于大电压测量，高频放大器带宽很宽，但不要求有很高的增益，被测电压的放大主要由后面的中频放大器完成。被测信号经输入电路，与本机振荡信号一起进入混频器，转变成频率固定的中频信号，经中频放大器放大后，进入检波器转变成直流电压，最后送电表显示。由于中频放大器具有良好的频率选择性和固定的中频频率，从而解决了放大器增益带宽的矛盾，又因为中频放大器具有极窄的带通滤波特性，因而可以在实现高增益的同时，有效地抑制干扰和噪声的影响。4.3.3 电子交流电压表的主要类型Page 454.3 交流电压的量值和测量方法 第四章 电压的测量4.4 电子交流电压表第四章 电压的测量4.4 电子交流电压表Page 474.4 电子交流电压表1平均值检波器 4.4.1 均值电压表平均值检波器由4只性能相同的二极管构成桥式全波检波（整流）电路。半桥式整流等效电路为了改善整流二极管的非线性Page 474.4 电子交流电压表1平均值检波器 Page 484.4 电子交流电压表2低频均值电压表 4.4.1 均值电压表放大器的主要作用是放大被测电压，提高测量灵敏度，使检波器工作在线性区域，同时它的高输入阻抗可以大大减小负载效应。由于放大器频率特性的限制，测量频率多在1MHz以下，测量的电压信号频率比较低，所以这种电压表属于低频交流电压表。上述的平均值检波电路输入阻抗低，当输入信号比较小时，会出现非线性特性。因此，均值电压表一般都设计成放大-检波式的结构。Page 484.4 电子交流电压表2低频均值电压表Page 494.4 电子交流电压表 图4-17是JB-1B型交流电压表的未级电路原理图，放大器后接了一个全波桥式整流器，由4只二极管D1D4组成均值检波器，频率测量范围为2Hz500kHz，电压测量范围为50 V300 V的电压，最小量程为1mV。图4-17中，R1、C2组成滤波器，R2、D5为线性补偿电路，当信号电压较低时，由于二极管具有非线性，因此表头电流偏小，此时R2、D5的分流作用也减小，使表头电流有所增加，从而起到线性补偿作用。当信号频率过低（210Hz）时，阻尼开关S闭合，以避免表针摆动。4.4.1 均值电压表Page 494.4 电子交流电压表 图Page 504.4 电子交流电压表3波形换算 电压表的刻度是以正弦波电压的有效值定度的，而均值检波器的输出（即流过电流表的电流）与被测信号电压的平均值成线性关系，因而有：4.4.1 均值电压表 式中Ua为电压表的指示值，为被测交流电压的平均值，Ka称为定度系数。由于交流电压表是以正弦波有效值定度的，因此对于全波检波（整流）电路构成的均值电压表，定度系数Ka就等于正弦信号的波形因数，即：Page 504.4 电子交流电压表3波形换算 4.Page 514.4 电子交流电压表 如果被测信号为正弦波，则电压表的指示值就是被测电压的有效值。如果被测信号是非正弦波形，那么需要进行“波形换算”，由电压表指示值和被测信号的具体波形推算出被测信号电压的有效值。由波形因数 KF 定义可知，有效值U=KF 平均值，并可得任意波形电压的有效值的变换公式，即：4.4.1 均值电压表 这就是均值电压表测量非正弦波信号电压有效值的波形变换公式。Page 514.4 电子交流电压表 Page 524.4 电子交流电压表例：用全波整流均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，若电压指示值均为10V，求这些被测电压的平均值和有效值。解：根据电压表指示值相等，均值也相等的原理，可得三种波形的平均电压都为：对于正弦波，由于电压表是按正弦波有效值定度的，电压表的指示值就是正弦波的有效值，即：U=Ua=10V 对于三角波，查表4-1知，三角波的波形因数为KF=1.15，所以三角波的有效值为：VPage 524.4 电子交流电压表例题4-5例：用全Page 534.4 电子交流电压表 对于方波，由前表可知，方波的波形因数数KF=1，所以方波的有效值为：显然，如果被测电压不是正弦波形，而直接将电压表的指示值作为被测电压的有效值，必将带来较大的误差，通常称为“波形误差”。如果直接将电压表的指示值Ua=10V作为其有效值，则三角波的波形误差为：方波的波形误差为：解：Page 534.4 电子交流电压表例题4-5 Page 544.4 电子交流电压表1峰值检波器（1）串联型峰值检波器 图4-18分别是串联式峰值检波电路和波形，图中元件参数应满足RC Tmax ；RdC Tmax，因此放电非常缓慢，输出电压Uo（即电阻R上电压）下降很少，其值近似为ux峰值的两倍，即Uo 2Um4.4.2 峰值电压表Page 594.4 电子交流电压表1、在ux的负半周Page 604.4 电子交流电压表2高频峰值电压表 由于放大器频率特性的限制，通常测量高频信号的电压表不采用放大-检波式，而采用下图的检波-放大式。在这类检波-放大式高频毫伏表中，检波器一般采用峰值检波电路。4.4.2 峰值电压表Page 604.4 电子交流电压表2高频峰值电压表Page 614.4 电子交流电压表 采用这种结构，放大器放大的是检波后的直流电压信号，其频率特性不会影响整个电压表的频率响应。此时测量电压的频率范围主要取决于检波器的频率响应。现在的高频电压表都采用特殊性能的高频检波二极管构成的检波电路，并放置在屏蔽良好的探头内，用探头的探针直接接触被测点，这样可以避免过长输入线的分布电容和引线电感的影响，大大地减小高频信号在传输过程中的损失。在这类检波-放大式高频毫伏表中，检波器一般采用峰值检波电路。为了减小一般直流放大器零点漂移对测量结果的影响，多采用调制式直流放大器放大检波后的直流电压信号。4.4.2 峰值电压表Page 614.4 电子交流电压表 采Page 624.4 电子交流电压表 DA36型和AS2271型超高频毫伏表，其探头内装有两组严格对称的检波二极管，一组直接对高频信号检波，另一组对其进行电压反馈，以克服二极管固有的小信号区城的非线性特性，从而提高了检测的灵敏度。4.4.2 峰值电压表Page 624.4 电子交流电压表 DPage 634.4 电子交流电压表3.波形换算 有 电压表指示值Ua；峰值检波器输出电压Uo（等于峰值电压Um）；电压的有效值U等于电压表的指示值Ua 波峰因数定义为Kp=Um/U，由此可得峰值Um 和有效值U为：4.4.2 峰值电压表 这就是峰值电压表测量非正弦波信号电压有效值的波形变换公式。Page 634.4 电子交流电压表3.波形换算4.Page 644.4 电子交流电压表例：用峰值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，电压表均指在10V位置，问三种波形的被测信号的峰值和有效值各为多少？解：根据示值相等峰值也相等的原理及公式，可得三种波形的电压峰值Um都为：因为电压表就是以正弦波的有效值定度的，因此正弦波的有效值就是电压表的指示值，即正弦波的有效值U=10V。对于三角波，根据公式和查表知 Kp=1.73，其有效值U 为：对于方波，波峰因数为Kp=1.0，其有效值U 为：Page 644.4 电子交流电压表例题4-6例：用峰Page 654.4 电子交流电压表 在前面已介绍了交流电压有效值定义的数学表达式：4.4.3 有效值电压表 由上式可知，为了获得有效值（均方根值），必须使AC/DC变换器具有平方律关系的伏安特性。这类变换器有二极管平方律检波、分段逼近检波、热电变换式和模拟计算式等四种。Page 654.4 电子交流电压表 在前Page 664.4 电子交流电压表1二极管平方律检波 半导体二极管在其正向特性的起始部分具有近似的平方律关系。4.4.3 有效值电压表可见，通过电表的平均电流与被测电压的有效值成正比，从而实现了有效值的平方律转换。这种转换器的优点是电路简单，灵敏度高。缺点是满足平方律特性的区域（即有效值检波的动态范围）过窄，特性不易控制且不稳定，所以逐渐被晶体二极管链式网络组成的分段逼近式有效值检波器所代替。Page 664.4 电子交流电压表1二极管平方律检Page 674.4 电子交流电压表 2.分段逼近检波式 下 图是分段逼近式有效值检波电路及其平方律伏安特性。由二极管D3D6和电阻R3R10构成的链式网络相当于与R2并联的可变负载。接在宽带变压器次级的二极管D1、D2对被测电压进行全波检波。适当调节检波器负载，可使其伏安特性成平方律关系，而使通过电表的电流正比于被测电压有效值的平方。4.4.3 有效值电压表Page 674.4 电子交流电压表 2.分段逼近检Page 684.4 电子交流电压表 二极管链式电路的工作原理是：适当选择直流电源E和分压电阻R3R10的值，使U1 U2 U3 U4。当u U1时，二极管D3D6截止，伏安特性起始部分是直线，斜率由R2决定。当U1 u Us时，分贝值为正；当Ux 1，因此（4-35）式可简化为：上式表明，由于电阻R2的负反馈作用，放大器的输出和输入之间呈线性关系，输出电压uo大小与比值R2/R1成正比，而与其它参数无关。Page 974.6 数字电压表 设集成Page 984.6 数字电压表 2I/V变换器 将直流电流 Ix 变换成直流电压最简单的方法:是让该电流流过一只标准电阻Rs。根据欧姆定律，Rs上的端电压Ux=Rs Ix，从而完成了I/V的线性转换。为了减小Rs 对被测电路的影响，标准电阻Rs 的取值应尽可能小。4.6.3 电压、电流、电阻转换电路Page 984.6 数字电压表 2I/V变换器4.Page 994.6 数字电压表 图（a）是采用高输入阻抗同相运算放大器，其输出电压Uo与被测电流 Ix 之间满足以下关系：4.6.3 电压、电流、电阻转换电路 当被测电流较小时（Ix小于几个毫安），采用图4-36（b）所示的转换电路，忽略运放输入端的漏电流，输出电压Uo与被测电流 Ix之间满足下面的关系：上面两式表明，运放的输出电压Uo与被测电流 Ix成正比，从而实现了电流的I/V转换。Page 994.6 数字电压表 图（a）Page 1004.6 数字电压表 3/V变换器 实现/V变换的方法有多种。图4-37是恒流法/V变换器的原理图。图中Rx为待测电阻，Rs为标准电阻，Us为基准电压源。该图实质上是由运算放大器构成的负反馈电路，利用前面的分析方法，可以得到：4.6.3 电压、电流、电阻转换电路 即输出电压Uo与被测电阻Rx成正比，Us/Rs实质上构成了恒流源，改变Rs，可以改变Rx的量程。Page 1004.6 数字电压表 3/V变换器4Page 1014.6 数字电压表1A/D转换的主技术参数（1）转换精度 A/D转换的精度用分辨力和转换误差表示。分辨力以输出二进制或十进制位数表示，它说明A/D转换器能够分辨的输入信号最小变化量。实际上，n位的A/D转换的功能是将基准对应的满量程电压分为2n分，通过比较确定输入电压属于哪一份。在这一过程中，必定会引入误差，即转换误差。例如，8位A/D转换器的最小分辨电压为5V/256=19.5 mV，10位A/D转换器的最小分辨电压为5V/1024=4.9 mV，12位A/D转换器的最小分辨电压为5V/4096=1.24 mV。这表明，A/D转换器的位数越高，分辨力越高，转换误差越小。4.6.4 数字电压表的A/D转换器Page 1014.6 数字电压表1A/D转换的主技Page 1024.6 数字电压表（2）转换时间 转换时间是指A/D转换从启动信号到转换完成，数据稳定输出所需要的时间。不同方式的A/D转换所需要的时间差别很大，逐次比较型A/D转换的时间通常很短，而积分型A/D转换的时间则比较长。（3）转换线性度 输入电压与输出数码之间理想的传递关系应该是线性对应的。但是，实际的A/D转换器的传递关系总是或多或少存在非线性。转换线性度通常用非线性误差表示，即由于非线性的传递关系使输出数码具有的最大误差。4.6.4 数字电压表的A/D转换器Page 1024.6 数字电压表（2）转换时间4.Page 1034.6 数字电压表2.逐次比较型A/D转换器4.6.4 数字电压表的A/D转换器Page 1034.6 数字电压表2.逐次比较型A/Page 1044.6 数字电压表 如图4-38所示，逐次比较型A/D变换器主要包括比较器、控制电路、逐次逼近寄存器SAR、缓冲寄存器、基准电压源、译码显示电路和数/模（D/A）变换器等。比较器利用特殊设计的高速高增益运算放大器来完成输入端两个电压的比较运算。在图4-38中，被测模拟输入电压Ux和反馈电压Uo分别作用在比较器的两个输入端，若Uo Ux，则比较器输出Qc=0（逻辑低电平），若Uo Ux，则Qc=1（逻辑高电平）。4.6.4 数字电压表的A/D转换器Page 1044.6 数字电压表 如图4Page 1054.6 数字电压表 控制电路发出一系列的节拍脉冲，并根据Qc值控制逐次逼近寄存器SAR各位的输出状态。SAR是一组双稳态触发器，如果是二进制n位A/D转换，则SAR中有n个双稳态触发器，各位的输出由控制电路控制，SAR的输出数码分两输出，一路送缓冲寄存器锁存，另一路送D/A变换器，将数字量转换为模拟量Uo。D/A变换器包括基准电压源、电子开关和分压分流电路组成的解码网络，其功能是将二进制数字量转换成模拟量。4.6.4 数字电压表的A/D转换器Page 1054.6 数字电压表 控制Page 1064.6 数字电压表 逐次比较型A/D的转换过程类似于天秤称质量的过程。它利用对分搜索的原理，依次按二进制递减规律变小，从数码的最高位开始，逐次比较到最低位，使图4-38中的反馈电压Uo逐次接近被测输入电压Ux。现以一个简单的3比特（即3位二进制）逐次比较的过程说明其工作原理。设基准电压Us=8V，被测输入电压Ux=5V，3比特逐次逼近寄存器SAR的输出为Q2Q1Q0。控制电路首先置SAR的输出为Q2Q1Q0=100，即从最高位开始比较。100经D/A转换成Uo=Us/2=4V，加至比较器的反馈输入端，因为Uo Ux，比较器输出Qc=1，使SAR的Q2维持“1”。4.6.4 数字电压表的A/D转换器Page 1064.6 数字电压表 逐Page 1074.6 数字电压表 在此基础上再令Q1=1，这时Q2Q1Q0=110，加至D/A，其输出Uo=6V，因为这时Uo Ux，比较器输出Qc=0，所以将SAR的Q1=1改为Q1=0。接着再令Q0=1，即Q2Q1Q0=101，加至D/A，这时Uo=5V，因为Uo Ux，比较器输出Qc=1，Q0维持“1”。至此，三位码都已顺序加过，转换结束。最终SAR的输出为Q2Q1Q0=101，即为被测输入电压Ux的数字码，经缓冲寄存器送至译码电路，显示出十进制数5V。4.6.4 数字电压表的A/D转换器Page 1074.6 数字电压表 在此基Page 1084.6 数字电压表3.双积分型A/D转换器 图4-39和图4-40分别是双积分型A/D转换器的组成框图和工作原理图。下面对照这两幅图来介绍双积分型A/D转换的工作过程。4.6.4 数字电压表的A/D转换器Page 1084.6 数字电压表3.双积分型A/DPage 1094.6 数字电压表4.6.4 数字电压表的A/D转换器Page 1094.6 数字电压表4.6.4 数Page 1104.6 数字电压表整个A/D转换过程分三个阶段：（1）准备阶段（t0t1）：控制逻辑发出控制信号，使开关S4闭合，积分器输入端接地。（2）取样阶段（t1t2）：在t1时刻，控制逻辑发出取样指令，接通S1，断开S2S4，被测电压信号-Ux（设为负值）经过S1加到积分器输入端，积分器输出电压Uo线性上升。此时积分器的输出电压达到最大值Uom，即：4.6.4 数字电压表的A/D转换器Page 1104.6 数字电压表整个A/D转换过程分Page 1114.6 数字电压表（3）比较阶段（t2t3）：在取样结束，计数器复零时，控制逻辑断开S1，接通正基准电压+Us，送到积分器进行反向积分，输出电压Uo线性下降。与此同时，计数器从零开始进行加法计数。在比较阶段，积分器的输出电压Uo为：4.6.4 数字电压表的A/D转换器 当到达t3时刻时，过零比较器由高电平跳到低电平，计数闸门关闭，计数器停止计数，积分器输出电压Uo=0，即：Page 1114.6 数字电压表（3）比较阶段（t2Page 1124.6 数字电压表 设此时的计数值为N2，反向积分时间为T2=t3t2=N2 T0（见图4-40）。由上式可得：4.6.4 数字电压表的A/D转换器 由（4-40）式和（4-41）式可得：从而得到了被测电压值Ux。适当选择时钟周期T0和取样时间，可以使计数器的计数值直接对应被测电压值。如果被测电压为正Ux，则在比较开始时将基准电压-Us接入。Page 1124.6 数字电压表 Page 1134.6 数字电压表（1）测量范围：基本量程一般为1V或10 V，也有2V或5V的。通常术语中，3位（三位半）、4位（四位半）、中的1/2位是指最高位只能显示“1”或“0”，而不能像其它位那样可取09中的任一数码。对于3位、4位、5位的DVM，它们的最大显示数分别为1999、19999、199999、。（2）分辨力：分辨力是指DVM能够显示被测电压的最小变化值，即最小量程时显示器末位跳变一个字所需的最小输入电压。DVM的分辨力等于最小量程电压除以最大显示数。4.6.5 数字电压表的主要性能指标Page 1134.6 数字电压表（1）测量范围：4.Page 1144.6 数字电压表（3）测量速度：测量速度是指每秒钟能完成的测量次数，它主要取决于DVM所使用的A/D转换电路。双积分型DVM的速度一般在每秒几次到每秒几百次之间；逐次比较型DVM的速度很高，可达每秒100万次以上。（4）工作频率：工作频率一般为40400Hz，个别可达1kHz。工作频率主要受仪表输入电容、表笔引线分布电容和AC/DC转换电路的限制。（5）输入阻抗：在直流测量时，DVM输入阻抗用输入电阻Ri表示，量程不一样，Ri也有差别，大体在101000 M之间。4.6.5 数字电压表的主要性能指标Page 1144.6 数字电压表（3）测量速度：4.Page 1154.6 数字电压表（6）抗干扰能力：DVM采用共模抑制比和串模抑制比来表示抗干扰能力，一般要求共模抑制比为80150dB，串模抑制比为5090dB。（7）固有误差或工作误差：DVM的固有误差通常用绝对误差表示，它有两种表示形式：4.6.5 数字电压表的主要性能指标其中Ux为测量示值，Um为该量程的满度值，aUx称为读数误差；bUm称为满度误差，它与被测电压大小无关，而与所取量程有关。当量程选定后，显示结果末位1个字所代表的电压值也就一定，因此满度误差也可用正负几个字表示。Page 1154.6 数字电压表（6）抗干扰能力：4Page 1164.6 数字电压表例：某直流数字电压表的基本量程8V档的固有误差为 0.005Um，最大显示数为79999，问满度误差相当于几个字？解：8V量程的满度误差为 0.005Um ，该量程每个字所代表的电压值为79999所以8V档上的满度误差0.005Um也可以用 4个字表示。Page 1164.6 数字电压表例题4-11例：某直Page 1174.6 数字电压表例：用四位半SX1842DVM测量1.5V电压，分别用2V档和200V档测量，已知2V档和200V档固有误差分别为0.025Ux1个字和0.03 Ux1个字。分别求两种情况下由固有误差引起的测量误差。解：该DVM为四位半显示，最大显示数为19999，所以2V档和200V档1个字代表的电压分别为：用2V档测量时的示值相对误差为用200V档测量时的示值相对误差为Page 1174.6 数字电压表例题4-12例：用四第四章 电压的测量4.7 互感器和电位差计第四章 电压的测量4.7 互感器和电位差计Page 1194.7 互感器和电位差计 1互感器的用途 测量用互感器分：电压互感器和电流互感器两种，其原理和结构与一般小型变压器相同，利用它与交流仪表配合，可达到扩大仪表量程的目的，而且还有以下优点：（1）互感器可以隔离高压 互感器二次绕组电压较低，一次绕组与二次绕组之间通过电磁感应耦合。当用于测量高压电路的电压或电流时，一次绕组与被测电路相连，二次绕组接仪表，这就使仪表和操作人员与高压电路隔离开来。从而可以降低仪表绝缘的要求，同时也保证了操作人员的安全。4.7.1 电压互感器和电流互感器Page 1194.7 互感器和电位差计 1互感器的Page 1204.7 互感器和电位差计（2）可以降低表耗功率 与分流器、附加电阻的扩程办法相比，互感器扩程可以大大降低仪表消耗的功率。例如，20mA表头配上附加电阻后用来测量110kV电压，其表耗功率达2.2kW。如果采用了110kV：100V的互感器，表耗功率仅为2W。实际上，因安全和绝缘原因，测量高电压不能用附加电阻这种办法。（3）可以节省设备费用 一个互感器可以同时接入几种仪表。例如可同时接一个电压表、一个功率表的电压线圈和一个电能表的电压线圈。相反分流器和附加电阻却不能共用，每一台仪表需要配上自己的分流器和附加电阻，所以采用互感器的设备费用较低。4.7.1 电压互感器和电流互感器Page 1204.7 互感器和电位差计（2）可以降低Page 1214.7 互感器和电位差计（4）可以做到一表多用 同一量程的仪表配上不同的量程互感器，可以扩展仪表测定的范围，充分发挥仪表的利用率。对于生产厂来讲，同一量程仪表配上不同的刻度的互感器，就成为不同量程的仪表，这有利于产品标准化。常用电流表的标准量程为5A，电压表的标准量程为100V。4.7.1 电压互感器和电流互感器Page 1214.7 互感器和电位差计（4）可以做到Page 1224.7 互感器和电位差计2互感器的工作原理（1）电压互感器 变压比 KU 可以表示为：4.7.1 电压互感器和电流互感器 可见，一次绕组的被测高电压U1等于二次绕组的电压表读数U2 乘以变压比 KU。也有的电压表刻度值已经乘上KU，所以电表刻度上读出的数据就是被测电压U1。因此，利用电压互感器，可以通过测量二次绕组的低电压来反映一次绕组的高电压。Page 1224.7 互感器和电位差计2互感器的工Page 1234.7 互感器和电位差计（2）电流互感器：变流比 KI为：4.7.1 电压互感器和电流互感器 上式表明，一次绕组中的被测电流I1等于二次绕组的电流表读数I2乘以变流比 KI。有的电流表刻度值已经乘上KI，那么即可直接读出一次绕组的电流 I1。因此，可以通过测量二次绕组的小电流来反映一次绕组的大电流。Page 1234.7 互感器和电位差计（2）电流互感Page 1244.7 互感器和电位差计3互感器的使用（1）使用时应该注意，电压互感器不允许短路，所以电压互感器都接有熔断器；且电流互感器不允许开路。（2）互感器二次绕组的一端必须接地，防止互感器绝缘损坏时，一次绕组的高压串入二次绕组的低压侧，造成设备和人身事故。（3）互感器铭牌一般都标有额定功率、额定变比、准确度等级，使用时要选择功率相当的互感器。（4）凡是电压表或电流表上注有外附互感器的标注时，要注意这些仪表要与互感器配套使用。4.7.1 电压互感器和电流互感器Page 1244.7 互感器和电位差计3互感器的使Page 1254.7 互感器和电位差计 直流电位差计是利用直流补偿原理制成的一种仪器，所谓补偿法也是一种比较测量法，测量结果的准确度比较高，广泛用于精密测量领域，以及高准确度指示仪表的检定和校准。它除了可以测量电压之外，还可以测量电流、电阻、电功率。许多非电量也可以通过变换器转换为电压，然后用电位差计进行测量。4.7.2 直流电位差计Page 1254.7 互感器和电位差计 Page 1264.7 互感器和电位差计 图4-43是直流电位差计的电路原理，它可以分为、三个回路。回路称为工作电流回路，包括辅助电源E，调节工作电流用的可变电阻R、测量电阻Ra和校准电阻Rs。工作回路主要任务是提供一个稳定的工作电流，使电阻Ra和Rs4.7.2 直流电位差计能得到一个稳定的压降。回路 I称为校准回路，其中的标准电池Es用来校准工作电流，即当开关S合向 I 时，通过调节R，改变回路的工作电流 I，从而改变Rs上的压降。Page 1264.7 互感器和电位差计 Page 1274.7 互感器和电位差计 当检流计指示为零时，说明标准电池的电动势Es与工作电流在Rs上的电压降IRs相等，即Es=IRs。4.7.2 直流电位差计 回路称为测量回路，当开关S合向时，调节测量电阻 Ra，以改变Ra 左边a、b之间的压降Uab（此时不能再调节R，否则工作电流将发生变化）。若检流计指示为零，则表明在测量回路中的被测电压Ex与工作电流在Ra上的压降Uab相等，Uab称为补偿电压。式中Rab是Ra左边a、b之间的电阻，它是测量电阻Ra的一部分，称为补偿电阻。当调节Ra4时，可以从度盘上直接读出Rab值。若 I 已经调定为已知，就可以从Rab值求出Ex值。Page 1274.7 互感器和电位差计 Page 1284.7 互感器和电位差计 从上述的测量原理可以看出，电位差计具有两个特点：（1）电位差计的平衡是利用电动势互相补偿的原理，因此平衡时，测量回路不从Ex中获取电流，从而消除被测电源Ex的内阻、导线电阻、接触电阻对测量的影响。校准回路也一样，不从标准电池吸取电流，保持了标准电池电动势的稳定。（2）被测电压值由上式决定，式中的Es是标准电池的电动势，由于标准电池的性能稳定，它的电动势保证有较高的准确度，式中Rab和Rs可以用准确度、稳定度较高的电阻，所以电位差计的准确度可达0.001。4.7.2 直流电位差计Page 1284.7 互感器和电位差计