信息与通信第4章电压测量

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第四章 电压测量,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,信息与通信第4章电压测量,4.1 概 述,一、电压测量的重要性,电压是一个根本物理量，是集总电路中表征电信号能量的三个根本参数(电压、电流、功率)之一，电压测量是电子测量中的根本内容。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、反响信号及其它信息，主要表现为电压量。在非电量的测量中，也多利用各类传感器件装置，将非电参数转换电压测量。,2,1. 频率范围广,2. 测量范围宽,超高压(几万伏以上)、高压(千伏以上)、大电压(几十伏以上)、中电压(0.1V至几十伏)、小电压(1,m,)及超小(微弱)电压(,1,m,V,以下)。,3波形多样化,4被测电路的输出阻抗匹配,5测量精度,6测量速度,7 抗干扰性能,二、电压测量的特点,3,三、电压测量的分类,1交流电压的模拟测量方法,2数字化直流电压测量方法,3交流电压的数字化测量,4基干采样的交流电压测量方法,5示波测量方法,4,42 电压标准,一、直流电压标准,1标准电池,标准电池是利用化学反响产生稳定可靠的电动势(1.01860V) 。,mV，相当于510-7)，但温度系数较大(约40mV/)，可用于计量部门恒温条件下的电压标准器；而不饱和型标准电池温度系数很小(约4mV/)，在较宽的温度范围内不需进展温度修正，但稳定性较差，可用于一般工作量具，如实验室中常用的便携式电位差计就是用不饱和型标准电池制作的。,5,2齐纳二极管电压标准,用齐纳二极管的电压标准器一般具有10V、1V和10186V等多种标准电压输出，其中10V输出的年稳定度达1l0-6级，可取代0.0005级(5l0-6)以下的标准电池，并且运输、保存和使用方便。1V和1.018V输出的年稳定性可到达2l0-6，温度系数为0.05l0-6。,6,3约瑟夫森量子电压基准,在两块相互隔开(约10 的绝缘层),的超导体之间，由于量子隧道效应，超导电流(约mA量级)可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦合，这种超导体-绝缘体-超导体(SIS)结构称为约瑟夫森隧道结。当在约瑟夫森结两边加上电压,U,时，将得到穿透绝缘层的超导电流，这是一种交变电流，这种现象称为交流约瑟夫森效应，交变电流的频率为,7,假设将约瑟夫森结置于微波场中(即用微波辐射到处于超导状态下的约瑟夫森结上)时，将在约瑟夫森结上得到量子化阶梯电压Un，各电压阶梯的高度相等并与所加微波频率f成正比，第n个阶梯的电压为,约瑟夫森效应的重要意义就在于，它揭示了电压与频率的自然关系，电压与频率在约瑟夫森结上存在一个不受时间、空间环境变化的系数 ，而且由于时间(频率)基准具有最高准确度(10,-14,量级)，所以基于约瑟夫森效应就可实现接近时间(频率)基准准确度的电压自然基准(实际可达10,-10,)，比实物基准提高23个数量级。也可以说，约瑟夫森量子电压基准是通过时间(频率)单位得到的。,K,J,-90,=4835979GHz/V,8,二、,高频电压标准,1测热电阻桥式高频电压标准,隔直电容,C,应保证满足,2,R,T,=R,U,0,R,R,R,R,T,R,T,9,2高频电压标准的传递,根据国家高频电压计量检定系统，高频电压标准分为级： I级为国家标准，级为省级标准，级为厂级标准，各级标准之间的准确度至少为1：3，当用级标准检定工作仪表(一般高频电压表准确度为百分之几)时，所采用的级标准的准确度也应为被检定仪表的3倍，假设精度在5倍以上，那么标准源的误差可以忽略。,10,4.3 交流电压的测量,一、交流电压的表征,交流电压除用具体的函数关系式表达其大小随时间的变化规律外，通常还可以用峰值、幅值、平均值、有效值等参数来表征。,波峰因数和波形因数是表征交流电压的另两个根本参量。,11,1峰值,周期性交变电压,u,(,t,)在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值，用,U,p,表示，正、负峰值不等时分别用,U,p,+,和,U,p,-,表示。,u,(,t,)在一个周期内偏离直流分量,U,0,的最大值称为幅值或振幅，用,U,m,表示，正、负幅值不等时分别用,U,m,+,和,U,m,-,表示。,图4.2 交流电压的峰值,12,物理意义为：,为交流电压波形,u,(,t,)在一个周期内与时间轴所围成的面积,当u(t)0局部与u(t)1mW，分贝值为正，假设Px1mW，分贝值为负。Px功率电平定义为,PxdBm=10lg PxmW,31,对于电压电平，那么以600电阻上吸收P0=lmW的基准功率时电压的有效值为参考基准量U0，显然，由于,因此，取基准量,U,0,=0.775V，其分贝值用dB或dB,v,表示(下标V指示以V为单位表示被测电压绝对值)；对于任意被测电压,U,x,，其电压电平定义为,P,x,mW、,P,x,dB,m,之间和,U,x,V,、,P,v,dB,v,32,(2)宽频电平表,图4.10 宽频电平表组成框图,33,4外差式选频电平表,图,4.11,选频电平表的组成框图,34,5电压表的使用,峰值电压表为检波-放大式电压表，其特点是峰值响应、频率范围较宽(达1000MHz)但灵敏度低(mV圾)。由峰值电压表得到的读数还需根据波峰因数进展换算。使用中还需注意波峰因数的限制，测量波峰因数大的非正弦波时，由于削波可能产生误差。,均值电压表为放大-检波式电压表，其特点是均值响应、灵敏度有所提高，但频率范围较小(10MHz)，主要用于低频和视频场合。由均值电压表得到的读数也需根据波形因数进展换算。,有效值电压表是测量电压有效值的理想电压表，但需注意，由于削波和带宽限制，将可能损失一局部被测信号的有效值，带来负的测量误差。另外，一般有效值表较为复杂，价格较贵，因而，常选用均值电压表通过波形因数的换算得到有效值。这一方法也在噪声测量中得到应用。,35,宽频电平表可测量以分贝表示的功率电平和电压电平，被测信号的电压电平由步进衰减器读数与表头读数相加得到。当输入阻抗等于表头标定时采用的零刻度基准阻抗600时，功率电平与电压电平具有一样的表头刻度，否那么，需用,进展修正。,选频电平表内部放大器对窄带中频放大，其增益可以做得很高，使测量灵敏度得到大幅提高，能够适合测量微小信号。,36,4.4 直流电压的数字式测量,一、数字电压表的组成原理及主要性能指标,1数字电压表的组成,4.12 数字电压表组成框图,37,2主要性能指标,(1)显示位数 DVM的显示位分为完整显示位和非完整显示位。,(2)量程 DVM的量程按输入被测电压范围划分。,(3)分辨力 分辨力指DVM能够分辨最小电压变化量的能力。,在DVM中，每个字对应的电压量也可用“刻度系数表示。,有时也用百分数表示的分辨率，它与量程无关、比较直观。,(4)测量速度 DVM的测量速度用每秒钟完成的测量次数来表示。,(5)测量精度 DVM的测量精度通常用固有误差表示，即,示值(读数)相对误差为,a,相对项系数,b,固定项系数。,38,U由两局部构成，其中a%Ux称为读数误差，b%Um称为满度误差。,有时将b%Um等效为“n字的电压值表示，即,(6)输入阻抗 输入阻抗取决于输入电路，并与量程有关。,39,二、AD转换原理,AD转换器(简称ADC)按实现原理和方法划分，大体可分为积分式和非积分式两大类：,1)积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽(PWM)式、电压-频率(V-F)式等。,2)非积分式：斜坡电压(锯齿波、阶梯波)式、比较(逐次逼近、并行比较)式等。,40,45 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表,一、电流、电压、阻抗变换技术,1ACDC变换,2IV变换,图4.17 电流-电压（I/V）变换,41,3ZV变换,图4.18 电阻-电压（R/V）变换的原理图,a）实现R/V变换的简单原理图,b）通过运放实现比例测量的R/V变换,42,二、数字多用表,1组成框图,图4.19 DMM的组成框图,43,2数字多用表的特点,1)功能扩展。DMM可进展直流电压、交流电压、电流、阻抗等测量。,2)测量分辨力和精度有低、中、高三个级别，位数3位半8位半。,3)一般内置有微处理器，可实现开机自检、自动校准、自动量程选择，以及测量数据的处理(求平均、方均根值)等自动测量功能。,4)一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于组成自动测试系统。,44,3数字多用表的使用,45,R,x,+,R,l,1,+,R,l,2,Rx?Rl1,Rx?Rl2,Rl3?Rin,Rl4?Rin,46,三、数字电压表的误差分析及自动化技术,1 DVM的误差分析,1DVM的整体误差,DVM的整体误差可分为固有误差和附加误差。固有误差表示在一定测量条件下DVM本身所固有的误差，它反映了DVM的性能指标；附加误差指测量环境的变化(如温度漂移)和测量条件(如被测电压的等效信号源内阻)所引起的测量误差。,(1)固有误差,47,转换误差表示了从输入衰减放大器(设传递系数分别为k1和k2)、模拟开关(传递系数k3)到AD转换器(传递系数k4)的转换特性，将DVM的输入Ux到最终转换结果N视为一个由k1k4的多级级连系统，那么,k,=,k,1,k,2,k,3,k,4,转换系数,48,设输入衰减放大器、模拟开关、AD转换器等各部件的输出电压分别为Uol、Uo2、Uo3和Uo4，输出电压的误差量分别为Uol、Uo2、Uo3、Uo4，那么折合到总输入端(相对于被测量)的误差量为,49,50,图4.21 DVN的转换特性曲线,51,(2)附加误差,图4.22 DVM的等效输入电路,(,a,U,x,+,b,U,m,),52,2DVM中各部件的误差分析,积分器误差；,比较器误差；,模拟开关误差；,基准电压源误差；,输入衰减放大器误差；,AD转换器的量化误差。,53,(1)积分器误差,54,(2)比较器误差,(3)基准电压源误差,(4)模拟开关误差,(5)输入衰减放大器误差,(6)AD转换器的量化误差,55,2 DVM中的自动校正技术,1满度误差与自动校零技术,56,2读数误差的自动校正技术,3DVM的校准测量原理,57,校准过程如下：,(1)零点校准,(2)参考校准,(3)输入被测电压,58,3,DVM,中的自动量程技术,1满度误差与量程选择的关系,2量程自动选择实现原理,59,46 电压测量的干扰及抑制技术,461 干扰的来源及分类,60,1抑制原理及根本方法,462 串模干扰的抑制,2串模干扰的误差分析,u,n,=,U,n,sin(,w,n,t,+,j,),61,62,串模抑制比(NMR，Nomal Mode Ratio),3积分式DVM中的串模干扰抑制措施,串模干扰的最大危险在低频，而50Hz的工频干扰最为严重。,63,463 共模干扰的抑制,1抑制原理及根本方法,2共模干扰的误差分析,64,共模抑制比(CMR，Common Mode Ratio),3共模干扰的抑制措施,(1)浮置测量,65,U,cn,=,U,HL,=,U,H,-,U,L,=-,I,1,(,r,l,+,R,s,)+,I,2,r,2,I,2,r,2,66,(2)双端对称测量,U,cn,=0,67,(3)浮置双端对称测量,(4)屏蔽与隔离,68,