工学第篇电参量测量.pptx

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,2,篇 电参量测量,第,2,章 电压测量,2.1,概述,2.1.1,电压测量的意义、特点,1,）,电压测量的重要性,电压测量是电测量与非电测量的基础；,电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：,表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率,其中：电流、功率,电压，再进行测量,电路工作状态：,饱和与截止，线性度、失真度,电压表征,非电测量中，物理量,电压信号，再进行测量,如：温度、压力、振动、（加）速度,2,）电压测量的特点,1.,频率范围广：零频（直流）,10,9,Hz,低频：,1MHz,以下；高频（射频）：,1MHz,以上。,2.,测量范围宽,微弱信号,:,心电医学信号、地震波等,纳伏级（,10,-9,V,）；,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,）电压测量的特点,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。,2,）电压测量的特点,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。,2.1.2,电压测量的方法和分类,电压测量方法的分类,按对象：直流电压测量；交流电压测量,按技术：模拟测量；数字测量,1,）交流电压的模拟测量方法,表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。,方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）,-,直流电流,-,驱动表头,-,指示,有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。,2.2,模拟直流电压测量,2.2.1,动圈式电压表,直流动圈高灵敏度电流表，串接若干倍压电阻,R,V,/,量程,U,定义为每伏欧姆数,/V,误差来源：读数 表头 内阻准确度 一般误差,=1%,缺点：灵敏度不高，输入阻抗低,2.2,模拟直流电压测量,负载效应的影响：,例：如图所示，高输出电阻电路，电压表每伏欧姆数为,20 K/V,，分别用,5V,量程和,25V,量程测端电压,Ux,分析电压表输入电阻的影响，如何消除其对测量结果的影响。,5V,档相对误差,-50%,，,25V,档相对误差,-16.7%,电子电压表,1.,原理,2.2,模拟直流电压测量,2.3,交流电压的表征和测量方法,2.3,1,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,V,p,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,U,m,表示）。,2.3.1,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）：,对理想的正弦交流电压,u(t)=V,p,sin(t),，若,=2/T,2.3.1,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：,直流电压,V,在,T,内电阻,R,上产生的热量,Q_=I,2,RT=,交流电压,u(t),在,T,内电阻,R,上产生的热量,Q=,由,Q_=Q,得，,有效值,2.3.1,表征交流电压的基本参量,有效值,意义：有效值在数学上即为,均方根值,。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。,对理想的正弦交流电压,u(t)=V,p,sin(t),，若,=2/T,2.3.1,表征交流电压的基本参量,波峰因数和波形因数,波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用,Kp,表示，,波形因数定义：有效值与平均值的比值，用,K,F,表示，,2.3.1,表征交流电压的基本参量,波峰因数和波形因数,对理想的正弦交流电压,u(t)=V,p,sin(t),，若,=2/T,对理想的正弦交流电压,u(t)=V,p,sin(t),，若,=2/T,2.3.1,表征交流电压的基本参量,波峰因数和波形因数,常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到：,如正弦波：,K,p,=1.41,，,K,F,=1.11,；,方波：,K,p,=1,，,K,F,=1,；,三角波：,K,p,=1.73,，,K,F,=1.15,；,锯齿波：,K,p,=1.73,，,K,F,=1.15,；,一,.,基本原理,利用交流,/,直流（,AC/DC),转换电路，将交流转换为直流电压，然后再接直流电压表进行测量。,2.3.2,交流电压的测量方法,按,AC/DC,转换类型分,(1),检波法,1.,平均值检波,2.,峰值检波,3.,有效值检波,(2),热电转换法,2.3.2,交流电压的测量方法,二,.,模拟电压表主要类型,检波器,是实现交流电压测量（,AC-DC,变换）的核心部件，同时，为了测量小信号电压，,放大器,也是电压表中不可缺少的部件，因此，组成方案有两种类型：,一种是先检波后放大，称为,检波,-,放大式,；,一种是先放大后检波，称为,放大,-,检波式,。,模拟电压表的两个重要指标：,带宽和灵敏度,(,分辨力,),。,1,）检波,-,放大式电压表,组成框图,1,）检波,-,放大式电压表组成框图,检波器决定电压表的频率范围、输入阻抗和分辨力。,峰值电压表,常用这种类型。,检波器,为提高频率范围，,采用超高频二极管检波,，其频率范围可从,直流到几百兆赫,，并具有较高的输入阻抗。,检波二极管的,正向压降,限制了其测量小信号电压的能力（即灵敏度限制），同时，检波二极管的,反向击穿电压,对电压测量的上限有所限制。,为减小高频信号在传输过程中的损失，通常将峰值,检波器直接设计在探头中,。,放大器,采用桥式直流放大器，它具有较高的增益。,直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。,检波,-,放大式电压表常称为,“高频毫伏表”,或,“超高频毫伏表”,。如国产,DA36,型超高频毫伏表，频率范围为,10kHz,1000MHz,，电压范围（不加分压器）,1mV,10V,。,2,）放大,-,检波式电压表组成框图,先放大再检波，,因此灵敏度很高,。,均值电压表,常用这种方式。,放大器,宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为,10MHz,。常称为,“,宽频毫伏表,”,或,“,视频毫伏表,”,。,灵敏度仍受宽带交流放大器内部噪声限制。,3),调制式组成框图,减小零点飘移，提高灵敏度，采用高增益、低漂移的调制式放大器，如,斩波稳零式直流放大器,，其灵敏度可达几十微伏。,称之为“调制式电压表”，如国产,HFJ-8,型高频毫伏表，最低量程为,3mV,，最高工作频率,300MHz,。,4,）外差式组成框图,输入电路：衰减或小增益高频放大。,两级变频：输入,fx,与第一本振,f,1,（可调）混频，经带通滤波器选出,f,Z1,（固定）；,f,Z1,再与第二本振输出,f,2,（固定）混频，得到固定的第二中频,f,Z2,（经窄带滤波器选出）。,外差式选频电平表,通过外差式接收机扩展了频率范围,，,通过窄带中频放大实现高灵敏度,。,很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。,5,）热偶变换式,测量热偶的热电动势,E,x,V,2,，令,E,x,=k,1,V,2,；,平衡热偶的热电动势,E,f,V,o,2,，及,E,f,=k,2,V,o,2,；,假如两对热偶具有相同特性，即,k,1,=k,2,=k,，,则差分放大器输入电压,V,i,=E,x,-E,f,=k(V,2,-V,o,2,),，,若放大器增益足够大，则有,V,i,=0,，,=,V,o,=V,（即输出电压等于,u(t),有效值）,5,）热偶变换式,2.4,低频交流电压测量,1.,平均值检波,如图，整流电路输出直流电流,I,0,，其平均值与被测输入电压,u(t),的平均值成正比（与,u(t),的波形无关）。,（电容,C,用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）,r,d,和,r,m,分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻,由于二极管的非线性，不适于测,0.5V,以下的电压。,波形换算：,表头刻度按（纯）,正弦波有效值定度,。,读数值,定度系数,任意波形的平均值,任意波形的有效值,注：,对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等,。,2.4,低频交流电压测量,误差分析,1,）直流微安表本身误差,2,）检波二极管老化,3,）频响误差,4,）波形误差,例,用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压，读数为,1.0V,，问该方波电压的有效值为多少？,解,根据上述均值电压表的刻度特性，由读数,U=1.0V,，,第一步，计算平均值，,第二步，查表可知，方波的波形因数,K,F,=1,第三步，则该方波的有效值为,:,峰值为,波形误差为,2.,有效值检波原理,1,）利用二极管平方律伏安特性检波,根据 为得到有效值,首先需对,u(t),平方,小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系。,缺点：精度低且动态范围小。,因此，实际应用中，采用,分段逼近平方律,的二极管伏安特性曲线图的电路。,2.4,低频交流电压测量,2.4,低频交流电压测量,2,）利用模拟运算的集成电路检波,原理图,通过多级运算器级连实现,模拟乘法器（平方）,积分,开方,比例运算。,单片集成,TRMS/DC,电路，如,AD536AK,等。,2.5,高频交流电压测量,1.,峰值检波器,二极管峰值检波电路工作原理,通过二极管,正向快速充电,达到输入电压的峰值，而二极管,反向截止时“保持”,该峰值。,为此，要求：,2.,波形换算：,表头刻度按（纯）,正弦波有效值定度,。,读数值,定度系数,任意波形的峰值,任意波形的有效值,注：,对于峰值电压表，（任意波形的）峰值相等，则读数相等,。,2.5,高频交流电压测量,3.,误差分析,1,）理论误差,2,）频率误差,3,）波形误差,若将读数,U,直接作为有效值，产生的误差。,2.5,高频交流电压测量,例,用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压，读数为,1.0V,，问如何从该读数得到方波电压的有效值？,解,根据上述峰值电压表的刻度特性，由读数,U=1.0V,，,第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值,U=1.0V,；,第二步，该正弦波的峰值,Up=1.4V,；,第三步，将方波电压引入电压表输入，其峰值,V,p,=1.4V,；,第四步，查表可知，方波的波峰因数,K,p,=1,，则该方波的有效值为：,V=V,p,/K,p,=1.4V,。,波形误差为：,2.5,高频交流电压测量,2.6,电压的数字式测量,2.6.1 DVM,的组成原理,1,）,DVM,的组成,数字电压表（,Digital Voltage Meter,，简称,DVM,）。,组成框图,2)DVM,的应用,直流或慢变化电压,信号的测量（通常采用高精度低速,A/D,转换器）。,通过,AC-DC,变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成,交流数字电压表,。,通过电流,-,电压、阻抗,-,电压等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能。,基于微处理器的智能化,DVM,称为数字多用表（,DMM,，,Digital MultiMeter,）。,DMM,功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口,(,如,GPIB),。,2.6,电压的数字式测量,2.6.2,数字多用表,1.,数字多用表（,DMM),组成框图,2.6,电压的数字式测量,2.,电流、电压、阻抗变换技术,1,）,AC/DC,变换,将交流电压变换（检波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。,2,）,I/V,变换,基于欧姆定律，将被测电流通过一个,已知的取样电阻,，测量取样电阻两端的电压，即可得到被测电流。,为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。,如下图。,2.6,电压的数字式测量,3,）电阻,-,电压（,R/V,）变换原理图。,2.6,电压的数字式测量,2.6,电压的数字式测量,2.6.3 DVM,主要性能指标,1,）显示位数,完整显示位,：能够显示,09,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 位（,4,位半）,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,。,2,）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,。,3,）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,”,）。,2.6,电压的数字式测量,4,）分辨率,分辨率：用百分数表示，与量程无关，比较直观。,如上述的,DVM,在最小量程,200mV,上分辨力为,0.1mV,，则分辨率为：,分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如,3,位半的,DVM,，可显示出,1999,（共,2000,个字），则分辨率为,5,）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。,2.6,电压的数字式测量,6,）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：,固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。,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。,2.6,电压的数字式测量,示值（读数）相对误差为：,例：如某台,3,位半,DVM,，说明书给出基本量程为,2V,，固有误差为,（,0.01%,读数,+1,字）,。用它分别测量,0.5V,和,1.8V,两个电压，则由固有误差所引起的测量误差分别为多少？,解：在,2V,量程上，满度误差为,测,0.5V,电压,测,1.8V,电压,2.6,电压的数字式测量,当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当被测量较大时，读数误差起主要作用,。为减小满度误差的影响，应合理选择量程，以,使被测量大于满量程的,2/3,以上,。,7,）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,10M1000M,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。,2.6,电压的数字式测量,2.7,电压测量的干扰及抑制技术,干扰,是对有用被测信号的扰动,，特别是当被测信号较小（或微弱）时，干扰的影响显得更为严重。因此，必须提高电压测量的抗干扰能力，特别是对于高分辨力高精度的数字电压表更为重要。,1,干扰的来源及分类,分类：串摸干扰和共摸干扰。,串摸干扰是指干扰信号以,串联叠加的形式,对被测信号产生的干扰；共摸干扰是指干扰信号,同时作用于,DVM,的两个测量输入端,（称为高端,H,和低端,L,）。,2.7,电压测量的干扰及抑制技术,2.,串模抑制比（,NMR,，,Normal Mode Ratio,）。,3.,共模抑制比（,CMR,，,Common Mode Ratio,）,串模干扰的最大危险在低频，而,50Hz,的工频干扰最为严重。,2.7,电压测量的干扰及抑制技术,共模干扰抑制原理及基本方法,存在共模干扰时的,DVM,输入等效电路,（共模干扰是通过环路地电流对两根测试导线（,H,、,L,端）共同产生影响）。,2.7,电压测量的干扰及抑制技术,如图，共模干扰电压,Ucm,通过环路电流,I1,和,I2,同时作用于,DVM,的,H,、,L,端（但是，他们对,H,、,L,端的影响量并不相等，见后面的分析），从而造成测量误差。,因此，抑制共模干扰的基本原理是：,1,）减小两路环路电流；,2,）使共模干扰对,H,、,L,端的影响能互相削弱或抵消。,2.7,电压测量的干扰及抑制技术,