高等教育电压测量.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,#,内容提要,电压测量是电子测量的重要内容之一。,本章内容主要有：,电压测量的重要意义及特点；,电压表的分类及交流电压的基本参数；,模拟式电压表；,数字电压表（,DVM,）；,数字多用表,了解电压信号的特点；掌握交流电压信号的表征形式和表征量值的相互转换；掌握电压测量仪器的工作原理，能提出电压测量系统方案。,交流电压信号的表征形式和表征量值的相互转换。,重点：,难点：,主要仪器,模拟万用表 数字万用表,有效值数字万用表 图形万用表 多重显示数字多用表,台式数字多用表,有效值电压,(,电平,),表,超高频毫伏表,视频毫伏表,一、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,7.1,概述,二、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,.,4.,阻抗匹配,5.,测量精度高,6.,抗干扰性能强,工业现场测试中，存在较大的干扰。,三、,电压测量仪器的分类,1,按显示方式分类,模拟式电子电压表,数字式电子电压表,2,模拟式电压表分类,(1),按测量功能分类,直流电压表,交流电压表,脉冲电压表,(2),按工作频段分类,超低频电压表,(,低于,10Hz),低频电压表,(,低于,1 MHz),视频电压表,(,低于,30MHz),高频或射频电压表,(,低于,300MHz),超高频电压表,(,高于,300MHz),(3),按测量电压量级分类,电压表,:,主量程为,V(,伏,),量级,毫伏表,:,主量程,mV(,毫伏,),量级。,(4),按电压测量准确度等级分类,分为,0.05,、,0.1,、,0.2,、,0.5,、,1 0,、,l.5,、,2.5,、,5.0,和,10.0,等级，其满度相对误差分别为,0.05,、,0.1,、,、,10.0,。,(5),按刻度特性分类,可分为线性刻度、对数刻度、指数刻度和其他非线性刻度。,3,数字式电压表,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,。,数字式电压表的技术指标较多，包括准确度、基本误差、工作误差、分辨力、读数稳定度、输入阻抗、输入零电流、带宽、,串模干扰抑制比,(SMR),、共模干扰抑制比,(CMR),、波峰因数等,30,项指标。,7.2,模拟式直流电压测量,一、动圈式电压表,图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为,R,e,，满偏电流,(,或满度电流,),为,I,m,，若作为直流电压表，满度电压,为了扩大量程 通常串接若干倍压电阻，如图,7.2-1,中 。这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程,U,0,外，又增加了 三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的阻值分别为,:,二、电子电压表,1,电子电压表原理,电子电压表中，通常使用高输入阻抗的场效应管,(FET),源极跟随器或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度，当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。分压电路的接入将使输入电阻降低，但只要分压电阻取值较大，仍然可以使输入电阻比动圈式电压表大得多。图,7.2-3,是这种电子电压表的示意图。,图,7.2-3,电子电压表框图,2,调制式直流放大器,调制式直流放大器可有效地减小放大器的零点漂移。,解调器工作原理和各点波形示于图,7.2-7,。,图,7.2-7,解调器工作原理,7.3,交流电压表征和测量方法,一、交流电压表征,一个交流电压的大小，可用,平均值,、,峰值,和,有效值,等多种方式来表示。,.,峰值的基本概念,交流电压的峰值，是指交流电压,u(t),在一个周期内（或一段观察时间内）电压所达到的最大值。用,（或,U,p,）表示。,.,平均值的基本概念,平均值一般用,表示，,在数学上定义为,T,为,u(t),的周期。,U,相当于交流电压,u(t),的直流分量。,例：,u1(t)=sint V,U1=0V ;,u2(t)=cost V,U2=0V ;,u3(t)=(U0+sint)V,U1=U0 V ;,u4(t)=(U0+cost)V,U1=U0 V ;,对于一个纯粹的交流电压，正半周和负半周完全相同中，,等于零。此时，无法用平均值来表征电压的大小。,交流电压的测量中，交流电压的平均值是指经过测量仪器的检波器后的全波平均值。定义为,.,有效值的基本概念,交流电压的有效值是指均方根值（,rms),，用,U,或,Urms,表示。它的数学表示式为,U,=,它的物理意义为：在交流电压的一个周期，这个交流电压在某电阻负载中所产生的热能如果与一个直流电压在同样的电阻负载中产生的热能相等时，这个相当的直流电压值就是该交流电压的有效值。,各类交流电压表的示值，除特殊情况外，都是用正弦波有效值来定度的。,0,U,P+,U,P,U,m+,A,B,U,0,(,直流分量,),U,m,t,u,(,t),.,波形因数,K,F,电压的有效值与平均值之比称为波形因数,K,F,，即,.,波峰因数,K,P,交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数,K,P,，即,表,7.3-1,为几种典型的交流电压波形的参数。,二,交流,电压的测量,1,、基本原理,方法不同，原理也不同。最主要的是将,交流,电压转换为,直流,电压，然后用,直流电压表,进行测量。,交,/,直流电压转换法,有检波法和热电转换法。,AC/DC,变换器加直流电压表即构成最基本的,交流电压表,。,2,、交流电压表的主要类型,a,、检波,放大式,先检波再放大，因此通频带很宽,灵敏度较低。,可变量程分压器,直流放大器,检波器,u,x,c,、,调制式,b,、放大,检波式,先放大再检波，因此灵敏度很高，通频带窄。,可变量程分压器,交流放大器,检波器,ux,d,、外差式,其组成为：外差式接收机宽频电平表。特点是：灵敏度高，通频带宽。,混频器,本机振荡器,中频放大器,检波器,f,x,f,A,f,0,7.4,低频交流,电压的测量,通常把测量低频信号电压,(1MHz,以下,),的电压表称为交流电压表或交流毫伏表。这类电压表多采用,“,放大检波,”,方式。其检波器常用,平均值、有效值检波器,两种，分别构成,均值电压表,和,有效值电压表,。,一、均值电压表,平均值检波器原理（桥式全波整流电路）,均值响应，即：,u(t),放大,均值检波,驱动表头,二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。,D,4,D,1,u(t),+u,0,(t),C,D,2,u,0,(t)=u,c,(t),波形图如下：,Uo=u,c,(t),u(t),C,放电,C,充电,u,c,t,0,二、刻度特性,表头刻度按（纯）,正弦波有效值刻度,。,因此：当输入,u(t),为正弦波时，读数,即为,u(t),的有效值,V,（而不是该纯正弦波的均值）。,对于非正弦波的任意波形，读数,没有直接意义（既不等于其均值也不等于其有效值,V,）。但可由读数,换算出均值和有效值。,即：,=KU,为峰值电压表的示值，,U,为被测电压的平均值，,K,为定度系数。,对与正弦波，,U=,=K U,，于是可得,三、波形换算,均值电压表是由全波整流电路构成，其中的交流电压表是以正弦波有效值定度，因此均值电压表在,测量正弦信号时，,电压表示值即被测电压的有效值，测量其他,非正弦信号时要作波形换算,。,任意波形的有效值：,例,用全波整流均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，若电压表示值均为,10V,，各被测电压的有效值为多少？,1,、对于正弦波，电压表本来就是按有效值定度，所以电压表示值即为正弦波的有效值。,2,、对于三角波，其波形系数为,1.15,，,故,U,0.91.1510,10.35V,3,、对于方波，其波形系数为,1,，,故,U,0.9110,9V,波形误差：,7.5,高频交流,电压的测量,这类电压表由于放大器频率特性的限制，不能采用低频时的,“,放大检波,”,方式，而需采用,“,检波放大,”,式，其检波器常用,峰值检波器。,一、峰值检波器原理,峰值响应，即：,u(t),峰值检波,放大,驱动表头,由二极管峰值检波电路完成，有二极管串联和并联两种形式。,C,D,R,+,+,Ui(t),+,U,R,Uc,a),串联式,Uc,0,t,U,R,工作原理：,a),串联式：,判断二极管的导通及截止情况；,Ui(t)Uc(t),D,导通，向,C,充电，,UR(t)=Uc(t),RdCTmin;,Ui(t)Tmax;,(Rd,为二极管内阻，,RdC,为充电常数；,RC,为放电常数,),所以：,UR=Uc UP+,b),并联式：,判断二极管的导通及截止情况；,Ui(t)Uc(t),D,导通，向,C,充电，,U,R,(t)=0,R,D,CT,min,;,Ui(t)T,max,;,(R,D,为二极管内阻，,R,D,C,为充电常数；,RC,为放电常数,),所以：,U,R,(t)=Ui(t),Uc(t)U,R,=Ui,Uc,Ui,U,P+,=U,0,U,P+,=,U,m+,C,D,R,+,+,Ui(t),+,U,R,Uc,b),并联式,Uc,0,t,U,C,Ux,总结：串联式峰值检波器：,U,R,=U,P+,，电路中的电容,C,起滤波,作用；,并联式峰值检波器：,U,R,=,U,m+,，,电路中的电容,C,有隔直,流和滤波作用。,二、定度系数,表头刻度按（纯）,正弦波有效值定度,。,当输入,u(t),为正弦波时，读数,即为,u(t),的有效值,V,（而不是该纯正弦波的峰值,Vp,）。,对于非正弦波的任意波形，读数,没有直接意义（既不等于其峰值,Vp,也不等于其有效值,V,）。但可由读数,换算出峰值和有效值。,即：,=KUp,为峰值电压表的示值，,Up,为被测电压的峰值，,K,为定度系数。,对与正弦波，,U=,=K U,p,，于是可得,将,K,代入,=KUp,，可得,例,2,用峰值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，若电压表示值均为,10V,，各被测电压的峰值和有效值为多少？,示值相等则峰值也相等，故峰值都为：,1,、对于,正弦波,，峰值电压表本来就是按有效值定度，所以电压表示值即为正弦波的有效值。,2,、对于,三角波,，其波峰系数为,1.73,，,故,U,8.17V,3,、对于,方波,，其波峰系数为,1,，,故,U,10V,电压表综合,波形换算综合,7.7,电压的数字式测量,一、概述,数字式仪表显得格外精巧、轻便。它具有下列模拟式仪表所不能比拟的优点。,(1),准确度高,(2),数字显示,测量结果以十进制数字显示，,(3),输入阻抗高。一般的数字电压表,(DVM),为,10M,左右，高的可超过,1 000M,(4),测量速度快，自动化程度高,(5),功能多样。现在的数字式仪表一般都具有多种功能，这种仪表称为数字多用表,二、数字式电压表,(DVM),的组成原理,1,直流数字式电压表,1.,直流数字电压表的组成,组成框图,。,组成框图,包括模拟和数字两部分。,输入电路：对输入电压衰减,/,放大、变换等。,核心部件是,A/D,转换器（,Analog to Digital Converter,，简称,ADC,），实现模拟电压到数字量的转换。,数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。,逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。,2,数字多用表,(DMM),在数字直流电压表前端配接相应的交流,-,直流转换器,(AC/DC),、电流,-,电压转换电路,(I/V),、电阻,-,电压转换电路,(/V),等，就构成了数字多用表，如图,7.7-2,所示。可以看出，数字式多用表的核心是数字直流电压表。,三、,DVM,的主要类型,除了将,DVM,分成直流,DVM,和交流,DVM,外，还可以根据,A,D,变换的基本原理进行分类。,比较型,A,D,转换器是采用将输入模拟电压与离散标准电压相比较的方法，典型的是具有闭环反馈系统的逐次比较式。,积分型,A,D,转换器是一种间接转换形式。它对输入模拟电压进行积分并转换成中间量 时间,T,或频率,F,，再通过计数器等将中间量转换成数字量。,比较型和积分型是,A,D,变换的基本类型。,复合型,DVM,是将积分型与比较型结合起来的一种类型。,四、逐次比较型,DVM,逐次比较也叫逐次逼近,这种,DVM,的核心是逐次比较式,A,D,变换器。逐次比较型,DVM,原理框图如下,:,五、,DVM,的技术指标,1,测量范围,包括显示位数、量程划分和超量程能力，还可包括量程的选择方式是手动、自动或远控等。,2.,分辨力,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。例如,SXl842DVM,，最小量程,20mV,，最大显示数为,19 999,，所以其分辨力为,20mV,19 999,即,1V,。,3,测量速度,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,。积分型,DVM,速度较低，一般在几次秒几百次秒之间，逐次比较型,DVM,可达每秒一百万次以上。,4,输入阻抗,在直流测量时，,DVM,输入阻抗用输入电阻,R,i,表示，量程不一样，,R,i,也有差别，大体在,10MQ,到,1 000MQ,之间。,交流测量时，,DVM,输入阻抗用输入电阻,R,i,并联输入电容,C,i,表示，,C,i,一般在几十几百,pF,之间。,5,固有误差或工作误差,DVM,的固有误差通常用绝对误差表示,6,抗干扰能力,由于,DVM,的灵敏度很高，因而对外部干扰的抑制能力就成为保证它的高精度测量能力的重要因素。外部干扰可分为,串模干扰和共模干扰,两种。,(1),串模干扰,串模干扰是指干扰电压,u,sm,以串联形式与被测电压,U,x,迭加后加到,DVM,输入端,.,通常用串模干扰抑制比,SMR,来表示,DVM,对串模干扰的抑制能力，,SMR,定义为,(7.7-18),将,U,cm,与,U,sm,的比值定义为,DVM,的共模抑制比：,(7.7-21),式中,U,cmp,，和,U,smp,，分别为共模干扰的峰值和它等,效的串模干扰的峰值。,(2),共模干扰,用,DVM,进行测量时的共模干扰,.,作业,.,简述电子测量的特点,.,.,