《電壓的測量》PPT課件.ppt

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1、第 1頁 第 3章 電壓測量 3.1 概述 3.2 交流電壓的測量 3.3 直流電壓的數(shù)字化測量及 A/D轉換原理 3.4 電流、電壓、阻抗變換技術及數(shù)字多用表 3.5 電壓表的選擇和使用 3.6 應用實例 第 2頁 電壓測量是電測量與非電測量的基礎； 電測量中，許多電量的測量可以轉化為電壓測量： 表征 電信號能量 的 三個基本參數(shù) ： 其中： 電流、功率 電壓 ，再進行測量 電路工作狀態(tài)： 飽和與截止，線性度、失真度 電壓表征 非電測量中， 物理量 電壓信號 ，再進行測量 如：溫度、壓力、振動、（加）速度 1）電壓測量的重要性 電壓 、 電流 、 功率 3 1 1 電壓測量的意義、特點 3.

2、1 概述 第 3頁 2）電壓測量的特點 1.頻率范圍廣：零頻（直流） 109Hz 低頻： 1MHz以下；高頻（射頻）： 1MHz以上。 2.測量范圍寬 微弱信號 :心電醫(yī)學信號、地震波等 ,納伏級（ 10-9V）； 超高壓信號：電力系統(tǒng)中，數(shù)十千伏。 3.電壓波形的多樣化 電壓信號波形是被測量信息的載體。 各種波形：純正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯 形波；隨機噪聲。 3 1 1 電壓測量的意義、特點 第 4頁 4.阻抗匹配 電壓表的輸入阻抗是指它的兩個輸入端之間的等效阻 抗，是被測電路的額外負載。 - 應具有較高的輸入阻抗 直流測量中 ， 輸入阻抗 與被測信號源 等效內(nèi)阻 形成 分壓

3、， 使測量結果偏小。 如：采用電壓表與電流表測量電阻， 當測量小電阻時，應采用電壓表并聯(lián)方案； 當測量大電阻時，應采用電流表串聯(lián)方案。 交流測量 中， 輸入阻抗的不匹配引起信號反射 。 輸入阻抗典型數(shù)值為 1M 和 15并聯(lián) 。 2）電壓測量的特點 3 1 1 電壓測量的意義、特點 第 5頁 5.測量精度的要求差異很大 10-1至 10-9。 6.測量速度的要求差異很大 靜態(tài)測量：直流（慢變化信號） ,幾次 /秒 ; 動態(tài)測量：高速瞬變信號 ,數(shù)億次 /秒（幾百 MHz） 精度與速度存在矛盾，應根據(jù)需要而定。 7.抗干擾性能 工業(yè)現(xiàn)場測試中，存在較大的干擾。 2）電壓測量的特點 3 1 1 電

4、壓測量的意義、特點 第 6頁 3 1 2 電壓測量的方法和分類 1. 電壓測量方法的分類 按對象：直流電壓測量；交流電壓測量 按技術：模擬測量；數(shù)字測量 2. 測量方法 1）數(shù)字化直流電壓測量方法 模擬直流電壓 A/D轉換器 數(shù)字量 數(shù)字顯示 數(shù)字電壓表（ DVM），數(shù)字多用表（ DMM）。 第 7頁 3 1 2 電壓測量的方法和分類 2）交流電壓的模擬測量方法 表征 交流電壓 的三個 基本參量 ： 有效值 、 峰值 和 平均值 。以有效值測量為主。 方法：交流電壓（有效值、峰值和平均值） -直流電流 - 驅動表頭 - 指示 有效值、峰值和平均值電壓表，電平表等。 3）交流電壓的數(shù)字化測量 交

5、流電壓（有效值、峰值和平均值） - 直流電壓 - A/D轉換器 - 數(shù)字量 - 數(shù)字顯示 DVM（ DMM）的擴展功能。 第 8頁 3 1 2 電壓測量的方法和分類 4）基于采樣的交流電壓測量方法 交流電壓 - A/D轉換器 - 瞬時采樣值 u(k) - 計算， 如有效值 式中， N為 u(t)的一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。 5）示波測量方法 交流電壓 - 模擬或數(shù)字示波器 - 顯示波形 - 讀出 結果 2 1 1 ()N k V u kN 第 9頁 3.1.3 直流電壓的測量 1 普通直流電壓表 由動圈式高靈敏度直流電流表串聯(lián)適當?shù)碾娮铇嫵伞?設電流表的滿偏電流 為 Im ,電流表本身內(nèi)阻為 Re

6、, 串聯(lián)電阻 Rn 所構成的電壓 表的滿度電壓為 : )( nemm RRIU A Re R1 R2 R3 Uo U1 U2 U3 em RIU 0 第 10頁 3.1.3 直流電壓的測量 1 普通直流電壓表 所構成的電壓表的內(nèi)阻為 : 圖中電流表串接了 3個電阻后除了最小量程外增加了 3個 量程 U1、 U2、 U3，根據(jù)擴展的量程，可以估算出 3個擴 展電阻的阻值： em RIUR )/( 11 m m neV I URRR mIUUR /)( 122 mIUUR /)( 233 第 11頁 3.1.3 直流電壓的測量 1 普通直流電壓表 通常把內(nèi)阻 Rv與 Um之比（每伏歐姆數(shù)）定義為電

7、壓表 的 電壓靈敏度 。 數(shù)越大 ，表明使指針 偏轉 同樣角度所需要的 電流越小 。 一般標明在電磁式電壓表的表盤上，可以根據(jù)電壓靈敏 度推算出不同量程時的電壓表內(nèi)阻。 優(yōu)點：結構簡單、使用方便、誤差來源表頭本身和擴 展電阻的準確度。 1% 缺點：靈敏度不高、輸入電阻低。在量程較低時，輸 入電阻更小，其負載效應對被測電路工作狀態(tài)及測量結果 的影響不可忽略。 mm v v IU RK 1 V/ 第 12頁 3.1.3 直流電壓的測量 普通直流電壓表的誤差 用普通直流電壓表測量高輸出電阻電路的直流電壓，設被 測電路輸出電阻為 Ro，被測電壓實際值為 Eo，電壓表內(nèi)阻為 RV， 則電壓表度數(shù)值為 :

8、 相對誤差為： m m V0 0 V0 00 I UU RR ER RR E V VRR R E EU 0 0 0 00 第 13頁 3.1.3 直流電壓的測量 普通直流電壓表的誤差 為了消除這一影響，可使用兩個不同量程 U1、 U2 進行測 量。將電壓表的兩次讀數(shù)值 UO1、 Uo2 代入下式，即可計算得 到被測電壓的近似值： 上例中，電壓表的每伏歐姆數(shù)為 20k /V，先后用 5V和 25V量程測量端電壓 Uo的讀數(shù)值分別為 2.5V和 4.17V，代入 上式得 Eo=5.01V 2 1 2 0 1 O O O U U UK KE 1 2 U UK 第 14頁 3.1.3 直流電壓的測量

9、2 直流電子電壓表 直流電子電壓表通常由磁電式表頭加裝 跟隨器 、 直流 放大器 構成。當需要測量高直流電壓時，輸入端接入高阻 值電阻構成的分壓電路。 提高 輸入 阻抗 提高測量 靈敏度 第 15頁 3.1.3 直流電壓的測量 2 直流電子電壓表 在理想運放情況下： 式中 K-分壓器和跟隨器的電壓傳輸系數(shù) 若電流表滿偏電流為 Im，則由上式可得該直流電子電壓 表的量程為： F x F i O R KU R UI K RIU Fm m 第 16頁 3.1.3 直流電壓的測量 2 直流電子電壓表 為了保證該電壓表的準確度，各分壓電阻和反饋電 阻 RF都要使用精密電阻。 缺點：直流放大器的零點漂移限

10、制了電壓靈敏度的提 高。 故電子電壓表中常采用斬波式放大器（調(diào)制式放大器） 以抑制零點漂移，可使電子電壓表能測量微伏級的電壓。 第 17頁 3.1.3 直流電壓的測量 3 直流數(shù)字電壓表 將直流數(shù)字電壓表的表頭用 A/D轉換器和數(shù)字顯示器代 替，即構成直流數(shù)字電壓表。 第 18頁 3 2 交流電壓的測量 3 2 1 表征交流電壓的基本參量 峰值 、 平均值 、 有效值 、 波峰系數(shù) 和 波形系數(shù) 。 峰值 以零電平為參考的最大 電壓 幅值 （用 Vp表示 ）。 t u ( t) V p 0 U m T U 注： 振幅： 以直流分量為參考的最大電壓幅值（通常 用 Um表示）。 第 19頁 3 2

11、 1 表征交流電壓的基本參量 平均值（均值） 數(shù)學上定義為： 相當于交流電壓 u(t)的 直流分量 。 交流電壓測量中，平均值通常指經(jīng)過 全波或半波整流 后波形的平均值 （一般若無特指，均為全波整流）： 對理想的正弦交流電壓 u(t)=Vpsin(t) ，若 =2/T 0 1 ()TU u t d t T 0 1 ()TU u t dt T 2 0.637 ppU V V 第 20頁 3 2 1 表征交流電壓的基本參量 有效值 定義：交流電壓 u(t)在 一個周期 T內(nèi) ，通過某 純電阻負 載 R所產(chǎn)生的 熱量 ，與一個 直流電壓 V在同一負載上產(chǎn) 生的 熱量相等 時，則該直流電壓 V的數(shù)值就

12、表示了交流 電壓 u(t)的有效值。 表達式： 直流電壓 V在 T內(nèi)電阻 R上產(chǎn)生的熱量 Q_=I2RT= 交流電壓 u(t) 在 T內(nèi)電阻 R上產(chǎn)生的熱量 Q = 由 Q_= Q ，有效值 2V T R 2 0 ()T utdt R 2 0 1 ()TV u t d t T 第 21頁 3 2 1 表征交流電壓的基本參量 有效值 (續(xù) ) 意義：有效值在數(shù)學上即為 均方根值 。反映交流電壓 的 功率 。 對理想的正弦交流電壓 u(t)=Vpsin(t)，若 =2/T 波峰系數(shù)和波形系數(shù) 波峰系數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用 Kp表示 對理想的正弦交流電壓 u(t)=Vpsin(t )，若 =

13、2/T 1 0 .7 0 7 2 ppV V V p p VK V 峰值 有效值 2 1 .4 1/2 p p p VK V 第 22頁 3 2 1 表征交流電壓的基本參量 波峰系數(shù)和波形系數(shù) 波形系數(shù)定義：有效值與平均值的比值，用 KF表示， 對理想的正弦交流電壓 u(t)=Vpsin(t) ，若 =2/T F VK V 有效值 平均值 (1 / 2 ) 1 .1 1 2/ 22 p F p VK V （） 第 23頁 3 2 1 表征交流電壓的基本參量 波峰系數(shù)和波形系數(shù) 常見波形的波峰系數(shù)和波形系數(shù)可查表得到： 如正弦波： Kp=1.41， KF=1.11； 方 波： Kp=1， KF=

14、1； 三角波： Kp=1.73， KF=1.15； 鋸齒波： Kp=1.73， KF=1.15； 脈沖波： Kp= ， KF= ， 為脈沖寬度， T為周期 白噪聲： Kp=3（較大）， KF=1.25。 T T 第 24頁 3 2 2 交流 /直流轉換器的響應特性及誤差分析 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 模擬電壓表的交流電壓測量原理： 交流電壓 - 直流電流（有效值、峰值和平均值） - 驅動表頭 - 指示。 AC-DC轉換由不同的檢波電路實現(xiàn)。 第 25頁 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 峰值檢波原理 D V p C R L u ( t ) C D R L u (

15、 t ) V p a b V P u ( t ) t c 串聯(lián)式 并聯(lián)式 波形 二極管峰值檢波電路 第 26頁 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 第 27頁 平均值檢波原理 由二極管橋式整流（全波整流和半波整流）電路完成。 整流電路輸出直流電流 I0，其 平均值與被測輸入電壓 u(t)的平均值成正比 （ 與 u(t)的波形無關 ）。 （電容 C用于濾除整流后的交流成分，避免指針擺動） 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 I 0 u ( t) D 1 D 2 D 3 D 4 C Cu ( t ) D 1 D 2 I 0 第 28頁 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原

16、理 平均值檢波原理 以全波整流電路為例， I0的平均值為 式中， T為 u(t)的周期， rd和 rm分別為檢波二極管的 正向導通電阻和電流表內(nèi)阻，可視為常數(shù)（它反映了 檢波器的靈敏度 ）。 I0的平均值 與 u(t)的平均值 成正比。 0 1 ( ) ( ) 22 T o d m d m u t u tI d t T r r r r oI ()ut 第 29頁 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 有效值檢波原理 利用二極管平方律伏安特性檢波 根據(jù) 為得到有效值 ,首先需對 u(t)平方 小信號時 二極管正向伏安特性曲線 可近似為 平方關系 。 缺點：精度低且動態(tài)范圍小。 因此，實際

17、應用中，采用 分段逼近平方律 的二極管伏安 特性曲線圖的電路。 2 0 1 ()TV u t d t T 第 30頁 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 利用模擬運算的集成電路檢波 原理圖 通過多級運算器級連實現(xiàn) 模擬乘法器（平方） 積分 開方 比例運算。 單片集成 TRMS/DC電路，如 AD536AK等。 2 ()ut 0 T Au ( t ) V r m s 第 31頁 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 利用熱電偶有效值檢波 熱電效應： 兩種 不同 導體 的 兩端 相 互連 接在一起，組成一個閉合 回路，當 兩節(jié)點 處 溫度不同 時， 回路 中將產(chǎn)生 電動勢 ，從

18、而形成 電流 ，這一現(xiàn)象稱為熱電效應，所產(chǎn)生的電動勢稱 為 熱電動勢 。 熱電效應原理圖 當熱端 T和冷端 T0存在溫差時（即 TT0 ），則存在熱 電動勢，且 熱電動勢的大小與溫差 T=T -T0成正比。 冷 端 T 0 熱 端 T 第 32頁 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 利用熱電偶有效值檢波 熱電偶： 將兩種不同金屬進行特別封裝并標定后，稱為一 對熱電偶（簡稱熱偶）。 熱電偶溫度測量原理： 若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過熱電動勢 就可得到熱端（被測溫度點）的溫度。 熱電偶有效值檢波原理： 若通過被測交流電壓對熱電偶的熱端進行加熱， 則熱電動勢將反映該交流電壓的有效值，

19、從而實現(xiàn)了 有效值檢波。 第 33頁 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 熱電偶有效值檢波原理圖 圖中，直流電流 I與被測電壓 u(t)的有效值 V的關系： 電流 I 熱電動勢 熱端與冷端的溫差 熱冷端溫差 u(t)功率 u(t)有效值 V的平方，故 2IV R u ( t ) 冷 端 T 0 加 熱 絲 熱 端 T 熱 偶 M u A 連 接 導 線 I 第 34頁 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 表頭刻度線性化處理：采用兩對相同的熱電偶，分別 稱為 測量熱電偶 和 平衡熱電偶 。 R u ( t ) 冷 端 T 0 加 熱 絲 熱 端 T 測 量 熱 偶 電 流 表

20、 平 衡 熱 偶 + - V o E x E f V i 熱 端 T 連 接 導 線 差 分 放 大 器 Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2) Ex=k1V2 Ef =k2Vo2 第 35頁 1）交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 通過平衡熱偶形成一個 電壓負反饋系統(tǒng) 。 測量熱偶的熱電動勢 ExV 2，令 Ex=k1V2 平衡熱偶的熱電動勢 EfV o2， Ef =k2Vo2 假如兩對熱偶具有相同特性，即 k1=k2=k 則差分放大器輸入電壓 Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2) ， 若放大器增益足夠大，則有 Vi=0 Vo=V （即輸出電壓等于 u(t)有效值） 第 36頁 1）

21、交流 /直流電壓（ AC-DC）轉換原理 有效值電壓表的特點 理論上不存在波形誤差 ，因此也稱真有效值電壓表（讀 數(shù)與波形無關）。 對非正弦波，可視為由基波和各次諧波構成， 若其有效值分別為 V1、 V2、 V3、 ，則讀數(shù) 但實際有效值電壓表，下面兩種情況使 讀數(shù)偏小 ： 對于 波峰因數(shù)較大 的交流電壓波形，由于電路飽和使電 壓表可能出現(xiàn) “ 削波 ” ； 高 于電壓表 有效帶寬 的 波形分 量 將被 抑制 。它們都將損失有效值分量。 缺點：受環(huán)境溫度影響較大，結構復雜，價格較貴。 實際應用中，常采用峰值或均值電壓表測有效值。 22 12( . )k V k V V 第 37頁 原理 峰值響

22、應，即： u(t)峰值檢波 放大 驅動表頭 二極管峰值檢波電路 D V p C R L u ( t ) C D R L u ( t ) V p a b V P u ( t) t c 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 第 38頁 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 表頭刻度按（純） 正弦波有效值刻度 。 當 輸入 u(t)為 正弦波 時 ， 讀數(shù) 即為 u(t)的有效值 V （而不是該純正弦波的峰值 Vp）。 對于 非正弦波的任意波形 ， 讀數(shù) 沒有直接意義 （既 不等于其峰值 Vp也不等于其有效值 V）。但可由讀數(shù) 換算出峰值和有效值。 峰 值 檢 波 表 頭 ( 讀 數(shù)

23、= ) V pu ( t) 第 39頁 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 由讀數(shù) 換算出峰值和有效值的換算步驟如下： 第一步，把讀數(shù) 想象為有效值等于 的純正弦波 輸入時的讀數(shù)，即 第二步，將 V轉換為該純正弦波的峰值 V 22pVV 第 40頁 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 第三步，假設峰值等于 Vp 的被測波形（任意波） 輸入 ，即 注： “ 對于峰值電壓表，（任意波形的）峰值相等， 則讀數(shù)相等 ” 第四步，由 ，再根據(jù)該波形的波峰系數(shù)（查 表可得），其有效值 2ppVV 任意 pV任意 2p pp VV KK 任意 任意 任意 任意 第 41頁 2）峰

24、值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 上述過程可統(tǒng)一推導如下： 該式表明： 對任意波形，欲從讀數(shù) 得到有效值，需 將 乘以因子 k。（若式中的任意波為正弦波，則 k=1， 讀數(shù) 即為正弦波的有效值）。 2,p p p p p p p p p V V K V KV k k K K K K K 任意 任意 任意 任意 任意 任意 任意 第 42頁 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 綜上所述，對于任意波形而言，峰值電壓表的讀數(shù) 沒 有直接意義，由讀數(shù) 到峰值和有效值需進行換算，換 算關系歸納如下： 為峰值電壓表讀數(shù)， Kp為波峰系數(shù) 波形誤差 : 若將讀數(shù) 直接作為有效值，產(chǎn)生

25、的誤差 2 1 .4 1 2 1 .4 1 ppKK p（任意波）峰值V （任意波）有效值V 2 2 1 2 2 2 p p p p K K K K 第 43頁 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 原理 均值響應，即： u(t) 放大 均值檢波 驅動表頭 均值檢波器由二極管橋式整流電路組成 整流電路輸出直流電流 I0，其平均值與被測輸入電壓 u(t)的平均值成正比（與 u(t)的波形無關）。 I 0 u (t) D 1 D 2 D 3 D 4 C Cu (t) D 1 D 2 I 0 0 1 ( ) ( ) 22 T o d m d m u t u tI d t T r r r r 第

26、44頁 刻度特性 表頭刻度按（純） 正弦波有效值刻度 。因此： 當輸入 u(t)為正弦波時， 讀數(shù) 即為 u(t)的有效值 V（而 不是該純正弦波的均值 ）。 對于非正弦波的任意波形，讀數(shù) 沒有直接意義（既 不等于其均值也不等于其有效值 V）。但可由讀數(shù) 換 算出均值和有效值。 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 V 平 均 值 檢 波 表 頭 ( 讀 數(shù) = ) u ( t) 第 45頁 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 由讀數(shù) 換算出均值和有效值的換算步驟如下： 第一步，把讀數(shù) 想象為有效值等于 的純正弦波 輸入時的讀數(shù)，即 第二步，由 計算該純正弦波均值 第三步，

27、假設均值等于 的被測波形（任意波） 輸入 ，即 注： “ 對于均值電壓表，（任意波形的）均值相等， 則讀數(shù)相等 ” 。 第四步，由 ，再根據(jù)該波形的波形系數(shù)（查表 可得），其有效值 V 0 .91 .1 1 22 F VVV K V 0 .9VV 任意 V任意 0 .9FFV K V K 任意任意 任意 任意 V 第 46頁 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 上述過程可統(tǒng)一推導如下： 上式表明，對任意波形，欲從均值電壓表讀數(shù) 得到 有效值，需將 乘以因子 k。（若式中的任意波為正弦 波，則 k=1.，讀數(shù) 即為正弦波的有效值）。 ,F F F F VV K V K V K k

28、 K 任意任意 任意 任意 任意 0 .91 .1 1FF F F KKkK K 任意 任意 任意 第 47頁 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 綜上所述，對于任意波形而言，均值電壓表的讀數(shù) 沒有直接意義，由讀數(shù) 到峰值和有效值需進行換算， 換算關系歸納如下： 式中， 為均值電壓表讀數(shù)， KF為波形系數(shù)。 波形誤差。若將讀數(shù) 直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差 0.9 0.9FK （任意波）均值V （任意波）有效值V 0.9 1 0.9 1.11 1 0.9 0.9 FF F F F KK K K K 第 48頁 4）實例分析 例 用具有正弦有效值刻度的峰值電壓表測量一個 方波電壓

29、， 讀數(shù)為 1.0V， 問如何從該讀數(shù)得到方 波電壓的有效值 ？ 解 根據(jù)上述峰值電壓表的刻度特性 ， 由讀數(shù) = 1.0V， 第一步 ， 假設電壓表有一正弦波輸入 ， 其有效值 =1.0V； 第二步 ， 該正弦波的峰值 =1.4V； 第三步 ， 將方波電壓引入電壓表輸入 ， 其峰值 Vp=1.4V； 第四步 ， 查表可知 ， 方波的波峰系數(shù) Kp=1， 則該方波的有 效值為： V=Vp/Kp=1.4V。 波形誤差為： 1 1.4 10 0% 29 % 1.4 (可見：若不換算，波形誤差很大 ) %3.22%1001414.1 73.1%1001 P P K K VKVV p p 82.0 3

30、 2 三角波 第 49頁 4）實例分析 例 用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測量一個 方波電壓 ， 讀數(shù)為 1.0V， 問該方波電壓的有效值 為多少 ？ 解 根據(jù)上述均值電壓表的刻度特性 ， 由讀數(shù) = 1.0V， 第一步 ， 假設電壓表有一正弦波輸入 ， 其有效值 =1.0V； 第二步 ， 該正弦波的均值 =0.9= 0.9V； 第三步 ， 將方波電壓引入電壓表輸入 ， 其均值 0.9V； 第四步 ， 查表可知 ， 方波的波形系數(shù) =1， 則該方波 的有效值為 : 0.9V。 波形誤差為 FV K V方波 VV V V FK 方波 1 0.9 100% 11% 0.9 VKV F 035.1

31、0.19.015.19.0 %5.3%100115.1 11.1%100111.1 FK 三角波 第 50頁 3 3 直流電壓的數(shù)字化測量及 A/D轉換原理 數(shù)字化測量：將連續(xù)的模擬量轉換成斷續(xù)的數(shù)字 量，然后進行編碼、存儲、顯示及打印等。 進行這種處理，比較方便的量是直流電壓和脈沖 的頻率，對應的測量儀器是數(shù)字電壓表和電子計 數(shù)器。 第 51頁 3 3 直流電壓的數(shù)字化測量及 A/D轉換原理 3 3 1 DVM的組成原理及主要性能指標 1） DVM的組成 數(shù)字電壓表（ Digital Voltage Meter，簡稱 DVM）。 組成框圖 輸 入 電 路 A / D 轉 換 器 數(shù) 字 顯

32、示 器 邏 輯 控 制 電 路 時 鐘 發(fā) 生 器 模 擬 部 分 數(shù) 字 部 分 V x 第 52頁 3 3 1 DVM的組成原理及主要性能指標 1） DVM的組成 組成框圖 包括模擬和數(shù)字兩部分。 輸入電路：對輸入電壓衰減 /放大、變換等。 核心部件是 A/D轉換器（ Analog to Digital Converter，簡稱 ADC），實現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的 轉換。 數(shù)字顯示器：顯示模擬電壓的數(shù)字量結果。 邏輯控制電路：在統(tǒng)一時鐘作用下，完成內(nèi)部電路 的協(xié)調(diào)有序工作。 第 53頁 3 3 1 DVM的組成原理及主要性能指標 應用 直流或慢變化電壓 信號的測量（通常采用高精度低 速 A/

33、D轉換器）。 通過 AC-DC變換電路，也可測量交流電壓的有效值、 平均值、峰值，構成 交流數(shù)字電壓表 。 通過電流 -電壓、阻抗 -電壓等變換，實現(xiàn)電流、阻 抗等測量，進一步擴展其功能。 基于微處理器的智能化 DVM稱為 數(shù)字多用表（ DMM， Digital MultiMeter） 。 DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的數(shù)據(jù)處 理能力（平均、方差計算等）和通信接口 (如 GPIB)。 第 54頁 3 3 1 DVM的組成原理及主要性能指標 2）主要性能指標 顯示位數(shù) 完整顯示位 ：能夠顯示 09的數(shù)字。 非完整顯示位 (俗稱 半位 )：只能顯示 0和 1（在最高位上）。 如 4位 D

34、VM，具有 4位完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為 9999 。 而 位（ 4位半） DVM，具有 4位完整顯示位， 1位非完整 顯示位，其最大顯示數(shù)字為 19999 。 量程 基本量程 ：無衰減或放大時的輸入電壓范圍，由 A/D轉換器動 態(tài)范圍確定。 通過對輸入電壓（按 10倍）放大或衰減，可 擴展量程 。 142 第 55頁 3 3 1 DVM的組成原理及主要性能指標 如基本量程為 10V的 DVM，可擴展出 0.1V、 1V、 10V、 100V、 1000V等五檔量程； 基本量程為 2V或 20V的 DVM，可擴展出 200mV、 2V、 20V、 200V、 2000V等五檔量程。 分辨力

35、 指 DVM能夠 分辨最小電壓變化量的能力 。反映 DVM靈敏度。 用每個字對應的電壓值來表示，即 V/字 。 不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同，顯然， 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，可以測量的最大 輸入電壓為 199.9mV，其分辨力為 0.1mV/字（即 當輸入電壓 變化 0.1mV時，顯示的末尾數(shù)字將變化 “ 1個字 ” ）。 第 56頁 3 3 1 DVM的組成原理及主要性能指標 分辨力 分辨率： 用百分數(shù)表示 ，與量程無關，比較直觀。 如上述的 DVM在最小量程 200mV上分辨力為 0.1mV，則分辨 率為： 分辨率也

36、可直接從顯示位數(shù)得到（與量程無關），如 3位 半的 DVM，可顯示出 1999（共 2000個字），則分辨率為 測量速度 每秒鐘完成的測量次數(shù)。它主要取決于 A/D轉換器的轉換 速度。 一般低速高精度的 DVM測量速度在幾次 /秒 幾十次 /秒。 0 .1 m V 1 0 0 % 0 .0 5 %2 0 0 m V 1 1 0 0 % 0 .0 5 % 2000 第 57頁 3 3 1 DVM的組成原理及主要性能指標 測量精度 取決于 DVM的固有誤差和使用時的附加誤差（溫度等）。 固有誤差表達式： 式中， Vx 被測電壓的讀數(shù)； Vm 該量程的滿度值 （ Full Scale, FS）； 誤

37、差的 相對項系數(shù) ； 誤差的 固定項系數(shù) 。 固有誤差由兩部分構成： 讀數(shù)誤差 和 滿度誤差 。 讀數(shù)誤差 ： 與當前讀數(shù)有關。主要包括 DVM的刻度系 數(shù)誤差和非線性誤差。 滿度誤差 ： 與當前讀數(shù)無關，只與選用的量程有關 示值（讀數(shù)）相對誤差 為： ( % % )xmV V V ( % % )m xx VV VV % xV % mV 第 58頁 3 3 1 DVM的組成原理及主要性能指標 測量精度 有時將 等效為 “ n字 ” 的電壓量表示，即 如某臺 3位半 DVM，說明書給出基本量程為 2V， = （ 0.01%讀數(shù) +1字） 。 則在 2V量程上， 1字 =0.1mV，由 2V=0.

38、1mV可知， =0.005%， 即表達式中 “ 1字 ” 的滿度誤差項與 “ 0.005%”的表示是完全等價 的： 當被測量（讀數(shù)值）很小時，滿度誤差起主要作用，當被測量較 大時，讀數(shù)誤差起主要作用 。為減小滿度誤差的影響，應合理選 擇量程，以 使被測量大于滿量程的 2/3以上 % mV ( % )xV V n 字 V %mV % ( 0.01% 0.005 % )m x V V 第 59頁 3 3 1 DVM的組成原理及主要性能指標 輸入阻抗 輸入阻抗取決于輸入電路（并與量程有關）。 輸入阻抗宜越大越好，否則將影響測量精度。 對于直流 DVM，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般 在 10M 100

39、0M 之間。 對于交流 DVM，輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容 表示，電容值一般在幾十 幾百 pF之間。 第 60頁 3 3 2 A/D轉換原理 A/D轉換器分類 積分型：首先對輸入的模擬電壓通過積分器變成時間 或頻率等中間量，再把中間量轉換成數(shù)字量。 雙積分式、三斜積分式、脈沖調(diào)寬（ PWM）式、電 壓 -頻率（ V-F）變換式等。 比較型：采用對輸入模擬電壓與標準電壓進行比較的 方法。 比較式（逐次逼近式、零平衡式） 第 61頁 1）逐次逼近比較式 ADC 基本原理： 用被測電壓和一個可變的已知電壓（基準 電壓）進行比較，直至達到平衡，測出被測電壓。 所謂逐次逼近比較式，就是將基準電壓分成若

40、干基準 碼，未知電壓按指令從大到小與基淮電壓碼（通過 D A轉換）像天平一樣比較，比較時大者棄，小者留，直 至逼近被測電壓。 將被測電壓和一可變的基準電壓進 行逐次比較，最終逼近被測電壓。即采用一種 “ 對分 搜索 ” 的策略，逐步縮小 Vx未知范圍的辦法。 第 62頁 1）逐次逼近比較式 ADC 假設基準電壓為 Vr=10V，為便于對分搜索，將其分成一系 列（相差一半）的不同的標準值。 Vr可分解為： 上式表示，若把 Vr不斷細分（每次取上一次的一半）足夠 小的量，便可無限逼近，當只取有限項時，則項數(shù)決定了 其逼近的程度。如只取前 4項，則 其逼近的最大誤差為 9.375V-10V =-0.

41、625V。 1 1 1 1 1 2 4 8 1 6 2 5 V + 2 .5 V + 1 .2 5 V + 0 .6 2 5 V + + = 1 0 V r r r r r rnV V V V V V 5 2 .5 1 .2 5 0 .6 2 5 9 .3 7 5rV V V V V V 第 63頁 1）逐次逼近比較式 ADC 現(xiàn)假設有一 被測電壓 Vx 8.5V，若用上面表示 Vr的 4項 5V、 2.5V、 1.25V、 0.625V來 “ 湊試 ” 逼近 Vx，逼近過程如下： Vx 5V（ 首先 ， 取 5V項 ， 由于 5V8.5V， 則保留該項 ， 記為 數(shù)字 1） +2.5V（ 再

42、取 2.5V項 ， 此時 5V+2.5V=7.5V8.5V，則應去掉該項， 記為數(shù)字 0） +0.625V（再取 0.625V項，此時 5V+2.5V+0.625V = 8.125V 0時， U1 0; D1導通、 D2 截止， 輸出電壓 Uo=0。 2、當輸入電壓為負 極性， Ux 0, D1截止、 D2導通， Uo=U1=R2Ux/R1 運放式精密半波檢波 第 82頁 3 4 1 電流、電壓、阻抗變換技術 AC/DC變換 1、 當輸入信號為正時 ，即 ui0, A 點為負， VD1截止， VD2導通，由半 波檢波器的輸出 -輸入關系可知， 半波檢波器輸出電壓為 io uR Ru 1 2 1

43、 加法電路對 Ux和 Uo1 兩個電壓進行 求和運算 iioi uR Ru R R R Ru R Ru R Ru 3 5 1 2 4 5) 4 5 3 5( 10 如果取 R1= R2= R3= R5= 2R4 iiio uuuu 2 運放式精密全波檢波 加法器 精密半波檢波 Uo1 R4 R5 R3 R2 R1 Ux A 第 83頁 3 4 1 電流、電壓、阻抗變換技術 AC/DC變換 2、 當輸入信號為負半周時 ， ui0， A點為正， VD1導通， VD2截止，跟前 面講述的半波檢波器相同， uo1被箝 位到 0伏。那么加法電路的輸出為 ： ii uuR Ru 3 5 0 綜上所述，精密

44、全波檢波電路的輸 出電壓為 ： 0, 0, ii ii o uu uuu 運放式精密全波檢波 加法器 精密半波檢波 Uo1 R4 R5 R3 R2 R1 Ux A 第 84頁 3 4 1 電流、電壓、阻抗變換技術 I/V變換 基于歐姆定律，將被測電流通過一個 已知的取樣電阻 ， 測量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測電流。 為實現(xiàn)不同量程的電流測量，可以選擇不同的取樣電阻。 假如變換后采用的電壓 量程為 200mV，則通過量 程開關選擇取樣電阻分別 為 1k 、 100 、 10 、 1 、 0.1 ，便可測量 200A 、 2mA、 20mA、 200mA、 2A的滿量程電流。 I x 9 0

45、 0 9 0 9 0 .9 0 .1 ( 2 0 0 m V ) 2 0 0 A ( 2 0 0 m V ) 2 m A ( 2 0 0 m V ) 2 0 m A ( 2 0 0 m V ) 2 0 0 m A ( 2 0 0 m V ) 2 A 第 85頁 Z/V變換 對于純電阻 ，可用一個恒流源流過被測電阻，測量被測電 阻兩端的電壓，即可得到被測電阻阻值。 而 對于電感、電容參數(shù)的測量 ，則需采用交流參考電壓， 并將實部和虛部分離后分別測量得到。 電阻 -電壓（ R/V）變換原理圖。 3 4 1 電流、電壓、阻抗變換技術 恒 流 源 ( 可 調(diào) ) A / D R x I r - + A

46、 m p 取 樣 電 阻 弊端： 直接通過被測電阻采 樣，對大電阻測量不利。 實現(xiàn) R/V變換的簡單原理 第 86頁 3 4 1 電流、電壓、阻抗變換技術 改進型 R/V變換電路 被測電阻作為反饋電阻，將恒流源輸出 Ir流過一個已知的 精密電阻，從而得到參考電壓 Vr 放大器輸出 ,于是 若將 Vo作為 A/D轉換器 的輸入，并將 Vr直接作為 A/D 轉換器的參考電壓，即可實 現(xiàn) 比例測量 。 1 x or RVV R 1 o x r VRR V 恒 流 源 ( 可 調(diào) ) A / D - + A m p I r V r R 1 R x 精 密 電 阻 V o V r 通過運放實現(xiàn)比例測量

47、R/V變換 第 87頁 組成框圖 3 4 2 數(shù)字多用表 A C / D C I / V Z / V D V M C P U D C A C I Z 第 88頁 3 4 2 數(shù)字多用表 數(shù)字多用表（ DMM）的主要特點 DVM的 功能擴展 。 DMM可進行直流電壓、交流電壓、 電流、阻抗等測量。 測量分辨力和精度 有低、中、高三個檔級，位數(shù) 3 位半 8位半。 一般 內(nèi)置有微處理器 ?？蓪崿F(xiàn)開機自檢、自動校準、 自動量程選擇，以及測量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均 方根值）等自動測量功能。 一般具有 外部通信接口 ，如 RS-232、 GPIB等，易于 組成自動測試系統(tǒng)。 第 89頁 3.5 電壓表的

48、選擇和使用 用模擬式萬用表測量直流電壓 模擬式萬用表的直流電壓檔由表頭串聯(lián)分壓電阻組 成，其輸入電阻一般不太大，而且各量程的內(nèi)阻不同， 同一塊表，量程越大內(nèi)阻越大、在用模擬式萬用表測 量直流電壓時，一定要注意表的內(nèi)阻對被測電路的影響， 否則將可能產(chǎn)生較大的測量誤差。 第 90頁 3.5 電壓表的選擇和使用 用電子電壓表測量直流電壓 一般在放大 檢波式的電子電壓表中，為了提 高電壓表的內(nèi)阻，都采用跟隨器和放大器等電路 提高電壓表的輸入阻抗和測量靈敏度。這種電子 電壓表可在電子電路中測量高電阻電路的電壓值。 第 91頁 3.5 電壓表的選擇和使用 用數(shù)字式萬用表測量直流電壓 數(shù)字式萬用表的基本構成

49、部件是數(shù)字直流電壓表， 因此，數(shù)字萬用表均有直流電壓擋。 用數(shù)字式萬用表測量直流電壓，可直接顯示被測 直流電壓的數(shù)值和極性。 數(shù)字式萬用表的有效位數(shù)較多，精確度高； 數(shù)字萬用表直流電壓檔的輸入電阻較高，可達 10Mohm以上，將它并接在被測支路兩端對被測 電路影響很小。 第 92頁 用示波器測量直流電壓 用示波器測量電壓時，首先應將示波器的垂直 偏轉靈敏度微調(diào)旋鈕旋置校準擋，否則電壓讀數(shù) 不準確具體測量步驟可參著第 5章。 3.5 電壓表的選擇和使用 第 93頁 含交流成分的直流電壓的測量 由于磁電式表頭的偏轉系統(tǒng)對電流有平均作用不能反 映純交流量，所以對于 含交流成分的直流電壓的測量一 般采

50、用模擬式電壓表的直流擋測量 。 如果疊加在直流電壓上的交流成分具有周期性可直 接用模擬式電壓表測量其直流電壓的大小。 由交流信號轉換而得到的直流，如整流濾波后得到的 直流平均值，以及非簡諧波的平均直流分量都可用模擬 式電壓表測量。 一般不能用數(shù)字式萬用表測量含有交流成分的直流電 壓。 因為數(shù)字式直流電壓表要求被測直流電壓穩(wěn)定，才 能顯示數(shù)字否則數(shù)字將不停跳變。 3.5 電壓表的選擇和使用 第 94頁 交流電壓的常用測量方法：電壓表法和示波器法 用示波器法測量交流電壓與電壓表法相比具有如下優(yōu)點： （ 1）速度快。由于被測電壓的波形可以立即顯示在屏幕上。 （ 2）能測量各種波形的電壓。電壓表一般只

51、能測量失真很 小的正弦電壓；而示波器不但能測量失真很大的正弦電壓， 還能測量脈沖電壓。 （ 3）能測量瞬時電壓。 （ 4）能同時測量直流電壓和交流電壓。在一次測量過程中， 電壓表一般不能同時測量出被測電壓的直流分量和交流分量， 但示被器能方便地實現(xiàn)這一點。用示被器測量電壓的主要缺 點是誤差較大一般為 5%-10%;現(xiàn)代數(shù)字電壓測量技術應用于 示波器誤差可減少到 1%以下。 3.5 電壓表的選擇和使用 第 95頁 3 6應用 3.6.1 脈沖電壓的測量 92 3.6.2 噪聲電壓的測量 99 3.6.3 分貝的測量 109 3.6.4 失真度的測量 112 3.6.5 功率的測量 121 3.6

52、.6 Q值的測量 125 第 96頁 例子 雙斜積分式 DVM基準電壓 Vr=10V，第一次積分 時間 T1=100ms，時鐘頻率 f0=100kHz，問：（ 1） 該 DVM為多少位的電壓表？（ 2）該 DVM的分辨 力為多少？（ 3） DVM顯示出 T2時間內(nèi)的計數(shù)值 N2=5600，問被測電壓 Vx=? 第 97頁 例子 基本量程為 10.000V的四位雙斜積分式 DVM中，若斜坡電壓 的斜率為 10V/40ms，問時鐘頻率應為多少？當被測直流電壓 Vx=9.256V時，門控時間及累計脈沖數(shù)各為多少？ 時鐘脈沖頻率為： 10000 25040f K Hzms 門控時間： 若被測直流電壓 Vx=9.256V，則： 9.256 40 37 .0 24 10 VT m s m s V 累計脈沖： 3 7 .0 2 4 2 5 0 9 2 5 6N m s K H z 解： 第 98頁 例子 U