1、3.1 概述3.2 模拟式电子电压表3.3 数字电子电压表3.4 电子电压表的使用方法,第3章 （二）电压测量技术,3.1 概述,3.1.1 电子电路中电压的特点 3.1.2 交流电压的基本参数 3.1.3 电子电压表的分类,3.1 概述,电压测量是电子电路测量的一个重要内容。是许多电参量测量的基础。在科学实验中、生产及仪器设备的检修和调试中，采用普通的电工仪表是不能进行有效测量的，必须借助于电子电压表来进行测量。本章将讨论模拟式和数字式两种电子电压表，它们是应用最广泛的电压测量仪器。,1频率范围宽电子电路中电压的频率可以从直流到数百MHz范 围内变化。而单纯50Hz的电压是很少的。不同频率的
2、电压量就要用相应的电压表去测量。,谈到电压的测量，很多人会首先想到万用表。的确，万用表的应用是很广泛的，但是在电子电路中它往往是不能适应的。电子电路中的电压具有如下特点：,3.1.1 电子电路中电压的特点,2电压范围广被测电压的量值范围是选定电压测量仪器量程范围的依据。通常，电子电路中的电压值的下限低至ns数量级，而上限高至几十kV左右。这就要求所使用的电压测量仪器依测量电压的量值进行不同电压表的选择。3等效电阻高电压测量仪器的输入电阻就是被测电路的额外负载，为了减小仪器的接入对被测电路的影响，要求其具有较高的输入电阻。,4波形多种多样电子电路中除了正弦波电压外，还有大量的非正弦电压。这时，从
3、普通指示仪表度盘上直接获得的示值往往含有较大的波形误差。另外，被测的电压中往往是交流与直流并存，甚至还串入一些噪声干扰等不需要测量的成份。这需要在测量中加以区分。,电子电路中电压量的测量，通常属于工程测量，只要求有一定的精确度即可。但有些场合，要求有较高的精确度。具体测量要识具体情况现而定。,3.1.2 交流电压的基本参数,描述交流电压的基本参数有：峰值、平均值和有效值。,1峰值任一个交变电压在所观察的时间内或一个周期性信号在一个周期内偏离零电平的最大电压瞬时值称为峰值，通常，用Up表示。如果电压波形是双极性的，且不对称，则正峰值UP+和负峰值UP-是不同的，如图3-1（a）所示。任一个交变电
4、压在所观察的时间内或一个周期性信号在一个周期内偏离直流分量u0的最大值称为幅值或振幅，用Um表示，正、负幅值不等时分别用Um+和Um-表示，如图3-1（b）所示，图中u0 =0，且正、负幅值相等。,图3-1 交流电压的峰值,2平均值任何一个周期性信号u(t)，在一周期内电压的平均大小称为平均值，通常，用 表示。平均值的数学表达式为： 在交流电压测量中，平均值指检波之后的平均值，故又可分为半波平均值及全波平均值。,3有效值任何一个交流电压，通过某纯电阻所产生的热量与一个直流电压在同样情况下产生的热量相同时，该直流电压的数值即为交流电压的有效值，通常，用Urms表示。有效值的数学表达式为当不特别指
5、明时，交流电压的值就是指它的有效值，而且各类电压表的示值都是按有效值刻度的。,4. 波形因数和波峰因数为了表征同一信号的峰值、有效值及平均值的关系，引入了波形因数和波峰因数。波形因数：交流电压的有效值与平均值之比，即波峰因数：交流电压峰值与有效值之比，即,2,1,2,1,3,1,3.75,表1 几种典型的交流电压波形的参数,电子电压表的类型很多，一般按测量结果的显示方式将它们分为模拟式电子电压表和数字式电子电压表。,3.1.3 电子电压表的分类,1模拟式电子电压表模拟式电子电压表，一般是用磁电式电流表头作为指示器。由于磁电式电流表只能测量直流电流，测量直流电压时，可直接经放大或经衰减后变成一定
6、量的直流电流驱动直流表头的指针偏转指示其大小；测量交流电压时，须经过交流-直流变换器，将被测交流电压先转换成与之成比例的直流电压后，再进行直流电压的测量。,在模拟式电子电压表中，大都采用整流的方法将交流信号转换成直流信号，然后通过直流表头指示读数，这种方法称为检波法；另外还有热电偶转换法和公式转换法等。 根据电子电压表电路组成方式的不同，模拟式电子电压表又有不同类型，下面介绍几种典型的类型。, 放大-检波式放大-检波式电子电压表，是先将被测信号进行放大，再进行检波，然后通过直流表头指示读数，如图3-2所示。,其中放大电路一般采用多级宽带交流放大器，灵敏度很高，可测几十几百微伏左右的电压，频率上
7、限可达10MHz；交直流转换器常采用平均值检波器。这种类型的电子电压表常称为“毫伏表”。,图3-2放大-检波式电子电压表的原理框图, 检波-放大式检波放大式电子电压表对被测交流电压采取了先检波后放大的方法，故频率范围、输入阻抗等都主要取决于检波器。如果应用超高频检波二极管检波，则频率范围可达20Hz1GHz。因此，这类电压表也称为“超高频电子电压表”。原理框图如3-3所示。检波-放大式电子电压表的交直流转换器采用了峰值检波器。,图3-3检波-放大式电子电压表原理框图, 热电转换式和公式法热电转换式通过热电偶将交流电有效值转换成直流电压值，这种方法的优点是没有波形误差，但是有热惯性,频带不宽。公
8、式法是利用有效值公式进行转换。经过模拟平方器、积分器、开方器等转换环节。这种方法，频带受转换器的限制，准确度较低。常用于较低频率有效值电压的测量。,2数字式电压表数字式电压表首先利用模/数（A/D）转换原理，将被测的模拟量电压转换成相应的数字量，用数字式直接显示被测电压的量值。与模拟式电压表相比，数字式电压表具有精度高、测量速度快、抗干扰能力强、自动化程度高、便于读数等优点。最基本、最常见的数字电压表是直流数字电压表（DVM），在其输入端配以不同的转换器或传感器就可测量交流电压、电流、电阻等电量。它是多种数字测量仪器的基本组成部分。,典型的数字式电压表的组成框图如图3-4所示。仪器主要由模拟电
9、路、数字逻辑电路及显示器组成。其中模拟电路中的模/数（A/D）转换器是数字式电压表的核心，应用不同的A/D转换原理就能构成不同类型的数字电压表。,图3-4 直流数字电压表的组成, 逐次比较型数字电压表 以逐次比较型A/D转换器为核心部件，将被测电压与已知的不断递减的基准电压进行逐次比较，最终获得被测电压值。 积分型数字电压表 以积分型A/D转换器为核心部件，利用积分原理把被测电压量转换为与之成正比的时间或频率，再利用计数器测量脉冲的个数来反映电压的数值。,3.2 模拟式电子电压表,3.2.1 均值型电子电压表 3.2.2 峰值型电压表 3.2.3 有效值电子电压表 3.2.4 应用实例,模拟式
10、电子电压表根据交直流转换方式（检波方式）的不同分为均值型、峰值型和有效值型三种。下面分别讨论这三种类型电压表的基本组成、工作及其使用中的误差处理方法。 均值型电子电压表属于放大-检波式电子电压表。被测交流电压先进行放大，然后进行检波。检波器-交直流转换器常采用平均值检波器，所以称为均值型电压表。均值型电压表常用测低频信号电压。 平均值检波器分为半波式和全波式两种，不特别注明时，都指全波式平均检波器。,3.2.1 均值型电子电压表,1均值检波器原理均值电压表内常用均值检波电路如图3-5所示。图3-5（a）为桥式全波整流器电路，3-5（b）为半桥式的全波整流电路。图3-5（b）中以电阻代替了图3-
11、5（a）中的两只二极管，这在实际电路中是常见的。,图3-5 平均值检波器电路,以图3-5（a）为例，设输入电压为U（t）、D1D4相同其正向电阻为Rd，微安表内阻为rm。理论证明，流过微安表的电流 为由上式可知，均值电压表的表头偏转正比于被测电压的平均值，即 （K为比例系数）。整流后的平均电流与输入波形无关，只与其平均值有关。,2、刻度特性 均值检波后的直流电压UDC是正比于被测电压的平均值的。而一般情况下，均值电压表的读数刻度也是按正弦波有效值刻度的，即表头上的读数正比于被测正弦信号的有效值。所以，采用均值检波器的电压表进行刻度时，应通过一个因数KF进行变换。,= U = K F = 1.1
12、1式中 电压表读数； U 正弦电压有效值； K F 正弦电压的波形因数。 当用均值电压表测量非正弦波电压时，读数 没有直接意义，只有把读数值除以 K F才等于被测电压 u x的平均值 U。要求被测电压的有效值，须经过波形换算，按“平均值相等则读数相等”的原则。,例3.1 用均值表（全波式）分别测量正弦波、方波及三角波电压，电压表示值为10V，问被测电压的有效值分别是多少伏？解：对于正弦波示值就是有效值，故正弦波的有效值 对于方波 方波的波形因数 =1，示值 方波电压的有效值 对于三角波 三角波的波形因数 =1.15，示值 三角波电压的有效值,3波形误差分析以全波均值表为例，当以示值 作为被测电
13、压有效值 时所引起的绝对误差 ：示值相对误差 ：例如，当被测电压为方波时即产生正10%的误差。由例3.1可知，实际有效值是9V，但电压表示值为10V，多指示1V，其误差为10%。,当被测电压为三角波时即产生负3.5%的误差。由例3.1可知，实际有效值为10.35V，但电压表的示值为10V，少指示0.35V，其误差为3.5%。 可见，对于不同的波形，所产生的误差大小及方向是不同的。 用均值表测交流电压，除了波形误差之外，还有直流微安表本身的误差，检波二极管的老化或变值等所造成的误差等，但主要是波形误差。,4.DA-16型毫伏表简介模拟式电子电压表种类型号很多。例如，国产GB-9型电子管毫伏表和D
14、A-16型晶体管毫伏表均为均值型电子电压表。现以DA-16型晶体管毫伏表为例对均值型电子电压表作简要介绍。 其原理图如图3-6所示。前置级组成阻抗变换器，获得高输入阻抗。步进分压器用于选择量程。放大电路A与VT1、VT2组成的串联电压负反馈电路构成宽频带放大器。二极管VD1、VD2及R1、R2组成全波检波电路。微安表及附属元件构成指示电路。,图3-6 DA-16型均值表原理图,3.2.2 峰值型电压表,它属于检波-放大式电子电压表。被测交流电压先进行检波，然后进行放大。检波器-交直流转换器常采用峰值检波器，所以称为峰值型电压表。峰值型电压表常用来测量高频信号电压。1峰值检波器原理峰值电压表内常
15、用的峰值检波器如图3-7所示。图3-7（a）为串联式，图3-7（b）为并联式。,图3-7 峰值检波器电路,以图3-7（a）为例，若满足 ， 其中，式中 和 分别是被测交流电压的最大周期和最小周期， 是信号源内阻与二极管正向内阻之和。这样可以使电容C充电时间短、放电时间长，从而保持电容C两端的电压始终接近等于输入电压的峰值，即 。 由上可知，峰值检波器检波后的直流电压与输入的被测交流电压的峰值（正弦波电压的振幅值）成正比。,图3-8 峰值检波的波形图,2、刻度特性 峰值检波器检波后的直流电压 UDC正比于被测电压的峰值UP 。而一般情况下，峰值电压表的读数刻度是按正弦波的有效值刻度的，即表头上的
16、读数 正比于被测正弦信号的有效值。所以，采用峰值检波器的电压表进行测量时，读出的数据已通过一个因数K P 进行正弦波峰值有效值的变换。,式中 电压表读数； U 正弦电压有效值； K P 正弦电压的波峰因数。同理，当用峰值电压表测量非正弦波电压时，读数 更是没有直接意义，把读数值乘以 K P 等于被测电压与正弦波对应的峰值。按“峰值相等则读数相等”的原则，再经过波形换算可求得被测波形的实际值。,例3.2 用峰值电压表分别测量正弦波、方波及三角波电压，电表示值均为10V，问被测电压有效值是多少？解： 对于正弦波，示值就是有效值，故正弦波的有效值 对于方波 方波的波峰因数为 ，示值 方波的有效值为
17、对于三角波 三角波的波峰因数为 ， 示值 方波的有效值为,3误差分析峰值电压表在测量 时若以示值作被测电压的有效值 ，则所引起的绝对误差 为：示值相对误差 为：很容易求出，测量方波和三角波时示值相对误差分别是-41%和18%。所以用峰值电压表测非正弦波电压，要进行波形换算，以减小波形误差。,用峰值表测交流电压，除了波形误差之外，还有理论误差，由3-7原理图可知，峰值检波电路的输出电压的平均值 总是小于被测电压的峰值 ，这是峰值电压表固有误差。另外，峰值电压表适用于测量高频交流电压，如果应用在低频情况，测量误差增加。经分析，低频时相对误差为: 式中 为被测电压的频率。频率愈低，误差愈大。,4HF
18、J-8型超高频毫伏表简介下面以应用广泛的HFJ-8型超高频晶体管毫伏表为例简要介绍检波-放大式电子电压表的基本原理。其原理方框图如图3-8所示。,图3-8 HFJ-8型超高频毫伏表原理方框图,HFJ-8型毫伏表使用峰值检波器，输出与被测信号的峰值成正比的电压。检波之后的电压经平衡式调制器调制，变成固定频率的交流信号，然后再进行选频放大，再由全波解调器变换成直流电压送显示器显示。 由上可知，无论是均值电压表还是峰值电压表，一般都按正弦波有效值进行定度。因此，当被测电压为非正弦波时，将会带来波形误差。这一现象又称为波形响应。 如果能有直接测量有效值的电压表不是更方便吗？,3.2.3 有效值电子电压
19、表,1热电转换式有效值电压表热电转换式有效值电压表电路如图3-9所示。图中AB是加热丝，当接入被测电压 时，加热丝发热，热偶 的热端 点温度高于冷端 、 ，产生热电势，有直流电流 流过微安表，此电流与热电势成正比，热端温度正比于被测电压有效值 的平方。所以直流电流正比于 ，即 。,图3-9 热电偶转换原理,利用热电偶实现有效值电压的测量，基本上没有波形误差，测量非正弦波电压过程简单。其主要缺点是有热惯性，使用时需等指针偏转稳定后才能读数。2计算式有效值电压表交流电压的有效值即其均方根值。根据这一关系式，利用模拟电路对信号进行平方、积分、开平方等公式运算即可得到被测电压的有效值。,公式均方根运算
20、的有效值电压表原理框图如图3-10所示。第一级是模拟乘法器，其输出正比于 ；第二级是积分器； 第三级将积分器输出的 进行平方，最后输出的电压正比于被测电压的有效值，通过仪表显示出结果。,图3-10 计算式有效值电压表原理框图,（1）输入阻抗高，可达数兆欧姆，工作频率宽，高频可达数百MHz以上，低频小于10KHz。（2）读数按正弦有效值刻度，只有测量正弦电压时，其有效值才是被测波形得真正有效值。测量非正弦电压时，其有效值必须通过波形换算获得。（3）波形误差大。（4）读数刻度不均匀，因为它是在小信号时进行检波。,4.2.4 三种检波方式电压表的比较,1. 峰值电压表,2. 均值电压表,（1）均值检
21、波器的输入阻抗低，必须采用过阻抗变换来提高电压表的输入阻抗。工作频率一般为20Hz1MHz。（2）读数是按正弦波有效值刻度，只有测量正弦电压时，读数才正确，若测量非正弦电压，也要进行波形换算。（3）波形误差相对不大。（4）因为是对大信号进行检波，读数刻度均匀。,3. 有效值电压表,（1）读数是按正弦电压有效值刻度，测量正弦波或非正弦电压的有效值，可直接从表上读数，无需换算。（2）输入阻抗高，工作频率在峰值与均值电压表之间。高频可达几十MHz ，低频小于50Hz 。,3.2.5 应用实例,1变压器变比和放大器增益的测量如图3-11所示是变压器变比测量原理图。用模拟式电子电压表分别测量变压器初、次
22、级的端电压 和 ，则变比为,图3-11 变压器变比测量的原理图,图3-12是放大器增益测量的原理图。用模拟式电子电压表分别测量放大器输入端和输出端的电压 和 ，则增益为在以上测量中，应注意： 信号源 的频率范围必须与被测电路的频率特性相适应，以免引入频率失真，给测量带来误差。 信号电压 的幅度应合适，以免引起非线性失真。,图3-12 放大器增益测量的原理图,2纹波系数的测量直流稳压电源纹波系数的测量方法如图3-13所示。先用直流电压表测出a、c两端的直流电压U，再用模拟式电子电压表测出b、c两端的纹波电压u。由于纹波系数是指电源电路的直流输出电压U上所叠加的交流分量的总有效值与直流分量的比值，
23、因此，纹波系数 为在具体测量中，隔直电容C的容量应选大一些，一般在几个微法以上。,图3-13 直流稳压电源纹波系数的测量,3.3.1 数字电压表的基本原理3.3.2 多用型DVM工作原理3.3.3 DVM主要性能指标与测量误差,3.3数字电子电压表,概述,数字电压表（DVM）在近几年来已成为极其精确、灵活多用的电子仪器。此外，DVM能很好的与其它数字仪器（包括微型计算机）相连接，因此在自动化测量系统的发展中占重要地位。讨论DVM的主要内容可归结为电压测量的数字化方法。模拟量的数字化测量，其关键是如何把随时间作连续变化的模拟量变成数字量，由模/数（A/D）转换器来完成。把模拟量变成数字量进行测量
24、的过程，可用图3-14所示来概括。,图3-14 电压测量的数字化过程,DVM可以简单理解为A/D转换器加电子计数器，其中核心为A/D转换器。各类DVM之间的最大区别在于A/D转换方法的不同，而各类DVM的性能在很大程度上也取决于所用A/D转换的方法。按其基本工作原理主要分为比较型和积分型两大类。,3.3.1 数字电压表的基本原理,1逐次逼近比较式DVM逐次逼近比较式A/D转换是属于比较式A/D转换，其基本原理是用被测电压和可变的已知电压（基准电压）进行比较，直到达到平衡，测出被测电压。逐次逼近比较式DVM的原理框图如图3-15所示。,图3-15 逐次逼近比较式DVM原理框图,逐次逼近比较式DV
25、M的原理框图如图3-15所示。图中的D/A转换器把由基准电压源输出的高稳定度基准电压分成若干个步进砝码电压 ，例如，将10V的基准电压分成8V、4V、2V、1V、0.8V、0.4V、0.2V、0.008V、0.004V 、0.002V、0.001V； 与 在比较器进行逐次比较，获得差值电压 。当 时，比较器输出脉冲信号，使数码寄存器保留该 ；而 0时，则舍去该 。最后，当数码寄存器中的 累积总和与被测电压 相等时，以上比较过程停止，显示器显示数码寄存器中的 累加总和值。控制电路控制全部工作过程。,例3.3 用以上电压表测 V的电压，测量过程为：测量前，控制电路发出清零信号，使各电路清零，即 =
26、0。 当 =8V时， 与 在比较器中进行比较，因 ，比较产生 0信号；则舍去该 。 当 =4V时,因 ，得 0；则舍去该 。 当 =2V时,因 ，得 0；则将该 存入数码寄存器，记为 。, 当 = +1V=2+1=3V时,因 ，得 0；则存入数码寄存器，记为 。 当 = +0.8V=3+0.8=3.8V时,因 ；则舍去该 ，数码寄存器中仍为 。直到 =2+1+0.4+0.1+0.001=3.501V时,因 = ，比较过程结束。此时显示器显示3.501V。逐次逼近比较式数字电压表的优点是分辨率和精度均较高，测量速度快，缺点是抗干性差。,2双斜积分式DVM双斜积分式数字电压表原理框图如图3-16所
27、示。此电路的特点是一个测量周期内，用积分器A进行两次积分。首先对被测电压 在规定时间内进行定时积分，然后切换A的输入电压，输入基准电压，对进行反向定值积分。然后通过两次积分的比较，将输入信号 变换成与之成正比的时间间隔。通过计数器计数，由电子计数器部分经显示器显示被测电压 值。,图3-16 双斜积分DVM原理框图,双斜积分式DVM工作过程分三个阶段，如图3-17所示。,图3-17 双斜积分式DVM的工作原理, 准备阶段（ ）：由逻辑控制电路将图3-16中电子开关 的接通（其余断开），使积分器输入电压 =0，则其输出电压 =0，作为初始状态。 定时积分阶段（ ）：对直流被测信号 定时积分，设被测
28、电压 0。 在 时刻，逻辑控制电路将电子开关 断开，同时接通 。接入被测电压 ，积分器作正向积分，输出电压 线性增加；同时逻辑控制电路将闸门打开，计数器对时钟脉冲计数。经过预置时间 ，即在 时刻，计数器溢出，清零，进位脉冲使逻辑控制电路将 断开， 接通，定时积分阶段结束。此时，积分器输出电压为,时刻时若 为直流电压，则 （3-1） 可见积分器输出电压 正比于被测电压 。 因为 区间是定时积分， 是预先设定的。 的斜率由 决定（ 大，斜度陡， 值则高）。当 （绝对值）减小时，其顶点为 ，见图3-10中的虚线。 定值积分阶段（ ）：对基准电压 进行定值积分阶段。,当S1断开，S2接通后，标准电压U
29、N被接入积分器，并使积分器作反向积分，其输出电压U02从U0M开始线性下降。同时计数器清零，闸门开启，重新计数，并送入寄存器。同时S2断开，S4、S5接通，积分器恢复到初始状态，C放电，进入休止阶段（ ），为下一次测量周期做准备。 到t3时积分器输出电压U02=0，获得时间间隔为T2，在此期间输出电压 T3时刻代入式（3-1） 整理得：式中，UN、T1均为常数，则被测电压UX正比于时间间隔T2。,若在时间T1内计数器计数结果为N1，即 ；在时间T2内计数结果为N2，即 ，式中T0为计数器的计数脉冲周期。则因此被测电压UX正比于在T2期间计数器所计的时钟脉冲个数N2。 显示阶段：计数器输出脉冲存
30、在寄存器中，经译码，在显示器中显示出被测电压UX值。 综上所述，双斜积分式DVM的准确度取决于标准电压UN的准确度和稳定性，而UN的准确度可以做的很高，因而该表准确度高；抗干扰能力强，所应用广泛。,3.3.2 多用型DVM工作原理,前述均为直流数字电压表的原理，为了实现交流电压、直流电流、直流电阻等参数的测量，以测直流电压的DVM为基础，通过各种转换器将这些量转换成直流电压，再进行测量，从而可以组成多用型数字电压表（也称为数字万用表），如图3-18所示。,图3-18 多用型DVM原理简图,下面简介几种参数转换器的基作原理。1交流电压-直流电压（AC-DC）转换器第三节介绍过模拟式电压表利用二极
31、管构成的均值和峰值检波器，驱动直流微安表指针偏转，这种检波器是非线性的。而直流DVM是线性化显示的仪器，同直流DVM配接的转换器则必须将被测电压的有效值，线性地转换成直流电压，一般称它为线性检波器。第三节曾叙述过的直接用公式均方根运算的有效值转换过程可实现交流-直流线性检波。,2直流电流-直流电压（I-V）转换器如图3-19所示，最常用的直流电流-直流电压的转换是利用欧姆定律，使被测的直流电流IX通过标准电阻Rs（采样电阻），以Rs上的直流压降UX表示IX的大小，即 UX=IXRs此电压正比于IX，用直流DVM测得电阻上的电压，即可实现对未知直流电流的测量。,IX,Rs,图3-19 I-U转换
32、器原理框图,图3-20所示为多用型数字电压表中采用的直流电流-直流电压转换器的一个实例。电路图中的输出端U0连接至DVM的输入端，由图可见输入到DVM的电压与IX成正比，因为 （式中的A为放大器的放大倍数），可见U0与IX成正比。用开关S1S4切换不同的采样电阻，即可得到不同的电流量程，而输入到DVM的电压不变。,图3-20 I-U转换器实例电路图,3电阻-电压转换器R-V的转换器电路如图3-21所示。图中Is是一个恒流源电流，通过被测电阻Rx，在Rx两端就会产生正比于被测电阻Rx的电压，由DVM测得这个电压值就可以知道被测电阻Rx的大小，即 。,图3-21 R-U转换器原理框图,Rx,Is,
33、图3-22所示为多用型数字电压表中采用的电阻-直流电压转换器的一个实例。被测电阻Rx接在反馈回路，标准电阻RN接在输入回路。UN是基准电压，电路图中的输出端U0连接至DVM的输入端，由图可知 电流I由UN、RN决定，它在Rx上的压降 即输出电压U0，显然U0正比于Rx。从而实现了R-U转换。改变RN即得到不同量程。,可见，在DVM的基础上，利用交流-直流（AC-DC）转换器、电流-电压（I-U）转换器、电阻-电压（R-U）转换器即可把被测电量转换成直流电压信号，现由DVM对转换后的信号进行测量。这样就组成了数字式多用表（俗称万用表）。不同的测量功能和量程由开关转换。,图3-22 R-U转换器实
34、例电路图,表征DVM主要性能指标有测量范围、分辨率、输入阻抗、抗干扰能力、测量速度及测量误差等。掌握它们的正确含义是正解使用DVM的前提。1测量范围DVM用量程显示位数以及超量程能力来反映它的测量范围。 量程 DVM的量程是以基本量程（即未经衰减和放大的量程）为基础，借助于步进衰减器和输入放大器向两端扩展来实现。 显示位数 DVM的显示位数是指能显示09十个数码的完整显示位。只能显示0和1（在最高位上）称为1/2位；只能显示05称为3/4位。,3.3.3 DVM主要性能指标与测量误差,（3）超量程能力 指数字电压表能测量的最大电压超过其量程值的能力。 DVM有无超量程能力取决于它的量程分档情况
35、和能够显示的最大数字情况。计算公式： 超量程能力=（能测量的最大电压-量程值）/量程值100%,例如： 1、显示位数全是完整位的DVM，没有超量程能力。带有1/2位的数字电压表，如果按2V、20V、200V分档，也没有超量程能力 。 2、带有1/2位并按1V、10V、100V分档，才具有超量程能力 。如4位半的DVM，在10V量程上，最大显示19.999V电压，允许有100%的超量程。 3、4 位DVM，如量程按5V、50V、500V分档，则允许有20%超量程。,例如： 3位半DVM 2V量程时，最大显示数字为1999，最大测量电压为1.999V，无超量程能力； 1V量程时，最大显示数字为19
36、99，最大测量电压为1.999V，超量程能力为100%。,2分辨率DVM能够显示被测电压的最小变化值，称为分辨率，即最小量程时显示器末位跳一个单位值所需的最小电压变化量。在不同的量程上，具有不同的分辨率。在最小量程上，具有最高分辨率，这里的分辨率应理解为最小量程上的分辨率。例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大电压为199.9mV，其分辨率为0.1mV。（即当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字” ）,3输入阻抗由于输入有衰减器，所以输入阻抗不是固定值。小电压测量Ri可达500M，大电压测量Ri只有10 M。4测量速度 测量速度是在单位时间内以规定的准确
37、度完成的最大测量次数。或者用测量一次所需要的时间（即一个测量周期）来表示。它取决于A/D转换器的变换速度。,5测量误差DVM的固有误差通常用以下两种方式表示： ； 个字其中，式中Ux为被测电压读数； Um为该量程的满度值； 读数误差； 表示满度误差，也可以用 个字表示，即在该量程上末位跳n个单位电压值恰好等于 。,例3.4 某DVM，基本量程5V档的固有误差为 求满度误差相当几个字？解：由已知条件可知，满度误差为 V V。由于0.0002V恰好是末位两个字。,例3.5 用一只四位DVM的5V量程分别测量5V和0.1V电压，已知该仪表的准确度为 个字，求由于仪表的固有误差引起测量误差的大小。解：
38、 测量5V电压时的绝对误差 因为该电压表是四位，用5V量程时， 1个字相当于 0.001V，所以绝对误差 字 V 示值相对误差为 测量0.1V电压时的绝对误差 字 V 示值相对误差,3.4 电子电压表的使用方法,虽然电子电压表的型号很多，但其基本使用方法相同，下面介绍电子电压表在使用时的基本操作要注意的几点，从而养成正确的操作习惯。1准备工作 仪器应垂直放置在水平工作台上。在未接通电源的情况下，模拟电压表应进行机械调零，即调节表头上的机械零位调节旋钮，使表针批准零位。,2选择量程 根据被测信号的大约数值，选择适当的量程。在不知被测电压大约数值的情况下，可先选择较大量程进行试测，在了解被测电压大
39、约数值之后，再确定所选量程。 3连接电路 在使用模拟电子电压表时，被测电路的电压通过连接线接到电压表的输入接线柱，连接电路时，应先接上接地接线柱，然后接另一个接线柱。测量完毕拆线时，则应先断开不接地的接线柱，然后断开接地接线柱。以避免在较高灵敏档（mV档）时，因人体触及输入接线柱而使表头指针打表。4读数 模拟式电压表要根据量程选择开关的位置，按相对应的电表刻度线读数；数字式电压表根据显示器的显示直接读数，当电压表显示19 999时，表示输入过载，此值不是测量值。,3.5 功率的测量,对于直流电路，用电流表测出负载电流I ，用电压表测出负载电压V ，则乘积IV即为负载消耗的功率值。 对于交流电路
40、，负载消耗的有功功率等于IV cos， cos是电流/电压相量间的夹角，cos称为功率因数。 只用交流电流表和电压表是不能求出负载有功功率的，因为不知道功率因数。 本节讨论一种电动式表头的低频功率Watt表。 当把它的电流线圈和电压线圈分别串入和跨接到负载，即可直读负载的直流功率值IV ，或者交流有功功率值 IVcos。,3.5.1 电动式功率表的结构和原理,功率表的结构示意图如图3-5-1所示。 固定的线圈用较粗的导线绕成，让负载电流I通过，所以叫电流线圈。可偏转的线圈用细线绕成，它串接一个大电阻R后，跨接到负载上，测量负载电压V，所以叫电压线圈，其中电流与负载电压V成正比。,3.5.1 电
41、动式功率表的结构和原理,图3-5-1 电动式功率表的结构示意图 图3-5-2 功率表的连接法,3.5.1 电动式功率表的结构和原理,功率表和负载的连接如图3-5-2所示，电压线圈有前连接和后连接两种方法。前接法测得的电压是负载电压加电流线圈降压，故前接法用于大负载阻抗，才可忽略电流线圈降压，电压误差才小；后接法的电流线圈电流是负载电流加电压线圈的电流，故后接法用于小负载阻抗，才可忽略电压线圈的分流，电流误差才小。 这种前/后连接法的原理与习题3-9伏/安法测电阻(或直流功率)相同。 注意、电流线圈的 * 号端规定与电源连接，另端与负载连接；电压线圈的 * 号端规定与电流线圈(前或后)端子连接。
42、,为了说明功率表的原理，先引用公式(3-1-2)，假设偏转角仍与成正比：仔细复习前面3-1-1小节，并比较磁电式表头的图3-1-1和电动式表头的图3-4-1 ，会发现它们的结构是大体相同的。 最大的差异是、产生磁场B的永久磁铁被这里的两个固定电流线圈所代替，磁场由负载电流产生；而且这里的磁路是空气介质，没有铁磁物质构成的辐射均匀磁场。 （3-4-1） 这里、磁场 B与功率表电流线圈的电流 (负载电流) 成正比；电流是偏转线圈 (电压线圈)的电流值，把它改写成 。 结果得出偏转角与两线圈电流之乘积成正比： （ K是比例常数） （3-4-2）,3.5.1 电动式功率表的结构和原理,3.5.1 电动
43、式功率表的结构和原理,实际上，电动式功率表的这个K并不是常数，而是偏转角 的函数 。 主要原因是 电流线圈中的磁场不是均匀的磁场， 偏转线圈的有效转矩力 是电磁力F的分力，随 而变化。从图3-4-1中可看出，偏转线圈法线 (指针)方向与磁场方向垂直时 = F ，有效转矩力才最大。 所以电动式功率表的偏角公式应写成 ( 是偏角 的函数) （3-4-3） 其中 是电流/电压两线圈中的电流。一个 乘积确定(或对应)一个偏转角 。 在理论上可证明，电动式功率表也可用于非正弦波的功率测量。这种电动式功率表的读数标尺是非线性的。 这标尺常是在标准功率的校对情况下、人工刻画出来的。 所以功率表有好的准确度，一般为0.5级 (0.5 % 满度相对误差) 。 线圈电感和分布电容会影响并限制这种功率表的交流测量准确度和高频应用。,3.6 电平的概念,3.6.1 主观感觉的对数特性 人们的主观感觉是与客观刺激量的相对增量成正比例的。 若用F表示人的主观感觉强度，用S表示客观刺激量，则有下列增量等式和微分等式成立： （3-4-1） 这式中K是比例常数。积分上式,可得 （3-4-2） (2) 式说明，人的感觉强度F与刺激量S的对数成线性关系，而不是 直接与刺激量成比例。 现在利用(2)式，可求出两刺激量S1 和S2 之间的 感觉强度的差异： （3-4-3）,
