1、7.2 模拟式直流电压测量,一、动圈式电压表,满度电压,内阻为Re，满偏电流(或满度电流)为Im,为了扩大量程，通常串接若干倍压电阻；计算出三个倍压电阻的阻值分别为,电压表的内阻与电压量程、电流表表头灵敏度有关。,把内阻Rv与量程U之比定义为模拟磁电式电压表的“每伏欧姆（/V）数”，也称电压灵敏度。可依据它计算出不同量程电压的量程。,已知电压表每伏欧姆（/V）数为20K/V，可求出不同量程时，电压表的内阻和满度电流Im。,例1 电压表 “ V数为20k V，分别用5V量程和25V量程测量端电压Ux，分析输入电阻的影响及用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。,解：理想情况，电压表内阻Rv应为
2、无穷大，此时电压表示值Ux，与被测电压实际值E0相等：,当电压表输入电阻为Rv时，电压表测得值：,相对误差,5V电压档：Rv120k/V,5V100k,25V电压档：Rv120k/V,25V500k,对于高输出电阻的被测电路,电压表输入电阻尤其是低电压档时输入电阻对测量结果的影响是非常大。,分析推导出消除负载效应影响的计算公式，进而计算出待测电压的近似值：,同理可得,因此,解得,式中,因此，如果用内阻不同的两只电压表,或者同一电压表的不同电压档(此时 即等于电压量程之比)，根据上述两式，即可由两次测得值得到近似的实际值E0。,在精密测量和工程测量中提高输入阻抗和灵敏度以提高测量质量最常用的办法
3、是利用电子电压表进行测量。,二、电子电压表,1、电子电压表原理,结构特点,MF-65集成运放型电子电压表,当运放开环放大系数A足够大时，则,因而有,所以,分压器和电压跟随器的作用使Ui正比于待测电压Ux,因而,即流过电流表的电流I0与被测电压成正比，只要分压系数和RF足够精确和稳定，就可以获得良好的准确度，因此，各分压电阻及反馈电阻RF都要使用精密电阻。,2、调制式直流放大器,直流放大器的零点漂移限制了电压表灵敏度的提高,电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使电子电压表能测量微伏量级的电压。,调制式直流放大器原理,微弱的直流电压信号经调制器(又称斩波器)变换为交流信号，再
4、由交流放大器放大，经解调器还原为直流信号(幅度已得到放大)。振荡器为调制器和解调器提供固定频率的同步控制信号。,调制器工作原理,解调器工作原理,交流放大器一般采用选频放大器，只对与图中振荡器同频率的信号进行放大而抑制其他频率的噪声和干扰。,7.3 交流电压表征和测量方法,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。,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Up表示，正、负峰值不等时分别用Up+和Up-表示,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
5、幅值不等时分别用Um+和Um-表示,图中U00且正、负幅值相等。,2、平均值,u(t)的平均值 的数学定义为,实质上就是周期性电压的直流分量U0,在电子测量中，平均值通常指交流电压检波(也称整流)以后的平均值，又可分为半波整流平均值(简称半波平均值)和全波整流平均值(简称全波平均值)，,半波和全波整流,全波平均值定义为,3、有效值,定义：某一交流电压的有效值等于直流电压的数值U，当该交流电压和 数值为U的直流电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产生的热量相等。则数学式可表示为,实质上即数学上的均方根定义，因此电压有效值有时也写作Urms。,4波形因数、波峰因数,交流电压的有效值、平均值
6、和峰值间有一定的关系，可分别用波形因数(或称波形系数)及波峰因数(或称波峰系数)表示。,波形因数KF，定义为该电压的有效值与平均值之比,波峰因数Kp，定义为该电压的峰值与有效值之比,不同电压波形，其KF，Kp值不同。（参P198表7.3-1),基于功率的概念，国际上一直以有效值做为交流电压的表征量，例如电压表，除特殊情况外，几乎都按正弦波的有效值来定度。被测电压是正弦波，容易从电压表读数即有效值得知它的峰值和平均值，如果被测电压是非正弦波，需根据电压表的读数和电压所采用的检波方法，进行必要的波形换算，才能得到有关参数。,二、交流电压的测量方法,1、交流电压测量的基本原理,测量交流电压的方法最主
7、要的是利用交流直流(ACDC)转换电路将交流电压转换成直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。,根据ACDC转换器的类型，可分成检波法和热电转换法。根据检波特性的不同，检波法又可分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等。,2、模拟交流电压表的主要类型,(1)检波放大式,这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。,采用超高频检波二极管并在电表结构工艺上仔细设计，可使这种电压表的频率范围从几十Hz到几百MHz，输入阻抗也较大。,(2)放大检波,当被测电压过低时，直接进行检波误差会显著增大。为了提高交流电压表的测量灵敏度，可先将被测电压进行放大，而后再检波和推动直流电表显示。,这种电压表的频率
8、范围主要取决于宽带交流放大器，灵敏度受到放大器内部噪声的限值。,(3)调制式,为了减小直流放大器的零点漂移对测量结果的影响，可采用调制式放大器以替代一般的直流放大器，构成了调制式电压表。实际上这种方式仍属于检波放大式。,调制式电压表框图,(4)外差式,检波二极管的非线性，限制了检波放大式电压表的灵敏度，虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般仅达到mV级。而对于放大检波式电压表，由于受到放大器增益与带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围却较窄，同时两种方式测量电压时，都会由于干扰和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。外差式电压测量法在相当大的程度上解决了上述矛盾。,外差式电压表框图,工作原理：
9、,(5)热偶变换式,(6) 其他方式,7.4 低频交流电压测量,通常把测量低频(1MHz以下)信号电压的电压表称作交流电压表或交流毫伏表。这类电压表一般采用放大检波程式，检波器多为平均值检波器或者有效值检波器，分别构成均值电压表和有效值电压表。,一、均值电压表,1、平均值检波器原理,电路结构：4只性能相同的二极管构成桥式全波整流电路。整流后的波形为 ，整流器可等效为Rs串联一电压源 ， Rm为电流表内阻，C为滤波电容，滤除交流成分。将 用付里叶级数展开，其直流,直流恰为其整流平均值，加在表头上，流过表头的电流I0正比于 ，即正比于全波整流平均值。,为了改善整流二极管的非线性，实际电压表中也常使
10、用半桥式整流器。,2、检波灵敏度,表征均值检波器工作特性的一个重要参数是检波灵敏度Sd，定义为,对于全波桥式整流器，可导出,若 ，则根据表7.3-1，有,所以,要提高测量灵敏度，应减小Rd和Rm。,由于二极管是非线性器件，当电压较低时，Rd急剧增大至几K到几十K,Sd急剧下降,这种检波器不宜直接测量0.5V以下的电压。,3、输入阻抗,对于均值整流器， 其输入阻抗,均值检波器输入阻抗很低,4、均值电压表,由于均值检波器检波灵敏度的非线性特性及输入阻抗过低，所以均值检波器为ACDC变换器的均值电压表一般都设计成放大检波式。,JB1B电压表原理图,电路结构分析,DA16型均值电压表原理图,电路结构分
11、析,二、波形换算,电压表度盘是以正弦波的有效值定度的，而均值检波器的输出，(即流过电流表的电流)与被测信号电压的平均值成线性关系，为此有,式中Ua为电压表示值， 为被测电压平均值，Ka称为定度系数。由于交流电压表是以正弦波有效值定度，因此对于全波检波(整流)电路构成的均值电压表，定度系数Ka就等于正弦信号的波形因数，即,如果被测信号为正弦波形，则电压表示值就是被测电压的有效值。如果被测信号是非正弦波形，需进行“波形换算”，由示值和被测信号的具体波形，推算出被测信号的数值。,由上面两式得到任意波形电压的平均值,再由波形系数KF定义,则任意波形电压的有效值,例1 用全波整流均值电压表分别测量正弦波
12、，三角波和方波，若电压表示值均为10V，问被测电压的有效值各为多少? 解：对于正弦波，由于电压表本来就是按其有效值定度，即电压表示值就是正弦波的有效值，所以正弦波的有效值,对于三角波，查表7.3-1，其波形系数KF=1.15，所以有效值,对于方波，查表7.3-1，其波形系数KF1，所以有效值,如果被测电压不是正弦波形时，直接将电压表示值作为被测电压的有效值，必将带来较大的误差，通常称作“波形误差”。由上式可以得到波形误差的计算公式,三角波,方波,三、均值检波器误差,均值电压表的误差包括下列因素：直流微安表本身的误差；检波二极管老化、变质、不对称带来的误差；超过频率范围时二极管分布参数带来的误差
13、(频响误差)；波形误差。,四、有效值检波器,电压有效值的定义：,为了获得有效值(均方根)响应，必须使ACDC变换器具有平方律关系的伏安特性。这类变换器有二极管平方律检波式、分段逼近式检波式、热电变换式和模拟计算式等四种。,1、二极管平方律检波式,半导体二极管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律关系，图中E0为偏置电压，当信号电压ux较小时，有,二极管的平方律特性,式中k是与二极管特性有关的系数(称为检波系数).由于电容C的积分(滤波)作用，流过微安表的电流正比于i的平均值 等于,从而实现了有效值转换,这种转换器的优点是结构简单，灵敏度高。缺点是满足平方律的区域（有效值检波的动态范围）过窄，
14、特性不易控制和不稳定，所以逐渐被晶体二极管链式网络组成的分段逼近式有效值检波器所替代。,2、分段逼近式检波式,平方律伏安特性和二极管链式电路,工作原理,由二极管D3D6和电阻R3R10。构成的链式网络相当于与R2并联的可变负载。接在宽带变压器次级的二极管D1、D2对被测电压进行全波检波。适当调节检波器负载(由链式网络实现)，可使其伏安特性成平方律关系，而使流过微安表的电流正比于被测电压有效值的平方。,3、模拟计算式,利用集成乘法器、积分器、开方器等实现电压有效值测量，是有效值测量的一种新形式，,模拟计算型有效值电压表原理,输出正比于有效值（均方根值），电压表的刻度是线性的。,有效值电压表的特点
15、：输出示值是被测电压有效值，而于被测电压的波形无关。当然，由于放大器动态范围和工作带宽的限制，对于某些被测信号，例如尖峰过高，高次谐波分量丰富的波形，会产生一定的误差（波形误差）。,五、分贝值测量,测量实践中，常常用分贝值来表示放大器的增益、噪声电平、音响设备等有关参数。,分贝值就是被测量对某一同类基准量比值的对数值。,式中:Us为基准电压。一般规定在Zs=600上产生 Ps1mW的功率为基准，相应基准电压为,分贝值的测量，实际仍是电压测量，只是将原电压值取对数后在表盘上以分贝定度。,分贝刻度的读法,当UxUs时，分贝值为正，当UxUs时，分贝值为负，当UxUs时，分贝值为零。,例2 用1.5
16、V量程测电压，Ux1.38V，问对应的分贝值。,例3 用MF20的30V电压量程，测得电压 Ux27.5V，问其分贝值为多少?,例4 用MF-20的300mV档测电压，表针指在-10dB处，被测电压的分贝值为多少?,由此可见，对MF20型表，仅当使用l.5V档时，才能直接读取分贝值，使用其他电压档，都应进行相应的换算。,7.7 电压的数字式测量,一、概述,模拟式电压表直接从指针式表盘上读取测量结果，表头指针的偏转角度是连续变化。模拟式电压表，结构简单，价格低廉，频率范围比较宽，尤其在高频电压测量中广泛应用。但由于表头误差和读数误差的限制，灵敏度和精度不高。,随着电子技术、计算技术、半导体技术的
17、发展，数字式仪表的绝大部分电路都已集成化，又因为摆脱了笨重的指针式表头，数字式仪表显得格外精巧、轻便。更主要的，它具有下列模拟式仪表所不能比拟的优点。,(1)准确度高、灵敏度高。以直流数字电压表为例，高档的准确度可达10-7量级，测量灵敏度(分辨力)达1uV。,(2)数字显示，过载能力强。测量结果以十进制数字显示，消除了指针式仪表的读数误差。由于数字显示代替指针机械偏转，仪器内又有保护电路，所以数字仪表过载能力强。,(3)输入阻抗高，负载效应小。数字电压表(DVM)为10M左右，高的可超过1000M，因而其负载效应几乎可以忽略。,(4) 测量速度快，自动化程度高。由于没有指针惯性，DVM完成一次测量的时间(从信号输入到显示结果)很短(可小于几个us)。由于微处理器的应用中、高档DVM已普遍具有很强的数据存贮、计算、自检、自校、自诊断等功能，并配有EEI-488和或RS232C接口，有的还具有模拟量输出，很容易构成自动测试系统。,(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，具有直流电压(DCV)、直流电流(DCl)、交流电压(ACV) 、交流电流(ACl)和电阻()五项功能，有的还有频率、温度等测量功能。,数字式电压表（DVM）的缺点是交流测量时的频率范围不够宽，一般上限频率在1MHz以下。,
