电子测量原理第5章 电压测量.ppt

1、,第5章 电压测量,5.1 概述 5.2 电压标准 5.3 交流电压的测量 5.4 直流电压的数字化测量及A/D转换原理 5.5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表 5.6 数字电压表测量的不确定度及自动校准、自动量程技术 5.7 电压测量的干扰及抑制技术,5.1 概述,511 电压测量的意义、特点 1）电压测量的重要性阐述电压测量的意义、重要性及应用。 2）电压测量的特点从电压测量的频率、范围、要求等方面阐述其特点，这些特点也反映了电子测量的主要特点。,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、

2、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）109Hz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（10-9V）；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

3、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。,512 电压测量的方法和分类,2. 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

4、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。,512 电压测量的方法和分类,2）数字化直流电压测量方法模拟直流电压-A/D转换器-数字量-数字显示（直观）数字电压表（DVM），数字多用表（DMM）。 3）交流电压的数字化测量交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电压-A/D转换器-数字量-数字显示DVM（DMM）的扩展功能。,512 电压测量的方法和分类,4）基于采样的交流电压测量方法交流电压-A/D转换器-瞬时采样值u(k) -计算，如有效值式中，N为u(t)的一个周

5、期内的采样点数。 5）示波测量方法交流电压-模拟或数字示波器-显示波形-读出结果,52 电压标准,5.2.1 直流电压标准电压和电阻是电磁学中的两个基本量。电压基准和电阻基准其他电磁量基准。电压标准有：标准电池（实物基准， 10-6）；齐纳管电压标准 （固态标准， 10-6）；约瑟夫森量子电压基准 （量子化自然基准，10-10）。电阻标准有：精密线绕电阻（实物标准）；霍尔电阻基准（量子化自然基准，10-9）。,5.2.1 直流电压标准,1. 标准电池原理：利用化学反应产生稳定可靠的电动势 （1.01860V）。有饱和型和不饱和型两种类型。饱和型特点：电动势非常稳定（年稳定性可小于0.5V，相当

6、于510-7），但温度系数较大（约40V/）。用于计量部门恒温条件下的电压标准器。不饱和型特点：温度系数很小（约4V/），但稳定性较差。用于一般工作量具，如实验室中常用的便携式电位差计。,1. 标准电池,使用中应注意：1）不能倾倒；不能震动、冲击（不易运输）。2）温度修正（特别是对饱和型）。“温度电动势”修正公式 ：式中，Et、E20分别为t（使用时的温度）和20（出厂检定时温度）时标准电池的电动势 。3）标准电池存在内阻，仪表输入电阻应较大。,2. 齐纳管电压标准,原理利用齐纳二极管的稳压特性制作的电子式电压标准（也称为固态电压标准）。 齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响，采用高稳定电

7、源和内部恒温控制电路可使其温度系数非常小 。 将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压基准源，如LM199/299/399、REF系列。,2. 齐纳管电压标准,为克服输出电压的波动，还可将多个精密电压基准源并联，得到它们的平均值。,2. 齐纳管电压标准,上图中，假设运放是理想的，则流入运放同相端电流I+=0，即若R1=R2=R3=R4，则而输出电压,2. 齐纳管电压标准,齐纳管电压标准器整机输出电压有：10V、1V和1.0186V。10V输出便于检定和传递到高电压，且运输、保存和使用方便。如WUK7000系列直流电压参考标准： 10V输出的年稳定性可达0.510-6 ；1V和1.018V输出

8、的年稳定性可达到210-6，温度系数为0.0510-6。,3. 约瑟夫森量子电压基准,原理 基于约瑟夫森（Josephson）效应的量子电压基准 约瑟夫森效应 约瑟夫森隧道结：在两块相互隔开（约10埃的绝缘层）的超导体之间，由于量子隧道效应，超导电流（约mA量级）可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦合，这种超导体-绝缘体-超导体（SIS）结构称为约瑟夫森隧道结。 约瑟夫森效应：当在约瑟夫森结两边加上电压V时，将得到穿透绝缘层的超导电流，这是一种交变电流，这种现象称为交流约瑟夫森效应。,3. 约瑟夫森量子电压基准,约瑟夫森效应 即：电压V约瑟夫森结超导电流。 超导交变电流的频率为： 式中

9、：e为电子电荷，h为普朗克常数，因而KJ为一常数。当电压V为mV量级时，频率f相当于厘米波。 逆效应：若将约瑟夫森结置于微波场中（即用微波辐射到处于超导状态下的约瑟夫森结上）时，将在约瑟夫森结上得到量子化阶梯电压Vn。 即：微波（频率f）约瑟夫森结量子化阶梯电压Vn（第n个阶梯）。,3. 约瑟夫森量子电压基准,约瑟夫森电压基准 根据约瑟夫森效应：由稳定的频率（f）确定电压V。即：通过时间（频率）单位得到量子化电压基准。量子化电压基准的准确度可接近时间（频率）准确度。 国际计量委员会的建议：从1990年1月1日开始，在世界范围内同时启用了约瑟夫森电压量子基准（JJAVS，10-10）。并给出KJ

10、-90=483597.9GHz/V。,3. 约瑟夫森量子电压基准,约瑟夫森结阵（JJA） 约瑟夫森结产生的量子电压较低（mv级）。 在一个芯片上将成千上万个或更多的约瑟夫森结串联 得到约瑟夫森结阵（JJA），可产生1V至10V的电压 。 我国的约瑟夫森量子电压基准 由中国计量科学研究院(NIM)量子部建立。 1993年底，1V约瑟夫森结阵电压基准，测量不确定度达到610-9 ； 1999年底，10V约瑟夫森结阵电压基准，合成不确定度为5.410-9(1) 。 应用：对标准电池、固态电压标准的量值传递，高精度数字多用表等的计量检定，测量不确定度为1E-8)。,5.2.1 交流电压标准,原理 由直

11、流电压标准建立。因而，需经过交流-直流变换。 测热电阻桥式高频电压标准 基本原理：将高频电压通过一电阻（称为测热电阻，如热敏电阻），该电阻由于吸收高频电压功率，其阻值将发生变化，再将一标准直流电压同样施加于该电阻，若引起的阻值变化相等，则高频电压的有效值就等于该直流电压。 双测热电阻电桥的原理图,双测热电阻电桥的原理图,双测热电阻电桥的原理,如图：标准电阻（如R=200）组成三个桥臂，两个完全相同的测热电阻RT（如RT=100）组成一个桥臂。 测量过程 1.电桥置于“DC”（直流）。调节直流电压源到V0，使电桥平衡，则测热电阻2RT= R。 2.置于“RF”（射频，即高频电压，设有效值为VRF

12、）。此时，测热电阻上同时施加有交流和直流功率，两测热电阻RT对交流为并联，对直流为串联。再次调节直流电压源到V1，使电桥平衡。,双测热电阻电桥的原理,测量过程 由两次电桥平衡关系，有即高频电压有效值为：,双测热电阻电桥的原理,对上述电路的要求 两个测热电阻的一致性好（阻值和温度特性相同）； 检流计要非常灵敏（特别是测量小的高频电压时）； 隔直电容C应保证满足： ，使交流功率在电容C上的损耗可以忽略。 测热电阻电桥的缺点 测热电阻对环境温度敏感，操作较复杂； 一般不能直接读数（需换算）。 准确度：若直流电压标准准确度为10-5，则得到的高频电压标准准确度可达10-3 。 应用：对模拟电压表检定。

13、,53 交流电压的测量,531 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Vp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Um表示）。,531 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)=Vpsin(t)，若=2/T,531 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

14、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_=I2RT= 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,531 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)=Vpsin(t)，若=2/T 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，,531 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)=Vpsin(t)，若=2/T波形因数定义：有效值与平

15、均值的比值，用KF表示，对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T,531 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：Kp=1.41，KF=1.11；方波： Kp=1， KF=1；三角波：Kp=1.73，KF=1.15；锯齿波：Kp=1.73，KF=1.15；脉冲波：Kp= ，KF= ， 为脉冲宽度，T为周期白噪声：Kp=3（较大），KF=1.25。,532 交流/直流转换器的响应特性及误差分析,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理 模拟电压表的交流电压测量原理：交流电压-直流电流（有效值、峰值和平均值）-驱动表头-指示。

16、交流电压-有效值、峰值和平均值的转换，称为AC-DC转换。由不同的检波电路实现。峰值检波原理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。如下图。,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,二极管峰值检波电路（a.串联式,b.并联式,c.波形）,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,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：式中，Rs和rd分别为等效信号源u(t)的内阻和二极管正向导通电阻，C为充电电容（并联式检波电路中C还起到隔直流的作用），RL为等效负载电阻，Tmin和Tmax为u(t)的最小和最大周期。

17、 从波形图可以看出，峰值检波电路的输出存在较小的波动，其平均值略小于实际峰值。,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,平均值检波原理 由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。如图，整流电路输出直流电流I0，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）,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,平均值检波原理 以全波整流电路为例，I0的平均值为式中，T为u(t)的周期，rd和rm分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数（它反映了检波器的灵敏度 ）。于是，I0的平均值 与u(t)的平均值 成正比。,

18、1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,有效值检波原理 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。,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,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。,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,利用热电偶有效值检波 热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个闭合回路，当两节点处温度

19、不同时，回路中将产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，所产生的电动势称为热电动势。 热电效应原理图当热端T和冷端T0存在温差时（即TT0），则存在热电动势，且热电动势的大小与温差T=T-T0成正比。,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,利用热电偶有效值检波 热电偶：将两种不同金属进行特别封装并标定后，称为一对热电偶（简称热偶）。 热电偶温度测量原理：若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势就可得到热端（被测温度点）的温度。 热电偶有效值检波原理：若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，则热电动势将反映该交流电压的有效值，从而实现了有效值检波。如下图。,1）交流/直流电压（A

20、C-DC）转换原理,热电偶有效值检波原理图图中，直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系：电流I热电动势热端与冷端的温差，而热端温度u(t)功率u(t)的有效值V的平方，故，,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别称为测量热电偶和平衡热电偶，如下图。,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,上图中，通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。 测量热偶的热电动势ExV2，令Ex=k1V2 ；平衡热偶的热电动势EfVo2，及Ef =k2Vo2 ；假如两对热偶具有相同特性，即k1=k2=k ，=则差分放大器输入电压Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2

21、) ，若放大器增益足够大，则有Vi=0，=Vo=V （即输出电压等于u(t)有效值） 有效值电压表的特点 理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。,1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理,有效值电压表的特点 比如，对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成， 若其有效值分别为V1、V2、V3、，则读数但实际有效值电压表，下面两种情况使读数偏小：对于波峰因数较大的交流电压波形，由于电路饱和使电压表可能出现“削波” ；高于电压表有效带宽的波形分量将被抑制。它们都将损失有效值分量。 缺点：受环境温度影响较大，结构复杂，价格较贵。 实际应用中，常采用峰值或均值电压表测有效值。,2

22、）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析,原理 峰值响应，即：u(t)峰值检波放大驱动表头 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。,2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 由读数换算出峰值和有效值的换算步骤如下： 第一步，把读数想象为有效值等于的纯正弦波输入时的读数，即 第二步，将V转换为该纯正弦波的峰值 第三步，假设峰值等于Vp的被测波形（任意波）输入 ，即注：“对于峰值电压表，（任

23、意波形的）峰值相等，则读数相等” 。 第四步，由 ，再根据该波形的波峰因数（查表可得），其有效值,2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 上述过程可统一推导如下：该式表明：对任意波形，欲从读数得到有效值，需将乘以因子k。（若式中的任意波为正弦波，则k=1，读数即为正弦波的有效值）。,2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 综上所述，对于任意波形而言，峰值电压表的读数没有直接意义，由读数到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：式中，为峰值电压表读数，为波峰因数。 波形误差。若将读数直接作为有效值，产生的误差。,3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析,原理 均值响应，即：

24、u(t) 放大均值检波驱动表头 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。,3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 由读数换算出均值和有效值的换算步骤如下： 第一步，把读数想象为有效值等于的纯正弦波输入时的读数，即 第二步，由 计算该纯正弦波均值 第三步，假设均值等于 的被测波形（任意波）输入 ，即注：“对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等” 。 第四步，由 ，再根据该波形的波

25、形因数（查表可得），其有效值,3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 上述过程可统一推导如下：上式表明，对任意波形，欲从均值电压表读数得到有效值，需将乘以因子k。（若式中的任意波为正弦波，则k=1，读数即为正弦波的有效值）。,3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 综上所述，对于任意波形而言，均值电压表的读数没有直接意义，由读数到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：式中，为均值电压表读数，KF为波形因数。 波形误差。若将读数直接作为有效值，产生的误差,4）实例分析,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

26、效值？ 解 根据上述峰值电压表的刻度特性，由读数=1.0V，第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值=1.0V；第二步，该正弦波的峰值=1.4V；第三步，将方波电压引入电压表输入，其峰值Vp=1.4V；第四步，查表可知，方波的波峰因数Kp=1，则该方波的有效值为： V=Vp/Kp=1.4V。波形误差为：,(可见若不换算，波形误差是很大的),4）实例分析,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=1.0V，第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值 =1.0V；第二步，该正弦波的均值 =0.9=

27、0.9V；第三步，将方波电压引入电压表输入，其均值 0.9V；第四步，查表可知，方波的波形因数 =1，则该方波的有效值为: 0.9V。波形误差为,4）实例分析,例 有效值电压表的有限带宽对测量非正弦电压时的波形误差。设某有效值电压表带宽为10MHz，用该电压表测量下图所示方波电压，计算由电压表带宽引起的波形误差。解 为求解电压表带宽引起的波形误差，需要对输入电压表的方波电压的谐波成分进行分析。将方波电压用付里叶级数表示为,4）实例分析,上式表示，方波电压只含奇数次谐波分量，其总有效值应为 （基波与各次谐波有效值几何合成，并由 得）由图，该方波基波频率为f1=1/T=1MHz，若电压表带宽为10

28、MHz，则该方波就只有基波（1MHz）、3次（3MHz）、5次（5MHz）和9次谐波（9MHz）才能通过，而11次（11MHz）以上的谐波将被抑制。 此时，读数值为,4）实例分析,若将上式的读数值作为实际有效值，所产生的波形误差为：结论：有效值电压表其有限带宽对测量非正弦电压时的波形误差总是负值（读数结果偏小），显然，电压表带宽愈宽（可通过的波形谐波频率愈高），相应的波形误差愈小。,533 模拟式交流电压表,模拟电压表组成方案 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

29、-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,a. 组成框图; b.提高灵敏度措施检波器 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。,1）检波-放大式电压表,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

30、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。,1）检波-放大式电压表,放大器 为提高灵敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，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。 主要指标： 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10kHz1000MHz，电压范围（不加分压器）1mV10V。 国产HFJ-8型高频毫伏表（调制式），最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。,533 模拟式交流电压表,2）放

31、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” 。 灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制。,533 模拟式交流电压表,3）分贝测量及宽频电平表 分贝 声学中，分贝是表示音量强弱的一个单位。 通信系统中，也常用分贝表示电平或功率。 当用分贝表示功率时，定义为： 当用分贝表示电压时，由功率与电压的关系： 和当R1=R2时，有,3）分贝测量及宽频电平表,分贝 可见，分贝是一个用对数表示的相对量值（记作dB），如果相对于一个确定的参考基准量，此时的分贝值则表示了

32、一个绝对电平。 若P2= P0（基准量），并取P0=1mW；P1=被测功率，用Px表示，其分贝值用dBm表示（下标m指示以mW为单位表示被测功率绝对值）。则功率电平：显然，当Px=P0=1mW为0dBm时，若Px1mW，分贝值为正，若Px1mW，分贝值为负。,3）分贝测量及宽频电平表,分贝 电压电平：以600电阻上吸收P0=1mW的基准功率时电压的有效值为参考基准量V0。由于因此，取基准量V0=0.775V，其分贝值用dB或dBV表示（下标V指示以V为单位表示被测电压绝对值）。 对于任意被测电压Vx，其电压电平定义为和 之间可换算或查表。,3）分贝测量及宽频电平表,宽频电平表 具有分贝读数的电

33、压表称为“宽频电平表” 。 组成框图：在均值电压表（放大-检波式）基础上设计的。,3）分贝测量及宽频电平表,宽频电平表 如图，输入衰减器上用dB表示“输入电平”选择，衰减步进为10dB，相当于衰减 倍，（ ）。 输入衰减器可用标准电平振荡器校准。 可根据测量时的阻抗匹配原则选择“输入阻抗”（一般有75/150/600/高阻共4档）。 宽带放大器上还有“电平校准”旋钮，用于调节放大器增益。 表头刻度为dB，可以是dBV（测量电压电平）或dBm（测量功率电平）两者之一，也可以是两者兼容。,3）分贝测量及宽频电平表,宽频电平表 宽频电平表刻度特性及dB值的读出。电压电平测量：表头标定时选择输入阻抗6

34、00，则对应的0dB电压为0.775V（有效值）。通常0dB约在表头指针满刻度的2/3左右，0dB的左边为-dB（0.775V）。 表头读数只能表示输入无衰减且交流放大器增益为1时被测电压的分贝值。 当引入衰减和放大后，被测电压的dB值应为：衰减器读数表头读数。,3）分贝测量及宽频电平表,宽频电平表 注：衰减器的读数是依据其后面的放大器增益标出的（并不表示其真实的衰减量）。 例如，若某电平表的最高灵敏度为-70dB，当输入最小电压-70dB时（ ，衰减器不衰减），希望表头指示0dB，则放大器输出（加到检波器输入）必须为0.775V，相应的放大器增益应为70dB（ ）。而此时，虽然衰减器没有衰减

35、，但应标注为“70dB” 。则：当表头读数为0dB时，实际被测电压dB值70dB0dB70dB。,3）分贝测量及宽频电平表,宽频电平表 对功率电平的测量：实际上是对阻抗两端电压电平的测量。 “零刻度基准阻抗” ：与1mW基准功率对应的阻抗Z0 ，取为600。此时表头的功率电平刻度与电压电平刻度一致（实际表头的功率电平刻度就是按600“零刻度基准阻抗”定度的）。 若选择输入阻抗Zi600，就可直接从表头读出功率电平值。 当Zi600时，则应根据读出的电压电平换算出功率电平，其换算公式为,4）外差式选频电平表,原理 外差式接收原理。 特点 大大提高灵敏度（可达-120dB，相当于0.775V）。常

36、称为“高频微伏表” 。如DW-1型，频率范围为100kHz300MHz，最小量程15V 。 应用 小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。 放大器谐波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。,4）外差式选频电平表,组成框图组成：外差式接收机宽频电平表。 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f1（可调）混频，经带通滤波器选出fZ1（固定）；,4）外差式选频电平表,组成： fZ1再与第二本振输出f2（固定）混频，得到固定的第二中频fZ2（经窄带滤波器选出）。 中频放大器：在窄带中频上有很高的增益（从而实现高灵敏度）。 表头：dB刻度。外差式选频电平表通过外差式接

37、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）电压表的使用,了解不同电压表的性能特点，根据应用场合加以选用。 峰值电压表 检波-放大式。 峰值响应、频率范围较宽（达1000MHz）但灵敏度低（mV级）。 “调制式电压表”：采用高增益低漂移的调制式直流放大器，使测量灵敏度大为提高，从mV级提高到几十V 。 读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值（或峰值）。 需注意：测量波峰因数大的非正弦波时，由于削波可能产生误差。,5）电压表的使用,均值电压表 放大-检波式。 均值响应、灵敏度比峰值表有所提高但频率范围较小（10MHz），主要用于低频和视频

38、场合。 读数的换算：根据波形因数，将读数换算成有效值（或均值）。 有效值电压表 可以直接读出有效值，非常方便。 由于削波和带宽限制，将可能损失一部分被测信号的有效值，带来负的测量误差。 较为复杂，价格较贵。,5）电压表的使用,宽频电平表 以分贝表示的功率电平和电压电平。 电压电平：步进衰减器读数表头读数。 功率电平：当输入阻抗等于表头标定时采用的零刻度基准阻抗600时，功率电平与电压电平具有相同的表头刻度。否则，需用 进行修正。 选频电平表 外差式接收原理。内部放大器对窄带中频放大，增益很高，使测量灵敏度得到大幅提高。 适合测量小信号。,54 直流电压的数字化测量及A/D转换原理,541 DV

39、M的组成原理及主要性能指标 1）DVM的组成 数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。 组成框图,541 DVM的组成原理及主要性能指标,1）DVM的组成 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。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,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

40、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)。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,2）主要性能指标 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，

41、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 。 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。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五档量程； 基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五档量程。 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

42、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” ）。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,分辨力 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。,54

43、1 DVM的组成原理及主要性能指标,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：示值（读数）相对误差为：式中，Vx被测电压的读数；Vm该量程的满度值（Full Scale, FS）； 误差的相对项系数； 误差的固定项系数。 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。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,测量精度 有时将 等效为“n字”的电压量表示，即 如某台3位半DVM，说明书给出基本量程为2V，=（0.01%读数+1字）。则在2V量

44、程上，1字=0.1mV，由 2V=0.1mV可知，=0.005%，即表达式中“1字”的满度误差项与“0.005%”的表示是完全等价的： 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。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,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。,542 A/D转换原理

45、,A/D转换器分类 积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（PWM）式、电压-频率（V-F）变换式等。 非积分式：斜波电压（线性斜波、阶梯斜波）式、比较式（逐次逼近式、零平衡式）等。 1）逐次逼近比较式ADC 基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。即采用一种“对分搜索”的策略，逐步缩小Vx未知范围的办法。 假设基准电压为Vr=10V，为便于对分搜索，将其分成一系列（相差一半）的不同的标准值。 Vr可分解为：,1）逐次逼近比较式ADC,上式表示，若把Vr不断细分（每次取上一次的一半）足够小的量，便可无限逼近，当只取有限项时，则项数决定了其逼近的程度。如只取前4项，

46、则其逼近的最大误差为9.375V-10V =-0.625V，相当于最后一项的值。 现假设有一被测电压Vx8.5V，若用上面表示Vr的4项5V、2.5V、1.25V、0.625V来“凑试”逼近Vx，逼近过程如下：,1）逐次逼近比较式ADC,Vx5V （首先，取5V项，由于5V8.5V，则应去掉该项，记为数字0）+0.625V（再取0.625V项，此时5V+2.5V+0.625V8.5V，则保留该项，记为数字1） 8.125V（得到最后逼近结果） 总结上面的逐次逼近过程可知，从大到小逐次取出Vr的各分项值，按照“大者去，小者留”的原则，直至得到最后逼近结果，其数字表示为1101。,1）逐次逼近比较

47、式ADC,上述逼近结果与Vx的误差为8.125V8.5V0.375V。 显然，当Vx(7.8125V8.4375V)之间时，采用上面Vr的4个分项逼近的结果相同，均为8.125V，其误差为Vx(0.3125V0.3125V)，最大误差限相当于Vr最后一个分项的一半，即 V。上述逐次逼近比较过程表示了该类A/D转换器的基本工作原理。它类似天平称重的过程，Vr的各分项相当于提供的有限“电子砝码”，而Vx是被称量的电压量。逐步地添加或移去电子砝码的过程完全类同于称重中的加减法码的过程，而称重结果的精度取决于所用的最小砝码。,1）逐次逼近比较式ADC,原理框图,1）逐次逼近比较式ADC,图中，SAR（

48、Successive Approximation Register）为逐次逼近移位寄存器，SAR在时钟CLK作用下，对比较器的输出（0或1）每次进行一次移位，移位输出将送到D/A转换器，D/A转换结果再与Vx比较。 SAR的最后输出即是A/D转换结果，用数字量N表示。 最后的D/A转换器输出已最大限度逼近了Vx，且有式中， NA/D转换结果的数字量，nA/D位数，Vr参考电压，VxA/D输入电压上式还可写成：Vx=eN，e=Vr/2n称为A/D转换器的刻度系数，单位为“V/字”，表示了A/D转换器的分辨力。,1）逐次逼近比较式ADC,刻度系数也表示了A/D转换结果的每个“字”（1LSB）代表的电压量。它是逼近时可用的最小“电子砝码”。 如上面Vx8.5V，Vr10V，当用Vr的4个分项逼近时（相当于4位A/D转换器），A/D转换的结果为N（1101）213，即单片集成逐次比较式ADC。常见的产品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等。 2）单斜式ADC 非积分V-T式A/D转换。 原理如下图（a.原理框图，b.波形图）：,