1、第第5 5章章 電壓測量電壓測量5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 電壓標準電壓標準5.3 5.3 交流電壓的測量交流電壓的測量5.4 5.4 直流電壓的數字化測量及直流電壓的數字化測量及A/DA/D轉換原理轉換原理5.5 5.5 電流、電壓、阻抗變換技術及數字多用表電流、電壓、阻抗變換技術及數字多用表5.6 5.6 數字電壓表測量的不確定度及數字電壓表測量的不確定度及 自動校準、自動量程技術自動校準、自動量程技術5.7 5.7 電壓測量的干擾及抑制技術電壓測量的干擾及抑制技術溫度修正（特別是對飽和型）溫度修正（特別是對飽和型）內阻影響內阻影響抗振動沖擊能力差、不易運輸抗振動沖擊能力差、不

2、易運輸標準電池分類穩定性穩定性溫度系數溫度系數飽和型飽和型較好較好（約（約0.5V/0.5V/年）年）較大較大（約（約40V/40V/）不飽和型不飽和型較差較差小小（約（約4V/4V/）高高頻頻電電壓壓V0V1RFDCDCRFR RGR RR RR RT TR RT TC CC CVRF2.2.均值均值定義定義: :直流分量直流分量實際測量中，均值通常指經過全波或半波整流后的波形實際測量中，均值通常指經過全波或半波整流后的波形（若無特指為（若無特指為全波整流全波整流）：）：理想正弦電壓理想正弦電壓u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)，4.4.波峰因數和波形因數波峰因數和波形因

3、數波峰因數波峰因數: : 波形因數：波形因數：理想正弦交流電壓理想正弦交流電壓u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc快充慢放前提條件I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I0Rd檢波二極管導通電阻Rm電流表內阻 有效值檢波：有效值檢波： 方法方法1:1:利用二極管平方律伏安特性利用二極管平方律伏安特性檢波檢波( (小信號時二極管正向伏小信號時二極管正向伏安特性曲線近似為平方關系安特性曲線近似為平方關系).).精度低且動態范圍小。實際采用精度低且動態范圍小。實際采用分分段逼近平方律段逼近平方律的二極管伏安特性曲

4、線圖的二極管伏安特性曲線圖. . 方法方法2:2:利用模擬運算電路或專用集成電路利用模擬運算電路或專用集成電路（如（如AD536 AD736 AD536 AD736 ）。）。 R Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加熱熱絲絲熱熱端端T T熱熱偶偶M Mu uA A連連接接導導線線I I熱電偶：測溫熱電偶：測溫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。反映該交流電壓的有效值。平衡熱偶形成電壓負反饋。平衡熱偶形成電壓負反饋。測量熱偶測量熱偶:E:Ex x= k= k V V2 2 ；平衡熱偶平衡熱偶

5、:E:Ef f = k = k V Vo o2 2差分放大器差分放大器:V:Vi i=k(V=k(V2 2- V- Vo o2 2) ) ；V Vi i=0=0時，輸出電壓等于時，輸出電壓等于u(t)u(t)有效值有效值根據根據讀數換算讀數換算峰值峰值和和有效值有效值“讀數直接當成有效讀數直接當成有效值值”產生的誤差產生的誤差根據根據讀數換算讀數換算均值均值和和有效值有效值讀數直接當讀數直接當成有效值產成有效值產生的誤差生的誤差VP0T=1uStu(t)理論有效值（波峰因數=1）實際有效值（讀數）讀數誤差負值（讀數偏小）負值（讀數偏小） 解解 為求解電壓表帶寬引起的波形誤差，需要分析輸入方波電

6、壓的諧波成分。將方波電壓用付里葉級數表示為頻率范圍寬常稱為“高頻毫伏表”或“超高頻毫伏表”靈敏度高。常稱為“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表” 。模擬式交流電壓表結構檢波器檢波器檢波器檢波器帶寬帶寬 較低靈敏度靈敏度較低(1)(1)分貝：分貝：聲學中音量單位，通信系統中電平或功率單位。聲學中音量單位，通信系統中電平或功率單位。對數表示的相對量值絕對功率(相對1mW)絕對電平(相對0.775V, 600電阻上吸收1mW功率時的電壓有效值)103.162功率電平測量：阻抗兩端電壓電平的測量。功率電平測量：阻抗兩端電壓電平的測量。零刻度基準阻抗零刻度基準阻抗 ：按：按600600“零刻度基準阻抗零刻度基準

7、阻抗”定度。定度。Z Zi i600600時，根據讀出換算時，根據讀出換算輸輸入入電電路路中中頻頻放放大大器器均均值值檢檢波波器器dB混混頻頻器器2 2fZ2(固固定定)f2(固固定定)帶帶通通濾濾波波器器窄窄帶帶濾濾波波器器混混頻頻器器1 1f1(可可調調)fZ1(固固定定)fx(第第一一本本振振)(第第二二本本振振)。測量速度測量速度每秒鐘完成的測量次數。主要取決于每秒鐘完成的測量次數。主要取決于ADCADC的轉換速度。一般的轉換速度。一般幾次幾次- -幾十次幾十次/ /秒。秒。測量精度測量精度固有誤差固有誤差= =讀數誤差讀數誤差+ +滿度誤差滿度誤差輸入阻抗輸入阻抗越大越好，否則將影響

8、測量精度。越大越好，否則將影響測量精度。用輸入電阻用輸入電阻/電容表示，一般電容表示，一般10-1000M/10-1000M/幾十幾十- -幾百幾百pFpF。刻度系數：刻度系數：e=Vr/2e=Vr/2n n （V/V/字），代表字），代表ADCADC的分辨力。的分辨力。1LSB1LSB代表的電壓量，逼近時可用的最小代表的電壓量，逼近時可用的最小“電子砝碼電子砝碼”。單片集成單片集成逐次比較式逐次比較式ADCADC。常見的產品有。常見的產品有8 8位的位的ADC0809ADC0809，1212位的位的ADC1210ADC1210和和1616位的位的AD7805AD7805等。等。逐逐次次逼逼近

9、近移移位位寄寄存存器器( (S SA AR R) )D/A轉轉換換器器Vx+-比比較較器器C CL LK KSTARTA/D轉轉換換結結果果2-12-nMSBLSBVrN N斜斜波波電電壓壓發發生生器器QQSETCLRSR&000時時鐘鐘計計數數器器主主門門VrVx+-+-門門控控信信號號輸輸入入比比較較器器接接地地比比較較器器a計計數數輸輸入入0VxVx、V Vr r門門控控信信號號計計數數輸輸入入NV Vr rt1bT0T誤差：誤差：斜波電壓的線性和穩定性、時間測量精斜波電壓的線性和穩定性、時間測量精度。度。比較器的漂移和死區電壓。比較器的漂移和死區電壓。特點、應用：特點、應用：線

10、路簡單，成本低。線路簡單，成本低。速度取決于斜波電壓斜率與被測電壓值。速度取決于斜波電壓斜率與被測電壓值。用于精度和速度要求不高的用于精度和速度要求不高的DVMDVM中。中。主主門門計計數數器器邏邏輯輯控控制制電電路路數數字字輸輸出出時時鐘鐘S1S2CRVx-VrVr積積分分器器比比較較器器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1復復零零t2t3VoVomT1T2N1N2t積積分分波波形形計計數數器器輸輸入入b.T011a.清清零零f0T0T0復零復零定時積分定時積分反向定值積分反向定值積分提高分辨力（雙斜式受比較器的分辨力和帶寬所限）。提高分辨力（雙斜式受比較器的分辨力和帶寬所限）。主主

11、門門高高位位計計數數器器A A邏邏輯輯控控制制電電路路數數字字輸輸出出時時鐘鐘S1S2CRVx-Vr積積分分器器比比較較器器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1復復零零t2t31VoVomT1T2N1N2t積積分分波波形形計計數數器器輸輸入入a.b.清清零零低低位位計計數數器器B B主主門門清清零零-+ABR1R2R3t32T3N3VtVr/10nVtN N2 2N3f0T0T0T0緩慢進入零點緩慢進入零點1.-結構的結構的ADC是一種內在的過采樣轉換器。是一種內在的過采樣轉換器。2.-型型ADC以很低的采樣分辨率（以很低的采樣分辨率（1位）和很高的采樣速率將模擬信號位）和很高的采樣速

12、率將模擬信號數字化，利用過采樣技術（數字化，利用過采樣技術（Oversampling）、噪聲整形和數字濾波技術）、噪聲整形和數字濾波技術增加有效分辨率，然后對增加有效分辨率，然后對ADC輸出進行抽取（輸出進行抽取（Decimation）處理，以降）處理，以降低低ADC的有效采樣速率，去除多于信息，減輕數據處理負擔的有效采樣速率，去除多于信息，減輕數據處理負擔 。3.轉換分辨率已高達轉換分辨率已高達24位位，在各類模數轉換器中分辨率是最高的，在各類模數轉換器中分辨率是最高的 。Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)2

13、00mA A(200mV)2A A恒恒流流源源( (可可調調) )A A/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p恒恒流流源源( (可可調調) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精精密密電電阻阻VoVr取取樣樣電電阻阻A AC C/ /D DC CI I/ /V VZ Z/ /V VD DV VM MC CP PU UD DC CA AC CI IZ ZR Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2R Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2Rl3Rl4( %)xmVVVabD= +轉換誤差、滿度誤差可根據系統組成計算。衰減器、放大器、模擬開關、ADC滿度誤差：與被測

14、電壓無關，主要由系統漂移引起。讀數誤差：轉換誤差（刻度誤差）+非線性誤差。VxN0理理想想特特性性轉轉換換誤誤差差影影響響下下的的特特性性滿滿度度誤誤差差影影響響下下的的特特性性（平平行行于于理理想想特特性性）讀數數誤誤差和和滿度誤誤差共共同同影響響下下的的實際際轉轉換特特性VD DHLI0DVMRsVxRi典型輸入電阻典型輸入電阻1000M(1000M(接入分壓器時為接入分壓器時為10M),10M),輸入零電流約為輸入零電流約為0.5nA0.5nA。溫度漂移引起的附加誤差：溫度漂移引起的附加誤差： 用用 或溫度系數或溫度系數ppmppm表示。表示。被測電壓愈接近滿度電壓，測量相對誤差愈小。被

15、測電壓愈接近滿度電壓，測量相對誤差愈小。V Vx x=2V=2V時，時，V Vx x=0.2V=0.2V時，時，測量小電壓時測量小電壓時I I0 0的影響較大。的影響較大。UosIB-+RC積積分分器器ViVoUosVot實實際際積積分分器器輸輸出出理理想想積積分分器器輸輸出出“零采樣期零采樣期”接入接入Vi放大器放大器U Uosos的影響，比沒有自動校零時減小了的影響，比沒有自動校零時減小了A A倍）。倍）。軟件校準軟件校準:轉換誤差（通道增益）和零點漂移轉換誤差（通道增益）和零點漂移000A/D轉轉換換器器VxVr0VNxNrN0衰衰減減/ /放放大大器器轉轉換換系系數數k k總總漂漂移移

16、U Uo os sS1S2S3參考校準參考校準零點校準零點校準輸入被測電壓輸入被測電壓完全消除了通道零漂完全消除了通道零漂U Uosos和轉和轉換系數換系數k k引起的誤差。引起的誤差。0199.9mV180mV1.999V1.8V19.99V18V199.9V180V1200V自動量程：相鄰兩個量程之間適當重疊，避免當被測電壓自動量程：相鄰兩個量程之間適當重疊，避免當被測電壓在界限值附近變化時頻繁切換在界限值附近變化時頻繁切換( ( “搖擺不定搖擺不定”) )。可將較大。可將較大一檔量程的最小值設為一檔量程的最小值設為相鄰小一檔量程滿度值的相鄰小一檔量程滿度值的90%90% 。干干擾擾信信號

17、號un被被測測電電壓壓VxHLDVM被被測測電電壓壓VxHLDVM干干擾擾信信號號ucm串模干擾串模干擾: :串聯疊加形式串聯疊加形式共模干擾共模干擾: :同時作用于同時作用于DVMDVM兩個測量輸入端。兩個測量輸入端。信號源本身，如電源紋信號源本身，如電源紋波干擾波干擾工頻（工頻（50Hz50Hz）干擾）干擾空中電磁干擾（高頻）空中電磁干擾（高頻）被測電壓是浮置電壓。被測電壓是浮置電壓。被測電壓與被測電壓與DVMDVM參考地電位不等。參考地電位不等。共模干擾電壓可能很大（上百伏共模干擾電壓可能很大（上百伏甚至千伏）。甚至千伏）。整周期初相角5 50 06 60 01 10 00 02 20

18、00 05 50 00 00 02 20 04 40 0N NM MR R( (d dB B) )f fn n= =1 1/ /T Tn n( (H Hz z) )T T1 1= =1 10 0m ms sT T1 1= =1 10 00 0m ms s2 20 0d dB B/ /1 10 0倍倍頻頻程程Vxr1r2rcmUcmRsHLGZiI1I2DVM( (機機殼殼) )B減小兩路環路減小兩路環路電流；或使共電流；或使共模干擾對模干擾對H H、L L端的影響能互端的影響能互相削弱或抵消。相削弱或抵消。共模干擾電壓轉換為影響測量結果的共模干擾電壓轉換為影響測量結果的串模干擾電壓的大小串模干擾電壓的大小共模干擾電壓完全共模干擾電壓完全100%100%引入到了測量輸引入到了測量輸入端（由共模干擾引入端（由共模干擾引起的串模干擾等于該起的串模干擾等于該共模電壓）。共模電壓）。浮置測量：浮置測量： DVMDVM的接地端浮置，的接地端浮置， 不與機殼地連接。不與機殼地連接。Vxr1r2rcmUcmRsHLGZiI1I2DVM( (機機殼殼) )BZ2輸輸入入阻阻抗抗絕絕緣緣電電阻阻在交流干擾情況下，共模抑制比在交流干擾情況下，共模抑制比CMRCMR比直流時小許多，而且隨著干