1、電子測量 第 4 章 - 11. 引言引言 2. 采用模擬技術的電壓測量采用模擬技術的電壓測量 3. 采用數字技術的電壓測量采用數字技術的電壓測量 3.1 數字電壓表的基本原理數字電壓表的基本原理 3.2 數字電壓表中的模數轉換器數字電壓表中的模數轉換器 3.3 數字電壓表的技術參數數字電壓表的技術參數 4. 基于電壓測量的其他儀器基于電壓測量的其他儀器 4.1 數字萬用表數字萬用表 電子測量 第 4 章 - 2（a）便攜式模擬萬用表）便攜式模擬萬用表 （b）手持式數字萬用表）手持式數字萬用表 （c）臺式數字萬用表）臺式數字萬用表1.1 電壓測量的儀器電壓測量的儀器 電子測量 第 4 章 -

2、31.2 電壓測量的技術要求電壓測量的技術要求 （1）頻率測量的范圍）頻率測量的范圍 （2）電壓測量范圍）電壓測量范圍 （3）測量準確度）測量準確度 （4）分辨力）分辨力 （5）輸入阻抗）輸入阻抗 （6）抗干擾）抗干擾 （7）測量速度）測量速度 （8）自動化和多功能）自動化和多功能電子測量 第 4 章 - 4動圈式檢流計的原理圖動圈式檢流計的原理圖 直流放大器AFET源級跟隨器被測電壓模擬直流電壓表的原理框圖模擬直流電壓表的原理框圖 2 采用模擬技術的電壓測量采用模擬技術的電壓測量2.1 模擬直流電壓表模擬直流電壓表電子測量 第 4 章 - 5交流電壓幅度的三種表征方式，峰值、平均值和有效值交

3、流電壓幅度的三種表征方式，峰值、平均值和有效值（1）峰值、平均值和有效值）峰值、平均值和有效值2.2 交流電壓的表征交流電壓的表征電子測量 第 4 章 - 6 在電子測量中，平均值在電子測量中，平均值 是一個波形完整周期中所有瞬是一個波形完整周期中所有瞬時值取絕對值后的平均值，也可以認為是全波整流之后波形時值取絕對值后的平均值，也可以認為是全波整流之后波形的平價值，其數學定義為：的平價值，其數學定義為：U TttuTU0d1 交流電壓的有效值等同于由等效直流電壓驅動電阻性交流電壓的有效值等同于由等效直流電壓驅動電阻性負載所消耗的功率，定義為交流電壓在周期負載所消耗的功率，定義為交流電壓在周期T

4、內的均方根內的均方根值，即：值，即： TttuTU02d1電子測量 第 4 章 - 7（2）波峰因數和波形因數）波峰因數和波形因數 交流電壓的峰值、平均值和有效值之間有一定的轉換交流電壓的峰值、平均值和有效值之間有一定的轉換關系，可分別用波峰因數或波形因數來表示。關系，可分別用波峰因數或波形因數來表示。 波峰因數定義為交流電壓的峰值與有效值之比，即：波峰因數定義為交流電壓的峰值與有效值之比，即：UUKPP 波形因數定義為交流電壓的有效值與平均值之比，即：波形因數定義為交流電壓的有效值與平均值之比，即：UUK F電子測量 第 4 章 - 8 幾種典型信號波形的波形因數和波峰因數幾種典型信號波形的

5、波形因數和波峰因數UUKF 序號名 稱波形因數波峰因數1正 弦 波1.112半波整流正弦波1.5723全波整流正弦波1.114三 角 波1.155方 波11 6脈脈 沖沖* UUKPP414. 12 414. 12 73. 13 T T注：表中脈沖信號的周期為注：表中脈沖信號的周期為T，脈寬為，脈寬為電子測量 第 4 章 - 9（3） 波形換算波形換算l 國際上一直以有效值來作為交流電壓的表征國際上一直以有效值來作為交流電壓的表征l 通常以正弦波的有效值作為電壓表的刻度通常以正弦波的有效值作為電壓表的刻度l 有效值電壓表測量非正弦波時，有效值電壓表測量非正弦波時，理論上理論上不會有波形誤差不會

6、有波形誤差l 均值電壓表或者峰值電壓表測量非正弦波的電壓，必須根均值電壓表或者峰值電壓表測量非正弦波的電壓，必須根據電壓表采用的檢波方式及電壓表的讀數，進行必要的計算據電壓表采用的檢波方式及電壓表的讀數，進行必要的計算才能得到真實的電壓值。才能得到真實的電壓值。 如何計算如何計算-下一節給出例題下一節給出例題電子測量 第 4 章 - 10（1） 均值電壓表均值電壓表 放大放大-檢波式交流電壓測量原理框圖檢波式交流電壓測量原理框圖2.3 模擬交流電壓表模擬交流電壓表 均值檢波器的輸出是與被測電壓的平均值成正比的，均值檢波器的輸出是與被測電壓的平均值成正比的，但均值電壓表的表盤通常是但均值電壓表的

7、表盤通常是以正弦有效值來刻度以正弦有效值來刻度的。的。 含義：以被測電壓的均值與正弦波波形因數的乘積來表示的。含義：以被測電壓的均值與正弦波波形因數的乘積來表示的。 UUKU1.11Fa正弦可變量程可變量程分壓器分壓器寬帶交流寬帶交流放大器放大器檢波器檢波器A電子測量 第 4 章 - 11例例4-2-1 使用均值電壓表分別測量正弦波、三角波和方波，電使用均值電壓表分別測量正弦波、三角波和方波，電壓表的示值均為壓表的示值均為10V，問被測電壓的有效值各是多少？，問被測電壓的有效值各是多少？解：解： 對于正弦波，不需要進行波形換算，被測正弦信號的有效對于正弦波，不需要進行波形換算，被測正弦信號的有

8、效值為值為10V。 對于三角波，需要進行波形換算。根據公式對于三角波，需要進行波形換算。根據公式(4-2-5)，被測，被測三角波的均值為：三角波的均值為：)(01. 911. 11011. 1aVUU查表，得三角波的波形因數為查表，得三角波的波形因數為1.15，因此：，因此：)(36.1001. 915. 1F三VUKU角對于方波，也需要進行波形換算對于方波，也需要進行波形換算:)( 1.091.1110111. 1aF方F方VUKUKU波波電子測量 第 4 章 - 12討論：討論：l 若不知道被測波形的波形因數，就無法進行波形換算。如若不知道被測波形的波形因數，就無法進行波形換算。如果只能以

9、均值電壓表的示值作為測量結果，此時的波形誤差可果只能以均值電壓表的示值作為測量結果，此時的波形誤差可能很大，這稱為能很大，這稱為“波形誤差波形誤差”。l 均值電壓表還存在頻率響應誤差。放大均值電壓表還存在頻率響應誤差。放大-檢波結構中的放大檢波結構中的放大器雖然能夠提高電壓表的靈敏度，但是放大器的有限帶寬和內器雖然能夠提高電壓表的靈敏度，但是放大器的有限帶寬和內部噪聲對于電壓表的測量頻率范圍有較大的影響。部噪聲對于電壓表的測量頻率范圍有較大的影響。 一般地，對于放大一般地，對于放大-檢波結構的均值電壓表，頻率上限一檢波結構的均值電壓表，頻率上限一般在幾般在幾MHz到十幾到十幾MHz。電子測量

10、第 4 章 - 13（2）峰值電壓表）峰值電壓表缺陷：直流放大器導致電壓表的靈敏度不能很高缺陷：直流放大器導致電壓表的靈敏度不能很高檢波檢波-放大式放大式 采用峰值檢波器實現交流采用峰值檢波器實現交流-直流變換功能直流變換功能 。檢波檢波放大放大檢波式檢波式 檢波器檢波器可變量程可變量程分壓器分壓器直流放直流放大器大器A檢波器檢波器衰減器衰減器斬波器斬波器A交流放交流放大器大器檢波器檢波器電子測量 第 4 章 - 14ap2UKUl 峰值電壓表也是按正弦有效值來刻度的。峰值電壓表也是按正弦有效值來刻度的。l 對于其他非正弦波，當不能通過波峰系數進行換算時，將帶對于其他非正弦波，當不能通過波峰系

11、數進行換算時，將帶來了波形誤差。來了波形誤差。l 已知被測信號波形的波峰因數為，峰值電壓表的讀數為已知被測信號波形的波峰因數為，峰值電壓表的讀數為Ua，則被測信號的有效值為：則被測信號的有效值為：電子測量 第 4 章 - 15（3） 有效值電壓表有效值電壓表2( )u t0TAu(t)Vrms隱含運算式隱含運算式：UtuUtuU22)(Avg)(Avg有效值檢波的方法：有效值檢波的方法：l 熱電耦變換式熱電耦變換式l 模擬計算式模擬計算式直接運算式直接運算式： 電子測量 第 4 章 - 16l 有效值電壓表理論上不會產生波形誤差有效值電壓表理論上不會產生波形誤差l 由于受電壓表線性工作范圍的限

12、制及帶寬限制，在測量波由于受電壓表線性工作范圍的限制及帶寬限制，在測量波峰因數較大的非正弦波時，峰因數較大的非正弦波時，存在存在波形誤差波形誤差l 有效值電壓表常采用有效值電壓表常采用放大放大-檢波式檢波式結構結構l 頻率測量范圍受限于寬帶交流放大器的帶寬頻率測量范圍受限于寬帶交流放大器的帶寬。通常。通常僅頻率僅頻率范圍范圍在在幾百幾百kHz內內l 為了兼顧測量靈敏度和帶寬，高頻電壓表采用外差變頻的為了兼顧測量靈敏度和帶寬，高頻電壓表采用外差變頻的方法方法電子測量 第 4 章 - 17（4）電平表）電平表 1. 電平的表示形式電平的表示形式 相對電平用來表示兩個信號功率之間的比例關系。以分相對

13、電平用來表示兩個信號功率之間的比例關系。以分貝表示的相對功率電平為：貝表示的相對功率電平為：0 xlg10PP 相對功率電平（相對功率電平（dB）=相對電壓電平（相對電壓電平（dB）=0 xlg20UU 絕對功率電平（絕對功率電平（dBm）=mW1)mW(lg10 xP 絕對電壓電平絕對電壓電平 （dBu）=V775. 0)V(lg20 xU 電子測量 第 4 章 - 182.寬頻電平表寬頻電平表 寬頻 放大器 檢波器 電平 校準 平衡 變量器 輸入 衰耗器 標準電平 振蕩器 輸入 電平選擇 -70 -60 -50 0 +10 輸入 阻抗選擇 R1 R2 R3 R8 電子測量 第 4 章 -

14、19采用數字技術的電壓測量采用數字技術的電壓測量3.1 數字電壓表的基本原理數字電壓表的基本原理 數字直流電壓表的原理框圖數字直流電壓表的原理框圖（1）數字直流電壓表）數字直流電壓表直流電壓直流電壓輸入調節輸入調節ADC存儲器存儲器/ 輸出緩存輸出緩存顯示器顯示器被測直流電壓被測直流電壓邏輯控制電邏輯控制電路路電子測量 第 4 章 - 20若被測交流信號電壓為若被測交流信號電壓為u(t)，離散采樣值為，離散采樣值為ui，則，則NiiuNU121（2）數字交流電壓表）數字交流電壓表l 模擬檢波式：模擬檢波式：Agilent 34401Al 直接計算式：直接計算式： Agilent 34410A和

15、和34411A交流電壓交流電壓輸入調節輸入調節ADC存儲器存儲器/ 輸出緩存輸出緩存顯示器顯示器檢測交流電壓檢測交流電壓邏輯控制電路邏輯控制電路有效值有效值檢波器檢波器電子測量 第 4 章 - 21Agilent 3458A支持三種真有效值交流電壓測量模式：支持三種真有效值交流電壓測量模式：l 模擬計算式：模擬計算式： 帶寬在帶寬在10Hz 至至2MHz 內，測量準確度可達內，測量準確度可達0.03%，測量速度為每秒，測量速度為每秒0.850個讀數；個讀數；l 基于隨機采樣的數值計算式：帶寬為基于隨機采樣的數值計算式：帶寬為20Hz 至至10MHz，適，適合寬帶的噪聲測量，測量速度為每秒合寬帶

16、的噪聲測量，測量速度為每秒0.02545個讀數，精度個讀數，精度僅為僅為0.1%；l 基于順序采樣（同步子采樣）的數值計算式：帶寬為基于順序采樣（同步子采樣）的數值計算式：帶寬為1Hz 至至10MHz，測量準確度高達，測量準確度高達0.010%，測量速度為每秒，測量速度為每秒0.850個讀數，但要求輸入是重復信號（例如不是隨機噪聲）。個讀數，但要求輸入是重復信號（例如不是隨機噪聲）。電子測量 第 4 章 - 223.2 數字電壓表中的模數轉換器數字電壓表中的模數轉換器 根據其實現原理分為三大類：直接型、間接型、復合型根據其實現原理分為三大類：直接型、間接型、復合型1. 斜坡電壓式斜坡電壓式AD

17、C2. 逐次逼近式逐次逼近式ADC3. 余數再循環式余數再循環式ADC4. 雙斜積分式雙斜積分式ADC5. 三斜積分式三斜積分式ADC6. 多斜積分式多斜積分式ADC7. 脈沖調寬式脈沖調寬式ADC電壓測量的電壓測量的ADC需要兼顧準確度、測量速率、抗干擾性能等需要兼顧準確度、測量速率、抗干擾性能等電子測量 第 4 章 - 231. 斜坡電壓式斜坡電壓式ADC電子測量 第 4 章 - 242. 逐次逼近式逐次逼近式ADC結論：結論：逐次逼近比較式存在量化誤差。逐次逼近比較式存在量化誤差。逐次逼近比較式的逐次逼近比較式的A/D變換能兼顧速度、精度和成本三個變換能兼顧速度、精度和成本三個方面的要求

18、。方面的要求。電子測量 第 4 章 - 253. 余數再循環式余數再循環式ADCl 三種模式：自動調零模式、比較模式、余數存貯模三種模式：自動調零模式、比較模式、余數存貯模式式l 測量結果測量結果計算公式：計算公式：51611rro216jiijijbUUUl 特點：特點：增加循環的次數，就可以提高測量的分辨力增加循環的次數，就可以提高測量的分辨力 Fluke 8840A 余數再循環式ADC 5位的顯示位數 直流電壓準確度達0.005電子測量 第 4 章 - 26顯示器顯示器十進制計十進制計數器數器閘閘門門邏輯控制電路邏輯控制電路A1A2時鐘時鐘RS1S2C-UxUrefUo4. 4. 雙斜積

19、分式雙斜積分式ADC 在一次測量過程中，用同一積分器先后進行兩次積分。在一次測量過程中，用同一積分器先后進行兩次積分。電子測量 第 4 章 - 27相關的工作波形圖：相關的工作波形圖： T1T2T2t2t1t3UomUomUoUxUxt定時積分時間定時積分時間計數值計數值N1定值積分時間定值積分時間計數值計數值N20在定時積分時間在定時積分時間T1內內，x1x21d1URCTtURCUttom在定值積分時間在定值積分時間T2內內，0d1ref2omrefomo32URCTUtURCUUtt電子測量 第 4 章 - 28因此，因此，ref2omURCTUref12xUTTU由于由于T1=N1T0

20、，T2=N2T0ref12xUNNU 在被測電壓受到串模干擾電壓在被測電壓受到串模干擾電壓Usm的干擾時，的干擾時，ADC的輸的輸入電壓為：入電壓為：)(smxUUux則，則，x1xomd121uRCTtuRCUtt結論結論 優點：優點：轉換準確度高、靈敏度高、抑制干擾能力強、造價低轉換準確度高、靈敏度高、抑制干擾能力強、造價低 缺點：缺點：轉換速度比較低轉換速度比較低，對積分線性度要求高等，對積分線性度要求高等電子測量 第 4 章 - 295三斜積分式三斜積分式ADCT1T21T22UomUoUxtUT0第一個積分階段所用時間第一個積分階段所用時間：T1=N1T0反向積分分為兩個子階段反向積

21、分分為兩個子階段：T21=N21T0，T22=N22T00d1d1d122211refrefxTTTtkURCtURCtURCref12221xUkNNkNU可得可得Uref Uref/k 電子測量 第 4 章 - 30222221xx1NNkNUUref12221xUkNNkNUl 三斜積分式三斜積分式ADC的計數誤差明顯減小，類似于內插擴展法；的計數誤差明顯減小，類似于內插擴展法；l 在考慮達到同樣的顯示位數和計數誤差條件下，三斜積分式在考慮達到同樣的顯示位數和計數誤差條件下，三斜積分式測量速度提高了很多。測量速度提高了很多。誤差分析：誤差分析： 電子測量 第 4 章 - 316多斜積分式

22、多斜積分式ADC工作過程分為兩個大的階段：定時積分階段、比較階段工作過程分為兩個大的階段：定時積分階段、比較階段電子測量 第 4 章 - 327脈沖調寬式脈沖調寬式ADC優點：優點：l 克服雙斜積分式克服雙斜積分式ADC中積分器的動態范圍問題中積分器的動態范圍問題l 抗串模干擾能力抗串模干擾能力 - Ts為干擾信號周期的整數倍l 實現對被測電壓的連續測量實現對被測電壓的連續測量l 為被測信號源提供穩定的負載為被測信號源提供穩定的負載電子測量 第 4 章 - 33時間波形圖時間波形圖電子測量 第 4 章 - 34 按照電荷平衡原理，在方波的一個周期內，積分電容器凈得按照電荷平衡原理，在方波的一個

23、周期內，積分電容器凈得電荷量為零：電荷量為零：0d )(1d1d121210r20r20i1tUCRtUCRtUCRTTTT0)(22r21r211iCRTUCRTUTTCRUrs12iUTTTU)2(2s2sriTTTUU電子測量 第 4 章 - 353.3 數字電壓表的技術參數數字電壓表的技術參數（1）測量范圍）測量范圍1. 量程量程 nV-kV2. 顯示位數及超量程能力顯示位數及超量程能力只能夠顯示只能夠顯示0和和1兩個數碼的那些位兩個數碼的那些位-1/2位位能夠顯示能夠顯示0到到9十個數碼的那些位十個數碼的那些位-完整顯示位完整顯示位電子測量 第 4 章 - 36*基本量程為基本量程為

24、1或或10V時，時， 表示具有超量程能力。表示具有超量程能力。21n例例10V，4位位DVM，最大為，最大為9.999V，無超量程能力；而，無超量程能力；而最大為最大為19.999V，則具有超量程能力，為，則具有超量程能力，為 位。位。214*基本量程為基本量程為2V或或20V等，最大顯示為等，最大顯示為1.9999V或或19.999V時時,我們說它為我們說它為 位，但無超量程能力。位，但無超量程能力。214超量程能力用超過量程的百分數表示。超量程能力用超過量程的百分數表示。例如例如9999 19999，稱為超，稱為超100%。電子測量 第 4 章 - 37（2）分辨力和靈敏度）分辨力和靈敏度

25、指出最低電壓量程上末位指出最低電壓量程上末位1個字所對應的電壓值個字所對應的電壓值例如，最小量程為例如，最小量程為0.100000V，則末位變一個字為，則末位變一個字為1 V，則分辨力為則分辨力為1 V。（3）測量誤差和準確度）測量誤差和準確度DVM的測量誤差有固有誤差、附加誤差等。的測量誤差有固有誤差、附加誤差等。固有誤差：固有誤差：mx%UUU字nUUx%電子測量 第 4 章 - 38輸入阻抗和輸入零電流的附加誤差：輸入阻抗和輸入零電流的附加誤差：電子測量 第 4 章 - 39 設被測信號源為設被測信號源為U0，內阻為，內阻為R0，DVM的輸入阻抗為的輸入阻抗為Ri，零，零電流為電流為I0

26、，則由于輸入阻抗和輸入零電流產生的附加誤差分，則由于輸入阻抗和輸入零電流產生的附加誤差分別為：別為：i00i0 xxiRRRRRUURx00 xx0URIUUI環境溫度變化引起的誤差環境溫度變化引起的誤差CUU/%0001. 0%0001. 0mx電子測量 第 4 章 - 40（4）輸入阻抗）輸入阻抗低電平輸入低電平輸入 幾千幾千M 高電平測量高電平測量 10M上下上下 （5）測量速度）測量速度定義：定義：指每秒鐘對被測電壓的測量次數指每秒鐘對被測電壓的測量次數。單位單位：“次次/s” 或者或者“讀數讀數/s”主要取決于主要取決于A/D變換器的變換速度變換器的變換速度電子測量 第 4 章 -

27、41（6）抗干擾能力）抗干擾能力 兩類基本干擾：串模干擾、共模干擾兩類基本干擾：串模干擾、共模干擾 表征：串模抑制比（表征：串模抑制比（SMRR）、共模抑制比（）、共模抑制比（CMRR） 1. 串模干擾與串模抑制比串模干擾與串模抑制比 smlg20dBSMRRUUsm-串模干擾電壓峰值串模干擾電壓峰值 -由由Usm所造成的最大顯示誤差所造成的最大顯示誤差 Usm Ux + - Rs 高端 低端 DVM 電子測量 第 4 章 - 422. 共模干擾與共模抑制比共模干擾與共模抑制比 Usm Vx + - Rs 高端 低端 DVM Ucm Zi Rl1 Rl2 Ucm Rl1 Rl2 Zi Z2 Z1 I1 I2 共模干擾及其等效電路共模干擾及其等效電路 電子測量 第 4 章 - 43CMRR定義為： smcmlg20dBCMRRUU Ucm: 共模干擾電壓峰值； Usm: 由共模干擾電壓轉化成的串模干擾電壓峰值 若不計I1對DVM高端的影響，則Usm=I2Rl2，而2cm2l2cm2/ZUZRUI則：l22lg20dBCMRRRZ電子測量 第 4 章 - 44 4.1 數字萬用表（數字萬用表（DMM ） AC/DC 變換器 電流