教学课件第2章 电流 电压的测量.ppt
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2、功率是表征电信号能量的三个基本参数。这三个参数的测量在电子测量中占有重要的位置。电流是电子设备消耗功率的主要参数,也是衡量单元电路和电子设备工作安全情况的一个主要参数。电压是三个量中最为常用的量,通过电压测量并利用导出公式可以导出其他参数。利用电压可以描述许多电路工作特性、参数如晶体管的饱和、截止、电路的谐振、频率特性、增益、失真度等等。所以电压测量是其他许多电参数测量的基础。电流、电压测量的基本要求主要是频率范围宽;测量范围广;电压表输入阻抗高,电流表内阻小;测量精度高;抗干扰能力强等等。2.2 电流的测量2.2.1 直流电流的测量 直流电流的测量是一种最基本的测量,一般用在控制系统及直流供
3、电的设备系统中。测量直流电流一般可采用模拟直流电流表、模拟万用表、数字万用表等仪表。直流电流的测量一般可采用直接测量法和间接测量法两种方法。采用间接测量的原因主要有两个:1模拟式电流表的阻抗不能做到很小,更不可能接近于零。所以,将电流表串入被测电路测量电流时,电流表本身的内阻将给电路带来一定的影响。2电流的直接测量必须将电流表串联在电路中,这样,为了测定电流,必须断开电路,这就给测量带来了麻烦。例2-1 如图(a)一个表头的灵敏度(表头满度值)为1mA,内阻Rg为360。若测050mA、0100 mA的电流时,分流电阻值各为多少?解: 分流电阻与表头相并联,根据并联电路两端电压相等的原理,有关
4、系式:IgRg=(IIg)RR=IgRg /(IIg)050mA: R=(1360) / (501) = 7.350100 mA: R=(1360) / (1001) =3.64 其中,Ig为流过表头的电流,Rg为表头内阻,I为被测电流。2.2.2 交流电流的测量 交流电流的测量同样可采用直接测量法和间接测量法两种方法。可以采用模拟电流表、数字电流表进行测量。一般交流电流的测量都采用间接测量法,即先用交流电压表测出电压后再用欧姆定律换算成电流。交流电流测量的特点如下:图2-31采用模拟式电流表测量直流电流时,可视为一个简单的内阻;而在交流状态下呈现为一个阻抗,电流表在高频运用状态下的等效电路如
5、图2-3所示。A点和B点为电流表的输入端,R0、L0为电流表本身的电阻和电感,C0为A、B之间的分布电容,C1、C2是对地分布电容。由于电路本身的电抗和分布电容的作用,随着频率的增加,阻抗增大,增大的电抗部分引入的测量误差也增加,从而影响了测量的准确性2在超高频段,电路元件受分布参数的影响,电流的分布也是不均匀的,无法用电流表来测量各处的电流值。3利用取样电阻的间接测量法,可将交流电流的测量转换为交流电压的测量。对于取样电阻的要求是,当电路工作频率在20kHZ以上时,就不能选用普通绕线电阻作为取样电阻,应采用薄膜电阻。 因此,只有在低频(45500HZ)电流的测量中,用交流电压表或具有交流电流
6、测量挡的普通万用表或数字万用表串联在被测电路中进行交流的直接测量。一般的交流电流测量都采用间接测量法。 高频电流的测量,特别是在频率特别高的情况下,可以采用热电偶电表测量。2.3 电压的测量电压的测量1. 电压测量的基本要求电压测量的基本要求(1)频率范围宽:直流、低频、高频和超高频 (2)量程宽:小到几nV,大到几百伏,甚至几KV。 (3)输入阻抗高:测量电压时,电压表以并联方式 接入被测电路。电压表应有足够 高的输入阻抗,即输入电阻应尽 量大、输入电容应尽量小。对于模拟直流电压表:Ri 几十M几百M,对于直流数字电压表: Ri 几千M(4) 抗干扰能力强 测量工作一般是在受各种干扰的情况下
7、进行的。当电压表工作在高灵敏度时,干扰会引入明显的测量误差,这就要求电压表具有较强的抗干扰能力。 (5)测量精确度高直流电压的测量可获得较高的测量精确度,直流数字电压表一般可达10-410-7量级;交流电压表的测量精确度可达10-210-4量级。 电压表精确度的表示方法如下: (1)满度值的百分数 式中 为满度相对误差, 为电压表满刻度值。 (2)读数值的百分数 式中 为读数相对误差, 为电压表测量读数值。 (3)数字电压表一般采用这种表示方法 mU%mUxU%xU)U%U%(mx(6)被测电压波形种类多2.3.1 直流电压的测量直流电压的测量 直流电压是幅度不随时间变化而改变的电压信号,既可
8、以用模拟电压表测量,也可以用数字电压表测量。模拟电压表示利用表头的内阻一定时,通过表头的电流与加在表头两端的电压成正比的关系来刻度的。直流电压测量时,电压表是并联在负载两端的,电压表的内阻必须比被测电路的阻抗或负载电阻大得多,才不会影响电路正常工作和测量的精确度。对大电压的测量一般是给表头串连上倍压电阻(或称分压器),倍压电阻R与电表内阻R0组成的分压器,降低了加至电表两端的电压。 如图2-4所示。倍压电阻的阻值越大,分配的电压UR也越大,而加在表头两端的电压U0始终与被测电压保持正比关系。此时,只要在刻度盘上按被测电压来划分刻度,就可以直接测量电压值。图图2-4 倍压器的作用倍压器的作用 2
9、.3.2 交流电压的测量1. 交流电压的表征(1)平均值正半波正半波 负半波负半波 全波全波21U21U21UU)(tu式中 , 分别为正、负半波平均值; 为全波平均值; T为被测电压 的周期。21_UUU(2)峰值 或 正峰值: 或 负峰值: 或 谷值: 峰峰值:UPUUPUUPUUUp-p(3)有效值交流电压的有效值,即均方根值。数学计算式为:Tdt)t(uTU021FKUUKF(4)波形因数交流电压的波形因数定义为电压的有效值与平均值之比: (5)波峰因数 交流电压的波峰因数定义为电压的峰值与有效值之比,即:UUKPKP2. 电子电压表的分类电子电压表的分类模拟式电压表 即指针式电压表,
10、分为: 直流电压表用于测量直流电压。 交流电压表测量时先将交流变直流,再按测直流电 压的方法测量。直流电压表直流电压表交流电压表交流电压表交流电压表:核心电路为 AC / DC 交、直流转换器常利用检波器来实现:检波器按其响应特性分为 : 均值电压表 峰值电压表 有效值电压表交流电压表相应分为:均值检波器峰值检波器有效值检波器模拟式交流电压表的三种结构 (1)检波放大式 (2)放大检波式 (3)外差式 表2-2 三种结构形式电压表的性能比较结构名称 灵敏度 频带宽度 电压表实例 检波放大式 稍低 很宽 超高频毫伏表 放大检波式 较高 较窄 高频毫伏表、视频毫伏表 外差式(选频电压表、测量接收机
11、) 很高 很宽 高频微伏表 均值电压表均值电压表 峰值电压表峰值电压表有效值电压表有效值电压表 以均值检波器作为交直流转换器,其输出的直流电压以均值检波器作为交直流转换器,其输出的直流电压与输入电压的平均值近似相等。与输入电压的平均值近似相等。(1 1)均值电压表)均值电压表 模拟式电压表分为模拟式电压表分为 3. 模拟式电压表基本原理与结构模拟式电压表基本原理与结构1)均值检波器)均值检波器 常用均值检波器的电路如图2-8所示,图a、b、c分别为桥式、半桥式检波器和半波整流式均值检波器,比较常用的是半桥式均值检波器,电容C为滤波电容。均值电压表通常以输入为正弦波有效值的大小来定度。均值电压表
12、通常以输入为正弦波有效值的大小来定度。当测量正弦波电压时,电压表的读数值当测量正弦波电压时,电压表的读数值就等于正弦波就等于正弦波的有效值的有效值 U .UUN90 FNNNKUU KUUPNNNU非正弦波峰值非正弦波有效值非正弦波平均值2)刻度特性)刻度特性式中各参数分别为:式中各参数分别为: UNUNUNUFNKPNKK 电压表的定度系数电压表的定度系数 非正弦波的波峰因数非正弦波的波峰因数 非正弦波的波形因数非正弦波的波形因数 非正弦波的峰值非正弦波的峰值 非正弦波的有效值非正弦波的有效值 非正弦波的平均值非正弦波的平均值 正弦波的平均值正弦波的平均值 电压表读数值电压表读数值例2-2
13、用均值电压表测量正弦波、三角波电压时,已知电压表的读数均为10V,试分别计算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏?解: 测量正弦波时:V114V1022V9V109090V10.UKU.UUpp测量三角波时:V0 .18V4 .103V4 .10V932V9V109 . 09 . 0PUKUUKUUPF4)均值电压表的组成 均值电压表的组成框图如图2-9所示,属于放大检波式电压表,是低频电压表。因为均值电压表灵敏度一般可以达到毫伏数量级,频率范围为20Hz10MHz,故又被称为视频毫伏表。均值检波器输入电阻较小,只有几千欧姆,因此,均值电压表的结构不能是检波放大式,否则,将严重影响被
14、测电路的工作状态。(2)峰值电压表)峰值电压表 峰值电压表以峰值检波器作为交直流转换器。 其输出的直流电压与输入交流电压的峰值近似相等。1)峰值检波器 :如图2-10所示,a图为串联式峰值检波器,又称为开路式峰值检波器即包络检波器;b图为并联式峰值检波器,又称为闭路式峰值检波器;c图和d图属于倍压式(即双峰值)峰值检波器。c图的结构为桥式,d图的结构为并串式。图2-10 常见峰值检波器图2-10a中电容C起到滤波和检波的作用,无隔直流作用,所以它的实际响应值为交流电压实际波形的峰值Up。图2-10b中电容C既为隔直流电容又是检波电容,所以它的实际响应值为交流电压的振幅,应用比较广泛。如果没有特
15、别说明本书中的峰值电压表均指并联式峰值检波器。 2)刻度特性刻度特性 : 峰值电压表也以正弦波有效值进行定度。 测量正弦波电压时,电压表的读数值就 等于正弦波电压有效值 。U峰值电压表测量非正弦波电压时,关系如下:UUU2N PNNNKUUFNNNKUU 22UK峰值电压表的定度系数:平均值:有效值:峰值:例2-3 用峰值电压表测量正弦波、三角波电压,已知电压表的读数均为10V,试分别计算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏? 解 测量正弦波时:V1 .14V1022V9V109 . 09 . 0V10PUUU测量三角波时:V1 .14V1022PUV1 . 83V1 .143PPP
16、UKUUV0 . 732V1 . 8FKUU4)峰值电压表的组成)峰值电压表的组成 串联式、并联式峰值检波器的输入阻抗分别为负载电阻R的1/2、1/3倍,负载电阻R通常可取值几兆欧姆至几百兆欧姆,因而峰值检波器的输入电阻可以很高,能够直接接触被测电路,构成检波放大式电压表 峰值电压表组成框图如图2-11所示,图中的直流放大器通常采用调制式直流放大器或差分放大器,常用作超高频毫伏表。不过,峰值电压表也可以构成放大检波式电压表,但性能不如检波放大式的好。 (3)有效值电压表 有效值电压表分类有效值电压表分类:(1)分段逼近式有效值检波器)分段逼近式有效值检波器(2)热电转换式有效值检波器)热电转换
17、式有效值检波器(3)计算式有效值检波器)计算式有效值检波器 一般认为无论交流电压是怎样的波形, 也不管是那一种有效值电压表,有效值电压表的读数就是被测电压的有效值称为真有效值电压表。U 2.3.3 分贝的测量分贝的测量 1电平的概念“电平”指电路中两点或几点在相同阻抗下电量的相对比值。这里的电量指电功率、电压或电流并将倍数化为对数,即两功率或电压、电流之比的对数。用贝尔(Bel)表示,由于贝尔单位相对测量值太大,实际应用时常用贝尔的十分之一作为单位,称为分贝(dB)。 分别记作:10lg(P2/P1)、20lg(U2/U1)、20lg(I2/I1),上式中P、U、I分别是电功率、电压、电流。
18、常用的电平有功率电平和电压电平两种,他们各自又可分为绝对电平和相对电平两种。(1)绝对功率电平Lp 以600电阻上消耗1mW的功率作为基准功率,任意功率与之相比的对数称为绝对功率电平。其关系式为 式中 Px任意功率;P0基准功率(1mW))(lg100mxpdBPPL(2)相对功率电平 任意两功率之比的对数成为相对功率电平。其关系式为 式中 P1 ,P2为任意两功率。)(lg1021dBPPLpPL(3)相对功率电平与绝对功率电平之间的关系式中 Lp1 ,Lp2 为任意两功率的绝对功率电平, P0 基准功率(1mW)。由上式可以看出,相对功率电平是两绝对功率电平的电平之差。 (4)绝对电压电平
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