第三章 电压测量技术.ppt

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1、第三章第三章 电压测量技术电压测量技术3.1 概述概述一、数字仪表的特点：一、数字仪表的特点：1、准确度高、准确度高 2、输入阻抗高、输入阻抗高 3、数字显示，无读数误差、数字显示，无读数误差 4、测量速度快、测量速度快 5、灵敏度高、灵敏度高 6、数字式仪表操作简单，测量过程自动化、数字式仪表操作简单，测量过程自动化7、可以方便地与计算机配合、可以方便地与计算机配合主要缺点：结构复杂、成本高、线路复杂、维修困难主要缺点：结构复杂、成本高、线路复杂、维修困难二、二、DVMDVM（DIGITAL VOLTMETER)DIGITAL VOLTMETER)的基本组成的基本组成DVMDVM是将模拟电压

2、变换为数字显示的测量电路是将模拟电压变换为数字显示的测量电路DVM DVM 基本组成是基本组成是A/DA/D变换加电子计数器变换加电子计数器三、分类三、分类按位数分按位数分：三位半、五位、八位等：三位半、五位、八位等按测量速度分按测量速度分：高速、低速：高速、低速按体积、重量分按体积、重量分：袖珍式、便携式、台式：袖珍式、便携式、台式按按A/DA/D变换原理分变换原理分：直接转换型、间接转换型：直接转换型、间接转换型1 1、直接转换型（比较型）、直接转换型（比较型）原理原理：将被测电压与基准电压比较，在比较过程中被测电压被量化为：将被测电压与基准电压比较，在比较过程中被测电压被量化为数字量，直

3、接用电子计数器计数，数字显示测量结果。数字量，直接用电子计数器计数，数字显示测量结果。特点特点：测量速度快、测量精度高、抗干扰能力差：测量速度快、测量精度高、抗干扰能力差2、间接转换型（积分型）、间接转换型（积分型）包括包括V-T变换和变换和V-F变换两大类变换两大类V-T变换原理：变换原理：用积分器将被测电压转换为时间间隔，用积分器将被测电压转换为时间间隔，然后用电子计数器在此时间间隔内累计脉冲数，用数字然后用电子计数器在此时间间隔内累计脉冲数，用数字显示。显示。V-F变换原理：变换原理：将被测电压经过积分变为频率（计数脉将被测电压经过积分变为频率（计数脉冲），在标准闸门时间内累计脉冲数，用

4、数字显示。冲），在标准闸门时间内累计脉冲数，用数字显示。特点：特点：抗干扰能力强、提高仪器稳定度、速度慢抗干扰能力强、提高仪器稳定度、速度慢四、四、DVMDVM的主要技术性能的主要技术性能1 1、测量范围、测量范围：包括显示位数、量程划分和超量程能力、还可：包括显示位数、量程划分和超量程能力、还可包括量程的选择方式是手动、自动或远控等。包括量程的选择方式是手动、自动或远控等。DVM量程量程是以基本量程（即是以基本量程（即A/D变换的电压范围）为基础，变换的电压范围）为基础，通过步进分压器或前置放大器向高低两端扩展。通过步进分压器或前置放大器向高低两端扩展。DVM位数位数是指能显示是指能显示09

5、的十个数码的位数的十个数码的位数位和基本量程结合起来，能说明位和基本量程结合起来，能说明DVM有无超量程能力有无超量程能力若有超量程能力，那么当被测电压超过该量程满度时，若有超量程能力，那么当被测电压超过该量程满度时，所得结果没有降低精度和分辨力。所得结果没有降低精度和分辨力。2、分辨力、分辨力:指指DVM能够显示被测电压的最小变化值，即最小量能够显示被测电压的最小变化值，即最小量程时显示器末位跳一个字所需的最小输入电压。程时显示器末位跳一个字所需的最小输入电压。3、测量速度、测量速度:指每秒钟能完成的测量次数指每秒钟能完成的测量次数4、输入阻抗、输入阻抗:5、固有误差或工作误差、固有误差或工

6、作误差 U=(a%ux+b%um)U=a%uxn个字个字例例1 DS26A直流直流DVM基本量程基本量程8V档固有误差为档固有误差为0.02%ux0.005%um，最大显示为最大显示为79999，问满度误差相，问满度误差相当于几个字？当于几个字？例例2 用用4位半位半SX1842DVM测量测量1.5V 电压，分别用电压，分别用2V档和档和200V档，已知档，已知2V档和档和200V档固有误差分别档固有误差分别为为0.025%ux1个字和个字和0.03%ux1个字，问：两种个字，问：两种情况下由固有误差引起的测量误差各多少情况下由固有误差引起的测量误差各多少？6、抗干扰能力、抗干扰能力(1)串模

7、干扰串模干扰 *干扰电压以串联形式与被测电压迭加到干扰电压以串联形式与被测电压迭加到DVM输入端输入端,干干扰源可能来自被测电压扰源可能来自被测电压,也可能来自外界也可能来自外界.例如屏蔽不良、例如屏蔽不良、电磁干扰、测试线的感应等。电磁干扰、测试线的感应等。*常用的抑制方法：采用输入滤波器、采用积分技术常用的抑制方法：采用输入滤波器、采用积分技术串模抑制比（2）共模干扰）共模干扰*被测信号的地线与电压表地线（机壳）之间存在电位差被测信号的地线与电压表地线（机壳）之间存在电位差UCm时，他们产生的电流对高低两根测试线都有干扰，这个干时，他们产生的电流对高低两根测试线都有干扰，这个干扰源扰源UC

8、m称共模干扰。称共模干扰。*常用的抑制方法：采用浮地屏蔽技术常用的抑制方法：采用浮地屏蔽技术3.2 逐次逼近比较法逐次逼近比较法一、转换思想：一、转换思想：用一个基准电压与被测电压相比较，根据比较结用一个基准电压与被测电压相比较，根据比较结果得出被测电压的大小。（而结果是以数字量形式来表示）果得出被测电压的大小。（而结果是以数字量形式来表示）二、电路结构的基本组成：二、电路结构的基本组成：三、以三、以6位位AD，Er=10V，Ux=3.285为例为例四、结论：四、结论：1、A/D转换准确度由基准电压、转换准确度由基准电压、D/A、比较器有关。比较器有关。2、转换速度：与输出数码的位数有关、时钟

9、脉冲的频率有关。、转换速度：与输出数码的位数有关、时钟脉冲的频率有关。3、时钟脉冲频率：由、时钟脉冲频率：由D/A、比较器速度决定。比较器速度决定。4、特点：转换速度快、精度高、抗干扰能力差。、特点：转换速度快、精度高、抗干扰能力差。3.3 脉宽调制法脉宽调制法 一、转换思想一、转换思想:把被测电压转换为与之成比例的脉冲把被测电压转换为与之成比例的脉冲宽度差的宽度差的V-T变换式变换式,属于积分型属于积分型,用计数器对脉冲用计数器对脉冲进行计数进行计数,得到数字量得到数字量.二、工作原理：二、工作原理：1、组成结构、组成结构实质实质:用被测电压调制基准电压的正负波的宽度用被测电压调制基准电压的

10、正负波的宽度3.4 双积分法双积分法一、转换思想一、转换思想：对被测电压对被测电压UX进行定时积分，再对基进行定时积分，再对基准电压准电压US进行反向定值积分，积到与初始电平相等时，进行反向定值积分，积到与初始电平相等时，用电子计数器对定值积分所用时间用电子计数器对定值积分所用时间T2进行计数，则被测进行计数，则被测电压电压UX正比于正比于T2,就得到就得到UX。二、结构框图：二、结构框图：三、工作原理及波形：三、工作原理及波形：四、特点：四、特点：1、采用积分形式，、采用积分形式，V-T方式，抗干扰能力强。方式，抗干扰能力强。2、转换速度较慢。、转换速度较慢。3、与、与R、C、T0无关，说明

11、对积分元件精度、脉冲无关，说明对积分元件精度、脉冲源要求不高。源要求不高。五、双积分电路技术：五、双积分电路技术：3.5 电荷平衡法电荷平衡法一、转换思想一、转换思想：被测电压通过积分器后输出线性变化电压，控被测电压通过积分器后输出线性变化电压，控制一个振荡器，产生与被测电压成一定比例的频率值，用计数器测制一个振荡器，产生与被测电压成一定比例的频率值，用计数器测得该频率值，就得到被测电压的大小（得该频率值，就得到被测电压的大小（V-f）。）。二、脉冲补偿式原理框图：二、脉冲补偿式原理框图：3.6 斜坡法斜坡法既不是比较法，也不属于积分式。既不是比较法，也不属于积分式。特点：特点：1、结构简单，

12、易实现。、结构简单，易实现。2、精度取决于锯齿波的线性度和钟脉冲的稳定度。、精度取决于锯齿波的线性度和钟脉冲的稳定度。3、抗干扰能力差，各项指标均不如其它类型、抗干扰能力差，各项指标均不如其它类型。3.7 数字万用表（数字万用表（DMM）原理）原理一、一、直流数字电压表直流数字电压表单片单片CMOSCMOS双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器7106,7107,7116,MC14433,7135二、数字电流表二、数字电流表基本原理：基本原理：把被测电流通过标准电阻转换为直流电把被测电流通过标准电阻转换为直流电压，用压，用DVM来测量标准电阻两端电压，就得被测电流来测量标准电阻两端电压，就得

13、被测电流IX.1、基本电路：、基本电路：思考两个思考两个 问题！问题！(1)作为电流表要求输入电阻越小越好，所作为电流表要求输入电阻越小越好，所以选以选DVM最小量程。最小量程。(2)两个反向并联二极管起最小量程过载保两个反向并联二极管起最小量程过载保护作用。护作用。2、实际使用时采用高输入阻抗的同相运算、实际使用时采用高输入阻抗的同相运算放大器放大器3、测量小电流、测量小电流三、数字欧姆表三、数字欧姆表基本原理：用恒流源产生的电流通过被测电阻，用基本原理：用恒流源产生的电流通过被测电阻，用DVM来测量电阻两端电压，即得到来测量电阻两端电压，即得到RX改进电路：改进电路：四、交流电压表四、交流

14、电压表（一）交流电压表的基本参数（一）交流电压表的基本参数1、峰值：、峰值：在一定时间或一个周期内交变电压所达到的最大值。在一定时间或一个周期内交变电压所达到的最大值。2、平均值：、平均值：数学上指对于一个周期信号，有数学上指对于一个周期信号，有测交流电压时，平均值指经过检波后的平均值，无特殊说明是指经测交流电压时，平均值指经过检波后的平均值，无特殊说明是指经过全部检波之后的平均值。过全部检波之后的平均值。3、有效值：、有效值：数学上数学上一个交流电压和一个直流电压通过一个电阻产生的热量相同时，这一个交流电压和一个直流电压通过一个电阻产生的热量相同时，这个直流电压就等于这个交流电压的有效值。个

15、直流电压就等于这个交流电压的有效值。4、波形因数、波形因数有效值与平均值的关系有效值与平均值的关系波峰因数波峰因数有效值与峰值的关系有效值与峰值的关系（二）均值检波器（二）均值检波器1、线性半波检波器、线性半波检波器2、精密全波检波器精密全波检波器=半波检波器半波检波器+加法器加法器在在R5上并联一个电容，企其输出电压与输入电压绝对值的平均上并联一个电容，企其输出电压与输入电压绝对值的平均值成正比值成正比3、波形换算、波形换算当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上取得的示值先除以定当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上取得的示值先除以定度系数，折算成正弦波电压（取绝对值）的平均值；再按平均

16、值相度系数，折算成正弦波电压（取绝对值）的平均值；再按平均值相等示值也相等的原则，用波形系数换算出被测的非正弦波电压有效等示值也相等的原则，用波形系数换算出被测的非正弦波电压有效值。值。例例1 用全波整流均值表分别测量正弦波、方波及三角波电压，电压用全波整流均值表分别测量正弦波、方波及三角波电压，电压表均指在表均指在10V位置，问被测电压的均值、有效值、峰值分别是多少位置，问被测电压的均值、有效值、峰值分别是多少？（三）（三）有效值电压的测量有效值电压的测量1、热电式：、热电式：(1)热电转换原理热电转换原理(2)热电式有效值电压表原理图（双热电堆）热电式有效值电压表原理图（双热电堆）2、计算式、计算式（四）峰值电压表（四）峰值电压表