(精品)电子测量技术基础PPT课件3电压的测量.ppt

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1、第1页第第3 3章章 电压测量电压测量3.1 3.1 概述概述3.23.2 交流电压的测量交流电压的测量3.3 3.3 直流电压的数字化测量及直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原理转换原理3.4 3.4 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表3.5 3.5 电压表的选择和使用电压表的选择和使用3.6 3.6 应用实例应用实例第2页3.1 3.1 概述概述3 31 11 1 电压测量的意量的意义、特点、特点 1 1）电压测量的重要性量的重要性阐述述电压测量的意量的意义、重要性及、重要性及应用。用。2 2）电压测量的特点量的特点从从电压测量的量的频率、范率、范

2、围、要求等方面、要求等方面阐述其述其特点，特点，这些特点也反映了些特点也反映了电子子测量的主要特点。量的主要特点。第3页1 1）电压测量的重要性电压测量的重要性 电压测量是量是电测量与非量与非电测量的基量的基础；电测量中，量中，许多多电量的量的测量可以量可以转化化为电压测量：量：表征表征电信号能量的三个基本参数：信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率流、功率其中：其中：电流、功率流、功率电压，再，再进行行测量量电路工作状路工作状态：饱和与截止，和与截止，线性度、失真度性度、失真度电压表征表征 非非电测量中，物理量量中，物理量电压信号，再信号，再进行行测量量如：温度、如：温度、压力、振力、振动

3、、（加）速度、（加）速度第4页2 2）电压测量的特点）电压测量的特点1.1.频率范率范围广：零广：零频（直流）（直流）10109 9HzHz低低频：1MHz1MHz以下；高以下；高频（射（射频）：）：1MHz1MHz以上。以上。2.2.测量范量范围宽微弱信号微弱信号:心心电医学信号、地震波等医学信号、地震波等,纳伏伏级（1010-9-9V V）；）；超高超高压信号：信号：电力系力系统中，数十千伏。中，数十千伏。3.3.电压波形的多波形的多样化化电压信号波形是被信号波形是被测量信息的量信息的载体。体。各种波形：各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，

4、梯形波；随机噪声。形波；随机噪声。第5页2 2）电压测量的特点）电压测量的特点4.4.阻抗匹配阻抗匹配电压表的表的输入阻抗是指它的两个入阻抗是指它的两个输入端之入端之间的等效阻抗，的等效阻抗，是被是被测电路的路的额外外负载。-测量量仪器器应具有具有较高的高的输入阻抗入阻抗直流直流测量中，量中，输入阻抗与被入阻抗与被测信号源等效内阻形成分信号源等效内阻形成分压，使使测量量结果偏小。果偏小。如：采用如：采用电压表与表与电流表流表测量量电阻，阻，当当测量小量小电阻阻时，应采用采用电压表并表并联方案；方案；当当测量大量大电阻阻时，应采用采用电流表串流表串联方案。方案。交流交流测量中，量中，输入阻抗的不

5、匹配引起信号反射。入阻抗的不匹配引起信号反射。输入阻抗典型数入阻抗典型数值为1M1M和和1515并并联。第6页2 2）电压测量的特点）电压测量的特点5.5.测量精度的要求差异很大量精度的要求差异很大1010-1-1至至1010-9-9。6.6.测量速度的要求差异很大量速度的要求差异很大静静态测量：直流（慢量：直流（慢变化信号）化信号）,几次几次/秒秒;动态测量：高速瞬量：高速瞬变信号信号,数数亿次次/秒（几百秒（几百MHzMHz）精度与速度存在矛盾，精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。根据需要而定。7.7.抗干抗干扰性能性能工工业现场测试中，存在中，存在较大的干大的干扰。第7页3 31 12

6、2 电压测量的方法和分类电压测量的方法和分类1.1.1.1.电压测电压测量方法的分量方法的分量方法的分量方法的分类类按按对象：直流象：直流电压测量；交流量；交流电压测量量 按技按技术：模：模拟测量；数字量；数字测量量2.2.2.2.测测量方法量方法量方法量方法 1 1）数字化直流）数字化直流电压测量方法量方法模模拟直流直流电压-A/DA/D转换器器-数字量数字量-数字数字显示示（直（直观）数字数字电压表（表（DVMDVM），数字多用表（），数字多用表（DMMDMM）。）。第8页3 31 12 2 电压测量的方法和分类电压测量的方法和分类2 2）交流）交流电压的模的模拟测量方法量方法表征交流表征

7、交流电压的三个基本参量：的三个基本参量：有效有效值、峰峰值和和平均平均值。以有效。以有效值测量量为主。主。方法：交流方法：交流电压（有效（有效值、峰、峰值和平均和平均值）-直流直流电流流-驱动表表头-指示指示有效有效值、峰、峰值和平均和平均值电压表，表，电平表等。平表等。3 3）交流）交流电压的数字化的数字化测量量交流交流电压（有效（有效值、峰、峰值和平均和平均值）-直流直流电压-A/DA/D转换器器-数字量数字量-数字数字显示示DVMDVM（DMMDMM）的）的扩展功能。展功能。第9页3 31 12 2 电压测量的方法和分类电压测量的方法和分类4 4）基于采）基于采样的交流的交流电压测量方法

8、量方法交流交流电压-A/DA/D转换器器-瞬瞬时采采样值u(k)-u(k)-计算，算，如有效如有效值式中，式中，N N为u(t)u(t)的一个周期内的采的一个周期内的采样点数。点数。5 5）示波）示波测量方法量方法交流交流电压-模模拟或数字示波器或数字示波器-显示波形示波形-读出出结果果第10页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量u1 1 普通直流普通直流电压表表 由由动圈式高灵敏度直流圈式高灵敏度直流电流表串流表串联适当的适当的电阻构成。阻构成。设电流表的流表的满偏偏电流流为Im,Im,电流表本身内阻流表本身内阻为Re,Re,串串联电阻阻Rn Rn 所构成的所构成的电压表的表

9、的满度度电压为:AReR1R2R3UoU1U2U3第11页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量u1 1 普通直流普通直流电压表表 所构成的所构成的电压表的内阻表的内阻为:图中中电流表串接了流表串接了3 3个个电阻后除了最小量程外增加了阻后除了最小量程外增加了3 3个个量程量程U1U1、U2U2、U3U3，根据，根据扩展的量程，可以估算出展的量程，可以估算出3 3个个扩展展电阻的阻阻的阻值：AReR1R2R3UoU1U2U3第12页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量u1 1 普通直流电压表普通直流电压表 通常把内阻通常把内阻RvRv与与UmUm之比（每伏欧姆数）

10、定义为电压表之比（每伏欧姆数）定义为电压表的的电压灵敏度电压灵敏度。数越大，表明使指针偏转同样角度所需要的电数越大，表明使指针偏转同样角度所需要的电流越小。一般标明在电磁式电压表的表盘上，可以根据电流越小。一般标明在电磁式电压表的表盘上，可以根据电压灵敏度推算出不同量程时的电压表内阻。压灵敏度推算出不同量程时的电压表内阻。优点：结构简单、使用方便、误差来源表头本身和扩优点：结构简单、使用方便、误差来源表头本身和扩展电阻的准确度。展电阻的准确度。1%1%缺点：灵敏度不高、输入电阻低。在量程较低时，输缺点：灵敏度不高、输入电阻低。在量程较低时，输入电阻更小，其负载效应对被测电路工作状态及测量结果入

11、电阻更小，其负载效应对被测电路工作状态及测量结果的影响不可忽略。的影响不可忽略。第13页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量u普通直流电压表的误差普通直流电压表的误差 用普通直流电压表测量高输出电阻电路的直流电压，设被用普通直流电压表测量高输出电阻电路的直流电压，设被测电路输出电阻为测电路输出电阻为RoRo，被测电压实际值为，被测电压实际值为EoEo，电压表内阻为，电压表内阻为R RV V，则电压表度数值为，则电压表度数值为:相对误差为：相对误差为：第14页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量u1 1 1 1 普通直流电压表普通直流电压表普通直流电压表普通直流电

12、压表 为了消除这一影响，可使用两个不同量程为了消除这一影响，可使用两个不同量程U U1 1、U U2 2 进行测进行测量。将电压表的两次读数值量。将电压表的两次读数值U UO1O1、U Uo2o2 代入下式，即可计算得代入下式，即可计算得到被测电压的近似值：到被测电压的近似值：上例中，电压表的每伏欧姆数为上例中，电压表的每伏欧姆数为20k20k/V/V，先后用，先后用5V5V和和25V25V量程测量端电压量程测量端电压UoUo的读数值分别为的读数值分别为2.5V2.5V和和4.17V4.17V，代入，代入上式得上式得EoEo=5.01V=5.01V第15页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量

13、直流电压的测量u2 2 2 2 直流电子电压表直流电子电压表直流电子电压表直流电子电压表 直流电子电压表通常由磁电式表头加装直流电子电压表通常由磁电式表头加装跟随器跟随器、直直流放大器流放大器构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入高构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入高阻值电阻构成的分压电路。阻值电阻构成的分压电路。提高输提高输入阻抗入阻抗提高测量提高测量灵敏度灵敏度第16页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量u2 2 2 2 直流电子电压表直流电子电压表直流电子电压表直流电子电压表 在理想运放情况下：在理想运放情况下：式中式中 K-K-分压器和跟随器的电压传输系数分压器

14、和跟随器的电压传输系数若电流表满偏电流为若电流表满偏电流为ImIm，则由上式可得该直流电子电压，则由上式可得该直流电子电压表的量程为：表的量程为：第17页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量u2 2 2 2 直流电子电压表直流电子电压表直流电子电压表直流电子电压表 为了保证该电压表的准确度，各分压电阻和反馈电为了保证该电压表的准确度，各分压电阻和反馈电阻阻R RF F都要使用精密电阻。都要使用精密电阻。缺点：直流放大器的零点漂移限制了电压灵敏度的提缺点：直流放大器的零点漂移限制了电压灵敏度的提高。高。故电子电压表中常采用斩波式放大器（调制式放大器）故电子电压表中常采用斩波式放大

15、器（调制式放大器）以抑制零点漂移，可使电子电压表能测量微伏级的电压。以抑制零点漂移，可使电子电压表能测量微伏级的电压。第18页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量u3 3 3 3 直流数字电压表直流数字电压表直流数字电压表直流数字电压表 将直流数字电压表的表头用将直流数字电压表的表头用A/DA/D转换器和数字显示器代转换器和数字显示器代替，即构成直流数字电压表。替，即构成直流数字电压表。分分分分压压压压器器器器跟跟跟跟随随随随器器器器放放放放大大大大器器器器A/A/A/A/D D D D转转转转换换换换器器器器数字数字数字数字显示显示显示显示器器器器第19页3 32 2 交流电

16、压的测量交流电压的测量 u3 3 3 32 2 2 21 1 1 1 表征交流表征交流表征交流表征交流电压电压的基本参量的基本参量的基本参量的基本参量峰峰值、平均、平均值、有效、有效值、波峰系数和波形系数、波峰系数和波形系数。u峰峰值以零以零电平平为参考的最大参考的最大电压幅幅值（用（用V Vp p表示表示 ）。）。注：注：振幅：振幅：以直流分量为参考的最大电压幅值（通常以直流分量为参考的最大电压幅值（通常用用U Um m表示）。表示）。第20页3 32 21 1 表征交流电压的基本参量表征交流电压的基本参量u平均平均值（均（均值）数学上定数学上定义为：相当于交流相当于交流电压u(t)u(t)

17、的的直流分量直流分量。交流交流电压测量中，平均量中，平均值通常指通常指经过全波或半波整流全波或半波整流后波形的平均后波形的平均值（一般若无特指，均（一般若无特指，均为全波整流）：全波整流）：对理想的正弦交流理想的正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)，若，若=2/T=2/T 第21页3 32 21 1 表征交流电压的基本参量表征交流电压的基本参量u有效有效值定定义：交流：交流电压u(t)u(t)在一个周期在一个周期T T内，通内，通过某某纯电阻阻负载R R所所产生的生的热量，与一个直流量，与一个直流电压V V在同一在同一负载上上产生的生的热量相等量相等时，则该直流直

18、流电压V V的数的数值就表示了交流就表示了交流电压u(t)u(t)的有效的有效值。表达式：表达式：直流直流电压V V在在T T内内电阻阻R R上上产生的生的热量量Q_=IQ_=I2 2RT=RT=交流交流电压u(t)u(t)在在T T内内电阻阻R R上上产生的生的热量量Q Q=由由Q_=QQ_=Q，有效，有效值第22页3 32 21 1 表征交流电压的基本参量表征交流电压的基本参量u有效有效值意意义：有效：有效值在数学上即在数学上即为均方根均方根值。有效。有效值反映了反映了交流交流电压的功率，是表征交流的功率，是表征交流电压的重要参量。的重要参量。对理想的正弦交流理想的正弦交流电压u(t)=V

19、psin(t)，若，若=2/T u波峰系数和波形系数波峰系数和波形系数波峰系数定波峰系数定义：峰：峰值与有效与有效值的比的比值，用，用Kp表示，表示，u对理想的正弦交流理想的正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)，若，若=2/T=2/T第23页3 32 21 1 表征交流电压的基本参量表征交流电压的基本参量u波峰系数和波形系数波峰系数和波形系数波形系数定波形系数定义：有效：有效值与平均与平均值的比的比值，用，用K KF F表示，表示，对理想的正弦交流理想的正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)，若，若=2/T=2/T第24页3 32 21

20、 1 表征交流电压的基本参量表征交流电压的基本参量u波峰系数和波形系数波峰系数和波形系数常常见波形的波峰系数和波形系数可波形的波峰系数和波形系数可查表得到：表得到：如正弦波：如正弦波：K Kp p=1.41=1.41，K KF F=1.11=1.11；方方 波：波：K Kp p=1=1，K KF F=1=1；三角波：三角波：K Kp p=1.73=1.73，K KF F=1.15=1.15；锯齿波：波：K Kp p=1.73=1.73，K KF F=1.15=1.15；脉冲波：脉冲波：K Kp p=，K KF F=，为脉冲脉冲宽度，度，T T为周期周期 白噪声：白噪声：K Kp p=3=3（较

21、大），大），K KF F=1.25=1.25。第25页3 32 22 2 交流交流/直流转换器的响应特性及误差分析直流转换器的响应特性及误差分析 u1 1）交流）交流/直流直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理原理 模模拟电压表的交流表的交流电压测量原理：量原理：交流交流电压-直流直流电流（有效流（有效值、峰、峰值和平均和平均值）-驱动表表头-指示。指示。交流交流电压-有效有效值、峰、峰值和平均和平均值的的转换，称，称为 AC-DCAC-DC转换。由不同的。由不同的检波波电路路实现。峰峰值检波原理波原理由二极管峰由二极管峰值检波波电路完成。有二极管串路完成。有二极管串联和并和并联两两种形式。

22、种形式。第26页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理二极管峰二极管峰值检波波电路（路（a.a.串串联式式,b.,b.并并联式式,c.,c.波形）波形）第27页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理u二极管峰二极管峰值检波波电路工作原理路工作原理通通过二极管二极管正向快速充正向快速充电达到达到输入入电压的峰的峰值，而二，而二极管极管反向截止反向截止时“保持保持”该峰峰值。为此，要求：此，要求：式中，式中，R Rs s和和r rd d分分别为等效信号源等效信号源u(t)u(t)的内阻和二极管正的内阻和二极管正向向

23、导通通电阻，阻，C C为充充电电容（并容（并联式式检波波电路中路中C C还起起到隔直流的作用），到隔直流的作用），R RL L为等效等效负载电阻，阻，T Tminmin和和T Tmaxmax为u(t)u(t)的最小和最大周期。的最小和最大周期。从波形从波形图可以看出，峰可以看出，峰值检波波电路的路的输出存在出存在较小的小的波波动，其，其平均平均值略小于略小于实际峰峰值。第28页u平均平均值检波原理波原理 由二极管由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）式整流（全波整流和半波整流）电路完成。路完成。如如图，整流，整流电路路输出直流出直流电流流I I0 0，其平均，其平均值与被与被测输入入电压u(t

24、)u(t)的平均的平均值成正比（与成正比（与u(t)u(t)的波形无关）。的波形无关）。（电容容C C用于用于滤除整流后的交流成分，避免指除整流后的交流成分，避免指针摆动）1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理第29页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理u平均平均值检波原理波原理以全波整流以全波整流电路路为例，例，I I0 0的平均的平均值为 式中，式中，T T为u(t)u(t)的周期，的周期，r rd d和和r rm m分分别为检波二极管的波二极管的正向正向导通通电阻和阻和电流表内阻，可流表内阻，可视为常数

25、（它反映了常数（它反映了检波器的灵敏度波器的灵敏度 ）。）。于是，于是，I I0 0的平均的平均值 与与u(t)u(t)的平均的平均值 成正比。成正比。第30页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理u有效有效值检波原理波原理(三种三种)利用二极管平方律伏安特性利用二极管平方律伏安特性检波波 根据根据 ，为得到有效得到有效值,首先需首先需对u(t)u(t)平方。小信号平方。小信号时二极管正二极管正向伏安特性曲向伏安特性曲线可近似可近似为平方关系。平方关系。缺点：精度低且缺点：精度低且动态范范围小。小。因此，因此，实际应用中，采用用中，采用分段逼近平方律分

26、段逼近平方律的二极管伏安的二极管伏安特性曲特性曲线图的的电路。路。第31页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理利用模利用模拟运算的集成运算的集成电路路检波波 原理原理图通通过多多级运算器运算器级连实现模模拟乘法器（平方）乘法器（平方）积分分开方开方比例运算。比例运算。单片集成片集成TRMS/DCTRMS/DC电路，如路，如AD536AKAD536AK等。等。第32页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理u利用利用热电偶有效偶有效值检波波热电效效应：两种不同：两种不同导体的两端相互体的两端相互连接在一起，接在一

27、起，组成一个成一个闭合回路，当两合回路，当两节点点处温度不同温度不同时，回路中将，回路中将产生生电动势，从而形成，从而形成电流，流，这一一现象称象称为热电效效应，所所产生的生的电动势称称为热电动势。热电效效应原理原理图当当热端端T T和冷端和冷端T0T0存在温差存在温差时（即（即TT0TT0），），则存在存在热电动势，且，且热电动势的大小与温差的大小与温差T=T-T0T=T-T0成正比。成正比。第33页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理u利用利用热电偶有效偶有效值检波波热电偶：偶：将两种不同金属将两种不同金属进行特行特别封装并封装并标定后，称定后，

28、称为一一对热电偶（偶（简称称热偶）。偶）。热电偶温度偶温度测量原理：量原理：若冷端温度若冷端温度为恒定的参考温度，恒定的参考温度，则通通过热电动势就可得到就可得到热端（被端（被测温度点）的温度。温度点）的温度。热电偶有效偶有效值检波原理：波原理：若通若通过被被测交流交流电压对热电偶的偶的热端端进行加行加热，则热电动势将反映将反映该交流交流电压的有效的有效值，从而，从而实现了了有效有效值检波。波。第34页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理热电偶有效偶有效值检波原理波原理图图中，直流中，直流电流流I I与被与被测电压u(t)u(t)的有效的有效值V V

29、的关系：的关系：电流流I I热电动势热端与冷端的温差，而端与冷端的温差，而热端温度端温度u(t)u(t)功率功率u(t)u(t)的有效的有效值V V的平方，故，的平方，故，第35页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理表表头刻度刻度线性化性化处理：采用两理：采用两对相同的相同的热电偶，分偶，分别称称为测量量热电偶和平衡偶和平衡热电偶偶，如下，如下图。通。通过平衡平衡热偶形成一个偶形成一个电压负反反馈系系统。Vi=Ex-Ef=k(VVi=Ex-Ef=k(VVi=Ex-Ef=k(VVi=Ex-Ef=k(V2 2 2 2-Vo-Vo-Vo-Vo2 2 2 2

30、)Ex=k1VEx=k1VEx=k1VEx=k1V2 2 2 2Ef=k2VoEf=k2Vo2 2第36页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理测量量热偶的偶的热电动势E Ex xVV2 2，令，令E Ex x=k=k1 1V V2 2 ；平衡平衡热偶的偶的热电动势E Ef fVVo o2 2，及，及E Ef f=k=k2 2V Vo o2 2 ；假如两假如两对热偶具有相同特性，即偶具有相同特性，即k k1 1=k=k2 2=k=k，=则差分放大器差分放大器输入入电压V Vi i=E=Ex x-E-Ef f=k(V=k(V2 2-V-Vo o2 2)，

31、若放大器增益足若放大器增益足够大，大，则有有V Vi i=0=0，=V Vo o=V=V （即（即输出出电压等于等于u(t)u(t)有效有效值）有效有效值电压表的特点表的特点理理论上不存在波形上不存在波形误差差，因此也称真有效，因此也称真有效值电压表表（读数与波形无关）。数与波形无关）。第37页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理有效有效值电压表的特点表的特点比如，比如，对非正弦波，可非正弦波，可视为由基波和各次由基波和各次谐波构成，波构成，若其有效若其有效值分分别为V V1 1、V V2 2、V V3 3、，则读数数但但实际有效有效值电压表，下面两

32、种情况使表，下面两种情况使读数偏小：数偏小：对于波峰因数于波峰因数较大的交流大的交流电压波形，由于波形，由于电路路饱和使和使电压表可能出表可能出现“削波削波”；高于；高于电压表表有效有效带宽的波形分的波形分量将被抑制。它量将被抑制。它们都将都将损失有效失有效值分量。分量。缺点：受缺点：受环境温度影响境温度影响较大，大，结构复构复杂，价格，价格较贵。实际应用中，常采用峰用中，常采用峰值或均或均值电压表表测有效有效值。第38页u原理原理峰峰值响响应，即：，即：u(t)峰峰值检波波放大放大驱动表表头 二极管峰二极管峰值检波波电路路2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析）峰值电压表原理、刻度特性和

33、误差分析第39页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析 u刻度特性刻度特性表表头刻度按（刻度按（纯）正弦波有效正弦波有效值刻度刻度。因此：。因此：当当输入入u(t)为正弦波正弦波时，读数数即即为u(t)的有效的有效值V V（而（而不是不是该纯正弦波的峰正弦波的峰值V Vp p）。）。对于非正弦波的任意波形，于非正弦波的任意波形，读数数没有直接意没有直接意义（既（既不等于其峰不等于其峰值V Vp p也不等于其有效也不等于其有效值V V）。但可由）。但可由读数数换算出峰算出峰值和有效和有效值。第40页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析）峰值电压表原理

34、、刻度特性和误差分析u刻度特性刻度特性由由读数数换算出峰算出峰值和有效和有效值的的换算步算步骤如下：如下：第一步，把第一步，把读数数想象想象为有效有效值等于等于的的纯正弦波正弦波输入入时的的读数，即数，即第二步，将第二步，将V V 转换为该纯正弦波的峰正弦波的峰值第41页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析u刻度特性刻度特性第三步，假第三步，假设峰峰值等于等于V Vp p 的被的被测波形（任意波）波形（任意波）输入入 ，即，即注：注：“对于峰于峰值电压表，（任意波形的）峰表，（任意波形的）峰值相等，相等，则读数相等数相等”。第四步，由第四步，由 ，再根

35、据，再根据该波形的波峰系数（波形的波峰系数（查表可得），其有效表可得），其有效值第42页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析u刻度特性刻度特性上述上述过程可程可统一推一推导如下：如下：该式表明：式表明：对任意波形，欲从任意波形，欲从读数数得到有效得到有效值，需，需将将乘以因子乘以因子k k。（若式中的任意波。（若式中的任意波为正弦波，正弦波，则k=1k=1，读数数即即为正弦波的有效正弦波的有效值）。）。第43页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析u刻度特性刻度特性综上所述，上所述，对于任意波形而言，峰于任意波形

36、而言，峰值电压表的表的读数数没没有直接意有直接意义，由，由读数数到峰到峰值和有效和有效值需需进行行换算，算，换算关系算关系归纳如下：如下：式中，式中，为峰峰值电压表表读数，数，K Kp p为波峰系数。波峰系数。波形波形误差差:若将若将读数数直接作直接作为有效有效值，产生的生的误差。差。第44页3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析 u原理原理均均值响响应，即：，即：u(t)放大放大均均值检波波驱动表表头 均均值检波器由二极管波器由二极管桥式整流式整流电路路组成成 整流电路输出直流电流整流电路输出直流电流I I0 0，其平均值与被测输入电压，其平均值与

37、被测输入电压u(t)u(t)的平均值成正比（与的平均值成正比（与u(t)u(t)的波形无关）。的波形无关）。第45页u刻度特性刻度特性表表头刻度按（刻度按（纯）正弦波有效正弦波有效值刻度刻度。因此：。因此：当当输入入u(t)为正弦波正弦波时，读数数即即为u(t)的有效的有效值V V（而（而不是不是该纯正弦波的均正弦波的均值）。）。对于非正弦波的任意波形，于非正弦波的任意波形，读数数没有直接意没有直接意义（既（既不等于其均不等于其均值也不等于其有效也不等于其有效值V V）。但可由）。但可由读数数换算出均算出均值和有效和有效值。3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析）平均值电压表原理、刻度特

38、性和误差分析 第46页3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析u刻度特性刻度特性由由读数数换算出均算出均值和有效和有效值的的换算步算步骤如下：如下：第一步，把第一步，把读数数想象想象为有效有效值等于等于的的纯正弦波正弦波输入入时的的读数，即数，即第二步，由第二步，由 计算算该纯正弦波均正弦波均值第三步，假第三步，假设均均值等于等于 的被的被测波形（任意波）波形（任意波）输入入 ，即，即注：注：“对于均于均值电压表，（任意波形的）均表，（任意波形的）均值相等，相等，则读数相等数相等”。第四步，由第四步，由 ，再根据，再根据该波形的波形系数（波形的波形系数

39、（查表表可得），其有效可得），其有效值第47页3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析u刻度特性刻度特性上述上述过程可程可统一推一推导如下：如下：上式表明，上式表明，对任意波形，欲从均任意波形，欲从均值电压表表读数数得到得到有效有效值，需将，需将乘以因子乘以因子k k。（若式中的任意波。（若式中的任意波为正弦正弦波，波，则k=1.k=1.，读数数即即为正弦波的有效正弦波的有效值）。）。第48页3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析u刻度特性刻度特性综上所述，上所述，对于任意波形而言，均于任意波形而言，均值电压

40、表的表的读数数没有直接意没有直接意义，由，由读数数到峰到峰值和有效和有效值需需进行行换算，算，换算关系算关系归纳如下：如下：式中，式中，为均均值电压表表读数，数，K KF F为波形系数。波形系数。波形波形误差。若将差。若将读数数直接作直接作为有效有效值，产生的生的误差差第49页4 4）实例分析）实例分析 例例 用用具具有有正正弦弦有有效效值值刻刻度度的的峰峰值值电电压压表表测测量量一一个个方方波波电电压压，读读数数为为1.0V1.0V，问问如如何何从从该该读读数数得得到到方方波电压的有效值？波电压的有效值？解解 根据上述峰根据上述峰值电压表的刻度特性，由表的刻度特性，由读数数=1.0V=1.0

41、V，第一步，假第一步，假设电压表有一正弦波表有一正弦波输入，其有效入，其有效值=1.0V=1.0V；第二步，第二步，该正弦波的峰正弦波的峰值=1.4V=1.4V；第三步，将方波第三步，将方波电压引入引入电压表表输入，其峰入，其峰值V Vp p=1.4V=1.4V；第第四四步步，查表表可可知知，方方波波的的波波峰峰系系数数K Kp p=1=1，则该方方波波的的有有效效值为：V=VV=Vp p/K/Kp p=1.4V=1.4V。波形波形误差差为：(可见：若不换算，波形误差很大可见：若不换算，波形误差很大可见：若不换算，波形误差很大可见：若不换算，波形误差很大)三角波三角波第50页4 4）实例分析）

42、实例分析 例例 用用具具有有正正弦弦有有效效值值刻刻度度的的均均值值电电压压表表测测量量一一个个方方波波电电压压，读读数数为为1.0V1.0V，问问该该方方波波电电压压的的有有效效值值为多少？为多少？解解 根据上述均根据上述均值电压表的刻度特性，由表的刻度特性，由读数数=1.0V=1.0V，第一步，假第一步，假设电压表有一正弦波表有一正弦波输入，入，其有效其有效值 =1.0V=1.0V；第二步，第二步，该正弦波的均正弦波的均值 =0.9=0.9V=0.9=0.9V；第三步，将方波第三步，将方波电压引入引入电压表表输入，入，其均其均值 0.9V0.9V；第第四四步步，查表表可可知知，方方波波的的

43、波波形形系系数数 =1=1，则该方方波波的的有效有效值为:0.9V 0.9V。波形波形误差差为三角波三角波第51页3 33 3 直流电压的数字化测量及直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原理转换原理 u数字化数字化测量：将量：将连续的模的模拟量量转换成断成断续的数字的数字量，然后量，然后进行行编码、存、存储、显示及打印等。示及打印等。u进行行这种种处理，比理，比较方便的量是直流方便的量是直流电压和脉冲和脉冲的的频率，率，对应的的测量量仪器是数字器是数字电压表和表和电子子计数器。数器。第52页3 33 3 直流电压的数字化测量及直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原理转换原理 u3 33 3

44、1 DVM1 DVM的的组成原理及主要性能指成原理及主要性能指标u1 1）DVMDVM的的组成成数字数字电压表（表（Digital Voltage MeterDigital Voltage Meter，简称称DVMDVM）。）。组成框成框图第53页3 33 31 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标的组成原理及主要性能指标u1 1）DVMDVM的的组成成组成框成框图包括模包括模拟和数字两部分。和数字两部分。输入入电路：路：对输入入电压衰减衰减/放大、放大、变换等。等。核心部件是核心部件是A/DA/D转换器（器（Analog to Digital Analog to Digital Conv

45、erterConverter，简称称ADCADC），），实现模模拟电压到数字量的到数字量的转换。数字数字显示器：示器：显示模示模拟电压的数字量的数字量结果。果。逻辑控制控制电路：在路：在统一一时钟作用下，完成内部作用下，完成内部电路路的的协调有序工作。有序工作。第54页3 33 31 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标的组成原理及主要性能指标应用用直流或慢直流或慢变化化电压信号的信号的测量（通常采用高精度低量（通常采用高精度低速速A/DA/D转换器）。器）。通通过AC-DCAC-DC变换电路，也可路，也可测量交流量交流电压的有效的有效值、平均平均值、峰、峰值，构成，构成交流数字交流数字电

46、压表表。通通过电流流-电压、阻抗、阻抗-电压等等变换，实现电流、阻流、阻抗等抗等测量，量，进一步一步扩展其功能。展其功能。基于微基于微处理器的智能化理器的智能化DVMDVM称称为数字多用表（数字多用表（DMMDMM，Digital MultiMeterDigital MultiMeter）。DMMDMM功能更全，性能更高，一般具有一定的数据功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（平均、方差理能力（平均、方差计算等）和通信接口算等）和通信接口(如如GPIB)GPIB)。第55页3 33 31 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标的组成原理及主要性能指标2 2）主要性能指）主要性能指标

47、显示位数示位数n完整完整显示位示位：能：能够显示示0909的数字。的数字。n非完整非完整显示位示位(俗称半位俗称半位)：只能：只能显示示0 0和和1 1（在最高位上）。（在最高位上）。n如如4 4位位DVMDVM，具有，具有4 4位完整位完整显示位，其最大示位，其最大显示数字示数字为9999 9999。n而而 位（位（4 4位半）位半）DVMDVM，具有，具有4 4位完整位完整显示位，示位，1 1位非完整位非完整显示位，其最大示位，其最大显示数字示数字为19999 19999。量程量程n基本量程基本量程：无衰减或放大：无衰减或放大时的的输入入电压范范围，由，由A/DA/D转换器器动态范范围确定

48、。确定。n通通过对输入入电压（按（按1010倍）放大或衰减，可倍）放大或衰减，可扩展量程展量程。第56页3 33 31 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标的组成原理及主要性能指标如基本量程如基本量程为10V10V的的DVMDVM，可，可扩展出展出0.1V0.1V、1V1V、10V10V、100V100V、1000V1000V等五档量程；等五档量程；基本量程基本量程为2V2V或或20V20V的的DVMDVM，可，可扩展出展出200mV200mV、2V2V、20V20V、200V200V、2000V2000V等五档量程。等五档量程。u分辨力分辨力指指DVMDVM能能够分辨最小分辨最小电压变化

49、量的能力化量的能力。反映。反映DVMDVM灵敏度。灵敏度。用每个字用每个字对应的的电压值来表示，即来表示，即V/V/字字。不同的量程上能分辨的最小不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，化的能力不同，显然，然，在最小量程上具有最高分辨力在最小量程上具有最高分辨力。例如，例如，3 3位半的位半的DVMDVM，在，在200mV200mV最小量程上，可以最小量程上，可以测量的最大量的最大输入入电压为199.9mV199.9mV，其分辨力，其分辨力为0.1mV/0.1mV/字（即字（即当当输入入电压变化化0.1mV0.1mV时，显示的末尾数字将示的末尾数字将变化化“1 1个字个字”）。）。第57页

50、3 33 31 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标的组成原理及主要性能指标分辨力分辨力n分辨率：用百分数表示，与量程无关，比分辨率：用百分数表示，与量程无关，比较直直观。如上述的如上述的DVMDVM在最小量程在最小量程200mV200mV上分辨力上分辨力为0.1mV0.1mV，则分辨分辨率率为：分辨率也可直接从分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如示位数得到（与量程无关），如3 3位位半的半的DVMDVM，可，可显示出示出19991999（共（共20002000个字），个字），则分辨率分辨率为测量速度量速度n每秒每秒钟完成的完成的测量次数。它主要取决于量次数。它主要取决于A/DA