第三章电压的测量.pptx
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1、3.1概述概述一、电压测量的意义、特点一、电压测量的意义、特点1.重要性重要性 电压测量是电测量与非电测量的基础:1)电测量中,电量的测量转换为电压测量2)电路工作状态3)非电测量中2.电压测量的特点(对电压测量仪器的要求)电压测量的特点(对电压测量仪器的要求)(1)频率范围广零频(直流)109Hz;低频:1MHz以下;高频:1MHz以上。第1页/共61页3.1概述概述(2)测量范围宽微弱信号:心电医学信号、地震波等,纳伏级(10-9V);超高压信号:电力系统中,数百千伏。(3)输入阻抗高(4)电压波形的多样化电压信号波形是被测量信息的载体。各种波形:纯正弦波、失真的正弦波,方波,三角波,梯形
2、波;随机噪声。(5)抗干扰性能工业现场测试中,存在较大的干扰 第2页/共61页a、放大检波式先放大再检波,因此灵敏度很高,通频带窄。二、二、电子电压表的分类电子电压表的分类可变量程分压器交流放大器检波器ux3.1概述概述模拟式电压表数字式电压表1、模拟式电压表(1)主要结构表头:磁电式直流电流表;交直流转换器:检波器。(2)分类1)按检波器的位置分类第3页/共61页特点:这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。采用超高频检波二极管时,可使这种表的频率范围从几十赫兹至数百兆赫兹,甚至可达1GHz,输入阻抗也比较大,一般称之为高频毫伏表或超高频毫伏表。为了使测量灵敏度不受直流放大器零点漂移
3、等的影响,一般利用调制式(即斩波式)直流放大器放大检波后的直流信号。而且将检波器做成探头直接与被测电路连接,从而减小分布参数及外部干扰信号的影响。3.1概述概述第4页/共61页3.1概述概述可变量程分压器直流放大器检波器uxb、检波放大式先检波再放大,因此通频带很宽,灵敏度较低。n缺点:由于宽带放大器增益与带宽的矛盾使放大检波式电压表的频宽难以扩展,灵敏度也受到内部噪声和外部干扰的限制。n频率范围一般为20Hz10MHz,灵敏度达毫伏级,通常称之为视频毫伏表,多用在低频、视频场合。第5页/共61页混频器中频放大器检波器f xf Af 0本机振荡器c、外差式其组成为:外差式接收机宽频电平表。特点
4、是:灵敏度高,通频带宽。3.1概述概述第6页/共61页2)按检波器的类型分类a、均值电压表:检波器为均值检波器;b、峰值电压表:检波器为峰值检波器;c、有效值电压表:检波器为有效值检波器;3.1概述2、数字电压表(DVM)(1)主要结构:A/D转换器。(2)分类:按A/D转换器的类型可将数字电压表分为:比较式数字电压表;积分式数字电压表;复合式数字电压表。第7页/共61页1、峰值(Up)以零电平为参考的最大电压幅值;振幅值(Um)以信号中直流分量为参考的最大电压幅值。三、交流电压的基本参数 图中,UP峰值,UM振幅,U0直流分量。tu(t)Vp0UmTU03.1概述概述第8页/共61页2、平均
5、值数学上定义为:由此可见,不同信号的平均值有可能相同,数学平均值定义不能唯一说明信号的特征。交流电压测量中,平均值通常指经过全波或半波整流后的波形(一般若无特指,均为全波整流)。T为u(t)的周期。U相当于交流电压u(t)的直流分量。例:u1(t)=sintV,U1=0V;u2(t)=costV,U2=0V;u3(t)=(U0+sint)V,U1=U0V;u4(t)=(U0+cost)V,U1=U0V;3.1概述概述第9页/共61页3、有效值定义:交流电压u(t)在一个周期T内,通过某纯电阻负载R所产生的热量,与一个直流电压V在同一负载上产生的热量相等时,则该直流电压V的数值就表示了交流电压u
6、(t)的有效值。1)全波平均值2)半波平均值正半波平均值:负半波平均值:3.1概述第10页/共61页4、波峰因数波峰因数定义:峰值与有效值的比值,用Kp表示,5、波形因数波形因数定义:有效值与平均值的比值,用KF表示,FUKU=有效值平均值=ppUKU=峰值有效值=3.1概述第11页/共61页3.2模拟式交流电压表模拟式交流电压表均值电压表一、工作原理均值响应,即:u(t)放大均值检波驱动表头二极管桥式整流(全波整流和半波整流)电路完成。D4D1D2D3u(t)+u0(t)C+uc(t)u0(t)=uc(t),波形图如下:Uo=uc(t)u(t)C放电C充电uct0第12页/共61页二、刻度特
7、性表头刻度按(纯)正弦波有效值刻度。因此:当输入u(t)为正弦波时,读数即为u(t)的有效值V(而不是该纯正弦波的均值)。对于非正弦波的任意波形,读数没有直接意义(既不等于其均值也不等于其有效值V)。但可由读数换算出均值和有效值。即:=KU为峰值电压表的示值,U为被测电压的平均值,K为定度系数。对与正弦波,U=KU,于是可得3.2模拟式交流电压表第13页/共61页三、均值电压表的波形误差如果被测电压不为正弦波,直接将均值电压表示值作为被测电压的有效值,则会带来“波形误差”。计算公式为:3.2模拟式交流电压表模拟式交流电压表第14页/共61页峰值电压表3.2模拟式交流电压表模拟式交流电压表一、峰
8、值检波器原理峰值响应,即:u(t)峰值检波放大驱动表头由二极管峰值检波电路完成,有二极管串联和并联两种形式。工作原理:a)串联式:判断二极管的导通及截止情况;Ui(t)Uc(t),D导通,向C充电,UR(t)=Uc(t),RDCTmin;Ui(t)Tmax;(RD为二极管内阻,RDC为充电常数;RC为放电常数)所以:UR=UcUP+CDR+Ui(t)URUca)串联式Uc0tUR第15页/共61页CDR+Ui(t)+URUcb)并联式b)并联式:判断二极管的导通及截止情况;Ui(t)Uc(t),D导通,向C充电,UR(t)=0,RDCTmin;Ui(t)Tmax;(RD为二极管内阻,RDC为充
9、电常数;RC为放电常数)所以:UR(t)=Ui(t)Uc(t)UR=UiUcUiUP+=U0UP+=Um+Uc0tUCUx总结:串联式峰值检波器:UR=UP+,电路中的电容C起滤波作用;并联式峰值检波器:UR=Um+,电路中的电容C有隔直流和滤波作用。3.2模拟式交流电压表第16页/共61页例1:用一只串联式峰值电压表和一只并联式峰值电压表分别测量电压Ux(t)=(10+5sint)V,试判断两只电表内检波器的输出是多少。3.2模拟式交流电压表解:Ux(t)=(10+5sint)VUxm+=5V,Uxp+=10+5=15V所以:串联式检波器输出对应Uxp+=15V;并联式检波器输出对应Uxm+
10、=5V。第17页/共61页二、定度系数表头刻度按(纯)正弦波有效值定度。当输入u(t)为正弦波时,读数即为u(t)的有效值V(而不是该纯正弦波的峰值Vp)。对于非正弦波的任意波形,读数没有直接意义(既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V)。但可由读数换算出峰值和有效值。即:=KUp为峰值电压表的示值,Up为被测电压的峰值,K为定度系数。对于正弦波,U=KUp,于是可得将K代入=KUp,可得3.2模拟式交流电压表第18页/共61页例2:用峰值电压表分别测量正弦波、三角波和方波电压,电压表示值均为10V,问三种波形被测信号的峰值和有效值各为多少?3.2模拟式交流电压表解:三种波形电压的峰值均为Up=
11、Up=UP=2=210V=14.14V正弦波的有效值即为电压表示值,即U=10V三角波、方波的有效值分别为:第19页/共61页三、波形误差如果被测电压不为正弦波,直接将峰值电压表示值作为被测电压的有效值,则会带来“波形误差”。计算公式为:3.2模拟式交流电压表第20页/共61页有效值电压表一、工作原理有效值检波器输出对应被测信号的有效值,即UO(t)Ux;考虑有效值的定义,为方便也可使检波器输出对应被测信号有效值的平方,即UO(t)Ux2。可以有以下三种方案。1、利用二极管平方律伏安特性检波小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系。缺点:精度低且动态范围小。因此,实际应用中,采用分段逼近
12、平方律的二极管伏安特性曲线图的电路。2、利用热电偶输出输入关系热电偶两个冷端处产生的热电动势与热端所加电压的有效值平方成正比,即UO(t)Ux2。3.2模拟式交流电压表模拟式交流电压表第21页/共61页而有效值电压表,直接获得有效值,是真有效值表。原理有效值的物理定义-热电偶式有效值的数学定义-计算式1)热电偶式:不同金属界面逸出功不同,冷、热端形成电位差电势E=kU 2电势正比输入功率,可作微波功率计。如何直接测电压?铁康铜热电偶真空管u(t)RIAE第22页/共61页U宽放u(t)10MHzVT2EfE1Uo+T1+-+A图5.17 热偶式有效值电压表Ui电路平衡时 第23页/共61页3、
13、利用模拟运算的集成电路检波通过多级运算器级连,实现模拟乘法器(平方)、积分、开方、比例运算。二、计算公式:Ux=理论上不存在波形误差,因此也称真有效值电压表(读数与波形无关)。3.2模拟式交流电压表第24页/共61页典型产品:DA30型,频率范围10Hz10MHz,量程范围1mV300V第25页/共61页表3.2三种电子电压表主要特性比较电压电压表表组成原理组成原理主要主要适用场合适用场合实测实测读数读数 读数读数 的物理意义的物理意义对正弦波对正弦波非正弦波非正弦波均值均值放大放大-均均检检低频信号低频信号视频信号视频信号有效值有效值U U峰值峰值峰检峰检-放放大大高频信号高频信号峰值峰值U
14、 UP P0.707U0.707UP P有效值有效值U UU=UU=UP P/K/KP P有效有效值值热电偶式热电偶式计算式计算式非正弦信非正弦信号号有效值有效值U UU U真有效值真有效值U U均值1.11U=KF第26页/共61页3.4数字电压表概述数字电压表组成原理数字电压表(DVMDigitalVoltmeter)图3.24 直流数字电压表的基本方框图输入模拟部分数字部分电源输入电路转换器A-D计数器显示器辑电路控制逻第27页/共61页一DVM的组成数字电压表(DigitalVoltageMeter,简称DVM)。1)组成框图2)内部构成包括模拟和数字两部分。输入电路:对输入电压衰减/
15、放大、变换等。核心部件是A/D转换器(AnalogtoDigitalConverter,简称ADC),实现模拟电压到数字量的转换。数字显示器:显示模拟电压的数字量结果。逻辑控制电路:在统一时钟作用下,完成内部电路的协调有序工作。3.4数字电压表概述第28页/共61页3)应用直流或慢变化电压信号的测量(通常采用高精度低速A/D转换器)。通过AC-DC变换电路,也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值,构成交流数字电压表。通过电流-电压、阻抗-电压等变换,实现电流、阻抗等测量,进一步扩展其功能。基于微处理器的智能化DVM称为数字多用表(DMM,DigitalMultiMeter)。DMM功能更全,性
16、能更高,一般具有一定的数据处理能力(平均、方差计算等)和通信接口(如GPIB)。第29页/共61页数字电压表的主要工作特性1.测量范围1)量程-借助于分压器和输入放大器来实现量程分基本量程-不经衰减和放大的量程,误差最小手动量程-手控换的量程,例:200mV,2V,20V,200V自动量程-程序控制的量程2)位数显示位数:通常为3位8位。判定数字仪表的位数有两条原则:能显示从09所有数字的位是整数值;分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子,用满程时最高位数字做分母。例如,19992000,31/2三位半3999940000,43/4四又四分之三位499999500000,54/5五又五分
17、之四位第30页/共61页3)超量程能力定义:指数字电压表能测量的最大电压超过其量程值的能力。DVM有无超量程能力取决于它的量程分档情况和能够显示的最大数字情况。可从计数脉冲角度来考虑,显示器可显示多余脉冲则有超量程能力。例如:1、显示位数为3位完整位的数字电压表 最大显示数字为999,其内部在进行模数转换时,若被测电压转换成的计数脉冲数大于999,则多出的脉冲无法被计数器显示,将溢出,既不能被测量。2、显示位数为3位半时 最大显示数字为1999,其最高位还可容纳多出的脉冲,即可进行超量程测量。带有半位的DVM如按2V、20V、200V等分档,最大显示数字位则无超量程能力;若按1V、10V、10
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