电子测量第五章.ppt
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1、第五章第五章 电压测量技术电压测量技术一、概述一、概述二、交流电压的测量二、交流电压的测量三、电压测量的数字化方法三、电压测量的数字化方法四、电压测量集成电路四、电压测量集成电路第五章第五章 电压测量技术电压测量技术一、概述一、概述 电压是电子电路中的一个主要参量,是其它许多电压是电子电路中的一个主要参量,是其它许多电参量测量、非电测量的基础。电参量测量、非电测量的基础。例如:功率测量,例如:功率测量,P=V2/R=IV=I2R,归于电压的测量。归于电压的测量。失真系数:失真系数:V V0调幅系数:调幅系数:m=V/V0第五章第五章 电压测量技术电压测量技术对电压测量的要求:对电压测量的要求:
2、其实质为对电压测量设备的要求其实质为对电压测量设备的要求1、测量准确度:要求测量误差小。、测量准确度:要求测量误差小。电压测量仪器的测量准确度表示方式有以下三种:电压测量仪器的测量准确度表示方式有以下三种:满度值百分数:满度值百分数:%Vm读数值百分数:读数值百分数:%Vx%Vm+%Vx一般用于线形一般用于线形刻度模拟电压表刻度模拟电压表用于具有对数用于具有对数刻度的电压表刻度的电压表用于数字电压表用于数字电压表第五章第五章 电压测量技术电压测量技术2、频带宽:交流电压、频带宽:交流电压几几Hz几百几百Hz几十几十HzGHz3、量程广:十分之几、量程广:十分之几V、几个、几个mV几十几十kV4
3、、输入阻抗:应足够高,以避免对被测电路的、输入阻抗:应足够高,以避免对被测电路的影响。直流影响。直流G,交流,交流 M 5、应具有高抗干扰能力。、应具有高抗干扰能力。第五章第五章 电压测量技术电压测量技术电压测量仪器分为:电压测量仪器分为:模拟式模拟式及及数字式数字式电压表。电压表。分类分类定义释疑定义释疑第五章第五章 电压测量技术电压测量技术模拟电压表模拟电压表数字万用表数字万用表返回返回第五章第五章 电压测量技术电压测量技术Fluke公司数字万用表公司数字万用表显示:显示:位位二、交流电压的测量二、交流电压的测量交流电压测量的核心是交流电压测量的核心是AC/DC变换,此部分是带有变换,此部
4、分是带有共性的,即模拟式和数字式电压表都必须完成这一共性的,即模拟式和数字式电压表都必须完成这一变换过程。变换过程。模拟式电压表模拟式电压表先检波,后放大先检波,后放大先放大,后检波先放大,后检波第五章第五章 电压测量技术电压测量技术表征交流电压的参数有:表征交流电压的参数有:所以有三种检波方式的电压表,根据检波方式的不同,所以有三种检波方式的电压表,根据检波方式的不同,有三种电压表。有三种电压表。均值均值峰值峰值有效值有效值峰值电压表峰值电压表均值电压表均值电压表有效值电压表有效值电压表模模拟拟式式电电压压表表第五章第五章 电压测量技术电压测量技术1、峰值检波式电压表、峰值检波式电压表电路形
5、式电路形式步进步进分压器分压器斩波式斩波式直流放大器直流放大器峰值检波器(探头)峰值检波器(探头)先检波、后放大先检波、后放大第五章第五章 电压测量技术电压测量技术高频电压测量高频电压测量时误差较小时误差较小检波电路形式检波电路形式I、串联型检波串联型检波+_Vo(t)Vx(t)II、并联型检波并联型检波+_Vx(t)Vo(t)第五章第五章 电压测量技术电压测量技术刻度特性刻度特性=I0 Vp表头的刻度:以正弦有效值刻度。表头的刻度:以正弦有效值刻度。=V(正弦波有效值)(正弦波有效值)波峰因数:波峰因数:=V(正弦有效值)(正弦有效值)=Vp/Kp(正弦波峰因数)(正弦波峰因数)第五章第五章
6、 电压测量技术电压测量技术对正弦波为根号对正弦波为根号2第五章第五章 电压测量技术电压测量技术例例:用一块峰值电压表测量一个方波电压,读数为用一块峰值电压表测量一个方波电压,读数为10 V,问该方波电压的有效值为多少?问该方波电压的有效值为多少?解:解:被测方波电压的峰值为被测方波电压的峰值为方波电压的波峰因数方波电压的波峰因数故故2、均值电压表、均值电压表电路形式电路形式输入输入宽带放大器宽带放大器检波检波A先放大、后检波先放大、后检波第五章第五章 电压测量技术电压测量技术大信号检波时线性较大信号检波时线性较好,波形误差较小好,波形误差较小刻度特性刻度特性=I 0 ,与波形无关与波形无关表头
7、的刻度:以正弦有效值刻度。表头的刻度:以正弦有效值刻度。=V(正弦波有效值)(正弦波有效值)波形因数:波形因数:=V(正弦有效值)(正弦有效值)=KF(正弦波形因数)(正弦波形因数)第五章第五章 电压测量技术电压测量技术对正弦为对正弦为1.11第五章第五章 电压测量技术电压测量技术例例:用一块平均值电压表测量一个三角波电压,读数为用一块平均值电压表测量一个三角波电压,读数为1 V,问该三角波电压的有效值为多少?,问该三角波电压的有效值为多少?解:解:三角波的均值为三角波的均值为三角波的波形因数三角波的波形因数故故3、有效值电压表、有效值电压表实现方法实现方法平方率检波平方率检波热电效应热电效应
8、模拟计算电路模拟计算电路热电效应原理:热电效应原理:第五章第五章 电压测量技术电压测量技术BE+ACDA-M热偶式原理热偶式原理:第五章第五章 电压测量技术电压测量技术BE+ACDA-MAB为加热丝为加热丝M为电热偶为电热偶C热端热端D、E冷端冷端AB温度温度CD和和CE为两种为两种不同材料制作不同材料制作CD温差温差电动势电动势形成电流形成电流第五章第五章 电压测量技术电压测量技术宽放宽放10MHz+-+ExEf4TC14TC1ViVo热偶式有效值电压表简化组成方框图热偶式有效值电压表简化组成方框图热电偶热电偶AC/DC4TC1(上)(上)测量热偶测量热偶4TC1(下)(下)平衡热偶平衡热偶
9、第五章第五章 电压测量技术电压测量技术工作原理:工作原理:当反馈系统平衡时,当反馈系统平衡时,0则则故故平衡热偶的作用:使表头刻度线形化,并提高热稳定性。平衡热偶的作用:使表头刻度线形化,并提高热稳定性。测量热偶的热电势测量热偶的热电势平衡热偶受反馈电平衡热偶受反馈电压影响,其热电势压影响,其热电势第五章第五章 电压测量技术电压测量技术热偶式电压表缺点:具有热惯性,过载能力差,易热偶式电压表缺点:具有热惯性,过载能力差,易烧毁。烧毁。模拟计算电路式模拟计算电路式:采用模拟计算电路直接完成有效值采用模拟计算电路直接完成有效值计算。计算。模拟乘法器模拟乘法器积分器积分器开方开方4、波形误差、波形误
10、差 峰值电压表对被测信号波形的谐波失真所引起的峰值电压表对被测信号波形的谐波失真所引起的波形误差非常敏感,故不能测量失真波形的电压。波形误差非常敏感,故不能测量失真波形的电压。均值电压表测量含有谐波成分的失真正弦电压的均值电压表测量含有谐波成分的失真正弦电压的有效值时有如下结论:有效值时有如下结论:1、误差与谐波幅度及初相角有关,当初相角为、误差与谐波幅度及初相角有关,当初相角为00或或1800时误差最大。时误差最大。2、二次谐波误差比三次谐波要小,推广到一般,奇、二次谐波误差比三次谐波要小,推广到一般,奇次谐波比偶次谐波影响大。次谐波比偶次谐波影响大。第五章第五章 电压测量技术电压测量技术3
11、、均值表波形误差与峰值检波相比较小。、均值表波形误差与峰值检波相比较小。有效值电压表测量非正弦波时理论上不会产生波形有效值电压表测量非正弦波时理论上不会产生波形误差,实际上由于以下两个原因使产生读数偏低的误差,实际上由于以下两个原因使产生读数偏低的误差。误差。1、电压表线性工作范围的限制。、电压表线性工作范围的限制。2、电压表带宽的限制。、电压表带宽的限制。第五章第五章 电压测量技术电压测量技术返回返回数数字字式式电电压压表表模拟量模拟量Vx(t)数字量数字量接口接口根据根据 变换方法变换方法 的不同的不同,有有非积分式非积分式DVM积分式积分式DVM响应于被测电压响应于被测电压的瞬时值的瞬时
12、值优点:测量速率快优点:测量速率快缺点:准确度低缺点:准确度低响应于被测电压响应于被测电压的平均值的平均值优点:准确度高优点:准确度高缺点:测量速率低缺点:测量速率低第五章第五章 电压测量技术电压测量技术第五章第五章 电压测量技术电压测量技术非积分式非积分式逐次逼近式逐次逼近式比较式比较式斜坡电压式斜坡电压式代表代表:代表代表:线性斜坡式线性斜坡式阶梯斜坡式阶梯斜坡式积分式积分式代表代表:双斜式双斜式多斜式多斜式第五章第五章 电压测量技术电压测量技术1、非积分式、非积分式DVM逐次逼近式逐次逼近式原理:与天平称重相似原理:与天平称重相似砝码砝码待测待测W/2 W/4 W/8 W/16原则:大者
13、弃,小者留原则:大者弃,小者留逐次逼近比较式逐次逼近比较式A/D变换过程变换过程第五章第五章 电压测量技术电压测量技术钟脉冲钟脉冲起始脉冲起始脉冲逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SAR显示器显示器译码器译码器比较器比较器D/A变换器变换器VrefVfMSB2-12-2例例:三位二进三位二进制制,Vr=5V,Vx=4VSAR输出输出顺序顺序D/A送出送出比较比较比较器输出比较器输出结果结果1100Vr/2=2.52.50保留保留2110Vr/2+Vr/22=3.753.750保留保留3111 Vr/2+Vr/22+Vr/23=4.375 4.3754Vo0舍弃舍弃0000000110 经过译码显示经
14、过译码显示3.75V第五章第五章 电压测量技术电压测量技术逐次逼近比较式存在量化误差逐次逼近比较式存在量化误差.结论结论:其准确度由基准电压、其准确度由基准电压、D/A变换器、比较器的漂移变换器、比较器的漂移所决定。所决定。变换时间与输入电压大小无关,仅由它的数码的变换时间与输入电压大小无关,仅由它的数码的位数(比特数)和钟频决定。位数(比特数)和钟频决定。逐次逼近比较式的逐次逼近比较式的A/D变换能兼顾速度、精度和成变换能兼顾速度、精度和成本三个方面的要求。本三个方面的要求。第五章第五章 电压测量技术电压测量技术斜坡电压式斜坡电压式DVM原理框图原理框图步骤步骤相应波形相应波形结论结论分为两
15、步:分为两步:1、模拟直流电压变换成时间、模拟直流电压变换成时间间隔。间隔。2、用计数法对时间间隔进行、用计数法对时间间隔进行数字编码。数字编码。第五章第五章 电压测量技术电压测量技术输入输入比较器比较器斜坡电压斜坡电压发生器发生器接地接地比较器比较器逻辑控制逻辑控制电路电路时钟时钟脉冲脉冲计数器计数器+12-12Vx复位复位0第五章第五章 电压测量技术电压测量技术返回第一次符合第一次符合被测电压被测电压VxtV测量开始测量开始VrVx+12-12门控信号门控信号门内时钟脉冲门内时钟脉冲第二次符合第二次符合第五章第五章 电压测量技术电压测量技术结论结论:实质实质:V-T变换变换测量准确度测量准
16、确度,由斜坡电压的线性、斜率稳定与否,由斜坡电压的线性、斜率稳定与否,及时间测量是否准确决定。及时间测量是否准确决定。线路简单,准确度较低。线路简单,准确度较低。第五章第五章 电压测量技术电压测量技术例例:若斜坡电压的斜率为若斜坡电压的斜率为10V/50ms,要求,要求4位数字读出,位数字读出,则时钟脉冲频率应为多少?若被测电压为则时钟脉冲频率应为多少?若被测电压为9.163V,则累计脉冲数为多少则累计脉冲数为多少?解解:时钟脉冲频率应为时钟脉冲频率应为:门控时间应为门控时间应为:累积脉冲数累积脉冲数:通过小数点位置的调整通过小数点位置的调整,可显示出可显示出 9.163V第五章第五章 电压测
17、量技术电压测量技术2、积分式、积分式DVM抗干扰能力抗干扰能力概述:概述:DVM的灵敏度极高,测量准确度高于模拟电压表的灵敏度极高,测量准确度高于模拟电压表存在存在串模干扰串模干扰和和共模干扰,共模干扰,相应地,有相应地,有串模干扰抑制比串模干扰抑制比和和共模干扰抑制比。共模干扰抑制比。第五章第五章 电压测量技术电压测量技术A、定义:、定义:1、串模干扰定义:指干扰源以串联形式与被测、串模干扰定义:指干扰源以串联形式与被测电压一起叠加到电压一起叠加到DVM输入端。见图输入端。见图1。2、共模干扰定义:通过环路地电流对两根测试、共模干扰定义:通过环路地电流对两根测试线都产生影响的干扰。见图线都产
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