第2章电参量测量技术.ppt

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1、东南大学东南大学东南大学仪器科学与工程学院现代检测技术现代检测技术任课教师任课教师：林国余林国余Tel：13512504727 Email：Andrew.L2第二章第二章 导言导言在在现代代测试技技术中，中，对于各种于各种类型的被型的被测量大多量大多数都是直接或通数都是直接或通过各种各种传感器、感器、电路等路等转换为与与被被测量相关的量相关的电压、电流、流、时间、频率等率等电学基学基本参量后本参量后进行行检测和和处理的，理的，这样不不仅便于便于对被被测量的量的检测、处理、理、记录和控制，又能提高和控制，又能提高测量量的精度。因此，了解和掌握的精度。因此，了解和掌握这些基本参量的些基本参量的测量

2、量方法是十分重要的。本章分方法是十分重要的。本章分别介介绍时间、频率和率和相位；相位；电压、电流以及阻抗等参量的流以及阻抗等参量的测量方法。量方法。3第二章第二章 电参量测量技术电参量测量技术2.12.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.32.3 电流测量电流测量2.2 2.2 电压电压测量测量2.42.4 阻抗测量阻抗测量42.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v时间是国是国际单位制中七个基本物理量之一，位制中七个基本物理量之一，单位是秒位是秒(s)。频率率以以单位位时间内周期性振内周期性振荡的次数来的次数来计量，量，单位是赫位是赫兹(Hz)。因此，。因

3、此，频率率测量和量和时间测量是量是紧密相密相联系的。系的。频率、率、时间的的应用与人用与人们日常生活息息相关，而在当代高科技中日常生活息息相关，而在当代高科技中显得尤得尤为重要。例如重要。例如,邮电通通讯，大地，大地测量，地震量，地震预报，人，人造造卫星、宇宙星、宇宙飞船、航天船、航天飞机的机的导航定位控制等都与航定位控制等都与频率、率、时间密切相关，因此准确密切相关，因此准确测量量时间和和频率是十分重要的。率是十分重要的。v相位相位是描述交流信号的三要素之一。相位差的是描述交流信号的三要素之一。相位差的测量是研究信量是研究信号、网号、网络特性的不可缺少的重要方面。特性的不可缺少的重要方面。5

4、2.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.1.1频率的率的测量量 在工在工业生生产领域中周期性域中周期性现象十分普遍，如各种周而复始象十分普遍，如各种周而复始的旋的旋转、往复运、往复运动、各种、各种传感器和感器和测量量电路路变换后的周期性后的周期性脉冲等。脉冲等。周期周期:周期性周期性过程重复出程重复出现一次所需要的一次所需要的时间；频率率:单位位时间内周期性内周期性过程重复出程重复出现的次数；的次数；周期与周期与频率互率互为倒数关系倒数关系:数字式测量法数字式测量法模拟式测量法模拟式测量法62.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量72.1 2.1 频

5、率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v1.频率（周期）的数字率（周期）的数字测量量v（1）计数法数法测量量基本原理：基本原理：计数法就是在一定的数法就是在一定的时间间隔隔T内，内，对周期性脉冲的重复次数周期性脉冲的重复次数进行行计数。若周期性脉冲的数。若周期性脉冲的周期周期为TA，则计数数结果果为：N=T/TA。82.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量测量原理：量原理：v周期周期为TA的脉冲的脉冲加到加到闸门的的输入端作入端作为输入信号入信号;v宽度度为T的的门控信号控信号加到加到闸门的控制端控制的控制端控制闸门的开、的开、闭时间，只有在，只有在闸门开通开通时间T内

6、内闸门才才输出出计数脉冲数脉冲到十到十进制制计数器数器进行行计数数;v计数器数器对TA进行行计数。数。92.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量在一定的在一定的时间间隔隔T内，内，对周期性脉冲的重复次数周期性脉冲的重复次数进行行计数。若周期性脉冲的周期数。若周期性脉冲的周期为TA，则计数数结果果为:102.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量由于由于T不一定是不一定是TA的整数倍，的整数倍，则计数器的数器的计数有数有误差差。设T区区间内内计数脉冲个数数脉冲个数为N，则：t1是是闸门开启开启时刻至第一个刻至第一个计数脉冲数脉冲上升沿上升沿的的时间(假假设脉

7、冲脉冲上升沿使上升沿使计数器翻数器翻转计数数)；t2是是闸门关关闭时刻至下一个刻至下一个计数脉冲上升沿的数脉冲上升沿的时间。0 t1 TA，0 t2 TA 112.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量式子中，式子中，0 t1 TA，0 t2 TA。v如果如果t1=t2，则N=0；v如果如果t1=TA，t2=0，则N=1；v如果如果t1=0，t2=TA，则N=1；因此脉冲因此脉冲计数的数的最大最大绝对误差差（量化（量化误差）差）为：N=1脉冲计数脉冲计数最大相对误差最大相对误差为：为：122.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v（2）通用）通用计数器的基

8、本数器的基本组成和工作方式成和工作方式通用计数器的基本组成132.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量通用计数器的基本组成整形器整形器将频率为将频率为fA(或或fB)的正弦信号的正弦信号整形为周期为整形为周期为TA(或或TB)的脉冲信号。的脉冲信号。门控电路门控电路将周期为将周期为m mTB的脉冲变为闸的脉冲变为闸门时间为门时间为T=m mTB的门控信号。的门控信号。十进制计数器的计数结果：十进制计数器的计数结果：T142.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v通用通用计数器有数器有测频和和测周期周期两种功能。两种功能。测频方式：测频方式：A A输入端接

9、被测信号输入端接被测信号fx；B B输入端接输入端接（晶振）标准频率（晶振）标准频率fc信号。则：信号。则：通用计数器的基本组成测周方式：测周方式：A A输入端输入端接（晶振）标准频率接（晶振）标准频率fc信号信号；B B输入端输入端接被测信号接被测信号fx 。则：。则：152.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v（3）频率率(周期周期)的的测量量误差与差与测量范量范围由于周期与由于周期与频率互率互为倒数，因此一般倒数，因此一般认为只要只要测出其中一个就可求得另一个，因此，理出其中一个就可求得另一个，因此，理论上上测量量频率率与与测量周期是等效的。但量周期是等效的。但实际

10、测量中，上量中，上图所示通用所示通用计数器分数器分别在在测频方式方式和和测周方式周方式时，其，其测量量误差和差和范范围都都不一不一样。162.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v测频方式方式相对误差：相对误差：最大相对误差为：最大相对误差为：结论：结论：测频法中，被测频率测频法中，被测频率fx越高，分频系数越高，分频系数m越大，越大，测频精确度越高。测频精确度越高。晶振精度一般很高，所以晶振精度一般很高，所以0172.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量测频方式方式测量范量范围：若采用若采用K位十位十进制制计数器，最大数器，最大计数数值为：为使计数结果

11、不超过计数器最大允许计数值而发生溢出，为使计数结果不超过计数器最大允许计数值而发生溢出，要求：要求：即：即：同时：同时：182.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量最大相最大相对误差差还应满足足测量精度量精度 的要求，即：的要求，即：将其代入将其代入（fc/fc0）测频范围测频范围:结论：结论：测频方式所能测量的最低频率受测量精度测频方式所能测量的最低频率受测量精度 的的限制；限制；能测量的最高频率受计数器容量能测量的最高频率受计数器容量(Nmax)或速或速度度(fmax)的限制。的限制。192.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v测周方式周方式即可用

12、于即可用于测周，也可以用于周，也可以用于测频。v测周法周法测周周相对误差：相对误差：最大相对误差为：最大相对误差为：202.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v测周法周法测频相对误差：相对误差：最大相对误差为：最大相对误差为：结论：结论：测周法中，被测频率测周法中，被测频率fx越低，分频系数越低，分频系数m m大，大，则测周的精度越高，测频的精度也越高。则测周的精度越高，测频的精度也越高。212.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量测周方式周方式测量范量范围：同同样也受到也受到测量精度要求量精度要求值 和和计数器的限制数器的限制:222.1 2.1 频

13、率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量将将代入代入（fc=fmax 且且 fc/fc0）结论：结论：测频方式所能测量的最低频率受测量精度测频方式所能测量的最低频率受测量精度 的的限制；限制；能测量的最高频率受计数器容量能测量的最高频率受计数器容量(Nmax)或速或速度度(fmax)的限制。的限制。测周范围测周范围:2.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v测频方式和测周方式比较中界频率中界频率 f0=fc=fx 被测频率被测频率fx中界频率即晶振标准频率中界频率即晶振标准频率fc时：采用直接测频法时：采用直接测频法被测频率被测频率fx中界频率即晶振标准频率中界频率即晶振

14、标准频率fc时：采用测周法时：采用测周法242.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量1若被测频率若被测频率fx较高，则直接测频的相对误差较小较高，则直接测频的相对误差较小2若被测频率若被测频率fx较低，则测周法测频的相对误差较小较低，则测周法测频的相对误差较小3对于对于fx=fc（=f0），测频与测周相对误差都一样），测频与测周相对误差都一样252.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v2.频率（周期）的模率（周期）的模拟测量量 直读法测频直读法测频电桥法测频电桥法测频谐振法测频谐振法测频频率频率-电压电压(F/V)F/V)转换法测频转换法测频 比较法测

15、频比较法测频 示波器测频示波器测频262.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v直直读法法测频 电桥法测频电桥法测频原理：原理：交流电桥的平衡与供桥电源频率有关。可变电阻调交流电桥的平衡与供桥电源频率有关。可变电阻调节旋钮按供桥电源频率刻度。适用于节旋钮按供桥电源频率刻度。适用于10K10K以下音频测量，以下音频测量，精度精度 (0.5(0.5 1)%1)%，高频受寄生参数影响。，高频受寄生参数影响。谐振法测频谐振法测频原理：原理：被测频率加到谐振回路，调节电容使之谐振。适用被测频率加到谐振回路，调节电容使之谐振。适用于粗测或附属测频部件，精度于粗测或附属测频部件，精度(0

16、.25(0.25 1)%1)%。272.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量频率频率-电压电压(F/V)F/V)转换法测频转换法测频原理：原理：将正弦频率将正弦频率fx转化为周期相等，宽度转化为周期相等，宽度、幅度、幅度Um均为均为定值的矩形脉冲列。定值的矩形脉冲列。通过低通滤波滤除所有交流分量，通过低通滤波滤除所有交流分量，则平均值即为直流分量：则平均值即为直流分量：可用于可用于MHzMHz级高频测量，可连续监测频率变化。级高频测量，可连续监测频率变化。目前多采用现成的芯片实现，比如：目前多采用现成的芯片实现，比如：LM2917，AD650282.1 2.1 频率、时间和

17、相位的测量频率、时间和相位的测量v比比较法法测频原理：原理：标准准频率与被率与被测频率比率比较，标准准频率与被率与被测频率相等率相等时示示值为0。拍拍频法（法（线性元件上叠加）性元件上叠加）测量量误差差约零点几零点几Hz。差差频法（非法（非线性元件上混性元件上混频）误差低于差低于10-5，最低可，最低可测信号信号电平平0.1 V 1 V。292.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v示波器示波器测频用示波器用示波器测量量频率有两种方法：一种是将被率有两种方法：一种是将被测信号加到信号加到示波器的示波器的Y通道，在通道，在荧光屏上光屏上测量被量被测信号的周期。另一种是信号的周

18、期。另一种是将被将被测信号和信号和标准准频率信号分率信号分别加到示波器的加到示波器的X通道和通道和Y通道通道，观测屏幕上的屏幕上的李沙育李沙育图形形。302.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v3两种通用两种通用计数器数器SP3386SP3386高精度通用计数器高精度通用计数器 SC-7206SC-7206通用计数器通用计数器312.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.1.2时间间隔的数字隔的数字测量量 时间间隔和周期的隔和周期的测量都是量都是测量信号或信号量信号或信号间的的时间长度。所以，它度。所以，它们的的测量方案基本相同。所不同的量方案基本相

19、同。所不同的仅是此是此处的的门控控电路不再采用路不再采用计数触数触发方式，而只是要求根据方式，而只是要求根据测量量时间间隔，隔，给出出起始起始计数数和和终止止计数数两个触两个触发信号。信号。322.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量将起始信号将起始信号UB接入接入B B通道，使门控双稳电路置通道，使门控双稳电路置1 1，因而主闸门开启，基准时标通，因而主闸门开启，基准时标通过主闸门进入计数器计数；当终止信号过主闸门进入计数器计数；当终止信号Uc接通接通C C通道，使门控双稳电路复零时，通道，使门控双稳电路复零时，主闸门关闭，计数结束。从而得到两个被测信号的时间间隔。主闸门

20、关闭，计数结束。从而得到两个被测信号的时间间隔。332.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量若若时间间隔即隔即门控信号的控信号的宽度度为tx，选用用时标周周期期为Tc(可可选)。则计数数结果果为：时间隔测量相当于分频系数时间隔测量相当于分频系数m=1m=1的周期的周期Tx的测量。的测量。342.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.1.3相位差的数字相位差的数字测量量相位差的测量方法主要有：相位差的测量方法主要有：用示波器测量；用示波器测量；与标准移相器比较与标准移相器比较(零示法零示法)；把相位差转换为电压来测量；把相位差转换为电压来测量；把相位差转

21、换为时间间隔来测等。把相位差转换为时间间隔来测等。352.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v1.1.相位相位-电压转换法电压转换法362.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量输出波形为周期为输出波形为周期为T，宽度为，宽度为Tx的方波，若方波幅度为的方波，若方波幅度为Ug，则用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，此则用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，此方波的平均值即方波的平均值即直流分量直流分量为为 ：其中其中Tx由两信号的相位差由两信号的相位差x决定，即决定，即:o360 xxTTj=故有：故有：372.1 2.1 频率、时

22、间和相位的测量频率、时间和相位的测量相位相位-电压转换式数字相位计电压转换式数字相位计382.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v2.相位相位-时间转换法法相位-时间转换式相位计将相位将相位-电压转换法中鉴相器的电压转换法中鉴相器的时间间隔时间间隔Tx用计数法进行测量，用计数法进行测量，便为相位便为相位-时间转换法。时间转换法。与时间间隔的计数测量原理基与时间间隔的计数测量原理基本相同。本相同。若时标脉冲周期为若时标脉冲周期为Tc，则则Tx时时间内的计数值：间内的计数值：392.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量相位-时间转换式相位计若采用十进制计数

23、器计数，若采用十进制计数器计数，假设假设:时标脉冲周期时标脉冲周期Tc与被测信与被测信号周期号周期T 满足：满足：则则相对量化误差为相对量化误差为:此时，时标脉冲频率此时，时标脉冲频率fc与被测信与被测信号频率号频率fx的关系为的关系为:402.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.1.4频率量率量测量的量的应用用实例例v基于光基于光电编码器的器的车轮转速速测量量光电编码器作为一种光电编码器作为一种位置反馈元件，被广位置反馈元件，被广泛的应用于转速、转泛的应用于转速、转角的测量系统中角的测量系统中 。412.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v基于光

24、基于光电编码器的器的车轮转速速测量量相对式光电码盘的结构较为简单，它的输出线有相对式光电码盘的结构较为简单，它的输出线有三三相相。转动时输出相差。转动时输出相差9090度的两相正交信号度的两相正交信号A A相、相、B B相，相，同时码盘每旋转一周同时码盘每旋转一周(360(360度度)也输出一个脉冲，定义也输出一个脉冲，定义为为Z Z相。相。422.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v车轮转速速测量量A A相和相和B B相的相的信号频率正比于车轮转速信号频率正比于车轮转速，假设选用的，假设选用的是一个是一个360360线的相对式光电码盘，即车轮每转动一圈，线的相对式光电码

25、盘，即车轮每转动一圈，A A相和相和B B相会输出相会输出360360个方波脉冲，因此可以推出车轮个方波脉冲，因此可以推出车轮转速转速S S与与A A相和相和B B相信号频率相信号频率F F的关系：的关系：432.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v车轮转角角测量量由于车轮每转一周，由于车轮每转一周，A A相和相和B B相会输出相会输出360360个方波脉冲，即车轮个方波脉冲，即车轮每转动每转动1 1度，度，A A相或相或B B相就会产生一个方波脉冲，记录相就会产生一个方波脉冲，记录A A相或相或B B相相产生的产生的方波脉冲个数方波脉冲个数，就可知道车轮转动的角度了。当

26、，就可知道车轮转动的角度了。当Z Z相方相方波脉冲出现时，则表示车轮又转回到了波脉冲出现时，则表示车轮又转回到了0 0度起始位置。度起始位置。442.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量 当车轮只向一个方向转动时，采用这种方法可以较容易的当车轮只向一个方向转动时，采用这种方法可以较容易的推算出车轮的转动角度。但是当汽车出现往返运动，车轮既有推算出车轮的转动角度。但是当汽车出现往返运动，车轮既有正传又有反转时，就必须在对正传又有反转时，就必须在对A A相和相和B B相出现脉冲记数时，还要相出现脉冲记数时，还要确定出汽车是在前进还是在后退。确定出汽车是在前进还是在后退。光电码盘

27、输出光电码盘输出A、B两相信号的相差两相信号的相差90度。如果车轮正转，度。如果车轮正转，A相超前相超前B相相90度；如果车轮反转，则度；如果车轮反转，则B相超前相超前A相相90度。其度。其波形如图所示。波形如图所示。452.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量v程序具体程序具体测量量1.频率测量频率测量利用单片机中利用单片机中PCA模块模块的捕获功能可以在不需要微控制器的捕获功能可以在不需要微控制器参与的情况下，采用参与的情况下，采用测周测周的方法，完成对脉冲宽度的测量，从的方法，完成对脉冲宽度的测量，从而获知频率大小。其具体测量过程为：而获知频率大小。其具体测量过程为：

28、PCA内部一个专用的内部一个专用的16位计数器自行以设置好的时钟从位计数器自行以设置好的时钟从065535循环计数，当循环计数，当PCA捕获引脚上出现上升沿时，会自捕获引脚上出现上升沿时，会自动将计数器当前值装载到一专有寄存器。连续两次装载的计数动将计数器当前值装载到一专有寄存器。连续两次装载的计数器值的差即为信号周期，从而测得信号频率。器值的差即为信号周期，从而测得信号频率。462.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量2.角度测量角度测量单片机中单片机中PCA模块模块在在A相信号上升沿到来时，会向相信号上升沿到来时，会向MCU产生产生中断中断。单片机查询。单片机查询B相状

29、态，决定转角计数值是增一还是相状态，决定转角计数值是增一还是减一。减一。Z相信号接微控制器外部中断引脚，每转动一周的相信号接微控制器外部中断引脚，每转动一周的Z相相清零信号出现时，以中断方式将转角计数值复位。清零信号出现时，以中断方式将转角计数值复位。472.1 2.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量482.2 2.2 电压的测量电压的测量2.2.1导言言 电压是一个基本的物理量，是是一个基本的物理量，是电路中表征路中表征电信号的三个基信号的三个基本参数（本参数（电压、电流、功率）之一。在流、功率）之一。在电子子电路中，路中，电路的路的各种工作都是靠各种工作都是靠电压来表征的。来

30、表征的。电路中的其它路中的其它电参数，包括参数，包括电流、功率、波形的非流、功率、波形的非线性失真系数、性失真系数、设备的灵敏度等，都的灵敏度等，都可以看作是可以看作是电压的派生物。在非的派生物。在非电测量中，大多数物理量（量中，大多数物理量（如温度、如温度、压力、振力、振动、速度等）的、速度等）的传感器也多是以感器也多是以电压作作为输出。出。492.2 2.2 电压的测量电压的测量在在实际电路参数的路参数的测量中，量中，电压测量直接方便，量直接方便，将将电压表直接并表直接并联在在测量元件两端，只要量元件两端，只要电压表的表的内内阻足阻足够大大，即可在几乎不影响，即可在几乎不影响电路工作状路工

31、作状态的前提下的前提下得到得到满意的意的测量量结果。因此果。因此电压测量是其他量是其他许多多电参参量、非量、非电参数参数测量的基量的基础。502.2 2.2 电压的测量电压的测量v电压的的测量分量分为模模拟和和数字数字两种方法。前者采用模两种方法。前者采用模拟式式电表表显示示测量量结果，后者以数字果，后者以数字显示器示器显示示测量量结果。两者的果。两者的区区别仅在于后者用在于后者用AD转换器和数字器和数字显示器取代了前者的示器取代了前者的模模拟显示部分。示部分。v模模拟电压测量量仪器的器的优点点是是结构构简单、价格便宜，、价格便宜，测量量频率率范范围较宽；缺点缺点是准确度、分辨力低，不便于与是

32、准确度、分辨力低，不便于与计算机算机组成自成自动测试系系统。数字式数字式电压测量量仪器器则正好相反正好相反。v数字式数字式电压测量量仪器逐器逐渐取代了模取代了模拟式式电压测量量仪器，并且器，并且向高精度、向高精度、宽量程、小型和和智能化方向量程、小型和和智能化方向发展。展。512.2 2.2 电压的测量电压的测量522.2 2.2 电压的测量电压的测量2.2.2直流直流电压测量量 普通直流电压表普通直流电压表 普通直流电压通常由动圈式高灵普通直流电压通常由动圈式高灵敏度敏度小量程的直流电流表小量程的直流电流表串联适串联适当的电阻构成。当的电阻构成。设：表的设：表的满偏电流满偏电流(满度电流满度

33、电流)为为Im，电流表本身内阻为电流表本身内阻为Re，串联串联电阻电阻Rn。电压表的满度电压为：。电压表的满度电压为：普通直流电压表电路电压表内阻电压表内阻532.2 2.2 电压的测量电压的测量普通直流电压表电路图中电流表串接图中电流表串接3 3个电阻后，具有个电阻后，具有U0、U1、U2、U3 四个量程。根四个量程。根据扩展的量程，可估算出据扩展的量程，可估算出3 3个扩展个扩展电阻的阻值电阻的阻值:扩展电阻精度影响电压表精度扩展电阻精度影响电压表精度542.2 2.2 电压的测量电压的测量 直流数字电压表直流数字电压表 将模拟直流电压表中磁电式表头用将模拟直流电压表中磁电式表头用AD转换

34、器及数转换器及数字显示器代替，即构成字显示器代替，即构成直流数字电压表直流数字电压表，如图所示。图中，如图所示。图中AD转换器把直流电压转换成相应的数字量，送往数字转换器把直流电压转换成相应的数字量，送往数字显示器显示出来。直流数字电压表是许多数字式电测仪表显示器显示出来。直流数字电压表是许多数字式电测仪表的核心部件，用途很广。的核心部件，用途很广。552.2 2.2 电压的测量电压的测量一台典型的直流数字电压表主要一台典型的直流数字电压表主要由输入电路、模由输入电路、模-数数转换器、控制逻辑电路、计数器、显示器以及电源电路等转换器、控制逻辑电路、计数器、显示器以及电源电路等几部分组成几部分组

35、成。输入电路和模。输入电路和模-数转换器统称为模拟电路部数转换器统称为模拟电路部分，而计数器、显示器和控制逻辑电路统称为数字部分。分，而计数器、显示器和控制逻辑电路统称为数字部分。因此一台数字电压表除供电电源外，主要由模拟和数字两因此一台数字电压表除供电电源外，主要由模拟和数字两大部分组成。大部分组成。562.2 2.2 电压的测量电压的测量572.2 2.2 电压的测量电压的测量582.2 2.2 电压的测量电压的测量592.2 2.2 电压的测量电压的测量602.2 2.2 电压的测量电压的测量数字电压表显示位数数字电压表显示位数判定数字仪表的位数的判定数字仪表的位数的两条原则两条原则：能

36、显示从能显示从0-90-9所有数字的位是整数值；所有数字的位是整数值；最大显示值中最高位数字只能显示最大显示值中最高位数字只能显示0 0和和1 1的叫的叫1/21/2位位 ，只能显示，只能显示0 0至至3 3的叫的叫3/43/4位。（位。（0 0通常并不显示）通常并不显示）判断下列最大显示数的数字电压表是几位电压表判断下列最大显示数的数字电压表是几位电压表？999 1999 39999999 1999 39999612.2 2.2 电压的测量电压的测量数字电压表模数字电压表模-数转换技术数转换技术数字电压表的模数转换技术可分三大类：数字电压表的模数转换技术可分三大类：比较型比较型、积分型积分型

37、、复合型复合型。比比较较型型：将将模模拟拟输输入入电电压压经经过过反反馈馈比比较较后后直直接接得得到到数数字字输输出出。其其优优点点是是转转换换速速率率高高、功功耗耗低低，在在低低分分辨辨时时（小小于于1212位位）时时价价格格便便宜宜，但但高高精精度度时时价价格格很高。（逐次逼近型很高。（逐次逼近型ADAD）积分型积分型：利用电压积分的时间进行测量：利用电压积分的时间进行测量。其优点是用简单的电路就能获得其优点是用简单的电路就能获得高分辨率、抗干扰能力强，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转高分辨率、抗干扰能力强，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率低。（双积分型换速率低。

38、（双积分型ADAD）复合型复合型：将比较式和积分式结合起来，取长补短发展起来的一种测速快、：将比较式和积分式结合起来，取长补短发展起来的一种测速快、抗干扰能力强的高精度抗干扰能力强的高精度数字电压表数字电压表，由于结构较复杂，价格高，目前一般用，由于结构较复杂，价格高，目前一般用于实验计算等方面。于实验计算等方面。622.2 2.2 电压的测量电压的测量2.2.3交流交流电压测量量1.交流交流电压的表征：的表征：用用峰峰值、平均平均值、有效有效值、波形系数波形系数以及以及波峰系数波峰系数来表征来表征632.2 2.2 电压的测量电压的测量(1)(1)峰值峰值 某一周期性交流电压某一周期性交流电

39、压u(t)（当不加注明时，当不加注明时，u(t)包括直流分量包括直流分量U0在内在内）在一个周期内在一个周期内偏离零电平偏离零电平的最大值称为该交流电压的峰的最大值称为该交流电压的峰值，用符号值，用符号Up表示。峰值又可分为峰表示。峰值又可分为峰-峰值峰值Upp、正峰值、正峰值Up+、负、负峰值峰值Up-。642.2 2.2 电压的测量电压的测量幅值幅值 某一周期性交流电压某一周期性交流电压u(t)在一个周期内在一个周期内偏离直流分量偏离直流分量U0的的最大值称为该交流电压的幅值或振幅最大值称为该交流电压的幅值或振幅，用符号，用符号Um表示。表示。振幅振幅值也可分为正振幅值值也可分为正振幅值U

40、m+和负振幅值和负振幅值Um-。当。当U0=0时，振幅值时，振幅值即为峰值。即为峰值。652.2 2.2 电压的测量电压的测量(2)(2)平均值平均值在在T时间内，一个随时间变化函数时间内，一个随时间变化函数u(t)的平均值在数学上的平均值在数学上的定义为：的定义为：对周期信号而言，对周期信号而言，T为信号的周期。为信号的周期。按照这个定义，按照这个定义，平均值平均值就是被测电压的就是被测电压的直流分量直流分量U0纯粹的交流电压纯粹的交流电压平均值等于零平均值等于零662.2 2.2 电压的测量电压的测量 在测量交流电压时，通常指把交流电压转换成对应的直流在测量交流电压时，通常指把交流电压转换

41、成对应的直流电压。电压。检波器检波器是将交流电整流成直流电的典型电路。所以，交是将交流电整流成直流电的典型电路。所以，交流电压的平均值是指交流电压检波后的平均值。一般仪器的检流电压的平均值是指交流电压检波后的平均值。一般仪器的检波器有波器有半波检波器半波检波器和和全波检波器全波检波器两种，对应的平均值也可分为两种，对应的平均值也可分为全波平均值全波平均值和和半波平均值半波平均值两种。由于全波平均值广泛使用，两种。由于全波平均值广泛使用，如如不加说明，平均值通常指全波平均值不加说明，平均值通常指全波平均值。全波平均值，即在一个周期内全波平均值，即在一个周期内电压绝对值电压绝对值的平均值：的平均值

42、：672.2 2.2 电压的测量电压的测量(3)(3)有效值有效值一个交流电压和一个直流电压分别加在同一电阻上，若它一个交流电压和一个直流电压分别加在同一电阻上，若它们在相同的时间内产生的能耗相等，即满足下式们在相同的时间内产生的能耗相等，即满足下式:则则交流电压有效值交流电压有效值U就等于该直流电压，可表示为就等于该直流电压，可表示为:682.2 2.2 电压的测量电压的测量 一般一般情况下，情况下，电压表几乎都按正弦波的有效值来定度：电压表几乎都按正弦波的有效值来定度：（1 1）如果被测电压是正弦波，那么通过查表很容易从电）如果被测电压是正弦波，那么通过查表很容易从电压表读数即有效值得知它

43、的峰值和平均值；压表读数即有效值得知它的峰值和平均值；（2 2）如果被测电压是非正弦波，那就须根据电压表读数）如果被测电压是非正弦波，那就须根据电压表读数和电压表所采用的检波方法，进行必要的波形换算，才能得到和电压表所采用的检波方法，进行必要的波形换算，才能得到有关参数。有关参数。692.2 2.2 电压的测量电压的测量702.2 2.2 电压的测量电压的测量(4)(4)波形因数、波峰因数波形因数、波峰因数 波形因数波形因数KF定义定义：交流电压的有效值与平均值之比：交流电压的有效值与平均值之比：波峰因数波峰因数Kp定义定义：交流交流电压的峰值与有效值之比：电压的峰值与有效值之比：不同电压波形

44、，其不同电压波形，其KF、Kp值不同，可以通过查表获得值不同，可以通过查表获得712.2 2.2 电压的测量电压的测量2.交流交流电压的的测量方法：量方法：测量交流量交流电压的方法很多，依据的原理也不同，其中最的方法很多，依据的原理也不同，其中最主要的是利用主要的是利用交交-直流直流转换器器将交流将交流电压转换成直流成直流电压，然，然后再接到直流后再接到直流电压表上表上进行行测量。量。检波检波-放大式放大式放大放大-检波式检波式外差式电压表外差式电压表722.2 2.2 电压的测量电压的测量(1)(1)检波检波-放大式放大式 检波检波-放大式电压表是放大式电压表是将被测电压先检波变成直流电流，

45、将被测电压先检波变成直流电流，然后再用直流放大器放大，放大后的直流电流去驱动电流表偏然后再用直流放大器放大，放大后的直流电流去驱动电流表偏转。转。这种类型的特点是这种类型的特点是“先检波后放大先检波后放大”，故测量电压的频率，故测量电压的频率范围只决定于范围只决定于检波器的频响检波器的频响(一般在一般在0Hz数百数百MHz)，通常所通常所称称“高频电压表高频电压表”或或“超高频电压表超高频电压表”都属于这一类型。都属于这一类型。732.2 2.2 电压的测量电压的测量(2)(2)放大放大-检波式检波式当被测电压较低时，直接检波会显著增大误差。为提高交当被测电压较低时，直接检波会显著增大误差。为

46、提高交流电压表的测量灵敏度，流电压表的测量灵敏度，先用放大器放大被测电压，然后再检先用放大器放大被测电压，然后再检波波。这种类型的特点是这种类型的特点是“先放大后检波先放大后检波”，这种电压表的频率，这种电压表的频率范围主要受范围主要受放大器带宽放大器带宽的限制，而灵敏度受的限制，而灵敏度受放大器内部噪声放大器内部噪声的的限制，一般可做到毫伏级，典型频率范围为限制，一般可做到毫伏级，典型频率范围为2020HzHz10MHz10MHz。742.2 2.2 电压的测量电压的测量检波检波-放大式放大式/放大放大-检波式电压表缺陷：检波式电压表缺陷：检波检波-放大式电压表的灵敏度受检波器件非线性的限制

47、。放大式电压表的灵敏度受检波器件非线性的限制。放大放大-检波式电压表由于宽带放大器增益和带宽的矛盾，也检波式电压表由于宽带放大器增益和带宽的矛盾，也很难把频率上限提得很高。很难把频率上限提得很高。同时，两种测量方法的灵敏度都受到仪器内部噪声和外部同时，两种测量方法的灵敏度都受到仪器内部噪声和外部干扰的限制。干扰的限制。外差式电压表外差式电压表测量测量灵敏度灵敏度提高到提高到V 级级752.2 2.2 电压的测量电压的测量3.常用交流电压表：常用交流电压表：(1)(1)峰值电压表峰值电压表多用于多用于高频交流电压高频交流电压的测量，为了避免高频测量受放大器的测量，为了避免高频测量受放大器通频带的

48、限制一般采用通频带的限制一般采用检波检波-放大式放大式原理。原理。在峰值电压表中，在峰值电压表中，检波器的作用检波器的作用是对被测交流电压进行检是对被测交流电压进行检波，使检波后输出的直流电压与被测的交流电压的波，使检波后输出的直流电压与被测的交流电压的峰值峰值成正比。成正比。762.2 2.2 电压的测量电压的测量峰值电压表的表头不是按峰值定度的，而是峰值电压表的表头不是按峰值定度的，而是按正弦波的有按正弦波的有效值定度效值定度的，即一个有效值为的，即一个有效值为U的正弦电压加到峰值电压表上的正弦电压加到峰值电压表上时，指示值为时，指示值为U。由于峰值电压表获得是交流电压的峰值信息，因此为了

49、获由于峰值电压表获得是交流电压的峰值信息，因此为了获取有效值，需要对正弦交流电和非正弦交流电区分对待。假设取有效值，需要对正弦交流电和非正弦交流电区分对待。假设峰值电压表读数为峰值电压表读数为Ua：正弦电压：正弦电压：有效值有效值=Ua峰值峰值=非正弦电压：非正弦电压：峰值峰值=有效值有效值=峰值峰值Up /波峰系数波峰系数Kp=772.2 2.2 电压的测量电压的测量782.2 2.2 电压的测量电压的测量(2)(2)平均值电压表平均值电压表多用于低频交流电压的测量，一般利用放大多用于低频交流电压的测量，一般利用放大-检波式原理。检波式原理。在平均值电压表中，在平均值电压表中，检波器的作用检

50、波器的作用是对被测交流电压进行是对被测交流电压进行检波，使检波后输出的直流电压与被测的交流电压的检波，使检波后输出的直流电压与被测的交流电压的平均值平均值成成正比。正比。792.2 2.2 电压的测量电压的测量平均值电压表的表头不是按平均值定度的，而是按正弦波平均值电压表的表头不是按平均值定度的，而是按正弦波的有效值定度的。即一个有效值为的有效值定度的。即一个有效值为U的正弦电压加到平均值电的正弦电压加到平均值电压表上时，指示值也为压表上时，指示值也为U。由于平均值电压表获得是交流电压的平均值信息，因此为由于平均值电压表获得是交流电压的平均值信息，因此为了获取有效值，需要对正弦交流电和非正弦交