1、2 2）電壓測量的特點）電壓測量的特點1.頻率范圍廣：零頻（直流）109Hz低頻：1MHz以下；高頻（射頻）：1MHz以上。2.測量范圍寬 微弱信號:心電醫學信號、地震波等,納伏級(10-9V）； 超高壓信號：電力系統中，數百千伏。3.電壓波形的多樣化電壓信號波形是被測量信息的載體。各種波形：純正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；隨機噪聲。第1頁/共122頁4.阻抗匹配 被測信號接入電壓測量儀器后，儀器等效輸入阻抗將對測量結果產生影響。 直流測量中，輸入阻抗與被測信號源等效內阻形成分壓，使測量結果偏小。 如：采用電壓表與電流表測量電阻， 當測量小電阻時，應采用電壓表并聯方案； 當測量大

2、電阻時，應采用電流表串聯方案。 交流測量中，輸入阻抗的不匹配引起信號反射。第2頁/共122頁5.測量精度的要求差異很大 工業測控場合有時只是需要監測電壓的大致范圍，其精度較低，高精度測量有時則要達到10-1至10-9精度。6.測量速度的要求差異很大 靜態測量：直流（慢變化信號）,幾次/秒; 動態測量：高速瞬變信號,數億次/秒(幾百MHz)精度與速度存在矛盾，應根據需要而定。7.抗干擾性能 工業現場測試中，存在較大的干擾。電壓測量要特別重視抗干擾措施，提高測量儀器的抗干擾能力。第3頁/共122頁電壓測量的方法和分類電壓測量的方法和分類電壓測量方法的分類按對象：直流電壓測量；交流電壓測量 按技術：

3、模擬測量；數字測量1）交流電壓的模擬測量方法表征交流電壓的三個基本參量：有效值、峰值和平均值。以有效值測量為主。方法：交流電壓（有效值、峰值和平均值）-直流電流-驅動表頭-指示有效值、峰值和平均值電壓表，電平表等。第4頁/共122頁2）數字化直流電壓測量方法模擬直流電壓-A/D轉換器-數字量-數字顯示（直觀）數字電壓表（DVM），數字多用表（DMM）。3）交流電壓的數字化測量交流電壓（有效值、峰值和平均值）-直流電壓-A/D轉換器-數字量-數字顯示DVM（DMM）的擴展功能。第5頁/共122頁4）基于采樣的交流電壓測量方法交流電壓-A/D轉換器-瞬時采樣值u(k) -計算，如有效值式中，N為u

4、(t)的一個周期內的采樣點數。5）示波測量方法交流電壓-模擬或數字示波器-顯示波形-讀出結果211( )NkVukN第6頁/共122頁5 52 2 電壓標準電壓標準 直流電壓標準電壓和電阻是電磁學中的兩個基本量。其他電磁量基準可由電壓基準和電阻基準導出。電壓標準有：標準電池（實物基準，10-6）；齊納管電壓標準 （固態標準， 10-6）；約瑟夫森量子電壓基準（量子化自然基準，10-10）。電阻標準有：精密線繞電阻（實物標準）；霍爾電阻基準（量子化自然基準，10-9）。第7頁/共122頁直流電壓標準直流電壓標準1. 標準電池原理：利用化學反應產生穩定可靠的電動勢 （1.01860V）。有飽和型和

5、不飽和型兩種類型。飽和型特點：電動勢非常穩定（年穩定性可小于0.5V，相當于510-7），但溫度系數較大（約40V/）。用于計量部門恒溫條件下的電壓標準器。不飽和型特點：溫度系數很小（約4V/），但穩定性較差。用于一般工作量具，如實驗室中常用的便攜式電位差計。第8頁/共122頁使用中應注意：1）不能傾倒；不能震動、沖擊（不易運輸）。2）溫度修正（特別是對飽和型）。“溫度電動勢”修正公式 ：式中，Et、E20分別為t（使用時的溫度）和20（出廠檢定時溫度）時標準電池的電動勢 。3）標準電池存在內阻，儀表輸入電阻應較大。23204639.94(20)0.929(20)0.0092(20)0.000

6、06(20) 10( )tEEttttV第9頁/共122頁2. 2. 齊納管電壓標準齊納管電壓標準 原理利用齊納二極管的穩壓特性制作的電子式電壓標準（也稱為固態電壓標準）。 齊納管的穩壓特性仍然存在受溫度漂移的影響，采用高穩定電源和內部恒溫控制電路可使其溫度系數非常小 。 將齊納管與恒溫控制電路集成在一起的精密電壓基準源，如LM199/299/399、REF系列。第10頁/共122頁 為克服輸出電壓的波動，還可將多個精密電壓基準源并聯，得到它們的平均值。+-V1V2V3V4R1R2R3R4R5R6(R1=R2=R3=R4)1234V +V +V +VV=4561oRVVR第11頁/共122頁上

7、圖中，假設運放是理想的，則流入運放同相端電流I+=0，即若R1=R2=R3=R4，則而輸出電壓312412340VVVVVVVVRRRR12344VVVVVV561oRVVR第12頁/共122頁 齊納管電壓標準器整機輸出電壓有：10V、1V和1.0186V。10V輸出便于檢定和傳遞到高電壓，且運輸、保存和使用方便。如WUK7000系列直流電壓參考標準：10V輸出的年穩定性可達0.510-6 ；1V和1.018V輸出的年穩定性可達到210-6，溫度系數為0.0510-6。 第13頁/共122頁3. 3. 約瑟夫森量子電壓基準約瑟夫森量子電壓基準 原理 基于約瑟夫森（Josephson）效應的量子

8、電壓基準 約瑟夫森效應 約瑟夫森隧道結：在兩塊相互隔開（約10埃的絕緣層）的超導體之間，由于量子隧道效應，超導電流（約mA量級）可以穿透該絕緣層，使兩塊超導體之間存在微弱耦合，這種超導體-絕緣體-超導體（SIS）結構稱為約瑟夫森隧道結。 約瑟夫森效應：當在約瑟夫森結兩邊加上電壓V時，將得到穿透絕緣層的超導電流，這是一種交變電流，這種現象稱為交流約瑟夫森效應。第14頁/共122頁 約瑟夫森電壓基準 根據約瑟夫森效應，通過時間（頻率）單位得到量子化電壓基準。 由穩定的頻率（f）確定電壓V。量子化電壓基準的準確度可接近時間（頻率）準確度。 國際計量委員會的建議： 從1990年1月1日開始，在世界范圍

9、內同時啟用了約瑟夫森電壓量子基準（JJAVS，10-10）。第15頁/共122頁我國的約瑟夫森量子電壓基準 由中國計量科學研究院(NIM)量子部建立。 1993年底，1V約瑟夫森結陣電壓基準，測量不確定度達到610-9 ； 1999年底，10V約瑟夫森結陣電壓基準，合成不確定度為5.410-9(1) 。 應用：對標準電池、固態電壓標準的量值傳遞，高精度數字多用表等的計量檢定，測量不確定度為110-8)。第16頁/共122頁交流電壓標準交流電壓標準 原理 由直流電壓標準建立。因而，需經過交流-直流變換。 測熱電阻橋式高頻電壓標準 基本原理：將高頻電壓通過一電阻（稱為測熱電阻，如熱敏電阻），該電阻

10、由于吸收高頻電壓功率，其阻值將發生變化，再將一標準直流電壓同樣施加于該電阻，若引起的阻值變化相等，則高頻電壓的有效值就等于該直流電壓。 第17頁/共122頁高高頻頻電電壓壓V0V1RFDCDCRFR RGR RR RR RT TR RT TC CC CVRF雙測熱電阻電橋的原理圖2201222222RFTTTVVVRRR由兩次電橋平衡的功率關系，有：高頻電壓 有效值為：22014RFVVV第18頁/共122頁對上述電路的要求1 兩個測熱電阻的一致性好(阻值和溫度特性相同)；2 檢流計要非常靈敏(特別是測量小的高頻電壓時)；3 隔直電容C應保證滿足： ，使交流功率在電容C上的損耗可以忽略。測熱電

11、阻電橋的缺點 測熱電阻對環境溫度敏感，操作較復雜； 一般不能直接讀數（需換算）。準確度：若直流電壓標準準確度為10-5，則得到的高頻電壓標準準確度可達10-3 。應用：對模擬電壓表檢定。RC1第19頁/共122頁5 53 3 交流電壓的測量交流電壓的測量 531 表征交流電壓的基本參量 峰值、平均值、有效值、波峰因數和波形因數。1 峰值 以零電平為參考的最大電壓幅值（用Vp表示 ）。注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱為振幅，（通常用Um表示）。t tu(t)Vp0UmTU第20頁/共122頁2 平均值（均值） 數學上定義為： 相當于交流電壓u(t)的直流分量。 交流電壓測量中，平均值通常指

12、經過全波或半波整流后的波形（一般若無特指，均為全波整流）： 對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 01( )TUu t dtT01( )TUu t dtT20.637ppUVV第21頁/共122頁3 有效值 定義：交流電壓u(t)在一個周期T內，通過某純電阻負載R所產生的熱量，與一個直流電壓V在同一負載上產生的熱量相等時，則該直流電壓V的數值就表示了交流電壓u(t)的有效值。 表達式：直流電壓V在T內電阻R上產生的熱量Q_=I2RT= 交流電壓u(t) 在T內電阻R上產生的熱量Q=由Q_= Q得，有效值201( )TVu t dtT2VTR20( )Tu tdtR第22頁

13、/共122頁 有效值 意義：有效值在數學上即為均方根值。有效值反映了交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。 對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 10.7072ppVVV第23頁/共122頁4 波峰因數和波形因數 波峰因數定義：峰值與有效值的比值，用Kp表示，對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T波形因數定義：有效值與平均值的比值，用KF表示，對理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T21.41/2pppVKVFVKV有效值平均值(1/2)1.112/2 2pFpVKV（）ppVKV峰值有效值第24頁/共122頁常見波形的波峰因數和

14、波形因數可查表(P188)得到：如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方波： Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 鋸齒波：Kp=1.73，KF=1.15； 脈沖波：Kp= ，KF= ， 為脈沖寬度，T為周期 白噪聲：Kp=3（較大），KF=1.25。TT第25頁/共122頁5 53 32 2 交流交流/ /直流轉換器的響應特性及誤差分析直流轉換器的響應特性及誤差分析 模擬電壓表的交流電壓測量原理： 交流電壓-直流電壓（有效值、峰值和平均值） -直流電流驅動表頭-指示。交流電壓-有效值、峰值和平均值的轉換，稱為檢波或AC-DC轉換。由不同的檢波電路實現。一、交

15、流一、交流/ /直流電壓（直流電壓（AC-DCAC-DC）轉換原理）轉換原理第26頁/共122頁（1）峰值檢波原理 由二極管峰值檢波電路完成。有二極管串聯和并聯兩種形式。如下圖。DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc第27頁/共122頁二極管峰值檢波電路工作原理 通過二極管正向快速充電達到輸入電壓的峰值，而二極管反向截止時“保持”該峰值。為此，要求： 即滿足電容C上的快速充電和慢速放電的需求 式中，Rs和rd分別為等效信號源u(t)的內阻和二極管正向導通電阻，C為充電電容（并聯式檢波電路中C還起到隔直流的作用），RL為等效負載電阻，Tmin和Tmax為u(t)的最小和最大

16、周期。 從波形圖可以看出，峰值檢波電路的輸出存在較小的波動，其平均值略小于實際峰值。minmax(),sdLRr CTR CT第28頁/共122頁(2)平均值檢波原理 由二極管橋式整流（全波整流和半波整流）電路完成。 如圖，整流電路輸出直流電流I0，其平均值與被測輸入電壓u(t)的平均值成正比（與u(t)的波形無關）。（電容C用于濾除整流后的交流成分，避免指針擺動）I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I0第29頁/共122頁 以全波整流電路為例，I0的平均值為 式中，T為u(t)的周期，rd和rm分別為檢波二極管的正向導通電阻和電流表內阻，可視為常數（它反映了檢波器的靈敏度 ）。

17、于是，I0的平均值 與u(t)的平均值 成正比。 01( )( )22Todmdmu tu tIdtTrrrroI( )u t第30頁/共122頁(3) 有效值檢波原理方法1：利用二極管平方律伏安特性檢波 檢波原理： 根據 為得到有效值,首先需對u(t)平方。小信號時二極管正向伏安特性曲線可近似為平方關系。缺點：精度低且動態范圍小。 201( )TVu t dtT第31頁/共122頁方法2：利用模擬運算的集成電路檢波 原理圖 通過多級運算器級連實現模擬乘法器（平方）積分開方比例運算。 單片集成TRMS/DC電路，如AD536AK等。2( )ut0TAu(t)Vrms第32頁/共122頁方法3：

18、利用熱電偶有效值檢波 熱電效應：兩種不同導體的兩端相互連接在一起，組成一個閉合回路，當兩節點處溫度不同時，回路中將產生電動勢，從而形成電流，這一現象稱為熱電效應，所產生的電動勢稱為熱電動勢。 熱電效應原理圖 當熱端T和冷端T0存在溫差時（即TT0），則存在熱電動勢，且熱電動勢的大小與溫差T=T-T0成正比。冷冷端端T T0 0熱熱端端T T第33頁/共122頁 熱電偶： 將兩種不同金屬進行特別封裝并標定后，稱為一對熱電偶（簡稱熱偶）。 熱電偶溫度測量原理： 若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過熱電動勢就可得到熱端（被測溫度點）的溫度。 熱電偶有效值檢波原理： 若通過被測交流電壓對熱電偶的熱端進行

19、加熱，則熱電動勢將反映該交流電壓的有效值，從而實現了有效值檢波。如下圖。第34頁/共122頁 直流電流I與被測電壓u(t)的有效值V的關系： 電流I熱電動勢熱端與冷端的溫差，而 熱端溫度u(t)功率u(t)的有效值U的平方， 故， I和U的關系為非線性，不利于檢波。R Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加熱熱絲絲熱熱端端T T熱熱偶偶M Mu uA A連連接接導導線線I I熱電偶有效值檢波原理圖2I U第35頁/共122頁 表頭刻度線性化處理：采用兩對相同的熱電偶，分別稱為測量熱電偶和平衡熱電偶，形成一個電壓負反饋系統。R Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加熱熱絲

20、絲熱熱端端T T測測量量熱熱偶偶電電流流表表平平衡衡熱熱偶偶+ +- -V Vo oE Ex xE Ef fV Vi i熱熱端端T T連連接接導導線線差差分分放放大大器器U0第36頁/共122頁 有效值電壓表的特點1 理論上不存在波形誤差，因此也稱真有效值電壓表（讀數與波形無關）。 對非正弦波，可視為由基波和各次諧波構成，若其有效值分別為V1,V2,V3、，則讀數2 但實際有效值電壓表，下面兩種情況使讀數偏小：對于波峰因數較大的交流電壓波形，由于電路飽和使電壓表可能出現“削波” ；高于電壓表有效帶寬的波形分量將被抑制。它們都將損失有效值分量。3 缺點：受環境溫度影響較大，結構復雜，價格較貴。*

21、實際應用中，常采用峰值或均值電壓表測有效值。2212(.)kVkVV第37頁/共122頁二、峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析二、峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 原理 峰值響應，即：u(t)峰值檢波放大驅動表頭 刻度特性 表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此：當輸入u(t)為正弦波時，讀數即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的峰值Vp）。對于非正弦波的任意波形，讀數沒有直接意義（既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V）。但可由讀數換算出峰值和有效值。峰峰值值檢檢波波表表頭頭( (讀讀數數= =) )Vpu(t)第38頁/共122頁 刻度特性 由讀數換算出峰值和有效值的換算步驟如下： 第

22、一步，把讀數想象為有效值等于的純正弦波輸入時的讀數，即 第二步，將V轉換為該純正弦波的峰值 第三步，假設峰值等于Vp的被測波形（任意波）輸入 ，即注：“對于峰值電壓表，（任意波形的）峰值相等，則讀數相等” 。 第四步，由 ，再根據該波形的波峰因數（查表可得），其有效值22pVV2ppVV任意pV任意2pppVVKK任意任意任意任意VV第39頁/共122頁 上述過程可統一推導如下： 該式表明：對任意波形，欲從讀數得到有效值，需將乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數即為正弦波的有效值）。2,pppppppppVVK VKVkkKKKKK任意任意任意任意任意任意任意第40頁/共122

23、頁 刻度特性 綜上所述，對于任意波形而言，峰值電壓表的讀數沒有直接意義，由讀數到峰值和有效值需進行換算，換算關系歸納如下：式中，為峰值電壓表讀數，Kp為波峰因數。 波形誤差。若將讀數直接作為有效值，產生的誤差：21.4121.41ppKKp（任意波）峰值V（任意波）有效值V221222ppppKKKK第41頁/共122頁三、平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析三、平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 原理 均值響應，即：u(t) 放大均值檢波驅動表頭 刻度特性 表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此：當輸入u(t)為正弦波時，讀數即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的均值）。對于非正弦波的

24、任意波形，讀數沒有直接意義（既不等于其均值也不等于其有效值V）。但可由讀數換算出均值和有效值。V平平均均值值檢檢波波表表頭頭( (讀讀數數= =) )u(t)第42頁/共122頁 由讀數換算出均值和有效值的換算步驟如下： 第一步，把讀數想象為有效值等于的純正弦波輸入時的讀數，即 第二步，由 計算該純正弦波均值 第三步，假設均值等于 的被測波形（任意波）輸入 ，即注：“對于均值電壓表，（任意波形的）均值相等，則讀數相等” 。 第四步，由 ，再根據該波形的波形因數（查表可得），其有效值V0.91.112 2FVVVKV0.9VV任意V任意0.9FFVKVK任意任意任意任意V第43頁/共122頁 上

25、述過程可統一推導如下： 上式表明，對任意波形，欲從均值電壓表讀數得到有效值，需將乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數即為正弦波的有效值）。 ,FFFFVVKVKVKkK任意任意任意任意任意0.91.11FFFFKKkKK任意任意任意第44頁/共122頁 綜上所述，對于任意波形而言，均值電壓表的讀數沒有直接意義，由讀數到峰值和有效值需進行換算，換算關系歸納如下：式中，為均值電壓表讀數，KF為波形因數。 波形誤差。若將讀數直接作為有效值，產生的誤差0.90.9FK（任意波）均值V（任意波）有效值V0.910.91.1110.90.9FFFFFKKKKK第45頁/共122頁4 4）實

26、例分析）實例分析 例1 用具有正弦有效值刻度的峰值電壓表測量一個方波電壓，讀數為1.0V，問如何從該讀數得到方波電壓的有效值？解 根據上述峰值電壓表的刻度特性，由讀數=1.0V，第一步,假設電壓表有一正弦波輸入,其有效值=1.0V；第二步,該正弦波的峰值=1.4V；第三步,將方波電壓引入電壓表輸入,其峰值Vp=1.4V；第四步，查表可知，方波的波峰因數Kp=1，則該方波的有效值為：V=Vp/Kp=1.4V。波形誤差為：1 1.4100%29%1.4 第46頁/共122頁例2 用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測量一個方波電壓，讀數為1.0V，問該方波電壓的有效值為多少？解 根據上述均值電壓表的刻

27、度特性，由讀數=1.0V，第一步，假設電壓表有一正弦波輸入，其有效值 =1.0V；第二步，該正弦波的均值 =0.9=0.9V；第三步，將方波電壓引入電壓表輸入，其均值 0.9V；第四步，查表可知，方波的波形因數 =1，則該方波的有效值為: 0.9V。波形誤差為FVKV方波VVVVFK方波1 0.9100%11%0.9第47頁/共122頁5 53 33 3 模擬式交流電壓表模擬式交流電壓表 模擬電壓表組成方案 檢波器是實現交流電壓測量（AC-DC變換）的核心部件，同時，為了測量小信號電壓，放大器也是電壓表中不可缺少的部件。 組成方案有兩種類型：一種是先檢波后放大，稱為檢波-放大式；一種是先放大后

28、檢波，稱為放大-檢波式。 模擬電壓表的兩個重要指標：帶寬和靈敏度(分辨力)第48頁/共122頁1 1）檢波）檢波- -放大式電壓表放大式電壓表 a. 組成框圖; b.提高靈敏度措施 檢波器決定電壓表的頻率范圍、輸入阻抗和分辨力。峰值電壓表常用這種類型。 峰峰值值檢檢波波器器步步進進分分壓壓器器直直流流放放大大器器uA步步進進分分壓壓器器斬斬波波穩穩零零式式放放大大器器uA(a)峰峰值值檢檢波波器器( (探探頭頭內內) )(b)第49頁/共122頁一 檢波器 為提高頻率范圍，采用超高頻二極管檢波，其頻率范圍可從直流到幾百兆赫，并具有較高的輸入阻抗。 檢波二極管的正向壓降限制了其測量小信號電壓的能

29、力（即靈敏度限制）,同時，檢波二極管的反向擊穿電壓對電壓測量的上限有所限制。 為減小高頻信號在傳輸過程中的損失，通常將峰值檢波器直接設計在探頭中。二 放大器 采用橋式直流放大器，它具有較高的增益。直流放大器的零點漂移也將影響電壓表的靈敏度。第50頁/共122頁三 主要指標： 檢波-放大式電壓表常稱為“高頻毫伏表”或“超高頻毫伏表” 。如國產DA36型超高頻毫伏表，頻率范圍為10kHz1000MHz，電壓范圍（不加分壓器）1mV10V。 國產HFJ-8型高頻毫伏表（調制式），最低量程為3mV，最高工作頻率300MHz。 第51頁/共122頁2）放大-檢波式電壓表 組成框圖 特點：先放大再檢波，因

30、此靈敏度很高。均值電壓表常用這種方式。放大器：為寬帶交流放大器，決定了電壓表的頻率范圍。一般上限為10MHz。常稱為“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表” 。這種電壓表具有較高靈敏度，但仍受寬帶交流放大器內部噪聲限制。步步進進分分壓壓器器寬寬帶帶交交流流放放大大器器均均值值檢檢波波器器uA第52頁/共122頁3）分貝測量及寬頻電平表 分貝聲學中，分貝是表示音量強弱的一個單位。通信系統中，也常用分貝表示電平或功率。當用分貝表示功率時，定義為：當用分貝表示電壓時，由功率與電壓的關系： 和當R1=R2時，有1210lgPdBP2111VPR2222VPR1220lgVdBV第53頁/共122頁 對上式，分貝

31、是一個用對數表示的相對量值（記作dB），如果相對于一個確定的參考基準量，此時的分貝值則表示了一個絕對電平。 若P2= P0（基準量），并取P0=1mW；P1=被測功率，用Px表示，其分貝值用dBm表示（下標m指示以mW為單位表示被測功率絕對值）。 則功率電平： 顯然，當Px=P0=1mW為0dBm時，若Px1mW，分貝值為正，若Px1mW，分貝值為負。10lgwmxP dBP mW第54頁/共122頁 對于電壓電平：以600電阻上吸收P0=1mW的基準功率時電壓的有效值為參考基準量V0。 由于 因此，取基準量V0=0.775V，其分貝值用dB或dBV表示（下標V指示以V為單位表示被測電壓絕對值

32、）。 對于任意被測電壓Vx，其電壓電平定義為 和Vx(v)Pv（dBv）之間可換算或查表。20.7751600mW 20lg0.775xVVV VP dBxxmP mWP dB第55頁/共122頁寬頻電平表 具有分貝讀數的電壓表稱為“寬頻電平表” 。在均值電壓表（放大-檢波式）基礎上設計的。組成框圖：輸輸入入衰衰減減器器寬寬帶帶交交流流放放大大器器均均值值檢檢波波器器uAd dB B“輸輸入入電電平平”選選擇擇標標準準電電平平震震蕩蕩器器“輸輸入入阻阻抗抗”選選擇擇“電電平平校校準準”dB第56頁/共122頁 輸入衰減器上用dB表示“輸入電平”選擇，衰減步進為10dB，相當于衰減 倍,（ ）。

33、 輸入衰減器可用標準電平振蕩器校準。 可根據測量時的阻抗匹配原則選擇“輸入阻抗”（一般有75/150/600/高阻共4檔）。 寬帶放大器上還有“電平校準”旋鈕，用于調節放大器增益。 表頭刻度為dB，可以是dBV（測量電壓電平）或dBm（測量功率電平）兩者之一，也可以是兩者兼容。103.162120lg1010dB 輸輸入入衰衰減減器器寬寬帶帶交交流流放放大大器器均均值值檢檢波波器器uAd dB B“輸輸入入電電平平”選選擇擇標標準準電電平平震震蕩蕩器器“輸輸入入阻阻抗抗”選選擇擇“電電平平校校準準”dB第57頁/共122頁寬頻電平表刻度特性及dB值的讀出: 電壓電平測量：表頭標定時選擇輸入阻抗

34、600，則對應的0dB電壓為0.775V（有效值）。通常0dB約在表頭指針滿刻度的2/3左右，0dB的左邊為-dB（0.775V）。 表頭讀數只能表示輸入無衰減且交流放大器增益為1時被測電壓的分貝值。 當引入衰減和放大后，被測電壓的dB值應為：衰減器讀數表頭讀數。第58頁/共122頁 功率電平的測量：實際上是對阻抗兩端電壓電平的測量。 “零刻度基準阻抗” ：與1mW基準功率對應的阻抗Z0 ，取為600。此時表頭的功率電平刻度與電壓電平刻度一致（實際表頭的功率電平刻度就是按600“零刻度基準阻抗”定度的）。 若選擇輸入阻抗Zi600，就可直接從表頭讀出功率電平值。 當Zi600時，則應根據讀出的

35、電壓電平換算出功率電平，其換算公式為：0 10lgWmViZP dBP dBZ第59頁/共122頁4 4 電壓表的使用了解不同電壓表的性能特點，根據應用場合加以選用。1）峰值電壓表特點： 檢波-放大式。峰值響應、頻率范圍較寬（達1000MHz）但靈敏度低（mV級）。 讀數的換算：根據波峰因數，將讀數換算成有效值（或峰值）。 需注意：測量波峰因數大的非正弦波時，由于削波可能產生誤差。 第60頁/共122頁2）均值電壓表 放大-檢波式。 均值響應、靈敏度比峰值表有所提高但頻率范圍較小（10MHz），主要用于低頻和視頻場合。 讀數的換算：根據波形因數，將讀數換算成有效值（或均值）。3）有效值電壓表

36、可以直接讀出有效值，非常方便。 由于削波和帶寬限制，將可能損失一部分被測信號的有效值，帶來負的測量誤差。 較為復雜，價格較貴。第61頁/共122頁4）寬頻電平表 以分貝表示的功率電平和電壓電平。 電壓電平：步進衰減器讀數表頭讀數。 功率電平：當輸入阻抗等于表頭標定時采用的零刻度基準阻抗600時，功率電平與電壓電平具有相同的表頭刻度。否則，需用 進行修正。010lgiZZ第62頁/共122頁5 54 4 直流電壓的數字化測量及A/DA/D轉換原理 541 DVM的組成原理及主要性能指標1）DVM的組成 數字電壓表（Digital Voltage Meter，簡稱DVM）。 組成框圖輸輸入入電電路

37、路A A/ /D D轉轉換換器器數數字字顯顯示示器器邏邏輯輯控控制制電電路路時時鐘鐘發發生生器器模模擬擬部部分分數數字字部部分分Vx第63頁/共122頁1）DVM的組成 組成框圖包括模擬和數字兩部分。 輸入電路：對輸入電壓衰減/放大、變換等。核心部件是A/D轉換器（Analog to Digital Converter，簡稱ADC），實現模擬電壓到數字量的轉換。 數字顯示器：顯示模擬電壓的數字量結果。 邏輯控制電路：在統一時鐘作用下，完成內部電路的協調有序工作。第64頁/共122頁 應用 直流或慢變化電壓信號的測量（通常采用高精度低速A/D轉換器）。 通過AC-DC變換電路，也可測量交流電壓的

38、有效值、平均值、峰值，構成交流數字電壓表。 通過電流-電壓、阻抗-電壓等變換，實現電流、阻抗等測量，進一步擴展其功能。 基于微處理器的智能化DVM稱為數字多用表（DMM，Digital MultiMeter）。 DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的數據處理能力（平均、方差計算等）和通信接口(如GPIB)。第65頁/共122頁 2）主要性能指標 顯示位數 完整顯示位：能夠顯示09的數字。 非完整顯示位(俗稱半位)：在最高位上只能顯示0和1。 如4位DVM，具有4位完整顯示位，其最大顯示數字為9999 。 而 位（4位半）DVM，具有4位完整顯示位，1位非完整顯示位，其最大顯示數字為19999

39、 。142第66頁/共122頁 量程 基本量程：無衰減或放大時的輸入電壓范圍，由A/D轉換器動態范圍確定。 通過對輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴展其他量程。 如基本量程為10V的DVM，可擴展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五檔量程； 基本量程為2V或20V的DVM，可擴展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五檔量程。第67頁/共122頁 分辨力 指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映了DVM靈敏度。 用每個字對應的電壓值來表示，即V/字。 不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同，顯然，在最小量程上具有最高分辨力。 例如，3位半的DVM，在200mV

40、最小量程上，可以測量的最大輸入電壓為199.9mV，其分辨力為0.1mV/字（即當輸入電壓變化0.1mV時，顯示的末尾數字將變化“1個字” ）。第68頁/共122頁用百分數表示分辨率：與量程無關，比較直觀。 如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力為0.1mV，則分辨率為： 測量速度 每秒鐘完成的測量次數。它主要取決于A/D轉換器的轉換速度。 一般低速高精度的DVM測量速度在幾次/秒幾十次/秒。0.1mV100% 0.05%200mV第69頁/共122頁 測量精度取決于DVM的固有誤差和使用時的附加誤差(溫度等)。固有誤差表達式：示值（讀數）相對誤差為：式中,Vx:被測電壓的讀數；Vm:該量

41、程的滿度值； ：誤差的相對項系數； ：誤差的固定項系數。固有誤差由兩部分構成：讀數誤差和滿度誤差。讀數誤差： 與當前讀數有關。主要包括DVM的刻度系數誤差和非線性誤差。滿度誤差： 與當前讀數無關，只與選用的量程有關。( %)xmVVV ( %)mxxVVVV %xV%mV第70頁/共122頁第71頁/共122頁轉換原理 A/D轉換器分類 積分式：雙積分式、三斜積分式、脈沖調寬（PWM）式、電壓-頻率（V-F）變換式等。 非積分式：斜波電壓（線性斜波、階梯斜波）式、比較式（逐次逼近式、零平衡式）等。 第72頁/共122頁1）逐次逼近比較式ADC 基本原理：將被測電壓和一可變的基準電壓進行逐次比較

42、，最終逼近被測電壓。即采用一種“對分搜索”的策略，逐步縮小Vx未知范圍的辦法。 假設基準電壓為Vr=10V，為便于對分搜索，將其分成一系列（相差一半）的不同的標準值。 Vr可分解為：第73頁/共122頁如只取前4項，則其逼近的最大誤差為9.375V-10V =-0.625V，相當于最后一項的值。 現假設有一被測電壓Vx8.5V，若用上面表示Vr的4項5V、2.5V、1.25V、0.625V來“湊試”逼近Vx，逼近過程如下：52.51.250.6259.375rVVVVVV第74頁/共122頁Vx5V（首先，取5V項，由于5V8.5V， 則保留該項，記為數字1） +2.5V（再取2.5V項，此時

43、5V+2.5V8.5V， 則應去掉該項，記為數字0） +0.625V（再取0.625V項，此時 5V+2.5V+0.625V8.5V,則保留該項,記為數字1）8.125V（得到最后逼近結果） 總結上面的逐次逼近過程可知，從大到小逐次取出Vr的各分項值，按照“大者去，小者留”的原則，直至得到最后逼近結果，其數字表示為1101。第75頁/共122頁第76頁/共122頁 逐次逼近比較式ADC原理框圖逐逐次次逼逼近近移移位位寄寄存存器器( (S SA AR R) )D/A轉轉換換器器Vx+-比比較較器器C CL LK KSTARTA/D轉轉換換結結果果2-12-nMSBLSBVrN N第77頁/共12

44、2頁SAR的最后輸出即是A/D轉換結果，用數字量N表示。最后的D/A轉換器輸出已最大限度逼近了Vx，且有式中， N：A/D轉換結果的數字量，n：A/D位數， Vr：參考電壓，Vx：A/D輸入電壓上式還可寫成：Vx=eN，e=Vr/2n稱為A/D轉換器的刻度系數，單位為“V/字”，表示了A/D轉換器的分辨力。2xrnNVV第78頁/共122頁 如上面Vx8.5V，Vr10V，當用Vr的4個分項逼近時（相當于4位A/D轉換器），A/D轉換的結果為N（1101）213，即 單片集成逐次比較式ADC。常見的產品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等。 241101)10

45、8.1252xVVV（第79頁/共122頁2 2）單斜式ADCADC斜斜波波電電壓壓發發生生器器QQSETCLRSR&000時時鐘鐘計計數數器器主主門門VrVx+-+-門門控控信信號號輸輸入入比比較較器器接接地地比比較較器器a計計數數輸輸入入第80頁/共122頁 波形圖0VxVx、V Vr r門門控控信信號號計計數數輸輸入入NV Vr rt1bT0T第81頁/共122頁rVkRC特點、應用特點、應用 線路簡單，成本低。轉換速度：門控時間T即為單斜式ADC的轉換時間，取決于斜波電壓的斜率，并與被測電壓值有關，在滿量程時，轉換時間最長，即轉換速度最慢。可應用于精度和速度要求不高的DVM中。

46、第82頁/共122頁010000100 Hz100fkms第83頁/共122頁3 3）雙積分式ADCADC 基本原理： 通過兩次積分過程(“對被測電壓的定時積分和對參考電壓的定值積分”)的比較，得到被測電壓值。 原理框圖 包括積分器、過零比較器、計數器及邏輯控制電路。 下圖a.原理框圖，b.工作波形圖。 第84頁/共122頁主門計數器邏輯控制電路數字輸出時鐘S1S2CRVx-VrVr積分器比較器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1復零t2t3VoVomT1T2N1N2t積分波形計數器輸入a.b.清零T0f0T011T0第85頁/共122頁2111tomxxtTVV dtVRCRC 第8

47、6頁/共122頁 或式中， 為A/D轉換器的刻度系數（“V/字”）。可見計數結果N2（數字量）即可表示被測電壓Vx，N2即為雙積分A/D轉換結果。32210()tomromrtTVV dtVVRCRC21xrTVVT221xrNVVeNN121xxrNNVVVe1rVeN第87頁/共122頁第88頁/共122頁55 電流、電壓、阻抗變換技術電流、電壓、阻抗變換技術及數字多用表及數字多用表 551 電流、電壓、阻抗變換技術 AC/DC變換 將交流電壓變換（檢波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。 I/V變換 基于歐姆定律，將被測電流通過一個已知的取樣電阻，測量取樣電阻兩端的電壓，即可得到

48、被測電流。 為實現不同量程的電流測量，可以選擇不同的取樣電阻。第89頁/共122頁 如圖，假如變換后采用的電壓量程為200mV，則通過量程開關選擇取樣電阻分別為1k、100、10、1、0.1，便可測量200A、2mA、20mA、200mA、2A的滿量程電流。Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A A第90頁/共122頁第91頁/共122頁恒恒流流源源( (可可調調) )A A/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p恒恒流流源源( (可可調調) )A A/ /D D-+A A

49、m mp pIrVrR1Rx精精密密電電阻阻VoVr取取樣樣電電阻阻第92頁/共122頁 圖b中，將被測電阻作為反饋電阻，將恒流源輸出Ir流過一個已知的精密電阻，從而得到參考電壓Vr如圖，放大器輸出 ,于是 如果將Vo作為A/D轉換器的輸入，并將Vr直接作為A/D轉換器的參考電壓，即可實現比例測量。1xorRVVR 1oxrVRRV 恒流源( (可調) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精密電阻VoVr第93頁/共122頁552 數字多用表 組成框圖 數字多用表（DMM）的主要特點 DVM的功能擴展。DMM可進行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測量。 測量分辨力和精度有

50、低、中、高三個檔級，位數3位半-8位半。A AC C/ /D DC CI I/ /V VZ Z/ /V VD DV VM MC CP PU UD DC CA AC CI IZ Z第94頁/共122頁 數字多用表（DMM）的主要特點 一般內置有微處理器。可實現開機自檢、自動校準、自動量程選擇，以及測量數據的處理（求平均、均方根值）等自動測量功能。 一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于組成自動測試系統。 數字多用表的使用(測電阻) 二端法和四端法測電阻。如下圖（圖中Rl1、Rl2、Rl3、Rl4為等效導線電阻和接觸電阻）。第95頁/共122頁 a. 二端法b. 四端法圖a中，實際

51、測量得到的電阻值為Rx+Rl1+Rl2（即包含了引線電阻和接觸電阻），使測量值偏大。適合測量大電阻。圖b中，為了提高小電阻測量精度，采用四端法。R Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2R Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2Rl3Rl4第96頁/共122頁56 數字電壓表誤差分析及自動化技術561 DVM的誤差分析1 DVM的整體誤差 包括固有誤差和附加誤差。（需誤差合成）。 固有誤差表示在一定測量條件下DVM本身所固有的誤差，它反映了DVM的性能指標。 附加誤差指測量環境的變化（如溫度漂移）和測量條件（如被測電壓的等效信號源內阻）所引起的測量誤差。第97頁/共122頁1234()xxNk

52、 k k k VkV1234kk k k k( %)xVVn 字第98頁/共122頁 由 ,轉換系數k的相對誤差為各k1、k2、k3、k4的相對誤差之和。若不考慮非線性誤差，則k%即為讀數誤差項系數（%）。即 滿度誤差 滿度誤差是由級連系統中各部件的漂移引起的，與輸入電壓無關。1234kk k k k31241234%kkkkkkkkkk12341121231234ooooVVVVVkk kk k kk k k k%mVV第99頁/共122頁VxN0理理想想特特性性轉轉換換誤誤差差影影響響下下的的特特性性滿滿度度誤誤差差影影響響下下的的特特性性（平平行行于于理理想想特特性性）讀讀數數誤誤差差和

53、和滿滿度度誤誤差差共共同同影影響響下下的的實實際際轉轉換換特特性性V 第100頁/共122頁(2) 附加誤差 由DVM輸入阻抗、輸入零電流及溫度漂移等引起。 DVM的輸入等效電路： 圖中，Rs為輸入電壓Vx的等效信號源內阻，Ri和I0分別為DVM的等效輸入電阻和輸入零電流。 HLI0DVMRsVxRi第101頁/共122頁由Ri和I0引入的附加誤差為：典型DVM的輸入放大器的輸入電阻為1000M(接入分壓器時輸入電阻為10M),輸入零電流約為0.5nA。溫度漂移引起的附加誤差：用 或溫度系數ppm(百萬分之一)表示。iixxxHLxsissRxxxsiiRVVVVVRRRRVVVRRR 000

54、()xHLxsxxsIxxxxVVVI RVVI RVVVV( %)/xmVV第102頁/共122頁例 一臺3位半的DVM給出的精度為：（0.1%讀數+1字），如用該DVM的020V DC的基本量程分別測量5.00V和15.00V的電源電壓，試計算DVM測量的固有誤差。解 首先，計算出“1字”對應的滿度誤差。在020V量程上，3位半的DVM對應的刻度系數為0.01V/字，因而滿度誤差“1字”相當于0.01V。當Vx=5.00V時，固有誤差和相對誤差分別為：Vx(0.1%5.00V0.01V)0.015V 當Vx=15.00V時，固有誤差和相對誤差分別為：Vx(0.1%15.00V0.01V)0

55、.025V 可見，被測電壓愈接近滿度電壓，測量的（相對）誤差愈小（這也是在使用DVM時應注意的）。0.015100%100%0.3%5.00 xxxVV 第103頁/共122頁誤差分析誤差分析 以雙斜式以雙斜式A/D轉換器構成的轉換器構成的DVM為例，考慮由為例，考慮由輸入通道電路和輸入通道電路和A/D轉換器各組成部件的非理想而轉換器各組成部件的非理想而引入的誤差及相應的誤差表達式。引入的誤差及相應的誤差表達式。 這些誤差包括：積分器誤差；比較器誤差；模這些誤差包括：積分器誤差；比較器誤差；模擬開關誤差；基準電壓源誤差；輸入衰減擬開關誤差；基準電壓源誤差；輸入衰減/放大器放大器誤差；誤差；A/

56、D轉換器的量化誤差。轉換器的量化誤差。第104頁/共122頁1) 積分器誤差：積分器的輸入失調電壓Uos和輸入偏置電流IB引起的誤差。 采用積分器動態校零技術可消除Uos和IB影響。2) 比較器誤差：比較器的靈敏度(電壓分辨力)和響應帶寬(時間分辨力)不足將對A/D轉換結果產生影響。UosIB-+RC積積分分器器ViVoUosVot實實際際積積分分器器輸輸出出理理想想積積分分器器輸輸出出第105頁/共122頁3) 基準電壓源誤差：基準電壓（參考電壓）的精度和穩定性也將直接影響到A/D轉換結果。4) 模擬開關誤差：實際的模擬開關總存在一定的導通電阻（接通時）及漏電流（斷開時），因此，對后續電路產

57、生影響。為減小模擬開關誤差，可在模擬開關到積分器的積分電阻之間加入一級跟隨器。5) 輸入衰減/放大器誤差：非理想的輸入衰減/放大器的零點漂移、增益誤差、響應帶寬的影響，以及輸入阻抗與輸入信號源的等效內阻對輸入信號的影響，輸出阻抗對后續電路的影響等，都將引入DVM的測量誤差。6) A/D轉換器的量化誤差：A/D轉換器用有限位數的數字量來表示模擬電壓（等分2n個階梯） 。量化誤差最大為 (1LSB相當于一個量化階梯)。12LSB第106頁/共122頁562 DVM中的自動校正技術中的自動校正技術1 滿度誤差與自動校零技術 滿度誤差主要由輸入放大器和積分器的Uos和IB引起。放大器輸入端的零點漂移U

58、os-輸出端為AUos。圖a。 為減小Uos的影響，可在放大器同相或反相輸入端采用一個保持電容，用以抵消該漂移電壓。下圖b。 a.放大器的Uos引起輸出變化AUos b.自動校零原理（并聯式）Uos+-AViVo=A(Vi+Uos)Uos+-AViVo=AVi+Uos+-+-K1K2K3+-C0A1+AosU第107頁/共122頁1oososAVUUA11oiososiosiosAAVA VUUAVUAVUAA第108頁/共122頁2 讀數誤差的自動校正技術 積分器的零點校正，不僅可以減小滿度誤差，也可減小讀數誤差中的轉換誤差。 讀數誤差中的非線性誤差，則還需要采取其他措施，主要有補償和校正兩種措施（參考有關文獻）。第109頁/共122頁