第3章電流、電壓與功率測量3.1直流電流的測量3.2交流電流的測量3.3直流電壓的測量3.4交流電壓的測量3.5功率測量3.6數字萬用表的特點與技術原理

3.1直流電流的測量

3.1.1直流電流測量的原理與方法從原理上來講,直流電流測量是一種最基本的電子測量。它讓直流電流經過一種叫電流表的電磁裝置或電子裝置,在這些裝置上以指針的偏轉角度或數字的大小表示出被測電流量的大小。其過程如圖3.1所示。

圖3.1直流電流測量

可以用來測量直流電流的儀表有許多,最常用的有模擬直流電流表、模擬萬用表、數字多用表等。用電流表進行電流測量要注意兩個方面的問題。一方面,由于實際電路的外在條件會影響被測電流的大小,因此,為了保證足夠的精度,電流表的內阻必須足夠小。設電流表的內阻為r,在圖3.2(a)所示的測量電路中,原電路中電流I=E/R,而在圖3.2(b)所示的電路

中,電流改變為I'=E/(R+r),兩者的誤差為

僅當R?r時,ΔI才可以忽略不計。

圖3.2電流表內阻的影響

另一方面,實際電路一般是密合的整體,要測定其中某一支路中的電流,必須將其斷開,插入電流表,這是很不方便的,而且是很危險的,一旦搞錯極易造成電路中其他回路電流的不正常增加或減少,引起電子元件的意外損壞,或者造成測量儀表的損壞,這時可以采用間接測量法進行測量。間接測量法是通過測量被測電流所流過的電阻上產生的電壓,由公式I=U/R推算出電流的值。在有些工作時不能中斷的電路中,可以增設一個電阻,工作時只需檢測該電阻上的電壓,即可監測其電路中電流的情況,這樣的電阻稱為取樣電阻。取樣電阻阻值較小,一般為零點幾歐到幾十歐。

3.1.2模擬直流電流表的工作原理

直流電流表多數為磁電式儀表,磁電式儀表一般由可動線圈、游絲和永久磁鐵組成。線圈框架的轉軸上固定一個讀數指針,當線圈流過電流時,在磁場的作用下,可動線圈發生偏轉,帶動上面固定的讀數指針偏轉,偏轉的角度與通過可動線圈的電流大小成正比。模擬直流電流表具有無須電池驅動、顯示穩定等優點,同時亦存在非線性誤差大、容易損壞等缺點。

3.1.3數字萬用表測量直流電流的原理

數字萬用表是用電子技術來檢測直流電流的。通常在直流電流擋,對外電路來說,數字萬用表僅相當于一個取樣電阻RN

(不同的量程RN的值不同),測量時RN上有電壓信號Ui=IRN

,其測量原理如圖3.3所示。

圖3.3數字萬用表測量原理框圖

3.2交流電流的測量

3.2.1低頻交流電流的測量原理和方法對于工頻(50Hz)和低頻交流電流的測量,完全類似于直流電流的測量。其區別僅僅是將采樣信號先進行檢波,轉換為直流電壓再進行測量。以磁電式萬用表為例,其交流電流擋比直流電流擋增加了一個二極管整流和濾波電路。被測交流電流經過二極管被整流成單向脈動電流,再經過電容與電阻組成的低通濾波電路,最后成為近似的直流電壓,并加以適當修正后送給后續直流電壓測量機構進行測量與顯示。

與磁電式萬用表相比,數字萬用表可以測量頻率更高(頻率為幾千赫至幾十千赫)的交流電流,其交流電流測量電路比直流電流測量電路多一個如圖3.4所示的交、直流轉換電路。

圖3.4交、直流轉換電路

3.2.2高頻交流電流的測量原理和方法

高頻電流的測量(特別是在頻率特別高的情況下)可以采用熱電偶電表來實現。這種方法的理論依據是,在高頻電流流過的導體附近的閉合線路內有直流電流產生。因此,我們可以通過測量這種與高頻電流密切相關的直流電流的大小,間接地檢測出高頻電流的大小,具體原理如圖3.5所示。

圖3.5熱電偶電表原理

3.3直流電壓的測量

3.3.1直流電壓的測量原理與方法一般來說,直流電壓測量是將直流電壓表直接跨接在被測電壓的兩端,由直流電壓表讀出被測電壓的值。因此,電壓測量是一種最簡便的電參數測量,其過程如圖3.6所示。

圖3.6直流電壓測量

從原理上說,直流電壓測量是在直流電流測量的基礎上加以擴展而來的。我們已經知道,一般形式的直流電流表都可以等效為一個較小的內阻Rg和一個指示器的簡單形式。當其與適當的分壓電阻相配合時,即組成了直流電壓表,如圖3.7所示。

圖3.7基于直流表的直流電壓表構成框圖

因此,從本質上來說,直流電壓測量和直流電流測量的核心原理是相同的。區別在于:直流電流表具有較小的內阻,測量時直接串接于被測電路中;直流電壓表的內阻很大,測量時并接于被測電路的兩端。為了保證測量的準確度,要求直流電壓表的內阻要比被測電路的等效阻抗大得多。設被測電路可等效為內阻為Rx、開路電壓為Ux的電壓源,直流電壓表的等效內阻為R0,則測量的完整電路簡化為圖3.8所示的電路。圖3.8直流電壓表測量電路

由圖3.8可知,當直流電壓表并接于被測電路兩端時,由于R0的存在,電壓表所測得的電壓由原來的Ux

改變為

因此,只要R0

?Rx,即可進行精確的測量。

3.3.2直流電壓測量儀表

1.模擬式萬用表

模擬式萬用表的直流電壓擋是由表頭串聯分壓電阻而構成的。儀表一般都給出了輸入電阻的值。

在測量具有高內阻的電路時,要根據萬用表的內阻對測量結果加以修正。

在圖3.9所示的分壓電路中,使用MF500B型萬用表的100V擋進行測量,該儀表的靈敏度為10kΩ/V,可以推算出在100V擋的輸入電阻為100×10=1000kΩ=1MΩ,實際測得的電壓為

可見,實際測量值比理論值少了10V。

2.數字式萬用表

數字萬用表均有直流電壓測量擋。與模擬式萬用表相比,其主要優點是:

(1)輸入阻抗高,一般直流輸入阻抗在20MΩ以上。

(2)分辨力高,可精確到1%,即在10V擋,可分辨到0.1V,而指針式的模擬萬用表的分辨力為最小刻度間隔所代表的電壓值的一半,量程越大,其分辨力越低。

3.示波器

示波器的直流電壓擋特別適用于觀測較大幅度的直流電壓信號或含有交流成分的直流電壓信號。

4.電子電壓表

電子電壓表一般為數字式儀表,輸入端設有由場效應管電路組成的阻抗隔離電路和放大電路,因而具有較高的輸入阻抗和靈敏度,適用于在電子電路中測量高內阻電路的電壓。

3.4交流電壓的測量

3.4.1交流電壓的特征與量值表示1.交流電壓信號的特點交流電壓信號的幅度與時間的關系是復雜的。從波形來看,可以是規則的正弦波、方波、三角波、脈沖波等,也可以是調制波、組合波、隨機噪聲等;從頻率的角度來看,可以是極低頻率的信號,如0.01Hz的信號,也可以是極高頻率的信號,如高達數千吉赫茲的信號;從幅值的強度來看,可以是微伏級的,也可以是數千伏級的。

常見交流電壓的波形如圖3.10所示。圖3.10常見交流電壓的波形

2.交流電壓的表示量值

交流電壓幅度值的相對大小常用峰峰值、平均值和有效值來表示。

1)峰－峰值UP-P

峰－峰值表示信號的最大值與最小值的差。對于對稱的正弦信號來說,更常用的是峰值UP,其值等于UP-P/2。例如,U(t)=Acosωct,則有UP-P=2A,UP=A。

3.4.2交流電壓的測量原理與方法

1.測量方法

交流電壓測量與直流電壓測量相類似,都是將電壓表并聯于被測電路上,其電路連接如圖3.11所示。

圖3.11交流電壓的測量

2.測量原理

交流電壓的大小一般由峰值、平均值和有效值來表征。

1)交流電壓的模擬測量

用模擬電路的技術和方法測量交流電壓,最常用的轉換器有峰值檢波電路、平均值檢波電路和熱電偶式轉換電路,其工作原理如圖3.12(a)、(b)、(c)所示。

圖3.12測量原理

盡管模擬電壓表的檢波器或轉換器有不同的種類,但一般均以有效值來劃分指示表頭的刻度。這僅對正弦波形的電壓來說是正確的。以峰值電壓表為例,其顯示值是將峰值檢

波器檢測到的電壓值除以波峰因數KP得到的,若顯示讀數為α,則

例3.1用一峰值電壓表去測量一個方波電壓,讀數為10V,該方波電壓的有效值是多少?

2)交流電壓的數字化測量

現代的數字化電壓測量方法是對被測交流電壓信號進行抽樣,再對抽樣值進行求峰值、平均值和有效值的運算,得出所需的測量值。其特點是嚴格按定義測量特征值,沒有波形誤差和轉換誤差,其測量精度高,速度快。

3.4.3交流模擬電壓表

1.放大檢波式電壓表

放大檢波式電壓表的組成如圖3.13(a)所示,各個組成單元的基本特性如下所述。

1)阻抗變換器

阻抗變換器的作用是對外(輸入)呈現高阻抗,對內(輸出)呈現低阻抗,典型的電路如圖3.13(b)所示。

2)衰減器

衰減器的作用是在測量大信號時對輸入信號進行衰減以擴大測量量程。衰減器亦要求有寬帶的特性,在高頻時要考慮電路與元件的分布電容效應,采用復合阻容結構。典型的

衰減器如圖3.13(c)所示。

3)寬帶放大器

寬帶放大器一般選用寬帶線性集成放大器,如LM733,可工作在直流到50MHz的頻率范圍。

4)檢波器

常用的檢波器有峰值檢波器和倍壓檢波器,如圖3.13(d)所示。

圖3.13放大檢波式模擬電壓表原理框圖

2.檢波－放大式電壓表

檢波－放大式電壓表首先直接對被測電壓信號進行檢波,然后對轉化成的直流信號進行處理并顯示,具有結構簡單、輸入阻抗高、適用于高頻測量的特點,其頻率范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器。當采用了超高頻檢波二極管時,頻率范圍為幾十至幾百兆赫茲,稱為高頻或超高頻毫伏表。缺點是檢波二極管導通需要的起始測量信號較大,一般為幾十

毫伏,信號非線性誤差也較大。其工作原理如圖3.14所示。

圖3.14檢波放大式電壓表原理框圖

3.熱偶式電壓表

熱電偶不僅可以用于電流測量,還可以作為電壓測量的核心部件。我們知道,熱電的直流輸出僅與熱電偶接觸界面的溫差成正比。當我們把被測電壓作為加熱源,即熱電偶

的溫差由被測電壓產生時,通過檢測熱電偶的熱電勢,即構成了真有效值電壓表。這種電壓表可以測量直流至上百兆的交流信號。其缺點是靈敏度低(一般為上百伏),輸入阻抗低,受環境溫度影響大,具有非線性特性等。

4.外差式電壓表

由于頻響和靈敏度的限制,放大檢波式電壓表、檢波放大式電壓表和熱偶式電壓表均不可以用于高頻微伏級電壓檢測。這時可采用外差式電壓表,它的測量頻率可達幾百兆赫,靈敏度一般都是微伏級。其工作原理如圖3.15所示。

圖3.15外差式電壓表原理框圖

3.4.4交流數字電壓表

根據工作頻率的高低,交流數字電壓表可分為低頻、高頻和寬帶三種類型。

低頻數字電壓表一般是在直流數字電壓表的基礎上增加放大器和交、直流變換器而組成的,如圖3.16(a)所示。

高頻數字電壓表的一般組成如圖3.16(b)所示。它的檢波器探頭高頻特性較好。

寬帶數字電壓表的一般組成如圖3.16(c)所示。

圖3.16交流數字電壓表組成框圖

3.4.5交流電壓測量的其他應用

1.脈沖電壓測量

脈沖電壓的特點是幅度較大、持續時間短。一些占空比很小的脈沖,含有很高的頻率分量。對于一些采用交流放大、檢波直流放大流程的交流電壓表,不僅會對其動態范圍和頻率范圍提出更高的要求,而且由于檢波器的電容對窄脈沖的電壓信號不能很好保持,檢波效率大為下降。

2.噪聲電壓測量

在電子學領域,噪聲電壓是一種普遍存在的隨機信號。典型的有電阻的熱噪聲、晶體三極管的內部噪聲、電子放大器的輸出噪聲等。在設計電子電路時,免不了要對噪聲(特別

是高斯白噪聲)進行測量。噪聲的幅度與出現的時間是無序的。噪聲電壓一般是指有效值(均方值),故可選用具有有效值測量能力的交流電壓表進行測量。由于峰值檢波器不適合噪聲電壓,因此一般不用這類儀表去測量噪聲電壓。

3.選頻電壓測量

如何對混雜于眾多信號或噪聲中的某一頻率信號的電平進行測量,這便涉及選頻電壓測量。實現選頻電壓測量的儀表稱作選頻電平表。選頻電平表的原理框圖如圖3.17所示。

圖3.17選頻電平表原理框圖

輸入信號與本地產生的頻率可調的本振信號進行混頻,混頻后的信號通過中心頻率固定為f0的窄帶濾波器進行濾波,這樣,輸入信號中只有滿足fx

=fL-f0的頻率分量能夠通過此窄帶濾波器。窄帶濾波后信號的后續處理與普通的交流毫伏表一樣,經放大、檢波后送表頭進行電平指示,最終完成選頻電壓(電平)的測量,測量值以電平(dB)表示,即

式中:N為被測分量信號電平;Ux為被測分量信號電壓有效值;0.775為0dB對應的電壓有效值(0.775V)。

3.5功率測量

電功率測量的主要任務是測量單位時間內電能量的大小,在以下幾種場合必須加以考慮:(1)電力工程中電網的輸出功率和負載的消耗功率。(2)電子裝置和電子設備中直流電源的輸出功率和各個電路單元消耗的功率。(3)高頻無線電發射設施的發信功率,如廣播電視塔的發射功率直接影響到廣播電視信號的傳播質量。

3.5.1直流功率測量

3.5.2交流功率測量

交流功率通常是一個周期內的平均功率。當一個電路加上交流電壓以后,對于純電阻性的電路,總可以由本節中所介紹的方式測出其三個參數中的兩個,進而求出其功率。但對于存在電感或電容的電路,即非純阻性電路,此測量不具有適用性。因為在這種電路中,電感與電容不消耗任何功率,只是以電場或磁場的形式交替地存儲能量,表現在數學形式上是電壓與電流存在一定的相位差。對于純電感電路,電流滯后電壓90°,如圖3.18(a)所示;對于純電容電路,電流超前于電壓90°,如圖3.18(b)所示。

圖3.18U與I的相位關系

我們定義視在功率為PA=UI(單位為伏安),無功功率為PR=UIsinθ(單位為乏),有效平均功率為PT=UIcosθ(單位為瓦),cosθ稱為功率因數,當電路是純電阻時,cosθ=1,其變化范圍在0~1之間。而當電路是純電抗時,cosθ=0。視在功率、無功功率與有效平均功率的關系為

圖3.19為交直流功率表的工作原理及其與電路中單個負載的連接情況。

圖3.19功率測量原理

圖3.20中,兩個電壓線圈互相垂直安裝,其中一個與無感電阻相串聯,另一個與電感器相串聯,所以可以近似地認為兩線圈中的電流相位之差為90°。電流線圈是與電路相串聯的,與被測線路電流同相。

圖3.20功率因數測量原理

與功率測量密切相關的是電能量的測量。由功率測量的定義知

電能量一般用千瓦小時(kW·h)表示,1kW·h=3.6×106J。能指示消耗多少電能的測量電能量的儀表稱為電度表。電度表考慮了功率和時間兩個因素。它在原理上是一個小電動機,其瞬時速度與通過它的電流的功率成正比,在給定的時間里總轉數與在該時間內所消耗的總能量成正比。經典型電度表的內部結構如圖3.21所示。

圖3.21經典型電度表的結構

電能基本表達式如下:

式中,u(t)、i(t)、P(t)分別是瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率值,所以測量電能的基本方法是將電壓、電流相乘,然后在時間上進行積分,而這一積分可近似為眾多微小時間間隔內電能的累加。根據這一原理,可以得到數字式電度表的原理框圖如圖3.22所示。

圖3.22數字式電度表原理框圖

ADE7755的內部信號處理框圖如圖3.23所示。圖3.23ADE7755內部信號處理框圖

3.5.3高頻功率測量

在高頻信號的傳輸過程中,輸出功率的大小往往是衡量系統設施容量的最重要指標。

高頻功率測量與低頻功率測量有很大的不同。在實際測量中應特別注意負載匹配問題。以短波、超短波等無線電臺為例,其發信機的輸出天線是不允許開路的,因為一旦開路,將造成功率無法輸出,能量消耗在機器內部,極易造成功放部件的損壞。高頻功率的測量一般可用無感電阻和交流表頭,或高頻電壓表與理想負載構成測試單元,如圖3.24所示。

圖3.24高頻功率測量

考慮到高頻信號傳輸的反射原理,在較嚴格的場合中,要使用功率計/駐波表來測量高頻信號功率。而更一般的高頻功率計都采用量熱式原理,即測量該信號能產生多大的熱量,再核算出相應的高頻功率。例如,在檢測一個400W單邊帶無線電臺發信機的功率時,即可用4個100W燈泡作為簡易功率計,測量方法如圖3.25所示。

圖3.25400W短波電臺簡易功率測試

3.5.4功率測量與電壓測量的電平表示

常用的功率電平可分為絕對電平和相對電平兩種。

(1)絕對功率電平LP。以600Ω電阻上消耗1mW的功率作為基準功率,任意功率與之相比的對數稱為絕對功率電平,其值為

式中,Px

為任意功率,P0為基準功率。

(2)相對功率電平L'P。任意兩功率之比的對數稱為相對功率電平,即

式中,PA、PB為任意兩功率。

例3.2用MF20電子多用表的30V量程測量電壓,當該量程的讀數為27.5V時,問該電壓信號對應的分貝值是多少?

解因為MF－20多用表將1.5V量程刻度線上的0.775V定義為0dB,30V量程是1.5V的20倍擴展,27.5V示值位置對應在1.5V量程上的讀數為1.38V,所以有

3.6數字萬用表的特點與技術原理

3.6.1數字萬用表的特點數字萬用表具有以下特點:(1)功能多。(2)指標高。數字萬用表的直流電壓測量技術指標有如下特色:①輸入范圍大。②準確度高。③分辨率高。④輸入阻抗高。⑤顯示位數多。⑥讀數速率快。(3)用途廣。

3.6.2數字萬用表的主要技術指標

數字萬用表最主要的技術指標有:

(1)顯示位數。

(2)分辨率。

(3)測量速率。

(4)輸入特性。

(5)抗干擾能力。

3.6.3數字萬用表的組成

模擬萬用表一般是通過電流驅動機械表頭顯示測量結果的,所以其主要測量均以電流表為基礎。而現代數字萬用表采用了數字化技術,以液晶顯示屏顯示測量結果,它的主要測量是以電壓測量為基礎的。數字萬用表的組成框圖如圖3.26所示。

圖3.26數字萬用表組成框圖

3.6.4數字萬用表的技術原理與要求

1.輸入電路技術原理

數字萬用表一般通過一對紅黑表筆引入外部輸入信號,對于二端元件的測量也是通過表筆輸入的。對于晶體管這樣的三端元件,一般由獨立的測試座輸入。針對輸入信號幅值

的不同,輸入單元電路設有不同的衰減器,當測量的量值超出范圍時,系統能給出溢出提示,部分數字萬用表設有語音提示功能,會及時給出操作有誤的信息。對于超出正常范圍的大信號的測量(如測量10A的直流電流),儀表一般設有獨立的輸入端口。對于元件參數的測量,輸入單元能夠提供元件工作時必需的直流電壓和激勵信號。

2.顯示單元技術原理

絕大多數數字萬用表選用液晶顯示屏作為顯示終端。液晶屏由許多個由液晶材料構成的顯像單元(像素)組成,典型的如筆段式,8×2、16×1字符型,122×32、128×240點陣式等。

從物理機制上來看,當加在單個像素上的電壓為高電平(3.5V)時,顯示為亮;反之,當加在像素上的電壓為低電平(0V)時,顯示為暗。因此,液晶屏能夠方便地顯示數據或黑白二值圖像。對于多值圖像,即有灰度等級的圖像,示波管是通過加在其陰極射線上電壓的強弱不同來實現的。而液晶顯示器可以通過在一段時間里對應像素的高電平出現的次數多寡(占空比)來實現對明暗不同的控制。作為一種功耗極低的平板顯示器件,液晶顯示模塊都有由集成電路實現的掃描模塊,使用極為方便、靈活,幾乎成了數字萬用表的必然選擇。

3.控制處理單元技術原理

微處理器特別是單片計算機在數字萬用表中構成控制器和處理器,管理測量操作過程和處理測量結果。此外,在一定程度上可以以軟件功能代替或簡化硬件功能,如自動量程轉換、自動誤差校正、抑制干擾等。MPU的使用在很大程度上降低了系統成本,提高了儀表的智能化程度和操作的便利性。

4.轉換電路技術原理

數字萬用表的轉換電路包括兩類:

一類是基本轉換電路,其負責將模擬狀態的直流電量轉換為數字量;

另一類是測試轉換電路,其負責將被測的物理量轉換為儀器可以處理的直流電量。

1)基本轉換電路原理

數字萬用表是基于電壓測量的數字式電表,其基本轉換電路是將模擬電壓信號轉換為數字電壓信號的模/數(A/D)轉換器。

(1)雙斜式A/D轉換器的工作原理。

雙斜式A/D轉換器是一種應用較早且目前仍被廣泛應用的A/D轉換器,其原理如圖3.27所示。

圖3.27雙斜式A/D轉換器原理電路

雙斜式A/D轉換器的工作過程如圖3.28所示,可以分為采樣期和比較期兩個階段。

①采樣期。

②比較期。

圖3.28雙斜式A/D轉換器的工作過程