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第 3 章 模拟测量方法. 第 3 章 模拟测量方法. 学习辅导 内容. 从信号的特征讲，分为模拟信号和数字信号。 模拟信号是其幅度随时间作连续变化的信号。 无论是何种电参数，只要他属于模拟范畴，就要采用模拟测量方法进行测量。或者不完全属于模拟量，只要采取某种技术措施和手段将其变换成模拟量，就可以采用模拟测量方法进行测量。前提是在变换过程中尽可能减小误差，即使产生误差也不能降低测量精度。模拟测量有多种多样，不管使用何种模拟测量方法进行测量，被测量必须是模拟信号。. 一、本章需要掌握的内容.
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第3章 模拟测量方法 学习辅导内容 从信号的特征讲，分为模拟信号和数字信号。模拟信号是其幅度随时间作连续变化的信号。无论是何种电参数，只要他属于模拟范畴，就要采用模拟测量方法进行测量。或者不完全属于模拟量，只要采取某种技术措施和手段将其变换成模拟量，就可以采用模拟测量方法进行测量。前提是在变换过程中尽可能减小误差，即使产生误差也不能降低测量精度。模拟测量有多种多样，不管使用何种模拟测量方法进行测量，被测量必须是模拟信号。
一、本章需要掌握的内容 1．完成测量模拟电压有三种检波器，即平均值检波器、有效值检波器和峰值检波器。要求能熟练的分析其工作原理和特点。 2．能画出三种检波器的电路原理图，并说明每个元器件的作用。 图3.2－5 图3.2－12 图3.2－19 3．结合图3.2－7、3.2－16、3.2－20能详细地分析平均值电压表，有效值电压表及峰值电压表的工作原理，说明每一个元器件的作用，并能描绘出工作过程的波形。 图3.2－7 图3.2－16 图3.2－20
4．分析脉冲电压测量工作原理，注意事项 5．分析噪声电压，器件和放大器噪声的测量工作原理。 6．理解分贝、失真度的概念，分析分贝值、失真度的测量原理。 7．熟练阐述功率，Q值的测量原理。
二、重点与难点 重点： 1．理解波形系数KF，波峰系数KP的定义与作用。 2．单片集成电路有效值检波器AD536A的内部结构和功能。 3．对三种检波器的误差能进行全面系统的分析和了解。 4．各种陷波器的工作原理及应用。 难点： 1．能利用各种波形的波形系数KF与波峰系数KP换算出各种波形的平均值，有效值和峰值。 2．能详细分析和叙述阻抗测量电路的工作原理，并说明每一个元器件的作用。 图3.7－5
电压测量的重要性 • ◆ 电压测量是电测量与非电测量的基础； • ◆ 电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量： • 表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率 电参量的基础：U=IRI=U/RR=U/IP=IU=U2/R=I2R • 其中：电流、功率→电压，再进行测量 • 电路工作状态： • 饱和与截止，线性度、失真度→电压表征 • ◆非电测量中，物理量——〉电压信号，再进行测量 • 如：温度、压力、振动、（加）速度 因此，电压测量是其它许多电参量、非电参数测量的基础。
3.1 电压测量概述 1.电压测量的基本要求 （1）频率范围广：零频（直流）～109Hz 低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。 （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）应有足够高的测量准确度(10-1至10-9) 电压表精确度表示方法： a）满度值的百分数±β%Um：具有线性刻度模拟式电压表采用，±β%为满度相对误差，Um为电压表满刻度值。 b）读数值的百分数±α%Ux：具有对数刻度电压表采用，±α%为读数相对误差，Ux为电压表测量读数值。 c）±(α%Ux+β%Um)：数字电压表采用。
（4）应有足够高的输入阻抗 • 在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。 • 直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。 • 如：采用电压表与电流表测量电阻， • 当测量小电阻时，应采用电压表并联方案； • 当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。 • 交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。 • 电压表等效为Ri//Ci，是被测电路的额外负载。 • 为使被测电路工作状态少受影响，应具有高输入阻抗，即Ri尽量大、Ci尽量小。 （5）应有足够高的抗干扰能力 应采取一些抗干扰措施，如良好接地、使用短的测试线、进行屏蔽等，以减小干扰的影响。
模拟表——驾驶台仪表多，一目了然；高频电压表 各有千秋 数字表——精度高，输入阻抗高，便于与计算机联接 2.电压测量仪器的分类 (1)模拟式电压表 指针式电压表：用磁电式电流表作为指示器 模拟示波器： 刻度比较 (2)数字式电压表 经A/D将模拟信号转换为数字信号
3.2 交流电压的测量 3.2.1 交流电压的表征 峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。 1.峰值UP • 以零电平为参考的最大电压幅值（用Up表示 ）。 • 注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）。
2.平均值 • 数学上定义为： 相当于交流电压u(t)的直流分量。 • 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）： • 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T
(b)半波整流 图3.2.2 半波和全波整流 (c)全波整流
3．有效值 某一交流电压的有效值等于直流电压的数值U，当该交流电压和 数值为U的直流电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产生的热量相等。则数学式可表示为 (3.2.2) 式(3.2.2)实质上即数学上的均方根定义，因此电压有效值有时也写作Urms。 • 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T
4．波形因数、波峰因数 交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分别用波形因数(或称波形系数)及波峰因数(或称波峰系数)表示。 波形因数KF，定义为该电压的有效值与平均值之比 (3.2.3) 波峰因数Kp ，定义为该电压的峰值与有效值之比 (3.2.4)
波峰因数和波形因数 • 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T • 波形因数定义：有效值与平均值的比值，用KF表示， • 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T
3.2.2 交流电压的测量方法 测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同。其中最主要的是利用交流／直流(AC／DC)转换电路将交流电压转换成直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。 根据AC／DC转换器的类型，可分成检波法和热电转换法。根据检波特性的不同，检波法又可分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等。
模拟电压表组成方案 检波器是实现交流电压测量（AC-DC变换）的核心部件，同时，为了测量小信号电压，放大器也是电压表中不可缺少的部件，因此，组成方案有两种类型： 一种是先检波后放大，称为检波-放大式； 一种是先放大后检波，称为放大-检波式。 模拟电压表的两个重要指标：带宽和灵敏度(分辨力)。
2．模拟交流电压表的主要类型 1）检波-放大式电压表 • a. 组成框图；b.提高灵敏度措施 • 检波器 • 决定电压表的频率范围、输入阻抗和分辨力。 • 峰值电压表常用这种类型。
检波器 • 为提高频率范围，采用超高频二极管检波，其频率范围可从直流到几百兆赫，并具有较高的输入阻抗。 • 检波二极管的正向压降限制了其测量小信号电压的能力（即灵敏度限制），同时，检波二极管的反向击穿电压对电压测量的上限有所限制。 • 为减小高频信号在传输过程中的损失，通常将峰值检波器直接设计在探头中。 • 放大器 • 采用桥式直流放大器，它具有较高的增益。 • 直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。
放大器 • 为提高灵敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斩波稳零式直流放大器，其灵敏度可达几十微伏。 • ——称之为“调制式电压表” ，如国产HFJ-8型高频毫伏表，最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。 • 主要指标： • 检波-放大式电压表常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表” 。如国产DA36型超高频毫伏表，频率范围为10kHz～1000MHz，电压范围(不加分压器)1mV～10V。 • 国产HFJ-8型高频毫伏表（调制式），最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。
2）放大-检波式电压表 • 组成框图 • 先放大再检波，因此灵敏度很高。 • 均值电压表常用这种方式。 • 放大器 • 宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为10MHz。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表” 。 • 灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制。
有效值的物理定义----热电偶式 原理 有效值的数学定义----计算式 R 真空管 铁 I u(t) E 热电偶 μA 康铜 3. 有效值电压表 以上均值表、峰值表测的不是有效值，只是按有效值读数， 故实为伪有效值。 而有效值电压表，直接获得有效值，是真有效值表。 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=kU2 电势正比输入功率， 可作微波功率计。 如何直接测电压？
图中，直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系：图中，直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系： • 电流I∝热电动势∝热端与冷端的温差，而热端温度∝u(t)功率∝u(t)的有效值V的平方，故， • 热电偶有效值检波原理图
典型产品：DA30型，频率范围10Hz~10MHz，量程范围典型产品：DA30型，频率范围10Hz~10MHz，量程范围 1mV~300V
∫ √ 2)计算式 硬件实现------有专用IC，如AD637 软件实现------用计算机完成运算
4.外差式电压表 • 检波二极管的非线性，限制了检波—放大式电压表的灵敏度，因此虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般仅达到mV级。 • 而对于放大—检波式电压表，由于受到放大器增益与带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围却较窄，一般在10MHz以下。 • 同时两种方式测量电压时，都会由于干扰和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。外差式电压测量法在相当大的程度上解决了上述矛盾。
外差式选频电平表通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现高灵敏度。外差式选频电平表通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现高灵敏度。 ——很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。
3.2.3 平均值电压的测量 1.平均值检波器的工作原理 2.波形换算方法 当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上取得的示值先除以定度系数，折算成正弦波电压（取绝对值）的平均值；再按平均值相等示值也相等的原则，用波形系数换算出被测的非正弦波电压有效值
平均值电压表原理、刻度特性 • 原理 • 均值响应，即：u(t) 放大均值检波驱动表头 • 刻度特性 • 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α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α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α换算出均值和有效值。
刻度特性 • 由读数α换算出均值和有效值的换算步骤如下： • 第一步，把读数α想象为有效值等于α的纯正弦波输入时的读数，即 • 第二步，由 计算该纯正弦波均值 • 第三步，假设均值等于 的被测波形（任意波）输入 ，即 • 注：“对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等” 。 • 第四步，由 ，再根据该波形的波形因数（查表可得），其有效值
平均值电压表原理、刻度特性和误差分析 • 刻度特性 • 上述过程可统一推导如下： • 上式表明，对任意波形，欲从均值电压表读数α得到有效值，需将α乘以因子k。（若式中的任意波为正弦波，则k=1，读数α即为正弦波的有效值）。
平均值电压表原理、刻度特性和误差分析 • 刻度特性 • 综上所述，对于任意波形而言，均值电压表的读数α没有直接意义，由读数α到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下： • 式中，α为均值电压表读数，KF为波形因数。 • 波形误差。若将读数α直接作为有效值，产生的误差
例3.2.1用平均值表（全波式）分别测量方波及三角波例3.2.1用平均值表（全波式）分别测量方波及三角波 电压，电压表均指在10V位置，问被测电压的有效值分 别是多少？ 对于方波，先将示值（10V）折算成正弦波的平均值 再用波形系数换算成有效值。 对于三角波，因示值与方波相同，表明它的平均值 也是9V,有效值
仍以上面例中的三角波和方波为例，如果直接将电压表示值Ua＝10V作为其有效值，可以得到波形误差分别为仍以上面例中的三角波和方波为例，如果直接将电压表示值Ua＝10V作为其有效值，可以得到波形误差分别为 三角波： 方波：
3.2.4 有效值电压的测量 1.有效值电压表原理 真空或半导体二极管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律关系，如图3.2.8所示。图中E0为偏置电压，当信号电压ux较小时，有 图3.2.8 平方律特性的获得
式中k是与二极管特性有关的系数(称为检波系数).由于电容C的积分(滤波)作用，流过微安表的电流正比于i的平均值 等于 (3.2-13) (3.2-14) (3.2-14) (3.2-14) (3.2-14) 从而实现了有效值转换。
另一种有效值转换的方法是利用热电偶来实现的。另一种有效值转换的方法是利用热电偶来实现的。
热电偶式有效值电压表原理框图 表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别称为测量热电偶和平衡热电偶，如下图。 Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2)
上图中，通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。上图中，通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。 • 测量热偶的热电动势Ex∝V2，令Ex=k1V2； • 平衡热偶的热电动势Ef∝Vo2，及Ef =k2Vo2； • 假如两对热偶具有相同特性，即k1=k2=k ，==〉 • 则差分放大器输入电压Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2) ， • 若放大器增益足够大，则有Vi=0，==〉 • Vo=V（即输出电压等于u(t)有效值） • 有效值电压表的特点 • 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）。
