第3章 电压测量与电压表.docx

课题第3章电压测量与电压表课时分配：八课时教学目的要求：（1） 明确交流电压表的结构类型有检波-放大式、放大-检波式和外差式等多种，性能 最好的是外差式电压表，频宽范围大的是检波-放大式2） 明确测量交流电压时，一般利用检波器将交流电压变换为直流电压检波器分 为均值、峰值、有效值检波器三种模拟式交流电压表分为均值、峰值、有效值电压表三种 均值电压表的结构为放大一检波式，属于高频毫伏表峰值电压表的结构一般为检波一放大 式，但也可构成放大一检波式，属于超高频毫伏表3） 掌握A/D变换器分为积分式、比较式和复合式等类型，常用的是双积分式和逐 次比较式A/D变换器4） 掌握双积分式A/D变换器由积分器、电子开关、比较器、逻辑控制电路等组成， 分为准备、定时取样、定值比较三个工作过程，取样与比较是方向相反的两次积分它的工 作速度较低，但抗干扰能力强，测量准确度高、价格低廉5） 了解三次积分式A/D变换器是双积分式A/D变换器的改进型，与双积分式A/D变 换器的区别之处是改变双积分式A/D变换器的第二次积分（比较）为粗积分和精积分两次积 分它除了具有双积分式A/D变换器的优点外，其变换速度很快6） 明确逐次比较式A/D变换器主要由数码寄存器、D/A变换器等组成，它根据“大 者弃、小者留”的原则，将模拟量变换为数字量。

其变换精度高，速度快，但抗干扰能力差8）明确数字电压表分为双积分式、比较式和复合式DVM交流数字电压表也必须先 将交流输入变换为直流电压后进行测量教学重点：交流电压的表征，模拟式交流电压表的结构，检波器，正弦波有效值定度，电压测量， 数字电压表的组成、性能指标，A/D变换器教学难点：模拟式交流电压表的结构，检波器，正弦波有效值定度，数字电压表的组成、性能指标， A/D变换器的结构、原理教学方法：演讲法、实验法、问题教学法、设计教学法、小组研讨法、辩论法、座谈研讨、 多媒体辅佐教学等教学仪器：模拟式交流电压表,数字电压表等教学过程导入新课:电压测量是电子测量的基础，基本的电压测量仪器是电压表电压表、示波器、计数器 是电子测量三大仪器新课内容：3.1概述3.1.1电压测量的基本要求在实际测量中，被测电压具有频率范围宽、幅度差别大、波形种类多等特点，电压测量 应满足下列基本要求：1. 频率范围宽被测电压的频率范围自零赫兹到数百兆赫兹，大致分为直流、低频、视频、高频和超高 频等所用电压表必须具有足够宽的频率范围2. 量程宽被测电压的量值范围很宽，小到几纳伏，大到几百伏，甚至几千伏至几万伏测量之前， 应对被测电压有大概的估计，所用电压表应具有相当宽的量程或具有针对性。

测量小信号时 应选用高灵敏度电压表，测量高电压时应选用绝缘强度高的电压表来测量3. 输入阻抗高测量电压时，电压表等效为输入电阻％和输入电容q的并联，其输入阻抗 牌//^）是 被测电路的额外负载为了使被测电路的工作状态尽量少受影响，电压表应具有足够高的输 入阻抗，即％应尽量大、q应尽量小低频测量时，因为交流电压表的输入电阻、输入电容 一般为1MQ、1〜10pF，二者对被测电路的影响很小，故一般不考虑电压表输入阻抗对被测 电路的影响但在高频测量时，输入电阻％和输入电容q的容抗将变小，二者对被测电路 的影响变大，一般要考虑电压表输入阻抗的影响，当它的影响不可忽略时，应对测量结果进 行修正4. 抗干扰能力强测量工作一般是在受各种干扰的情况下进行的当电压表工作在高灵敏度时，干扰会 引入明显的测量误差，这就要求电压表具有较强的抗干扰能力必要时，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5. 测量精确度高直流电压的测量可获得较高的测量精确度，例如直流数字电压表一般可达10-4〜10-7 量级；交流电压表的测量精确度可达10-2〜10-4量级在测量精确度要求不高时，可选用测 量精确度在1%〜3%左右的电压表。

电压表精确度表示方法如下：（1）满度值的百分数±0%Um 具有线性刻度的模拟式电压表一般采用这种表示方法， 式中±乃％为满度相对误差，Um为电压表满刻度值2） 读数值的百分数土U 具有对数刻度的电压表一般采用这种表示方法，式中土xa %为读数相对误差，Ux为电压表测量读数值3） ±（a %Ux+^ %Um）数字电压表一般采用这种表示方法6）被测电压波形种类多不同类型电压表的适用对 象和使用方法是不同的，测量时，应根据电压表的类型和电压波形来确定被测电压的大小3.1.2交流电压的表征交流电压的表征量包括平均值、峰值、有效值U以及波形因数％、波峰因数Kp1. 平均值平均值简称为均值，是指波形中的直流成分，所以纯交流电压的平均值为零 为了更好地表征交流电压的大小，交流电压的平均值特指交流电压经过均值检波后波形的平 均值，它分为半波平均值和全波平均值如无特别说明，纯交流电压的平均值均为全波平均 值2. 峰值交流电压的峰值是指交流电压在一个周期内（或一段时间内）以零电平为参考基准的最 大瞬时值，记为U （或UP），分为正峰值（或UP+ ）和负峰值（或UP-）一般情况下，正峰值和负峰值并不相等，峰值与振幅值Um也不相等，这是因为振幅值 是以电压波形的直流成分为参考基准的最大瞬时值。

对于双极性对称的纯交流电压，数值上存在关系：u = U = u = U+ - m经常用到的交流电压表征量还有谷值和峰峰值UP-P，如图3.1所示，注意图中的平均值 是未经均值检波的波形平均值3. 有效值U 交流电压的大小通常是指它的有效值U，有效值又称为均方根值，是根据它的物理定义来确定的数学计算式为：—U = j Tu 2（t ）dt\T 04. 波形因数KFK _U K —交流电压的波形因数kf定义为交流电压的有效值U与平均值之比，即F U5.波峰因数KpK交流电压的波峰因数Kp定义为交流电压的峰值与有效值U之比，即P U不同波形的波形因数和波峰因数具有不同的定值，如表3-1所示图3.2所示为表3-1 所用的波形图3.1.3电子电压表的分类电子电压表简称为电压表，分为模拟式电压表和数字式电压表1. 模拟式电压表模拟式电压表即指针式电压表，它用磁电式直流电流表（俗称表头）作为指示器，有直 流电压表和交流电压表之分直流电压表是构成交流电压表的基础，用于测量直流电压交流电压表用来测量交流电压，测量时，首先利用交直流变换器将交流变成直流，再依 照测量直流电压的方法进行测量，其核心为交直流变换器AC/DC。

一般利用检波器来实现交 直流变换检波器按其响应特性分为均值、峰值和有效值检波器三种，交流电压表则相应地 分为均值电压表、峰值电压表和有效值电压表按照测量电压频率范围的不同，交流电压表还可分为超低频电压表（低于10Hz）、低频 电压表（低于1MHz）、视频电压表（低于30MHz）、高频或射频电压表（低于300MHz）和超 高频电压表（高于300MHz）为了满足不同测量对象的要求，模拟式交流电压表有放大一检波式、检波一放大式和外 差式等三种不同的结构形式1）检波一放大式电压表检波一放大式电压表如图3.3（a）所示这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于 检波器采用超高频检波二极管时，可使这种表的频率范围从几十赫兹至数百兆赫兹，甚至 可达1GHz，输入阻抗也比较大，一般称之为高频毫伏表或超高频毫伏表为了使测量灵敏 度不受直流放大器零点漂移等的影响，一般利用调制式（即斩波式）直流放大器放大检波后 的直流信号而且将检波器做成探头直接与被测电路连接，从而减小分布参数及外部干扰信 号的影响目前，高频毫伏表的灵敏度已由以前的约0.1V提高到了毫伏级如国产DA36 型超高频毫伏表即采用了调制式直流放大器，其频率范围为10kHz〜1000MHz；电压范围为 1mV〜10V； 3V量程，100kHz时的输入阻抗＞100kQ，50MHz时的输入阻抗〉50kQ。

2） 放大一检波式电压表放大一检波式电压表如图3.3（b）所示由于宽带放大器增益与带宽的矛盾（二者乘积 为常数），使放大一检波式电压表的频宽难以扩展，灵敏度也受到内部噪声和外部干扰的限 制其频率范围一般为20Hz〜10MHz，灵敏度达毫伏级，通常称之为视频毫伏表，多用在低 频、视频场合，如S401型视频毫伏表的频率范围为20Hz〜10MHz，电压测量范围为100p V〜 西，输入电阻31MQ，输入电容W20pF3） 外差式电压表外差式电压表又称为选频电压表或测量接收机，其组成框图如图3.4所示虽然也属于 放大一检波式，但因外差式电压表利用混频器，将输入信号变为固定中频信号后进行交流放 大，可以较好地解决交流放大器增益与带宽的矛盾，其灵敏度可以提高到微伏级其频带宽 度取决于本振频率范围，可从100kHz至数百兆赫兹，一般称之为高频微伏表如DW-1型高 频微伏表，最小量程为15MV，最大量程为15mV （加衰减器可扩展到1.5V），频率范围为 100kHz〜300MHz,分8个频段，基本误差为±3%2. 数字式电压表数字式电压表（DVM，Digital Voltmeter）是利用A/D （模/数）变换器将模拟量变换 成数字量，并以十进制数字形式显示被测电压值的一种电压测量仪器。

最基本的数字电压表是直流数字电压表直流数字电压表配上交直流变换器即构成交流 数字电压表如果在直流数字电压表的基础上，配上交流电压/直流电压（AC/DC ）变换器、 电流/直流电压（I/V）变换器和电阻/直流电压（R/V）变换器，就构成数字万用表直流数字电压表的核心是A/D变换器A/D变换器分为积分式、比较式和复合式三种类 型，直流数字电压表相应地分为积分式、比较式和复合式三种类型目前，应用比较广泛的 是双积分式DVM，其次是逐次比较式DVM随着科学技术的发展和对测量要求的提高，现在 已有复合式DVM和双积分式DVM的改进型一三次积分式DVM等多种类型的数字电压表供应市 场数字电压表由模拟电路、数字逻辑电路和显示电路三大部分组成，如图3.5所示图中 A/D变换器是数字电压表的核心，它将被测模拟电压变换成数字量，然后由数字逻辑电路进 行计数，并由显示电路显示出被测电压的数值°A/D变换器与数字逻辑电路、显示电路一起 构成数字电压表表头数字电压表还具有测量准确度高、分辨力强、测速快、输入阻抗高、过载能力强、抗干 扰能力强等优点由于微处理器的应用，目前高中档数字电压表已普遍具有数据存储、自检 等功能，并配有标准接口，可以方便构成自动测试系统。

而模拟式电压表具有结构简单，价 格低廉，频率范围宽等特点，并且还可以更直观地观测信号电压变化情况因此数字式电压 表还不能完全代替模拟式电压表3.2直流电流、直流电压的测量3.2.1直流电流的测量磁电式直流电流表（即表头）可以直接用来测量较小的直流电流，测量时应与被测电路 串联，而且允许通过的电流较小，如果电流过大，将损坏表头，通常用作检流计、微安表和 小量程毫安表为了扩大表头的电流量程，常采用与表头并联电阻的方法，此并联电阻称为分流电阻或 分流器，如图3.6（a）和图3.6（b）所示分别为开路式分流器和闭路式环形分流器改变分流 器阻值的大小可以改变电流表的量程，RP为电流表表头内阻在图3.6中，由于被测电流Ix的一部分被分流电阻*、R2、R3分流，而使流过表头的电 流IA仍然能够维持在额定范围内，这样就不会损坏表头，但因为表盘刻度是以被测电流的大小进行刻度的，所以能够直接测出被测电流的大小改变量程变换开关S的位置，接入。