第5章电压的测量

第五章电压的测量

电压是最常用的表征电信号能量大小的基本参数。

电路中电流的状态可用电压形式来描述；电参数也可视为电压的派生量；许多电子测量仪器都用电压量作指示。因此，电压测量是其他许多电参数量，也包括非电参数量测量的基础，是相当重要和相当普及的一种参数测量。

电压主要具有以下几个特征：

①量值的范围宽

②波形的多样化

③频率各不相同

④不同端点的输出阻抗不同

⑤电压成分多样化

一个交流电压的大小，可用平均值、峰值和有效值等多种方式来表示。

①峰值的基本概念

交流电压的峰值，是指交流电压u (t) 在一个周期内（或一段观察时间内）电压所达到的最大值。用ù（或Up）表示。

②平均值的基本概念

对于一个纯粹的交流电压，正半周和负半周完全相同中，ū 等于零。此时，无法用平均值来表征电压的大小。交流电压的测量中，交流电压的平均值是指经过测量仪器的检波器后的全波平均值。

③有效值的基本概念

交流电压的有效值是指均方根值（rms)，用U或Urms表示。

它的物理意义为：在交流电压的一个周期，这个交流电压在某电阻负载中所产生的热能如果与一个直流电压在同样的电阻负载中产生的热能相等时，这个相当的直流电压值就是该交流电压的有效值。各类交流电压表的示值，除特殊情况外，都是用正弦有效值来度的。

①波形因数KF；电压的有效值与平均值之比称为波形因数KF。

②波峰因数KP；交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数KP。

①模拟式电压表

一般是指“指针式电压表”，它把被测电压加到磁电式电流表，转换成指针偏转角度α的大小来度量。包括模拟万用表和电子电压表。另一种模拟测量是把被测量电压变换成图形高度来测量的仪表，如示波器等。

②数字式电压表

指把被测电压的数值通过数字技术，变换成数字量，然后用数码管以十进制数字显示被测量电压值。

模拟式交流电压表使用时应注意：

（1）交流电压灵敏度低于直流电压灵敏度，所以测量交流电压的误差大于测量直流电压的误差。

（2）表盘上表针的偏转角度近似于交流电压的半波（或全波）整流电压平均值，但表盘上刻度是按正弦有效值刻度的。

（3）模拟万用表测量交流电压的频率范围在45Hz－100Hz。

（4）一般在交流电压低量程档刻度是非线性的，因此，交流电压10V档单独刻度。

电子电压表在万用表的基础上加上放大环节，把微弱的被测电压加以放大，然后再利用磁电式表头进行测量的仪表。电子电压表一般由分压器、磁电式指示表头、检波器、放大器和整机电源等五部分组成。按检波器在放大器之前或之后，电子电压表有两种组成形式，即放大-检波式和检波-放大式。

①放大-检波式

放大-检波式的通频带一般为2Hz~10MHz，测量的最小幅值为几百微伏或几毫伏，因此一般称为低频毫伏表。

②检波-放大式

这种方案的主要特点是被测信号先检波后放大，其带宽可很宽，上限频率可达1000 MHz，故有超高

频毫伏表之称。

（1）工作频率范围

指电子电压表按规定的准确度进行测量的的电压范围。

（2）灵敏度和量程

量程是指电子电压表可以测量的电压范围；灵敏度则是指量程的下限。

（3）准确度和工作误差

电子电压表的准确度通常由基本误差、频率附加误差、温度附加误差等系统误差来表征。

（4）输入阻抗

指输入电阻R i和输入电容C i的并联值。

3. 有效值-直流变换电路

有效值—直流变换电路有分段逼近式检波器、热电偶式变换电路和模拟计算式变换电路。

（1）分段逼近式检波器

采用二极管的链式电路，适当选择直流电源和分压电阻值，使二极管轮流导通，获得近似平方律的伏安特性。

（2）热电偶式变换电路

有效值—直流变换电路是根据热电变换原理来完成交流电压有效值到直流电流之间变换的。

（3）模拟计算变换式

电子电压表中的放大器特点是：输入阻抗高、频带宽、动态范围大、线性好。

（1）输入阻抗高，可达数兆欧姆，工作频率宽，高频可达数百MHz以上，低频小于10KHz。

（2）读数按正弦有效值刻度，只有测量正弦电压时，其有效值才是被测波形得真正有效值。测量非正弦电压时，其有效值必须通过波形换算获得。

（3）波形误差大。

（4）输入阻抗高，可达数兆欧姆，工作频率宽，高频可达数百MHz以上，低频小于10KHz。

（5）读数按正弦有效值刻度，只有测量正弦电压时，其有效值才是被测波形得真正有效值。测量非正弦电压时，其有效值必须通过波形换算获得。

（6）波形误差大。

（7）读数刻度不均匀，因为它是在小信号时进行检波。

（8）均值检波器的输入阻抗低，必须采用过阻抗变换来提高电压表的输入阻抗。工作频率一般为20Hz～1MHz。

（9）读数是按正弦波有效值刻度，只有测量正弦电压时，读数才正确，若测量非正弦电压，也要进行波形换算。

（10）波形误差相对不大。

（11）因为是对大信号进行检波，读数刻度均匀。

（12）读数是按正弦电压有效值刻度，测量正弦波或非正弦电压的有效值，可直接从表上读数，无需换算。

（13）输入阻抗高，工作频率在峰值与均值电压表之间。高频可达几十MHz ，低频小于50Hz 。

数字式电压表（DVM）利用模拟—数字（A/D）转换器，将模拟的被测电压量转换成数字量，然后利用十进制数字显示方式显示被测量数值。数字多用表（DMM）的框图5.13所示。测量范围包括显示的位数、量程的范围和是否具有超量程能力等。

（1）显示位数

位数是指能显示0~9共十个完整数码的显示器的位数。其中1/2位，指的是最高位只能取“1”或“0”，不能将0~9十个数码全部显示的位。

（2）量程的范围

DVM的量程范围包括基本量程和扩展量程。基本量程是测量误差最小的量程，它不经过衰减和放大器；扩展量程是采用输入衰减器和放大器来完成的，它的测量精度比基本量程的测量精度降低。

（3）超量程能力

1/2位和基本量程结合起来，说明DVM是否具有超量程能力。

分辨率是指DVM能够显示的被测电压的最小变化值，即显示器末位跳动一个数字所需的电压值。在不同的量程上DVM的分辨率是不同的，在最小量程上，DVM具有最高分辨率。

测量速率是指每秒钟对被测电压的测量次数，或一次测量全过程所需的时间。

输入特性包括输入阻抗和零电流两个指标。

直流测量时，DVM输入阻抗用R i表示。量程不同，R i也有差别，一般在10MΩ~1000MΩ之间。

交流测量时，DVM输入阻抗用R i和输入电容 C i的并联值表示，一般 C i在几十至几百皮法之间采用共模抑制比和串模抑制比来表示DVM的抗干扰能力。一般共模干扰抑制比为（80~150）dB；串模抑制比为（50~90）dB。在DVM中抑制串模干扰的措施有两种，一是在DVM的输入端设置滤波器；二是从A/D转换原理上采用双积分电路可消除干扰。在DVM中抑制共模干扰主要采用输出端浮置的办法。DVM的固有测量误差主要是读数误差和满度误差，通常用测量的绝对误差表示。

①电路组成框图

如图5.15所示，逐次逼近比较式A/D转换器由电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器（SAR）、逻辑控制电路和输出缓冲器等部分组成。

②工作原理

逐次逼近比较式A/D变换是属于直接式A/D变换。其基本原理是用被测电压和一个可变的已知的电压（基准电压）进行比较，直至比较结果相等。达到测出被测电压值的目的。

③工作特点

（1）测量速度快。

（2）测量精度取决于标准电阻和基准电压源的精度，还与D/A转换器的位数有关。

（3）由于测量值对应于瞬时值，而不是平均值，所以抗串模干扰能力差。

V-T变换原理是用积分器将被测电压转换为时间间隔，然后用电子计数器在此间隔内累计脉冲数，数字显示测量结果，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。

①电路模型

电路模型如图5.16所示，双积分器的电路模型实际上是一个线性的积分器，它利用电容和运算放大器获得线性的充放电电压。

②工作原理

在一个测量周期内，借助于积分器的两次积分过程，获得与积分电压成比例的时间间隔。如图5.17所示，首先将被测电压U x加到积分器的输入端，在确定的时间第一次积分，对U x定时积分，定时时间为t1~t2段，记为T1，积分输出

③双积分型A/D转换器的原理框图，如图5.18所示，包括积分器、比较器、计数器、逻辑控制和时钟信号源等几部分。

④工作特点

（1）通过两次积分将U x 转换成与之成正比的时间间隔，为V－T变换式。

（2）N1、U ref均为常量，电路参数R、C、T0没有出现在式中，测量精度与R、C、T0无关。

（3）积分器时间常数较大，具有对U x 的滤波作用，消除了U x中的干扰，故双积分式A/D转换器具有较强的抗干扰能力。

（4）由于积分过程是个缓慢过程，降低了测量速度。特别是为了抑制工频干扰，常选积分周期为工频的整数倍，因而测量速度很低。

模拟式万用表的直流电压档由表头串联分压电阻组成，其输入电阻一般不太大，而且各量程档的内阻不同，同一块表，量程越大内阻越大。在用模拟式万用表测量直流电压时，一定要注意表的内阻对被测电路的影响，否则将可能产生较大的测量误差。为了减小由于模拟式万用表内阻不够大而引起的测量误差，可用如图5.20所示的零示法。交流电压表测量时将交流电压经过检波器转换成直流电压后再进行测量。

①模拟式万用表测量交流电压

模拟式万用表测量交流电压的频率范围较小，一般只能测量频率在1kHz以下的交流电压。但由于模拟式万用表的公共端与外壳绝缘胶木无关，即与被测电路无共同机壳接地，因此，可以用它直接测量两点

之间的交流电压。

②示波器测量交流电压

用示波器法测量交流电压与电压表法相比具有如下优点：

（1）速度快。

（2）能测量各种波形的电压。

（3）能测量瞬时电压。

（4）能同时测量直流电压和交流电压。

电平是指两功率或电压之比的对数，有时也表示两电流之比的对数，单位为贝尔（Bel）。在实际应用时，常用贝尔的十分之一作为单位，称为分贝，用dB表示。常用的电平有功率电平和电压电平两类，它们各自又可分为绝对电平和相对电平两种。

①绝对功率电平LP

以600Ω电阻上消耗1mW的功率作为基准功率，任意功率与之相比的对数称为绝对功率电平。

②相对功率电平

任意两功率之比的对数称为相对功率电平

③相对功率电平与绝对功率电平之间的关系，相对功率电平是两绝对功率电平的电平之差。

④绝对电压电平LU

当600Ω电阻上消耗1mW的功率时，600Ω电阻两端的电位差为0.775V，此电位差称为

基准电压。任意两点电压与基准电压之比的对数称为该电压的绝对电压电平。

⑤相对电压电平

任意两电压之比的对数称为相对电压电平。

⑥绝对电压电平与相对电压电平的关系

⑦绝对电压电平与绝对功率电平的关系

由上式可见，当Rx=600时，电阻Rx上的绝对功率电平等于它的绝对电压电平，而当Rx≠600时，电阻RX上的绝对功率电平是不等于它的绝对电压电平的。

电平量程的扩大实质上也是电压量程的扩大，电压量程扩大N倍时，电平增加20lgN。取零刻度的基准阻为Z0 =600Ω，即0dB刻度相当于阻抗两端电压等于0.775V。当U x>0.775V时，测量所得dB 值为正；当U x<0.775V时，测量所得dB 值为负。线性失真又称为频率失真，是由于器件内部电抗效应和外部电抗元件的存在，使得电路对同一信号中不用的频率分量的传输系数不同或相位移不同而引起的。线性失真一般采用频率特性来描述。

非线性失真是由于器件的非线性引起的。两种失真的区别在于非线性失真使得电路的输出信号中产生了不同于输入信号的新的频率成分；线性失真则不会产生新的频率成分。非线性失真一般用非线性失真系数来描述。非线性失真系数，也称为失真度，可以衡量非线性失真的大小。定义为

①连接图

如图5.21所示。

②失真度测量仪的组成框图

一个简单的失真度测试仪如图5.22所示。失真度测试仪由输入电路、带阻滤波器和电压表组成。

用失真度测量仪测量非线性失真系数时应注意以下几点：

①测量时，应最大限度地滤出基波成分。因此要反复调节带阻滤波电路中的调谐、微调和相位旋钮。

②测量电路的非线性失真系数时，应在被测电路的通频带范围内选择多个频率测试点进行多次测试；选择的测试点除了应包括上、下截止频率外，还应在中间频率段选择几个测试点，然后逐一进行非线性失真系数的测试，最后取其中最大的一个非线性失真系数值作为被测电路的非线性失真系数。

③如果测试用信号源输出信号的非线性失真系数不可忽略，则被测电路的实际非线性失真系数可近似等于被测电路输出信号的非线性失真系数减去其输入信号的非线性失真系数。

④测量时，可用示波器进行监视，可以判断有无失真和有无干扰信号存在。

对于一个放大器，如将其输入端短路，即在输入信号为零时，我们仍能从输出端测得交流电压，这就是噪声电压。噪声电压的测量方法主要有电压表法和示波器法。

1．用交流电压表测量噪声电压

由于噪声电压一般指有效值（均方值），因此可直接采用有效值电压表测量噪声电压的有效值的。

2．用示波器测量噪声电压

示波器的频带宽度很宽时，可以用来测量噪声电压，使用极其方便，尤其适合于测量噪声电压的峰-峰值。