第3章电压的测量

α为峰值电压表的示值，Up为被测电压的峰值，K为定度系数。
对于正弦波，U=α =K Up，于是可得
将K代入α=KUp，可得
K U 1 2 U p Kp 2

UP
2
K 2/2
结论公式为 UP 2
3.2 模拟式交流电压表
例2：用峰值电压表分别测量正弦波、三角波和方波电 压，电压表示值均为10V，问三种波形被测信号的峰 值和有效值各为多少？
●宽频电平表刻度特性及dB值的读出。 电压电平测量：表头标定时选择输入阻抗600Ω，则对应的0dB电压为
0.775V（有效值）。通常0dB约在表头指针满刻度的2/3左右，0dB的左边为dB（<0.775V）, 0dB的右边为+dB（>0.775V）。 ●表头读数只能表示输入无衰减且交流放大器增益为1时被测电压的分贝值。 ●当引入衰减和放大后，
由此可见，不同信号的平均值有可能相同，数学平均值定义 不能唯一说明信号的特征。
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）。
3.1 概述
1）全波平均值
2）半波平均值 正半波平均值：
U 1
T
u(t) dt
T0
U 1
T
u(t)dt,u(t) 0
3.1 概述
一、电压测量的意义、特点
1. 重要性 电压测量是电测量与非电测量的基础：
1）电测量中，电量的测量转换为电压测量 2）电路工作状态 3）非电测量中
2.电压测量的特点（对电压测量仪器的要求） (1)频率范围广 零频（直流）～109Hz；低频：1MHz以下；高频：1MHz以上。
3.1 概述
则功率电平： Px[dBm ] 10 lg Px[mW ]
当Px=P0=1mW为0dBm时，若Px>1mW，分贝值为正，若Px<1mW，分贝值为负。
3.2 模拟式交流电压表
电压电平：以600Ω电阻上吸收P0=1mW的基准功率时电压的有效值为参考基
准量V0。 由于
0.7752 1mW
600
电路平衡时
图5.17 热偶式有效值电压表
Ei

k1U
2 i
‖
‖‖
Ef

k2U
2 o
UO Ui
3.2 模拟式交流电压表
3、利用模拟运算的集成电路检波
u(t)
u2 (t)
T
0
A
Vrms
通过多级运算器级连,实现模拟乘法器（平方）、 积分 、 开方、 比例 运算。
二、计算公式：Ux=α
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）。
ux
检波器
可变量程分压器
直流放大器
c 、外差式
其组成为：外差式接收机＋宽频电平表。特点是：灵敏度 高，通频带宽。
f0
fx
混频器
中频放大器
检波器
fA 本机振荡器
3.1 概述
2)按检波器的类型分类 a 、均值电压表：检波器为均值检波器； b 、峰值电压表：检波器为峰值检波器； c 、有效值电压表：检波器为有效值检波器； 2、数字电压表（DVM) （1）主要结构：A/D转换器。 （2）分类： 按A/D转换器的类型可将数字电压表分为：
(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)输入阻抗高
(4)电压波形的多样化 电压信号波形是被测量信息的载体。 各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。
(5)抗干扰性能 工业现场测试中，存在较大的干扰
20 lg V1 [dB] V2
P1

V12 R1
P2

V22 R2
可见，分贝是一个用对数表示的相对量值（记作dB），如果相对于一个确定的参考 基准量，此时的分贝值则表示了一个绝对电平。
若P2=P0（基准量），并取P0=1mW； P1=被测功率，用Px表示，其分贝值用dBm表示（下标m指示以mW为单位表示被测 功率绝对值）。
Kp

Up U

峰值 有效值
5、波形因数
波形因数定义：有效值与平均值的比值，用KF表示，
KF

U U

有效值 平均值
3.2 模拟式交流电压表
3.2.1 均值电压表
一、工作原理
均值响应，即：u(t) 放大 均值检波 驱动表头 二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。
D1
D2
u(t) +u0(t) –
第3 章 电压测量
§1 概述 §2 模拟交流电压表 §3 数字电压表 §4 数字多用表 §5 电压表的选择与使用
内容提要
内容提要
电压测量是电子测量的重要内容之一。
＊本章内容主要有：
●电压测量的重要意义及特点； ●电压表的分类及交流电压的基本参数； ●模拟式电压表； ●数字电压表（DVM）； ●数字多用表
三、波形误差
如果被测电压不为正弦波，直接将峰值电压表示 值作为被测电压的有效值，则会带来“波形误差”。
计算公式为：
x


U
100%



2 KP

100%

(1
2 ) 100%


KP
3.2 模拟式交流电压表
3.2.3 有效值电压表
一、工作原理
Ux
1
T
ux2 (t)dt
T0
有效值检波器输出对应被测信号的有效值，即UO(t) ∝ Ux;考虑有效值的 定义，为方便也可使检波器输出对应被测信号有效值的平方，即UO(t)∝Ux2 。 可以有以下三种方案。
3.1 概述
二、 电子电压表的分类
模拟式电压表 数字式电压表
1、模拟式电压表
（1）主要结构 表头：磁电式直流电流表；
交直流转换器：检波器。
（2）分类 1）按检波器的位置分类
a 、放大—检波式 先放大再检波，因此灵敏度很高，通频带窄。
ux
可变量程分压器
交流放大器
检波器
3.1 概述
b 、检波—放大式 先检波再放大，因此通频带很宽,灵敏度较低。
T0
负半波平均值：
U1
T
u(t) dt,u(t) 0
T0
3、有效值
定义：交流电压u(t)在一个周期T内，通过某纯电阻负载R 所产生的热量，与一个直流电压V在同一负载上产生的热 量相等时，则该直流电压V的数值就表示了交流电压u(t)的 有效值。
3.1 概述
4、波峰因数
波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用Kp表示，
因此，取基准量V0=0.775V，其分贝值用dB或dBV表示（下标V指示以V为单
位表示被测电压绝对值）。
对于任意被测电压Vx，其电压电平定义为
PV
[dBV
]

20
lg
Vx[V ] 0.775
Px[mW ] ~ Px[dBm ] 之间和之间 Vx[V ] ~ Vx[dBV ] 换算或查表。 2） 宽频电平表
3.2 模拟式交流电压表
二、定度系数
● 表头刻度按（纯）正弦波有效值定度。
● 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 纯正弦波的峰值Vp）。
● 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
峰值Vp也不等于其有效值V）。但可由读数α换算出峰值和有效
值。
即：α=KUp
有效 热电偶式 非正弦信 有效值
值 计算式
号
U
U
真有效值U
3.2 模拟式交流电压表
2、分贝测量及宽频电平表
1）分贝
声学中，分贝是表示音量强弱的一个单位。通信系统中，也常用分贝表示电平或功率。
当用分贝表示功率时，定义为： 10 lg P1 [dB] P2
当用分贝表示电压时，由功率与电压的关系：
当R1=R2时，有
计算公式为：
x U 100% 0.9KF 100% (1 0.9KF)100%


3.2 模拟式交流电压表
3.2.2 峰值电压表
一、峰值检波器原理
峰值响应，即：u(t) 峰值检波 放大 驱动表头
由二极管峰值检波电路完成，有二极管串联和并联两种形式。
工作原理：
1、利用二极管平方律伏安特性检波
小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系。
缺点：精度低且动态范围小。
因此，实际应用中，采用分段逼近平方律的二极管伏安特性曲线图的电路。
2、利用热电偶输出输入关系
热电偶两个冷端处产生的热电动势与热端所加电压的有效值平方成正比， 即UO(t)∝Ux2 。
而有效值电压表，直接获得有效值，是真有效值表。
a)串联式： 判断二极管的导通及截止情况；
~Ui(t)
D+ Uc
+
C – R UR
–
Ui(t)>Uc(t)，D导通，向C充电， UR(t)=Uc(t)， RDC<<Tmin；
a)串联式
Ui(t)<Uc(t)，D截止，C放电，
UR(t)=Uc(t), RC>>Tmax;
Uc
(RD为二极管内阻，RDC为充电
典型产品：DA30型，频率范围10Hz~10MHz，量程范围 1mV~300V
表3.2 三种电子电压表主要特性比较
电压 表
组成原理
主要 适用场合
实测
读数α
读数α的物理意义 对正弦波 非正弦波
均值
放大-均 低频信号
检
视频信号 均值 U
1.11 U 有效值U U=KF U