电压与电流参数的测量

3.1.2直流电流的测量
• • • • 1.用模拟式万用表测量直流电流 2.用数字式万用表测量直流电流 3.用并联法测量直流电流 4.用间接测量法测量直流电流
1.用模拟式万用表测量直流电流
• 模拟式万用表的直流电流档一般由微安表头（40µA～ 100µA）并联分流电阻而构成，量程的扩大通过并联 不同的分流电阻实现，这种电流表的内阻随量程的改 变而不同，量程越大，内阻越小。 • 用模拟式万用表测量直流电流时,是将万用表串联在被 测电路中，因此表的内阻可能影响电路的工作状态， 使测量结果出错，也可能由于量程不当而烧坏万用表， 所以，使用时若不知被测电流的大小,则应选择直流电 流档的最大档,并注意万用表的极性,在接入被测电路后, 再根据被测电流的大小调整电流档,使被测电流的示数 尽量大于满量程的2/3,以减小测量误差。
2.用数字式万用表测量直流电流
• 数字式万用表测量直流电流的原理是在数字式电压表基础上，通 过电流—电压转换电路，使被测电流流过标准电阻,将被测电流转 换为直流电压,再进行测量。 • 如图3.6所式,由于运算放大器的输入阻抗很高,根据运算放大器虚 断的概念,可以认为被测电流Ix全部流经标准采样电阻RNX上,转换 电压与被测电流Ix成正比,经放大器放大后输出电压 U0(U0=(1+R2/R3)RNXIX)就可以作为数字式电压表的输入电压来 进行测量。并用转换开关S1～Ｓ4切换不同的采样电阻，即可得 到不同的电流量程，量程越小，取样电阻越大，而输入到数字式 电压表的电压不变。 • 在使用时应注意的是，当数字式万用表串联在被测电路中时，取 样电阻的阻值会对被测电路的工作产生一定的影响，使测量产生 误差。
③超量程能力
• 数字万用表是否具有超量程能力，与基 本量程有关。带有1/2位数字万用表，如 按2V、20V、200V、分档，没有超量程 能力。但按1V、10V、100V分档的，才 具有超量程能力。如最大显示1999V的数 字万用表，在10V量程上，允许有100% 的超量程。
(2)分辨率
• 数字万用表最低电压量程上末位1个字所 对应的电压值，称为分辨率。显然在不 同量程上具有不同的分辨率。在最小量 程上具有最高分辨率。如某数字万用表 最小量程0.2V，最大显示正常数为2000， 末位一个字为100μV，即该数字万用表的 分辨率为100μV。
2.模拟式万用表测量直流电压
• 模拟式万用表的直流电压档由表头(磁电系微安表,全偏 转电流40～100µA)串联分压电阻和并联分流电阻组成， 因而其输入电阻一般比数字万用表低一个数量级。由 于各量程档串、并联电阻不同，所以各量程档的内阻 不同，通常把内阻Rv与量程之比（每伏欧姆数即Ω/V 数）定义为直流电压灵敏度Sv-，因此同一块表，量程 越大内阻越大。例如MF500-HA型万用表的直流电压灵 敏度Sv-=20KΩ/V，则10V量程和50V量程的电压表内 阻分别为200KΩ和1000KΩ/V。在使用模拟式万用表测 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。
电压与电流的测量
• • • • • 3.1 直流电压与电流的测量 3.2 交流电压与电流的测量 3.3 高频电压与电流的测量 3.4 电平的测量 3.5 噪声电压的测量
3.1 直流电压与电流的测量
• 3.1.1直流电压的测量 • 3.1.2直流电流的测量
3.1.1直流电压的测量
• 直流电压的测量大体上有直接测量和间接测量 两种方法。 • 1.数字万用表测量直流电压 • 2.模拟式万用表测量直流电压 • 3.零示法测量直流电压 • 4.用电子电压表测量直流电压 • 5.示波器测量直流电压 • 6.含交流成分的直流电压的测量
0.00005V 0.0003V 0.00035V
示值相对误差为
u U
Ux 100 % 0.00035 100 % 0.35% 0.1
可见,当被测电压与满量程值相差太大时,误差是很大的。为此， 当测量小电压时，应当用较小的量程。这一点和使用模拟万用表 的要求是一样的。另外，数字万用表的准确度远优于模拟式万用 表的准确度。以直流电压档的基本误差为例，模拟式万用表通常 为±2.5%，而31/2位数字万用表为±0.5%。
(3)输入阻抗
• 由于输入有衰减器，所以输入阻抗不是 固定值。小电压档测量时，Ri可达 500MΩ；大电压档测量时，Ri只有10MΩ。
(4)测量速度
• 测量速度是在单位时间内以规定的准确 度完成的最大测量次数，其单位是“次 /S”。31/2、41/2位数字万用表的测量速度 大约为2～５次/S。

(5)抗干扰能力
直接测量
就是将电压表直接并联在被测 电路的两端,如图3.1(a)所示,用模 拟式电压表测量时应注意电压表 的极性，它影响到测量值与参考 极性之间的关系，也影响模拟式 电压表指针的偏转方向。如果电 压表的内阻为无穷大,则电压表的 示数即是被测电路两点间的电压 值。
间接测量
如图3.1(b)所示,若要测量R3 两端的电压差,可以分别测出R3 对地的电位U1、和U2,然后利用 公式UR3= U1-U2求出要测量的 电压值。
①量程
• 数字万用表的量程是以基本量程（即未 经衰减和放大的量程）为基础，利用步 进衰减器和放大器向两端扩展来实现的。
②显示位数
• 数字万用表的显示位数通常为31/2～８1/2位。 它的意思是指能显示０～９所有数字的位是整 数位，分数位的数值是以最大显示值中最高位 的数字为分子，而用满量程时最高位的数字作 为分母。如31/2数字万用表的最大显示值为 ±1999，量程计数值为2000（0～1999），这 表明在其最大显示值中最高位的数字为1（作 分子），满量程时最高位数字为2（作分母）， 因此最高位是半位，记作1/2位，它只能显示0 或1。其余三位均是整数位。
1.数字万用表测量直流电压
• 熟悉数字万用表的主要性能指标含义是 正确使用数字万用表的前提，而表征数 字万用表的主要性能指标有：测量范围、 分辨率、输入阻抗、抗干扰能力、测量 速度及准确度等。
(1)测量范围
• 数字万用表一般用量程显示位数以及超 量程能力来反映它的测量范围。 • ①量程 • ②显示位数 • ③超量程能力
〖例题3.2〗用DT930F 41/2位数字万用表的2V量程档分别测量 2V和0.1V电压，已知该仪表的准确度为±0.05%Ux±3个字，求 由于仪表的固有误差引起测量误差的大小。 解：（1）测量2V电压时的绝对误差 因为该表是41/2位，用2V量程档时，±3个字相当于 ±0.0003V，所以绝对误差
U 0.05% 2V 0.0003V(3 个字）
0.001V 0.0003V
示值相对误差为 u
0.0013V U 0.0013
Ux 100 % 2
100 % 0.065 %
（2）测量2V电压时的绝对误差
U 0.05% 0.1V 0.0003V(3 个字）
• 数字万用表普遍采用积分式（包括双积 分、多重积分式）A/D转换器，能有效地 抑制串模干扰。此外，对于共模干扰的 抑制能力也很强，中、低档数字万用表 的共模抑制比（CMRR）可达86～120dB， 高档数字万用表则为100～160dB。
(6)准确度（测量误差）
• 数字万用表的测量误差通常用准确度来表示，准确度 愈高，测量误差愈小。在测量电压时准确度通常有以 下两种表示方法： U %U x n个字 U %U x %U m Ux —— 被测电压读数； Um —— 该量程的满度值； α%Ux —— 读数误差； β%Um —— 表示满度误差，也可以用±n个字表示，即 在该量程上末位跳n个单位电压值恰好等于β%Um。
3.零示法测量直流电压
• 图3.2万用表直接测量等效电动势V50kΩE=9V图3.3零示法测量直 流电压VR0EES • 零示法测量直流电压主要用于测量直流电路等效电势,它可减小由 于模拟式电压表内阻不够大而引起的测量误差。所谓零示法,就是 将一标准直流电源与被测电路按极性相接,并且电压表的正极与被 测电路的正极相接, 电压表的负极与标准电源的正极相接,如图3.3 所示。测量时,先将标准电源Es置最小,电压表的量程放在较大档， 然后缓慢调节标准电源Es的大小，并逐步减小电压表的量程档,直 到电压表在最小量程档指示为零,此时E=Es,电压表中没有电流流 过,电压表的内阻对被测电路无影响,然后断开电路,用电压表测量 标准电源Es的大小即为被测E的大小。在此由于标准直流电源的 内阻很小，一般均小于1Ω，而电压表的内阻一般在kΩ级以上，所 以用电压表直接测量标准电源的输出电压，电压表内阻引起的误 差完全可以忽略不计。
图3.3零示法测量直流电压
4.用电子电压表测量直流电压
• 为了提高电压表的内阻，直流电子电压表通常将磁电 式表头加装跟随器和直流放大器构成，当需要测量高 直流电压时,输入端接入具有一定放大量的电子线路构 成电子电压表，一般采用跟随器和放大器等电路以提 高电压表的输入阻抗和测量灵敏度，这种电子电压表 可在电子电路测量中提高电阻电路构成的分压电路。 • 在直流电子电压表中，通常采用斩波式放大器（或称 调制式放大器）以抑制零点漂移，提高了直流放大器 的电压灵敏度，使电子电压表能测量微伏级的电压。 直流电子电压表的组成如图3.4所示。
图3.4 电子电压表的组成
5.示波器测量直流电压
• • • 用示波器测量电压时,首先应将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置校准档（或关 闭）,否则电压读数不准确。 具体测量步骤如下： (1)定零电压线。将示波器的输入耦合开关置于“GND”档，调节垂直位移旋钮， 将荧光屏上的水平亮线（时基线）移动，置于荧光屏中间的坐标线上，此时基线 所在位置即为零电压所在位置，然后将输入耦合开关置于“DC”档，并将垂直偏 转灵敏度调节旋钮置较大档。 (2)将待测信号送至示波器的垂直输入端。 (3)确定直流电压的极性。接入被测信号后，荧光屏上同样会出现水平亮线，如这 条亮线在上面所定零压线以上，即被测电压为正极性。反之，为负极性。 (4)确定读数。根据输入信号将垂直偏转灵敏度调节旋钮调整适当档位，读出此时 荧光屏上的水平亮线与零电压线之间的垂直距离y（如图3.5所示），将y乘以示波 器的垂直灵敏度Sy即可得到被测电压Ｕx的大小，即Ｕx=Sy×y。如输入信号较大 时，垂直偏转灵敏度已经较大时，将示波器的输入耦合开关置于“GND”档，将零 压线向信号极性相反的方向移动至最顶端或最底端，此时基线所在位置即为零压 线所在位置，然后再进行上述测量。