第3章模拟测量.ppt

第第3章章 模拟测量模拟测量3.1 电压的测量电压的测量3.2 分贝的测量分贝的测量3.3 频率的模拟测量频率的模拟测量3.4 阻抗的模拟测量阻抗的模拟测量3.1 电压的测量电压的测量3.1.1 概述概述 1.电压测量的意义电压测量的意义 在集中参数电路中，电压、电流、功率是表征在集中参数电路中，电压、电流、功率是表征电信号能量的三个基本参数，而电流和功率又往电信号能量的三个基本参数，而电流和功率又往往通过电压进行间接测量。另外，电子电路及电往通过电压进行间接测量。另外，电子电路及电子设备的各种工作状态和特性都可以通过电压量子设备的各种工作状态和特性都可以通过电压量表现出来。表现出来。2.电压测量的特点电压测量的特点 1)频率范围宽频率范围宽 可测量的除直流外，交流电压的频率从可测量的除直流外，交流电压的频率从10-6Hz(甚至更低甚至更低)到到109Hz。2)测量范围宽测量范围宽 可测量的电压范围极宽，低至纳伏级可测量的电压范围极宽，低至纳伏级(10-9V)的的微弱信号，高至数百千伏的超高压信号。微弱信号，高至数百千伏的超高压信号。3)电压波形的多样化电压波形的多样化 交流电压波形多种多样，除大量存在的正弦电交流电压波形多种多样，除大量存在的正弦电压外，还包括失真的正弦波及各种非正弦波，如矩压外，还包括失真的正弦波及各种非正弦波，如矩形波、脉冲波、三角渡、斜坡电压以及各种调制波形波、脉冲波、三角渡、斜坡电压以及各种调制波形等。形等。4)要求有足够高的输入阻抗要求有足够高的输入阻抗 由于仪器输入阻抗的存在会对测量结果产生影由于仪器输入阻抗的存在会对测量结果产生影响，要求仪器具有足够高的输入阻抗。响，要求仪器具有足够高的输入阻抗。5)要求有足够高的测量准确度要求有足够高的测量准确度 目前利用数字电压表可使直流电压测量精度优目前利用数字电压表可使直流电压测量精度优于于10-9量级，交流电压测量的精度达到量级，交流电压测量的精度达到10-5左右。左右。6)要求有高的测量速度要求有高的测量速度 7)要求有高的抗干扰性能要求有高的抗干扰性能 3.直流电压标准直流电压标准 直流电压标准有：标准电池（实物基准，直流电压标准有：标准电池（实物基准，10-6）、齐纳二极管电压标准（固态标准，）、齐纳二极管电压标准（固态标准，10-6）和）和约瑟夫森量子电压基准（量子化自然基准约瑟夫森量子电压基准（量子化自然基准10-10）。）。4.电压测量仪器的分类电压测量仪器的分类 1)按频率范围分类，分为直流电压测量和交按频率范围分类，分为直流电压测量和交流电压测量两种。流电压测量两种。2)按被测信号的特点分类，分为脉冲电压测按被测信号的特点分类，分为脉冲电压测量、有效值电压测量等。量、有效值电压测量等。3)按测量技术分类，可分为两大类：模拟式按测量技术分类，可分为两大类：模拟式和数字和数字 3.1.2 直流电压的模拟测量直流电压的模拟测量 直流电子电压表一般由磁电式表头、电压跟直流电子电压表一般由磁电式表头、电压跟随器、直流电压放大器构成。在电子电压表中，随器、直流电压放大器构成。在电子电压表中，通常使用高输入阻抗的场效应管通常使用高输入阻抗的场效应管(FET)源极跟随器源极跟随器或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度。后接放大器以提高电压表灵敏度。在使用直流放大器的电子电压表中，直流放大器的零在使用直流放大器的电子电压表中，直流放大器的零点漂移限制了电压表灵敏度的提高，为此，电子电压表中点漂移限制了电压表灵敏度的提高，为此，电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使电常采用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使电子电压表能测量微伏量级的电压。调制式直流放大器的原子电压表能测量微伏量级的电压。调制式直流放大器的原理是将微弱的直流电压信号经调制器理是将微弱的直流电压信号经调制器(又称斩波器又称斩波器)变换为变换为交流信号，再由交流放大器放大，经解调器还原为直流信交流信号，再由交流放大器放大，经解调器还原为直流信号号(幅度已得到放大幅度已得到放大)。3.1.3 交流电压的模拟测量交流电压的模拟测量 1.交流电压的表征交流电压的表征 （1）峰值）峰值 周期性交变电压周期性交变电压u(t)在一个周期内偏离零电平的最大在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值，用值称为峰值，用 表示。表示。pUpUpUpUpU （2）平均值）平均值 的平均值的平均值 的数学定义为：的数学定义为：(3-4)U()u tU01()TUu t dtT按照这个定义，按照这个定义，实质上就是周期性电压的直流分量实质上就是周期性电压的直流分量（3）有效值）有效值 若交流电压若交流电压 在一个周期在一个周期T内，通过某纯电阻负内，通过某纯电阻负载载R所产生的热量，与一个直流电压所产生的热量，与一个直流电压 在同一负载上产在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压生的热量相等时，则该直流电压 的数值就表示了交流的数值就表示了交流电压电压 的有效值。的有效值。oUU()u tUU()u tU 直流电压和交流电压的数学关系为直流电压和交流电压的数学关系为 (3-6)201()TUu t dtT 有效值在数学上即为均方根值，因此电压有效值可写有效值在数学上即为均方根值，因此电压有效值可写作作 。各类电压表的示值，除特殊情况外，都是按正。各类电压表的示值，除特殊情况外，都是按正弦波有效值来定度的。弦波有效值来定度的。（4）波形因数、波峰因数）波形因数、波峰因数 交流电压的波形因数定义为该电压的有效值与其平交流电压的波形因数定义为该电压的有效值与其平均值之比，用均值之比，用 表示，表示，rmsUFKFUKU（3-7）交流电压的波峰因数定义为该电压的峰值与其有效值交流电压的波峰因数定义为该电压的峰值与其有效值之比，用之比，用 表示，表示，PKPPUKU 2.均值电压表均值电压表 为了提高交流电压表的测量灵敏度，可先将被测电压进为了提高交流电压表的测量灵敏度，可先将被测电压进行放大，再通过平均值检波和推动直流电表显示，这种表又行放大，再通过平均值检波和推动直流电表显示，这种表又称为放大称为放大-检波式电压表。通常频率范围为检波式电压表。通常频率范围为20Hz10MHz，因此也称这种电压表为因此也称这种电压表为“视频毫伏表视频毫伏表”，多用在低频、视频，多用在低频、视频场合。场合。(3-8)（1 1）均值电压表的组成）均值电压表的组成 均值电压表由阻抗变换器、可变量程衰减器、宽带放均值电压表由阻抗变换器、可变量程衰减器、宽带放大器、平均值检波器和微安表等组成。大器、平均值检波器和微安表等组成。（2 2）平均值检波器原理）平均值检波器原理 检波电路输出的直流电压正比于输入交流电压绝对值检波电路输出的直流电压正比于输入交流电压绝对值的平均值，这种电路称为平均值检波器。的平均值，这种电路称为平均值检波器。（3 3）波形换算）波形换算 由于电压表度盘是以正弦波的有效值定度的，而均值由于电压表度盘是以正弦波的有效值定度的，而均值检波器的输出检波器的输出(即流过电流表的电流即流过电流表的电流)与被测信号电压的平均与被测信号电压的平均值成线性关系，所以只有当被测信号为正弦波时，值成线性关系，所以只有当被测信号为正弦波时，电压表示电压表示值值 为被测电压的有效值。如果被测信号是非正弦波形，为被测电压的有效值。如果被测信号是非正弦波形，示值示值 没有直接意义，只有乘以没有直接意义，只有乘以0.90.9才是被测信号的平均值才是被测信号的平均值。aUaU 例例3-13-1用全波整流均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，若电压用全波整流均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，若电压表示值均为表示值均为10V10V，问被测电压的有效值各为多少，问被测电压的有效值各为多少?解：对于正弦波，由于电压表按其有效值定度，则电压表的示值就是正解：对于正弦波，由于电压表按其有效值定度，则电压表的示值就是正弦波的有效值，即弦波的有效值，即 对于非正弦波，将示值对于非正弦波，将示值 折算成被测电压的平均值折算成被测电压的平均值 10VaUUaU0.90.9 109 VaUU 对于三角波，其波形系数对于三角波，其波形系数 ，所以三角波电压的有效值，所以三角波电压的有效值 F1.15K F1.15 910.35VUK U对于方波，其波形系数对于方波，其波形系数 ，所以方波电压的有效值，所以方波电压的有效值 F1K F1 9 9VUK U 3.3.有效值电压表有效值电压表 电压有效值的定义：电压有效值的定义：21()TrmsoUUut dtT 为了获得均方根的响应，必须使为了获得均方根的响应，必须使ACACDCDC变换器具有平方根变换器具有平方根关系的伏安特性。这类变换器主要有热电偶变换式和模拟计算关系的伏安特性。这类变换器主要有热电偶变换式和模拟计算式两种。式两种。（1）利用热电偶有效值检波）利用热电偶有效值检波 热电偶温度测量原理：若冷端温度为恒定的参考温度，则热电偶温度测量原理：若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势就可得到热端（被测温度点）的温度。通过热电动势就可得到热端（被测温度点）的温度。热电偶有效值检波原理是通过被测交流电压对热电偶的热热电偶有效值检波原理是通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，所产生的热电动势将反映该交流电压的有效值，端进行加热，所产生的热电动势将反映该交流电压的有效值，从而实现了有效值检波从而实现了有效值检波。（3-13）DA-24 DA-24型热偶式有效值电压表的最小量程为型热偶式有效值电压表的最小量程为1mV1mV，最大，最大量程为量程为300V300V，频率范围为，频率范围为10Hz10HzlOMHzlOMHz，准确度，准确度1.51.5级，刻级，刻度线性，波形误差小。其主要缺点是有热惯性，易过载，度线性，波形误差小。其主要缺点是有热惯性，易过载，使用时应注意。使用时应注意。（2）利用模拟运算的集成电路检波）利用模拟运算的集成电路检波 利用模拟运算电路实现有效值电压的测量，即利用集利用模拟运算电路实现有效值电压的测量，即利用集成乘法器、积分器、开方器等实现电压有效值测量。成乘法器、积分器、开方器等实现电压有效值测量。有效值电压表在理论上不存在波形误差，因此也称为真有有效值电压表在理论上不存在波形误差，因此也称为真有效值电压表。效值电压表。4.4.峰值电压表峰值电压表 （1 1）峰值电压表的组成）峰值电压表的组成 峰值电压表，属检波峰值电压表，属检波-放大式电子电压表，又称为超高放大式电子电压表，又称为超高频毫伏表。它由峰值检波器、分压器、直流放大器和微安频毫伏表。它由峰值检波器、分压器、直流放大器和微安表等组成。表等组成。（2)2)峰值检波器峰值检波器 峰值检波器是指检波输出的直流电压与输入交流信号峰值检波器是指检波输出的直流电压与输入交流信号峰值成比例的检波器。常见的峰值检波器有串联式、并联峰值成比例的检波器。常见的峰值检波器有串联式、并联式和倍压式三种。式和倍压式三种。（3)3)波形换算波形换算 一般的峰值表与平均值表类似，也是按正弦波有效值一般的峰值表与平均值表类似，也是按正弦波有效值进行刻度的，只有当被测信号为正弦波时，电压表示值进行刻度的，只有当被测信号为正弦波时，电压表示值 即为被测电压的有效值。如果被测信号是非正弦波形，示即为被测电压的有效值。如果被测信号是非正弦波形，示值值 没有直接意义，只有乘以才是被测信号的峰值。没有直接意义，只有乘以才是被测信号的峰值。aUaU分贝的测量分贝的测量3.2.1 数学定义数学定义 1.功率之比的对数功率之比的对数 用分贝表示的功率和之比，即用分贝表示的功率和之比，即 2.电压之比的对数电压之比的对数 当用分贝表示电压之比时，有：当用分贝表示电压之比时，有：两边取对数，可得：两边取对数，可得：dB 1210lgdBPP211222PUPU2121lg2