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1、,第5章 电压测量,5.1 概述 5.2 电压标准 5.3 交流电压的测量 5.4 直流电压的数字化测量及A/D转换原理 5.5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表 5.6 数字电压表测量的不确定度及 自动校准、自动量程技术 5.7 电压测量的干扰及抑制技术,5.1 概述,511 电压测量的意义、特点 1)电压测量的重要性 阐述电压测量的意义、重要性及应用。 2)电压测量的特点 从电压测量的频率、范围、要求等方面阐述其特点,这些特点也反映了电子测量的主要特点。,1)电压测量的重要性,电压测量是电测量与非电测量的基础; 电测量中,许多电量的测量可以转化为电压测量: 表征电信号能量的三个基本参数
2、:电压、电流、功率 其中:电流、功率电压,再进行测量 电路工作状态: 饱和与截止,线性度、失真度电压表征 非电测量中,物理量电压信号,再进行测量 如:温度、压力、振动、(加)速度,2)电压测量的特点,1.频率范围广:零频(直流)109Hz 低频:1MHz以下;高频(射频):1MHz以上。 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.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。,2)电压测量的特点,4.阻抗匹配 在多级系统中,输出级阻抗对下一输入级有影响
3、。 直流测量中,输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压,使测量结果偏小。 如:采用电压表与电流表测量电阻, 当测量小电阻时,应采用电压表并联方案; 当测量大电阻时,应采用电流表串联方案。 交流测量中,输入阻抗的不匹配引起信号反射。,2)电压测量的特点,5.测量精度的要求差异很大 10-1至10-9。 6.测量速度的要求差异很大 静态测量:直流(慢变化信号),几次/秒; 动态测量:高速瞬变信号,数亿次/秒(几百MHz) 精度与速度存在矛盾,应根据需要而定。 7.抗干扰性能 工业现场测试中,存在较大的干扰。,512 电压测量的方法和分类,2. 电压测量方法的分类 按对象:直流电压测量;交流电压测量
4、按技术:模拟测量;数字测量 1)交流电压的模拟测量方法 表征交流电压的三个基本参量:有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。 方法:交流电压(有效值、峰值和平均值)-直流电流-驱动表头-指示 有效值、峰值和平均值电压表,电平表等。,512 电压测量的方法和分类,2)数字化直流电压测量方法 模拟直流电压-A/D转换器-数字量-数字显示(直观) 数字电压表(DVM),数字多用表(DMM)。 3)交流电压的数字化测量 交流电压(有效值、峰值和平均值)-直流电压-A/D转换器-数字量-数字显示 DVM(DMM)的扩展功能。,512 电压测量的方法和分类,4)基于采样的交流电压测量方法 交流电压-A/D
5、转换器-瞬时采样值u(k) -计算,如有效值 式中,N为u(t)的一个周期内的采样点数。 5)示波测量方法 交流电压-模拟或数字示波器-显示波形-读出结果,52 电压标准,5.2.1 直流电压标准 电压和电阻是电磁学中的两个基本量。 电压基准和电阻基准其他电磁量基准。 电压标准有: 标准电池(实物基准, 10-6); 齐纳管电压标准 (固态标准, 10-6); 约瑟夫森量子电压基准 (量子化自然基准,10-10)。 电阻标准有: 精密线绕电阻(实物标准); 霍尔电阻基准(量子化自然基准,10-9)。,5.2.1 直流电压标准,1. 标准电池 原理:利用化学反应产生稳定可靠的电动势 (1.018
6、60V)。有饱和型和不饱和型两种类型。 饱和型特点:电动势非常稳定(年稳定性可小于0.5V,相当于510-7),但温度系数较大(约40V/)。用于计量部门恒温条件下的电压标准器。 不饱和型特点:温度系数很小(约4V/),但稳定性较差。用于一般工作量具,如实验室中常用的便携式电位差计。,1. 标准电池,使用中应注意: 1)不能倾倒;不能震动、冲击(不易运输)。 2)温度修正(特别是对饱和型)。 “温度电动势”修正公式 : 式中,Et、E20分别为t(使用时的温度)和20(出厂检定时温度)时标准电池的电动势 。 3)标准电池存在内阻,仪表输入电阻应较大。,2. 齐纳管电压标准,原理 利用齐纳二极管
7、的稳压特性制作的电子式电压标准(也称为固态电压标准)。 齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响,采用高稳定电源和内部恒温控制电路可使其温度系数非常小 。 将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压基准源,如LM199/299/399、REF系列。,2. 齐纳管电压标准,为克服输出电压的波动,还可将多个精密电压基准源并联,得到它们的平均值。,2. 齐纳管电压标准,上图中,假设运放是理想的, 则流入运放同相端电流I+=0,即 若R1=R2=R3=R4,则 而输出电压,2. 齐纳管电压标准,齐纳管电压标准器整机输出电压有: 10V、1V和1.0186V。 10V输出便于检定和传递到高电压,且运输、
8、保存和使用方便。 如WUK7000系列直流电压参考标准: 10V输出的年稳定性可达0.510-6 ; 1V和1.018V输出的年稳定性可达到210-6,温度系数为0.0510-6。,3. 约瑟夫森量子电压基准,原理 基于约瑟夫森(Josephson)效应的量子电压基准 约瑟夫森效应 约瑟夫森隧道结:在两块相互隔开(约10埃的绝缘层)的超导体之间,由于量子隧道效应,超导电流(约mA量级)可以穿透该绝缘层,使两块超导体之间存在微弱耦合,这种超导体-绝缘体-超导体(SIS)结构称为约瑟夫森隧道结。 约瑟夫森效应:当在约瑟夫森结两边加上电压V时,将得到穿透绝缘层的超导电流,这是一种交变电流,这种现象称
9、为交流约瑟夫森效应。,3. 约瑟夫森量子电压基准,约瑟夫森效应 即:电压V约瑟夫森结超导电流。 超导交变电流的频率为: 式中:e为电子电荷,h为普朗克常数,因而KJ为一常数。当电压V为mV量级时,频率f相当于厘米波。 逆效应:若将约瑟夫森结置于微波场中(即用微波辐射到处于超导状态下的约瑟夫森结上)时,将在约瑟夫森结上得到量子化阶梯电压Vn。 即:微波(频率f)约瑟夫森结量子化阶梯电压Vn(第n个阶梯)。,3. 约瑟夫森量子电压基准,约瑟夫森电压基准 根据约瑟夫森效应: 由稳定的频率(f)确定电压V。 即:通过时间(频率)单位得到量子化电压基准。 量子化电压基准的准确度可接近时间(频率)准确度。
10、 国际计量委员会的建议: 从1990年1月1日开始,在世界范围内同时启用了约瑟夫森电压量子基准(JJAVS,10-10)。并给出 KJ-90=483597.9GHz/V。,3. 约瑟夫森量子电压基准,约瑟夫森结阵(JJA) 约瑟夫森结产生的量子电压较低(mv级)。 在一个芯片上将成千上万个或更多的约瑟夫森结串联 得到约瑟夫森结阵(JJA),可产生1V至10V的电压 。 我国的约瑟夫森量子电压基准 由中国计量科学研究院(NIM)量子部建立。 1993年底,1V约瑟夫森结阵电压基准,测量不确定度达到610-9 ; 1999年底,10V约瑟夫森结阵电压基准,合成不确定度为5.410-9(1) 。 应
11、用:对标准电池、固态电压标准的量值传递,高精度数字多用表等的计量检定,测量不确定度为1E-8)。,5.2 交流电压标准,原理 由直流电压标准建立。因而,需经过交流-直流变换。 测热电阻桥式高频电压标准 基本原理:将高频电压通过一电阻(称为测热电阻,如热敏电阻),该电阻由于吸收高频电压功率,其阻值将发生变化,再将一标准直流电压同样施加于该电阻,若引起的阻值变化相等,则高频电压的有效值就等于该直流电压。,53 交流电压的测量,531 表征交流电压的基本参量 峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。 峰值 以零电平为参考的最大电压幅值(用Vp表示 )。 注:以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅
12、,(通常用Um表示)。,531 表征交流电压的基本参量,平均值(均值) 数学上定义为: 相当于交流电压u(t)的直流分量。 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): 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t),若=2/T,531 表征交流电压的基本参量,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。 表达式: 直流电压V在T内电阻R上产生的热量Q_=I2RT= 交流电压u(t) 在T内电阻R上产生的热量Q= 由Q_
13、= Q得, 有效值,531 表征交流电压的基本参量,有效值 意义:有效值在数学上即为均方根值。有效值反映了交流电压的功率,是表征交流电压的重要参量。 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t),若=2/T 波峰因数和波形因数 波峰因数定义:峰值与有效值的比值,用Kp表示,,531 表征交流电压的基本参量,波峰因数和波形因数 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t),若=2/T 波形因数定义:有效值与平均值的比值,用KF表示, 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t),若=2/T,531 表征交流电压的基本参量,波峰因数和波形因数 常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到: 如正弦
14、波:Kp=1.41,KF=1.11; 方波: Kp=1, KF=1; 三角波:Kp=1.73,KF=1.15; 锯齿波:Kp=1.73,KF=1.15; 脉冲波:Kp= ,KF= , 为脉冲宽度,T为周期 白噪声:Kp=3(较大),KF=1.25。,532 交流/直流转换器的响应特性及误差分析,1)交流/直流电压(AC-DC)转换原理 模拟电压表的交流电压测量原理: 交流电压-直流电流(有效值、峰值和平均值) -驱动表头-指示。 交流电压-有效值、峰值和平均值的转换,称为 AC-DC转换。由不同的检波电路实现。 峰值检波原理 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。如下图。,1)
15、交流/直流电压(AC-DC)转换原理,二极管峰值检波电路(a.串联式,b.并联式,c.波形),1)交流/直流电压(AC-DC)转换原理,二极管峰值检波电路工作原理 通过二极管正向快速充电达到输入电压的峰值,而二极管反向截止时“保持”该峰值。 从波形图可以看出,峰值检波电路的输出存在较小的波动,其平均值略小于实际峰值。,1)交流/直流电压(AC-DC)转换原理,平均值检波原理 由二极管桥式整流(全波整流和半波整流)电路完成。 如图,整流电路输出直流电流I0,其平均值与被测输入电压u(t)的平均值成正比(与u(t)的波形无关)。 (电容C用于滤除整流后的交流成分,避免指针摆动),1)交流/直流电压
16、(AC-DC)转换原理,平均值检波原理 以全波整流电路为例,I0的平均值为 式中,T为u(t)的周期,rd和rm分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻,可视为常数(它反映了检波器的灵敏度 )。 于是,I0的平均值 与u(t)的平均值 成正比。,1)交流/直流电压(AC-DC)转换原理,有效值检波原理 利用二极管平方律伏安特性检波 根据 为得到有效值,首先需对u(t)平方 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。,1)交流/直流电压(AC-DC)转换原理,利用模拟运算的集成电路检波 原理图
17、 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。 单片集成TRMS/DC电路,如AD536AK等。,1)交流/直流电压(AC-DC)转换原理,利用热电偶有效值检波 热电效应:两种不同导体的两端相互连接在一起,组成一个闭合回路,当两节点处温度不同时,回路中将产生电动势,从而形成电流,这一现象称为热电效应,所产生的电动势称为热电动势。 热电效应原理图 当热端T和冷端T0存在温差时(即TT0),则存在热电动势,且热电动势的大小与温差T=T-T0成正比。,1)交流/直流电压(AC-DC)转换原理,利用热电偶有效值检波 热电偶: 将两种不同金属进行特别封装并标定后,称为一对热电偶(简称热偶
18、)。 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。 热电偶有效值检波原理: 若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热,则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。如下图。,1)交流/直流电压(AC-DC)转换原理,热电偶有效值检波原理图 图中,直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系: 电流I热电动势热端与冷端的温差,而热端温度u(t)功率u(t)的有效值V的平方,故,,1)交流/直流电压(AC-DC)转换原理,有效值电压表的特点 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)。,1)交流/直流电压(AC-
19、DC)转换原理,有效值电压表的特点 比如,对非正弦波,可视为由基波和各次谐波构成,若其有效值分别为V1、V2、V3、,则读数 但实际有效值电压表,下面两种情况使读数偏小: 对于波峰因数较大的交流电压波形,由于电路饱和使电压表可能出现“削波” ;高于电压表有效带宽的波形分量将被抑制。它们都将损失有效值分量。 缺点:受环境温度影响较大,结构复杂,价格较贵。 实际应用中,常采用峰值或均值电压表测有效值。,2)峰值电压表原理、刻度特性和误差分析,原理 峰值响应,即:u(t)峰值检波放大驱动表头 刻度特性 表头刻度按(纯)正弦波有效值刻度。因此: 当输入u(t)为正弦波时,读数即为u(t)的有效值V(而
20、不是该纯正弦波的峰值Vp)。 对于非正弦波的任意波形,读数没有直接意义(既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V)。但可由读数换算出峰值和有效值。,2)峰值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 由读数换算出峰值和有效值的换算步骤如下: 第一步,把读数想象为有效值等于的纯正弦波输入时的读数,即 第二步,将V转换为该纯正弦波的峰值 第三步,假设峰值等于Vp的被测波形(任意波)输入 ,即 注:“对于峰值电压表,(任意波形的)峰值相等,则读数相等” 。 第四步,由 ,再根据该波形的波峰因数(查表可得),其有效值,2)峰值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 上述过程可统一推导如下: 该式表明:对任
21、意波形,欲从读数得到有效值,需将乘以因子k。(若式中的任意波为正弦波,则k=1,读数即为正弦波的有效值)。,2)峰值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 综上所述,对于任意波形而言,峰值电压表的读数没有直接意义,由读数到峰值和有效值需进行换算,换算关系归纳如下: 式中,为峰值电压表读数,为波峰因数。 波形误差。若将读数直接作为有效值,产生的误差。,3)平均值电压表原理、刻度特性和误差分析,原理 均值响应,即:u(t) 放大均值检波驱动表头 刻度特性 表头刻度按(纯)正弦波有效值刻度。因此: 当输入u(t)为正弦波时,读数即为u(t)的有效值V(而不是该纯正弦波的均值)。 对于非正弦波的任意
22、波形,读数没有直接意义(既不等于其均值也不等于其有效值V)。但可由读数换算出均值和有效值。,3)平均值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 由读数换算出均值和有效值的换算步骤如下: 第一步,把读数想象为有效值等于的纯正弦波输入时的读数,即 第二步,由 计算该纯正弦波均值 第三步,假设均值等于 的被测波形(任意波)输入 ,即 注:“对于均值电压表,(任意波形的)均值相等,则读数相等” 。 第四步,由 ,再根据该波形的波形因数(查表可得),其有效值,3)平均值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 上述过程可统一推导如下: 上式表明,对任意波形,欲从均值电压表读数得到有效值,需将乘以因子k。
23、(若式中的任意波为正弦波,则k=1,读数即为正弦波的有效值)。,3)平均值电压表原理、刻度特性和误差分析,刻度特性 综上所述,对于任意波形而言,均值电压表的读数没有直接意义,由读数到峰值和有效值需进行换算,换算关系归纳如下: 式中,为均值电压表读数,KF为波形因数。 波形误差。若将读数直接作为有效值,产生的误差,4)实例分析,例 用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压,读数为1.0V,问如何从该读数得到方波电压的有效值? 解 根据上述峰值电压表的刻度特性,由读数=1.0V, 第一步,假设电压表有一正弦波输入,其有效值=1.0V; 第二步,该正弦波的峰值=1.4V; 第三步,将方波电压引入电压表输入,其峰值Vp=1.4V; 第四步,查表可知,方波的波峰因数Kp=1,则该方波的有效值为: V=Vp/Kp=1.4V。 波形误差为:,(可见若不换算,波形误差是很大的),4)实例分析,例 用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压,读数为1.0V,问该方波电压的有效值为多少? 解 根据上述均值电压表的刻度特性,由读数=1.0V, 第一步,假设电压表有一正弦波输入, 其有效值 =1.0V; 第二步,该正弦波的均值 =0.9=0.9V; 第三步,将方波电压引入电压表输入, 其均值 0.9V; 第四步,查表可知,方波的波形因数 =1,则该方波的有效值为: 0.9V。 波形误差为,
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