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1、第五章 电压测量技术,一、概述二、交流电压的测量三、电压测量的数字化方法四、电压测量集成电路,一、概述,电压是电子电路中的一个主要参量，是其它许多电参量测量、非电测量的基础。,例如：功率测量，P=V2/R=IV=I2R，归于电压的测量。,失真系数：,调幅系数：m=V/V0,对电压测量的要求：,其实质为对电压测量设备的要求,1、测量准确度：要求测量误差小。,电压测量仪器的测量准确度表示方式有以下三种：,满度值百分数：%Vm,读数值百分数：%Vx,%Vm+%Vx,一般用于线形刻度模拟电压表,用于具有对数刻度的电压表,用于数字电压表,3、量程广：十分之几V、几个mV几十kV,4、输入阻抗：应足够高，
2、以避免对被测电路的影响。直流G，交流 M,5、应具有高抗干扰能力。,电压测量仪器分为：模拟式及数字式电压表。,定义释疑,模拟电压表,数字万用表,返回,二、交流电压的测量,交流电压测量的核心是AC/DC变换，此部分是带有共性的，即模拟式和数字式电压表都必须完成这一变换过程。,表征交流电压的参数有：,所以有三种检波方式的电压表，根据检波方式的不同，有三种电压表。,均值,峰值,峰值电压表,均值电压表,有效值电压表,模拟式电压表,1、峰值检波式电压表,先检波、后放大,高频电压测量时误差较小,检波电路形式,I、串联型检波,II、并联型检波,=I0Vp,表头的刻度：以正弦有效值刻度。=V（正弦波有效值）,
3、波峰因数：,=V（正弦有效值）=Vp/Kp（正弦波峰因数）,对正弦波为根号2,解：,被测方波电压的峰值为,方波电压的波峰因数,故,2、均值电压表,先放大、后检波,大信号检波时线性较好，波形误差较小,=I 0，与波形无关,表头的刻度：以正弦有效值刻度。=V（正弦波有效值）,波形因数：,=V（正弦有效值）=KF（正弦波形因数）,对正弦为1.11,解：,三角波的均值为,三角波的波形因数,故,3、有效值电压表,热电效应原理：,热偶式原理：,AB为加热丝,M为电热偶,C热端,D、E冷端,CD和CE为两种不同材料制作,形成电流,热偶式有效值电压表简化组成方框图,热电偶AC/DC,4TC1（上）测量热偶,4
4、TC1（下）平衡热偶,当反馈系统平衡时，,则,故,平衡热偶的作用：使表头刻度线形化，并提高热稳定性。,测量热偶的热电势,平衡热偶受反馈电压影响，其热电势,热偶式电压表缺点：具有热惯性，过载能力差，易烧毁。,模拟计算电路式：,采用模拟计算电路直接完成有效值计算。,模拟乘法器,积分器,开方,4、波形误差,峰值电压表对被测信号波形的谐波失真所引起的波形误差非常敏感，故不能测量失真波形的电压。,均值电压表测量含有谐波成分的失真正弦电压的有效值时有如下结论：,1、误差与谐波幅度及初相角有关，当初相角为00或1800时误差最大。,2、二次谐波误差比三次谐波要小，推广到一般，奇次谐波比偶次谐波影响大。,3、
5、均值表波形误差与峰值检波相比较小。,有效值电压表测量非正弦波时理论上不会产生波形误差，实际上由于以下两个原因使产生读数偏低的误差。,1、电压表线性工作范围的限制。,2、电压表带宽的限制。,返回,数字式电压表,根据 变换方法 的不同，有,非积分式DVM,积分式DVM,响应于被测电压的瞬时值,优点：测量速率快缺点：准确度低,响应于被测电压的平均值,优点：准确度高缺点：测量速率低,非积分式,逐次逼近式,代表:,代表:,线性斜坡式阶梯斜坡式,积分式,代表:,双斜式多斜式,1、非积分式DVM,逐次逼近式,原理：与天平称重相似,砝码,待测,原则：大者弃，小者留,逐次逼近比较式A/D变换过程,钟脉冲,起始脉
6、冲,例:三位二进制,Vr=5V,Vx=4V,1,100,Vr/2=2.5,2.54V,Vo0,保留,2,110,Vr/2+Vr/22=3.75,3.754,Vo0,保留,3,111,Vr/2+Vr/22+Vr/23=4.375,4.3754,Vo0,舍弃,110 经过译码显示3.75V,逐次逼近比较式存在量化误差.,结论:,其准确度由基准电压、D/A变换器、比较器的漂移所决定。,变换时间与输入电压大小无关，仅由它的数码的位数（比特数）和钟频决定。,逐次逼近比较式的A/D变换能兼顾速度、精度和成本三个方面的要求。,斜坡电压式DVM,原理框图,步骤,相应波形,结论,分为两步：1、模拟直流电压变换成
7、时间间隔。2、用计数法对时间间隔进行数字编码。,输入比较器,斜坡电压发生器,接地比较器,逻辑控制电路,时钟脉冲,计数器,+12,-12,Vx,复位,0,返回,被测电压Vx,t,门内时钟脉冲,结论:,实质:V-T变换,测量准确度,由斜坡电压的线性、斜率稳定与否，及时间测量是否准确决定。,线路简单，准确度较低。,例：,若斜坡电压的斜率为10V/50ms，要求4位数字读出，则时钟脉冲频率应为多少？若被测电压为9.163V,则累计脉冲数为多少?,解:,时钟脉冲频率应为:,门控时间应为:,累积脉冲数:,通过小数点位置的调整,可显示出 9.163V,2、积分式DVM,DVM的灵敏度极高，测量准确度高于模拟
8、电压表,存在串模干扰和共模干扰，,相应地，有串模干扰抑制比和共模干扰抑制比。,A、定义：,1、串模干扰定义：指干扰源以串联形式与被测电压一起叠加到DVM输入端。见图1。,2、共模干扰定义：通过环路地电流对两根测试线都产生影响的干扰。见图2。,串模干扰抑制比：,Vsm串模干扰电压峰值,由Vsm所造成的最大显示误差,共模干扰抑制比：,Vsm是共模干扰转化成的串模干扰电压。,I1,B、克服方法：,1、串模干扰：,采用积分电路DVM,选择积分时间为干扰信号周期Tsm的整数倍T=nTsm,满足以上条件，则SMR=。,2、共模干扰：,对于非积分式DVM，因为它是对被测电压的瞬时值产生响应，故对串模干扰没有
9、抑制能力。,对于积分式DVM，由于是对被测电压在采样（积分）时间内的平均值产生响应，故可平均掉叠加在被测电压上的串模干扰电压，从而具有高的SMR。,在积分式DVM中，A/D变换分为VF和VT变换式。,难点小结,V-T变换,特点:在一次测量过程中，用同一积分器先后进行两次积分。,逻辑控制电路,十进计数器,主门,A1,A2,-,+,-,+,c,积分器,比较器,时钟,Vo,-Vx,Vref,s1,s2,1,2,二、工作（二次积分）过程：,1、对被测电压定时积分,2、对基准电压定值反向积分,1、无干扰时,2、有串模干扰Vsm时,则：,定时积分,结论：平均值减少了影响,在T1内：,（1）,三、基本关系式
10、,定值反向积分,在T2内：,将（1）式代入（2）式，有,（2）,结论：,1、VxT2，Vx=N2Vr/N1，如果Vr/T1=10n或Vr/N1=10n，则T2或N2确定小数点后，可直接在显示器上显示。,2、与RC无关，所以DVM可在对积分元件准确度要求不高的条件下，得到高的测量准确度。,当,则Vx=2V。,3、只与T1，T2比值有关，故对时钟源频率准确度要求不高。,4、抗干扰能力强，但速率较低，逐次逼近比较式要快得多。,四、测量误差,DVM的测量误差有固有误差、附加误差等。,固有误差：,Vm满度量程,相对项系数,误差的固定项系数,第一项为读数误差，第二项为满度误差。,3、DVM主要工作特性,（
11、一）测量范围,1、量程,2、显示位数及超量程能力,nV-kV,只能够显示0和1两个数码的那些位-1/2位.,*基本量程为1或10V时，表示具有超量程能力。,例10V，4位DVM，最大为9.999V，无超量程能力；而最大为19.999V，则具有超量程能力，为 位。,*基本量程为2V或20V等，最大显示为1.9999V或19.999V时,我们说它为 位，但无超量程能力。,超量程能力用超过量程的百分数表示。,例如9999 19999，称为超100%。,（二）分辨力,DVM能够显示Vx的最小变化值。在最小量程上，具有最高的分辨力。,例如，最小量程为0.100000V，则末位变一个字为1V，则分辨力为1
12、V。,（三）测量速率,主要取决于变换器的变换速率，一般达不到每秒百次的速度，较逐次逼近式慢得多。,（四）抗干扰能力,积分式DVM是响应于被测信号电压在一个测量周期的平均值，SMR很高。,设Vx，串模干扰为Vsmsint，则,其中，,产生示值误差：,则最大可能的示值误差为：,则串模干扰抑制比为：,将上式用曲线表示，T=10ms，T=100ms的两组曲线。,可从上图得到结论：,1、对给定的积分时间，干扰频率越高，SMR越大，干扰主要在低频。,所以导致测量速率下降。,3、采样周期 T=nTsm 时，SMR=无穷。,一般串模干扰 为工频50Hz，即Tsm=20ms，故T一般取20ms的整数倍。,返回,
13、电压测量集成电路,单片A/D转换器单片数字万用表专用集成电路单片真有效值交流/直流（AC/DC）转换器多重显示数字万用表专用集成电路,根据功能，大致可分为几类,单片集成A/D转换器是采用CMOS工艺将数字电压表的基本电路（模拟电路与数字电路）集成在同一芯片上，配以LCD或LED数字显示器能显示A/D转换结果集成电路。,单片A/D转换器定义,按智能化程度来区分，可分成纯硬件单片A/D转换器和本身带微处理器的单片A/D转换器两种。,单片A/D转换器分类,举例,HI7159A芯片是美国HARRIS公司推出的带微处理器的 位A/D转换器，逐次累加式双积分。,7106是纯硬件单片 位CMOS双积分型A/
14、D转换器，由异或门输出，能驱动夜晶显示器LCD，采用迭层电池供电。,7106典型接线图,返回,本章内容及要求,1、掌握峰值、平均值、有效值三种检波方式的组成形式特点及刻度特性；,2、掌握逐次逼近式DVM、斜坡电压式DVM的组成框图和工作原理；,3、掌握积分式DVM的特点和双积分式DVM的原理框图、工作原理；,均以正弦有效值刻度,5、了解对电压测量的基本要求和电压测量仪器的分类；,6、了解分贝的测量、噪声测量、高频电压标准及阻抗的数字化测量方法；,4、了解DVM的重要工作特性和在DVM中的自动功能。,对于积分式DVM，由于是对被测电压在采样（积分）时间内的平均值产生响应，故可平均掉叠加在被测电压
15、上的串模干扰电压，从而具有高的SMR。,本章重点：,模拟电压表和数字电压表的工作原理、主要工作特性及特点。,本章作业：,电压测量技术的应用、设计有关参数的测量电路框图及测量误差分析。,第六章,课本P551，第1、2、3、6、13、14题,定义释疑,返回,数字电压表有许多突出的技术性能，如高输入阻抗、高 精度、高灵敏度，但正是由于这些特点，对抗干扰能力的要求就很高。,抗干扰能力,为了抑制干扰，在数字电压表中，采取了各种严格的防护措施，使结构复杂，工艺要求很高,串模干扰电压又称串态干扰电压，它的来源很多，空间的电磁波、供电系统的扰动脉冲、交流电源的工频干扰、直流稳压电源中的纹波电压等等。,返回,共模干扰又称共态干扰，它是被测源的地线和数字电压表地线之间存在的电位差造成的,为提高共模干扰抑制比时，必须减少共模干扰向串模干扰转化的途径，这时可增大Z2，并对DVM测量系统的A/D变换部分进行浮置或多层屏蔽。,返回,
