第5章电压测量2.ppt

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1、533 模拟式交流电压表,模拟电压表组成方案检波器是实现交流电压测量（AC-DC变换）的核心部件，同时，为了测量小信号电压，放大器也是电压表中不可缺少的部件，因此，组成方案有两种类型：一种是先检波后放大，称为检波-放大式；一种是先放大后检波，称为放大-检波式。模拟电压表的两个重要指标：带宽和灵敏度(分辨力)。1）检波-放大式电压表组成框图,1）检波-放大式电压表,a.组成框图;b.提高灵敏度措施检波器决定电压表的频率范围、输入阻抗和分辨力。峰值电压表常用这种类型。,1）检波-放大式电压表,检波器为提高频率范围，采用超高频二极管检波，其频率范围可从直流到几百兆赫，并具有较高的输入阻抗。检波二极管

2、的正向压降限制了其测量小信号电压的能力（即灵敏度限制），同时，检波二极管的反向击穿电压对电压测量的上限有所限制。为减小高频信号在传输过程中的损失，通常将峰值检波器直接设计在探头中。放大器采用桥式直流放大器，它具有较高的增益。直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。,1）检波-放大式电压表,放大器为提高灵敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斩波稳零式直流放大器，其灵敏度可达几十微伏。称之为“调制式电压表”。检波-放大式电压表常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表”。国产HFJ-8型高频毫伏表（调制式）。,533 模拟式交流电压表,2）放大-检波式电压表组成框图先放大再检波，因此灵敏度很高。

3、均值电压表常用这种方式。放大器宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为10MHz。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表”。灵敏度受宽带交流放大器内部噪声限制。,533 模拟式交流电压表,3）分贝测量及宽频电平表分贝声学中，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：当用分贝表示电压时，由功率与电压的关系：和当R1=R2时，有,3）分贝测量及宽频电平表,分贝可见，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

4、，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）。则功率电平：显然，当Px=P0=1mW为0dBm时，若Px1mW，分贝值为正，若Px1mW，分贝值为负。,3）分贝测量及宽频电平表,分贝电压电平：以600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 和 之间可换算或查表。,3）分贝测量及宽频电平表,宽频电平表具有分贝读数的电压表称为“宽频电平表”。组成框图：在均值电压表（放大-检波式）基础上设计的。,3）分贝测量

5、及宽频电平表,宽频电平表如图，输入衰减器上用dB表示“输入电平”选择，衰减步进为10dB，相当于衰减 倍，（）。输入衰减器可用标准电平振荡器校准。可根据测量时的阻抗匹配原则选择“输入阻抗”（一般有75/150/600/高阻共4档）。宽带放大器上还有“电平校准”旋钮，用于调节放大器增益。表头刻度为dB，可以是dBV（测量电压电平）或dBm（测量功率电平）两者之一，也可以是两者兼容。,3）分贝测量及宽频电平表,宽频电平表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600，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-

6、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，被测电压的dB值应为：衰减器读数表头读数。,3）分贝测量及宽频电平表,宽频电平表注：衰减器的读数是依据其后面的放大器增益标出的（并不表示其真实的衰减量）。例如，若某电平表的最高灵敏度为-70dB，当输入最小电压-70dB时（，衰减器不衰减），希望表头指示0dB，则放大器输出（加到检波器输入）必须为0.775V，相应的放大器增益应为70dB（）。而此时，虽然衰减器没有衰减，但应标注为“70dB”。则：当表头读数为0dB时，实际被测电压dB值70dB0dB70dB。,3）分贝测量及宽频电平表

7、,宽频电平表对功率电平的测量：实际上是对阻抗两端电压电平的测量。“零刻度基准阻抗”：与1mW基准功率对应的阻抗Z0，取为600。此时表头的功率电平刻度与电压电平刻度一致（实际表头的功率电平刻度就是按600“零刻度基准阻抗”定度的）。若选择输入阻抗Zi600，就可直接从表头读出功率电平值。当Zi600时，则应根据读出的电压电平换算出功率电平，其换算公式为,4）外差式选频电平表,原理外差式接收原理。特点大大提高灵敏度（可达-120dB，相当于0.775V）。常称为“高频微伏表”。如DW-1型，频率范围为100kHz300MHz，最小量程15V。应用小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。放大器谐

8、波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。,4）外差式选频电平表,组成框图组成：外差式接收机宽频电平表。两级变频：输入fx与第一本振f1（可调）混频，经带通滤波器选出fZ1（固定）；,4）外差式选频电平表,组成：fZ1再与第二本振输出f2（固定）混频，得到固定的第二中频fZ2（经窄带滤波器选出）。中频放大器：在窄带中频上有很高的增益（从而实现高灵敏度）。表头：dB刻度。外差式选频电平表通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现高灵敏度。很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。,5）电压表的使用,了解不同电压表的性能特点，根据应用场合加以选用。峰值电压表检波-放大式。峰值响应、

9、频率范围较宽（达1000MHz）但灵敏度低（mV级）。“调制式电压表”：采用高增益低漂移的调制式直流放大器，使测量灵敏度大为提高，从mV级提高到几十V。读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值（或峰值）。需注意：测量波峰因数大的非正弦波时，由于削波可能产生误差。,5）电压表的使用,均值电压表放大-检波式。均值响应、灵敏度比峰值表有所提高但频率范围较小（10MHz），主要用于低频和视频场合。读数的换算：根据波形因数，将读数换算成有效值（或均值）。有效值电压表可以直接读出有效值，非常方便。由于削波和带宽限制，将可能损失一部分被测信号的有效值，带来负的测量误差。较为复杂，价格较贵。,5）电压表的

10、使用,宽频电平表以分贝表示的功率电平和电压电平。电压电平：步进衰减器读数表头读数。功率电平：当输入阻抗等于表头标定时采用的零刻度基准阻抗600时，功率电平与电压电平具有相同的表头刻度。否则，需用 进行修正。选频电平表外差式接收原理。内部放大器对窄带中频放大，增益很高，使测量灵敏度得到大幅提高。适合测量小信号。,54 直流电压的数字化测量及A/D转换原理,541 DVM的组成原理及主要性能指标1）DVM的组成数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。组成框图,541 DVM的组成原理及主要性能指标,1）DVM的组成组成框图包括模拟和数字两部分。输入电路：对输入电压衰减

11、/放大、变换等。核心部件是A/D转换器（Analog to Digital Converter，简称ADC），实现模拟电压到数字量的转换。数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,应用直流或慢变化电压信号的测量（通常采用高精度低速A/D转换器）。通过AC-DC变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成交流数字电压表。通过电流-电压、阻抗-电压等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能。基于微处理器的智能化DVM称为数字多用表（DMM，Digital MultiMeter）。DMM功

12、能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,2）主要性能指标显示位数完整显示位：能够显示09的数字。非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最高位上）。如4位DVM，具有4位完整显示位，其最大显示数字为9999。而 位（4位半）DVM，具有4位完整显示位，1位非完整显示位，其最大显示数字为19999。量程基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/D转换器动态范围确定。通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展其他量程。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、

13、10V、100V、1000V等五档量程；基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五档量程。分辨力指DVM能够分辨最小电压变化量的能力。反映了DVM灵敏度。用每个字对应的电压值来表示，即V/字。不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小量程上具有最高分辨力。例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字（即当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字”）。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,分辨力分辨率：用百分数表示，与量程无关，比较直观。如上述的DVM

14、在最小量程200mV上分辨力为0.1mV，则分辨率为：分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3位半的DVM，可显示出1999（共2000个字），则分辨率为测量速度每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒几十次/秒。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,测量精度取决于DVM的固有误差和使用时的附加误差（温度等）。固有误差表达式：示值（读数）相对误差为：式中，Vx被测电压的读数；Vm该量程的满度值（Full Scale,FS）；误差的相对项系数；误差的固定项系数。固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。读数误差：与当前读数有关

15、。主要包括DVM的刻度系数误差和非线性误差。满度误差：与当前读数无关，只与选用的量程有关。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,测量精度有时将 等效为“n字”的电压量表示，即 如某台3位半DVM，说明书给出基本量程为2V，=（0.01%读数+1字）。则在2V量程上，1字=0.1mV，由 2V=0.1mV可知，=0.005%，即表达式中“1字”的满度误差项与“0.005%”的表示是完全等价的：当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当被测量较大时，读数误差起主要作用。为减小满度误差的影响，应合理选择量程，以使被测量大于满量程的2/3以上。,541 DVM的组成原理及主要性能指标,输入阻抗输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10M1000M之间。对于交流DVM，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值一般在几十几百pF之间。,