【正文】 第 1頁 第 5章 電壓測量 概述 電壓標(biāo)準(zhǔn) 交流電壓的測量 直流電壓的數(shù)字化測量及 A/D轉(zhuǎn)換原理 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用表 數(shù)字電壓表的誤差分析及自動(dòng)化技術(shù) 電壓測量的干擾及抑制技術(shù) 第 2頁 1）電壓測量的重要性 ◆ 電壓測量是電測量與非電測量的基礎(chǔ) ,具體有： A 電測量中，許多電量的測量可以轉(zhuǎn)化為電壓測量： 表征電信號(hào)能量的三個(gè)基本參數(shù)：電壓、電流、功率 其中：電流、功率 ——〉 電壓，再進(jìn)行測量 B 電路工作狀態(tài)： 飽和與截止，線性度、失真度 ——〉 電壓表征 C 非電測量中，物理量 ——〉 電壓信號(hào)，再進(jìn)行測量 如：溫度、壓力、振動(dòng)、（加）速度 概述 電壓測量的意義、特點(diǎn) 第 3頁 2）電壓測量的特點(diǎn) ：零頻（直流）～ 109Hz 低頻： 1MHz以下；高頻（射頻）： 1MHz以上。 微弱信號(hào) :心電醫(yī)學(xué)信號(hào)、地震波等 ,納伏級(jí) (109V）； 超高壓信號(hào)：電力系統(tǒng)中，數(shù)百千伏。 電壓信號(hào)波形是被測量信息的載體。 各種波形：純正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；隨機(jī)噪聲。 第 4頁 被測信號(hào)接入電壓測量儀器后，儀器等效輸入阻抗將對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響。 直流測量中 ，輸入阻抗與被測信號(hào)源等效內(nèi)阻形成分壓，使測量結(jié)果偏小。 如：采用電壓表與電流表測量電阻， 當(dāng)測量小電阻時(shí)，應(yīng)采用電壓表并聯(lián)方案； 當(dāng)測量大電阻時(shí)，應(yīng)采用電流表串聯(lián)方案。 交流測量中 ，輸入阻抗的不匹配引起信號(hào)反射。 第 5頁 工業(yè)測控場合有時(shí)只是需要監(jiān)測電壓的大致范圍，其精度較低，高精度測量有時(shí)則要達(dá)到 101至109精度。 靜態(tài)測量：直流（慢變化信號(hào)） ,幾次 /秒 。 動(dòng)態(tài)測量：高速瞬變信號(hào) ,數(shù)億次 /秒 (幾百 MHz)精度與速度存在矛盾，應(yīng)根據(jù)需要而定。 工業(yè)現(xiàn)場測試中，存在較大的干擾。電壓測量要特別重視抗干擾措施，提高測量儀器的抗干擾能力。 第 6頁 電壓測量的方法和分類 電壓測量方法的分類 按對(duì)象：直流電壓測量；交流電壓測量 按技術(shù)：模擬測量；數(shù)字測量 1）交流電壓的模擬測量方法 表征交流電壓的三個(gè)基本參量：有效值、峰值和平均值。以有效值測量為主。 方法：交流電壓（有效值、峰值和平均值） 〉直流電流 〉 驅(qū)動(dòng)表頭 〉 指示 ——有效值、峰值和平均值電壓表，電平表等。 第 7頁 2）數(shù)字化直流電壓測量方法 模擬直流電壓 〉 A/D轉(zhuǎn)換器 〉 數(shù)字量 〉 數(shù)字顯示（直觀） ——數(shù)字電壓表（ DVM），數(shù)字多用表（ DMM）。 3）交流電壓的數(shù)字化測量 交流電壓（有效值、峰值和平均值） 〉 直流電壓 〉 A/D轉(zhuǎn)換器 〉 數(shù)字量 〉 數(shù)字顯示 ——DVM（ DMM）的擴(kuò)展功能。 第 8頁 4）基于采樣的交流電壓測量方法 交流電壓 〉 A/D轉(zhuǎn)換器 〉 瞬時(shí)采樣值 u(k) 〉計(jì)算，如有效值 式中， N為 u(t)的一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。 5）示波測量方法 交流電壓 〉 模擬或數(shù)字示波器 〉 顯示波形 〉讀出結(jié)果 211 ()NkV u kN?? ?第 9頁 5． 2 電壓標(biāo)準(zhǔn) 直流電壓標(biāo)準(zhǔn) 電壓和電阻是電磁學(xué)中的兩個(gè)基本量。 其他電磁量基準(zhǔn)可由電壓基準(zhǔn)和電阻基準(zhǔn)導(dǎo)出。 電壓標(biāo)準(zhǔn)有： 標(biāo)準(zhǔn)電池（實(shí)物基準(zhǔn)， 106）； 齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn) （固態(tài)標(biāo)準(zhǔn)， 106）； 約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)（量子化自然基準(zhǔn)， 1010）。 電阻標(biāo)準(zhǔn)有： 精密線繞電阻（實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)）； 霍爾電阻基準(zhǔn)（量子化自然基準(zhǔn)， 109）。 第 10頁 直流電壓標(biāo)準(zhǔn) 1. 標(biāo)準(zhǔn)電池 原理： 利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的電動(dòng)勢 （ ）。 有飽和型和不飽和型 兩種類型。 飽和型特點(diǎn)： 電動(dòng)勢非常穩(wěn)定（年穩(wěn)定性可小于 V，相當(dāng)于 5 107），但溫度系數(shù)較大（約－ 40μ V/℃ ）。用于計(jì)量部門 恒溫條件下 的電壓標(biāo)準(zhǔn)器。 不飽和型特點(diǎn)： 溫度系數(shù)很?。s－ 4μ V/℃ ），但穩(wěn)定性較差。用于一般工作量具，如實(shí)驗(yàn)室中常用的便攜式 電位差計(jì) 。 第 11頁 使用中應(yīng)注意： 1）不能傾倒；不能震動(dòng)、沖擊（不易運(yùn)輸）。 2）溫度修正（特別是對(duì)飽和型）。 “ 溫度 —電動(dòng)勢 ” 修正公式 ： 式中， Et、 E20分別為 t℃ （使用時(shí)的溫度）和20℃ （出廠檢定時(shí)溫度）時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢 。 3）標(biāo)準(zhǔn)電池存在內(nèi)阻，儀表輸入電阻應(yīng)較大。 232046[ 3 9 . 9 4 ( 2 0 ) 0 . 9 2 9 ( 2 0 ) 0 . 0 0 9 2 ( 2 0 )0 . 0 0 0 0 6 ( 2 0 ) ] 1 0 ( )tE E t t ttV ?? ? ? ? ? ? ? ???第 12頁 2. 齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn) ? 原理 利用 齊納二極管的穩(wěn)壓特性 制作的電子式電壓標(biāo)準(zhǔn)（也稱為固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)）。 ? 齊納管的穩(wěn)壓特性仍然存在受溫度漂移的影響，采用高穩(wěn)定電源和內(nèi)部恒溫控制電路可使其溫度系數(shù)非常小 。 ? 將齊納管與恒溫控制電路集成在一起的精密電壓基準(zhǔn)源，如 LM199/299/39 REF系列。 第 13頁 ? 為克服輸出電壓的波動(dòng)，還可將多個(gè)精密電壓基準(zhǔn)源并聯(lián)，得到它們的平均值。 +V1V2V3V4R1R2R3R4R5R6( R1= R2= R3= R4)1 2 3 4V + V + V + VV=4561oRVVR???? ????第 14頁 上圖中，假設(shè)運(yùn)放是理想的， 則流入運(yùn)放同相端電流 I+=0，即 若 R1=R2=R3=R4，則 而輸出電壓 31 2 41 2 3 40VVV V V V V VR R R R?? ? ??? ? ?? ? ? ?1 2 3 44V V V VVV?? ? ???561o RVVR????????第 15頁 ? 齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn)器整機(jī)輸出電壓有： 10V、 1V和 。 10V輸出便于檢定和傳遞到高電壓，且運(yùn)輸、保存和使用方便。 如 WUK7000系列直流電壓參考標(biāo)準(zhǔn)： 10V輸出的年穩(wěn)定性可達(dá) 106 ； 1V和 2 106，溫度系數(shù)為 106。 第 16頁 3. 約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn) ? 原理 ? 基于約瑟夫森（ Josephson） 效應(yīng)的量子電壓基準(zhǔn) ? 約瑟夫森效應(yīng) ? 約瑟夫森隧道結(jié)：在兩塊相互隔開（約 10埃的絕緣層）的超導(dǎo)體之間，由于 量子隧道效應(yīng) ，超導(dǎo)電流（約 mA量級(jí)）可以穿透該絕緣層，使兩塊超導(dǎo)體之間存在微弱耦合，這種超導(dǎo)體 絕緣體 超導(dǎo)體（ SIS）結(jié)構(gòu)稱為約瑟夫森隧道結(jié)。 ? 約瑟夫森效應(yīng)：當(dāng)在約瑟夫森結(jié)兩邊加上 電壓 V時(shí)，將得到穿透絕緣層的 超導(dǎo)電流 ，這是一種交變電流，這種現(xiàn)象稱為 交流約瑟夫森效應(yīng) 。 第 17頁 ? 約瑟夫森電壓基準(zhǔn) ? 根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)， 通過時(shí)間（頻率）單位得到量子化電壓基準(zhǔn)。 由穩(wěn)定的頻率（ f） —〉 確定電壓 V。 量子化電壓基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度可接近 時(shí)間（頻率）準(zhǔn)確度。 ? 國際計(jì)量委員會(huì)的建議： 從 1990年 1月 1日開始，在世界范圍內(nèi)同時(shí)啟用了約瑟夫森電壓量子基準(zhǔn)（ JJAVS， 1010）。 第 18頁 我國的約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn) ? 由中國計(jì)量科學(xué)研究院 (NIM)量子部建立。 ? 1993年底， 1V約瑟夫森結(jié)陣電壓基準(zhǔn)，測量不確定度達(dá)到 6 109 ； ? 1999年底， 10V約瑟夫森結(jié)陣電壓基準(zhǔn)，合成不確定度為 109(1σ ) 。 ? 應(yīng)用：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電池、固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)的量值傳遞，高精度數(shù)字多用表等的計(jì)量檢定，測量不確定度為 1 108)。 第 19頁 交流電壓標(biāo)準(zhǔn) ? 原理 ? 由直流電壓標(biāo)準(zhǔn)建立。 因而，需經(jīng)過交流 直流變換。 ? 測熱電阻橋式高頻電壓標(biāo)準(zhǔn) ? 基本原理： 將高頻電壓通過一電阻（稱為測熱電阻，如熱敏電阻），該電阻由于吸收高頻電壓功率，其阻值將發(fā)生變化，再將一 標(biāo)準(zhǔn)直流電壓 同樣施加于該電阻，若引起的阻值變化相等，則 高頻電壓的有效值 就等于該直流電壓。 第 20頁 高 頻 電 壓V0V1R F D C D CR FRGRRRTRTCCVR F雙測熱電阻電橋的原理圖 2 20 122 2222RFTTTV VVRRR?? ??? ? ? ?? ? ? ??? 如圖：標(biāo)準(zhǔn)電阻 (如 R= 200Ω) 組成三個(gè)橋臂，兩個(gè)完全相同的測熱電阻 RT（如RT=100Ω ）組成一個(gè)橋臂。 測量過程 “ DC”（直流）。調(diào)節(jié)直流電壓源到 V0，使電橋平衡，則測熱電阻 2RT= R。 “ RF”（射頻，即高頻電壓，設(shè)有效值為 VRF）。 此時(shí)，測熱電阻上同時(shí)施加有交流和直流功率，兩測熱電阻 RT對(duì)交流為并聯(lián)，對(duì)直流為串聯(lián)。 再次調(diào)節(jié)直流電壓源到 V1，使電橋平衡。 由兩次電橋平衡 的功率關(guān)系，有： 高頻電壓 有效值為： 22022RF VVV ??第 21頁 對(duì)上述電路的要求 1 兩個(gè)測熱電阻的一致性好 (阻值和溫度特性相同 )； 2 檢流計(jì)要非常靈敏 (特別是測量小的高頻電壓時(shí) )； 3 隔直電容 C應(yīng)保證滿足： ，使交流功率在電容 C上的損耗可以忽略。 測熱電阻電橋的缺點(diǎn) ? 測熱電阻對(duì)環(huán)境溫度敏感，操作較復(fù)雜； ? 一般不能直接讀數(shù)（需換算）。 準(zhǔn)確度： 若直流電壓標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度為 105，則得到的高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度可達(dá) 103 。 應(yīng)用： 對(duì)模擬電壓表檢定。 RC ???1第 22頁 5． 3 交流電壓的測量 5． 3． 1 表征交流電壓的基本參量 ? 峰值、平均值、有效值、波峰因數(shù)和波形因數(shù)。 1 峰值 ? 以零電平為參考的最大電壓幅值（用 Vp表示 ）。 注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱為振幅，（通常用 Um表示）。 tu (t)Vp0UmTU第 23頁 2 平均值（均值） ? 數(shù)學(xué)上定義為： 相當(dāng)于交流電壓 u(t)的 直流分量 。 ? 交流電壓測量中，平均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后的波形（一般若無特指，均為全波整流）： ? 對(duì)理想的正弦交流電壓 u(t)=Vpsin(ωt)，若 ω=2π/T 01 ()TU u t d tT? ?01 ()TU u t dtT? ?~2 ppU V V???第 24頁 3 有效值 ? 定義：交流電壓 u(t)在一個(gè)周期 T內(nèi)，通過某純電阻負(fù)載 R所產(chǎn)生的熱量，與一個(gè)直流電壓 V在同一負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時(shí)，則該直流電壓 V的數(shù)值就表示了交流電壓 u(t)的有效值。 ? 表達(dá)式： 直流電壓 V在 T內(nèi)電阻 R上產(chǎn)生的熱量 Q_=I2RT= 交流電壓 u(t) 在 T內(nèi)電阻 R上產(chǎn)生的熱量 Q~= 由 Q_= Q~得，有效值 201 ()TV u t d tT? ?2V TR20()T utdtR?第 25頁 ? 有效值 ? 意義：有效值在數(shù)學(xué)上即為 均方根值 。有效值反映了交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。 ? 對(duì)理想的正弦交流電壓 u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T ~1 0 . 7 0 72 ppV V V??第 26頁 4 波峰因數(shù)和波形因數(shù) 波峰因數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用 Kp表示， 對(duì)理想的正弦交流電壓 u(t)=Vpsin(ωt)，若 ω=2π/T 波形因數(shù)定義：有效值與平均值的比值，用 KF表示， 對(duì)理想的正弦交流電壓 u(t)=Vpsin(ωt)，若 ω=2π/T ~ 2 1 . 4 1/2pppVKV? ? ?FVKV??有效值平均值~( 1 / 2 ) 1