【正文】 現(xiàn)代電子測量技術(shù) 趙志斌 電力系電信教研室 電壓測量 第 5章 電壓測量 概述 電壓標準 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)字電壓表測量的不確定度及 自動校準、自動量程技術(shù) 電壓測量的干擾及抑制技術(shù) 概述 5． 1． 1 電壓測量的意義、特點 ? 1） 電壓測量的重要性 —— 闡述電壓測量的意義、重要性及應(yīng)用。 ? 2）電壓測量的特點 —— 從電壓測量的頻率、范圍、要求等方面闡述其特點，這些特點也反映了電子測量的主要特點。 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)； ◆ 電測量中，許多電量的測量可以轉(zhuǎn)化為電壓測量： 表征電信號能量的三個基本參數(shù)：電壓、電流、功率 其中：電流、功率 —— 〉 電壓，再進行測量 電路工作狀態(tài)： 飽和與截止，線性度、失真度 —— 〉 電壓表征 ◆ 非電測量中，物理量 —— 〉 電壓信號，再進行測量 如：溫度、壓力、振動、（加）速度 2）電壓測量的特點 ：零頻（直流）～ 109Hz 低頻： 1MHz以下；高頻（射頻）： 1MHz以上。 微弱信號 :心電醫(yī)學信號、地震波等 ,納伏級（ 109V）； 超高壓信號：電力系統(tǒng)中，數(shù)百千伏。 電壓信號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；隨機噪聲。 2）電壓測量的特點 在多級系統(tǒng)中，輸出級阻抗對下一輸入級有影響。 直流測量中 ，輸入阻抗與被測信號源等效內(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， 當測量小電阻時，應(yīng)采用電壓表并聯(lián)方案； 當測量大電阻時，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反射。 2）電壓測量的特點 101至 109。 靜態(tài)測量：直流（慢變化信號） ,幾次 /秒 。 動態(tài)測量：高速瞬變信號 ,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。 5． 1． 2 電壓測量的方法和分類 2. 電壓測量方法的分類 按對象：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)動表頭 〉指示 —— 有效值、峰值和平均值電壓表，電平表等。 5． 1． 2 電壓測量的方法和分類 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）的擴展功能。 5． 1． 2 電壓測量的方法和分類 4）基于采樣的交流電壓測量方法 交流電壓 〉 A/D轉(zhuǎn)換器 〉 瞬時采樣值 u(k) 〉 計算，如有效值 式中， N為 u(t)的一個周期內(nèi)的采樣點數(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?? ?5． 2 電壓標準 直流電壓標準 電壓和電阻是電磁學中的兩個基本量。 電壓基準和電阻基準 —— 〉 其他電磁量基準。 電壓標準有： 標準電池（實物基準， 106）； 齊納管電壓標準 （固態(tài)標準， 106）； 約瑟夫森量子電壓基準 （量子化自然基準， 1010）。 電阻標準有： 精密線繞電阻（實物標準）； 霍爾電阻基準（量子化自然基準， 109）。 交流電壓標準 ? 原理 ? 由直流電壓標準建立。 因而，需經(jīng)過交流 直流變換。 ? 測熱電阻橋式高頻電壓標準 ? 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 標準直流電壓 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。 ? 雙測熱電阻電橋的原理圖 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)。 ? 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)Vp0UmTU5． 3． 1 表征交流電壓的基本參量 ? 平均值（均值） ? 數(shù)學上定義為： 相當于交流電壓 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）： ? 對理想的正弦交流電壓 u(t)=Vpsin(ωt) ，若 ω=2π/T 01 ()TU u t dtT? ?01 ()TU u t d tT? ?~2 0 .6 3 7ppU V V???5． 3． 1 表征交流電壓的基本參量 ? 有效值 ? 定義：交流電壓 u(t)在一個周期 T內(nèi)，通過某純電阻負載 R所產(chǎn)生的熱量，與一個直流電壓 V在同一負載上產(chǎn)生的熱量相等時，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 2V TR20()T utdtR?201 ()TV u t d tT? ?5． 3． 1 表征交流電壓的基本參量 ? 有效值 ? 意義：有效值在數(shù)學上即為 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。 ? 對理想的正弦交流電壓 u(t)=Vpsin(ωt) ，若 ω=2π/T ? 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， ~1 2 ppV V V??ppVKV??峰值有效值5． 3． 1 表征交流電壓的基本參量 ? 波峰因數(shù)和波形因數(shù) ? 對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 .1 12/ 22pFpVKV??? ? ?（）5． 3． 1 表征交流電壓的基本參量 ? 波峰因數(shù)和波形因數(shù) ? 常見波形的波峰因數(shù)和波形因數(shù)可查表得到： 如正弦波： Kp=， KF=； 方波： Kp=1， KF=1； 三角波： Kp=， KF=； 鋸齒波： Kp=， KF=； 脈沖波： Kp= ， KF= ， 為脈沖寬度， T為周期 白噪聲： Kp=3（較大）， KF=。 T? T??5． 3． 2 交流 /直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析 ? 1）交流 /直流電壓（ ACDC）轉(zhuǎn)換原理 ? 模擬電壓表的交流電壓測量原理： 交流電壓 〉 直流電流（有效值、峰值和平均值） 〉 驅(qū)動表頭 〉 指示。 交流電壓 〉 有效值、峰值和平均值的轉(zhuǎn)換，稱為 ACDC轉(zhuǎn)換。由不同的檢波電路實現(xiàn)。 ? 峰值檢波原理 由二極管峰值檢波電路完成。有二極管串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。如下圖。 1）交流 /直流電壓（ ACDC）轉(zhuǎn)換原理 二極管峰值檢波電路（ , ,） DVpC RLu ( t)CD RLu ( t) Vpa bVPu ( t)tc1）交流 /直流電壓（ ACDC）轉(zhuǎn)換原理 ? 二極管峰值檢波電路工作原理 ? 通過二極管 正向快速充電 達到輸入電壓的峰值，而二極管 反向截止時 “ 保持 ” 該峰值。 為此，要求： 式中， Rs和 rd分別為等效信號源 u(t)的內(nèi)阻和二極管正向?qū)娮瑁?C為充電電容（并聯(lián)式檢波電路中 C還起到隔直流的作用）， RL為等效負載電阻， Tmin和 Tmax為u(t)的最小和最大周期。 ? 從波形圖可以看出，峰值檢波電路的輸出存在較小的波動，其 平均值略小于實際峰值 。 m i n m a x( ) ,s d LR r C T R C T?1）交流 /直流電壓（ ACDC）轉(zhuǎn)換原理 ? 平均值檢波原理 ? 由二極管橋式整流（全波整流和半波整流）電路完成。 ? 如圖，整流電路輸出直流電流 I0，其平均值與被測輸入電壓 u(t)的平均值成正比（與 u(t)的波形無關(guān)）。 （電容 C用于濾除整流后的交流成分，避免指針擺動） I0u ( t)D 1 D 2D 3 D 4CCu ( t)D 1D 2I01）交流 /直流電壓（ ACDC）轉(zhuǎn)換原理 ? 平均值檢波原理 ? 以全波整流電路為例， I0的平均值為 式中， T為 u(t)的周期， rd和 rm分別為檢波二極管的正向?qū)娮韬碗娏鞅韮?nèi)阻，可視為常數(shù)（它反映了檢波器的靈敏度 ）。 ? 于是， I0的平均值 與 u(t)的平均值 成