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正文內(nèi)容

現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)(4)(留存版)

  

【正文】 u(t)為正弦波時(shí), 讀數(shù) α 即為 u(t)的有效值 V(而不是該純正弦波的均值 )。 ? 檢波二極管的 正向壓降 限制了其測(cè)量小信號(hào)電壓的能力(即靈敏度限制),同時(shí),檢波二極管的 反向擊穿電壓 對(duì)電壓測(cè)量的上限有所限制。 ? 均值響應(yīng)、靈敏度比峰值表有所提高但頻率范圍較?。?10MHz),主要用于低頻和視頻場(chǎng)合。 5. 4. 1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) ? 應(yīng)用 ? 直流或慢變化電壓 信號(hào)的測(cè)量(通常采用高精度低速 A/D轉(zhuǎn)換器)。 ? 例如, 3位半的 DVM,在 200mV最小量程上,可以測(cè)量的最大輸入電壓為 ,其分辨力為 (即 當(dāng)輸入電壓變化 ,顯示的末尾數(shù)字將變化 “ 1個(gè)字 ” )。 % mV??( % )xV V n?? ? ? ? 字V?%%mV????%?( 0 .0 1 % 0 .0 0 5 % )mxVV? ? ? ?5. 4. 1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) ? 輸入阻抗 ? 輸入阻抗取決于輸入電路(并與量程有關(guān))。 ? 圖 b中,將被測(cè)電阻作為反饋電阻,將恒流源輸出 Ir流過(guò)一個(gè)已知的精密電阻,從而得到參考電壓 Vr 如圖,放大器輸出 ,于是 ? 如果將 Vo作為 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入,并將 Vr直接作為 A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓,即可實(shí)現(xiàn) 比例測(cè)量 。 串摸干擾 (差模干擾 )是指干擾信號(hào)以 串聯(lián)疊加的形式 對(duì)被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的干擾;共摸干擾是指干擾信號(hào) 同時(shí)作用于 DVM的兩個(gè)測(cè)量輸入端 (稱為高端 H和低端 L)。 ? 串模抑制比( NMR, Normal Mode Ratio)。 1 1 2 212122 1 2212()()( , , , )( , )c n H L H Lsc m c msc m s i c mcmi s c mcmc m c mU U U UI r R I rUUr R rr R r Z r rUr Z r r R rrrU r r r? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ????12,rr ,s cmRriZ cmU5. 7. 3 共模干擾的抑制 ? 共模抑制比( CMR, Common Mode Ratio) ? 定量表示 DVM的對(duì)共模干擾的抑制能力,定義為 ? CMR表示共模干擾電壓轉(zhuǎn)換為影響測(cè)量結(jié)果的串模干擾電壓的大小。 ? 其他措施: ? 浮置雙端對(duì)稱測(cè)量:雙端對(duì)稱輸入+浮置方法。 Vxr1r2rc mUc mRs HLGZiI1I2D V M( 機(jī) 殼 )B5. 7. 3 共模干擾的抑制 ? 如圖, 共模干擾電壓 Ucm通過(guò) 環(huán)路電流 I1和 I2同時(shí)作用于DVM的 H、 L端(但是,他們對(duì) H、 L端的影響量并不相等,見后面的分析),從而造成測(cè)量誤差。 ? 尖峰脈沖的干擾 :由于干擾強(qiáng)度大持續(xù)時(shí)間短,一般首先應(yīng)在信號(hào)輸入端加入限幅,再采用模擬硬件濾波器或軟件數(shù)字濾波。 12,x l x lR R R R34,l in l inR R R RRxI rIr VxD M MRl1Rl2RxIrIr VxD M MRl1Rl2Rl3Rl45. 5. 2 數(shù)字多用表 ? 實(shí)際產(chǎn)品 Agilent 3458A: 8位半 DMM。 ? 電阻 電壓( R/V)變換原理圖。 n字 ” 的電壓量表示,即 ? 如某臺(tái) 3位半 DVM,說(shuō)明書給出基本量程為 2V, =177。 ? 分辨力 ? 指 DVM能夠 分辨最小電壓變化量的能力 。 ? 輸入電路:對(duì)輸入電壓衰減 /放大、變換等。 ? “ 調(diào)制式電壓表 ” :采用高增益低漂移的調(diào)制式直流放大器,使測(cè)量靈敏度大為提高,從 mV級(jí)提高到幾十 μV 。 ? 1)檢波 放大式電壓表 ? 組成框圖 1)檢波 放大式電壓表 ? a. 組成框圖 。 ~ ~ ~ ~ 2,p p p pp p p p pV V K V KV k kK K K K K?? ? ? ? ? ?任意任意任意 任意 任意 任意 任意2)峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 ? 刻度特性 ? 綜上所述,對(duì)于任意波形而言,峰值電壓表的讀數(shù) α 沒有直接意義,由讀數(shù) α 到峰值和有效值需進(jìn)行換算,換算關(guān)系歸納如下: 式中, α 為峰值電壓表讀數(shù),為波峰因數(shù)。 ? 熱電偶有效值檢波原理: 若通過(guò)被測(cè)交流電壓對(duì)熱電偶的熱端進(jìn)行加熱,則熱電動(dòng)勢(shì)將反映該交流電壓的有效值,從而實(shí)現(xiàn)了有效值檢波。 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(guò)二極管 正向快速充電 達(dá)到輸入電壓的峰值,而二極管 反向截止時(shí) “ 保持 ” 該峰值。 因而,需經(jīng)過(guò)交流 直流變換。 靜態(tài)測(cè)量:直流(慢變化信號(hào)) ,幾次 /秒 。 電壓信號(hào)波形是被測(cè)量信息的載體。 3)交流電壓的數(shù)字化測(cè)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。 ? 對(duì)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(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 .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=。 ? 因此,實(shí)際應(yīng)用中,采用 分段逼近平方律 的二極管伏安特性曲線圖的電路。 2212( ... )k V k V V? ? ? ? ?2)峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 ? 原理 ? 峰值響應(yīng),即: u(t)?峰值檢波 ?放大 ?驅(qū)動(dòng)表頭 ? 刻度特性 ? 表頭刻度按(純) 正弦波有效值刻度 。(若式中的任意波為正弦波,則 k=1,讀數(shù) α 即為正弦波的有效值)。 —— 稱之為 “ 調(diào)制式電壓表 ” ,如國(guó)產(chǎn) HFJ8型高頻毫伏表,最低量程為 3mV,最高工作頻率 300MHz。 4)實(shí)例分析 [例 ] 有效值電壓表的有限帶寬對(duì)測(cè)量非正弦電壓時(shí)的波形誤差。 5. 4. 1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) ? 2)主要性能指標(biāo) ? 顯示位數(shù) ? 完整顯示位 :能夠顯示 09的數(shù)字。 0 .1 m V 1 0 0 % 0 .0 5 %2 0 0 m V ??1 1 0 0 % 0 .0 5 %2022 ??5. 4. 1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) ? 測(cè)量精度 ? 取決于 DVM的固有誤差和使用時(shí)的附加誤差(溫度等)。 ? I/V變換 ? 基于歐姆定律,將被測(cè)電流通過(guò)一個(gè) 已知的取樣電阻 ,測(cè)量取樣電阻兩端的電壓,即可得到被測(cè)電流??蓪?shí)現(xiàn)開機(jī)自檢、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)量程選擇,以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理(求平均、均方根值)等自動(dòng)測(cè)量功能。如測(cè)量一個(gè)直流電橋的輸出。 例如,假設(shè)干擾信號(hào)最大幅度為 1mV,若 NMR=20dB,則干擾引入的最大誤差為 ,相當(dāng)于干擾信號(hào)最大幅度的 10%; 若 NMR=60dB,則最大誤差為 1μV ,相當(dāng)于干擾信號(hào)最大幅度的 %。而當(dāng)共模電壓為交流時(shí)(由于有 容抗的并聯(lián)作用 , Z2比純電阻時(shí)減小了), CMR會(huì)有所降低。導(dǎo)線電阻 r2取標(biāo)稱值 1kΩ。 ? 取定時(shí)積分時(shí)間 T1為工頻周期的整數(shù)倍,即 T1= 20ms,40ms, 80ms, 100ms等,這通過(guò)定時(shí)器(對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)分頻)即可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。 ? 共模干擾電壓也分 直流電壓和交流電壓 兩類。 ? 數(shù)字多用表的使用 ? 二端法和四端法測(cè)電阻。 ? 如下圖。 ? 固有誤差由兩部分構(gòu)成:讀數(shù)誤差和滿度誤差。 ? 如 4位 DVM,具有 4位完整顯示位,其最大顯示數(shù)字為 9999 。 [解 ] 為求解電壓表帶寬引起的波形誤差,需要對(duì)輸入電壓表的方波電壓的諧波成分進(jìn)行分析。如國(guó)產(chǎn) DA36型超高頻毫伏表,頻率范圍為 10kHz~ 1000MHz,電壓范圍(不加分壓器)1mV~ 10V。 ? 波形誤差。 對(duì)于非正弦波的任意波形,讀數(shù) α 沒有直接意義(既不等于其峰值 Vp也不等于其有效值 V)。 ? 單片集成 TRMS/DC電路,如 AD536AK等。 交流電壓 〉 有效值、峰值和平均值的轉(zhuǎn)換,稱為 ACDC轉(zhuǎn)換。 5)示波測(cè)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
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