模拟测量方法教学课件.ppt

1、模拟测量方法1VkV -kM -1 1、按显示方式分：、按显示方式分：功能功能1fMHz 300fMHz 检波器检波器二次谐波的产生的误差比三次谐波的小特点：大大地扩展有效值检波器的动态范围，此种方法用得较为广泛。1、白噪声电压的瞬时值呈正态分布，其概率密度函数：有效值电压的测量（续）4 分贝的测量（续）交流电压表整流直流表头原因：受放大器动态范围的限制假定：以基准量U00.B、保留Rs，接上噪声信号源输出Uns，测得Uno2二次谐波的产生的误差比三次谐波的小利用二极管和电阻网络，人为地制造一条用折线逼近的平方率曲线。3、失真正弦波的波形误差读数均为10V，问被测电压的有效值分别为多少？1、白

2、噪声电压的瞬时值呈正态分布，其概率密度函数：4 分贝的测量（续）产生新的频率分量%Ux读数值的百分数指示微安表自身误差、检波二极管性能参数变化、被测电压超过频率范围、波形不同都会带来误差。范围：对过高的尖峰可能产生削峰Tmax、Tmin是被测电压的最大周期和最小周期01()TUu t dtT 01()TUu t dtT t tu(t)Vp0UmTU振幅振幅峰值峰值平均值平均值201()TUu t dtT 各类电压表都是按正弦波有效值定度的；各类电压表都是按正弦波有效值定度的；若被测电压都是正弦波，且角频率成倍数关系，若被测电压都是正弦波，且角频率成倍数关系，则有效值满足叠加性：则有效值满足叠加

3、性：12()()()()nu tu tu tu t222212nUUUUFUKU PPUKU U2PU2PU 3PU2PURA 整流直流表头整流直流表头ACDCA 交流交流直流直流整流整流A 交流交流直流直流放大检波式放大检波式放大器放大器检波器检波器整流整流特点：特点：A、灵敏度受放大器内部噪声限制，、灵敏度受放大器内部噪声限制，mV级级B、频率受放大器带宽限制，、频率受放大器带宽限制，2010MHzA 交流交流直流直流检波放大式检波放大式检波器检波器放大器放大器整流整流特点：特点：A、灵敏度低（几十、灵敏度低（几十mV）B、频率取决于检波二极管的高频特性，、频率取决于检波二极管的高频特性，

4、20Hz 300MHzA 交流交流f f直流直流外差式外差式特点：特点：A、灵敏度高、灵敏度高B、测高频（、测高频（20Hz 300MHz）放大器放大器检波器检波器混频器混频器本振本振f fc c可调可调mCfff固固定定半波整流半波整流全波整流全波整流滤除交流，避滤除交流，避免指针抖动免指针抖动A 交流交流直流直流放大器放大器平均值检波器平均值检波器分压器分压器保护二极管保护二极管mdmdiTmdirRUrRtudtrRtuTI 22)(2|)(|1_01 11.UU 非正弦波换算非正弦波换算“示值同则均值同示值同则均值同”0 9.FUK U 用在具有线性刻度电压表的一种较严格的精确度表征，

5、数字电压表都用这种方式。4 分贝的测量（续）1、白噪声电压的瞬时值呈正态分布，其概率密度函数：器件和放大器噪声的测量（续）电流、功率 电压多次谐波分量的总有效值A、测出放大器增益Au特点:准确度高、稳定度高器件和放大器噪声的测量器件和放大器噪声的测量（续）电压测量是电测量与非电测量的基础噪声电压的基本特性（续）3、失真正弦波的波形误差有效值电压的测量（续）1、基波抑制法（单音法）有效值电压的测量（续）用平均值表测量噪声电压（续）例：在150的电阻上，测得其电压电平为20dBV，特点:准确度高、稳定度高测量放大器增益或与音响设备有关的参数整流方式按灵敏度和频带分：用均值表分别测方波、三角波、正弦

6、波，电压表用均值表分别测方波、三角波、正弦波，电压表读数均为读数均为10V，问被测电压的有效值分别为多少？，问被测电压的有效值分别为多少？1091 111 11.UUV 平均值：平均值：1 15 910 35.FUK UV三三有效值：有效值：1 99FUK UV方方1 11 910.FUK UV正正正弦波不正弦波不用换算用换算1 1、可能引起的误差、可能引起的误差 指示微安表自身误差、检波二极管性能参数变化、指示微安表自身误差、检波二极管性能参数变化、被测电压超过频率范围、波形不同都会带来误差。被测电压超过频率范围、波形不同都会带来误差。2 2、非正弦波的波形误差、非正弦波的波形误差 绝对误差

7、：绝对误差：相对误差：相对误差：1 0 9.FUKU 1 0 9.UFUKU 191 0 9 1 153 5U.%FK 三三0 0波形误差：波形误差：1 0 91 0 9 110.%UFK 方方3 3、失真正弦波的波形误差、失真正弦波的波形误差 设测一个包含二次或三次谐波失真的正弦波电压：设测一个包含二次或三次谐波失真的正弦波电压：()sinsin()xPnnutUtKn tn n次谐波幅度相对于次谐波幅度相对于基波的百分数基波的百分数初相角初相角01()TxxUut dtT 平均值：平均值：指示值：指示值：1 11.xUU 3 3、失真正弦波的波形误差、失真正弦波的波形误差 ()sinsin

8、()xPnnutUtKn t122221122nnnxdPPKDUUUUU真正的有效值：真正的有效值：波形误差：波形误差：xdUUUUUU n次谐波的非次谐波的非线性失真系数线性失真系数4080120 160 200 240 280 320 360 400012345D23020102()二次谐波产生的波形误差二次谐波产生的波形误差三次谐波产生的波形误差三次谐波产生的波形误差(P69)(P69)4080120 160 200 240 280 320 360 4000-404812D23020103()-8163 3、失真正弦波的波形误差、失真正弦波的波形误差 结论：结论：(,)Unnf D n

9、 二次谐波的产生的误差比三次谐波的小二次谐波的产生的误差比三次谐波的小推广：奇次谐波误差比偶次谐波大，偶次谐波误推广：奇次谐波误差比偶次谐波大，偶次谐波误差可忽略。差可忽略。当当Dn10%，奇次谐波的波形误差可估算：，奇次谐波的波形误差可估算：maxnDUUn 201()TUu t dtT A 交流交流直流直流放大器放大器有效值检波器有效值检波器分压器分压器2220000011()()2TTxx rmst dttdt IiK EuKEKE UKUTT趋向趋向0 02x rmsIKU 无波形误差无波形误差刻度非线性刻度非线性动态范围小动态范围小假定：以基准量U00.如：温度、压力、振动、（加）速

10、度电测量中，电量的测量可以转化为电压测量1、等效输入噪声Uni的测量在线性电路中，由于电路的工作点选择不当或信号幅度超过了电路的线性范围，使信号进入了非线性区而产生非线性失真。用平均值表测量噪声电压（续）三种电子电压表主要特性比较有效值电压的测量（续）交流电压的测量方法（续）4、噪声系数F表征信噪比降低的程度A、灵敏度受放大器内部噪声限制，mV级器件和放大器噪声的测量（续）1、白噪声电压的瞬时值呈正态分布，其概率密度函数：A、灵敏度受放大器内部噪声限制，mV级仍是交流电压的测量，只是表盘以dB刻度在频率范围内能量分布不均匀二次谐波的产生的误差比三次谐波的小三次谐波产生的波形误差(P69)器件和

11、放大器噪声的测量（续）2、非正弦波的波形误差邻近电台干扰、高压线的电晕放电等则PX的功率电平定义为：%Ux读数值的百分数失真正弦波：尽量不用峰值表5V，问被测电压的有效值分别为多少？1、基波抑制法（单音法）当Dn10%，奇次谐波的波形误差可估算：3、失真正弦波的波形误差有效值电压的测量（续）1、白噪声电压的瞬时值呈正态分布，其概率密度函数：如：温度、压力、振动、（加）速度1、白噪声电压的瞬时值呈正态分布，其概率密度函数：器件和放大器噪声的测量（续）有效值电压的测量（续）用平均值表测量噪声电压（续）整流方式按灵敏度和频带分：二次谐波产生的波形误差饱和与截止，线性度、失真度 电压去掉起始电流的影响

12、，则：用峰值表分别测方波、三角波，电压表读数均为4 分贝的测量（续）平均值电压的测量（续）利用利用二极管和电阻网络二极管和电阻网络，人为地制造一条用折线，人为地制造一条用折线逼近的平方率曲线。逼近的平方率曲线。特点：特点：大大地大大地扩展扩展有效值检波器的有效值检波器的动态范围动态范围，此，此种方法用得较为种方法用得较为广泛广泛。利用利用二极管和电阻网络二极管和电阻网络，人为地制造一条用折线，人为地制造一条用折线逼近的平方率曲线。逼近的平方率曲线。特点：特点：大大地大大地扩展扩展有效值检波器的有效值检波器的动态范围动态范围，此，此种方法用得较为种方法用得较为广泛广泛。（1）基本原理）基本原理2

13、x rmsQUI热热电电势势温温差差（2 2）热电偶式有效值电压表原理图热电偶式有效值电压表原理图2212.()ix rmsoUEEK UUA Ox rmsUU21x rms=KUE220=KUE刻度线性化刻度线性化 提高热稳定性提高热稳定性（3 3）特点特点仪表的灵敏度和频率范围取决于放大器的增益和带宽仪表的灵敏度和频率范围取决于放大器的增益和带宽刻度刻度线性，基本无波形误差线性，基本无波形误差热惯性，读数较慢热惯性，读数较慢例例DA24型型量程：量程：1mV-300V频率：频率：10Hz-10MHzS1.5频率误差频率误差原因：受放大器频率宽度的限制原因：受放大器频率宽度的限制范围：抑制方

14、波中的高次谐波而产生误差范围：抑制方波中的高次谐波而产生误差设有效值电压表的带宽为设有效值电压表的带宽为10MHZ，用该电，用该电压表测量压表测量1MHZ的方波型号，有电压表引起的方波型号，有电压表引起的波形误差为：的波形误差为：t)1)sin(2k121.tsin551tsin331t(sin4 kUp方波：方波：ppprmsUUUU 97.0)91()71()51()31(1242222 波形误差波形误差原因：受放大器动态范围的限制原因：受放大器动态范围的限制范围：对过高的尖峰可能产生削峰范围：对过高的尖峰可能产生削峰原理原理:响应时间短、过载性能好响应时间短、过载性能好准确度高、稳定度高

15、准确度高、稳定度高A 交流交流直流直流桥式直流桥式直流放大器放大器峰值检波器峰值检波器分压器分压器灵敏度（几十灵敏度（几十mV）和频率范围（）和频率范围（300MHz）电压上限取决于检波二极管的反向击穿电压。电压上限取决于检波二极管的反向击穿电压。采用高采用高A A、低漂移的放大器，、低漂移的放大器，灵敏度（几十灵敏度（几十 V）用超高频二极管，频率范围（用超高频二极管，频率范围（1GHz）检波器置于探头内检波器置于探头内减少高频信号的传输损失。减少高频信号的传输损失。u uc c(t)(t)drsR充电充电放放电电串联式串联式并联式并联式T Tmax max、T Tminmin是被测电压的最

16、大周期和最小周期是被测电压的最大周期和最小周期起隔直流作用起隔直流作用 minsdRrCT 2PUU 非正弦波换算非正弦波换算“示值同则峰值同示值同则峰值同”2PUUK 用峰值表分别测方波、三角波，电压表读数均为用峰值表分别测方波、三角波，电压表读数均为5V，问被测电压的有效值分别为多少？，问被测电压的有效值分别为多少？2257 1.PUUV 峰值：峰值：7 14 1.UVP P三三P PU UK K3 3有效值：有效值：7 17 1.UVP P方方P PU UK1K1例：一只串联式峰值电压表和一只并联式峰值电压表分别例：一只串联式峰值电压表和一只并联式峰值电压表分别测量电压，测量电压，判断两

17、只电压表内检波判断两只电压表内检波器的输出时多少器的输出时多少V V？tux sin510 串联式峰值电压表：串联式峰值电压表：V215并联式峰值电压表：并联式峰值电压表：V25例：测5Hz和1KHz系统的噪声，使误差1%，则所需时间分别为1000s和5s。B、测高频（20Hz 300MHz）1、功率之比的对数分贝（dB）器件和放大器噪声的测量（续）平均值电压的测量（续）平均值电压的测量（续）器件和放大器噪声的测量（续）范围：抑制方波中的高次谐波而产生误差模拟运算式RMS检波器二次谐波的产生的误差比三次谐波的小一、组成（高频毫伏表）多次谐波分量的总有效值1、等效输入噪声Uni的测量去掉起始电流

18、的影响，则：产生新的频率分量三、刻度特性以正弦波的有效值为刻度三种电子电压表主要特性比较交流电压的测量方法（续）全部谐波分量的功率之和与基波功率之比的平方根值。用平均值表测量噪声电压（续）在线性电路中，由于电路的工作点选择不当或信号幅度超过了电路的线性范围，使信号进入了非线性区而产生非线性失真。假定：以基准量U00.理论误差理论误差 频率误差频率误差波形误差波形误差原因：放电使测量值小于实际值（固有负误差）原因：放电使测量值小于实际值（固有负误差）正弦波的相对误差：正弦波的相对误差：232 2.dsTrRR 原因：周期长，放电长，误差大（适合高频测量）原因：周期长，放电长，误差大（适合高频测量

19、）低频相对误差：低频相对误差：12LfRC 原因：对波形的凸起部分非常敏感原因：对波形的凸起部分非常敏感失真正弦波：尽量不用峰值表失真正弦波：尽量不用峰值表u uc c(t)(t)三种电子电压表主要特性比较三种电子电压表主要特性比较放大放大-检检波波221()exp()22nnuuUU噪声电压噪声电压瞬时值瞬时值噪声电压噪声电压的有效值的有效值0 9.nFUK U 1 252.nFnUKU 2220222nuUnnnUueduUU 1 13.U nwnnwnUBUB 修正后的修正后的噪声电压噪声电压被测系统被测系统 的噪声带宽的噪声带宽测得的噪测得的噪声电压声电压被测系统电压被测系统电压表的噪

20、声带宽表的噪声带宽1nwnnnwnUUBUB B3dBBwn0.786-21.4%2Bwn0.872-12.8%5Bwn0.941-5.9%8Bwn0.962-3.8%nnUU 电压表的电压表的3dB带宽带宽5%电压表的电压表的3dB带宽为被测系统的带宽为被测系统的倍倍01()TnUu t dtT 测测5Hz5Hz和和1KHz1KHz系统的噪声，使误差系统的噪声，使误差1%1%，则所，则所需时间分别为需时间分别为1000s1000s和和5s5s。通常记录其波形，测其峰峰值再换算。通常记录其波形，测其峰峰值再换算。112nnwnUUB T T时间内的时间内的测得值测得值被测系统的被测系统的噪声带

21、宽噪声带宽测量测量时间时间表头示值不得超过满刻度值的一半表头示值不得超过满刻度值的一半中、低频中、低频高频高频（1）定义：）定义：AU UniniU Us sR Rs sUnUno oAI IniniU Us sR Rs sUnUnO O电压源电压源电流源电流源（2）测量）测量AU UniniR Rs sU UnonononiuUUA 被测器件的输被测器件的输出噪声电压出噪声电压电压增电压增益益Au正弦信号法正弦信号法步骤：步骤：U UniniR Rs sU UnonoA AB B、C C、noniuUUA Note：a、UniUsb b、测、测U Unono时，时，R Rs s保留，并要符合

22、带宽准则保留，并要符合带宽准则源内阻源内阻信号源信号源C C、noniuUUA U Us sR Rs sU Uo oA AA A、osUU 噪声发生器法噪声发生器法U UnsnsR Rs sU Uno2no2A A步骤：步骤：C C、计算、计算121222nonononinsUUUUU U UniniR Rs sU Uno1no1A AA A、1nouniUA U B B、222222noninsuuUA UA U212nonoUU ninsUU 两种方法比较两种方法比较dffAABwnuum)(1022 （1）定义：）定义：最大电最大电压增益压增益（2）测量方法：）测量方法：（1）定义：）定

23、义：snPSNRP（2）测量方法：）测量方法：见见P90图图3.3-72snUSNRU 10lgsnPSNR dBP 特点：大大地扩展有效值检波器的动态范围，此种方法用得较为广泛。例：测5Hz和1KHz系统的噪声，使误差1%，则所需时间分别为1000s和5s。低频测量：通常记录其波形，测其峰峰值再换算。1、基波抑制法（单音法）2、非正弦波的波形误差有效值电压的测量（续）推广：奇次谐波误差比偶次谐波大，偶次谐波误差可忽略。有效值电压的测量（续）范围：对过高的尖峰可能产生削峰器件和放大器噪声的测量4 分贝的测量（续）三种电子电压表主要特性比较假定：以基准量U00.电流、功率 电压在线性电路中，由于

24、电路的工作点选择不当或信号幅度超过了电路的线性范围，使信号进入了非线性区而产生非线性失真。4 分贝的测量（续）三种电子电压表主要特性比较平均值电压的测量（续）若被测电压都是正弦波，且角频率成倍数关系，Tmax、Tmin是被测电压的最大周期和最小周期电流、功率 电压（1）定义：）定义：inonininossoPPPPFPP AP输输入入信信噪噪比比输输出出信信噪噪比比（2）测量方法：）测量方法：见见P91图图3.3-810lgdBFF 放大器功放大器功率增益率增益1、功率之比的对数、功率之比的对数分贝（分贝（dB）12lgPP（2）分贝）分贝12101lglgPBelP贝尔贝尔（1）贝尔）贝尔1

25、Bel10dB（deci Bel）1210lgPP2、电压比的对数、电压比的对数21211122222212UPRU RUPU RR11221020lglgPUPU 211222PUPU 注意系数区别注意系数区别3、绝对电平、绝对电平 010101lglgXXWPmWPPPmW注意单位一致注意单位一致（1）功率电平）功率电平dBm：以基准量：以基准量P01mW作为作为0功率电平（功率电平（0dBm），），则则PX的功率电平定义为：的功率电平定义为：3、绝对电平、绝对电平020200 775lglg.XXVUUPU（2）电压电平）电压电平dBV以基准量以基准量U00.775V（正弦有效值）作为（

26、正弦有效值）作为0电电压电平（压电平（0dBV），），则则UX的电压电平定义为：的电压电平定义为：Note：4、音量单位（、音量单位（VUVolume Units）101lgXPVUmW 600欧阻抗上吸取功率为欧阻抗上吸取功率为1mW，则当则当600欧阻抗上吸取功率为欧阻抗上吸取功率为PXmW时时VU为为:应用范围：应用范围：测量放大器增益或与音响设备有关的参数测量放大器增益或与音响设备有关的参数读数：读数：读数量程读数指示值读数量程读数指示值例：例：P97 例例2和例和例3实质：实质：例：在例：在150150的电阻上，测得其电压电平为的电阻上，测得其电压电平为20dBV20dBV，其对应的

27、功率电平为多少？其对应的功率电平为多少？dBvUPxV20775.0lg20 VUx75.7 mWRUPx40015075.722 dBmmWPPxW261lg10 RPPVW600lg10 失真：失真：特点：特点：在线性电路中，由于电路的工作点选择在线性电路中，由于电路的工作点选择不当或信号幅度超过了电路的线性范围，使不当或信号幅度超过了电路的线性范围，使信号进入了非线性区而产生非线性失真。信号进入了非线性区而产生非线性失真。产生新的频率分量产生新的频率分量用非线性系数用非线性系数（失真度）表示（失真度）表示纯纯R负载：负载：222232111100100%iihUUUUUUU 定义：定义：

28、全部谐波分量的功率之和与基波功率全部谐波分量的功率之和与基波功率之比的平方根值。之比的平方根值。全部谐波电压的有效值与基波电压全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比。的有效值之比。公式：公式：多次谐波分量多次谐波分量的总有效值的总有效值基波有效值基波有效值UUUUUUUUUhii%100%100.222322212322 常用公式：常用公式：被测信号的总被测信号的总有效值有效值21 两者关系：两者关系：21 10%当当时时，10%当当时时，21 方法：方法：应用广泛应用广泛准确度高准确度高准确度高、新准确度高、新1、基波抑制法（单音法）、基波抑制法（单音法）衰减器衰减器基波抑基波抑制网络制网络有效值有效值电压表电压表12S被测被测信号信号21iiUU 测测S122hiiUU 测测S2100%hUU 1、基波抑制法（单音法）、基波抑制法（单音法）特点：特点：