1、第1页第第3 3章章 电压测量电压测量3.1 3.1 概述概述3.23.2 交流电压的测量交流电压的测量3.3 3.3 直流电压的数字化测量及直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原理转换原理3.4 3.4 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表3.5 3.5 电压表的选择和使用电压表的选择和使用3.6 3.6 应用实例应用实例第2页3.1 3.1 概述概述3 31 11 1 电压测量的意义、特点电压测量的意义、特点 1 1）电压测量的重要性）电压测量的重要性阐述电压测量的意义、重要性及应用。阐述电压测量的意义、重要性及应用。2 2）电压测量的特点）电压测量的
2、特点从电压测量的频率、范围、要求等方面阐述其从电压测量的频率、范围、要求等方面阐述其特点，这些特点也反映了电子测量的主要特点。特点，这些特点也反映了电子测量的主要特点。第3页1 1）电压测量的重要性电压测量的重要性 电压测量是电测量与非电测量的基础；电压测量是电测量与非电测量的基础；电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率其中：电流、功率其中：电流、功率电压，再进行测量电压，再进行测量电路工作状态：电路工作状态：饱和与截止，线性度、失真度饱和与截止，线性度
3、、失真度电压表征电压表征 非电测量中，物理量非电测量中，物理量电压信号，再进行测量电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度如：温度、压力、振动、（加）速度第4页2 2）电压测量的特点）电压测量的特点1.1.频率范围广：零频（直流）频率范围广：零频（直流）10109 9HzHz低频：低频：1MHz1MHz以下；高频（射频）：以下；高频（射频）：1MHz1MHz以上。以上。2.2.测量范围宽测量范围宽微弱信号微弱信号:心电医学信号、地震波等心电医学信号、地震波等,纳伏级（纳伏级（1010-9-9V V）；）；超高压信号：电力系统中，数十千伏。超高压信号：电力系统中，数十千伏。3.3.电
4、压波形的多样化电压波形的多样化电压信号波形是被测量信息的载体。电压信号波形是被测量信息的载体。各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。形波；随机噪声。第5页2 2）电压测量的特点）电压测量的特点4.4.阻抗匹配阻抗匹配电压表的输入阻抗是指它的两个输入端之间的等效阻抗，电压表的输入阻抗是指它的两个输入端之间的等效阻抗，是被测电路的额外负载。是被测电路的额外负载。-测量仪器应具有较高的输入阻抗测量仪器应具有较高的输入阻抗直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测
5、量结果偏小。使测量结果偏小。如：采用电压表与电流表测量电阻，如：采用电压表与电流表测量电阻，当测量小电阻时，应采用电压表并联方案；当测量小电阻时，应采用电压表并联方案；当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。输入阻抗典型数值为输入阻抗典型数值为1M1M和和1515并联。并联。第6页2 2）电压测量的特点）电压测量的特点5.5.测量精度的要求差异很大测量精度的要求差异很大1010-1-1至至1010-9-9。6.6.测量速度的要求差异很大测量速度的要求差异很大静态测量：直流（慢
6、变化信号）静态测量：直流（慢变化信号）,几次几次/秒秒;动态测量：高速瞬变信号动态测量：高速瞬变信号,数亿次数亿次/秒（几百秒（几百MHzMHz）精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。7.7.抗干扰性能抗干扰性能工业现场测试中，存在较大的干扰。工业现场测试中，存在较大的干扰。第7页3 31 12 2 电压测量的方法和分类电压测量的方法和分类按对象：直流电压测量；交流电压测量按对象：直流电压测量；交流电压测量 按技术：模拟测量；数字测量按技术：模拟测量；数字测量 1 1）数字化直流电压测量方法）数字化直流电压测量方法模拟直流电压模拟直流电压-A/DA/D转换器转
7、换器-数字量数字量-数字显示数字显示（直观）（直观）数字电压表（数字电压表（DVMDVM），数字多用表（），数字多用表（DMMDMM）。）。第8页3 31 12 2 电压测量的方法和分类电压测量的方法和分类2 2）交流电压的模拟测量方法）交流电压的模拟测量方法表征交流电压的三个基本参量：表征交流电压的三个基本参量：有效值有效值、峰值峰值和和平均值平均值。以有效值测量为主。以有效值测量为主。方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电流直流电流-驱动表头驱动表头-指示指示有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。3 3）交
8、流电压的数字化测量）交流电压的数字化测量交流电压（有效值、峰值和平均值）交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电压直流电压-A/DA/D转换器转换器-数字量数字量-数字显示数字显示DVMDVM（DMMDMM）的扩展功能。）的扩展功能。第9页3 31 12 2 电压测量的方法和分类电压测量的方法和分类4 4）基于采样的交流电压测量方法）基于采样的交流电压测量方法交流电压交流电压-A/DA/D转换器转换器-瞬时采样值瞬时采样值u(k)-u(k)-计算，计算，如有效值如有效值式中，式中，N N为为u(t)u(t)的一个周期内的采样点数。的一个周期内的采样点数。5 5）示波测量方法）示波测量方法交流电
9、压交流电压-模拟或数字示波器模拟或数字示波器-显示波形显示波形-读出结读出结果果211()NkVukN第10页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量u 1 1 普通直流电压表普通直流电压表 由动圈式高灵敏度直流电流表串联适当的电阻构成。由动圈式高灵敏度直流电流表串联适当的电阻构成。设电流表的满偏电流设电流表的满偏电流为为Im,Im,电流表本身内阻为电流表本身内阻为Re,Re,串联电阻串联电阻Rn Rn 所构成的电压所构成的电压表的满度电压为表的满度电压为:)(nemmRRIUAReR1R2R3UoU1U2U3emRIU0第11页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量
10、u 1 1 普通直流电压表普通直流电压表 所构成的电压表的内阻为所构成的电压表的内阻为:图中电流表串接了图中电流表串接了3 3个电阻后除了最小量程外增加了个电阻后除了最小量程外增加了3 3个个量程量程U1U1、U2U2、U3U3，根据扩展的量程，可以估算出，根据扩展的量程，可以估算出3 3个扩个扩展电阻的阻值：展电阻的阻值：emRIUR)/(11mmneVIURRRmIUUR/)(122mIUUR/)(233AReR1R2R3UoU1U2U3第12页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量u1 1 普通直流电压表普通直流电压表 通常把内阻通常把内阻RvRv与与UmUm之比（每伏欧姆
11、数）定义为电压表之比（每伏欧姆数）定义为电压表的的电压灵敏度电压灵敏度。数越大，表明使指针偏转同样角度所需要的电数越大，表明使指针偏转同样角度所需要的电流越小。一般标明在电磁式电压表的表盘上，可以根据电流越小。一般标明在电磁式电压表的表盘上，可以根据电压灵敏度推算出不同量程时的电压表内阻。压灵敏度推算出不同量程时的电压表内阻。优点：结构简单、使用方便、误差来源表头本身和扩优点：结构简单、使用方便、误差来源表头本身和扩展电阻的准确度。展电阻的准确度。1%1%缺点：灵敏度不高、输入电阻低。在量程较低时，输缺点：灵敏度不高、输入电阻低。在量程较低时，输入电阻更小，其负载效应对被测电路工作状态及测量结
12、果入电阻更小，其负载效应对被测电路工作状态及测量结果的影响不可忽略。的影响不可忽略。mmvvIURK1V/第13页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量u普通直流电压表的误差普通直流电压表的误差 用普通直流电压表测量高输出电阻电路的直流电压，设被用普通直流电压表测量高输出电阻电路的直流电压，设被测电路输出电阻为测电路输出电阻为RoRo，被测电压实际值为，被测电压实际值为EoEo，电压表内阻为，电压表内阻为R RV V，则电压表度数值为则电压表度数值为:相对误差为：相对误差为：mmV00V000IUURRERRREVVRRREEU00000第14页3.1.3 3.1.3 直流电压的
13、测量直流电压的测量为了消除这一影响，可使用两个不同量程为了消除这一影响，可使用两个不同量程U U1 1、U U2 2 进行测进行测量。将电压表的两次读数值量。将电压表的两次读数值U UO1O1、U Uo2o2 代入下式，即可计算得代入下式，即可计算得到被测电压的近似值：到被测电压的近似值：上例中，电压表的每伏欧姆数为上例中，电压表的每伏欧姆数为20k20k/V/V，先后用，先后用5V5V和和25V25V量程测量端电压量程测量端电压UoUo的读数值分别为的读数值分别为2.5V2.5V和和4.17V4.17V，代入，代入上式得上式得EoEo=5.01V=5.01V21201OOOUUUKKE12U
14、UK 第15页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量直流电子电压表通常由磁电式表头加装直流电子电压表通常由磁电式表头加装跟随器跟随器、直直流放大器流放大器构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入高构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入高阻值电阻构成的分压电路。阻值电阻构成的分压电路。提高输提高输入阻抗入阻抗提高测量提高测量灵敏度灵敏度第16页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量在理想运放情况下：在理想运放情况下：式中式中 K-K-分压器和跟随器的电压传输系数分压器和跟随器的电压传输系数若电流表满偏电流为若电流表满偏电流为ImIm，则由上式可得该直流电子电压，则由
15、上式可得该直流电子电压表的量程为：表的量程为：FxFiORKURUIKRIUFmm第17页3.1.3 3.1.3 直流电压的测量直流电压的测量为了保证该电压表的准确度，各分压电阻和反馈电为了保证该电压表的准确度，各分压电阻和反馈电阻阻R RF F都要使用精密电阻。都要使用精密电阻。缺点：直流放大器的零点漂移限制了电压灵敏度的提缺点：直流放大器的零点漂移限制了电压灵敏度的提高。高。故电子电压表中常采用斩波式放大器（调制式放大器）故电子电压表中常采用斩波式放大器（调制式放大器）以抑制零点漂移，可使电子电压表能测量微伏级的电压。以抑制零点漂移，可使电子电压表能测量微伏级的电压。第18页3.1.3 3
16、.1.3 直流电压的测量直流电压的测量 将直流数字电压表的表头用将直流数字电压表的表头用A/DA/D转换器和数字显示器代转换器和数字显示器代替，即构成直流数字电压表。替，即构成直流数字电压表。第19页3 32 2 交流电压的测量交流电压的测量 峰值、平均值、有效值、波峰系数和波形系数峰值、平均值、有效值、波峰系数和波形系数。u 峰值峰值以零电平为参考的最大以零电平为参考的最大电压电压幅值幅值（用（用V Vp p表示表示 ）。）。注：注：振幅：振幅：以直流分量为参考的最大电压幅值（通常以直流分量为参考的最大电压幅值（通常用用U Um m表示）。表示）。第20页3 32 21 1 表征交流电压的基
17、本参量表征交流电压的基本参量u 平均值（均值）平均值（均值）数学上定义为：数学上定义为：相当于交流电压相当于交流电压u(t)u(t)的的直流分量直流分量。交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后波形的平均值（一般若无特指，均为全波整流）：后波形的平均值（一般若无特指，均为全波整流）：对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)，若，若=2/T=2/T 01()TUu t dtT01()TUu t dtT20.637ppUVV第21页3 32 21 1 表征交流电压的基本参量表征交流电压的基本
18、参量u 有效值有效值 定义：交流电压定义：交流电压u(t)u(t)在一个周期在一个周期T T内，通过某纯电阻负内，通过某纯电阻负载载R R所产生的热量，与一个直流电压所产生的热量，与一个直流电压V V在同一负载上产在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压生的热量相等时，则该直流电压V V的数值就表示了交流的数值就表示了交流电压电压u(t)u(t)的有效值。的有效值。表达式：表达式：直流电压直流电压V V在在T T内电阻内电阻R R上产生的热量上产生的热量Q_=IQ_=I2 2RT=RT=交流电压交流电压u(t)u(t)在在T T内电阻内电阻R R上产生的热量上产生的热量Q Q=由由Q_=QQ
19、_=Q，有效值，有效值2VTR20()TutdtR201()TVut dtT第22页3 32 21 1 表征交流电压的基本参量表征交流电压的基本参量u 有效值有效值 意义：有效值在数学上即为意义：有效值在数学上即为均方根值均方根值。有效值反映了。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若，若=2/T u 波峰系数和波形系数波峰系数和波形系数 波峰系数定义：峰值与有效值的比值，用波峰系数定义：峰值与有效值的比值，用Kp表示，表示，u 对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压
20、u(t)=u(t)=V Vp psinsin(tt)，若，若=2/T=2/T10.7072ppVVVppVKV峰值有效值21.41/2pppVKV第23页3 32 21 1 表征交流电压的基本参量表征交流电压的基本参量u 波峰系数和波形系数波峰系数和波形系数 波形系数定义：有效值与平均值的比值，用波形系数定义：有效值与平均值的比值，用K KF F表示，表示，对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)，若，若=2/T=2/TFVKV有效值平均值(1/2)1.112/2 2pFpVKV（）第24页3 32 21 1 表征交流电压的基本参量表征交流
21、电压的基本参量u 波峰系数和波形系数波峰系数和波形系数 常见波形的波峰系数和波形系数可查表得到：常见波形的波峰系数和波形系数可查表得到：如正弦波：如正弦波：K Kp p=1.41=1.41，K KF F=1.11=1.11；方方 波：波：K Kp p=1=1，K KF F=1=1；三角波：三角波：K Kp p=1.73=1.73，K KF F=1.15=1.15；锯齿波：锯齿波：K Kp p=1.73=1.73，K KF F=1.15=1.15；脉冲波：脉冲波：K Kp p=，K KF F=，为脉冲宽度，为脉冲宽度，T T为周期为周期 白噪声：白噪声：K Kp p=3=3（较大），（较大），K
22、 KF F=1.25=1.25。TT第25页3 32 22 2 交流交流/直流转换器的响应特性及误差分析直流转换器的响应特性及误差分析 u 1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理 模拟电压表的交流电压测量原理：模拟电压表的交流电压测量原理：交流电压交流电压-直流电流（有效值、峰值和平均值）直流电流（有效值、峰值和平均值）-驱动表头驱动表头-指示。指示。交流电压交流电压-有效值、峰值和平均值的转换，称为有效值、峰值和平均值的转换，称为 AC-DCAC-DC转换。由不同的检波电路实现。转换。由不同的检波电路实现。峰值检波原理峰值检波原理由二极管峰值检波电路
23、完成。有二极管串联和并联两由二极管峰值检波电路完成。有二极管串联和并联两种形式。种形式。第26页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理二极管峰值检波电路（二极管峰值检波电路（a.a.串联式串联式,b.,b.并联式并联式,c.,c.波形）波形）DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc第27页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理u 二极管峰值检波电路工作原理二极管峰值检波电路工作原理 通过二极管通过二极管正向快速充电正向快速充电达到输入电压的峰值，而二达到输入电压的峰值，而二极管极管反向截止时
24、反向截止时“保持保持”该峰值。该峰值。为此，要求：为此，要求：式中，式中，R Rs s和和r rd d分别为等效信号源分别为等效信号源u(t)u(t)的内阻和二极管正的内阻和二极管正向导通电阻，向导通电阻，C C为充电电容（并联式检波电路中为充电电容（并联式检波电路中C C还起还起到隔直流的作用），到隔直流的作用），R RL L为等效负载电阻，为等效负载电阻，T Tminmin和和T Tmaxmax为为u(t)u(t)的最小和最大周期。的最小和最大周期。从波形图可以看出，峰值检波电路的输出存在较小的从波形图可以看出，峰值检波电路的输出存在较小的波动，其波动，其平均值略小于实际峰值平均值略小于实
25、际峰值。minmax(),sdLRr CTR CT第28页u 平均值检波原理平均值检波原理 由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。如图，整流电路输出直流电流如图，整流电路输出直流电流I I0 0，其平均值与被测输入，其平均值与被测输入电压电压u(t)u(t)的平均值成正比（与的平均值成正比（与u(t)u(t)的波形无关）。的波形无关）。（电容（电容C C用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理I0u(t)D1D2D3D
26、4CCu(t)D1D2I0第29页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理u 平均值检波原理平均值检波原理 以全波整流电路为例，以全波整流电路为例，I I0 0的平均值为的平均值为 式中，式中，T T为为u(t)u(t)的周期，的周期，r rd d和和r rm m分别为检波二极管的分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数（它反映了正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数（它反映了检波器的灵敏度检波器的灵敏度 ）。）。于是，于是，I I0 0的平均值的平均值 与与u(t)u(t)的平均值的平均值 成正比。成正比。01()()22Todmdmu t
27、u tIdtTrrrroI()u t第30页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理u 有效值检波原理有效值检波原理(三种三种)利用二极管平方律伏安特性检波利用二极管平方律伏安特性检波 根据根据 ，为得到有效值为得到有效值,首先需对首先需对u(t)u(t)平方。小信号时二极管正平方。小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系。向伏安特性曲线可近似为平方关系。缺点：精度低且动态范围小。缺点：精度低且动态范围小。因此，实际应用中，采用因此，实际应用中，采用分段逼近平方律分段逼近平方律的二极管伏安的二极管伏安特性曲线图的电路。特性曲线图的电路。201()T
28、Vu t dtT第31页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理 利用模拟运算的集成电路检波利用模拟运算的集成电路检波 原理图原理图通过多级运算器级连实现通过多级运算器级连实现模拟乘法器（平方）模拟乘法器（平方）积分积分开方开方比例运算。比例运算。单片集成单片集成TRMS/DCTRMS/DC电路，如电路，如AD536AKAD536AK等。等。2()ut0TAu(t)Vrms第32页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理u 利用热电偶有效值检波利用热电偶有效值检波 热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组热电
29、效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个闭合回路，当两节点处温度不同时，回路中将成一个闭合回路，当两节点处温度不同时，回路中将产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，所产生的电动势称为所产生的电动势称为热电动势热电动势。热电效应原理图热电效应原理图 当热端当热端T T和冷端和冷端T0T0存在温差时（即存在温差时（即TT0TT0），则存在热），则存在热电动势，且电动势，且热电动势的大小与温差热电动势的大小与温差T=T-T0T=T-T0成正比。成正比。冷冷端端T T0 0热热端端T T第33页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（A
30、C-DCAC-DC）转换原理）转换原理u 利用热电偶有效值检波利用热电偶有效值检波 热电偶：热电偶：将两种不同金属进行特别封装并标定后，称为一将两种不同金属进行特别封装并标定后，称为一对热电偶（简称热偶）。对热电偶（简称热偶）。热电偶温度测量原理：热电偶温度测量原理：若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势就可得到热端（被测温度点）的温度。就可得到热端（被测温度点）的温度。热电偶有效值检波原理：热电偶有效值检波原理：若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，则热电动势将反映该交流电压的有效值，从而实现了则热电
31、动势将反映该交流电压的有效值，从而实现了有效值检波。有效值检波。第34页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理 热电偶有效值检波原理图热电偶有效值检波原理图 图中，直流电流图中，直流电流I I与被测电压与被测电压u(t)u(t)的有效值的有效值V V的关系：的关系：电流电流I I热电动势热电动势热端与冷端的温差，而热端温度热端与冷端的温差，而热端温度u(t)u(t)功率功率u(t)u(t)的有效值的有效值V V的平方，故，的平方，故，2IVR Ru u(t t)冷冷端端T T0 0加加热热丝丝热热端端T T热热偶偶M Mu uA A连连接接导导线线I
32、I第35页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理 表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别称为称为测量热电偶和平衡热电偶测量热电偶和平衡热电偶，如下图。通过平衡热，如下图。通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。偶形成一个电压负反馈系统。R Ru u(t t)冷冷端端T T0 0加加热热丝丝热热端端T T测测量量热热偶偶电电流流表表平平衡衡热热偶偶+-V Vo oE Ex xE Ef fV Vi i热热端端T T连连接接导导线线差差分分放放大大器器第36页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DC
33、AC-DC）转换原理）转换原理 测量热偶的热电动势测量热偶的热电动势E Ex xVV2 2，令，令E Ex x=k=k1 1V V2 2 ；平衡热偶的热电动势平衡热偶的热电动势E Ef fVVo o2 2，及，及E Ef f=k=k2 2V Vo o2 2 ；假如两对热偶具有相同特性，即假如两对热偶具有相同特性，即k k1 1=k=k2 2=k=k，=则差分放大器输入电压则差分放大器输入电压V Vi i=E=Ex x-E-Ef f=k(V=k(V2 2-V-Vo o2 2)，若放大器增益足够大，则有若放大器增益足够大，则有V Vi i=0=0，=V Vo o=V=V （即输出电压等于（即输出电
34、压等于u(t)u(t)有效值）有效值）有效值电压表的特点有效值电压表的特点 理论上不存在波形误差理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。（读数与波形无关）。第37页1 1）交流）交流/直流电压（直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理）转换原理 有效值电压表的特点有效值电压表的特点 比如，对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成，比如，对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成，若其有效值分别为若其有效值分别为V V1 1、V V2 2、V V3 3、，则读数，则读数 但实际有效值电压表，下面两种情况使读数偏小：但实际有效值电压表，下面两种情况使读数偏
35、小：对于波峰因数较大的交流电压波形，由于电路饱和使电对于波峰因数较大的交流电压波形，由于电路饱和使电压表可能出现压表可能出现“削波削波”；高于电压表；高于电压表有效带宽有效带宽的波形分的波形分量将被抑制。它们都将损失有效值分量。量将被抑制。它们都将损失有效值分量。缺点：受环境温度影响较大，结构复杂，价格较贵。缺点：受环境温度影响较大，结构复杂，价格较贵。实际应用中，常采用峰值或均值电压表测有效值。实际应用中，常采用峰值或均值电压表测有效值。2212(.)kVkVV第38页u 原理原理 峰值响应，即：峰值响应，即：u(t)峰值检波峰值检波放大放大驱动表头驱动表头 二极管峰值检波电路二极管峰值检波
36、电路DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析第39页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析 u 刻度特性刻度特性 表头刻度按（纯）表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度正弦波有效值刻度。因此：。因此：当输入当输入u(t)为正弦波时，为正弦波时，读数读数即为即为u(t)的有效值的有效值V V（而（而不是该纯正弦波的峰值不是该纯正弦波的峰值V Vp p）。）。对于非正弦波的任意波形，读数对于非正弦波的任意波形，读数没有直接意义（既没有直接意义（既不等于其峰值不等于其峰
37、值V Vp p也不等于其有效值也不等于其有效值V V）。但可由读数）。但可由读数换算出峰值和有效值。换算出峰值和有效值。峰峰值值检检波波表表头头(读读数数=)Vpu(t)第40页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析u 刻度特性刻度特性 由读数由读数换算出峰值和有效值的换算步骤如下：换算出峰值和有效值的换算步骤如下：第一步，把读数第一步，把读数想象为有效值等于想象为有效值等于的纯正弦波的纯正弦波输入时的读数，即输入时的读数，即 第二步，将第二步，将V V 转换为该纯正弦波的峰值转换为该纯正弦波的峰值V22pVV第41页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误
38、差分析）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析u 刻度特性刻度特性 第三步，假设峰值等于第三步，假设峰值等于V Vp p 的被测波形（任意波）的被测波形（任意波）输入输入 ，即，即注：注：“对于峰值电压表，（任意波形的）峰值相等，对于峰值电压表，（任意波形的）峰值相等，则读数相等则读数相等”。第四步，由第四步，由 ，再根据该波形的波峰系数（查，再根据该波形的波峰系数（查表可得），其有效值表可得），其有效值2ppVV任意pV任意2pppVVKK任意任意任意任意第42页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析u 刻度特性刻度特性 上述过程可统一推导如下：上述过程可
39、统一推导如下：该式表明：该式表明：对任意波形，欲从读数对任意波形，欲从读数得到有效值，需得到有效值，需将将乘以因子乘以因子k k。（若式中的任意波为正弦波，则。（若式中的任意波为正弦波，则k=1k=1，读数读数即为正弦波的有效值）。即为正弦波的有效值）。2,pppppppppVVK VKVkkKKKKK任意任意任意任意任意任意任意第43页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析u 刻度特性刻度特性 综上所述，对于任意波形而言，峰值电压表的读数综上所述，对于任意波形而言，峰值电压表的读数没没有直接意义，由读数有直接意义，由读数到峰值和有效值需进行换算，换到峰
40、值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：算关系归纳如下：式中，式中，为峰值电压表读数，为峰值电压表读数，K Kp p为波峰系数。为波峰系数。波形误差波形误差:若将读数若将读数直接作为有效值，产生的误差。直接作为有效值，产生的误差。21.4121.41ppKKp（任意波）峰值V（任意波）有效值V221222ppppKKKK第44页3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析 u 原理原理 均值响应，即：均值响应，即：u(t)放大放大均值检波均值检波驱动表头驱动表头 均值检波器由二极管桥式整流电路组成均值检波器由二极管桥式整流电路组成 整流电路输出直流电流整流
41、电路输出直流电流I I0 0，其平均值与被测输入电压，其平均值与被测输入电压u(t)u(t)的平均值成正比（与的平均值成正比（与u(t)u(t)的波形无关）。的波形无关）。I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I001()()22Todmdmu tu tIdtTrrrr第45页u 刻度特性刻度特性 表头刻度按（纯）表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度正弦波有效值刻度。因此：。因此：当输入当输入u(t)为正弦波时，为正弦波时，读数读数即为即为u(t)的有效值的有效值V V（而（而不是该纯正弦波的均值不是该纯正弦波的均值）。）。对于非正弦波的任意波形，读数对于非正弦波的任意波形，读数没有直接
42、意义（既没有直接意义（既不等于其均值也不等于其有效值不等于其均值也不等于其有效值V V）。但可由读数）。但可由读数换换算出均值和有效值。算出均值和有效值。3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析 V平平均均值值检检波波表表头头(读读数数=)u(t)第46页3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析u 刻度特性刻度特性 由读数由读数换算出均值和有效值的换算步骤如下：换算出均值和有效值的换算步骤如下：第一步，把读数第一步，把读数想象为有效值等于想象为有效值等于的纯正弦波的纯正弦波输入时的读数，即输入时的读数，即 第二
43、步，由第二步，由 计算该纯正弦波均值计算该纯正弦波均值 第三步，假设均值等于第三步，假设均值等于 的被测波形（任意波）的被测波形（任意波）输入输入 ，即，即注：注：“对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等则读数相等”。第四步，由第四步，由 ，再根据该波形的波形系数（查表，再根据该波形的波形系数（查表可得），其有效值可得），其有效值V0.91.112 2FVVVKV0.9VV任意V任意0.9FFVKVK任 意任 意任 意任 意V第47页3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析u 刻度特性刻度特性 上述过
44、程可统一推导如下：上述过程可统一推导如下：上式表明，对任意波形，欲从均值电压表读数上式表明，对任意波形，欲从均值电压表读数得到得到有效值，需将有效值，需将乘以因子乘以因子k k。（若式中的任意波为正弦。（若式中的任意波为正弦波，则波，则k=1.k=1.，读数，读数即为正弦波的有效值）。即为正弦波的有效值）。,FFFFVVKVKVKkK任意任意任意任意任意0.91.11FFFFKKkKK任意任意任意第48页3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析u 刻度特性刻度特性 综上所述，对于任意波形而言，均值电压表的读数综上所述，对于任意波形而言，均值电压表的读数
45、没有直接意义，由读数没有直接意义，由读数到峰值和有效值需进行换算，到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：换算关系归纳如下：式中，式中，为均值电压表读数，为均值电压表读数，K KF F为波形系数。为波形系数。波形误差。若将读数波形误差。若将读数直接作为有效值，产生的误差直接作为有效值，产生的误差0.90.9FK（任意波）均值V（任意波）有效值V0.910.91.1110.90.9FFFFFKKKKK第49页4 4）实例分析）实例分析 例例 用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压，读数为方波电压，读数为1.0V1.0V，问如何从该读数得到方，
46、问如何从该读数得到方波电压的有效值？波电压的有效值？解解 根据上述峰值电压表的刻度特性，由读数根据上述峰值电压表的刻度特性，由读数=1.0V=1.0V，第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值=1.0V=1.0V；第二步，该正弦波的峰值第二步，该正弦波的峰值=1.4V=1.4V；第三步，将方波电压引入电压表输入，其峰值第三步，将方波电压引入电压表输入，其峰值V Vp p=1.4V=1.4V；第四步，查表可知，方波的波峰系数第四步，查表可知，方波的波峰系数K Kp p=1=1，则该方波的有，则该方波的有效值为：效值为：V=VV=Vp p/K/Kp p=
47、1.4V=1.4V。波形误差为：波形误差为：11.4100%29%1.4%3.22%1001414.173.1%1001PPKKVKVVpp82.032三角波三角波第50页4 4）实例分析）实例分析 例例 用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压，读数为方波电压，读数为1.0V1.0V，问该方波电压的有效值，问该方波电压的有效值为多少？为多少？解解 根据上述均值电压表的刻度特性，由读数根据上述均值电压表的刻度特性，由读数=1.0V=1.0V，第一步，假设电压表有一正弦波输入，第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值其有效值 =1.0V=1.0V
48、；第二步，该正弦波的均值第二步，该正弦波的均值 =0.9=0.9V=0.9=0.9V；第三步，将方波电压引入电压表输入，第三步，将方波电压引入电压表输入，其均值其均值 0.9V0.9V；第四步，查表可知，方波的波形系数第四步，查表可知，方波的波形系数 =1=1，则该方波的，则该方波的有效值为有效值为:0.9V 0.9V。波形误差为波形误差为FVKV方波VVVVFK方波1 0.9100%11%0.9VKVF035.10.19.015.19.0%5.3%100115.111.1%100111.1FK三角波三角波第51页3 33 3 直流电压的数字化测量及直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原理转
49、换原理 u 数字化测量：将连续的模拟量转换成断续的数字数字化测量：将连续的模拟量转换成断续的数字量，然后进行编码、存储、显示及打印等。量，然后进行编码、存储、显示及打印等。u 进行这种处理，比较方便的量是直流电压和脉冲进行这种处理，比较方便的量是直流电压和脉冲的频率，对应的测量仪器是数字电压表和电子计的频率，对应的测量仪器是数字电压表和电子计数器。数器。第52页3 33 3 直流电压的数字化测量及直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原理转换原理 u 3 33 31 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标的组成原理及主要性能指标u 1 1）DVMDVM的组成的组成 数字电压表（数字电压表（D
50、igital Voltage MeterDigital Voltage Meter，简称，简称DVMDVM）。）。组成框图组成框图输输入入电电路路A A/D D转转换换器器数数字字显显示示器器逻逻辑辑控控制制电电路路时时钟钟发发生生器器模模拟拟部部分分数数字字部部分分Vx第53页3 33 31 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标的组成原理及主要性能指标u 1 1）DVMDVM的组成的组成 组成框图组成框图 包括模拟和数字两部分。包括模拟和数字两部分。输入电路：对输入电压衰减输入电路：对输入电压衰减/放大、变换等。放大、变换等。核心部件是核心部件是A/DA/D转换器（转换器（Analog
