1、电子测量基础知识文稿演示优选电子测量基础知识2.测量的定义测量的定义 测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程，在这个过测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程，在这个过程中，人们借助于专门的设备，把被测对象直接或间接的与同类已程中，人们借助于专门的设备，把被测对象直接或间接的与同类已知量进行比较。取得用数值和单位共同表示的测量结果。知量进行比较。取得用数值和单位共同表示的测量结果。一般来说，测量结果既可以表示成数字、也可以表示成曲线、图测量结果既可以表示成数字、也可以表示成曲线、图形、表格或某种反馈形式的控制信号。形、表格或某种反馈形式的控制信号。测量结果总包含一定的数值数值（绝对值
2、大小和符号）以及相应的单位单位两部分。3.计量的定义和意义计量的定义和意义计量包括三个主要的特征：计量包括三个主要的特征：（1）统一性。要求对同一个被测对象在不同的地方、采用不同的）统一性。要求对同一个被测对象在不同的地方、采用不同的测量手段进行测量时，所得到的测量结果应当是一致的。测量手段进行测量时，所得到的测量结果应当是一致的。2）准确性。采用公认的统一单位，体现这些单位的基准、标准和）准确性。采用公认的统一单位，体现这些单位的基准、标准和用这些基准、标准来校准的测量器具。用这些基准、标准来校准的测量器具。（3）法制性。将这些统一的单位、基准、标准和测量器具用法律）法制性。将这些统一的单位
3、、基准、标准和测量器具用法律的形式固定下来。的形式固定下来。计量与测量之间既有一定的联系，同时又有一定的区别。计量与测量之间既有一定的联系，同时又有一定的区别。计量基准一般分为国家基准、副基准和工作基准。计量基准一般分为国家基准、副基准和工作基准。国家基准又称为主基准，它是用来复现和保存计量单位，具有现代国家基准又称为主基准，它是用来复现和保存计量单位，具有现代科学技术所能达到的最高准确度，经国家鉴定并批准作为统一全国科学技术所能达到的最高准确度，经国家鉴定并批准作为统一全国计量单位量值的最高依据的计量器具。计量单位量值的最高依据的计量器具。副基准是通过直接或间接与国家基准比对来确定其量值并经
4、国副基准是通过直接或间接与国家基准比对来确定其量值并经国家鉴定批准的计量器具。家鉴定批准的计量器具。工作基准是经与国家基准进行校准或比对，并经国家鉴定，用工作基准是经与国家基准进行校准或比对，并经国家鉴定，用于实际鉴定计量标准的计量器具。于实际鉴定计量标准的计量器具。4.单位和单位制单位和单位制单位分为基本单位和导出单位。单位分为基本单位和导出单位。基本单位是彼此无关、分别加以确定的物理量单位。例如表示重基本单位是彼此无关、分别加以确定的物理量单位。例如表示重量的千克（量的千克（kg）、表示长度的米（）、表示长度的米（m）、表示时间的秒（）、表示时间的秒（s）等。）等。导出单位是指基本单位通过
5、定义、定律或其它函数关系派生出来的导出单位是指基本单位通过定义、定律或其它函数关系派生出来的各种导出量值。例如克（各种导出量值。例如克（g）、公里（）、公里（km）、小时（）、小时（h）等等。由）等等。由各基本单位和导出单位可组成各种不同的单位制。各基本单位和导出单位可组成各种不同的单位制。2）国际单位制（）国际单位制（SI）的组成）的组成 1984年年2月国务院颁布了月国务院颁布了中华人民共和国法定计量单位中华人民共和国法定计量单位，确，确定了我国法定计量单位以国际单位制为基础，并以法律的形式强制定了我国法定计量单位以国际单位制为基础，并以法律的形式强制执行。执行。国际单位制是由国际单位制单
6、位、国际单位制词头和国际单位制国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成。的十进倍数单位三部分组成。国际单位制包括了基本单位、导出单位和辅助单位三类，基本单国际单位制包括了基本单位、导出单位和辅助单位三类，基本单位共七个，列于表位共七个，列于表1-1。1.2 测量误差的基本概念测量误差的基本概念1.测量误差的定义测量误差的定义 测量是为了获取被测量量值而进行的实验过程。测量是为了获取被测量量值而进行的实验过程。任何一次测量，测量值总是存在误差。这个误差就是测量误差。任何一次测量，测量值总是存在误差。这个误差就是测量误差。2.测量误差的来源测量误差的来源测量
7、误差主要由四个方面的来源：测量误差主要由四个方面的来源：1）仪器误差）仪器误差 仪器误差是由于测量仪器本身所存在的固有误差。仪器误差是由于测量仪器本身所存在的固有误差。2）影响误差）影响误差 影响误差是由于各种环境因素（如温度、湿度、压力、干扰等）影响误差是由于各种环境因素（如温度、湿度、压力、干扰等）与测量要求的工作条件不一致造成的。与测量要求的工作条件不一致造成的。3）理论误差和方法误差）理论误差和方法误差 理论误差是在测量过程中，由于所采用的近似测量公式致使测理论误差是在测量过程中，由于所采用的近似测量公式致使测量结果出现误差。量结果出现误差。理论误差和方法误差通常都属于系统误差，这种误
8、差可以通过理论误差和方法误差通常都属于系统误差，这种误差可以通过改变测量方法或修正的方法来消除。改变测量方法或修正的方法来消除。4）人为误差）人为误差 人为误差是由于测量操作人员的分辨能力、固有习惯、操作仪人为误差是由于测量操作人员的分辨能力、固有习惯、操作仪器或操作方法选用的不合理等因素造成的。器或操作方法选用的不合理等因素造成的。方法误差是由于在测量过程中，所采用的测量方法不合理致使方法误差是由于在测量过程中，所采用的测量方法不合理致使测量结果出现误差。测量结果出现误差。3.测量（基准）标准测量（基准）标准1）测量标准的定义）测量标准的定义 测量标准测量标准为了定义、实现、保存和复现量的单
9、位或一个及为了定义、实现、保存和复现量的单位或一个及多个量值，用作参考的实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统。多个量值，用作参考的实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统。2）测量标准的传递）测量标准的传递 为了保证同一个参量的测量标准的一致性，各级计量局行使国为了保证同一个参量的测量标准的一致性，各级计量局行使国家对测量标准的管理权，按照法定的程序，定期对下一级各类测量家对测量标准的管理权，按照法定的程序，定期对下一级各类测量标准进行检定的过程就是测量标准的传递。检定是测量标准传递的标准进行检定的过程就是测量标准的传递。检定是测量标准传递的具体形式。具体形式。测量标准传递的准则是：测量标准传
10、递的准则是：高一级的测量标准检定低一级的测量标准的精确度；同一级的高一级的测量标准检定低一级的测量标准的精确度；同一级的测量标准的精确度只能通过比对来鉴别。测量标准的精确度只能通过比对来鉴别。3.测量误差的表示方法测量误差的表示方法测量误差包括绝对误差和相对误差两种表示方法。测量误差包括绝对误差和相对误差两种表示方法。1)绝对误差绝对误差(1）定义）定义x0 x绝对误差是被测对象的测量值绝对误差是被测对象的测量值与被测对象的真值与被测对象的真值之间的差。之间的差。即即 0 xxx式中：式中：x绝对误差绝对误差x被测对象的测量值被测对象的测量值 0 x被测对象的真实值（真值）被测对象的真实值（真
11、值）(2）修正值）修正值 与绝对误差的绝对值大小相等，符号相反的量值定义为修正值。与绝对误差的绝对值大小相等，符号相反的量值定义为修正值。即即 xxxC0 修正值与绝对误差具有相同的量纲，利用修正值可以减小由于修正值与绝对误差具有相同的量纲，利用修正值可以减小由于测量仪器本身或其它可知的误差造成的影响。修正值给出的形式是测量仪器本身或其它可知的误差造成的影响。修正值给出的形式是多样的，可以是表格、曲线、公式，也可以是修正程序。多样的，可以是表格、曲线、公式，也可以是修正程序。4.相对误差相对误差 虽然绝对误差可以表示测量结果偏离真值的程度，但它还不能虽然绝对误差可以表示测量结果偏离真值的程度，
12、但它还不能确切的表示一次测量结果的精确程度。确切的表示一次测量结果的精确程度。1）相对误差相对误差 和示值相对误差和示值相对误差 x绝对误差与被测量真值（或实际值）的比值称为相对误差。绝对误差与被测量真值（或实际值）的比值称为相对误差。即即%1000 xx 相对误差是两个相同量纲的比值，因此，它只有大小，没有量纲。相对误差是两个相同量纲的比值，因此，它只有大小，没有量纲。在某些要求不太严格，且误差比较小的情况下，也可以用测量在某些要求不太严格，且误差比较小的情况下，也可以用测量指示值代替实际值，所以引入了示值相对误差指示值代替实际值，所以引入了示值相对误差 x%100 xxx x【例例11】用
13、电压表测量某一电压，电压表的读数值为用电压表测量某一电压，电压表的读数值为9.6V，再，再用标准电压表测量该电压时，测量值为用标准电压表测量该电压时，测量值为10V，求测量的绝对误差，求测量的绝对误差、修正值和相对误差、修正值和相对误差 解：解：1)测量结果的绝对误差测量结果的绝对误差 u由定义由定义)(4.0106.90Vuuu3)相对误差相对误差%404.0104.00uu2）修正值）修正值4.0uC2）满度相对误差（引用误差）满度相对误差（引用误差）把测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差把测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差 mx与该量与该量程的满刻度值（该量程的上限值与下限
14、值之差）程的满刻度值（该量程的上限值与下限值之差）mx之比来表示的之比来表示的相对误差称为满度相对误差相对误差称为满度相对误差 m即即%100mmmxx 由上式可以看出，通过满度相对误差实际给出了仪表在各个量由上式可以看出，通过满度相对误差实际给出了仪表在各个量程内的绝对误差的最大值程内的绝对误差的最大值即即 mmmxx1.00.15.153）分贝误差）分贝误差相对误差的对数表示相对误差的对数表示当测量中存在误差时，测量结果当测量中存在误差时，测量结果H的分贝表示形式为的分贝表示形式为lg2000dBHdBH0dBdBHdBH其中其中 dB分贝误差分贝误差若一个放大器电压增益为若一个放大器电压
15、增益为A，其测量值为，其测量值为 xA则其绝对误差则其绝对误差 AAAx由此可得由此可得 AAAx则增益的分贝误差为则增益的分贝误差为)1lg(20)1lg(20lg20)1(lg20)lg(20lg20)(AAdBAAAAAAAAAAdBAxx 取取)1lg(20)()(AAdBAdBAxdB由此可见，由此可见，dB是是 xA和和A的分贝数的差，称为分贝误差，单位的分贝数的差，称为分贝误差，单位为分贝。为分贝。若设若设 AAx)1lg(20)1lg(20 xdBAAAA令令 xxAA则上式可以写成则上式可以写成)1lg(20 xdB1.2 电子测量方法与测量系统电子测量方法与测量系统1.2.
16、1 电子测量的基本概念电子测量的基本概念1.电子测量及意义电子测量及意义 电子测量是人们借助于电子技术的手段对电量和非电量的测量，电子测量是人们借助于电子技术的手段对电量和非电量的测量，即以电子科学技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对即以电子科学技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。电量和非电量进行的测量。2.电子测量的特点电子测量的特点1）测量范围宽）测量范围宽2）高精度、高速度高精度、高速度3）便于信息的传递与数据的处理便于信息的传递与数据的处理4）易于实现测量的自动化）易于实现测量的自动化1.2.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理1.3.1
17、 测量误差的分类、估计和处理测量误差的分类、估计和处理1.测量误差的分类测量误差的分类 根据测量误差的性质和特点，测量误差分为随机误差、系统误差根据测量误差的性质和特点，测量误差分为随机误差、系统误差和粗大误差三类。和粗大误差三类。1）系统误差）系统误差（1）系统误差的定义）系统误差的定义 在同一测量条件下（测量环境、测量仪器、操作人员），多次在同一测量条件下（测量环境、测量仪器、操作人员），多次测量同一被测量值时，误差的绝对值和符号都保持恒定，或在测量测量同一被测量值时，误差的绝对值和符号都保持恒定，或在测量条件改变时按某种确定规律变化的误差。称为系统误差或系差。条件改变时按某种确定规律变化
18、的误差。称为系统误差或系差。一般来说，系统误差是变化的，它的变化特点可以是累进的、一般来说，系统误差是变化的，它的变化特点可以是累进的、周期的或按某种复杂规律变化的，这些规律往往可以用解析式、数周期的或按某种复杂规律变化的，这些规律往往可以用解析式、数据表格、曲线来表达，在系统误差中，不随测量条件变化的误差称据表格、曲线来表达，在系统误差中，不随测量条件变化的误差称为恒值系差。测量值随测量条件变化而变化的误差称为变化的系差，为恒值系差。测量值随测量条件变化而变化的误差称为变化的系差，简称为变值系差。简称为变值系差。（2）产生系统误差的原因）产生系统误差的原因 产生系统误差的原因有很多，归纳起来
19、，主要有以下几个方面：产生系统误差的原因有很多，归纳起来，主要有以下几个方面：a）测量仪器方面的因素：）测量仪器方面的因素：b）测量方法方面的因素）测量方法方面的因素c）测量环境方面的因素）测量环境方面的因素d）测量人员方面的因素）测量人员方面的因素 从系统误差的性质可以看出，系统误差是一种固有误差，它表从系统误差的性质可以看出，系统误差是一种固有误差，它表明一个测量结果偏离实际值的程度，因此，在测量结果中，用准确明一个测量结果偏离实际值的程度，因此，在测量结果中，用准确度来描述系统误差的大小。系统误差越小，则测量结果的准确度越度来描述系统误差的大小。系统误差越小，则测量结果的准确度越高，表明
20、测量值与实际值就越接近。高，表明测量值与实际值就越接近。2）随机误差）随机误差（1）随机误差的定义）随机误差的定义 在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时（等精度测量），在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时（等精度测量），误差的绝对值和符号以不可预测的方式变化的误差，称为随机误差，误差的绝对值和符号以不可预测的方式变化的误差，称为随机误差，简称为随差。简称为随差。（2）随机误差的特点）随机误差的特点a）有界性）有界性 在多次测量中，随机误差的绝对值虽然是变化的，但实际上不会在多次测量中，随机误差的绝对值虽然是变化的，但实际上不会超过一定的界限。即随机误差具有有界性，超过一定的界限。即随机
21、误差具有有界性，b）对称性）对称性 在多次测量中，随机误差的绝对值相等且正负误差出现的机会相在多次测量中，随机误差的绝对值相等且正负误差出现的机会相同。称为随机误差的对称性。同。称为随机误差的对称性。c）抵偿性）抵偿性在多次测量中，随机误差的正负误差相互抵偿。在多次测量中，随机误差的正负误差相互抵偿。3）粗大误差（疏失误差或差错）粗大误差（疏失误差或差错）在规定的测量条件下，测量值超出预期值（或明显超出测量值）在规定的测量条件下，测量值超出预期值（或明显超出测量值）的误差，称为粗大误差（或粗差）。的误差，称为粗大误差（或粗差）。粗大误差产生的原因：粗大误差产生的原因：（1）测量操作人员疏忽和失
22、误。）测量操作人员疏忽和失误。（2）测量方法不当或错误。）测量方法不当或错误。（3）测量环境的突然变化。）测量环境的突然变化。2.随机误差的特性及减小方法随机误差的特性及减小方法 随机误差是由于大量的内部或外部的没有确定规律的因素引起随机误差是由于大量的内部或外部的没有确定规律的因素引起的，从误差的个体来看，误差出现的时间、符号和幅值都是不确定的，从误差的个体来看，误差出现的时间、符号和幅值都是不确定的，没有确定的规律可循，但在多次测量之后，随机误差服从统计的，没有确定的规律可循，但在多次测量之后，随机误差服从统计规律。规律。1.4 频率测量技术频率测量技术 时间和频率的测量是电子技术中的两个
23、最重要的基本参数。时时间和频率的测量是电子技术中的两个最重要的基本参数。时间是国际单位制中七个基本物理量之一。间是国际单位制中七个基本物理量之一。周期和频率之间的关系周期和频率之间的关系Tf11.4.1 时间和频率的基本概念时间和频率的基本概念1.时间频率基准时间频率基准 时间通常包含两个方面的含义：时间和时刻。时间通常包含两个方面的含义：时间和时刻。2.时间和频率的测量方法时间和频率的测量方法 对时间和频率的测量方法大体上可以作如下的分类：对时间和频率的测量方法大体上可以作如下的分类：电子计数式电容充放电式计数法测周期法李沙育图形法示波法差频法拍频法比较法谐振法电桥法直读法模拟法时间和频率测
24、量方法1.频率的测量频率的测量1）测量原理）测量原理频率测量的原理框图如图所示频率测量的原理框图如图所示 闸门门控电路放大 整形xf计数显示TN被测信号分频晶振设闸门的开启时间为设闸门的开启时间为 ST输入信号的频率为输入信号的频率为 xf分频器的分频分频器的分频 频倍数为频倍数为K 则计数器的计数值则计数器的计数值N为为 xSxSfKTTTKN或或 SSxKNfTNKf2.误差分析误差分析电子计数器测量频率与其它测量一样，也存在测量误差。电子计数器测量频率与其它测量一样，也存在测量误差。由测频表达式可以得到，测频的误差为由测频表达式可以得到，测频的误差为SSxxTTNNff对于电子计数器而言
25、，无论其精度如何，对于电子计数器而言，无论其精度如何，1)(maxN即计数误即计数误差只能产生多计一个字或者少计一个字，因此，差只能产生多计一个字或者少计一个字，因此，N称为称为 1个字误个字误 差。差。即即xSfTNNN11第二项误差第二项误差设分频系数为设分频系数为K，则，则 CCSfKKTT而而 2KCCSffT因此因此 CCCCCSSfffKffKTT频率测量的总误差为频率测量的总误差为)1(CCxSSSxxfffTTTNNff电子计数器的测量误差主要决定于两个方面：电子计数器的测量误差主要决定于两个方面：1.是决定于闸门时间是决定于闸门时间T是否准确，即产生标准频率误差；是否准确，即
26、产生标准频率误差；2.是决定于计数器的计数是否正确，即产生是决定于计数器的计数是否正确，即产生1个字的误差。（1）量化误差）量化误差量化误差即量化误差即1字误差，是计数式仪表特有的误差，产生的字误差，是计数式仪表特有的误差，产生的 原因是：被测信号到达闸门的时刻与闸门开启时刻是没有关联的，原因是：被测信号到达闸门的时刻与闸门开启时刻是没有关联的，在相同的闸门时间内，计数器所计得的值却不一定相同，在相同的闸门时间内，计数器所计得的值却不一定相同，图 个字误差(2)标准频率误差标准频率误差cSSffTTc是闸门时间的相对误差是闸门时间的相对误差,标准频率误差曲线如图所示标准频率误差曲线如图所示1.
27、4.2 电子计数式频率计举例电子计数式频率计举例1.电子计数式频率计的组成电子计数式频率计的组成图所示是一个频率图所示是一个频率计的组成框图计的组成框图 输入单元主 门计数译码显示电路门控电路逻辑控制单元石英晶体振荡器1010101010101012V闸门时间与 门与 门3421与 门与 门10s1s0.1s10ms1msA输入2.实用电子频率计举例实用电子频率计举例 下面由下面由ICM7216D集成芯片组成的的数字频率计，数字频率计集成芯片组成的的数字频率计，数字频率计的核心器件的核心器件ICM7216D，其管脚功能与排列如图所示。，其管脚功能与排列如图所示。ICM7216D ICM7216
28、D是一个是一个CMOSCMOS集成电路组成的八位多功能定时集成电路组成的八位多功能定时/计数器计数器电路，其可测频率范围为电路，其可测频率范围为0 10MHz内部含有高频振荡器、内部含有高频振荡器、分频器、计数器、寄存器和分频器、计数器、寄存器和LED译码与驱动以及整机的控制电路。译码与驱动以及整机的控制电路。高精度的高精度的 MHz40频率计电路如图所示，频率计电路如图所示，工作模式选择工作模式选择量程选择量程选择保持开关保持开关四分频四分频复位开关复位开关1.5 电压测量技术电压测量技术 电压、电流和功率是表征电信号的三个基本参量，因此，电压电压、电流和功率是表征电信号的三个基本参量，因此
29、，电压测量是电子测量的一个很重要内容。测量是电子测量的一个很重要内容。1.对电压测量的基本要求对电压测量的基本要求2.电压的测量方法电压的测量方法 被测电压按对象对象可分为直流电压直流电压和交流电压交流电压。按测量手段测量手段可分为模拟测量方法模拟测量方法和数字测量方法数字测量方法。1）交流电压的模拟测量方法）交流电压的模拟测量方法 2）直流电压的数字测量方式直流电压的数字测量方式3）交流电压的数字测量方法）交流电压的数字测量方法4)示波器测量方法示波器测量方法1.5.1 电压测量基本要求电压测量基本要求1.5.1 交流电压的测量交流电压的测量1.交流电压的表征交流电压的表征 交流电压主要用峰
30、值电压、平均值电压、有效值电压交流电压主要用峰值电压、平均值电压、有效值电压 波形系数波形系数和波峰系数来表征。和波峰系数来表征。1)峰值峰值 PU计算峰值时，是从参考零电平开始计算的。计算峰值时，是从参考零电平开始计算的。PU峰值峰值 是交流电压在所观察的时间或一个周期内所达到的最是交流电压在所观察的时间或一个周期内所达到的最 PU记为记为 或或 U大值。大值。2)平均值平均值 U平均值在数学上的定义为平均值在数学上的定义为dttuTUT)(10对周期信号而言，对周期信号而言，T为信号的周期。对于纯正弦交流电压为信号的周期。对于纯正弦交流电压 0U 一般在电子测量中，正弦信号的平均值通常是指
31、经整流检波之后一般在电子测量中，正弦信号的平均值通常是指经整流检波之后的平均值，对全波整流，可表示为的平均值，对全波整流，可表示为dttuTUT)(10对理想的正弦交流信号对理想的正弦交流信号)sin()(tUtuP若若 T2则其全则其全波整流的平均值为波整流的平均值为 PPUUU637.023）有效值有效值U交流电压有效值的定义为：交流电压有效值的定义为：交流电压交流电压u(t)在一个周期在一个周期T内，通过某纯电阻负载内，通过某纯电阻负载R所产生的热所产生的热量，与一个直流电压量，与一个直流电压U在同一负载上产生的热量相等时，则该直流在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压电压U的数值就
32、表示交流电压的数值就表示交流电压u(t)的有效值。的有效值。dttuTUT)(120即交流电压的有效值为交流电压的方均根值。即交流电压的有效值为交流电压的方均根值。当不特别指明时，一般交流电压的量值均指有效值。同时，在当不特别指明时，一般交流电压的量值均指有效值。同时，在各类电压表的指示中，除特殊情况外，都是以正弦信号的有效值来各类电压表的指示中，除特殊情况外，都是以正弦信号的有效值来定度的。定度的。1.5.2 平均值电压的测量平均值电压的测量1.平均值电压表的工作原理平均值电压表的工作原理平均值检波器原理如图所示平均值检波器原理如图所示 平均值电压表的指示值平均值电压表的指示值正比于被测信号
33、的平均值，正比于被测信号的平均值，与被测信号的波形无关。与被测信号的波形无关。而指针式表的指示装置一而指针式表的指示装置一般都是按正弦信号有效值般都是按正弦信号有效值来刻度的，当被测信号为来刻度的，当被测信号为非正弦信号时，要进行波非正弦信号时，要进行波形变换。形变换。3.平均值检波电压表平均值检波电压表图为一个交、直流平均值检波电压表电路图图为一个交、直流平均值检波电压表电路图 接地接地双向限幅双向限幅量程选择量程选择交直流选择交直流选择调零电路调零电路平均值检波平均值检波施密特触发器施密特触发器极性显示极性显示1.5.3 峰值电压的测量峰值电压的测量1.工作原理工作原理峰值是指交变信号在一
34、个周期内电压值所能达到的最大值。峰值是指交变信号在一个周期内电压值所能达到的最大值。常见峰值电压表的峰值检波电路如图所示，常见峰值电压表的峰值检波电路如图所示，VDRCxu串联式)(aVDRCxuCuRURUCUxU并联式)(b1VDR2Cxu2VD1CxURU倍压式)(c峰值检波器存在的条件是峰值检波器存在的条件是maxTminTVD式中：式中：检波器的放电时间常数检波器的放电时间常数 RCVD检波器的充电时间常数检波器的充电时间常数 CRVDVDminmaxTT和被测交流电压的最大周期和最小周期。被测交流电压的最大周期和最小周期。1.5.4 有效值电压的测量有效值电压的测量1.有效值检波器
35、的工作原理有效值检波器的工作原理 电压有效值的定义电压有效值的定义 dttuTUT)(120其原理图如图所示其原理图如图所示IuxuoEAVD)(a)(b0E由二极管特性可得由二极管特性可得20)(tuEKix可见可见)(2tuix直流电流表指针的偏转角正比于电流直流电流表指针的偏转角正比于电流i的平均值的平均值 IdttiTIT)(10由此可得由此可得)(2tuIx下面介绍一种直流反馈计算式变换器，原理电路如图所示下面介绍一种直流反馈计算式变换器，原理电路如图所示M121A2A3A4A)(tuoUVDCoUtu)(oUtu)(积分器积分器倒向器倒向器加法器加法器乘法器乘法器限幅限幅输出电压为
36、输出电压为)(22tuUKUoM式中：式中：K为积分器的传输系数；为积分器的传输系数；积分器的输出电压为积分器的输出电压为)(22UURCTKUoo若积分时间若积分时间T足够长时，满足足够长时，满足 1RCTK输出电压等于交流信号的输出电压等于交流信号的平均值，即平均值，即 UUo2.有效值检波器电压表有效值检波器电压表有效值电压表原理电路图如图所示有效值电压表原理电路图如图所示1131265432111098714CCUCCUINUINDUToU)(tux2R2W9R8R1W7R6R5R4R3R1R1K4K3K2K1C2C2A1A3CCCU536AD有效值检波器有效值检波器调增益调增益调零调
37、零放大器放大器量程选择量程选择1.6 电压的数字测量方法电压的数字测量方法 数字电压表的基本测量原理是先将连续的直流电压转换成数字数字电压表的基本测量原理是先将连续的直流电压转换成数字量，然后再经过编码和显示。量，然后再经过编码和显示。其原理框图如图所示。其原理框图如图所示。输入电路xUA/D转换器计数器显示器时钟电路逻辑控制1.6.1.数字电压表（数字电压表（DVM）的主要性能指标）的主要性能指标数字电压表的主要性能指标：数字电压表的主要性能指标：1.显示位数显示位数 数字电压表显示位数是指若能够完整显示从数字电压表显示位数是指若能够完整显示从09十个数字，称十个数字，称为一位，如为一位，如
38、999称为三位表，称为三位表，9999称为四位表。若在最高显示位称为四位表。若在最高显示位上，只能显示上，只能显示0或或1两个数字，则称为半位，若最大显示结果为两个数字，则称为半位，若最大显示结果为1999 213称为称为 位，位，19999称为称为 214位位.2.量程量程 为了能够测量不同大小被测信号，需要将被测电压分成若干个为了能够测量不同大小被测信号，需要将被测电压分成若干个范围输入，这个范围就是量程。范围输入，这个范围就是量程。3.超量程能力超量程能力 超量程能力是指输入电压允许超过量程的最大范围，通常是用超量程能力是指输入电压允许超过量程的最大范围，通常是用超过量程的百分比来表示。
39、超过量程的百分比来表示。超量程能力是在显示器的最高位之前附加一位，作为超量程显超量程能力是在显示器的最高位之前附加一位，作为超量程显示位。示位。若用一个四位电压表测量一个若用一个四位电压表测量一个10.001V电压，若选择电压，若选择10V量程量程档，最大显示为档，最大显示为9.999V,显然计数器将溢出，自动转换成显然计数器将溢出，自动转换成100V量程，量程，若用若用 214位电压表，同样选择位电压表，同样选择10V量程档，其最大显示为量程档，其最大显示为19.999V则可以显示则可以显示10.001V，说明有超量程能力，超量程能力为说明有超量程能力，超量程能力为100%，而，而四位表的超
40、量程能力为四位表的超量程能力为0。4.分辨力分辨力 分辨力是测量仪器能够分辨的最小输入电压变化的能力。在数分辨力是测量仪器能够分辨的最小输入电压变化的能力。在数1个字所需要的最小输入个字所需要的最小输入电压值。电压值。字电压表中，通常指使显示器末位变化字电压表中，通常指使显示器末位变化 显然，在不同的量程时，电压表的分辨力也是不同的。显然，在不同的量程时，电压表的分辨力也是不同的。5.抗干扰能力抗干扰能力1）串模干扰）串模干扰 串模干扰是指干扰电压源串模干扰是指干扰电压源 smU与被测电压源与被测电压源 xU相串联，并叠加相串联，并叠加后接至数字电压表的输入端，由于干扰信号与被测信号对测量仪器
41、后接至数字电压表的输入端，由于干扰信号与被测信号对测量仪器来讲具有相同的作用，因此，直接引起测量结果的误差。来讲具有相同的作用，因此，直接引起测量结果的误差。串模干扰连接示意图如图所示。串模干扰连接示意图如图所示。DVMSmUxU 在数字电压表中，表述抗串模干在数字电压表中，表述抗串模干扰能力通常用串摸抑制比（扰能力通常用串摸抑制比（SMR）来）来表示，其定义为表示，其定义为lg20maxdBUUSMRsmsmp式中：smpU为串模干扰电压的峰值为串模干扰电压的峰值 maxsmU为由为由 smU引起的最大显示误差。引起的最大显示误差。由此可见，由此可见，SMR值越大，数字电压表的抗干扰能力也就
42、越强，值越大，数字电压表的抗干扰能力也就越强，一般为一般为2060dB。2）共模干扰）共模干扰共模干扰是指干扰源共模干扰是指干扰源cmU通过环路地电流对两根测试线都产生通过环路地电流对两根测试线都产生影响的干扰源。影响的干扰源。共模干扰的示意图如图所示共模干扰的示意图如图所示xuxR1R2RCRcmU1I2I1Z2ZDVM机壳号信测被图 共模干扰示意图图中图中 1Z和和 2Z是数字电压表两个输入端与机壳的绝缘电阻，是数字电压表两个输入端与机壳的绝缘电阻，一般一般 21ZZ 1R2R和和 是输入信号线的电阻。是输入信号线的电阻。对共模干扰的抑制能力用共模抑制比（对共模干扰的抑制能力用共模抑制比（
43、CMR）来表示）来表示lg20maxdBUUCMRcmp式中：式中：cmpU为共模干扰电压的峰值；为共模干扰电压的峰值；maxU为由共模干扰引起的最大显示误差。为由共模干扰引起的最大显示误差。6.数字电压表的测量误差数字电压表的测量误差数字电压表的固有测量误差通常采用两种表示方法数字电压表的固有测量误差通常采用两种表示方法个字nUaUUbUaUxmx%式中式中 xU为测量值（被测电压的读数值）为测量值（被测电压的读数值）mU为该量程的满度值为该量程的满度值 xUa%是用示值相对误差表示的，与被测电压的读数值成是用示值相对误差表示的，与被测电压的读数值成正比，称为读数误差。它是由仪器各单元电路的
44、不正比，称为读数误差。它是由仪器各单元电路的不稳定性决定的。稳定性决定的。mUb%是与被测电压无关的值，不随读数的变化而变化，是与被测电压无关的值，不随读数的变化而变化，称为满度误差。由于仪器量程选定以后，该值就确称为满度误差。由于仪器量程选定以后，该值就确n个字表示。为了避免个字表示。为了避免满度误差对读数误差的影响，在选用仪器时，应选择满度误差对读数误差的影响，在选用仪器时，应选择合适的量程。合适的量程。定不变，因此，通常也用定不变，因此，通常也用【例例23】用一个四位数字电压表的用一个四位数字电压表的5V量程分别测量量程分别测量4V和和0.2V电电压，已知该仪器的测量误差为压，已知该仪器
45、的测量误差为 102.0 xU误差引起的测量误差的大小？误差引起的测量误差的大小？个字，试求由仪器的固有个字，试求由仪器的固有解：由于仪器是四位表，用由于仪器是四位表，用5V量程时，量程时，1字相当于字相当于 V001.0当测量当测量4V电压时产生的绝对误差为电压时产生的绝对误差为)(0018.0001.04%02.01%02.0VUUx个字示值相对误差示值相对误差%045.0%10040018.0%100 xUUU2）当测量）当测量0.2V电压时产生的绝对误差为电压时产生的绝对误差为)(00104.0001.02.0%02.01%02.0VUUx个字示值相对误差示值相对误差%52.0%100
46、2.000104.0%100 xUUU 当被测量与满量程接近时，测量误差比较小，当被测量越远离当被测量与满量程接近时，测量误差比较小，当被测量越远离满量程时，测量误差也就越大。满量程时，测量误差也就越大。1.6.2 数字电压表（数字电压表（DVM）的主要类型）的主要类型 数字电压表的核心部件是数字电压表的核心部件是A/D转换器转换器,按照按照A/D转换器的工作原转换器的工作原理来分，可以分成积分型和非积分型两大类。理来分，可以分成积分型和非积分型两大类。1）积分型）积分型 包括双积分式、三积分式、脉冲调宽（包括双积分式、三积分式、脉冲调宽（PWM）式和电压频率）式和电压频率（V-F）式等。）式
47、等。2）非积分式）非积分式 包括斜波式、逐次比较式和并行比较式等包括斜波式、逐次比较式和并行比较式等下面介绍在数字电压表中常用到的下面介绍在数字电压表中常用到的A/D转换器：转换器：1.双斜积分式双斜积分式A/D转换器转换器1）工作原理）工作原理 在一次测量过程中，用同一积分器进行两次积分，第一次先对在一次测量过程中，用同一积分器进行两次积分，第一次先对xu进行积分，第二次对标准信号进行积分，第二次对标准信号 ru进行积分，通过比较进行积分，通过比较两次积分结果，将被测信号两次积分结果，将被测信号 被测信号被测信号 xu变换成与之成正比的时间间隔，变换成与之成正比的时间间隔，因此，这种转换器也
48、称为因此，这种转换器也称为UT转换器。转换器。双积分式双积分式A/D转换器的原理如图所示转换器的原理如图所示xUCR4S3S2SrU1SrU积分器比较器门主时钟电路显示寄存计数控制电路辑逻其工作过程分成四个阶段：其工作过程分成四个阶段：（1）准备阶段）准备阶段)(10tt逻辑控制单元首先接通开关逻辑控制单元首先接通开关 4s此时，积分器输入端为零，此时，积分器输入端为零，为开始测量作准备。为开始测量作准备。（2）采样阶段）采样阶段)(21tt此时，积分器的输出电压下降到此时，积分器的输出电压下降到 11211)(1121TuRCttuRCdtuRCuxxxtto（3）比较阶段）比较阶段)(32
49、tt在在 2t时刻，逻辑控制单元使时刻，逻辑控制单元使 1s断开，接通开关断开，接通开关 3s标准电压信号标准电压信号 rU接入到积分器的输入端，此时，积分器开始反向积分，输出电压接入到积分器的输入端，此时，积分器开始反向积分，输出电压 ou开始线性上升，计数器开始重新计数。开始线性上升，计数器开始重新计数。当刚刚当刚刚 0ou时（时（3t时刻），电压比较器的输出低电平，将主时刻），电压比较器的输出低电平，将主门关闭，计数器停止对时钟信号进行计数，通过逻辑控制电路使门关闭，计数器停止对时钟信号进行计数，通过逻辑控制电路使 3s断开断开 4s接通，比较阶段结束（时间间隔接通，比较阶段结束（时间间
50、隔 2T）。）。输入电压输入电压 xu接入到积分器的输入端，此时，积分器输出电压接入到积分器的输入端，此时，积分器输出电压 ou假设被测电压假设被测电压 xu为正，在为正，在 1t时刻，逻辑控制单元接通开关时刻，逻辑控制单元接通开关 1s开始线性下降。当一旦开始线性下降。当一旦 0ou时，门打开，计数器开始对时钟信号时，门打开，计数器开始对时钟信号采样阶段结束。采样阶段结束。进行计数，当计数器从某一设置值到计数器计满时进行计数，当计数器从某一设置值到计数器计满时1s断开断开 3s接接通通此时，积分器的输出电压此时，积分器的输出电压 002u01)(120110232TURCudtURCuurt
