第四章 电压测量 本章要点： · 对电压测量的要求和分类 · 交流电压的测量 · 数字电压表组成原理、工作特性和分类 第四章 电压测量 本章要点： · 对电压测量的要求和分类 · 交流电压的测量 · 数字电压表组成原理、工作特性和分类 · 积分式和比较式A/D转换器及数字多用表的组成原理与特点 · 数字电压表的误差与干扰

4.1 概 述 4.1.1 对电压测量的基本要求 1. 应有足够宽的电压测量范围 2. 应有足够宽的频率范围 3. 应有足够高的测量准确度 4.1 概 述 4.1.1 对电压测量的基本要求 1. 应有足够宽的电压测量范围 2. 应有足够宽的频率范围 3. 应有足够高的测量准确度 4. 应有足够高的输入阻抗 5. 应具有高的抗干扰能力

4.1.2 电压测量仪器的分类 1. 模拟式电压表 指针式电压表：用磁电式电流表作为指示器 2. 数字式电压表 4.1.2 电压测量仪器的分类 1. 模拟式电压表 指针式电压表：用磁电式电流表作为指示器 2. 数字式电压表 经A/D将模拟信号转换为数字信号

4.2 交流电压的测量 1、峰值：在一定时间或一个周期内交变电压所达到的最大值。 4.2.1 交流电压的表征

2、平均值：数学上指对于一个周期信号，有 测交流电压时，平均值指经过检波后的平均值，无特殊说明是指 经过全部检波之后的平均值。

3、有效值：数学上 一个交流电压和一个直流电压通过一个电阻产生的热量相同时， 这个直流电压就等于这个交流电压的有效值。 4、波形因数—有效值与平均值的关系： 波峰因数—有效值与峰值的关系

P153 表5.1

4.2.2 交流电压的测量 交流电压 直流电压 均值、峰值和有效值 AC/DC 1.均值电压表 1)均值电压表的组成 阻抗 变换器 可变量程 4.2.2 交流电压的测量 交流电压 直流电压 均值、峰值和有效值 AC/DC 1.均值电压表 1)均值电压表的组成 阻抗 变换器 可变量程 衰减器 平均值 检波器 宽带 放大器 微安表 u(t ) 图 均值电压表的一般组成 mV量级 20Hz～10MHz 均值表 视频毫伏表 放大―检波式

2)均值检波器 ui(t) C VD1 VD2 ui(t ) VD3 VD4 U t UP A B

对于全波均值检波器： 流过电表的平均电流 灵敏度 输入阻抗 与被测电压的平均值成正比，而与波形无关。 提高灵敏度，就应减小Rd和rm的值，为提高输入阻抗检波前要加放大器 输入阻抗

对于非正弦波，KF ≠1.11，直接读数无物理意义，要通过换 算求得有效值。 3)波形换算 角标“～”表示正弦波 K——定度系数，或称为刻度系数。 对于非正弦波，KF ≠1.11，直接读数无物理意义，要通过换 算求得有效值。

4) 波形误差 因读数是按标准无失真正弦波有效值定度的，而实际正弦波 和非正弦波则会有误差。 定义：读数与实际有效值之间的相对误差为波形误差 用均值电压表测量非正弦波电压时，其读数应作修正。 则有

例4.l 用平均值电压表测量一个三角波电压，读得测量值为 10V，试求有效值为多少伏？ 解: 对于均值表， 读数 先求出均值，再通 过KF换算成有效值。 三角波的均值为 查 P159 表5.1，得三角波KF=l.15，故被测三角波的有效值为 波形误差：

峰值电压表的工作频率范围宽、输入阻抗较高，有较高的 灵敏度，但存在非线性失真。 2. 峰值电压表 峰值电压表的工作频率范围宽、输入阻抗较高，有较高的 灵敏度，但存在非线性失真。 1)峰值电压表组成 峰值电压表，简称峰值表，属检波―放大式电子电压表，又 称为超高频毫伏表。它由峰值检波器（置于机箱外探头中）、 分压器、直流放大器和微安表等组成（置于电压表机箱中）， 如图所示。 图 峰值电压表 峰值检波器 直流放大器 分压器 电压表机箱 探头

2)峰值检波器 条件： Rs u(t) VD RL C + 图 峰值检波器 充 放 uc t T 最后输出的平均电压迫近峰值

3)刻度特性 峰值电压表响应被测电压的峰值UP，读数Ua（峰值表的指示值） 为 K——定度系数， 对正弦波读数Ua就是有效值 非正弦波读数Ua无物理意义，要通过： 求出峰值，再由峰值因数KP求出有效值U

4)波形误差 由于峰值电压表的读数没有直接的物理意义，测量非正弦波时， 如果不进行换算，将产生波形误差。其定义为 即

例4.2 用峰值电压表测量一个三角波电压，读得测量值为10V， 试求有效值为多少伏？ 解：对于峰值表，读数乘以 在就等于被测电压的峰值。因 此，三角波的峰值为 由表5.1查得三角波 故被测三角波的有效值为 波形误差

以上均值表、峰值表测的不是有效值，只是按有效值读数， 故实为伪有效值。 3. 有效值电压表 以上均值表、峰值表测的不是有效值，只是按有效值读数， 故实为伪有效值。 而有效值电压表，直接获得有效值，是真有效值表。 原理 有效值的物理定义----热电偶式 有效值的数学定义----计算式 1)热电偶式： 不同金属界面逸出功不同， 冷、热端形成电位差 铁 康铜 热电偶 真空管 u(t) R I μA E 电势 E=kU2 电势正比输入功率， 可作微波功率计。 如何直接测电压？

2)计算式

表 三种电子电压表主要特性比较 电压表 组成原理 主要 适用场合 实测 读数Ua 读数Ua的物理意义 对正弦波 非正弦波 均值 放大-均检 表 三种电子电压表主要特性比较 电压表 组成原理 主要 适用场合 实测 读数Ua 读数Ua的物理意义 对正弦波 非正弦波 均值 放大-均检 低频信号 视频信号 有效值U 峰值 峰检-放大 高频信号 峰值UP 0.707UP U=UP/KP 有效值 热电式 计算式 非正弦信号 U 真有效值U 均值 U=KF 1.11

4.3 数字电压表概述 4.3.1 数字电压表组成原理 数字电压表(DVM—Digital Voltmeter) 4.3.1 数字电压表组成原理 数字电压表(DVM—Digital Voltmeter) 图 直流数字电压表的基本方框图 输入 模拟部分 数字部分 电源 电路 转换器 A-D 计数器 显示器 辑电路 控制逻 注：这里是以双积分式数字电压表来说明组成原理，并非所有数字电压表都是这样组成的。

4.3.2 数字电压表的主要技术性能 1. 测量范围：包括显示位数、量程划分和超量程能力、还可包括量程的选择方式是手动、自动或远控等。 4.3.2 数字电压表的主要技术性能 1. 测量范围：包括显示位数、量程划分和超量程能力、还可包括量程的选择方式是手动、自动或远控等。 1）量程---借助于分压器和输入放大器来实现 2)位数 显示位数：通常为3½位～8½位。 判定数字仪表的位数有两条原则： ① 能显示从0～9所有数字的位是整数值； ② 分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满 量程时最高位数字做分母。      

3) 超量程能力 在临界量程处，不会降低精度和分辨力。 溢出1 10V档： 9.999V（只能显示0.001） 测量 ： 10.001V 丢失1

2、分辨率：指DVM能够显示被测电压的最小变化值，即最小量程时显示器末位跳一个字所需的最小输入电压。 由于分辨力与数字电压表中A/D的位数有关，位数越多，分辨 力愈高，故有时称具有多少位的分辨力。例如，称12位A/D具 有12位分辨力，有时也用最低有效位LSB的步长表示，把分辨 力说成分辨率1/212或1/4096或。同时，分辨力越高，被测电 压愈小，电压表愈灵敏，故有时把分辨力称作灵敏度。

3.固有误差或工作误差 △U=±(a%ux+b%um） △U=±a%ux±n个字 [例1] DS26A直流DVM基本量程8V档固有误差为±0.02%ux±0.005%um，最大显示为79999，问满度误差相当于几个字？

【例2】：用4 ½位sx1842DVM测1.5V电压，分别用2V档和200档测量，已知： 2V档固有误差：±0.025%Ux ±1个字， 200V档固有误差：±0.03%Ux ±1个字 问：两种情况下由固有误差引起的测量误差各为多少？ 解：因4 ½位DVM最大显示为19999，所以2v和200v档的±1个字分别代表： 结论：1.不同量程“±1个字”误差对测结果不一样，测量时应尽量选择合适的量程。 2.虽然DVM有4 ½位分辨力，但不正确使用，则达不到应有的准确度。故分辨力高不等于准确度高。

4. 测量速率 测量速率是每秒钟对被测电压的测量次数或测量一次所需的 时间，它主要取决于DVM中所采用的A/D转换器的转换速率。 5. 输入阻抗与输入电流 目前，多数数字电压表的输入级用场效应管组成，在小量程上， 其输入阻抗可高达104MΩ以上，在大量程时(如100V、1000 V 等)，由于使用了分压器，输入阻抗一般为10MΩ。 6. 响应时间 响应时间是DVM跟踪输入电压突变所需的时间。分为：阶跃响应时间、极性响应时间、量程响应时间。 7.抗干扰能力——串模抑制比和共模抑制比 数字电压表的内部干扰有漂移及噪声，外部干扰有串模干扰 及共模干扰。

按A/D变换原理分：直接转换型、间接转换型 4.3.3 数字电压表的分类 按位数分：三位半、五位、八位等 按测量速度分：高速、低速 按体积、重量分：袖珍式、便携式、台式 按A/D变换原理分：直接转换型、间接转换型 1、直接转换型（比较型） 原理：将被测电压与基准电压比较，在比较过程中被测电压被量化为数字量，直接用电子计数器计数，数字显示测量结果。 特点：测量速度快、测量精度高、抗干扰能力差

2、间接转换型（积分型） 包括V-T变换和V-F变换两大类 V-T变换原理：用积分器将被测电压转换为时间间隔，然后用电子计数器在此时间间隔内累计脉冲数，用数字显示。 V-F变换原理：将被测电压经过积分变为频率（计数脉冲），在标准闸门时间内累计脉冲数，用数字显示。 特点：抗干扰能力强、提高仪器稳定度、速度慢

4.8 数字多用表DMM 数字多用表DMM ( Digital MultiMeter)是具有测量直流电压、 直流电流、交流电压、交流电流及电阻等多种功能的数字测 量仪器。 直流数字 电压表 AC－DC I－V DC Ω－V Um Ix Rx U∽ 数字多用表方框图

4.8.1 电流-电压（I-U）转换器 Ix=Uo/RS R1 R2 R3 Rs uo － + Ix Rf 图 大信号电流－电压转换电路 图 大信号电流－电压转换电路 图 基本电流－电压转换电路

4.8.2 电阻—电压(Ω—V)转换器 1、恒流法 当在被测的未知电阻Rx中流过已知的恒定电流IS时，在RX上 产生的电压降为U＝RxIs，故通过恒定电流可实现Ω—V转换。 Er Rs Rx uo － + A Is

2、电阻比例法

4.8.3 交流—直流(AC—DC)转换器 1、线性半波检波器

2、精密全波检波器=半波检波器+加法器

4.9 电压测量的干扰及其抑制技术 1）串模干扰 * 干扰电压以串联形式与被测电压迭加到DVM输入端,干扰源可能来自被测电压,也可能来自外界.例如屏蔽不良、电磁干扰、测试线的感应等。

串模抑制比 →串模干扰的幅值 →串模干扰引起的最大测量误差. *常用的抑制方法：采用输入滤波器、采用积分技术

2）共模干扰 *被测信号的地线与电压表地线（机壳）之间存在电位差UCm时，他们产生的电流对高低两根测试线都有干扰，这个干扰源UCm称共模干扰。 *常用的抑制方法：采用浮地屏蔽技术