第3章 模拟测量方法.

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1 第3章 模拟测量方法

2 第3章　模拟测量方法 学习辅导内容 从信号的特征讲，分为模拟信号和数字信号。模拟信号是其幅度随时间作连续变化的信号。无论是何种电参数，只要他属于模拟范畴，就要采用模拟测量方法进行测量。或者不完全属于模拟量，只要采取某种技术措施和手段将其变换成模拟量，就可以采用模拟测量方法进行测量。前提是在变换过程中尽可能减小误差，即使产生误差也不能降低测量精度。模拟测量有多种多样，不管使用何种模拟测量方法进行测量，被测量必须是模拟信号。

3 一、本章需要掌握的内容 1．完成测量模拟电压有三种检波器，即平均值检波器、有效值检波器和峰值检波器。要求能熟练的分析其工作原理和特点。
2．能画出三种检波器的电路原理图，并说明每个元器件的作用。 图3.2－5 图3.2－12 图3.2－19 3．结合图3.2－7、3.2－16、3.2－20能详细地分析平均值电压表，有效值电压表及峰值电压表的工作原理，说明每一个元器件的作用，并能描绘出工作过程的波形。 图3.2－7 图3.2－16 图3.2－20

4 4．分析脉冲电压测量工作原理，注意事项 5．分析噪声电压，器件和放大器噪声的测量工作原理。 6．理解分贝、失真度的概念，分析分贝值、失真度的测量原理。 7．熟练阐述功率，Q值的测量原理。

5 二、重点与难点 重点： 难点： 1．理解波形系数KF，波峰系数KP的定义与作用。 2．单片集成电路有效值检波器AD536A的内部结构和功能。
3．对三种检波器的误差能进行全面系统的分析和了解。 4．各种陷波器的工作原理及应用。 难点： 1．能利用各种波形的波形系数KF与波峰系数KP换算出各种波形的平均值，有效值和峰值。 2．能详细分析和叙述阻抗测量电路的工作原理，并说明每一个元器件的作用。 图3.7－5

6 电压测量的重要性 电参量的基础：U=IR I=U/R R=U/I P=IU=U2/R=I2R 其中：电流、功率→电压，再进行测量
◆ 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： 表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率 电参量的基础：U=IR I=U/R R=U/I P=IU=U2/R=I2R 其中：电流、功率→电压，再进行测量 电路工作状态： 饱和与截止，线性度、失真度→电压表征 ◆非电测量中，物理量——〉电压信号，再进行测量 如：温度、压力、振动、（加）速度 因此，电压测量是其它许多电参量、非电参数测量的基础。

7 低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。 （2）测量范围宽 微弱信号：心电医学信号、地震波等，纳伏级（10-9V）；
3.1 电压测量概述 1.电压测量的基本要求 （1）频率范围广：零频（直流）～109Hz 低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。 （2）测量范围宽 微弱信号：心电医学信号、地震波等，纳伏级（10-9V）； 超高压信号：电力系统中，数百千伏。 （3） 应有足够高的测量准确度(10-1至10-9) 电压表精确度表示方法： a）满度值的百分数±β%Um：具有线性刻度模拟式电压表采用，±β%为满度相对误差，Um为电压表满刻度值。 b）读数值的百分数±α%Ux：具有对数刻度电压表采用，±α%为读数相对误差，Ux为电压表测量读数值。 c）±(α%Ux+β%Um)：数字电压表采用。

8 在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。
（4）应有足够高的输入阻抗 在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。 直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。 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。 电压表等效为Ri//Ci，是被测电路的额外负载。 为使被测电路工作状态少受影响，应具有高输入阻抗，即Ri尽量大、Ci尽量小。 （5）应有足够高的抗干扰能力 应采取一些抗干扰措施，如良好接地、使用短的测试线、进行屏蔽等，以减小干扰的影响。

9 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 模拟示波器： 刻度比较 (2)数字式电压表
模拟示波器： 刻度比较 (2)数字式电压表 经A/D将模拟信号转换为数字信号 各有千秋 模拟表——驾驶台仪表多，一目了然；高频电压表 数字表——精度高，输入阻抗高，便于与计算机联接

10 3.2.1 交流电压的表征 3.2 交流电压的测量 峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。 1.峰值UP
注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）。

11 2.平均值 数学上定义为： 相当于交流电压u(t)的直流分量。 交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）： 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T

12 (b)半波整流 图 半波和全波整流 (c)全波整流

13 3．有效值 某一交流电压的有效值等于直流电压的数值U，当该交流电压和 数值为U的直流电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产生的热量相等。则数学式可表示为 (3.2.2) 式(3.2.2)实质上即数学上的均方根定义，因此电压有效值有时也写作Urms。 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T

14 4．波形因数、波峰因数 交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分别用波形因数(或称波形系数)及波峰因数(或称波峰系数)表示。 波形因数KF，定义为该电压的有效值与平均值之比 (3.2.3) 波峰因数Kp ，定义为该电压的峰值与有效值之比 (3.2.4)

15 波峰因数和波形因数 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T 波形因数定义：有效值与平均值的比值，用KF表示， 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T

16 表1 不同波形交流电压的参数

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18 3.2.2 交流电压的测量方法 测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同。其中最主要的是利用交流／直流(AC／DC)转换电路将交流电压转换成直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。 根据AC／DC转换器的类型，可分成检波法和热电转换法。根据检波特性的不同，检波法又可分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等。

19 模拟电压表组成方案 检波器是实现交流电压测量（AC-DC变换）的核心部件，同时，为了测量小信号电压，放大器也是电压表中不可缺少的部件，因此，组成方案有两种类型： 一种是先检波后放大，称为检波-放大式； 一种是先放大后检波，称为放大-检波式。 模拟电压表的两个重要指标：带宽和灵敏度(分辨力)。

20 2．模拟交流电压表的主要类型 1）检波-放大式电压表 a. 组成框图；b.提高灵敏度措施 检波器 决定电压表的频率范围、输入阻抗和分辨力。
峰值电压表常用这种类型。

21 检波器 放大器 为提高频率范围，采用超高频二极管检波，其频率范围可从直流到几百兆赫，并具有较高的输入阻抗。
检波二极管的正向压降限制了其测量小信号电压的能力（即灵敏度限制），同时，检波二极管的反向击穿电压对电压测量的上限有所限制。 为减小高频信号在传输过程中的损失，通常将峰值检波器直接设计在探头中。 放大器 采用桥式直流放大器，它具有较高的增益。 直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。

22 放大器 主要指标： 为提高灵敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斩波稳零式直流放大器，其灵敏度可达几十微伏。
——称之为“调制式电压表” ，如国产HFJ-8型高频毫伏表，最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。 主要指标： 检波-放大式电压表常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表” 。如国产DA36型超高频毫伏表，频率范围为10kHz～1000MHz，电压范围(不加分压器)1mV～10V。 国产HFJ-8型高频毫伏表（调制式），最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。

23 2）放大-检波式电压表 组成框图 先放大再检波，因此灵敏度很高。 均值电压表常用这种方式。 放大器 宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为10MHz。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表” 。 灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制。

24 1.峰值电压表

25 2.平均值电压表

26 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？

27 热电偶有效值检波原理图 图中，直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系：
电流I∝热电动势∝热端与冷端的温差，而热端温度∝u(t)功率∝u(t)的有效值V的平方，故， 热电偶有效值检波原理图

28 典型产品：DA30型，频率范围10Hz~10MHz，量程范围
1mV~300V

29 2)计算式 硬件实现------有专用IC，如AD637 ∫ √ 软件实现------用计算机完成运算

30 4.外差式电压表 检波二极管的非线性，限制了检波—放大式电压表的灵敏度，因此虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般仅达到mV级。 而对于放大—检波式电压表，由于受到放大器增益与带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围却较窄，一般在10MHz以下。 同时两种方式测量电压时，都会由于干扰和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。外差式电压测量法在相当大的程度上解决了上述矛盾。

31 外差式选频电平表通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现高灵敏度。
——很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。

32 3.2.3 平均值电压的测量 1.平均值检波器的工作原理 2.波形换算方法
当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上取得的示值先除以定度系数，折算成正弦波电压（取绝对值）的平均值；再按平均值相等示值也相等的原则，用波形系数换算出被测的非正弦波电压有效值

33 平均值电压表原理、刻度特性 原理 刻度特性 均值响应，即：u(t) 放大均值检波驱动表头 表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度。因此：
当输入u(t)为正弦波时，读数α即为u(t)的有效值V（而不是该纯正弦波的均值）。 对于非正弦波的任意波形，读数α没有直接意义（既不等于其均值也不等于其有效值V）。但可由读数α换算出均值和有效值。

34 刻度特性 第一步，把读数α想象为有效值等于α的纯正弦波输入时的读数，即 第二步，由 计算该纯正弦波均值
由读数α换算出均值和有效值的换算步骤如下： 第一步，把读数α想象为有效值等于α的纯正弦波输入时的读数，即 第二步，由 计算该纯正弦波均值 第三步，假设均值等于 的被测波形（任意波）输入 ，即 注：“对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等” 。 第四步，由 ，再根据该波形的波形因数（查表可得），其有效值

35 平均值电压表原理、刻度特性和误差分析 刻度特性 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α得到有效值，需将α乘以因子k。（若式中的任意波为正弦波，则k=1，读数α即为正弦波的有效值）。

36 平均值电压表原理、刻度特性和误差分析 刻度特性
综上所述，对于任意波形而言，均值电压表的读数α没有直接意义，由读数α到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下： 式中，α为均值电压表读数，KF为波形因数。 波形误差。若将读数α直接作为有效值，产生的误差

37 例3.2.1用平均值表（全波式）分别测量方波及三角波 电压，电压表均指在10V位置，问被测电压的有效值分 别是多少？
再用波形系数换算成有效值。 对于三角波，因示值与方波相同，表明它的平均值 也是9V,有效值

38 仍以上面例中的三角波和方波为例，如果直接将电压表示值Ua＝10V作为其有效值，可以得到波形误差分别为
三角波： 方波：

39 3.误差分析

40 4.平均值检波器电压表

41 3.2.4 有效值电压的测量 1.有效值电压表原理 真空或半导体二极管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律关系，如图3.2.8所示。图中E0为偏置电压，当信号电压ux较小时，有 图3.2.8 平方律特性的获得

42 式中k是与二极管特性有关的系数(称为检波系数).由于电容C的积分(滤波)作用，流过微安表的电流正比于i的平均值 等于
(3.2-13) (3.2-14) (3.2-14) (3.2-14) (3.2-14) 从而实现了有效值转换。

43 另一种有效值转换的方法是利用热电偶来实现的。

44 热电偶式有效值电压表原理框图 表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别称为测量热电偶和平衡热电偶，如下图。
Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2)

45 理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。
上图中，通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。 测量热偶的热电动势Ex∝V2，令Ex=k1V2 ； 平衡热偶的热电动势Ef∝Vo2，及Ef =k2Vo2 ； 假如两对热偶具有相同特性，即k1=k2=k ，==〉 则差分放大器输入电压Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2) ， 若放大器增益足够大，则有Vi=0，==〉 Vo=V （即输出电压等于u(t)有效值） 有效值电压表的特点 理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。

46 利用模拟运算电路实现有效值电压的测量

47 隐含计算式RMS转换器原理框图

48 直流反馈计算式RMS转换器原理框图

49 单片半导体加热式RMS转换器

50 2.有效值检波器电压表

51 AD536型RMS转换器原理框图

52 AD536型RMS转换器的连接图

53 3.2.5 峰值电压的测量 1. 峰值电压表 1. 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。 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）， 如下图所示。 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

54 1.峰值表原理

55 2)峰值检波器 条件： Rs u(t) VD RL C + 图5.14 峰值检波器 充 放 uc t T 最后输出的平均电压迫近峰值

56 2.误差分析 绝对误差 (1)理论误差 相对误差 (2)频率误差 (3)波形误差

57 例3.2.3用峰值表分别测量方波及三角波电压，电压 表均指在5V位置，问被测电压有效值是多少？
3.波形换算方法 例3.2.3用峰值表分别测量方波及三角波电压，电压 表均指在5V位置，问被测电压有效值是多少？ 对于方波， 对于三角波，

58 4.高精度峰值检波器

59 3.2.6 脉冲电压的测量 1.脉冲电压表的原理 电容器C充电时 放电时 电路平衡时Q1=Q2

60 理论误差 代入Up后得

61 脉冲保持电路及波形图

62 2.高压脉冲幅值的测量

63 单脉冲电压正峰值保持电路

64 3.尖脉冲峰值电压的测量 4.用示波法测量脉冲电压

65 5.测量脉冲电压应注意以下几点： (1)测量脉冲幅度宜用交流耦合方式，并需注意极性 (2)观测方波信号时应选用频带较宽的示波器

66 6.脉冲测量时电缆的终端匹配问题 在实际测量过程中，容易产生以下两点错误： ①在示波器一端，除了示波器的输入阻抗之外，电缆的 终端未得到匹配

67 ②在脉冲发生器的输出端用一个外加的50Ω 电阻器和50Ω电缆相连接，而在示波器输入端电缆终端未得到匹配

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70 3.3 噪声电压的测量 3.3.1 噪声的基本特性 在电子技术中，噪声是指除有用信号以外的一切不需要的信号和各种电磁干扰的总称。
噪声是一种随机信号，需要用统计学的方法加以描述。 包含所有颜色的光称为白光，类似地，在所有频率下具有等功率密度的噪声称为白噪声。真正的白噪声应该具有无限的带宽，因而有无限的功率，但实际系统的带宽总是有限的，只要在所研究的频带内噪声具有平直的功率谱密度，我们就可以把它看成是白噪声。

71 3.3.2 用平均值表测量噪声电压 平均值： 根据波形系数定义，得： 按平均值相等原则，再算出噪声电压的有效值：

72 3.3.3 器件和放大器噪声的测量

73 1.等效输入噪声Uni的测量 (1)正弦信号法 (2)噪声发生器法

74 (3)两种测量方法的比较 (4)测量噪声时需要考虑的问题 ①带宽的影响 ②平均值和波形系数 ③测量时间的影响 ④由于白噪声呈高斯正态分布，为避免噪声波峰被削 掉，测量过程中表头示值不得超过满刻度值的一半。

75 3.噪声带宽的测量 (1)正弦信号法

76 (2)噪声发生器法 3.信噪比的测试

77 4.噪声系数的测量 (1)利用噪声发生器测量噪声系数 (2)正弦信号法

78 5.集成运算放大器噪声参数的测量 (1)测试原理 电压噪声

79 电流噪声

80 (2)运算放大器Uni的实用测量电路

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82 (3)输入噪声电流I-和I+的测量

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86 3.4 分贝的测量 3.4.1 数学定义 1.功率之比的对数——分贝(dB) 2.电压比的对数

87 3.绝对电平 (1)功率电平dBm (2)电压电平dBV 1mW 600Ω U I P0 图 绝对功率电平示意图 4.音量单位(VU)

88 3.4.2 分贝值的测量 分贝刻度

89 3.5 失真度的测量 3.5.1 非线性失真的定义 全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比

90 3.5.2 失真度测量仪基本工作原理

91 3.5.3 有源陷波电路 1. 双T形电路构成的无源陷波器

92 2.双T形有源陷波器

93 例设计一个双T形陷波器，要求在1000Hz时陷波，且
陷波器的3dB带宽为50Hz。 取C=103,RT=10K

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95 3. 由RC文氏电桥组成的陷波器 电桥的元件参数关系为R1=2R2,C1=C2=C,R3=R4=R

96 采用由文氏电桥组成的有源陷波电路

97 3.5.4 失真度测量仪举例 1.基本工作原理 仪器指示的失真度

98 当失真度小于10%时， γ≈ γ’ 当失真度大于10%时，应按下式加以计算修正 2.失真度测量的误差分析 (1)仪器指示的失真度与理论失真度的偏差 (2)失真仪中的基波抑制网络很难做到将基波分量全 部滤除，也很难做到对二次以上的谐波一点不衰 减，这也会造成一定的测量误差。 (3) 测试仪器本身也会由于许多原因而产生误差。 (4) 由电压表读出的失真度应扣除仪器本身的失真度。 (5) 若采用峰值或平均值电压表，则会引入一定误差 (6) 陷波滤波器 (7) 其它

99 在较高频率时，可采用吸收型功率表测量功率。
3.6 功率的测量 3.6.1 音频与较高频信号功率的测量 在较高频率时，可采用吸收型功率表测量功率。

100 基本的量热式功率表，被测信号把电阻器加热，使其
温度上升。

101 测热计电桥

102 热电偶功率表

103 二极管功率表

104 3.6.2 误差分析 3.6.3 功率表实例——射频功率表

105 3.7 Q值的测量（补充） 通常用品质因数Q来衡量电感、电容以及谐振电路的质量，其 定义为
对于电感可以导出 （1） 对于电容器，若仅考虑介质损耗及泄漏因数，品质因数为 （2） 在实际应用中，常用损耗角δ和损耗因数D来衡量电容器的质量。 损耗因数定义为Q的倒数，即 （3）

106 3.7 Q值的测量 3.7.1 Q表的工作原理

107 被测线圈振荡波形图

108 3.7.2 阻抗的定义与表示式（补充） 阻抗是表征一个元器件或电路中电压、电流关系的复数特征 量，用公式表示为 （1）
阻抗的定义与表示式（补充） 阻抗是表征一个元器件或电路中电压、电流关系的复数特征 量，用公式表示为 （1） 图7.1　阻抗的矢量图 R jx 导纳Y是阻抗Z的倒数，即 （2）

109 3.7.2 电桥法 （补充） 电桥平衡条件为 ZXZ4＝Z2Z3 （1） 根据上式，可以计算出被测元件ZX的量值。电桥平衡时有 （2）
电桥法 （补充） 电桥平衡条件为 ZXZ4＝Z2Z （1） 根据上式，可以计算出被测元件ZX的量值。电桥平衡时有 （2） （3） 当被测元件为电阻元件时，取ZX=RX，Z2=R2，Z3=R3，Z4=R4， 则图7.12所示为一个直流电桥，且有 图 　交流电桥原理电路 RX＝R2R3／R (4) 测量小电阻的准确度可做到10-5。

110 3.7.2 用虚、实部分分离法测量阻抗 1. 测量原理

111 阻抗的虚、实部分离电路原理框图

112 2. 阻抗测量电路

113 输出电压与量程及被测参数的关系表

114 3. 使用时的注意事项 ①运算放大器及乘法器应注意调 ②标准信号源Es要始终保证1V ③测量电容时，标准信号源的频率为1KHz 测量电感与电阻时，标准信号源的频率为10KHz