5電壓測(cè)量

1、,第5章 電壓測(cè)量,5.1 概述5.2 電壓標(biāo)準(zhǔn)5.3 交流電壓的測(cè)量5.4 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用表5.5數(shù)字電壓表測(cè)量的不確定度及 自動(dòng)量程技術(shù),5.1 概述,5．1．1 電壓測(cè)量的意義、特點(diǎn) 1）電壓測(cè)量的重要性——闡述電壓測(cè)量的意義、重要性及應(yīng)用。2）電壓測(cè)量的特點(diǎn)——從電壓測(cè)量的頻率、范圍、要求等方面闡述其特點(diǎn)，這些特點(diǎn)也反映了電子測(cè)量的主要特點(diǎn)。,電壓測(cè)量的特點(diǎn),1.頻率范圍廣：零頻

2、（直流）～109Hz低頻：1MHz以下；高頻（射頻）：1MHz以上。2.測(cè)量范圍寬微弱信號(hào):心電醫(yī)學(xué)信號(hào)、地震波等,納伏級(jí)（10-9V）； 超高壓信號(hào)：電力系統(tǒng)中，數(shù)百千伏。3.電壓波形的多樣化電壓信號(hào)波形是被測(cè)量信息的載體。各種波形：純正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；隨機(jī)噪聲。,電壓測(cè)量的特點(diǎn),4.阻抗匹配在多級(jí)系統(tǒng)中，輸出級(jí)阻抗對(duì)下一輸入級(jí)有影響。直流測(cè)量中，輸入阻抗與被測(cè)信號(hào)源等效內(nèi)阻

3、形成分壓，使測(cè)量結(jié)果偏小。交流測(cè)量中，輸入阻抗的不匹配引起信號(hào)反射。5.測(cè)量精度的要求:10-1至10-9。6.測(cè)量速度的要求:高速瞬變信號(hào),數(shù)億次/秒（幾百M(fèi)Hz）7.抗干擾性能強(qiáng).,5．1．2 電壓測(cè)量的方法和分類,2. 電壓測(cè)量方法的分類·按對(duì)象：直流電壓測(cè)量；交流電壓測(cè)量 ·按技術(shù)：模擬測(cè)量；數(shù)字測(cè)量1）交流電壓的模擬測(cè)量方法表征交流電壓的三個(gè)基本參量：有效值、峰值和平均值。以

4、有效值測(cè)量為主。方法：交流電壓（有效值、峰值和平均值）--〉直流電流--〉驅(qū)動(dòng)表頭--〉指示——有效值、峰值和平均值電壓表，電平表等。,5．1．2 電壓測(cè)量的方法和分類,2）數(shù)字化直流電壓測(cè)量方法模擬直流電壓--〉A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器--〉數(shù)字量--〉數(shù)字顯示（直觀）——數(shù)字電壓表（DVM），數(shù)字多用表（DMM）。3）交流電壓的數(shù)字化測(cè)量交流電壓（有效值、峰值和平均值）--〉直流電壓--〉A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器--〉數(shù)字量--〉數(shù)字

5、顯示——DVM（DMM）的擴(kuò)展功能。,5．1．2 電壓測(cè)量的方法和分類,4）基于采樣的交流電壓測(cè)量方法交流電壓--〉A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器--〉瞬時(shí)采樣值u(k) --〉計(jì)算，如有效值式中，N為u(t)的一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。5）示波測(cè)量方法交流電壓--〉模擬或數(shù)字示波器--〉顯示波形--〉讀出結(jié)果,,5．2 電壓標(biāo)準(zhǔn),5.2.1 直流電壓標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)電池（實(shí)物基準(zhǔn)，年穩(wěn)定性10-6）,利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的電動(dòng)勢(shì) （1

6、.01860V）。齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn) （固態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，年穩(wěn)定性10-6）,利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性制作,如WUK7000系列直流電壓參考標(biāo)準(zhǔn)：10V輸出的年穩(wěn)定性可達(dá)0.5×10-6 ；1V和1.018V輸出的年穩(wěn)定性可達(dá)到2×10-6，溫度系數(shù)為0.05×10-6。,5.2.2 交流電壓標(biāo)準(zhǔn),原理由直流電壓標(biāo)準(zhǔn)建立。因而，需經(jīng)過(guò)交流-直流變換。測(cè)熱電阻橋式高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)基本原理：將高頻電壓通過(guò)

7、一電阻（稱為測(cè)熱電阻，如熱敏電阻），該電阻由于吸收高頻電壓功率，其阻值將發(fā)生變化，再將一標(biāo)準(zhǔn)直流電壓同樣施加于該電阻，若引起的阻值變化相等，則高頻電壓的有效值就等于該直流電壓。 雙測(cè)熱電阻電橋的原理圖,,雙測(cè)熱電阻電橋的原理圖,,,雙測(cè)熱電阻電橋的原理,測(cè)量過(guò)程由兩次電橋平衡關(guān)系，有即高頻電壓有效值為：,,測(cè)熱電阻電橋的缺點(diǎn)測(cè)熱電阻對(duì)環(huán)境溫度敏感，操作較復(fù)雜；一般不能直接讀數(shù)（需換算）。準(zhǔn)確度：若直流電壓標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度為

8、10-5，則得到的高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度可達(dá)10-3 。應(yīng)用：對(duì)模擬電壓表檢定。,,5．3 交流電壓的測(cè)量,5．3．1 表征交流電壓的基本參量峰值、平均值、有效值、波峰因數(shù)和波形因數(shù)。峰值以零電平為參考的最大電壓幅值（用Vp表示 ）。注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱為振幅，（通常用Um表示）。,,5．3．1 表征交流電壓的基本參量,平均值（均值）數(shù)學(xué)上定義為： 相當(dāng)于交流電壓u(t)的直流分量。交流電壓測(cè)

9、量中，平均值通常指經(jīng)過(guò)全波或半波整流后的波形（一般若無(wú)特指，均為全波整流）： 對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T,,,,5．3．1 表征交流電壓的基本參量,有效值定義：交流電壓u(t)在一個(gè)周期T內(nèi)，通過(guò)某純電阻負(fù)載R所產(chǎn)生的熱量，與一個(gè)直流電壓V在同一負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時(shí)，則該直流電壓V的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)的有效值。表達(dá)式：直流電壓V在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q_=I2RT=

10、交流電壓u(t) 在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q~=由Q_= Q~得，有效值,,,,5．3．1 表征交流電壓的基本參量,意義：有效值在數(shù)學(xué)上即為均方根值。有效值反映了交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T 波峰因數(shù)和波形因數(shù)波峰因數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用Kp表示，,,,5．3．1 表征交流電壓的基本參量,對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ω

11、t)，若ω=2π/T波形因數(shù)定義：有效值與平均值的比值，用KF表示，對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T,,,,5．3．1 表征交流電壓的基本參量,波峰因數(shù)和波形因數(shù)常見(jiàn)波形的波峰因數(shù)和波形因數(shù)可查表得到：如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方波： Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 鋸齒波：Kp=1.73，KF=1.15； 脈沖

12、波：Kp= ，KF= ， 為脈沖寬度，T為周期 白噪聲：Kp=3（較大），KF=1.25。,,,5．3．2 交流/直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析,1.交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理 模擬電壓表的交流電壓測(cè)量原理： 交流電壓--〉直流電流（有效值、峰值和平均值） --〉驅(qū)動(dòng)表頭--〉指示。 交流電壓--〉有效值、峰值和平均值的轉(zhuǎn)換，稱為 AC-DC轉(zhuǎn)換。由不同的檢波電路實(shí)現(xiàn)。峰值檢波原理

13、由二極管峰值檢波電路完成。有二極管串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。如下圖。,,1.交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理,二極管峰值檢波電路（a.串聯(lián)式,b.并聯(lián)式,c.波形）,,1.交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理,二極管峰值檢波電路工作原理通過(guò)二極管正向快速充電達(dá)到輸入電壓的峰值，而二極管反向截止時(shí)“保持”該峰值。為此，要求： 式中，Rs和rd分別為等效信號(hào)源u(t)的內(nèi)阻和二極管正向?qū)娮?，C為充電電容,RL為等效負(fù)

14、載電阻，Tmin和Tmax為u(t)的最小和最大周期。從波形圖可以看出，峰值檢波電路的輸出存在較小的波動(dòng)，其平均值略小于實(shí)際峰值。,,,1.交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理,平均值檢波原理 由二極管橋式整流（全波整流和半波整流）電路完成。如圖，整流電路輸出直流電流I0，其平均值與被測(cè)輸入電壓u(t)的平均值成正比（與u(t)的波形無(wú)關(guān)）。（電容C用于濾除整流后的交流成分，避免指針擺動(dòng)）,,1.交流/直流電壓（AC

15、-DC）轉(zhuǎn)換原理,平均值檢波原理以全波整流電路為例，I0的平均值為 式中，T為u(t)的周期，rd和rm分別為檢波二極管的正向?qū)娮韬碗娏鞅韮?nèi)阻，可視為常數(shù)（它反映了檢波器的靈敏度 ）。于是，I0的平均值 與u(t)的平均值 成正比。,,,1.交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理,有效值檢波原理利用二極管平方律伏安特性檢波 根據(jù) 為得到有效值,首先需對(duì)u(t)平方

16、 小信號(hào)時(shí)二極管正向伏安特性曲線可近似為平方關(guān)系。缺點(diǎn)：精度低且動(dòng)態(tài)范圍小。 因此，實(shí)際應(yīng)用中，采用分段逼近平方律的二極管伏安特性曲線圖的電路。,,1.交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理,利用模擬運(yùn)算的集成電路檢波 原理圖通過(guò)多級(jí)運(yùn)算器級(jí)連實(shí)現(xiàn)模擬乘法器（平方）—〉積分—〉開(kāi)方—〉比例運(yùn)算。 單片集成TRMS/DC電路，如AD536AK等。,,,1.交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理,利用熱電偶有效值檢波熱電效

17、應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。熱電效應(yīng)原理圖當(dāng)熱端T和冷端T0存在溫差時(shí)（即T≠T0），則存在熱電動(dòng)勢(shì)，且熱電動(dòng)勢(shì)的大小與溫差ΔT=T-T0成正比。,,1.交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理,利用熱電偶有效值檢波熱電偶： 將兩種不同金屬進(jìn)行特別封裝并標(biāo)定后，稱為一對(duì)熱電偶（簡(jiǎn)稱熱偶）

18、。熱電偶溫度測(cè)量原理： 若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過(guò)熱電動(dòng)勢(shì)就可得到熱端（被測(cè)溫度點(diǎn)）的溫度。熱電偶有效值檢波原理：若通過(guò)被測(cè)交流電壓對(duì)熱電偶的熱端進(jìn)行加熱，則熱電動(dòng)勢(shì)將反映該交流電壓的有效值，從而實(shí)現(xiàn)了有效值檢波。如下圖。,,1.交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理,熱電偶有效值檢波原理圖圖中，直流電流I與被測(cè)電壓u(t)的有效值V的關(guān)系： 電流I∝?zé)犭妱?dòng)勢(shì)∝?zé)岫伺c冷端的溫差，而熱端溫度∝

19、u(t)功率∝u(t)的有效值V的平方，故，,,,,1.交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理,表頭刻度線性化處理：采用兩對(duì)相同的熱電偶，分別稱為測(cè)量熱電偶和平衡熱電偶，如下圖。,,,2.峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析,原理峰值響應(yīng)，即：u(t)?峰值檢波?放大?驅(qū)動(dòng)表頭刻度特性表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此：當(dāng)輸入u(t)為正弦波時(shí)，讀數(shù)α即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的峰值Vp）。對(duì)于非正弦波的

20、任意波形，讀數(shù)α沒(méi)有直接意義（既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)α換算出峰值和有效值。,,2.峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析,刻度特性由讀數(shù)α換算出峰值和有效值的換算步驟如下： 第一步，把讀數(shù)α想象為有效值(峰值表按正弦有效值刻度的,即第二步，將V~轉(zhuǎn)換為該純正弦波的峰值第三步，假設(shè)峰值等于Vp~的被測(cè)波形（任意波）輸入 ，即注：“對(duì)于峰值電壓表，（任意波形的）峰值相等，則讀數(shù)相等” 。第四步，由

21、 ，再根據(jù)該波形的波峰因數(shù)（查表可得），其有效值,,,,,,2.峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析,刻度特性綜上所述，對(duì)于任意波形而言，峰值電壓表的讀數(shù)α沒(méi)有直接意義，由讀數(shù)α到峰值和有效值需進(jìn)行換算，換算關(guān)系歸納如下：式中，α為峰值電壓表讀數(shù)，為波峰因數(shù)。 波形誤差。若將讀數(shù)α直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差。,,,,3.平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析,原理均值響應(yīng)，即：u(t) ?放大?均值檢波?驅(qū)動(dòng)表頭刻度特性

22、表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此：當(dāng)輸入u(t)為正弦波時(shí)，讀數(shù)α即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的均值）。對(duì)于非正弦波的任意波形，讀數(shù)α沒(méi)有直接意義（既不等于其均值也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)α換算出均值和有效值。,,3.平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析,刻度特性由讀數(shù)α換算出均值和有效值的換算步驟如下： 第一步，把讀數(shù)α想象為有效值等于α的純正弦波輸入時(shí)的讀數(shù)，即第二步，由 計(jì)算該純正弦波

23、均值第三步，假設(shè)均值等于 的被測(cè)波形（任意波）輸入 ，即注：“對(duì)于均值電壓表，（任意波形的）均值相等，則讀數(shù)相等” 。第四步，由 ，再根據(jù)該波形的波形因數(shù)（查表可得），其有效值,,,,,,,,3.平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析,刻度特性綜上所述，對(duì)于任意波形而言，均值電壓表的讀數(shù)α沒(méi)有直接意義，由讀數(shù)α到均值和有效值需進(jìn)行換算，換算關(guān)系歸納如下：式中，α為均值電壓表讀數(shù)，KF為波形因數(shù)。波形誤差。

24、若將讀數(shù)α直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差,,,4.實(shí)例分析,[例] 用具有正弦有效值刻度的峰值電壓表測(cè)量一個(gè)方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問(wèn)如何從該讀數(shù)得到方波電壓的有效值？[解] 根據(jù)上述峰值電壓表的刻度特性，由讀數(shù)α=1.0V，第一步，假設(shè)電壓表有一正弦波輸入，其有效值=1.0V；第二步，該正弦波的峰值=1.4V；第三步，將方波電壓引入電壓表輸入，其峰值Vp=1.4V；第四步，查表可知，方波的波峰因數(shù)Kp=1，則該方波的有

25、效值為：V=Vp/Kp=1.4V。波形誤差為：,,(可見(jiàn)若不換算，波形誤差是很大的),4.實(shí)例分析,[例] 用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測(cè)量一個(gè)方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問(wèn)該方波電壓的有效值為多少？[解]由讀數(shù)α到均值和有效值的換算: 方波均值 0.9V；方波的波形因數(shù) =1，則該方波的有效值為: 0.9V。,,,,5．3．3

26、模擬式交流電壓表,模擬電壓表組成方案檢波器是實(shí)現(xiàn)交流電壓測(cè)量（AC-DC變換）的核心部件，同時(shí)，為了測(cè)量小信號(hào)電壓，放大器也是電壓表中不可缺少的部件，因此，組成方案有兩種類型：一種是先檢波后放大，稱為檢波-放大式；一種是先放大后檢波，稱為放大-檢波式。 模擬電壓表的兩個(gè)重要指標(biāo)：帶寬和靈敏度(分辨力)。1）檢波-放大式電壓表組成框圖,,1）檢波-放大式電壓表,a. 組成框圖; b.提高靈敏度措施檢波器決定

27、電壓表的頻率范圍、輸入阻抗和分辨力。 峰值電壓表常用這種類型。,,1）檢波-放大式電壓表,檢波器為提高頻率范圍，采用超高頻二極管檢波，其頻率范圍可從直流到幾百兆赫。 為減小高頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損失，通常將峰值檢波器直接設(shè)計(jì)在探頭中。放大器為提高靈敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斬波穩(wěn)零式直流放大器，其靈敏度可達(dá)幾十微伏。——稱之為“調(diào)制式電壓表” ，如國(guó)產(chǎn)HFJ-8型高頻毫伏表，最低量程為3mV，最高工作頻

28、率300MHz。,,5．3．3 模擬式交流電壓表,2）放大-檢波式電壓表組成框圖先放大再檢波，因此靈敏度很高。均值電壓表常用這種方式。放大器寬帶交流放大器決定了電壓表的頻率范圍。一般上限為10MHz。常稱為“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表” 。靈敏度受仍受寬帶交流放大器內(nèi)部噪聲限制。,,5．3．3 模擬式交流電壓表,3）分貝測(cè)量及寬頻電平表分貝聲學(xué)中，分貝是表示音量強(qiáng)弱的一個(gè)單位。通信系統(tǒng)中，也常用分貝表示電平或功率

29、。當(dāng)用分貝表示功率時(shí)，定義為：當(dāng)用分貝表示電壓時(shí)，由功率與電壓的關(guān)系： 和當(dāng)R1=R2時(shí)，有,,,,,3）分貝測(cè)量及寬頻電平表,分貝可見(jiàn)，分貝是一個(gè)用對(duì)數(shù)表示的相對(duì)量值（記作dB），如果相對(duì)于一個(gè)確定的參考基準(zhǔn)量，此時(shí)的分貝值則表示了一個(gè)絕對(duì)電平。若P2= P0（基準(zhǔn)量），并取P0=1mW；P1=被測(cè)功率，用Px表示，其分貝值用dBm表示（下標(biāo)m指示以mW為單位表示被測(cè)功率絕對(duì)值）。則功率電平：

30、顯然，當(dāng)Px=P0=1mW為0dBm時(shí)，若Px>1mW，分貝值為正，若Px<1mW，分貝值為負(fù)。,,3）分貝測(cè)量及寬頻電平表,分貝電壓電平：以600Ω電阻上吸收P0=1mW的基準(zhǔn)功率時(shí)電壓的有效值為參考基準(zhǔn)量V0(p=V2/R)。由于因此，取基準(zhǔn)量V0=0.775V，其分貝值用dB或dBV表示（下標(biāo)V指示以V為單位表示被測(cè)電壓絕對(duì)值）。 對(duì)于任意被測(cè)電壓Vx，其電壓電平定義為 和

31、 之間可換算或查表。,,,,,,3）分貝測(cè)量及寬頻電平表,寬頻電平表具有分貝讀數(shù)的電壓表稱為“寬頻電平表” 。組成框圖：在均值電壓表（放大-檢波式）基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。,,3）分貝測(cè)量及寬頻電平表,寬頻電平表寬頻電平表刻度特性及dB值的讀出。電壓電平測(cè)量：表頭標(biāo)定時(shí)選擇輸入阻抗600Ω，則對(duì)應(yīng)的0dB電壓為0.775V（有效值）。通常0dB約在表頭指針滿刻度的2/3左右，0dB的左邊為-dB（0.77

32、5V）。 表頭讀數(shù)只能表示輸入無(wú)衰減且交流放大器增益為1時(shí)被測(cè)電壓的分貝值。當(dāng)引入衰減和放大后，被測(cè)電壓的dB值應(yīng)為：衰減器讀數(shù)＋表頭讀數(shù)。,,5．4 直流電壓的數(shù)字化測(cè)量,5．4．1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)1）DVM的組成數(shù)字電壓表（Digital Voltage Meter，簡(jiǎn)稱DVM）。組成框圖,,5．4．1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo),應(yīng)用直流或慢變化電壓信號(hào)的測(cè)量（通常采用高精度低速A/D轉(zhuǎn)換器

33、）。通過(guò)AC-DC變換電路，也可測(cè)量交流電壓的有效值、平均值、峰值，構(gòu)成交流數(shù)字電壓表。 通過(guò)電流-電壓、阻抗-電壓等變換，實(shí)現(xiàn)電流、阻抗等測(cè)量，進(jìn)一步擴(kuò)展其功能?；谖⑻幚砥鞯闹悄芑疍VM稱為數(shù)字多用表（DMM，Digital MultiMeter）。DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的數(shù)據(jù)處理能力（平均、方差計(jì)算等）和通信接口(如GPIB)。,5．4．1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo),2）主要性能指標(biāo)顯示位數(shù)：完整

34、顯示位能夠顯示0~9的數(shù)字。非完整顯示位(俗稱半位)只能顯示0和1（在最高位上）。如4位DVM，具有4位完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為9999 。而 位（4位半）DVM，具有4位完整顯示位，1位非完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為19999 分辨力：指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映了DVM靈敏度，用每個(gè)字對(duì)應(yīng)的電壓值來(lái)表示，即V/字。不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同，顯然，在最小量程上具有最高分辨力。例如，3位半的

35、DVM，在200mV最小量程上，可以測(cè)量的最大輸入電壓為199.9mV，其分辨力為0.1mV/字（即當(dāng)輸入電壓變化0.1mV時(shí)，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個(gè)字” ）。,,5．4．1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo),測(cè)量精度取決于DVM的固有誤差和使用時(shí)的附加誤差（溫度等）。固有誤差表達(dá)式：式中，Vx——被測(cè)電壓的讀數(shù)；Vm——該量程的滿度值（Full Scale, FS）； 固有誤差由兩部分構(gòu)成：讀數(shù)誤差和滿度誤差。讀數(shù)誤

36、差： 與當(dāng)前讀數(shù)有關(guān)。主要包括DVM的刻度系數(shù)誤差和非線性誤差。滿度誤差： 與當(dāng)前讀數(shù)無(wú)關(guān)，只與選用的量程有關(guān)。,,,,,,,5．4．1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo),測(cè)量精度有時(shí)將 等效為“±n字”的電壓量表示，即 如某臺(tái)4位半DVM，說(shuō)明書(shū)給出基本量程為2V， =±（0.01%讀數(shù)+1字）。則在2V量程上，1字=0.1mV，由 2V

37、 =0.1mV可知， =0.005%，即表達(dá)式中“1字”的滿度誤差項(xiàng)與“0.005%”的表示是完全等價(jià)的： 當(dāng)被測(cè)量（讀數(shù)值）很小時(shí)，滿度誤差起主要作用，當(dāng)被測(cè)量較大時(shí)，讀數(shù)誤差起主要作用。為減小滿度誤差的影響，應(yīng)合理選擇量程，以使被測(cè)量大于滿量程的2/3以上。,,,,,,DVM的固有誤差分析,[例] 一臺(tái)3位半的DVM給出的精度為：±（0.1%讀數(shù)+1字），如用該DVM的0~20V DC的基本量程分別測(cè)

38、量5.00V和15.00V的電源電壓，試計(jì)算DVM測(cè)量的固有誤差。[解] 首先，計(jì)算出“1字”對(duì)應(yīng)的滿度誤差。在0~20V量程上，3位半的DVM對(duì)應(yīng)的刻度系數(shù)為0.01V/字，因而滿度誤差“1字”相當(dāng)于0.01V。當(dāng)Vx=5.00V時(shí)，固有誤差和相對(duì)誤差分別為：ΔVx＝±(0.1%×5.00V＋0.01V)＝±0.015V 當(dāng)Vx=15.00V時(shí)，固有誤差和相對(duì)誤差分別為：,

39、,ΔVx＝±(0.1%×15.00V＋0.01V)＝ ±0.025V,可見(jiàn)，被測(cè)電壓愈接近滿度電壓，測(cè)量的（相對(duì)）誤差愈小（這也是在使用DVM時(shí)應(yīng)注意的）。DVM的附加誤差由DVM輸入阻抗、輸入零電流及溫度漂移等引起誤差分析溫度漂移引起的附加誤差：用 ℃或溫度系數(shù)（百萬(wàn)分之一）表示。,,5．4．2 A/D轉(zhuǎn)換原理,A/D轉(zhuǎn)換器分類積分式：雙積分式、三斜積分式、脈沖調(diào)寬（PW

40、M）式、電壓-頻率（V-F）變換式等。非積分式：斜波電壓（線性斜波、階梯斜波）式、比較式（逐次逼近式、零平衡式）等。,5．5 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用表,5．5．1 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)AC/DC變換將交流電壓變換（檢波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。I/V變換 基于歐姆定律，將被測(cè)電流通過(guò)一個(gè)已知的取樣電阻，測(cè)量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測(cè)電流。為實(shí)現(xiàn)不同量程的電流測(cè)量，可以選擇不同的取樣電

41、阻。如下圖。,,5．5．1 電流、電壓、阻抗變換技術(shù),如圖，假如變換后采用的電壓量程為200mV，則通過(guò)量程開(kāi)關(guān)選擇取樣電阻分別為1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω、0.1Ω，便可測(cè)量200μA、2mA、20mA、200mA、2A的滿量程電流。Z/V變換同樣基于歐姆定律。,,,5．5．1 電流、電壓、阻抗變換技術(shù),對(duì)于純電阻，可用一個(gè)恒流源流過(guò)被測(cè)電阻，測(cè)量被測(cè)電阻兩端的電壓，即可得到被測(cè)電阻阻值。電阻-電壓（R/V）變

42、換原理圖。a.實(shí)現(xiàn)R/V變換的簡(jiǎn)單原理 b.通過(guò)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比例測(cè)量的R/V變換,,5．5．1 電流、電壓、阻抗變換技術(shù),圖b中，將被測(cè)電阻作為反饋電阻，將恒流源輸出Ir流過(guò)一個(gè)已知的精密電阻，從而得到參考電壓Vr如圖，放大器輸出 ,于是如果將Vo作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，并將Vr直接作為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，即可實(shí)現(xiàn)比例測(cè)量。,,,,5．5．2 數(shù)字多用表,組成框圖數(shù)字多用表（DMM）的主

43、要特點(diǎn)DVM的功能擴(kuò)展。DMM可進(jìn)行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測(cè)量。測(cè)量分辨力和精度有低、中、高三個(gè)檔級(jí)，位數(shù)3位半~8位半。,,5．5．2 數(shù)字多用表,數(shù)字多用表（DMM）的主要特點(diǎn)一般內(nèi)置有微處理器?？蓪?shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自檢、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)量程選擇，以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均方根值）等自動(dòng)測(cè)量功能。一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。,5．5．2 數(shù)字多用表,實(shí)際產(chǎn)品Agilent 3

44、458A：8位半DMM。主要技術(shù)指標(biāo)：Math/statistics ；◆20 kB memory ；Self-adjusting autocalibration；◆dc Volts ；100 mV to 1000 V ranges； ◆ 10 nV sensitivity 0.05 ppm transfer accuracy； ◆ac Volts；10mV to 1000V ranges； ◆ Ohm

45、s；Analog, random and subsampled modes； ◆ 0.002 ppm transfer accuracy◆ 10 Ohms to 1 GOhm ranges； ◆2- and 4-wire with offset compensation,,5．6 DVM中的自動(dòng)量程技術(shù),量程自動(dòng)選擇實(shí)現(xiàn)原理：“手動(dòng)”或“自動(dòng)” 選擇。手動(dòng)選擇：先置于某個(gè)較大量程上，根據(jù)讀數(shù)值調(diào)整。自動(dòng)選擇：確定各

46、量程的界限值，且相鄰兩個(gè)量程之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)闹丿B，以避免當(dāng)被測(cè)電壓在界限值附近變化時(shí)，兩個(gè)相鄰量程上頻繁切換( “搖擺不定”)。可將較大一檔量程的最小電壓設(shè)置為相鄰小一檔量程滿度值的90% 。,,,5．7 電壓測(cè)量的干擾及抑制技術(shù),干擾是對(duì)有用被測(cè)信號(hào)的擾動(dòng)，特別是當(dāng)被測(cè)信號(hào)較?。ɑ蛭⑷酰r(shí)，干擾的影響顯得更為嚴(yán)重。因此，必須提高電壓測(cè)量的抗干擾能力，特別是對(duì)于高分辨力高精度的數(shù)字電壓表更為重要。 干擾的來(lái)源及分類分類：串摸干擾和共摸