第四章 常用电子测量仪器的使用
第一节 电压测量仪器
电压是电子测量技术中最基本的参量之一,电子设备的许多工作特性,诸如增益,衰减,灵敏度,频 率特性,非线性失真系数,调幅度,噪声系数等都可视为电压的派生量;各种电路的工作状态,如谐振, 平衡,饱和,截止及动态范围等, 通常都用电压的形式来反应;而电子设备的各种控制信号,反馈信号, 告警信号等其它信息,往往也直接表现为电压量.总之,电压测量是许多电参量测量的基础. 测量电压所采用的仪器主要是电子电压表,其种类很多.从测量原理及测量结果的显示方式上进行分 类,电子电压表可分为模拟指针式和数字式两大类:前者在测量时,先将交流电压通过检波器变换成直流 电流,然后去驱动磁电式电流表,从电流表指针的偏转角度即可获得被测电压值的大小;后者是先将交流 电压通过模/数(A/D)变换器变成数字量, 再用电子计数器进行计数, 并以十进制数字显示出被测电压值. 一, 电压测量对仪表的要求 (1)仪表应有足够宽的频率范围 -5 -9 被测电压的频率范围可从 10 Hz 直至 10 Hz,随着超小型同轴电缆的应用,电压测量的频率上限已达 到 36GHz. (2)仪表应有足够宽的电压测量范围 被测电压的量值范围是选定电压测量仪器量程范围的依据.被测电压的上限约为 1kV 左右,其下限为 -7 -12 10 V,随着超导器件的应用,能测出 10 V 的电压. (3)输入阻抗足够高 为了使被测电路的工作状态不受测量过程的影响,要求电子电压表的输入阻抗应尽可能高,输入电容 尽量小. (4)测量精度足够高 由于电压值是采用直流标准电池作为基准的,因此,在直流电压测量中,可忽略分布参数的影响,其 -4 -9 -2 -4 测量精度高,可达 10 ～10 甚至更高(用数字电压表测量);交流电压的测量误差一般在 10 ～10 内. (5)仪表应有较高的抗干扰能力 当被测信号电压较小时,干扰往往成为影响测量精度的主要因素,所以要求高灵敏度电压表(如数字 电压表,高频毫伏表等)应具有较高的抗干扰能力. 此外,被测电压波形的多样化,除正弦波外,还有失真的正弦波,方波,三角波,锯齿波,脉冲波, 叠加直流的正弦波,低频噪声波,调幅波等等,这些问题在电压测量时都必须与以考虑.波形如图 4.1.1 所示.
图 4.1.1
几种电压波
1
二, 交流电压值的表示方法 交流电压的大小一般可用平均值,峰值和有效值表示. (1)平均值 v 在测量中,因为指示电表是直流的,所以总要把交流电压变换成相应的直流电压,因此,平均值 v 是 指检波后的平均值,数学定义为:
V= 1 V (t )dt T
0 T
∫
其中 T 为周期,V(t)为交流电压. (2)峰值Vm 指交流电压在一个周期内(或一段时间内)电压达到的最大值.通常所见的最大值.振幅值一般均指峰 值. (3)有效值 V 指该交流电压在一个周期内通过纯电阻时所产生的热量与一个直流电压在同样条件下产生的热量相 等时,那个直流电压就是该交流电压的有效值, 数学定义为:
1 T
V=
∫
T
V 2 (t )dt
0
三,模拟式电子电压表的基本原理 模拟式电子电压表,一般是用磁电式电流表作为指示器.由于磁电式电流表只能测量直流电流,且 灵敏度远远不能适应电子学中对高输入阻抗及微弱电压测量的要求,因此,只有利用各种形式的电子变换 器,把被测量的交流信号变换成直流信号,把高输入阻抗的微弱电压变换成能用磁电式电流表进行测量的 低输出阻抗的电流.为了适应各种不同的测量要求,模拟式电子电压表具有多种不同的类型.下面介绍几 种典型的类型. 1.放大—检波式 放大—检波式电子电压表,是先将被测交流信号进行放大,然后再进行检波,最后通过直流表头指 示读数.其放大电路一般采用多级宽带交流放大器,灵敏度很高,可测几十～几百微伏左右的电压,频率 上限可达 5～10MHz,交直流转换器常采用平均值检波器.平均值检波器分为半波式和全波式两种,如图 4.1.2 所示.以图 4.2(b)为例,设输入电压为V(t),Dl～D4 相同其正向电阻为 Rd ,微安表内阻为 rm . 理论证明:流过微安表的电流为: I =
V 2 R + TM
图 4.1.2 平均值检波器
2
由上式可知,I 与输入电压波形无关, 只与其平均值有关. 由于实际测量中正弦波使用最普遍, 因此, 电表刻度皆用正弦波有效值来定度. 平均值检波器具有电路简单,灵敏度高和波形失真小等特点,得到 了广泛的应用. , 2.检波-放大式 检波—放大式电子电压表对被测交流电压采取了先检波后放大的方法,故频率范围,输入阻抗等都主 要取决于检波器,如果应用超高频检波二极管,则频率范围可达 20Hz 一 1GHz. 因此,这类电压表也称作 "超高频电子电压表" . 检波—放大式电子电压表的交直流转换器采用了峰值检波器,其检波后的直流电压与输入的被测交流 电压的峰值(振幅值)成正比. 峰值检波器可分为串联式(开路式)和并联式(闭路式)两种, 如图 4.1.3 所示. 7 8 图中电容 C 上的端电压始终近似地等于被测电压的峰值,电阻 R 的值很大,一般为 10 ～10 Ω且时间常数 满足 RC >> T 其中 T 为被测电压周期的最大值.实际电路中,并联式应用较多,其检波输入阻抗 Ri 与 R 有如下关系

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