第四章电压测量与电子电压表 本章要点: 1.电压测量的重要性,对电压测量的要求和分类 2模拟式直流、交流电压的测量以及高频、脉冲、噪声电压的 测量 3.数字电压表组成原理、工作特性和分类 4积分式和比较式AD转换器及数字多用表的组成原理与特点 5.数字电压表的误差与干扰
第四章 电压测量与电子电压表 本章要点： 1. 电压测量的重要性，对电压测量的要求和分类 2.模拟式直流、交流电压的测量以及高频、脉冲、噪声电压的 测量 3. 数字电压表组成原理、工作特性和分类 4.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 5.数字电压表的误差与干扰
41概述 4.11电压测量的量要性 电压是电子测量的一个主要参数。 电参量的基础:U=R|U/RR=UP=|U=U2/R=2R 电压的派生量,例如,调幅度,波形的非线性失真系数等等。 在非电量测量中,大多数物理量(如温度、压力、振动、速度 等)的传感器大多是电压作输出的。 因此,电压测量是其它许多电参量、非电参数测量的基础
4.1 概 述 4.1.1 电压测量的重要性 电压是电子测量的一个主要参数。 电参量的基础：U=IR I=U/R R=U/I P=IU=U2 /R=I2R 电压的派生量，例如，调幅度，波形的非线性失真系数等等。 在非电量测量中，大多数物理量（如温度、压力、振动、速度 等）的传感器大多是电压作输出的。 因此，电压测量是其它许多电参量、非电参数测量的基础
412对电压测量的基本要求(课本第1页) 1.应有足够宽的电压测量范围 nV→pV-→mV-→V→→kv 2.应有足够宽的频率范围 交流电压的频率范围约从几H到几百MHz,甚至达GHz量级 目前,模拟电压表可测量的频率范围要比数字表高得多。 例如,92C型模拟射频电压表频率上限达12GHz,而DP100 型数字多用表只能达25MHz。 3.应有足够高的测量准确度 准确度可达±00005‰Ux十00001%m),即可达106量级 4.应有足够高的输入阻抗 5.应具有高的抗千扰能力
4.1.2 对电压测量的基本要求（课本第1页） 1. 应有足够宽的电压测量范围 nV→μV→mV→V→→kV 2. 应有足够宽的频率范围 交流电压的频率范围约从几Hz到几百MHz，甚至达GHz量级。 目前，模拟电压表可测量的频率范围要比数字表高得多。 例如，92C型模拟射频电压表频率上限达1.2GHz，而DP100 型数字多用表只能达25MHz。 3. 应有足够高的测量准确度 准确度可达±(0.0005％Ux十0.0001％Um)，即可达10-6量级 4. 应有足够高的输入阻抗 5. 应具有高的抗干扰能力
4.1.3电压测量仪器的分类(课本第1页) 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 经AD将模拟信号转换为数字信号 9□园g□ 66 模拟表-驾驶台仪表多,一目了然;高频电压表 各有千秋 数字表-精度高,输入阻抗高,便于与计算机联接
4.1.3 电压测量仪器的分类（课本第1页） 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 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
4.2模拟式直电瓜的测量 4.2.1三用表中的直流电流、电压测量 1.表头 三用表中直流电流、电压通常由磁电式高灵敏度直流电流表作 指示。直流电流表俗称表头,图41给出了动圈式电流表头结 构的双视图。其工作原理是利用载流导体与磁场之间的作用来 产生转动力矩,使导体框架转动而带动指针偏转,其偏转角度 正比于通过线圈的被测电流 轴承 游丝S 标尺 指针 可动线圈 永久磁\指针 K 铁 软 K 游錾 P KPIS NIP PIS 轴 游丝S 吸靴可动线圈K 轴承 图4.1动圈式仪表的结构双视图
4.2 模拟式直流电压的测量 4.2.1 三用表中的直流电流、电压测量 1.表头： 三用表中直流电流、电压通常由磁电式高灵敏度直流电流表作 指示。直流电流表俗称表头，图4.1给出了动圈式电流表头结 构的双视图。其工作原理是利用载流导体与磁场之间的作用来 产生转动力矩，使导体框架转动而带动指针偏转，其偏转角度 正比于通过线圈的被测电流。 图4.1 动圈式仪表的结构双视图 游 丝 S N N P P S P P S K 永 久 磁 铁 标尺 指针 软 心 铁 K 吸靴 可动线圈K 轴 轴承 游丝S 指针 游丝S 可 动 线圈 K 轴承
=K0 式中K由设计决定的恒量,它与线圈匝数、线圈面积、磁场强 度及游丝扭转力矩有关。K值表示电流表偏转单位角度时所需 通过的电流,K值越小,电流表越灵敏。这样就可以从指针所 指角度位置来测电流。 2.电流表量程扩展 允许通过的最大电流值称为量程l,如50μA、100μA。1mA 等。由于电流线圈匝数很多,其内阻较大。 设现有一表头,l=50μA,3k现要测量500A电流怎么办? 要并联分流电阻R以扩展量程。因两路端电压相等 0A-3K A 图42表头等效电路 图43电流量程扩展
I=Kθ 式中K由设计决定的恒量，它与线圈匝数、线圈面积、磁场强 度及游丝扭转力矩有关。K值表示电流表偏转单位角度时所需 通过的电流，K值越小，电流表越灵敏。这样就可以从指针所 指角度位置来测电流。 2．电流表量程扩展 允许通过的最大电流值称为量程Im，如50μA、100μA。1mA 等。由于电流线圈匝数很多，其内阻较大。 设现有一表头，Im=50μA，r=3kΩ.现要测量500μA电流怎么办？ 要并联分流电阻RS以扩展量程。因两路端电压相等 图4.2 表头等效电路 Im - + r B 图4.3 电流量程扩展 50μA + Rs 3K Im I I s A -
r=(1-IMRs R (4.1) 式中m称电流量程扩大倍数,也称分流系数。 3.直流电压测量 用电流表头能否直接测量电压?能测,但测量的电压范围很小。 如图44所示,在指针指示满刻度时,它两端的电压是: n=Xr=50×0×3×10=015_5 口3K I(50uA 即它所能测量的最大电压为015V。 图44用表头直接测电压
m m RS I r = (I − I ) r n r I I r I I I R m m m S 1 1 1 1 − = − = − = （4.1） 式中n称电流量程扩大倍数，也称分流系数。 3. 直流电压测量 用电流表头能否直接测量电压？能测，但测量的电压范围很小。 如图4.4所示，在指针指示满刻度时，它两端的电压是： U 图4.4 用表头直接测电压 50μA r 3K I m 1.5V 6 3 50 10 3 10 0.15 U I r v m m − = = = 即它所能测量的最大电压为0.15V
为了能测量较高的电压,需串联倍压电阻R来扩展量程。 U=Im(r+Rp) R R P (4.2) 图45给出了三用表直流电压档量程扩展的原理电路图。图中除 最小量程U=m×外,又增加了UU2、U三个量程。根据所 需扩展的量程,不难算出3个倍压电阻值: R R R R1=(U1/n)-r OL U R2=(U2-U1)/m 2.5v 10v50 250v R3=(U/3-U2)/m 图45直流电压表电路
为了能测量较高的电压，需串联倍压电阻RP来扩展量程。 r I U R U I r R m P m P = − = ( + ) （4.2） r RP Im 图4.5给出了三用表直流电压档量程扩展的原理电路图。图中除 最小量程U0=Im×r外，又增加了U1、U2、U3三个量程。根据所 需扩展的量程，不难算出3个倍压电阻值： 图4.5 直流电压表电路 r R 1 R 2 R 3 U 3 U 0 U 1 U 2 2.5v 10v 50v 250v m m m R U U I R U U I R U I r ( )/ ( )/ ( / ) 3 3 2 2 2 1 1 1 = − = − = −
电压灵敏度“9N” 通常把电压表内阻R与量程Um之比定义为电压表的电压灵 敏度(每伏欧姆数ΩM R (44) “Ω∧”数越大,表明为使指针偏转同样角度所需驱动电流越小。 ΩN”数一般标明在磁电式电压表表盘上,可依据它推算出不 同量程时的电压表内阻,即 R=k× (4.5) 例如某电压表的“ΩV”数为20kQV,则5V量程和25V量程 时电压表内阻分别为100k9和500k
电压灵敏度 “Ω/V” 通常把电压表内阻RV与量程Um之比定义为电压表的电压灵 敏度(每伏欧姆数Ω/V)： m m V V U I R K 1 = = （4.4） “Ω/V”数越大，表明为使指针偏转同样角度所需驱动电流越小。 “Ω/V”数一般标明在磁电式电压表表盘上，可依据它推算出不 同量程时的电压表内阻，即 RV = KV Um （4.5） 例如某电压表的“Ω／V”数为20kΩ／V，则5V量程和25V量程 时电压表内阻分别为100kΩ和 500kΩ
4.2.2直流电子电压表 直流电子电压表通常是由磁电式表头加装跟随器(以提高输入 阻抗)和直流放大器(以提高测量灵敏度)构成,当需要测量 高直流电压时,输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路。电 子电压表组成框图如图47所示。 Ro U1 分压器及 A Ri FET 放 FET R 2 源极跟随器 大 U 器 跟随器 F R R 3 图48集成运放电压表原理 图47电子电压表框图
4.2.2 直流电子电压表 直流电子电压表通常是由磁电式表头加装跟随器（以提高输入 阻抗）和直流放大器（以提高测量灵敏度）构成，当需要测量 高直流电压时，输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路。电 子电压表组成框图如图4.7所示。 图4.7 电子电压表框图 ＋ － R0 U1 K U2 U3 R1 R3 R2 Ux FET 源 极 跟 随 器 放 大 器 Rv μA Ux ＋ － ＋ － ΔU ＋ － A I0 I IF RF Uf ＋ － μA Ui 分 压 器 及 跟 随 器 FET 图4.8 集成运放电压表原理