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电子测量仪器 项目4 电压测量 任务1 直流电压测量 任务2 交流电压测量 电子测量仪器 任务1 直流电压测量 【任务布置】 测量直流电压 【任务目的】 1．熟悉万用表的面板结构和功能。 2．熟练使用万用表测量直流电压。 电子测量仪器 【任务分析】 1. 电压测量 电压是表征电信号的基本参数之一 。 许多其他电量的测量，都可以转换为电压的测量。 电子电路的很多性能指标，都离不开对电压量的测量。 许多非电量的测量，是利用传感器将其转换为电压信号 而实现的。 电子测量仪器 【任务分析】 2. 电压测量的特点 （1）电压量值范围广 （2）频率范围宽 （3）电压波形多样 （4）输入阻抗高 （5）抗干扰能力强 电子测量仪器 3. 仪器选择 电压测量的仪器有万用表、示波器、电子电压表等。 万用表操作简单，价格便宜，但是只能测量直流电压和500Hz 以下的正弦交流电压。 示波器可以观察到不同的电压波形，但是测量精度较低，读 数需要转换。 电子电压表常用于对多种波形的交流电压进行测量。 电子测量仪器 【认识仪器】 1. VC97型数字万用表外形 电子测量仪器 【认识仪器】 2. VC97型数字万用表面板 显示屏 频率/占 空比切换 开关 选择键 功能转换 开关 表笔插孔 保持键 自动量程 /手动量 程切换键 相对值测 量键 电子测量仪器 【认识仪器】 3. VC97型数字万用表性能指标 电子测量仪器 【任务实施】 步骤1.插入表笔 将黑表笔插入“COM” 插孔，红表笔插入 “VΩHz”插孔 电子测量仪器 步骤2.挡位选择 将功能转换开关转 到直流电压挡 电子测量仪器 步骤3.测量 将红黑表笔分别与直流稳压电源输出端子连接，黑表 笔接低电位，红表笔接高电位 电子测量仪器 步骤4.记录 显示屏显示数值为 红表笔所接测试点的 电压与极性 电子测量仪器 【知识链接】 1. 数字电压表 数字电压表是采用模/数（A/D）转换器将模拟电压量转换成数 字量，并以数字形式显示测量结果的电压表。 数字电压表的特点： 读数准确方便 能够输出数字信号 便于与其他存储、记录、打印设备相连接 便于实现测量过程的自动化 电子测量仪器 数字电压表组成框图 电子测量仪器 2. 数字电压表的主要技术指标 （1）测量范围 数字电压表的测量范围包括量程、显示位数、超量 程能力。 量程：表示电压表所能测量的最小电压到最大电压的 范围。 数字电压表以A/D转换器的电压范围为其基本量程， 并通过放大器、衰减器扩展量程。 基本量程是测量误差最小的量程。 电子测量仪器 显示位数：数字电压表能够完整显示0～9十个数码的 位数，是完整显示位。只能显示0和1的显示位称为 1 显 2 示位。 最大显示位数为 9999的数字电压 表称为4位数字 电压表 电子测量仪器 超量程能力：指数字电压表能测量的最大电压超过其 量程值的能力 。 数字电压表有无超量程能力，取决于它的量程分挡情 况和能够显示的最大数字情况。 显示位数都是完整位的数字电压表没有超量程能力。 带有 1 显示位的数字电压表，如果按2V、20V、200V 2 等分挡，则没有超量程能力；如果按1V、10V、100V分 档，则具有100%的超量程能力。 电子测量仪器 （2）分辨力 分辨力是指数字电压表能够显示被测电压的最小变 化的能力，即显示器末位跳变一个字所需的最小电压 变化值。 分辨力反映了数字电压表灵敏度的高低。 数字电压表在不同量程上的分辨力是不同的，在最小 量程上具有最高的分辨力。 电子测量仪器 （3）测量误差 数字电压表的测量误差包括仪表的固有误差和使用 时的附加误差。 固有误差包括读数误差和满度误差，用绝对误差来 表示，其表达式为： U ( 0 Ux 0 U m) 0 0 其中：Ux—— 被测电压读数； Um—— 该量程的满度值； α%﹒Ux —— 读数误差； β%﹒Um—— 满度误差。 电子测量仪器 （4）测量速度 测量速度是指在单位时间内以规定的准确度完成的 最大测量次数，单位“次/s”。 测量速度取决于A/D转换器的转换速度。 比较型数字电压表的测量速度 较快，积分型数字电压表的测 量速度较慢。 电子测量仪器 （5）输入阻抗 输入阻抗取决于输入电路，并且和量程有关。 输入阻抗越大越好。 数字电压表的输入级多采用场效应晶体管电路，因此 输入阻抗较高，一般在10MΩ以上。 电子测量仪器 3. 数字万用表 在数字电压表的基础上，利用AC/DC转换器、I/U转换 器、R/U转换器等将其他电量转换成直流电压信号，再 由数字电压表对转换后的信号进行测量，就构成了数字 万用表，又称为数字多用表。 电子测量仪器 数字万用表组成框图 电子测量仪器 4. 数字万用表的使用注意事项 （1）不能带电旋转功能转换开关。 （2）应根据测量要求合理选择量程和挡位。 （3）在使用数字万用表的电阻挡、二极管挡、通断挡 时，红表笔接“VΩ”插孔，黑表笔接“COM”插孔，此 时红表笔带正电，黑表笔带负电，与模拟万用表相反。 电子测量仪器 4. 数字万用表的使用注意事项 （4）一般数字万用表的频率特性较差，在测量交流电 压和电流时，其频率范围在500Hz以下。 （5）使用完毕，应及时将数字万用表置于“OFF”位置， 以节省电池电量。 （6）由内置电池供电的数字万用表，当屏幕出现电池 符号时，说明电量不足，会影响测量结果的准确性，应 更换电池。 电子测量仪器 任务2 交流电压测量 【任务布置】 测量频率为1kHz、峰-峰值为4.0V的正弦波信 号的电压值。 【任务目的】 1．熟悉电子电压表的面板结构和功能。 2．熟练使用电子电压表测量交流电压。 电子测量仪器 【任务分析】 直流电压 交流电压 电子测量仪器 【任务分析】 1. 表征交流电压的参数 交流电压的量值可以用峰值、平均值、有效值等多种 参数来表征。 电子测量仪器 （1）峰值 周期性的交流电压u(t)在一个周期内所出现的最大瞬 时值，称为交流电压的峰值，通常用UP表示。峰值是 以零电平为参考基准的。峰值又分为正峰值UP+和负峰 值UP-，正峰值和负峰值之差称为峰-峰值UP-P 。 电子测量仪器 （2）平均值 周期性的交流电压u(t)在一个周期内电压的平均大小 称为交流电压的平均值，也称均值，通常用 U 表示。 对于含有直流成分的交流信号来说，其平均值等于直 流分量。如果是纯交流信号，其数学意义上的平均值为 零，无法用平均值来表征其大小。在实际的电子测量中， 通常将交流电压经检波后变成直流电压再进行测量，所 以交流电压的平均值通常指的是检波后的平均值。 1 T U u (t ) dt T 0 电子测量仪器 （3）有效值 在交流电压u(t)的一个周期内，如果这个交流电压施 加于一个纯电阻上所产生的热量与一个直流电压在同样 情况下产生的热量相等，则交流电压的有效值等于该直 流电压值。有效值也称均方根值，通常用U表示。 三种表征交流电压的参数中，有效值是应用最普遍的。如果 未加特别说明，则所说的交流电压的量值就是指它的有效值。 电子测量仪器 【任务分析】 2.交流电压三种参数的关系 波形因数:是指交流电压的有效值与平均值之比， 用KF 表示。 波峰因数:是指交流电压的峰值与有效值之比，用 KP 表示。 电子测量仪器 几种常见交流电压波形的参数 电子测量仪器 几种常见交流电压波形的参数 电子测量仪器 【任务分析】 3. 仪器选择 交流电子电压表又称交流毫伏表，简称毫伏表，是 一种专门测量交流电压的仪器。 毫伏表测量的频率范围广，灵敏度高。 电子测量仪器 【认识仪器】 1. TC2172A型交流毫伏表外形 电子测量仪器 【认识仪器】 2. TC2172A型交流毫伏表面板 表头 表头机械 调零螺钉 电源开关 量程开关 量程指示 输入信号 端 监视输出 端 电子测量仪器 【认识仪器】 3. TC2172A型交流毫伏表性能指标 电子测量仪器 【任务实施】 测量频率为1kHz、峰-峰值为4.0V的正弦波电压 1.测量步骤 ——准备工作 ①检查电压表表头的机械零点，如果不在零点，用绝缘螺 丝刀调节机械零位使指针指示零。 ②将通道输入端测试探头上的红、黑色鳄鱼夹短接。 ③按下电源开关，等待机器预热约10分钟。 ④将量程开关选最高量程。 ⑤调节信号发生器，使其输出1kHz，峰-峰值为4.0V的正 弦交流信号。 电子测量仪器 【任务实施】 1.测量步骤 ——连接被测电路 ⑥将输入测试探头上的红、黑鳄鱼夹断开后，与信号发生 器的输出端连接，红色鳄鱼夹与红色鳄鱼夹连接，黑色鳄 鱼夹与黑色鳄鱼夹连接。 ——测量 ⑦观察表头指针在刻度盘上所指的位置，若指针在起始点 位置基本没动，说明当前量程选得过高。 ⑧将量程开关逆时针旋转一格。 ⑨重复⑦～⑧步，直到表头指针指到满刻度的2/3左右。 电子测量仪器 【任务实施】 2.测量结果记录 读取表头指针所对应的刻度，根据当前量程开关档位 和读数所对应的刻度线的满刻度值，得出被测电压的实 测值。 提示：如果量程开关置于1mV、10mV、100V、1V、10V、100V挡 位时，读取指针对应的第一条刻度线的刻度。如果量程开关置 于0.3mV、3mV、30V、0.3V、3V、30V挡位时，则读取指针对应 的第二条刻度线的刻度。 电子测量仪器 【任务实施】 3.数据分析处理 根据测量结果以及正弦交流电压的波形因数和波峰因 数，计算被测正弦波的有效值、平均值和峰值，填入表 格。 电子测量仪器 【知识链接】 显示方式不同 模拟式电压表 数字式电压表 测量对象不同 直流电压表 交流电压表 模拟式交流电压表是先将交流电压经过检波器转换成为直流 电压后，驱动直流电流的表头指针偏转，以指示其电压值。 检波器是模拟式交流电压表的核心，根据所用检波器的不同， 模拟式交流电压表可分为均值电压表、峰值电压表和有效值电 压表。 电子测量仪器 【知识链接】 1.均值电压表 均值电压表先将被测交流电压进行放大，再由均值 检波器进行检波，然后驱动直流电流表，使表头指针 偏转。其组成框图如下图所示： 均值电压表组成框图 电子测量仪器 【知识链接】 1.均值电压表 常用的均值检波器电路 为二极管桥式全波整流电 路，如图所示。 检波后输出的直流电流 与被测交流电压的平均值 成正比，与被测交流电压 的波形无关。 均值检波电路 电子测量仪器 【知识链接】 1.均值电压表 均值电压表的表头刻度盘是按照正弦波有效值进行 刻度的。 对于非正弦波来说，如果已知被测电压的波形，则 可以根据平均值和被测电压的波形因数求出其有效值。 均值电压表波形换算 电子测量仪器 【知识链接】 2.峰值电压表 峰值电压表将被测交流电压先经过峰值检波后，再 进行放大，然后驱动直流电流表，使表头指针偏转。 其组成框图如下图所示： 峰值电压表组成框图 电子测量仪器 【知识链接】 2.峰值电压表 常用的峰值检波器电路有串联式峰值检波电路和并 联式峰值检波电路，如图所示。 检波后输出的直流电压与被测交流电压的峰值成正 比。 为了提高测量频 率范围，图中的 二极管通常采用 超高频二极管。 峰值检波电路 电子测量仪器 【知识链接】 2.峰值电压表 峰值电压表也是按照正弦波有效值进行刻度的。对 于正弦波来说，表头读数就是其有效值。 对于非正弦波来说，如果已知被测电压的波形，则 可以根据峰值和被测电压的波峰因数求出其有效值。 峰值电压表波形换算 电子测量仪器 【知识链接】 3.有效值电压表 有效值电压表是采用有效值检波器来进行检波，使 检波后的输出直流电压与被测交流电压的有效值成正 比。 常用的有效值检波器有以下三种： 热电转换式有效值检波器 分段逼近式有效值检波器 计算式有效值检波器 电子测量仪器 【知识链接】 3.有效值电压表 热电转换式有效值检波器是利用热电偶的热电效应将 交流电压有效值转换为直流电压。由于存在热惯性，采 用热电转换式的有效值电压表需要等指针偏转稳定后再 读数，响应速度慢，过载能力差。 分段逼近式有效值检波器是利用二极管正向特性曲线 的起始部分，电压电流近似平方关系，从而进行有效值 的转换。采用这种检波器的电压表使用的元件较多，电 路较为复杂。 计算式有效值检波器是利用模拟电路对信号进行均方 根运算，从而实现有效值的转换。电路也较为复杂。 电子测量仪器 【知识链接】 3.有效值电压表 无论被测电压是正弦波还是非正弦波，有效值电压 表测量得到的都是有效值，其表头读数都为待测电压 的有效值，不需要进行波形换算，理论上不存在波形 误差，因此也称为真有效值电压表。 实际上在测量非正弦波时，一方面由于受到电压表 线性工作范围的限制，当测量波峰因数大的非正弦波 时，有可能削波，使得这部分波形得不到响应，另一 方面由于受到电压表带宽限制，使高次谐波受到损失， 因此会产生波形误差，使得电压表的读数偏低。 电子测量仪器 【知识链接】 均值电压表灵敏度高，输入阻抗高，性能稳定，但 由于受到放大器带宽的限制，测量频率范围窄，主要 用于低频和视频信号的测量。 峰值电压表频率范围宽，但是稳定性差，由于检波 二极管的正向压降限制了对小信号电压的测量能力， 因此灵敏度较低，常用于高频交流电压的测量。 在测量非正弦波电压时，有效值电压表的测量误差 最小，其次是平均值电压表，峰值电压表的测量误差 最大。 电子测量仪器 【知识链接】 4．模拟式交流电压表使用注意事项 （1）仪器在通电之前，一定要将输入电缆的红、黑鳄 鱼夹相互短接。 （2）当不知被测电压值的大小时，必须先将电子电压 表的量程开关置于最高量程，然后根据表针所指的范围， 逐渐降低量程开关挡位，直到表针指向满刻度的2/3左 右，即为合适的量程。 （3）接入被测电路时，黑色鳄鱼夹应接电路的地，以 防止干扰。 （4）在不测试信号时，应将电压表的量程开关旋到较 高量程挡位，以保护仪器。 电子测量仪器 【拓展延伸】 1．测量频率为1kHz，峰-峰值为4.0V的三角波电压 调节信号发生器使其输出1kHz，峰-峰值为4.0V的三 角波。 调节电压表，进行测量。 记录测量结果，进行数据分析处理，完成表格填写。 电子测量仪器 【拓展延伸】 2．测量频率为1kHz，峰-峰值为4.0V的方波电压 调节信号发生器使其输出1kHz，峰-峰值为4.0V的方 波。 调节电压表，进行测量。 记录测量结果，进行数据分析处理，完成表格填写。 电子测量仪器 【巩固练习】 1．信号发生器分别输出2kHz、10Vp-p的正弦波、三角 波和方波，利用毫伏表测量三种信号的电压值。 2．用数字万用表测量以上波形，记录测量数据并与示 波器的测量结果进行比较分析。