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电压的丈量办法

2017-04-20 17:33分类:电工基础知识 阅读:

 

在电子丈量范畴中,电压是底子参数之一。许多电参数,如增益、频率特性、电流、功率调崎岖等都可视为电压的派生量。各种电路作业状况,如丰满、截止等,一般都以电压的办法反映出来。不少丈量仪器也都用电压来标明。因而,电压的丈量是许多电参数丈量的根底。电压的丈量对调试电子电路能够说是必不行少的。
电子电路中电压丈量的特征是:
(1) 频率方案宽;电子电路中电压的频率能够从直流到数百兆赫方案内改动。
(2) 电压方案广;电子电路中,电压方案由微伏级到千伏以上高压,对于纷歧样的电压档级有必要选用纷歧样的电压表进行丈量。
(3) 存在非正弦量电压;被测信号除了正弦电压外,还有许多的非正弦电压。
(4) 交、直流电压并存;被测的电压中常常是沟通与直流并存,乃至还搀杂有噪声搅扰等成分。
(5) 请求丈量仪器有高输入阻抗;由于电子电路一般是高阻抗电路,为了使仪器对被测电路的影响减至满意小,请求丈量仪器有更高的输入电阻。
所以,在电子电路中,应依据被测电压的波形、频率、崎岖、等效内阻,对于纷歧样的丈量方针选用纷歧样的丈量办法。如:丈量精度请求不高,可用示波器或一般万用表;假设期望丈量精度较高,依据现有条件,挑选适宜的丈量仪器。
一、直流电压的丈量
电子电路中的直流电压一般分为两大类,一类为直流电源电压,它具有必定的直流电动势E和等效内阻R0,如图1(a)所示。另一类是直流电路中某元器材两头之间的电压差或各点对地的电位,如图1(b)所示,图中R1,R2,R3,R4可所以恣意元器材的直流等效电阻,UR1、UR3为元器材两头电压,Ul、U2既是对地电位又是元器材两头电压。


图1  两种直流电压

直流电压的丈量办法大体上有直接丈量法和直接丈量法两种。
(1)直接丈量法
将电压表直接并联在被测支路的两头,如图1.2.8所示,假设电压表的内阻为无限大,则电压表的示数便是被测两点间的电压值。实习电压表的的内阻不或许为无穷大,因而直接丈量法必定会影响被测电路,构成丈量过失。丈量时还应留意电压表的极性。它影响到丈量值与参阅极性之的联络,也影响仿照式电压表指针的偏转方向。
(2)直接丈量法
如图1(b)所示,若要丈量R3两头的电压,能够别离测出R3对地的电位U1和U2,然后运用公式UR3=U1-U2求出要丈量的电压值。
下面介绍实习运用的测办法。
1、 数字万用表丈量直流电压
数字万用表的底子构成部件是数字直流电压表,因而,数字万用表均有直流电压档。用它丈量直流电压可直接显现被测直流电压的数值和极性,有用数值位数较多,精确度高。一般数字万用表直流电压档的输入电阻较高,可达十MΩ以上,如DT890型数字万用表的直流电压档的输入电阻为十MΩ,将它并接在被测支路两头对被测电路的影响较小。
用数字万用表丈量直流电压时,要挑选适宜的量程,当超出量程时会有溢出显现,如DT-990C型数字万用表,当丈量值超出量程时会显现"OL",并在显现屏左边显现"OVER"标明溢出。
数字万用表的直流电压档有必定的分辨力,即它所能显现的被测电压的最小改动值,实习上纷歧样量程档的分辨力纷歧样,一般以最小量程档的分辨力为数字电压表的分辨力,如DT890型数字万用表的直流电压分辨力为十0μV,即这个万用表不能显现出比十0μV更小的电压改动。
2、 仿照式万用表丈量直流电压
仿照式万用表的直流电压档由表头串联分压电阻和并联电阻构成,因而其输入电阻一般不太大,而且各量程档的内阻纷歧样,各量程档内阻Rv=量程×直流电压活络度Sv-,因而同一块表,量程越大内阻越大。在用仿照式万用表丈量直流电压时,必定要留意表的内阻对被测电路的影响,不然将或许发作较大的丈量过失。例如用MF500-B型万用表丈量如图2所示电路的等效电动势E,万用表的直流电压活络度Sv=20k/V,选用十V量程档,丈量值为7.2V,理论值为9V,相对过失为20%,这便是由所用万用表直流电压档的内阻Rv与被测电路等效内阻比照不行大所构成的使的,是丈量办法不妥致使的过失。再比方, 用活络度为十KΩ/V的万用表的2.5V直流电压档,去丈量图3所示拓宽器中晶体管的发射结电压Ube。假设不直接丈量UBE,而是别离测得UB=﹣0.88V,UE=﹣0.92V,核算得UBE=UB-UE=0.04V。依据这个丈量效果,拓宽器必定处于截止状况,而实习上拓宽器却作业在拓宽状况,且UBE=﹣0.32V。


图2 丈量支流电压

 构成这个差错定论的要素是万用表2.5V 档的内阻为25kΩ,这个电阻并联在基极与地之间,减小了下偏置电阻,因而测出的UB值比实习值小得多,而测得的UE值由于发射极输出阻抗低,仪器内阻的影响小而挨近正本践值。可见,上述过失是由于测验办法不妥致使的,应直接丈量基极与发射极之间的电压UBE。因而仿照式万用表的直流电压档丈量电压只适用于被测电路等效内阻很小或信号源内阻很小的状况。

图3 单管拓宽电路图4 零示法丈量直流电压

3、零示法丈量直流电压
为了减小由于仿照式电压表内阻不行大而致使的丈量过失,可用如图4所示的零示法。图中Es为巨细可调的规范直流电源,丈量时,先将规范电源Es置最小,电压表置较许多程档,按如图4所示的极性接人电路,然后缓慢调度规范电源Es的巨细,并逐渐减小电压表的量程档,直到电压表在最小量程档指示为零,此刻E=Es,电压表中没有电流流过,电压表的内阻对被测电路无影响。然后断开电路,用电压表丈量规范电源Es的巨细即为被测E的巨细。在此由于规范直流电源的内阻很小,一般均小于l,而电压表的内阻一般在K级以上,所以用电压表直接丈量规范电源的输出电压,电压表内阻致使的过失完全能够疏忽不计。
4、用电子电压表丈量直流电压
为了进步电压表的内阻,能够将磁电式表头加装输入阻抗高、而且具有必定放许多的电子线路构成电子电压表,一般选用跟从器和拓宽器等电路进步电压表的输入阻抗和丈量活络度,这种电子电压表可在电子电路中丈量高电阻电路的电压值。
5、示波器丈量直流电压
用示波器丈量电压时,首要应将示波器的笔直偏转活络度微调旋钮置校准档,不然电压读数不精确。
详细丈量进程如下:
(1)将待测信号送至示波器的笔直输入端。
(2)断定直流电压的极性。将示波器的输入耦合开关置于"GND''档,调度笔直位移旋钮,将荧光屏上的水平亮线(时基线)移至荧光屏的基当方位,即水平坐标轴上。调整笔直活络度开对于恰当档位,将示波器的输入耦合开关置于"DC"档,查询水平亮线的偏转方向(活络度不合当令,亮线或许不见,此刻需求调整活络度)。若向上偏转,则被测直流电压为正极性,若向下偏转,则被测直流电压为负极性。
(3)定零电压线。将示波器的输入耦合开关置于"GND':档,调度笔直位移旋钮,将荧光屏上的水平亮线(时基线)向与其极性相反的方向移动,置于荧光屏的最顶端或最底端的坐标线上,即被测电压为正极性,就将时基线移至最底端的坐标线上,反之则将时基线移至最顶端的坐标线上,此刻基线地址方位即为零电压地址方位,在尔后的丈量中不能再移动零电压线。即不能再调度笔直位移旋钮。

图5 示波器丈量直流电压

图6 微差法丈量直流电压

(4)将示波器的输入耦合开关置于"DC"档,调整笔直活络度开对于恰当档位,读出此刻荧光屏上水平亮线与零电压线之间的笔直间隔Y(如图5所示),将Y乘以示波器的笔直活络度即可得到被测电压Ux的巨细,即Ux=SY×Y。
6、微差法丈量直流电压
在上面介绍的直流电压丈量中都存在一个分辨力疑问,数字电压表的分辨力是末位数字代表的电压值,仿照电压表的分辨力为最小刻度间隔所代表的电压值的一半,量程越大分辨力越低,如MF500-B型万用表在2.5V量程档,分辨力为0.025V,十V档的分辨力为0.1V,电压表不或许精确丈量出比分辨力小的电压的细小改动量。
为了精确地丈量大电压中的细小改动量,能够用如图6所示的微差法来丈量。图中Es为巨细可调的规范电源。丈量时,调度Es的巨细,使电压表在小量程档(分辨力最高)上有一个细小的读数ΔU,则Uo=Es+ΔUo。
当ΔU<Uo时,电压表的丈量过失对Uo的影响极小,且电压表中流过的电流很小,对被测电压Uo不会发作大的影响。
7、富含沟通成分的直流电压的丈量
由于磁电式电表的表头偏转体系对电流有均匀效果,不能反映纯沟通量,所以,富含沟通成分的直流电压的丈量,一种常用的办法便是用仿照式电压表直流档直接丈量。
假设叠加在直流电压上的沟通成分具有周期性和崎岖对称性,可直接用仿照式电压表丈量其直流电压的巨细。
由沟通讯号改换而得到的直流,如整流滤波后得到的直流均匀值,以及非简谐波的均匀直流重量都可用仿照式电压表丈量。
一般不能用数字式万用表丈量富含沟通成分的直流电压,由于数字式直流电压表请求被测直流电压安稳,才干显现数字,不然数字将跳变不断。
二、 沟通电压的丈量
电子技能试验中,沟通电压大致可分为正弦和非正弦沟通电压两类,丈量办法一般可分为两种,一种是具有必定内阻的沟通讯号源的丈量,如图7(a)所示。另一种是电路中恣意一点对地的沟通电压的丈量,如图7(b)所示电路中的U1、U2,也包含电路中恣意两点间的沟通电压,如URl,UR3。在此留意,用直接丈量法求UR=U1-U2电压时,其值由矢量差求出,只需当U1和U2同相位时,才干用代数差标明。在时刻域中,沟通电压的改动规矩是各式各样的,有按正弦规矩改动的正弦波、线性改动的三角波、跳动改动的方波、随机改动的噪声波等。但不管改动规矩多么纷歧样,一个沟通电压的巨细均可用峰值(或峰峰值)、均匀值、有用值、波形因数、波峰因数来表征。


        图7 丈量两种沟通电压办法

① 峰值UP
峰值是交变电压在所查询的时刻或一个周期内所抵达的最大值,记为UP如图8所示,峰值是从参阅零电平开端核算的,有正峰值UP+和负峰值UP-之分。正峰值与负峰值一同包含时称为峰峰值UPP。常用的还有振幅Um,它是直流电压为参电平核算的。因而,当电压中包直流成分时,UP与Um是不相的,只需纯沟通电压时UP=Um。


图8 沟通电压的峰值与崎岖

② 均匀值
均匀值 在数学上界说为
准则上,求均匀值的时刻为恣意时刻,对周期信号而言,T为信号周期。
依据以上的界说,若包含直流成分U-,则 =U-,若仅富含沟通成分, =0。这么对朴实的沟通电压采说,由于 =0,将无法用均匀值 来表征它的巨细。由于在实习丈量中,老是将沟通电压经过检波器改换成直流电压后再进行丈量的,因而均匀值一般是指检波后的均匀值。依据检波器的纷歧样又可分为全波均匀值和半波均匀值,一般不加分外阐明时,均匀值都是指全波均匀值,即

③ 有用值U
一个沟通电压和一个直流电压别离加在同一电阻上,若它们发作的热量持平,则沟通电压的有用值U等于该直流电压值,即

作为沟通电压的一个参数,有用值比峰值、均匀值用得更为遍及,当不分外指明时,沟通电压的量值均指有用值,各类沟通电压表的示值,除分外状况外,都是按正弦波的有用值来刻度的。
④ 波形因数KF
电压的有用值与均匀值之比称为波形因数KF ,即

⑤ 波峰因数KP
沟通电压的峰值与有用值之比称为波峰因数KP,即

几种典型沟通电压波形的参数见表1
表1 几种典型沟通电压的波形参数

1.正弦沟通电压的丈量
试验中对正弦沟通电压的丈量,一般丈量其有用值,分外状况下才丈量峰值。由于万用表构造上的特征,尽管也能丈量沟通电压,但对频率有必定的捆绑。因而,丈量前应依据待丈量的频率方案,挑选适宜的丈量仪器和办法。
⑴ 仿照式万用表丈量沟通
用万用表的沟通电压档丈量电压时,沟通电压是经过检波器改换成直流后直接推进磁电式微安表头,由表头指针指示出被测沟通电压的巨细。因而这种表的内阻较低,且各量程的内阻纷歧样,各档的内阻Rv=量程×沟通电压活络度SV-,丈量时应留意其内阻对被测电路的影响。此外,仿照式万用表丈量沟通电压的频率方案较小,一般只能丈量频率在1kHz
以下的沟通电压。它的长处是:由于仿照式万用表的公共端与外壳绝缘胶木无关,与被测电路无一同机壳接地(即接 "地")疑问,因而,能够用它直接丈量两点之间的沟通电压。这是它的一大长处。
(2) 数字式万用表丈量沟通电压
数字式万用表的沟通电压档,是将沟通电压检波后得到的直流电压,经过A/D改换器改换成数字量,然后用计数器计数,以十进制显现被测电压值。与仿照式万用表沟通电压档比照,数字式万用表的沟通电压档输入阻抗高,如DT890型数字万用表的沟通电压档的输入阻抗为十MΩ(在40~400Hz的丈量频率方案内),对被测电路的影响小,但它一样存在丈量频率方案小的缺陷。如DT890型数字万用表丈量沟通电压的频率方案为40~400Hz。
(3) 仿照式电子电压表丈量沟通电压
仿照式电子电压表是一种常用的电子丈量仪器,试验室中常用的晶体管毫伏表便是仿照式电子电压表的一种,它将被测信号经过拓宽后再检波(或先将被测信号检波后再拓宽)改换成直流电压,推进微安表头,由表头指针指示出被测电压的巨细,因而,这类电压表的输入阻抗高,量程方案广,运用频率方案宽。 一般仿照式电子电压表的金属机壳为接地端,另一端为被测信号输入端。因而,这种表一般只能丈量电路中各点对地的沟通电压,不能直接丈量恣意两点间的电压,试验中应分外留意。
一般,仿照式电子电压表的表盘刻度都是按正弦波的有用值刻度的,所以,用它来丈量正波形的电压时,能够由表盘直接读取电压有用值。但若用它丈量非正弦电压,不能直接读数,需依据表内检波器的检波办法和被测波形的性质将读数乘上一个换算系数,才干得到被测非正弦波的电压有用值。
⑷ 示波器丈量沟通电压
用示波器法丈量沟通电压与电压表法比照具有如下长处:
①速度快;被测电压的波形能够当即显现在屏幕上。
②能丈量各种波形的电压;电压表一般只能丈量失真很小的正弦电压,而示波器不光能量失真很大的正弦电压,还能丈量脉冲电压,已调幅电压等。
③能丈量瞬时电压;示波用具有很小的慵懒,因而它不光能丈量周期信号峰值压,还能观测信号崎岖的改动状况,它乃至能够丈量单次出现的信号电压。此外,它还能丈量测信号的瞬时电压和波形上恣意两点间的电压差。
④能一同丈量直流电压和沟通电压;在一次丈量进程中,电压表一般不能一同丈量出被电压的直流重量和沟通重量。示波器能便本地完结这一点。
用示波器丈量电压首要缺陷是过失较大,一般达5%~十%,现代数字直读式示波器,由于选用了领先的数字技能,过失可减小到1%以下。
示波器丈量沟通电压的首要丈量进程如下:
①将待测信号送至示波器笔直输入端。
②输入耦合开关置于"AC''方位。
③调整笔直活络度开对于恰当方位,微调旋钮顺时针旋到头(校对方位)。留意:屏幕上所显现的波形不要超出笔直有用方案。
④别离调整水平扫描速度开关和触发同步体系的有关开关,使屏幕上能安稳显现一至二个周期的波形。
⑤被测信号电压的峰值为波形在笔直方向上所偏移间隔的1/2乘以笔直活络度指数Sy。要知道有用值还需进行换算。


(a) (b)
图9 示波器丈量沟通电压

例如:图9(a)中,示波器的活络度开关置于2V/cm,则此正弦波A的峰值UP为
UP=2×2=4V
则有用值为

2. 非正弦沟通电压的丈量
电子技能试验中,非正弦沟通量一般用的最多的是:三角波、矩齿波、脉冲和方波等。依据这几种波形的特征,直接丈量其有用值有难度。一般先测出示值后再进行换算。
⑴ 用电压表丈量
先用电压表测出其波形的示值Ua(由于电压表的示值都是按正弦波的有用值刻度的,所以此刻的示值并不是待丈量波的有用值),再依据示值Ua与均匀值 、有用值U之间的改换联络,换算出该波形的有用值U。
例如:某三角波的丈量示值Ua=8V,换算办法为先换算成正弦波的均匀值
       =Ua/KF= 8/1.11=7.2    (正弦波KF=1.11)
此值即为待测波的电压均匀值,然后用该波的波形系数KF 换算成有用值。
   U=×KF=7.2×1.15=8.28 (三角波KF=1.15)
所以,该三角波的有用值为:8.28
⑵ 用示波器丈量
用示波器能够便本地测出振荡电路、信号发作器或别的电子设备输出的非沟通电压的峰值。然后,换算出该波形的有用值U即可。
例如:图9(b)中, 示波器的活络度开关置于5V/cm,则此三角波B的峰值UP为
UP=3×5=6V
依据有用值与峰值的联络
则有用值为
           U=6/1.73 =3.475V ( 三角波的波峰因数KP=1.73)

三、 噪声电压的丈量
在电子丈量中,习气上把信号电压以外的电压总称为噪声。从这个含义上说,噪声应包含外界搅扰和内部噪声两大有些。由于外界搅扰在技能上是能够消除的,所以终究关怀的噪声电压的丈量首要是对电路内部发作的噪声电压的丈量。
1.用沟通电压表丈量噪声电压
  噪声电压一般指有用值(均方值),因而用有用值电压表丈量噪声电压有用值是很便当的,可是这种电压表较少且大都有用值电压表的频带较窄,所以一般都用均匀值电压表进行噪声电压的丈量。
均匀值电压表的指针偏转角与被测电压的均匀值成正比,但表盘刻度按正弦波电压有用值刻度。因而,用它丈量非正弦的噪声电压时,其表针示数没有直接含义,有必要经过换算,才干得到被测噪声电压的有用值。换算的准则是:不管被测电压是何种波形,只需表盘指针示数持平,均匀值就持平。
设被测电压是噪声电压。表针示数为Uα,先将Uα换算成噪声的均匀值 ,依据均匀值持平示数持平的准则, 应等于用此均匀值电压表丈量正弦波电压示数为Uα时正弦波的均匀值,即

式中KF~为正弦波的波形因数

  
则噪声电压的有用值U为

   
式中KF为噪声电压的波形因数,则

   
上式标明,用均匀值电压表丈量噪声电压时,表针示数乘以1.13便是噪声电压的有用值。
2、用示波器丈量噪声电压
示波器的频带宽度很宽时,能够用来丈量噪声电压,运用极点便当,分外适适宜丈量噪声压的峰峰值。丈量时,将被测噪声信号经过AC耦合办法送入示波器的笔直通道,将示波器的笔直活络度置于适宜档位,将扫描速度置较等级低,在荧光屏上即可看到一条水平移动的笔直亮线,这条亮线笔直方向的长度乘以示波器的笔直电压活络度便是被测噪声电压的峰峰值UPP,则噪声电压的有用值为U=(1/6)UPP。

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