现代电子测量技术_5

现在电子测量技术 课件 华北电力大学

现代电子测量技术电压测量赵志斌 电力系电信教研室

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第5章 电压测量5.1 概述5.2 电压标准 5.3 交流电压的测量 5.4 直流电压的数字化测量及A/D转换原理 5.5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表 5.6 数字电压表测量的不确定度及 自动校准、自动量程技术 5.7 电压测量的干扰及抑制技术

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5.1 概述5.1.1 电压测量的意义、特点

1)电压测量的重要性 ——阐述电压测量的意义、重要性及应用。 2)电压测量的特点 ——从电压测量的频率、范围、要求等方面阐述其特点，这 些特点也反映了电子测量的主要特点。

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1)电压测量的重要性◆电压测量是电测量与非电测量的基础； ◆电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量： 表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率 其中：电流、功率——〉电压，再进行测量 电路工作状态： 饱和与截止，线性度、失真度——〉电压表征 ◆非电测量中，物理量——〉电压信号，再进行测量 如：温度、压力、振动、(加)速度

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2)电压测量的特点1.频率范围广：零频(直流)~109Hz 低频：1MHz以下；高频(射频):1MHz以上。 2.测量范围宽 微弱信号:心电医学信号、地震波等,纳伏级(10-9V); 超高压信号：电力系统中，数百千伏。 3.电压波形的多样化 电压信号波形是被测量信息的载体。 各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。

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2)电压测量的特点4.阻抗匹配 在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。 直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。 如：采用电压表与电流表测量电阻， 当测量小电阻时，应采用电压表并联方案； 当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。 交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。

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2)电压测量的特点5.测量精度的要求差异很大 10-1至10-9。 6.测量速度的要求差异很大 静态测量：直流(慢变化信号),几次/秒; 动态测量：高速瞬变信号,数亿次/秒(几百MHz) 精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。 7.抗干扰性能 工业现场测试中，存在较大的干扰。

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5.1.2 电压测量的方法和分类2. 电压测量方法的分类 · 按对象：直流电压测量；交流电压测量 · 按技术：模拟测量；数字测量 1)交流电压的模拟测量方法 表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。 方法：交流电压(有效值、峰值和平均值)--〉直流电流--〉驱动表头--〉 指示 ——有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。

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5.1.2 电压测量的方法和分类2)数字化直流电压测量方法 模拟直流电压--

〉A/D转换器--〉数字量--〉数字显示(直观) ——数字电压表(DVM),数字多用表(DMM)。 3)交流电压的数字化测量 交流电压(有效值、峰值和平均值)--〉直流电压--〉A/D转换器--〉数字量-〉数字显示 ——DVM(DMM)的扩展功能。

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5.1.2 电压测量的方法和分类4)基于采样的交流电压测量方法 交流电压--〉A/D转换器--〉瞬时采样值u(k) --〉计算，如有效值

1 N 2 式中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。 (k ) V u N k 1 5)示波测量方法交流电压--〉模拟或数字示波器--〉显示波形--〉读出结果

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5.2 电压标准5.2.1 直流电压标准 电压和电阻是电磁学中的两个基本量。 电压基准和电阻基准——〉其他电磁量基准。 电压标准有： 标准电池(实物基准， 10-6); 齐纳管电压标准 (固态标准， 10-6); 约瑟夫森量子电压基准 (量子化自然基准，10-10)。 电阻标准有： 精密线绕电阻(实物标准); 霍尔电阻基准(量子化自然基准，10-9)。

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5.2.1 交流电压标准

原理 由直流电压标准建立。因而，需经过交流-直流变换。 测热电阻桥式高频电压标准 基本原理：将高频电压通过一电阻(称为测热电阻， 如热敏电阻),该电阻由于吸收高频电压功率，其阻 值将发生变化，再将一标准直流电压同样施加于该电 阻，若引起的阻值变化相等，则高频电压的有效值就 等于该直流电压。 双测热电阻电桥的原理图

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5.3 交流电压的测量

5.3.1 表征交流电压的基本参量

峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。以零电平为参考的最大电压幅值(用Vp表示 )。 注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅， (通常用Um表示)。u(t ) Vp Um

峰值

U0 t

T

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5.3.1 表征交流电压的基本参量

平均值(均值)

0 数学上定义为： 相当于交流电压u(t)的直流分量。 交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流 后的波形(一般若无特指，均为全波整流):u (t )dt

1 U T

T

对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt),若ω=2π/TU~ 2 V p 0.637V p

1 T U u (t ) dt T 0

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5.3.1 表征交流电压的基本参量

有效值

定义：交流电压u(t)在一个周期T内，通过某纯电阻负 载R所产生的热量，与一个直流电压V在同一负载上产 生的热量相等时，则该直流电压V的数值就表示了交流 电压u(t)的有效值。 表达式： V2 直流电压V在T内电阻R上产生的热量Q_=I2RT= R T 2 T u (t ) 交流电压u(t) 在T内电阻R上产生的热量Q~= dt 0 R 由Q_= Q~得， 有效值 1 T 2V T 0

u (t )dt

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5.3.1 表征交流电压的基本参量

有效值 意义：有效值在数学

上即为均方根值。有效值反映了 交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(ωt),若ω=2π/TV~ 1 Vp 0.707Vp 2

波峰因数和波形因数 波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用Kp表示，峰值 Kp V 有效值 Vp