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交流电压测量电路


2017-04-28 10:34   点击:67
                        

  (1)交流电压的表征

  交流电压可以用峰值、平均值、有效值、波形系数以及波峰系数来表征。

  ①峰值

  周期性交流电压u(t)在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值,用U0表示,正、负峰值不等时分别用Up+和Up-表示,如图1(a)所示。u(t)在一个周期内偏离直流分量U0的最大值称为幅值或振幅,用Um表示,正、负幅值不等时分别用Um+和Um-表示,如图1(b)所示,图中U0=0,且正、负幅值相等。

  ②平均值

  u(t)的平均值的数学定义为

                 (1)

  按照这个定义,可实质上就是被测电压的直流分量U0,如图1(a)中虚线所示。

图1 交流电压的峰值和幅值

  在电子测量中,平均值通常指交流电压检波(也称整流)以后的平均值,又可分为半波整流平均值和全波整流平均值。全波整流平均值定义为

                (2)

  ③有效值

  一个交流电压u(t)和一个直流电压u分别加在同一电阻R上,若它们在一个周期内产生的热量相等,则交流电压有效值等于该直流电压U,可表示为

  即

                (3)

  ④波形系数、波峰系数

  交流电压的波形系数KF定义为该电压的有效值与平均值之比

                      (4)

  交流电压的波峰系数KP定义为该电压的峰值与有效值之比

                     (5)

  不同电压波形,其KF、KP群值不同,表1列出了几种常见电压的有关参数。

表1 不同波形交流电压的参数

  虽然交流电压量值可以用峰值、有效值和平均值表征,但基于功率的概念,国际上一直以有效值作为交流电压的表征量。例如电压表,除特殊情况外,几乎都按正弦波的有效值来定度。当用以正弦波的有效值定度的交流电压表测量电压时,如果被测电压是正弦波,那么由表1很容易从电压表读数即有效值得知它的峰值和平均值;如果被测电压是非正弦波,那就需根据电压表读数和电压表所采用的检波方法,进行必要的波形换算,才能得到有关参数。

  (2)交流电压的测量方法

  测量交流电压的方法很多,依据的原理也不同,其中最主要的是利用交流/直流(AC/DC)转换电路将交流电压转换成直流电压,然后再接到直流电压表上进行测量。根据AC/DC转换器的类型,可分为检波法和热电转换法。根据检波特性的不同,检波法又可分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等。

  按照AC/DC变换的先后不同,模拟式交流电压表大致可分成下列三种类型。

  ①检波-放大式

  图2(a)为检波-放大式电压表的组成方框图,它是将被测电压先检波变成直流电流,然后再用直流放大器放大,放大后的直流电流去驱动电流表偏转。这种类型的特点是“先检波后放大”,故测量电压的频率范围只决定于检波器的频响(一般在20 Hz至数百兆赫),通常所称“高频电压表”或“超高频电压表”都属于这一类型。早期的检波-放大式电压表,其灵敏度不高,一般约为0.1 V,主要受直流放大器增益的限制。目前,采用调制式直流放大器,可把检波-放大式电压表的灵敏度提高到mV级。进一步提高灵敏度将受到检波器件的非线性限制。

图2 交流电压表类型

  ②放大-检波式

  当被测电压较低时,直接检波会显著增大误差。为提高交流电压表的测量灵敏度,先用宽带放大器放大被测电压,然后再检波。放大-检波式电压表的方框图见图2-9(b)。这种电压表的频率范围主要受宽带放大器带宽的限制,而灵敏度受放大器内部噪声的限制,一般可做到mV级,典型的频率范围为20Hz~10MHz,故又称“视频毫伏表”。

  ③外差式电压表

  检波-放大式电压表的灵敏度受检波器件非线性的限制。而放大-检波式电压表,由于宽带放大器增益和带宽的矛盾,也很难把频率上限提得很高,同时,两种测量方法的灵敏度都受到仪器内部噪声和外部干扰的限制。

  图3所示外差测量方法可以解决上述矛盾。输入电路包括输入衰减器(用于大电压测量)和高频放大器(用于宽频带低增益放大)。被测信号通过输入电路,在混频器中与本机振荡器(本振)频率fL混频,输出频率固定的中频(fL-fx)信号(可改变fL以跟踪信号频率fx,保持fL-fx不变),用中频放大器选择并放大,然后检波,并用表头指示。

  由于中频放大器具有良好的频率选择性,而且中频是固定的,这样就解决了放大器增益与带宽的矛盾。同时,由于中频放大器有很窄的带通滤波特性,从而可以在高增益条件下,大大削弱内部噪声的影响,使测量灵敏度提高到μV级。因此,这类仪表称为高频微伏表。

图3 外差式电压表

  (3)低频交流电压的测量

  通常把测量低频(1MHz以下)信号电压的电压表称作交流电压表或交流毫伏表。这类电压表一般采用放大-检波式,检波器多为平均值检波器或有效值检波器,分别构成均值电压表或有效值电压表。

  平均值电压表中的检波器是平均值检波器,电压表的读数与被测电压的平均值成正比。但是,平均值电压表的表头却不是按平均值定度的,而是按正弦波的有效值定度的。这就是说,一个有效值为U的正弦电压加到平均值电压表上时平均值电压表的指示值也为U而不是。由式(2)可知,只有将指示值U除以正弦波的波形系数KF=1.11才能求得被测正弦电压的平均值

  由于表头是按正弦波的有效值定度的,因此表头指示值并不适用于被测电压为非正弦电压的情况。当用平均值电压表测量非正弦电压时,应先将读数值Ua除以正弦波的波形系数KF=1.11,折算成正弦波电压的平均值。由于平均值电压表的读数只与被测电压的平均值有关,与其波形无关,所以正弦波形与非正弦波形的指示值相等,就意味着两者的平均值也相等。折算出的正弦电压的平均值也就是被测非正弦电压的平均值,将此平均值乘以被测电压的波形系数KF,即可求得被测非正弦电压的有效值Uxrms。因此,波形换算公式为

           (4)

  显然,如果被测电压不是正弦波时,直接将电压表指示值作为被测电压的有效值,必将带来较大的误差,通常称作“小型误差”。由上式可得,波形误差计算公式为

 (5)

  (4)高频交流电压的测量

  高频交流电压的测量不采用放大-检波式(以避免高频测量受放大器通频带的限制)而采用检波-放大式或外差式电压表来测量。最常用的检波-放大式高频电压表都把高频二极管构成的峰值检波器放置在屏蔽良好的探头(探极)内,用探头探针直接接触被测点,把被测高频信号首先变成直流电压,这样可大大减少分布参数的影响和信号传输损失。

  采用峰值检波器的电压表,称为峰值电压表。像均值电压表一样,峰值电压表也是按正弦电压的有效值定度的。这就是说,一个有效值为u的正弦电压加到峰值电压表上时,峰值电压表的指示值也为U而不是UP。据式(3)可知,只有将指示值Ua乘以正弦电压的波峰系数才能求得被测正弦电压的峰值UP,即

                   (6)

  如果被测电压为非正弦电压,峰值电压表读数也为Ua,那就意味着该被测非正弦电压的峰值也为。据式(3),该被测非正弦电压的有效值Uxrms。等于其峰值Up除以其波峰系数Kp,因此非正弦电压的波形换算公式为

               (7)

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