第七章电子电压表课件.ppt

第七章 电子电压表,第一节 电子电压表的结构与特点第二节 电子电压表的检波电路第三节 模拟式电子电压表实例第四节 模拟式电子电压表的使用第五节 电子数字电压表第六节 数字电压表实例,Electrical Measure,本章要点,本章主要介绍模拟式和数字式电子电压表。前者是在传统的磁电系电压表基础上，增加了检波、放大等电子电路，提高它的频率范围、灵敏度和输入阻抗。后者则是从根本上改变传统仪表的读数方式，采用模数转换和数字显示技术，完全消除了因可动部件引发的误差，改变了制造仪表的生产工艺。 本章第三节和第六节介绍几种电压表的实例，希望通过实例能进一步掌握仪表电路的分析方法，提高阅读电子仪器电路的能力。这两节内容可根据教学时数选择讲授。,第一节 电子电压表的结构与特点,电压是一个基本的物理量，是集中电路中表征电信号的三个基本参数（电压、电流、功率）之一，电压测量是电子测量中的基本内容。测量电压所采用的仪器主要是电子电压表，电压测量对仪表的要求如下：,一、电子电压表的基本要求,1、仪表应有足够宽的频率范围。,传统的磁电系电压表只能测量直流或低频。电子电压表则通过检波将被测电压转换为直流，使得本来只能测直流的磁电系电压表、也可以测量高频交流。,第一节 电子电压表的结构与特点,电压是一个基本的物理量，是集中电路中表征电信号的三个基本参数（电压、电流、功率）之一，电压测量是电子测量中的基本内容。测量电压所采用的仪器主要是电子电压表，电压测量对仪表的要求如下：,一、电子电压表的基本要求,1、仪表应有足够宽的频率范围。,2、仪表应有足够宽的电压测量范围。,虽然磁电系电压表的灵敏度可达到毫伏级，但通过仪表的放大电路之后，可扩展到微伏级。,第一节 电子电压表的结构与特点,电压是一个基本的物理量，是集中电路中表征电信号的三个基本参数（电压、电流、功率）之一，电压测量是电子测量中的基本内容。测量电压所采用的仪器主要是电子电压表，电压测量对仪表的要求如下：,一、电子电压表的基本要求,1、仪表应有足够宽的频率范围。,2、仪表应有足够宽的电压测量范围。,3、仪表应有足够高的输入阻抗,电子电压表利用电子电路提高仪表的输入阻抗，以降低表耗功率，减少测量仪表对被测电路的影响。,第一节 电子电压表的结构与特点,电压是一个基本的物理量，是集中电路中表征电信号的三个基本参数（电压、电流、功率）之一，电压测量是电子测量中的基本内容。测量电压所采用的仪器主要是电子电压表，电压测量对仪表的要求如下：,一、电子电压表的基本要求,1、仪表应有足够宽的频率范围。,2、仪表应有足够宽的电压测量范围。,3、仪表应有足够高的输入阻抗。,4、仪表的标尺应能线性刻度,电子式模拟指示电压表的仪表刻度可实现线性，其度盘刻度可均匀等分，有利于简化生产工艺，提高仪表准确度。,常用的测量电压的仪器有模拟式电压表、电子电压表、数字式电压表三种类型。,电子电压表的分类,模拟式电压表,数字式电压表,电子电压表,常用的指针式电压表,将被测交流电压转换成直流电压，然后测量。,将被测电压的数值用译码显示电路显示出来。,模拟式电子电压表,电子电压表,台式数字电压表,二、简单模拟电压表,1. 简单的模拟直流电压表,用单独的一个磁电式表头就可测量小于Ug (Ug =IgRg )的直流电压,若要测量较大的电压，可利用串联电阻分压原理，即在表头上串联一个适当阻值的电阻。,若采用多个分压电阻与表头串联，就可制成多量程的直流电压表。,2.简单模拟交流电压表,模拟式交流电压表先将交流电流变换成直流电流，然后采用串联电阻的方法构成多量程电压表。,模拟式交流电压表的原理与模拟式直流电压表类似，只不过增加了整流电路。,模拟式电压表主要结构表头：磁电式直流电流表；交直流转换器：检波器。,但模拟式交流电压表有一些特点，使用时应注意：,（1）交流电压灵敏度低于直流电压灵敏度。（2）表针的偏转角度近似于交流电压的半波（或全波）整流电压的平均值，但表盘上的刻度是按正弦有效值刻度的。（3）模拟式万用表测量交流电压的频率范围在45100Hz内。（4）交流电压10V档单独刻度。,交流10V档专用刻度线,1. 放大-检波式 主要特点是先用放大器将被测信号放大，提高测量灵敏度。然后检波器对大信号检波，避免了因检波器的非线性产生的失真。 这种方式采取放大在前，检波在后，可以提高仪表的灵敏度，测量微弱电压。但因频率范围受放大器限制，一般用于低频电压表。,三、模拟式电子电压表的结构类型,放大检波式的通频带一般为2Hz-10MHz，测量的最小幅值为几百微伏或几毫伏，因此一般称为低频毫伏表。,2.检波-放大式,这种方式采取检波在前，放大在后，由于被测电压一开始就转换为直流，所以频率范围不受放大器限制。,采用高频检波二极管时频率范围可达到几十赫兹到数百兆赫兹。 可用于测量视频、超高频电压，频率范围较宽，但灵敏度较低。,3.调制式 检波在前的电压表灵敏度不高，是由于检波后已将信号转换为直流，只能使用直流放大器，而直流放大器的放大倍数因漂移受到很大限制。调制式则利用斩波器先把直流转换为低频交流，然后用低频交流放大器进行放大，放大后再通过解调恢复为直流，这种方式既能采用检波在前，又能避免使用直流放大器而影响灵敏度。,4.外差式 这种方式先通过混频，将被测频率转换为固定的中频，经中频放大后再通过检波转换为直流。既能解决放大在前频率范围受到限制的缺点，又能解决检波在前仪表的灵敏度不足的问题。多用于高频和超高频的测量。,返回本章首页,数字电压表通常由输入通道、检波、A/D转换与显示等部分组成,1.电压时间变换型 又称斜波型，它将不同被测电压值转换为不同的时间间隔，用这个时间间隔的起止点，控制进入计数器的脉冲个数，使显示器能显示出不同数值。,四、数字电压表的结构类型,2.电压频率变换型 将不同被测电压值转换为不同频率的信号，再通过整形转换为同频率的脉冲，进入频率计数器进行计数显示，所显示的频率值就代表电压值。,3.逐次逼近比较型 将被测电压与数码开关送出的基准电压进行比较，如果基准电压小于被测电压，则将基准电压逐次递加，直至基准电压逼近被测电压并等于被测电压为止，这时显示器所显示的数码寄存器基准电压就是被测电压。,返回本章首页,第二节 电子电压表的检波电路,电子电压表是利用检波电路把被测电压的峰值或平均值或有效值转换为直流电压，然后用磁电系进行测量，所以检波电路是电子电压表的核心，它有以下几种形式。 一、 峰值检波电路 1.开路式峰值检波电路 开路式检波电路是利用二极管将电容器充电至峰值，它必须满足以下条件： RC RiC RC T 满足该条件，其指示仪表的指针偏转角将与被测电压峰值成正比。,峰值检波波形,2.闭路式峰值检波电路 闭路式检波电路如果满足以下条件：RC RiCRC T 则其指示仪表指针的偏转角将与被测电压交流峰值成正比。,交流分量正向峰值UmUm Uxcp交流分量反向峰值UmUm Uxcp峰-峰值UPP Um （ Um ）,3.峰-峰值检波电路 峰- 峰值检波电路利用被测电压的正半波对C1 充电充至电压正半波的最大值为止，然后在负半波期间，被测电压与C1 电压串接后对C2 充电，因此C2 电压可充至峰 - 峰值。指示仪表指针偏转角将与被测电压的峰 - 峰值成正比。,峰值检波器的输入阻抗较高，适用于检波放大式电压表。,经过峰值检波器后的直流电压UDC是正比于被测电压的峰值Um的。,而一般情况下，峰值电压表的读数刻度是按正弦波有效值刻度的，即表头上的读数正比于被测正弦信号的有效值。,所以，采用峰值检波器的电压表进行刻度时，应通过一个波峰因数Kp进行变换。,结论：,对于任意波形而言，峰值电压表的读数没有直接意义，由读数到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：,式中，为峰值电压表读数， kp为波峰因数。,要求被测电压的有效值，可按“峰值相等则读数相等”的原则，经过波形换算求得。,当用峰值电压表测量非正弦波电压时，读数没有直接意义，只有把读数值乘以Kp 才等于被测电压Ux的峰值Up 。,解：用峰值电压表测得的数值就是正弦波的有效值,正弦波的峰值=201.414=28.28V=三角波的峰值=方波的峰值,U（三角波）= U峰值 / KP = 28.28 / 1.73 = 16.34VU（方波） = U峰值 / KP = 28.28 / 1 = 28.28V,例：用峰值电压表测量正弦波、方波、三角波时的读数值均为20V，试计算三种波形的有效值、峰值各是多少？,二、平均值检波 1.半波平均值检波,特点：由于仪表可动部分的惯性，指针偏转角将正比于交流电压正半波平均值。,特点：由于交流电压正半波由二极管形成闭路，指针的偏转角将正比于交流电压负半波平均值。,2.全波平均值检波 电路特点：正、负半波的电压所产生的电流，以同一方向流过电流表P，P的指针偏转角正比于交 流电压全波平均值。（全波平均值一般是指一个周期内，取电压瞬时值的绝对值平均所得。）,均值检波器电路,uD2uD4,uD1uD3,u 负半周，VbVa，二极管 D2、D4 导通，D1、D3 截止 。,当用均值电压表测量非正弦波电压时，读数也没有直接意义。,例：用均值电压表测量正弦波、方波、三角波时的读数值均为10V，试计算三种波形的有效值、均值各是多少？,解：用均值电压表测得的数值就是正弦波的有效值,又因为：,正弦波的均值10/1.119V三角波的均值方波的均值,3.具有负反馈的线性放大器,也就是输出电流平均值，与输入电压平均值成线性的正比关系。,4.具有负反馈的线性平均值检波电路 在线性放大器的基础上将R1 换成接有指示仪表的全波均值检波，即组成具有负反馈的线性平均值检波电路。在该电路中通过指示仪表的电流等于输出电流的一半，若将它化为平均值。可得,可见，若开环放大倍数足够大，反馈电阻又比较准确，输出到指示仪表的电流将正比于输入电压。,三、有效值检波 真正的有效值检波，需要采用能直接反映有效值的传感器，例如热电偶等，才能用来测量任意波形的有效值。而利用正弦波有效值与平均值或峰值的关系，按有效值刻度的平均值或峰值电压表，其刻度只能用于正弦波。,返回本章首页,热电偶元件,第四节 模拟式电子电压表的使用,使用电子电压表应注意以下几点: 一、按峰值刻度的开路峰值检波电压表，读数与波形无关。 二、按峰值刻度的闭路峰值检波电压表，读数与波形是否有直流分量有关，读出的是交流分量峰值。 三、按峰-峰值刻度的闭路峰值检波电压表，读数与波形是否有直流分量无关。 四、按有效值刻度的各种类型电压表，只适用于测量正弦波有效值，如果被测电压不是正弦波或含有直流分量，首先要按检波电路型式，从读数求得驱动电压值。然后按照被测电压波形，求得驱动电压值与有效值关系，将驱动电压转换为真正的有效值。（使用有效值传感器的电压表除外，驱动电压指峰值驱动、平均值驱动或有效值驱动）,返回本章首页,VT-186型电子电压表,1.表头：红指针表示CH2黑表笔表示CH1,2.电源开关：按下为打开弹出为关闭,3.机械调零：红的为红指针调零，黑的为黑指针调零,4.量程选择开关：左边为CH1通道的量程，右边为CH2通道的量程。,5.输出接口：左边为CH1通道的输出右边为CH2通道的输出,6、同步异步选择开关：弹出是同步，按下是异步,电子电压表使用方法,1通电前，先调整电表指针的机械零位。2接通电源，按下电源开关，仪器立刻工作。但为了保证性能稳定可预热10分钟后使用，开机后10秒钟内指针无规则摆动数次是正常的。3先将量程开关置于适当量程，再加入测量信号。若测量电压未知，应将量程开关置最大档，然后逐级减小量程。4当输入电压在任何一量程档指示为满度值时，监视输出端的输出电压为0.1V。5若要测量高电压时，输入端黑柄鳄鱼夹必须接在“地”端。,第五节 数字电压表实例,一、CL系列数字式交流电压表基本结构 整个电路是由输入通道、时钟电路、A/D转换、驱动显示四大部分组成,CL系列数字式交流电压表电路图,二、CL系列数字式交流电压表的输入通道,R1、R2、R3、R5、C1组成取样电路，被测电压转换为小电压，送IC1检波并放大。,三端可调分流基准源芯片IC6、IC7 (TL431)使2、3两点产生较稳定的基准电压，若有波动通过IC6、IC7分流，改变R21、R25上的压降，保证输出不变零点稳定。 RP1作为调零。当输入为零时，调节RP1使显示为0。,IC1B组成直流放大器，RP2为调节满度电位器。从输入端加入100V电压，调节RP2使显示100.0,IC1A、VD1、VD2组成具有负反馈的检波电路,三、A/D转换芯片ICL7135 图中包括由运放单元组成的缓冲器、积分器、比较器以及四组模拟开关，在外围（虚线之外）接有基准电容、积分电容、积分电阻和自动调零补偿电容。,A/D转换芯片ICL7135的工作过程 第一阶段：自动调零阶段 上电时内部控制逻辑令所有带AZ下标的开关闭合,其余断开，输入端IN+、IN-亦开断，这时无外部电压输入，若输出端出现不为零的电压，说明电路失调，所出现电压就称为失调电压。利用失调电压对自动调零补偿电容CAZ 充电，测量时利用调零电容上的电压与外部被测电压相抵消，以补偿测量时电路失调造成的误差。,第一阶段基准电压源还通过模拟开关向Cref 充电，充到等于Uref 为止，以供第三阶段使用。,第二阶段：正向积分阶段或称为取样阶段,在取样阶段，由控制器发出的取样命令，让所有带INT下标的开关闭合，其余断开。 被测电压通过缓冲器、积分电阻对积分电容进行充电，经一定时间间隔后断开，这时积分电容上所充的电压为,第三阶段：反向放电阶段,经过T1的充电时间10000T0后，控制器令所有SINT断开，所有的SDE闭合，进入放电阶段，积分电容通过积分电阻向基准电压源放点，放电结束时，积分电容两端电压U02=0可写成：,第三阶段：反向放电阶段,可求得放电时间与被测电压Uxcp成正比，即,在T2时间间隔，比较器将输出时间间隔为T2的脉冲，利用T2控制计数脉冲，即完成A/D转换。,第四阶段：零积分阶段 如果超量程，经过以上三个阶段之后，积分电容上电压可能尚未回零，为保证积分电容的快速回零，控制器令SZ1 将IN-与COM短接，IN+与输出端短接保证积分电路迅速回零。,自动调零,积分电容正向充电,积分电容反向放电,零积分保证积分电路回零,模拟开关,模拟开关是由CMOS电路构成当Uc = 1， = 0时，模拟开关导通，电压信号从Ui 端到Uo ；当Uc = 0 ， = 1时，模拟开关断开，Ui 与Uo 间显高阻状态。,四、时钟电路 ICL7135型转换芯片需要外接时钟信号，图中选用74HC4060（IC5）作为时钟振荡器，振荡器部分通过外接4MHz的晶振，产生4MHz的时钟脉冲，经64分频，从IC5的Q6接到A/D转换芯片ICL7135的引脚CLK。,五、显示电路,