【教学课件】第四章电磁量测量技术.ppt
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1、1,第四章 电磁量测量技术,第一节 电压的测量第二节 电流的测量第三节 阻抗的测量第四节 功率的测量第五节 频率的测量第六节 磁场的测量,2,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,第一节 电压的测量,一、电压测量的重要性,3,第一节 电压的测量,二、直流电压的测量1、直流电压测量系统组成:,输入电路:对输入电压衰减/放大、变换、钳位等。A/D转换器:实现模拟电压到数字量的转换,核心部件。数字显示器:显示
2、模拟电压的数字量结果;逻辑控制电路:在统一时钟作用下,完成内部电路的协调有序工作。,4,2、输入电路,放大电路:OP07,10倍,衰减网络:1KV200mV,输入电路:放大、衰减、量程切换、钳位保护、滤波,RC有源滤波器:(二阶低通滤波器),5,3、模数转换器(AD574):,分辨率:12位(逐次比较);非线性误差:小于1/2LSB或1LSB;转换速率:25us;电压输入范围:10V、20V、5V和10V;电源电压:15V和5V;数据输出格式:12位/8位;,6,显示位数完整显示位:能够显示0-9的数字。非完整显示位(俗称半位):只能显示0和1(在最高位上)。如4位电压表,具有4位完整显示位,
3、其最大显示数字为9999。而 位(4位半)电压表,具有4位完整显示位,1位非完整显示位,其最大显示数字为19999。,4、直流电压表主要性能指标,7,量程基本量程:无衰减或放大时的输入电压范围,由A/D转换器量程范围确定。通过对输入电压(按10倍)放大或衰减,可扩展其他量程。分辨力用每个字对应的电压值来表示,即V/字。不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同,显然,在最小量程上具有最高分辨力。例如,3位半的电压表,在200mV最小量程上,可以测量的最大输入电压为199.9mV,其分辨力为0.1mV/字(即当输入电压变化0.1mV时,显示的末尾数字将变化“1个字”)。,4、直流电压表主要性能指
4、标,8,三、交流电压的测量,1、交流电压的表征方法,峰值:以零电平为参考的最大电压幅值(用Vp表示)。,平均值:数学上定义 相当于交流电压u(t)的直流分量。,有效值:交流电压在一个周期T内,通过某纯电阻负载R所产生的热量,与一个直流电压在同一负载上产生的热量相等时,则该直流电压的数值就表示了交流电压的有效值。,从测量角度定义:,9,交流电压的波形系数KF:,交流电压的波峰系数KP:,为表征同一信号的峰值、有效值及平均值的关系,引入波形系数及波峰系数。,10,波峰系数和波形系数对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t),若=2/T对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t),若=2/T,
5、11,2、交流电压的测量方法,(1)峰值检测电路:由二极管峰值检波电路完成,有二极管串联(a)和并联(b)两种形式。,原理:通过二极管正向快速充电达到输入电压的峰值,而二极管反向截止时“保持”该峰值。,12,要求:式中,Rs和rd分别为等效信号源u(t)的内阻和二极管正向导通电阻,C为充电电容(并联式检波电路中C还起到隔直流的作用),RL为等效负载电阻,Tmin和Tmax为u(t)的最小和最大周期。,二极管峰值检波电路工作原理:,峰值检波电路的输出存在较小的波动,其平均值略小于实际峰值。,特点:检波器的输出电压和交流电压的峰值成正比,灵敏度较低,几十毫伏;测量上限取决于检波二极管的方向击穿电压
6、。工作频率范围取决于检波二极管的高频特性。,13,(2)平均值检测电路,原理:由二极管桥式整流电路完成。形式:全波整流(a)和半波整流(b)。,整流电路输出直流电流I0的平均值与被测输入电压u(t)的平均值成正比;输出信号与u(t)的波形无关;电容C用于滤除整流后的交流成分,避免指针摆动。,14,以全波整流电路为例,I0的平均值为 式中,T为u(t)的周期,rd和rm分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻,可视为常数(它反映了检波器的灵敏度)。于是,I0的平均值 与u(t)的平均值 成正比。,(2)平均值检测原理,特点:频率范围受放大器带宽限制,20Hz-10MHz;灵敏度受放大器噪声限制
7、,可做到毫伏级。,15,(3)有效值检测电路,利用模拟运算的集成电路检波方法:,通过多级运算器级连实现:模拟乘法器(平方)积分开方比例运算。,AD536A:真有效值-直流转换单片集成电路:可将任复杂波形的真有效值转换成直流输出;最大误差0.2;低功耗:1.2mA静态电流;,有效值电压表:不受波形失真影响,但频率范围受转换器限制。,16,(4)电压表的刻度特性和误差分析,当输入u(t)为正弦波时,读数即为u(t)的有效值V(而不是该纯正弦波的峰值Vp)。对于非正弦波的任意波形,读数没有直接意义(既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V)。但可由读数换算出峰值和有效值。,峰值电压表的刻度特性:,电压表
8、刻度特性:各类电压表的示值都是按正弦波有效 值来定度的。,17,换算关系归纳如下:式中,为峰值电压表读数,Kp为波形的波峰因数。波形误差:若将读数直接作为有效值,产生的误差。,18,当输入u(t)为正弦波时,读数即为u(t)的有效值V(而不是该纯正弦波的均值)。对于非正弦波的任意波形,读数没有直接意义(既不等于其均值也不等于其有效值V)。但可由读数换算出均值和有效值。,均值电压表的刻度特性:,(4)电压表的刻度特性和误差分析,19,换算关系归纳如下:式中,为均值电压表读数,KF为波形因数。波形误差:若将读数直接作为有效值,产生的误差,20,有效值电压表的刻度特性:理论上不存在波形误差,因此也称
9、真有效值电压表(读数与波形无关)。,(4)电压表的刻度特性和误差分析,21,5)实例分析,例 用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压,读数为 1.0V,问如何从该读数得到方波电压的有效值?解 根据上述峰值电压表的刻度特性,由读数=1.0V,第一步,假设电压表有一正弦波输入,其有效值=1.0V;第二步,该正弦波的峰值=1.4V;第三步,将方波电压引入电压表输入,其峰值Vp=1.4V;第四步,查表可知,方波的波峰因数Kp=1,则该方波的有效值为:V=Vp/Kp=1.4V。波形误差为:,(可见若不换算,波形误差是很大的),22,5)实例分析,例 用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波
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