第7章．電壓測(cè)量7.1電壓測(cè)量概述

7.2模擬式直流電壓表

7.3交流電壓的表征和測(cè)量方法√7.4低頻交流電壓測(cè)量√7.5高頻交流電壓測(cè)量√7.6脈沖電壓測(cè)量7.7電壓的數(shù)字式測(cè)量√1.超量程能力7.7.6DVM的其他技術(shù)指標(biāo)

DVM的量程以基本量程(即A/D變換器的電壓范圍)為基礎(chǔ)，通過(guò)步進(jìn)分壓器或前置放大器向高、低兩端擴(kuò)展。基本量程通常為1V或10V，也有2V或5V。

DVM的位數(shù)是指能顯示0～9十個(gè)數(shù)碼的位數(shù)。通常術(shù)語(yǔ)中，3位、4位或5位(三位半、四位半、五位半)中的1/2位指最高位只能取“1”或“0”。1/2位和基本量程結(jié)合起來(lái)，能說(shuō)明DVM有無(wú)超量程能力。

如某3位DVM的基本量程為1V，那么該DVM具有超量程能力，因?yàn)樵?V擋上它的最大顯示為1.999V。

對(duì)于基本量程為2V的DVM，它就不具備超量程能力，因?yàn)樗?V擋上的最大顯示仍是1.999V。

如果DVM有超量程能力，那么當(dāng)被測(cè)電壓超過(guò)該量程滿(mǎn)度值時(shí)，所得結(jié)果沒(méi)有降低精度和分辨力。例如，被測(cè)電壓為13.04V如果所用三位DVM無(wú)超量程能力，則必須使用100V量程擋，顯示13.0V。如果DVM有超量程能力(實(shí)際上為三位半DVM)，則仍可使用10V擋測(cè)量，顯示結(jié)果為13.04V。顯然，后者沒(méi)有降低測(cè)量精度和分辨力。

2.抗干擾能力由于DVM的靈敏度很高，因而對(duì)外部干擾的抑制能力就成為保證它的高精度測(cè)量能力的重要因素。外部干擾可分為串模干擾和共模干擾兩種。1)串模干擾

串模干擾是指干擾電壓usm以串聯(lián)形式與被測(cè)電壓Ux疊加后加到DVM輸入端，見(jiàn)圖7.7-14。圖(a)表示串模干擾來(lái)自被測(cè)信號(hào)源內(nèi)部，圖(b)表示串模干擾是由于測(cè)量引線受外界電磁場(chǎng)感應(yīng)所引起的。圖7.7-14串模干擾示意圖

通常用串模干擾抑制比SMR來(lái)表示DVM對(duì)串模干擾的抑制能力。SMR定義為SMR(dB)=20lg(7.7-18)式中，Usmp表示串模干擾電壓峰值；ΔUsm表示由串模干擾usm所引起的測(cè)量誤差。SMR值愈大，表示DVM抗串模干擾能力愈強(qiáng)。一般DVM的SMR值為20～60dB。PZ8直流DVM對(duì)50Hz交流干擾的串模抑制比SMR≥20dB。DS26直流DVM對(duì)50Hz干擾的串模抑制比SMR≥40dB。

設(shè)串模干擾源為正弦波：usm(t)=Usmpsinωt=Usmpsin(7.7-19)式中，Tsm為正弦型串模干擾的周期。對(duì)于積分型DVM而言，由于積分過(guò)程就是取平均值的過(guò)程，因此對(duì)于正弦型串模干擾的抑制能力很強(qiáng)。積分型DVM的串模干擾抑制比為(7.7-20)T1為積分式A/D的取樣周期。T1值越大，SMR值越高；相反，Tsm值越大，即干擾信號(hào)頻率越低，SMR值越小。

因此串模干擾的危害主要在低頻，實(shí)際測(cè)量中主要是50Hz工頻，其周期Tsm=20ms。若令取樣周期即積分時(shí)間T1為20ms的整數(shù)倍，則SMR值將趨于無(wú)窮大，即串模干擾得到完全抑制。T1一般取60ms或80ms。很難保證T1始終是Tsm的整數(shù)倍，所以為使SMR盡可能高，T1應(yīng)盡量大一些，但這將降低測(cè)量速度。

2)共模干擾

Z1、Z2是DVM兩個(gè)輸入端與機(jī)殼間的絕緣阻抗，一般Z1>>Z2;

R1、R2是測(cè)量引線的電阻。

當(dāng)被測(cè)信號(hào)源地端與DVM機(jī)殼間存在電位差時(shí)，這個(gè)電位差就相當(dāng)于一個(gè)干擾源Ucm。Ucm將串入兩根信號(hào)引線，由于(R1+Z1)不等于(R2+Z2)，

因此Ucm的作用等效于信號(hào)通道中的串聯(lián)干擾源，對(duì)測(cè)量結(jié)果發(fā)生影響，如圖7.7-14中Usm的作用。圖7.7-15共模干擾示意圖

如果(R1+Z1)=(R2+Z2)，則盡管有Ucm存在，等效的Usm也等于零，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。因此將Ucm與Usm的比值定義為DVM的共模抑制比：CMR(dB)=20lg(7.7-21)式中，Ucmp和Usmp分別為共模干擾的峰值和它等效的串模干擾的峰值。

一般Z1>>Z2，故可忽略圖7.7-15中I1的影響，所以有

Usmp≈R2I2≈R2·即CMR(dB)≈20lg(7.7-22)由式(7.7-22)可知，當(dāng)R2一定時(shí)，盡量增大|Z2|，可以增大CMR。通常DVM中將A/D浮置并采取多層屏蔽措施就是為了這一目的。7.7.7電流、電壓、阻抗變換技術(shù)

及數(shù)字多用表7.7.7.1.電流、電壓、阻抗變換技術(shù)AC/DC變換將交流電壓變換（檢波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。I/V變換基于歐姆定律，將被測(cè)電流通過(guò)一個(gè)已知的取樣電阻，測(cè)量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測(cè)電流。為實(shí)現(xiàn)不同量程的電流測(cè)量，可以選擇不同的取樣電阻。如下圖。7.7.7.1電流、電壓、阻抗變換技術(shù)如圖，假如變換后采用的電壓量程為200mV，則通過(guò)量程開(kāi)關(guān)選擇取樣電阻分別為1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω、0.1Ω，便可測(cè)量200μA、2mA、20mA、200mA、2A的滿(mǎn)量程電流。Z/V變換同樣基于歐姆定律。7.7.7.1電流、電壓、阻抗變換技術(shù)對(duì)于純電阻，可用一個(gè)恒流源流過(guò)被測(cè)電阻，測(cè)量被測(cè)電阻兩端的電壓，即可得到被測(cè)電阻阻值。而對(duì)于電感、電容參數(shù)的測(cè)量，則需采用交流參考電壓，并將實(shí)部和虛部分離后分別測(cè)量得到。電阻-電壓（R/V）變換原理圖。a.實(shí)現(xiàn)R/V變換的簡(jiǎn)單原理b.通過(guò)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比例測(cè)量的R/V變換如圖a，直接通過(guò)恒流源Ir流過(guò)被測(cè)電阻Rx，并對(duì)Rx兩端的電壓放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)不同量程電阻的測(cè)量，要求恒流源可調(diào)。圖a對(duì)于大電阻的測(cè)量不利，因?yàn)橐蟮暮懔髟措娏鱅r很小，對(duì)測(cè)量精度影響較大。圖b中，將被測(cè)電阻作為反饋電阻，將恒流源輸出Ir流過(guò)一個(gè)已知的精密電阻，從而得到參考電壓Vr 如圖，放大器輸出,于是如果將Vo作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，并將Vr直接作為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，即可實(shí)現(xiàn)比例測(cè)量。7.7.7.1電流、電壓、阻抗變換技術(shù)7.7.7.2數(shù)字多用表組成框圖數(shù)字多用表（DMM）的主要特點(diǎn)DVM的功能擴(kuò)展。DMM可進(jìn)行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測(cè)量。測(cè)量分辨力和精度有低、中、高三個(gè)檔級(jí)，位數(shù)3位半~8位半。數(shù)字多用表（DMM）的主要特點(diǎn)一般內(nèi)置有微處理器。可實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自檢、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)量程選擇，以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均方根值）等自動(dòng)測(cè)量功能。一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。數(shù)字多用表的使用二端法和四端法測(cè)電阻。如下圖（圖中Rl1、Rl2、Rl3、Rl4為等效導(dǎo)線電阻和接觸電阻）。7.7.7.2數(shù)字多用表

a.二端法 b.四端法圖a中，實(shí)際測(cè)量得到的電阻值為Rx+Rl1+Rl2（即包含了引線電阻和接觸電阻），使測(cè)量值偏大。

只有當(dāng)

(即測(cè)量大電阻時(shí))Rl1和Rl2才可忽略。圖b中，由于(Rin為DMM輸入電阻)，Rl3和Rl4上基本上無(wú)電流流過(guò)（線上無(wú)壓降），所測(cè)電壓為Rx兩端的電壓。7.7.7.2數(shù)字多用表實(shí)際產(chǎn)品

Agilent3458A： 8位半DMM。 主要技術(shù)指標(biāo)：Math/statistics； ◆20kBmemory；Self-adjustingautocalibration； ◆dcVolts；100mVto1000Vranges； ◆10nVsensitivity0.05ppmtransferaccuracy； ◆acVolts；10m