交流直流电压AC.ppt

第5章 电压测量 一、电压测量的重要性 ◆电压测量是电测量与非电量测量的基础； ◆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 二、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。 二、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。 二、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。 5.1.2 电压测量的方法和分类 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 如：有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。 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。 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 式中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。 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 5.2 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： 1)标准电池（实物基准， 10-7）； 2)齐纳管电压标准 （固态标准， 10-6）； 3)约瑟夫森量子电压基准 （量子化自然基准，10-10）。 电阻标准有： 1)精密线绕电阻（实物标准）； 2)霍尔电阻基准（量子化自然基准，10-9）。 5.2.1 直流电压标准 1. 标准电池 原理：利用化学反应产生稳定可靠的电动势 （1.01860V）。有饱和型和不饱和型两种类型。 饱和型特点：电动势非常稳定（年稳定性可小于0.5μV，相当于5×10-7），但温度系数较大（约－40μV/℃）。用于计量部门恒温条件下的电压标准器。 不饱和型特点：温度系数很小（约－4μV/℃），但稳定性较差。用于一般工作量具，如实验室中常用的便携式电位差计。 2. 齐纳管电压标准 原理 利用齐纳二极管的稳压特性制作的电子式电压标准（也称为固态电压标准）。 齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响，采用高稳定电源和内部恒温控制电路可使其温度系数非常小 。 将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压基准源，如LM199/299/399、REF系列。 3. 约瑟夫森量子电压基准 原理 基于约瑟夫森（Josephson）效应的量子电压基准 约瑟夫森效应 约瑟夫森隧道结：在两块相互隔开（约10埃的绝缘层）的超导体之间，由于量子隧道效应，超导电流（约mA量级）可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦合，这种超导体-绝缘体-超导体（SIS）结构称为约瑟夫森隧道结。 约瑟夫森效应：当在约瑟夫森结两边加上电压V时，将得到穿透绝缘层的超导电流，这是一种交变电流，这种现象称为交流约瑟夫森效应。 3. 约瑟夫森量子电压基准 约瑟夫森效应 即：电压V—〉约瑟夫森结—〉超导电流。 超导交变电流的频率为： 式中：e为电子电荷，h为普朗克常数，因而KJ为一常数。当电压V为