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电压的测量方法

在电子测量领域中,电压是基本参数之一。许多电参数,如增益、频率特性、电流、功率调幅度等都可视为电压的派生量。各种电路工作状态,如饱和、截止等,通常都以电压的形式反映出来。不少测量仪器也都用电压来表示。因此,电压的测量是许多电参数测量的基础。电压的测量对调试电子电路可以说是必不可少的。
电子电路中电压测量的特点是:
(1) 频率范围宽;电子电路中电压的频率可以从直流到数百兆赫范围内变化。
(2) 电压范围广;电子电路中,电压范围由微伏级到千伏以上高压,对于不同的电压档级必须采用不同的电压表进行测量。
(3) 存在非正弦量电压;被测信号除了正弦电压外,还有大量的非正弦电压。
(4) 交、直流电压并存;被测的电压中常常是交流与直流并存,甚至还夹杂有噪声干扰等成分。
(5) 要求测量仪器有高输入阻抗;由于电子电路一般是高阻抗电路,为了使仪器对被测电路的影响减至足够小,要求测量仪器有更高的输入电阻。
所以,在电子电路中,应根据被测电压的波形、频率、幅度、等效内阻,针对不同的测量对象采用不同的测量方法。如:测量精度要求不高,可用示波器或普通万用表;如果希望测量精度较高,根据现有条件,选择合适的测量仪器。
一、直流电压的测量
电子电路中的直流电压一般分为两大类,一类为直流电源电压,它具有一定的直流电动势e和等效内阻r0,如图1(a)所示。另一类是直流电路中某元器件两端之间的电压差或各点对地的电位,如图1(b)所示,图中r1,r2,r3,r4可以是任意元器件的直流等效电阻,ur1、ur3为元器件两端电压,ul、u2既是对地电位又是元器件两端电压。
图1两种直流电压
直流电压的测量方法大体上有直接测量法和间接测量法两种。
(1)直接测量法
将电压表直接并联在被测支路的两端,如图1.2.8所示,如果电压表的内阻为无限大,则电压表的示数即是被测两点间的电压值。实际电压表的的内阻不可能为无穷大,因此直接测量法必定会影响被测电路,造成测量误差。测量时还应注意电压表的极性。它影响到测量值与参考极性之的关系,也影响模拟式电压表指针的偏转方向。
(2)间接测量法
如图1(b)所示,若要测量r3两端的电压,可以分别测出r3对地的电位u1和u2,然后利用公式ur3=u1-u2求出要测量的电压值。
下面介绍实际使用的测方法。
1、 数字万用表测量直流电压
数字万用表的基本构成部件是数字直流电压表,因此,数字万用表均有直流电压档。用它测量直流电压可直接显示被测直流电压的数值和极性,有效数值位数较多,精确度高。一般数字万用表直流电压档的输入电阻较高,可达10mω以上,如dt890型数字万用表的直流电压档的输入电阻为10mω,将它并接在被测支路两端对被测电路的影响较小。
用数字万用表测量直流电压时,要选择合适的量程,当超出量程时会有溢出显示,如dt-990c型数字万用表,当测量值超出量程时会显示ol,并在显示屏左侧显示over表示溢出。
数字万用表的直流电压档有一定的分辨力,即它所能显示的被测电压的最小变化值,实际上不同量程档的分辨力不同,一般以最小量程档的分辨力为数字电压表的分辨力,如dt890型数字万用表的直流电压分辨力为100μv,即这个万用表不能显示出比100μv更小的电压变化。
2、 模拟式万用表测量直流电压
模拟式万用表的直流电压档由表头串联分压电阻和并联电阻组成,因而其输入电阻一般不太大,而且各量程档的内阻不同,各量程档内阻rv=量程×直流电压灵敏度sv-,因此同一块表,量程越大内阻越大。在用模拟式万用表测量直流电压时,一定要注意表的内阻对被测电路的影响,否则将可能产生较大的测量误差。例如用mf500-b型万用表测量如图2所示电路的等效电动势e,万用表的直流电压灵敏度sv=20k?/v,选用10v量程档,测量值为7.2v,理论值为9v,相对误差为20%,这就是由所用万用表直流电压档的内阻rv与被测电路等效内阻相比不够大所引起的,是测量方法不当引起的误差。再比如, 用灵敏度为10kω/v的万用表的2.5v直流电压档,去测量图3所示放大器中晶体管的发射结电压ube。如果不直接测量ube,而是分别测得ub=﹣0.88v,ue=﹣0.92v,计算得ube=ub-ue=0.04v。根据这个测量结果,放大器必然处于截止状态,而实际上放大器却工作在放大状态,且ube=﹣0.32v。
图2 测量支流电压
 造成这个错误结论的原因是万用表2.5v 档的内阻为25kω,这个电阻并联在基极与地之间,减小了下偏置电阻,因而测出的ub值比实际值小得多,而测得的ue值由于发射极输出阻抗低,仪器内阻的影响小而接近其实际值。可见,上述误差是由于测试方法不当引起的,应直接测量基极与发射极之间的电压ube。因此模拟式万用表的直流电压档测量电压只适用于被测电路等效内阻很小或信号源内阻很小的情况。
图3 单管放大电路 图4 零示法测量直流电压
3、零示法测量直流电压
为了减小由于模拟式电压表内阻不够大而引起的测量误差,可用如图4所示的零示法。图中es为大小可调的标准直流电源,测量时,先将标准电源es置最小,电压表置较大量程档,按如图4所示的极性接人电路,然后缓慢调节标准电源es的大小,并逐步减小电压表的量程档,直到电压表在最小量程档指示为零,此时e=es,电压表中没有电流流过,电压表的内阻对被测电路无影响。然后断开电路,用电压表测量标准电源es的大小即为被测e的大小。在此由于标准直流电源的内阻很小,一般均小于l?,而电压表的内阻一般在k?级以上,所以用电压表直接测量标准电源的输出电压,电压表内阻引起的误差完全可以忽略不计。
4、用电子电压表测量直流电压
为了提高电压表的内阻,可以将磁电式表头加装输入阻抗高、并且具有一定放大量的电子线路构成电子电压表,一般采用跟随器和放大器等电路提高电压表的输入阻抗和测量灵敏度,这种电子电压表可在电子电路中测量高电阻电路的电压值。
5、示波器测量直流电压
用示波器测量电压时,首先应将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置校准档,否则电压读数不准确。
具体测量步骤如下:
(1)将待测信号送至示波器的垂直输入端。
(2)确定直流电压的极性。将示波器的输入耦合开关置于gnd''档,调节垂直位移旋钮,将荧光屏上的水平亮线(时基线)移至荧光屏的中央位置,即水平坐标轴上。调整垂直灵敏度开关于适当档位,将示波器的输入耦合开关置于dc档,观察水平亮线的偏转方向(灵敏度不合适时,亮线可能消失,此时需要调整灵敏度)。若向上偏转,则被测直流电压为正极性,若向下偏转,则被测直流电压为负极性。
(3)定零电压线。将示波器的输入耦合开关置于gnd':档,调节垂直位移旋钮,将荧光屏上的水平亮线(时基线)向与其极性相反的方向移动,置于荧光屏的最顶端或最底端的坐标线上,即被测电压为正极性,就将时基线移至最底端的坐标线上,反之则将时基线移至最顶端的坐标线上,此时基线所在位置即为零电压所在位置,在此后的测量中不能再移动零电压线。即不能再调节垂直位移旋钮。
图5 示波器测量直流电压
图6 微差法测量直流电压
(4)将示波器的输入耦合开关置于dc档,调整垂直灵敏度开关于适当档位,读出此时荧光屏上水平亮线与零电压线之间的垂直距离y(如图5所示),将y乘以示波器的垂直灵敏度即可得到被测电压ux的大小,即ux=sy×y。
6、微差法测量直流电压
在上面介绍的直流电压测量中都存在一个分辨力问题,数字电压表的分辨力是末位数字代表的电压值,模拟电压表的分辨力为最小刻度间隔所代表的电压值的一半,量程越大分辨力越低,如mf500-b型万用表在2.5v量程档,分辨力为0.025v,10v档的分辨力为0.1v,电压表不可能正确测量出比分辨力小的电压的微小变化量。
为了准确地测量大电压中的微小变化量,可以用如图6所示的微差法来测量。图中es为大小可调的标准电源。测量时,调节es的大小,使电压表在小量程档(分辨力最高)上有一个微小的读数δu,则uo=es+δuo。
当δu<uo时,电压表的测量误差对uo的影响极小,且电压表中流过的电流很小,对被测电压uo不会产生大的影响。
7、含有交流成分的直流电压的测量
由于磁电式电表的表头偏转系统对电流有平均作用,不能反映纯交流量,所以,含有交流成分的直流电压的测量,一种常用的方法就是用模拟式电压表直流档直接测量。
如果叠加在直流电压上的交流成分具有周期性和幅度对称性,可直接用模拟式电压表测量其直流电压的大小。
由交流信号转换而得到的直流,如整流滤波后得到的直流平均值,以及非简谐波的平均直流分量都可用模拟式电压表测量。
一般不能用数字式万用表测量含有交流成分的直流电压,因为数字式直流电压表要求被测直流电压稳定,才能显示数字,否则数字将跳变不停。
二、 交流电压的测量
电子技术实验中,交流电压大致可分为正弦和非正弦交流电压两类,测量方法一般可分为两种,一种是具有一定内阻的交流信号源的测量,如图7(a)所示。另一种是电路中任意一点对地的交流电压的测量,如图7(b)所示电路中的u1、u2,也包括电路中任意两点间的交流电压,如url,ur3。在此注意,用间接测量法求ur=u1-u2电压时,其值由矢量差求出,只有当u1和u2同相位时,才能用代数差
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