交流電壓測量電路

　�。�1）交流電壓的表征

　　交流電壓可以用峰值、平均值、有效值、波形系數(shù)以及波峰系數(shù)來表征。

　�、俜逯�

　　周期性交流電壓u（t）在一個周期內(nèi)偏離零電平的Z大值稱為峰值，用U₀表示，正、負(fù)峰值不等時分別用U_p+和U_p-表示，如圖1（a）所示。u（t）在一個周期內(nèi)偏離直流分量U₀的Z大值稱為幅值或振幅，用U_m表示，正、負(fù)幅值不等時分別用U_m+和U_m-表示，如圖1（b）所示，圖中U₀=0，且正、負(fù)幅值相等。

　�、谄骄�

　　u（t）的平均值的數(shù)學(xué)定義為

　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　按照這個定義，可實質(zhì)上就是被測電壓的直流分量U₀，如圖1（a）中虛線所示。

圖1　交流電壓的峰值和幅值

　　在電子測量中，平均值通常指交流電壓檢波（也稱整流）以后的平均值，又可分為半波整流平均值和全波整流平均值。全波整流平均值定義為

　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

　�、塾行е�

　　一個交流電壓u（t）和一個直流電壓u分別加在同一電阻R上，若它們在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，則交流電壓有效值等于該直流電壓U，可表示為

　　即

　　　　　　　　　　　　　　　（3）

　�、懿ㄐ蜗禂�(shù)、波峰系數(shù)

　　交流電壓的波形系數(shù)K_F定義為該電壓的有效值與平均值之比

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�4）

　　交流電壓的波峰系數(shù)K_P定義為該電壓的峰值與有效值之比

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�5）

　　不同電壓波形，其K_F、K_P群值不同，表1列出了幾種常見電壓的有關(guān)參數(shù)。

表1　不同波形交流電壓的參數(shù)

　　雖然交流電壓量值可以用峰值、有效值和平均值表征，但基于功率的概念，國際上一直以有效值作為交流電壓的表征量。例如電壓表，除特殊情況外，幾乎都按正弦波的有效值來定度。當(dāng)用以正弦波的有效值定度的交流電壓表測量電壓時，如果被測電壓是正弦波，那么由表1很容易從電壓表讀數(shù)即有效值得知它的峰值和平均值；如果被測電壓是非正弦波，那就需根據(jù)電壓表讀數(shù)和電壓表所采用的檢波方法，進(jìn)行必要的波形換算，才能得到有關(guān)參數(shù)。

　　（2）交流電壓的測量方法

　　測量交流電壓的方法很多，依據(jù)的原理也不同，其中Z主要的是利用交流／直流（AC／DC）轉(zhuǎn)換電路將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后再接到直流電壓表上進(jìn)行測量。根據(jù)AC／DC轉(zhuǎn)換器的類型，可分為檢波法和熱電轉(zhuǎn)換法。根據(jù)檢波特性的不同，檢波法又可分成平均值檢波、峰值檢波、有效值檢波等。

　　按照AC／DC變換的先后不同，模擬式交流電壓表大致可分成下列三種類型。

　　①檢波-放大式

　　圖2（a）為檢波-放大式電壓表的組成方框圖，它是將被測電壓先檢波變成直流電流，然后再用直流放大器放大，放大后的直流電流去驅(qū)動電流表偏轉(zhuǎn)。這種類型的特點(diǎn)是“先檢波后放大”，故測量電壓的頻率范圍只決定于檢波器的頻響（一般在20 Hz至數(shù)百兆赫），通常所稱“高頻電壓表”或“超高頻電壓表”都屬于這一類型。早期的檢波－放大式電壓表，其靈敏度不高，一般約為0.1 V，主要受直流放大器增益的限制。目前，采用調(diào)制式直流放大器，可把檢波－放大式電壓表的靈敏度提高到mV級。進(jìn)一步提高靈敏度將受到檢波器件的非線性限制。

圖2　交流電壓表類型

　�、诜糯�-檢波式

　　當(dāng)被測電壓較低時，直接檢波會顯著增大誤差。為提高交流電壓表的測量靈敏度，先用寬帶放大器放大被測電壓，然后再檢波。放大－檢波式電壓表的方框圖見圖2-9（b）。這種電壓表的頻率范圍主要受寬帶放大器帶寬的限制，而靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲的限制，一般可做到mV級，典型的頻率范圍為20Hz～10MHz，故又稱“視頻毫伏表”。

　　③外差式電壓表

　　檢波-放大式電壓表的靈敏度受檢波器件非線性的限制。而放大-檢波式電壓表，由于寬帶放大器增益和帶寬的矛盾，也很難把頻率上限提得很高，同時，兩種測量方法的靈敏度都受到儀器內(nèi)部噪聲和外部干擾的限制。

　　圖3所示外差測量方法可以解決上述矛盾。輸入電路包括輸入衰減器（用于大電壓測量）和高頻放大器（用于寬頻帶低增益放大）。被測信號通過輸入電路，在混頻器中與本機(jī)振蕩器（本振）頻率f_L混頻，輸出頻率固定的中頻（f_L-f_x）信號（可改變f_L以跟蹤信號頻率f_x，保持f_L-f_x不變），用中頻放大器選擇并放大，然后檢波，并用表頭指示。

　　由于中頻放大器具有良好的頻率選擇性，而且中頻是固定的，這樣就解決了放大器增益與帶寬的矛盾。同時，由于中頻放大器有很窄的帶通濾波特性，從而可以在高增益條件下，大大削弱內(nèi)部噪聲的影響，使測量靈敏度提高到μV級。因此，這類儀表稱為高頻微伏表。

圖3　外差式電壓表

　　（3）低頻交流電壓的測量

　　通常把測量低頻（1MHz以下）信號電壓的電壓表稱作交流電壓表或交流毫伏表。這類電壓表一般采用放大－檢波式，檢波器多為平均值檢波器或有效值檢波器，分別構(gòu)成均值電壓表或有效值電壓表。

　　平均值電壓表中的檢波器是平均值檢波器，電壓表的讀數(shù)與被測電壓的平均值成正比。但是，平均值電壓表的表頭卻不是按平均值定度的，而是按正弦波的有效值定度的。這就是說，一個有效值為U的正弦電壓加到平均值電壓表上時平均值電壓表的指示值也為U而不是。由式（2）可知，只有將指示值U除以正弦波的波形系數(shù)K_F=1.11才能求得被測正弦電壓的平均值。

　　由于表頭是按正弦波的有效值定度的，因此表頭指示值并不適用于被測電壓為非正弦電壓的情況。當(dāng)用平均值電壓表測量非正弦電壓時，應(yīng)先將讀數(shù)值U_a除以正弦波的波形系數(shù)K_F=1.11，折算成正弦波電壓的平均值。由于平均值電壓表的讀數(shù)只與被測電壓的平均值有關(guān)，與其波形無關(guān)，所以正弦波形與非正弦波形的指示值相等，就意味著兩者的平均值也相等。折算出的正弦電壓的平均值也就是被測非正弦電壓的平均值，將此平均值乘以被測電壓的波形系數(shù)K_F，即可求得被測非正弦電壓的有效值U_xrms。因此，波形換算公式為

　　　　　　　　　　�。�4）

　　顯然，如果被測電壓不是正弦波時，直接將電壓表指示值作為被測電壓的有效值，必將帶來較大的誤差，通常稱作“小型誤差”。由上式可得，波形誤差計算公式為

�。�5）

　　（4）高頻交流電壓的測量

　　高頻交流電壓的測量不采用放大-檢波式（以避免高頻測量受放大器通頻帶的限制）而采用檢波-放大式或外差式電壓表來測量。Z常用的檢波-放大式高頻電壓表都把高頻二極管構(gòu)成的峰值檢波器放置在屏蔽良好的探頭（探極）內(nèi)，用探頭探針直接接觸被測點(diǎn)，把被測高頻信號首先變成直流電壓，這樣可大大減少分布參數(shù)的影響和信號傳輸損失。

　　采用峰值檢波器的電壓表，稱為峰值電壓表。像均值電壓表一樣，峰值電壓表也是按正弦電壓的有效值定度的。這就是說，一個有效值為u的正弦電壓加到峰值電壓表上時，峰值電壓表的指示值也為U而不是U_P。據(jù)式（3）可知，只有將指示值U_a乘以正弦電壓的波峰系數(shù)才能求得被測正弦電壓的峰值U_P，即