交流電壓測(cè)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(lái)表征。

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　　周期性交流電壓u（t）在一個(gè)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(shí)分別用U_p+和U_p-表示，如圖1（a）所示。u（t）在一個(gè)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(shí)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。

　　②平均值

　　u（t）的平均值的數(shù)學(xué)定義為

　　　　　　　　　　　　　　　　�。�1）

　　按照這個(gè)定義，可實(shí)質(zhì)上就是被測(cè)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(cè)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(gè)交流電壓u（t）和一個(gè)直流電壓u分別加在同一電阻R上，若它們?cè)谝粋€(gè)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(jiàn)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(guó)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(lái)定度。當(dāng)用以正弦波的有效值定度的交流電壓表測(cè)量電壓時(shí)，如果被測(cè)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(cè)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(cè)量方法

　　測(cè)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(cè)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。

　�、贆z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(cè)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(dòng)電流表偏轉(zhuǎn)。這種類型的特點(diǎn)是“先檢波后放大”，故測(cè)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(jí)。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(cè)電壓較低時(shí)，直接檢波會(huì)顯著增大誤差。為提高交流電壓表的測(cè)量靈敏度，先用寬帶放大器放大被測(cè)電壓，然后再檢波。放大－檢波式電壓表的方框圖見(jiàn)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(jí)，典型的頻率范圍為20Hz～10MHz，故又稱“視頻毫伏表”。

　�、弁獠钍诫妷罕�

　　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(shí)，兩種測(cè)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(cè)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(cè)量）和高頻放大器（用于寬頻帶低增益放大）。被測(cè)信號(hào)通過(guò)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(hào)（可改變f_L以跟蹤信號(hào)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(shí)，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(cè)量靈敏度提高到μV級(jí)。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(cè)量

　　通常把測(cè)量低頻（1MHz以下）信號(hào)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(cè)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(shuō)，一個(gè)有效值為U的正弦電壓加到平均值電壓表上時(shí)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(cè)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(cè)電壓為非正弦電壓的情況。當(dāng)用平均值電壓表測(cè)量非正弦電壓時(shí)，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(cè)電壓的平均值有關(guān)，與其波形無(wú)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(cè)非正弦電壓的平均值，將此平均值乘以被測(cè)電壓的波形系數(shù)K_F，即可求得被測(cè)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(cè)電壓不是正弦波時(shí)，直接將電壓表指示值作為被測(cè)電壓的有效值，必將帶來(lái)較大的誤差，通常稱作“小型誤差”。由上式可得，波形誤差計(jì)算公式為

�。�5）

　　（4）高頻交流電壓的測(cè)量

　　高頻交流電壓的測(cè)量不采用放大-檢波式（以避免高頻測(cè)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(lái)測(cè)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(cè)點(diǎn)，把被測(cè)高頻信號(hào)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(hào)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(shuō)，一個(gè)有效值為u的正弦電壓加到峰值電壓表上時(shí)，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(cè)正弦電壓的峰值U_P，即