交流电压的测量
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摘要: 本文主要对交流电压的表征、测量方法，模拟电压表组成方案等进行介绍，在学习的过程中要掌握交流电压的表征，理解波形系数KF，波峰系数KP的定义与作用，熟悉掌握有效值电压表、峰值电压表、平均值电压表原理及其相关 ...
一、交流电压的表征
峰值是交变电压在所观察的时间或一个周期内所能达到的最大值。以零电平为参考的最大电压幅值（用Up表示 ）。如图1所示。
&&&& 注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）。 图1 交流电压的峰值与振幅值曲线
数学上定义为： 相当于交流电压u(t)的直流分量。交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）： ，如图2所示。图2 交流电压的平均值曲线 对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T ， 平均值： 3．有效值 某一交流电压的有效值等于直流电压的数值U，当该交流电压和数值为U的直流电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产生的热量相等。则数学式可表示为&& ，实质上即数学上的均方根定义，因此电压有效值有时也写作Urms。 图3 交流电压的有效值曲线 对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T ， 有效值： 4．波形系数与波峰系数 交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分别用波形因数(或称波形系数)及波峰因数(或称波峰系数)表示。 波形系数KF，定义为该电压的有效值与平均值之比； 波峰系数Kp &，定义为该电压的峰值与有效值之比 对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T， 波形系数： 波峰系数：同理：我们可以得到不同波形交流电压的参数，如表1所示。 （注：这里A=Up，即电压峰值）
表1& 不同波形交流电压的参数 二、交流电压的测量方法 测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同。其中最主要的是利用交流／直流(AC／DC)转换电路将交流电压转换成直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。 根据AC／DC转换器的类型，可分成检波法和热电转换法。根据检波特性的不同，检波法又可分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等。 模拟电压表组成方案 检波器是实现交流电压测量（AC-DC变换）的核心部件，同时，为了测量小信号电压，放大器也是电压表中不可缺少的部件，因此，组成方案有两种类型： 一种是先检波后放大，称为检波-放大式； 一种是先放大后检波，称为放大-检波式。 模拟电压表的两个重要指标：带宽和灵敏度(分辨力)。 检波-放大式和检波-放大式的特点：检波的非线性，限制了检波—放大式电压表的灵敏度，因此虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般仅达到mV级。 而对于放大—检波式电压表，由于受到放大器增益与带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围却较窄，一般在10MHz以下。
1.峰值电压表 图4 峰值电压表的组成原理框图 峰值电压表常用检波—放大式类型，这类电压表灵敏度较低，一般为几十毫伏。测量电压的上限取决于检波二极管的反向击穿电压。工作频率范围取决于检波二极管的高频特性，一般可达几百兆赫兹，检波-放大式电压表常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表” 。如国产DA36型超高频毫伏表，频率范围为10kHz～1000MHz，电压范围(不加分压器)1mV～10V。 为提高灵敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斩波稳零式直流放大器，其灵敏度可达几十微伏。 2.平均值电压表 图5 平均值电压表的组成原理框图 该表又称为放大-检波式电压表，先放大再检波，在平均值电压表中，检波器对被测电压的平均值产生响应，一般的“宽频带毫伏表”基本属于这一类。这种电压表的频率范围主要受到放大器带宽的限制，而灵敏度受放大器内部噪声的限制，一般可以做到毫伏级。因此灵敏度很高。典型的频率范围为20Hz-10MHz，故又称为视频毫伏表，主要用于低频电压测量。 3. 有效值电压表 以上均值表、峰值表测的不是有效值，只是按有效值读数，故实为伪有效值。 而有效值电压表，直接获得有效值，是真有效值表。 有效值电压表实现方案主要有两种：有效值的物理定义----热电偶式；有效值的数学定义----计算式。 表2& 三种电压表主要特性比较 4.外差式电压表 检波二极管的非线性，限制了检波—放大式电压表的灵敏度，因此虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般仅达到mV级。 而对于放大—检波式电压表，由于受到放大器增益与带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围却较窄，一般在10MHz以下。 同时两种方式测量电压时，都会由于干扰和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。外差式电压测量法在相当大的程度上解决了上述矛盾。 图6 外差式电压表的组成原理框图 外差式选频电平表通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现高灵敏度。很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。被测电压的放大主要由后面的中频放大器完成。被测信号经输入电路，与本振信号一起进入混频器转变成频率固定的中频信号，经中频放大器放大后进入检波器转变成直流电压推动表头显示。 由于中频放大器具有良好的频率选择性和固定中频频率，从而解决了放大器 增益带宽的矛盾；又因为中频放大器的极窄的带通滤波特性，因而可以在实现高增益的同时,有效地削弱干扰和噪声(它们都具有很大的带宽)的影响，使测量灵敏度提高到llV级， 因此称为“高频微伏表”。典型的外差式电压表如DW—1型高频微伏表，最小量程15,V， 最大量程15mV(加衰减器可扩展到1.5v)，频率范围从100kHz到300MHz，分8个频段，基本误差为13％。 三、平均值电压的测量 1.平均值检波器的工作原理 图7 常用的平均值检波电路 当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上取得的示值先除以定度系数，折算成正弦波电压（取绝对值）的平均值；再按平均值相等示值也相等的原则，用波形系数换算出被测的非正弦波电压有效值。
原理均值响应，即：u(t) à放大à均值检波à驱动表头
图8 平均值检波刻度曲线图 表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度。因此： 当输入u(t)为正弦波时，读数α即为u(t)的有效值V（而不是该纯正弦波的均值）。 对于非正弦波的任意波形，读数α没有直接意义（既不等于其均值也不等于其有效值V）。但可由读数α换算出均值和有效值。 刻度特性 由读数α换算出均值和有效值的换算步骤如下：
第一步，把读数α想象为有效值等于α的纯正弦波输入时的读数，即
第二步，由& 计算该纯正弦波均值
第三步，假设均值等于的被测波形（任意波）输入 ，即
注：“对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等” 。
第四步，由，再根据该波形的波形因数（查表可得），其有效值
上述过程可统一推导如下：
上式表明，对任意波形，欲从均值电压表读数α得到有效值，需将α乘以因子k。（若式中的任意波为正弦波，则k=1，读数α即为正弦波的有效值）。 综上所述，对于任意波形而言，均值电压表的读数α没有直接意义，由读数α到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下： & 式中，α为均值电压表读数，KF为波形因数。 波形误差：若将读数α直接作为有效值，产生的误差 四、有效值电压的测量
有效值电压表工作原理：
真空或半导体二极管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律关系，如图9所示。图中E0为偏置电压，当信号电压ux较小时，有 图9 平方率的获得 &&
式中k是与二极管特性有关的系数(称为检波系数).由于C的积分(滤波)作用，流过微安表的电流正比于i的平均值，即，从而实现了有效值转换。 另一种有效值转换的方法是利用热电偶来实现的。 图1 电热偶转换原理 图中，直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系： 电流I∝热电动势∝热端与冷端的温差，而热端温度∝u(t)功率∝u(t)的有效值V的平方，故， 。 表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别称为测量热电偶和平衡热电偶，如图11。图11 热电式有效值电压表原理图 上图中，通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。 测量热偶的热电动势Ex∝V2，令Ex=k1V2 ；
平衡热偶的热电动势Ef∝Vo2，及Ef =k2Vo2 ；
假如两对热偶具有相同特性，即k1=k2=k ，==〉
则差分放大器输入电压Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2) ，
若放大器增益足够大，则有Vi=0，==〉Vo=V （即输出电压等于u(t)有效值）
有效值电压表的特点：理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。 计算式方法构成有效值电压表 &，硬件实现------有专用IC，如AD637 图12 计算式构成有效值电压表框图 五、峰值电压的测量
峰值电压表工作原理：属检波―放大式电子电压表，又称为超高频毫伏表。它由峰值检波器（置于机箱外探头中）、分压器、直流放大器和微安表等组成（置于电压表机箱中），如下图所示。
图3-15 峰值电压表原理图 图13 常见峰值表的检波电路 条件：
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模拟电压转换为电阻输出？
09-12-15 &
　功率是指物体在单位时间内所做的功，即功率是描述做功快慢的物理量。　　求功率的公式为功率=功/时间　　求功率的公式也为P=W/t =UI=I方R=U方/R　　P表示功率，单位是“瓦特”，简称“瓦”，符号是“w”。W表示功，单位是“焦耳”，简称“焦”，符号是“J”。t表示时间，单位是“秒”，符号是“s”。因为W=F（f 力）*s（s位移）（功的定义式），所以求功率的公式也可推导出P=F·V（当V表示平均速度时求出的功率为相应过程的平均功率，当V表示瞬时速度时求出的功率为相应状态的瞬时功率）。　　功率越大转速越高，汽车的最高速度也越高，常用最大功率来描述汽车的动力性能。最大功率一般用马力 (PS)或千瓦(kw)来表示，1马力等于0.735千瓦。　　1w=1J/s　　　功率的计算公式：P=W/t 　　功率的各种称谓　　功率就是表示物体做功快慢的物理量，物理学里功率P＝功W/时间t，单位是瓦w，我们在媒体上常常看见的功率单位有kw、ps、hp、bhp、whp mw等，还有意大利以前用的cv，在这里边千瓦kw是国际标准单位，1kw＝1000w，用1秒做完1000焦耳的功，其功率就是1kw。日常生活中，我们常常把功率俗称为马力，单位是匹，就像将扭矩称为扭力一样。　　在汽车上边，最大的做功机器就是引擎，引擎的功率是由扭矩计算出来的，而计算的公式相当简单：功率(w)＝2π×扭矩(Nm)×转速(rpm)/60，简化计算后成为：功率(kw)=扭矩(Nm) ×转速(rpm)/9.549。　　由于英制与公制的不同，对马力的定义基本上就不一样。英制的马力(hp)定义为：一匹马于一分钟内将200磅(lb)重的物体拉动165英尺(ft)，相乘之后等于33，000lb-ft/min；而公制的马力(ps)定义则为一匹马于一分钟内将75kg的物体拉动60米，相乘之后等于4500kgm/min。经过单位换算，(1lb=0.454kg；1ft=0.3048m)竟然发现1hp=4566kgm/min，与公制的1ps=4500kgm/min有些许差异，而如果以瓦作单位(1w=1Nm/sec=9.8kgm/sec)来换算的话，可得1hp=746w；1ps=735w，两项不一样的结果，相差1.5%左右。　　德国的DIN与欧洲共同体的新标准EEC有日本的JIS是以公制的ps为马力单位，而SAE使用的是英制的hp为单位，但由于世界一体化经济的来临和为了避免复杂换算，越来越多的原厂数据已改提供毫无争议的国际标准单位千瓦kw作为引擎输出的功率数值。 　　功率测量技术及其应用（图）　　功率测量用于测量电气设备消耗的功率，广泛应用于家用电器、照明设备、工业用机器等研究开发或生产线等领域中。本文重点介绍了几种功率测量的方法及其具体应用。　　l 功率测量技术　　测量功率有4种方法：　　(1)二极管检测功率法；　　(2)等效热功耗检测法；　　(3)真有效值/直流(TRMS／DC)转换检测功率法；　　(4)对数放大检测功率法。　　下面分别介绍这4种方法并对各自的优缺点加以比较。　　1.1 利用二极管检测功率法　　用二极管检测输入功率的电路如图l所示，图l(a)为简单的半波整流、滤波电路，该电路的总输入电阻为50Ω。D为整流管，C为滤波电容。射频输入功率 PIN经过整流滤波后得到输出电压U0。但是当环境温度升高或降低时U0会显著变化。图1(b)为经过改进后的二极管检测输入功率的电路，该电路增加了温度补偿二极管D2，可对二极管D1的整流电压进行温度补偿。二极管具有负的温度系数，当温度升高时D1的压降会减小，但D2的压降也同样地减小，最终使输出电压仍保持稳定。　　需要指出，二极管检测电路是以平均值为响应的，它并不能直接测量输入功率的有效值，而是根据正弦波有效值与平均值的关系来间接测量有效值功率的。显然，当被测波形不是正弦波时，波峰因数就不等于1．4142，此时会产生较大的测量误差。　　1．2 等效热功耗检测法　　等效热功耗检测法的电路如图2所示。它是把一个未知的交流信号的等效热量和一个直流参考电压的有效热量进行比较。当信号电阻(R1)与参考电阻(R2)的温度差为零时，这两个电阻的功耗是相等的，因此未知信号电压的有效值就等于直流参考电压的有效值。R1、R2为匹配电阻，均采用低温度系数的电阻，二者的电压降分别为KU1和 KU0。为了测量温差，在R1、R2附近还分别接着电压输出式温度传感器A、B，亦可选用两支热电偶来测量温差。在R1和R2上还分别串联着过热保护电阻。　　尽管等效热功耗检测法的原理非常简单，但在实际应用中很难实现，并且这种检测设备的价格非常昂贵。　　1.3 真有效值／直流(TRMS／DC)转换检测功率法　　真有效值／直流转换检测功率法的最大优点是测量结果与被测信号的波形无关，这就是“真正有效值”的含义。因此，它能准确测量任意波形的真有效值功率。测量真有效值功率的第一种方法是采用单片真有效值／直流转换器(例如AD636型)，首先测量出真有效值电压电平，然后转换成其真有效值功率电平。　　另一种测量真有效值功率的电路框图如图3所示，该电路所对应的典型产品为AD8361型单片射频真有效值功率检测系统集成电路。U1 为射频信号输入端， U0为直流电压输出端。US端接2．7～5．5V电源，COM为公共地。IREF为基准工作方式选择端，PWDN为休眠模式控制端。FLTR为滤波器引出端，在该端与US端之间并联一只电容器，可降低滤波器的截止频率。SREF为电源基准控制端。　　从U1端输入的射频有效值电压为U1，经过平片器1产生一个与U12成比例的脉动电流信号i，该电流信号通过由内部电阻R1和电容C构成的平方律检波器获得均方值电压U12，输入到误差放大器的同相输入端。利用平方器2与误差放大器可构成一个闭合的负反馈电路，将负反馈信号加到误差放大器的反相输入端进行温度补偿。当闭环电路达到稳定状态时，输出电压U0(DC)就与输入有效值功率PIN成正比。有关系式　　式中：k为真有效值／直流转换器的输出电压灵敏度，AD8361的k=7．5 mV／dBm。　　这种检测方法有以下优点：第一，由于两个平方器完全相同，因此在改变量程时不影响转换精度；第二，当环境温度发生变化时，两个平方器能互相补偿，使输出电压保持稳定；第三，所用平方器的频带非常宽，可从直流一直到微波频段。　　1．4 对数放大检测功率法　　对数放大检测器是由多级对数放大器构成的，其电路框图如图4所示。图4中共有5个对数放大器(A～E)，每个对数放大器的增益为20dB(即电压放大系数为lO倍)，最大输出电压被限制在为lV。因此，对数放大器的斜率ks=lV／20dB，即50mV／dB。5个对数放大器的输出电压分别经过检波器送至求和器(∑)，再经过低通滤波器获得输出电压U0。对数放大器能对输入交流信号的包络进行对数运算，其输出电压与kS、PIN的关系式为　　式中：b为截距，即对应于输出电压为零时的输入功率电平值。　　普通对数放大器的特性曲线仅适用于正弦波输入信号。当输入信号不是正弦波时，特性曲线上的截距会发生变化，从而影响到输出电压值。此时应对输出读数进行修正。需要指出，尽管ADI公司生产的AD8362型单片射频真有效值功率检测器也属于对数检测功率法，但它通过采用独特的专利技术能适用于任何输入信号波形，并且特性曲线上的截距不随输入信号而变化。　　
请登录后再发表评论!一种电流真有效值测量智能传感器设计--《中国仪器仪表学会第五届青年学术会议论文集》2003年
一种电流真有效值测量智能传感器设计
【摘要】：提出了一种采用智能传感器进行电流真有效值测量的系统设计方案。介绍了智能传感器与霍尔传感器的结构和工作原理。系统不仅可以对电流真有效值进行精确测量,而且具有良好的与外部总线通讯的功能。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TP212【正文快照】：
引言 在电力系统和工业企业的供配电系统中经常需要对各种电压电流的交变电信号进行测量,而其中又以有效值(RMS)最为常用。获取交变电信号有效值的常规方法主要有热电法和运算法,前者的转换速度慢,过载能力差,而后者精度低,频带窄。一旦被测交变电信号带有直流偏移或非正弦谐
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