電壓波形參數(shù)測(cè)試在電子測(cè)量與儀器實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

摘 要：電子測(cè)量與儀器是測(cè)控專業(yè)重要的課程，而對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程則是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的重要環(huán)節(jié)。在分析電壓表測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了不同類型電壓表的實(shí)現(xiàn)模塊，給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)量表格。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能夠幫助學(xué)生迅速理解和掌握電壓表測(cè)量的原理和方法，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電子測(cè)量與儀器；峰值；平均值；有效值

引言

電子測(cè)量與儀器課程是測(cè)控及相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要運(yùn)用電子科學(xué)的原理、方法和設(shè)備對(duì)各種電量及電路元件的特性和參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。使學(xué)生掌握電子測(cè)量的基本概念，測(cè)量誤差理論及數(shù)據(jù)處理方法，掌握基本電參量的測(cè)量原理，方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析方法[1]。

在各基本電參量中，電壓是描述電信號(hào)的重要參數(shù)。電壓表是測(cè)量電壓的重要儀器，而正確理解和掌握電壓表測(cè)量電壓的原理往往對(duì)初學(xué)者來說不是一件容易的事情。

1 電壓參數(shù)的測(cè)量原理

電信號(hào)可以分為直流信號(hào)和交流信號(hào)。對(duì)于直流信號(hào)而言，其電壓是一個(gè)恒定不變的值，測(cè)量相對(duì)比較簡(jiǎn)單，沒有必要做太多的討論。而對(duì)于交流信號(hào)，其電壓大小是可以時(shí)刻變化的，可以用電壓的瞬時(shí)值來描述電壓的大小和變化。示波器可以測(cè)量信號(hào)的瞬時(shí)值并通過圖形的方式直觀的展現(xiàn)在屏幕上。但是示波器價(jià)格昂貴，不方便攜帶，因此在很多場(chǎng)合不適用。

圖1 電壓表測(cè)量原理圖

電壓表是測(cè)量電壓的重要儀器。其測(cè)量原理如圖1所示。首先被測(cè)的交流信號(hào)先要經(jīng)過檢波電路進(jìn)行檢波，轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，再由直流電壓表對(duì)該直流信號(hào)的電壓進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值乘以一個(gè)系數(shù)之后得到測(cè)量結(jié)果在顯示器上顯示。

檢波電路的檢波方式通常有三種，平均值檢波、有效值檢波和峰值檢波，分別對(duì)應(yīng)于平均值電壓表、有效值電壓表和峰值電壓表。

設(shè)被測(cè)交流電壓的瞬時(shí)值為u（t），則：

電壓平均值為： （1）

有效值為：（2）

波形因數(shù)為：（3）

波峰因數(shù)為：（4）

交流信號(hào)都可以看成是一系列不同頻率和幅值的正弦波的疊加。因此，正弦波是一種典型的交流信號(hào)。由于被測(cè)交流電壓大多數(shù)是正弦電壓，而且人們通常只希望測(cè)量其有效值，故除非特別說明，交流電壓表都是以正弦波為測(cè)量對(duì)象，并按有效值定度，即表頭示值是被測(cè)電壓為正弦電壓時(shí)的有效值[2]。

因此，在測(cè)量正弦電壓時(shí)，對(duì)有效值電壓表，其檢波電路的輸出就是電壓的有效值，可直接當(dāng)做讀數(shù)進(jìn)行顯示，如式（5）所示。

U=？琢 （5）

對(duì)平均值電壓表，其檢波電路的輸出就是電壓的平均值，而要得到有效值，需要按式（6）進(jìn)行換算才能得到正確的讀數(shù)。其中KF為正弦波的波形因數(shù)。

對(duì)峰值電壓表，其檢波電路的輸出就是電壓的峰值，而要得到有效值，需要按式（7）進(jìn)行換算才能得到正確的讀數(shù)。其中KP為正弦波的波峰因數(shù)。

Up=Kp·？琢 （7）

而在測(cè)量非正弦電壓時(shí)，有效值電壓表的讀數(shù)就是波形的有效值，該讀數(shù)是正確的。而對(duì)于平均值表，讀數(shù)是按式（6）換算的。但它無法自動(dòng)識(shí)別出輸入波形的波形因數(shù)，因而其中的KF仍然是正弦波的波形因數(shù)，因此讀數(shù)是錯(cuò)誤的。由于同樣的原因，峰值表的讀數(shù)也是錯(cuò)誤的。

所以，通過以上的分析可以得到，在測(cè)量非正弦信號(hào)時(shí)，只有有效值電壓表的讀數(shù)是正確的，可直接使用。而平均值表和峰值表的讀數(shù)是錯(cuò)誤的，如果要使用，則必須使用對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)的波形因數(shù)或波峰因數(shù)進(jìn)行修正。

2 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

為了讓學(xué)生能夠更好地掌握電壓表測(cè)量電壓的原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了“電壓表波形相應(yīng)研究”的實(shí)驗(yàn)。目的是幫助學(xué)生分析幾種典型電壓波形對(duì)不同檢波特性電壓表的影響，進(jìn)一步明確用不同檢波特性電壓表測(cè)量各種電壓波形所得測(cè)量結(jié)果的物理意義，掌握測(cè)量結(jié)果的處理方法。

首先，為了體現(xiàn)電壓表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加深學(xué)生對(duì)測(cè)量原理的理解，利用模塊化設(shè)計(jì)的思想[3]，我們將檢波電路（有效值檢波、平均值檢波和峰值檢波）單獨(dú)設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)板上，作為三個(gè)獨(dú)立的模塊，如圖2所示。

a.有效值檢波模塊 b.平均值檢波模塊 c.峰值檢波模塊

圖2 檢波電路模塊圖

給各個(gè)模塊供電后，在輸出端就能分別得到輸入信號(hào)的有效值、平均值和峰值。這些值可以通過直流電壓表直接測(cè)量得到。

設(shè)計(jì)表格如表1所示。要求學(xué)生調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，輸出頻率為2KHz，輸出幅度為1V（用示波器監(jiān)視）。分別輸出正弦波、三角波和方波，用平均值、有效值和峰值檢波模塊測(cè)量各輸出波形，記錄讀數(shù)并填入表1中。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，計(jì)算被測(cè)電壓的有效值，并進(jìn)行分析說明。其中，由于三種波形的輸出幅度是相同的，因而峰值檢波的三個(gè)讀數(shù)應(yīng)該相同。而表格中的最后三行要求將每個(gè)檢波模塊的輸出換算成有效值，則要求學(xué)生能夠?qū)㈦妷罕淼膶?shí)現(xiàn)過程與圖1中的原理框圖完全對(duì)應(yīng)起來，進(jìn)一步加深對(duì)測(cè)量原理的理解。

3 結(jié)束語

該實(shí)驗(yàn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)板在我院2012和2013級(jí)測(cè)控專業(yè)與自動(dòng)化專業(yè)中進(jìn)行了使用，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）將不同檢波方式的電壓表內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過若干主要模塊體現(xiàn)出來，充分體現(xiàn)出電壓表測(cè)量電壓的測(cè)量原理，有助于學(xué)生的進(jìn)一步理解。（2）通過實(shí)驗(yàn)完成等幅度測(cè)量的數(shù)據(jù)表格，有助于學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，從設(shè)計(jì)者的角度思考問題，主動(dòng)運(yùn)用測(cè)量原理來解決問題。

參考文獻(xiàn)

[1]陳尚松，郭慶.電子測(cè)量與儀器（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]林占江.電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]黃源.模塊化設(shè)計(jì)在電子測(cè)量與儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2016，1（1）.