電壓波形參數測試在電子測量與儀器實驗中的應用

摘 要：電子測量與儀器是測控專業重要的課程，而對應的實驗課程則是培養學生理論聯系實際能力的重要環節。在分析電壓表測量原理的基礎上，設計并實現了不同類型電壓表的實現模塊，給出了相應的數據測量表格。在實驗教學中能夠幫助學生迅速理解和掌握電壓表測量的原理和方法，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：電子測量與儀器；峰值；平均值；有效值

引言

電子測量與儀器課程是測控及相關專業的重要專業基礎課程，主要運用電子科學的原理、方法和設備對各種電量及電路元件的特性和參數進行測量。使學生掌握電子測量的基本概念，測量誤差理論及數據處理方法，掌握基本電參量的測量原理，方案設計及結果分析方法[1]。

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

1 電壓參數的測量原理

電信號可以分為直流信號和交流信號。對于直流信號而言，其電壓是一個恒定不變的值，測量相對比較簡單，沒有必要做太多的討論。而對于交流信號，其電壓大小是可以時刻變化的，可以用電壓的瞬時值來描述電壓的大小和變化。示波器可以測量信號的瞬時值并通過圖形的方式直觀的展現在屏幕上。但是示波器價格昂貴，不方便攜帶，因此在很多場合不適用。

圖1 電壓表測量原理圖

電壓表是測量電壓的重要儀器。其測量原理如圖1所示。首先被測的交流信號先要經過檢波電路進行檢波，轉換成直流信號，再由直流電壓表對該直流信號的電壓進行測量，將測量值乘以一個系數之后得到測量結果在顯示器上顯示。

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，分別對應于平均值電壓表、有效值電壓表和峰值電壓表。

設被測交流電壓的瞬時值為u（t），則：

電壓平均值為： （1）

有效值為：（2）

波形因數為：（3）

波峰因數為：（4）

交流信號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。由于被測交流電壓大多數是正弦電壓，而且人們通常只希望測量其有效值，故除非特別說明，交流電壓表都是以正弦波為測量對象，并按有效值定度，即表頭示值是被測電壓為正弦電壓時的有效值[2]。

因此，在測量正弦電壓時，對有效值電壓表，其檢波電路的輸出就是電壓的有效值，可直接當做讀數進行顯示，如式（5）所示。

U=？琢 （5）

對平均值電壓表，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）進行換算才能得到正確的讀數。其中KF為正弦波的波形因數。

對峰值電壓表，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）進行換算才能得到正確的讀數。其中KP為正弦波的波峰因數。

Up=Kp·？琢 （7）

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

所以，通過以上的分析可以得到，在測量非正弦信號時，只有有效值電壓表的讀數是正確的，可直接使用。而平均值表和峰值表的讀數是錯誤的，如果要使用，則必須使用對應被測信號的波形因數或波峰因數進行修正。

2 實驗方案的設計

為了讓學生能夠更好地掌握電壓表測量電壓的原理，我們設計了“電壓表波形相應研究”的實驗。目的是幫助學生分析幾種典型電壓波形對不同檢波特性電壓表的影響，進一步明確用不同檢波特性電壓表測量各種電壓波形所得測量結果的物理意義，掌握測量結果的處理方法。

首先，為了體現電壓表的內部結構，加深學生對測量原理的理解，利用模塊化設計的思想[3]，我們將檢波電路（有效值檢波、平均值檢波和峰值檢波）單獨設計到實驗板上，作為三個獨立的模塊，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

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

設計表格如表1所示。要求學生調節函數信號發生器，輸出頻率為2KHz，輸出幅度為1V（用示波器監視）。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量各輸出波形，記錄讀數并填入表1中。根據測量結果，計算被測電壓的有效值，并進行分析說明。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讀數應該相同。而表格中的最后三行要求將每個檢波模塊的輸出換算成有效值，則要求學生能夠將電壓表的實現過程與圖1中的原理框圖完全對應起來，進一步加深對測量原理的理解。

3 結束語

該實驗和相關實驗板在我院2012和2013級測控專業與自動化專業中進行了使用，取得了較好的實驗效果。主要體現在以下幾個方面：（1）將不同檢波方式的電壓表內部結構通過若干主要模塊體現出來，充分體現出電壓表測量電壓的測量原理，有助于學生的進一步理解。（2）通過實驗完成等幅度測量的數據表格，有助于學生靈活運用所學知識，從設計者的角度思考問題，主動運用測量原理來解決問題。

參考文獻

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

[2]林占江.電子測量實驗教程[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3]黃源.模塊化設計在電子測量與儀器實驗教學改革中的應用[J].教育教學論壇，2016，1（1）.