3.2 电子电压表及其使用方法

【课前思考】 按检波方式不同，电子电压表可分为几种？它们之间的关系如何？各自的特点和应用场合是什么？

电子电压表电路简单，造价低廉，目前在电压测量中仍占有重要的地位，它一般用磁电式电流表作指示器（也称为表头），在电流表盘上以电压（或dB）标度，用指针指示电压值。

小知识——电子电压表的表头

模拟（指针）式电子电压表通常由磁电式高灵敏度直流电流表作指示。直流电流表俗称为表头，动圈式电流表头结构图如图3-3所示。其工作原理是利用载流导体与磁场之间的作用来产生转动力矩，使导体框架转动而带动指针偏转，其偏转角度α正比于通过线圈的被测电流。

3.2.1 直流电压的测量

直流电压是幅度不随时间变化而改变的电压信号。对直流电压的幅度的测定即为直流电压测量。能进行直流电压测量的仪表称为直流电压表。

直流电压测量是将直流电压直接跨接在被测电压的两端，由直流电压表读出被测电压的值。因此，电压测量是一种最简便的电参数测量。

从原理上说，直流电压测量是在直流电流测量的基础上加以扩展而来的。磁电式电流表指针偏转角度α与被测电流I成正比，当它具有一定内阻时，偏转角度与其两端的电压也成正比，它可以用来测量直流电压。但因为表头的内阻不大，允许通过的电流又小，所以测量电压的范围很小，一般为毫伏级。为了测量较大的电压，通常与表头串联分压电阻，当选择适当的分压电阻，对应标出相应电压刻度时，即组成了直流电压表，如图3-4所示。改变分压电阻可以改变电压表的量程，从而实现量程的扩展。

【思考】 图3-4中的1、2、3档哪个电压量程最大？

3.2.2 电子电压表的三种电路结构

直流电压表是构成交流电压表的基础。而交流电压表在测量交流电压时，应首先将交流变成直流，再按照测量直流电压的方法进行测量，其核心为交/直流转换器（AC/DC），AC/DC大多由检波器构成。按检波器位置的不同，模拟式交流电压表有放大-检波式、检波-放大式和外差式。3种电路结构。

1．放大-检波式

放大-检波式这种电压表先放大再检波，如图3-5所示。其主要特点是：灵敏度较低，测量的最小幅值为几百微伏或几毫伏；输入阻抗高，通频带窄，一般为2Hz～10MHz。因此，低频毫伏表常采用此结构。

2．检波-放大式

如图3-6所示，检波-放大式这种电压表先检波再放大，其中检波器决定了电压表的频率范围、输入阻抗和分辨力。其特点是：通频带很宽，灵敏度较高。为了提高检波-放大式电压表的灵敏度，目前普遍采用了斩波式直流放大器。它是利用斩波器把直流电压变换成交流电压，并用交流放大器放大，最后再把放大的交流电压恢复成直流电压，即完成直-交-直的变换。用这种放大器做成的检波-放大式电压表，其灵敏度可高达几十微伏，如果采用超高频检波二极管时，可使这种电压表的频率范围从几十赫兹至数百兆赫兹，甚至可达1GHz，故超高频毫伏表常采用此结构。

3．外差式

外差式电压表又称为选频电压表或测量接收机，如图3-7所示，其组成为外差式接收机+宽频电平表。利用混频器将输入信号变为固定中频信号后进行交流放大，可以较好地解决交流放大器增益与带宽的矛盾。特点是：通频带宽、灵敏度高。由于其灵敏度可以提高到微伏级，故高频微伏表常采用此结构。

现将3种不同结构形式电压表的性能进行比较，如表3-2所示。

此外，还有热偶式电压表。热偶式电压表是利用被测电压加在电热丝上对热偶元件加热而产生热电势，再根据热电势与加热温度的函数关系来测出被测电压。其优点是测量结果与被测信号波形无关，是一种真正的有效值电压表，可以测量直流至上百兆赫兹的交流信号；其缺点是灵敏度低、输入电阻低、受环境温度影响大、个别电压表的刻度非线性。

3.2.3 按检波原理划分的三种电压表

电子电压表在对交流电压的进行测量时，首先要经过AC/DC变换器（即检波器）将交流电压变换为直流电流，然后才能驱动直流电流表的偏转；再根据被测交流电压与直流电流的关系，在表盘上直接以电压进行定（刻）度。检波器按其响应特性分为均值、峰值和有效值检波器3种，相应则构成了均值电压表、峰值电压表和有效值电压表，实际应用比较普遍的是均值表。

1．均值电压表

（1）基本原理

均值响应是指驱动表头偏转的直流电流，即检波后的电流响应待测电压的均值。一般电路的构成为：u（t）→放大→均值检波→驱动表头。均值电压表中的均值检波器采用二极管全波或桥式整流电路，如图3-8所示。图3-8a为桥式电路，图3-8b中使用了两只电阻，称为半桥式电路。

其工作原理是：整流电路输出的直流电流Io，其平均值与被测电压u（t）的平均值成正比（而与被测电压的波形无关）。

以图3-8a的桥式整流电路为例，设输入电压为u（t），由平均值定义可以得出流经表头的平均电流为

式中，Rd为整流二极管的正向电阻；rm为微安表的内阻。

由上式可知，均值电压表的表头偏转正比于被测电压的平均值，即表头偏转U。为了使指针稳定，在表头两端跨接滤波电容C，以滤去检波器输出电流中的交流成分。

一般所谓的“宽频毫伏表”大都属于这种类型，主要型号有DA16、DA12、GB-9、GB-10型，其频率范围主要受放大器宽带的限制，典型的频带范围为20Hz～10MHz；灵敏度受放大器内部噪声的限制，一般可做到毫伏级，故又称为“视频毫伏表”。例如，DA16型毫伏表的频率范围为20Hz～2MHz，测量范围为100μV～300V，最小量程为1mV，误差为±3%，输入电阻为1.5MΩ；而DA12型的频率范围为30Hz～10MHz。

（2）刻度特性

均值电压表的表头刻度按（纯）正弦电压有效值定度。当输入u（t）为正弦波时，读数α即为u（t）的有效值U（而不是该正弦波的均值）；当输入为非正弦波的其他波形时，读数α没有直接的物理意义（既不等于其均值，也不是其有效值），但读数α的0.9倍为待测电压的均值，即U=0.9α。

均值表的刻度可按如下关系进行换算：

①当测量正弦波电压时，正弦波的有效值U～就等于均值电压表的读数值α，即U～=α。

②当测量非正弦波电压时，电压表的读数值无明确的物理意义，只说明非正弦波电压平均值与对应定度的正弦波电压平均值相等，也即“平均值相等原则”。有如下关系：

③对具有正弦有效值刻度的均值电压表来说，其读数为

式中，Kα=1.11为均值电压表的定度系数，反映的是电压表实际响应值U与读数值α之间的关系；为正弦波平均值；U、U、UP、KF、KP分别为非正弦波的平均值、有效值、峰值、波形因数和波峰因数。常见波形的波形因数、波峰因数的大小可以查阅表3-1。

【例3-1】 用均值电压表测量正弦波、三角波电压。已知电压表的读数α均为10V，试分别计算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？

解：①测量正弦波时：

②测量三角波时：

计算结果表明，测量三角波（非正弦波）时，均值表的读数10V与其各个电压值都不符合。

（3）波形误差分析

波形误差是指用均值表测量非正弦波电压时，将读数值当成被测电压的有效值而产生的误差。

波形误差引起的绝对误差为

ΔU=α-0.9KFα=（1-0.9KF）α

波形误差引起的相对误差为

γα=ΔU/α=（1-0.9KF）×100%

例如，当被测电压为三角波时

γα=ΔU/α=1-0.9KFΔ=（1-0.9×1.15）×100%=-3.5%

即产生了-3.5%的相对误差。结合例3-1可知，实际有效值为10.35V，但均值表的读数α为10V，少指示了0.35V，其误差为负的3.5%。

在使用电压表测量非正弦波电压时，应注意检波器的类型，正确理解读数的含义，并进行换算。用均值表测量交流电压，除了波形误差之外，还有直流微安表头误差、检波二极管的老化或变值等所造成的误差，但主要因素是波形误差。

2．峰值电压表

（1）基本原理

对于任意波形的周期性交流电压，在所观察的时间或一个周期内其电压所能达到的最大值即称为峰值，用UP表示。对于正弦波而言，峰值就等于其振幅值Um。

峰值响应检波是指检波后所得电流响应于待测电压的峰值。一般电路的构成为：u（t）→放大→峰值检波→驱动表头。其检波电路由二极管峰值检波电路完成，一般有二极管串联和并联两种形式。

峰值响应检波器电路如图3-9所示。其中图3-9a为串联型，图3-9b为并联型，其参数选取必须满足：

RC≫TmaxRΣC≪Tmin

式中 Tmax——被测交流电压的最大周期；

Tmin——被测交流电压的最小周期；

RΣ——信号源内阻和二极管正向电阻之和。

这样的电路参数使检波器输出电压平均值近似等于输入电压ux（t）的峰值。在图3-9a中因为电容C充电时间短，放电时间长，从而保持其两端的电压始终接近于输入电压的峰值，即，峰值检波波形如图3-10所示。

在图3-9b所示的并联峰值检波器中，ux（t）正半周通过二极管VD给电容迅速充电，而负半周C两端电压缓慢向R放电，使。

测量高频电压一般不用均值电压表和有效值电压表，原因是它们的检波器件在测量时导通时间较长，因而其输入阻抗较低。为了使不因电压表的接入而对被测电路产生较大影响，在检波前要加入跟随器进行隔离。测量高频电压时，由于放大器的带宽限制，会产生较大的频率误差。为了避免这种情况，常采用检波-放大式电压表来测量高频电压，将被测交流信号首先通过探极进行检波，使其变成直流电压，然后再放大。这种电压表的检波器为峰值检波器，超高频毫伏表多采用此种方案，主要特点是被测信号电压频率范围广，但灵敏度不高。

例如，DA-1、DA-4、HFJ-8、HF-SA和DYC-5型等超高频毫伏表都是峰值电压表。其中，DA-1型频率范围为10kHz～300MHz，测量范围为0.3mV～3V，误差优于±1%（3mV档）。HF-SA型频率范围为5Hz～1GHz，测量范围为1mV～3V，可扩展到300V。

（2）刻度特性

峰值电压表的表头刻度也按（纯）正弦电压有效值定度。当输入u（t）为正弦波时，读数α即为u（t）的有效值U（而不是该正弦波的峰值UP）；对于非正弦波的其他波形时，读数α没有直接的物理意义（既不等于其峰值UP，也不是其有效值U），但读数α的2倍为待测电压的峰值，即。

峰值表的刻度可按如下关系进行换算：

①当测量正弦波电压时，正弦波的有效值U～就等于均值电压表的读数值α，即U～=α。

②当测量非正弦波电压时，电压表的读数值无明确的物理意义，只说明非正弦波电压峰值与对应定度的正弦波电压峰值相等，也即“峰值相等原则”。有如下关系：

③对具有正弦有效值刻度的峰值电压表来说，其读数为

式中，Kα=0.707为峰值电压表的定度系数。

【例3-2】 用峰值电压表测量正弦波、三角波电压，已知电压表的读数α均为10V，试分别计算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？

解：①测量正弦波时：

②测量三角波时：

可见，如果误将读数α当作被测三角波的有效值，将导致较大的波形误差。

【思考】 测量非正弦波时，峰值表的波形误差是多少？

峰值表的一个最大缺点是对被测信号波形的谐波失真所引起的波形误差非常敏感，这种失真的正弦波极难确定其波峰因数KP，此时对读数无法进行换算。

3．有效值电压表

（1）基本原理

有效值电压表中的检波器直接反映出被测电压有效值的变换。有效值电压表中主要采用热电变换和模拟计算电路来实现有效值电压的测量。

热电变换是利用热电偶电路实现电压有效值的变换，这种方法简单，但响应速度慢、环境影响大。由于热电变换式有效值电压表实际制作很困难、造价较高，而且具有热惯性、使用不方便，目前，利用模拟集成运算器组成的电子计算式有效值变换器得到了广泛的应用。

图3-11所示是电子计算式AC/DC变换器的组成框图。第一级为模拟乘法器，第二级为积分器，第三级对积分器的输出电压进行开方，使输出电压大小与被测电压有效值成正比，从而得到最后测量结果，即

（2）刻度特性

由于有效值电压表的表头刻度仍按（纯）正弦电压有效值定度，所以无论是测量正弦波还是非正弦波电压，表头读数均为待测波形的有效值，即α=Ux。因此也称为真有效值电压表。

实际使用中利用有效值电压表测量非正弦波时，有可能产生波形误差。一方面是受电压表线性工作范围的限制，当测量波峰因数较大的非正弦波时，有可能产生削波现象，从而使这部分的波形得不到响应；另一方面是受电压表带宽的限制，使高次谐波受到损失。这两个方面的限制都将使读数偏低。

4．三种检波方式电压表的比较

（1）均值电压表

①均值检波器的输入阻抗低，必须通过阻抗变换来提高电压表的输入阻抗。工作频率范围一般为20Hz～1MHz。

②读数按正弦波有效值刻度，只有测量正弦电压时，读数才正确；若测量非正弦电压，则要进行波形换算。

③对大信号进行检波，读数刻度均匀，波形误差相对不大。

（2）峰值电压表

①输入阻抗高，可达数兆欧姆；工作频率宽，高频可达数百兆赫兹以上；低频小于10kHz。

②读数按正弦有效值刻度读取，只有测量正弦电压时，其有效值才是被测波形电压的真正有效值。测量非正弦电压时，其有效值必须通过波形换算得到。

③读数刻度不均匀，因为它是在小信号时进行检波的，所以波形误差大。

（3）有效值电压表

①读数按正弦电压有效值刻度，测量正弦或非正弦电压的有效值，可直接从表上读数，无须换算。

②输入阻抗高，工作频率在峰值与均值电压表之间。高频可达几十兆赫兹，低频小于50Hz。

为了便于学习，加深印象，进一步将3种不同检波方式的电子电压表的功能与应用等方面进行比较，如表3-3所示。

3.2.4 电子电压表的操作使用实例

电子电压表种类繁多，广泛应用于电子产品设计、生产、检验和维修等工作中。下面以YB2174型超高频毫伏表为例，介绍其功能和使用方法。

1．YB2174型超高频毫伏表的面板配置图

YB2174型超高频毫伏表一种高灵敏度、适应范围很宽的交流电压测试仪器。其特点是：单指针指示，测量范围宽，测量准确度高，刻度线性好。

YB2174型超高频毫伏表的面板配置图如图3-12所示。

2．主要技术指标

1）交流电压测量范围：1mV～10V分八档使用40dB分压器（选购件）可扩展至100V。

2）测量误差：3mV档±5%+3%（读数值）；其余各档±3%+2%（读数值）。

3）频率范围：1kHz～1GHz。

3．使用方法

（1）交流电压的测量

①探头在测试状态调零，各档零点均在300mV档调准，准确度最高；不要求准确测量对，可在本档调零，仍符合本机指标。

②测量时，手持探测器的塑料柄，不要接触金属底座，防止因散热而引起零点漂移。

③在30MHz以内，可用专用软接地线和长探针进行测量。

④由于放大器的回零时间较长，所以在高量程测量后转至测量低量程时，须等待完全回零后再进行测量，这样才能保证测量准确度。

（2）超高频电压测量

①300MHz以内用长探针为佳。

②若被测电压高于30MHz时，为避免因为分布参数和接触不良引起的误差，可通过T形接头进行测量。

③使用时，用不同的探针可得到不同的频率附加误差，使用者可参考“频率附加误差”指标，选用不同的探针。

④探测器内的检波二极管严防跌落，当探测器不用时，要夹在机后面的夹持器上，并应将探头的接地线取下，以防其碰到机壳烧坏仪器。