矢量电压测量技术简介

1.标量与矢量

（1）基本概念

矢量（Vector）又称向量，最广义指线性空间中的元素。它的名称起源于物理学既有大小又有方向的物理量，通常绘成箭头形式，因此得名。如位移、速度、加速度、力、力矩、动量、冲量等，都是矢量。一般来说，在物理学中称作矢量，在数学中称作向量。

标量（Scalar）亦称“无向量”。有些物理量只具有数值大小，而没有方向，部分有正负之分。如质量、密度、温度、功、能量、体积、时间、电阻、功率、势能等物理量。

（2）相量及其表示法

在电子工程学中，用以表示正弦量大小和相位的矢量叫做相量，也叫向量。当频率一定时，相量唯一地表征了正弦量。

分析正弦稳态的有效方法是相量法。相量法的基础是用一个称为相量的向量或复数来表示正弦电压和电流。如图12-4所示，一个电压相量由正弦电压的振幅U_m和初相φ构成，复数的模表示电压的振幅（或幅度），其辐角表示电压的初相。

事实上，正弦稳态电路的电压、电流、功率、阻抗等均可用复数即相量来表示。

图12-4 电压相量

（3）矢量电压与标量电压

本书所提及的“矢量”与电工学中的“相量”具有相同的意义，并借用相量的“相位”来表征矢量的方向，同时具有大小和相位信息的物理量即为矢量。

进一步地，“矢量电压”就是指在一定频率下，同时包含幅度信息和相位信息的电压。“标量电压”则是指在一定频率下只有幅度信息的电压。

2.矢量电压表

矢量电压表是一种能够同时测量电压信号幅度和相位（矢量电压）的测量仪器，本质上属于矢量网络分析仪。利用它不仅可以测量输入、输出信号在有效频率范围内的幅度值，即幅频特性，还能测得在不同频率点上输入信号与输出信号之间的相位差，即相频特性。(www.xing528.com)

图12-5所示为一种宽频带双通道矢量电压表的组成框图，它可被看作是一台标量电压检测计和一台相位计的组合。基本工作过程如下：高频信号u₁、u₂分别加到两个采样头1、2上，通过高频-中频转换变成固定的中频信号，同时保持了高频输入信号原有的波形、幅度及两路信号之间的相位关系。采样后的中频信号经带通滤波器送至电压表进行电压幅度的测量，同时送至整形电路中被整形为方波，然后进入双稳态触发型相位计中进行相位测量。将固定中频信号单独输出，还可用于信号的调幅度及波形失真等参数的测量。

图12-5 矢量电压表的构成

（1）电压幅度检测

对电压信号进行幅度检测（标量电压检测）的最常见方法是峰值检波。峰值检波是一种能够使输出信号的幅度一直保持在输入信号幅度峰值的检波方式，如图12-6所示，在输入信号U_i上升时，检波电路中的电容充电，待U_i峰值到来时，输出端U_o跟随到达当前的峰值；当U_i下降时，U_o保持该峰值不变，直至下一个峰值的上升过程到来。

图12-6 峰值检波示意图

图12-7 典型的峰值检波电路

传统的峰值检波为二极管检波方式，主要由二极管电路和电压跟随器组成。图12-7所示为一个典型的峰值检波电路，从功能上可分为4部分：电压存储器（电容C_N，用于存储和保持最近的峰值）、单向电流开关（二极管VD₂，用来进一步对电容充电）、电压跟随器（运算放大器A₁，使电容电压跟踪输入电压U_i）、清零开关（对输出周期性清零）。图中，后级运算放大器A₂的作用是对电容电压进行缓冲，以避免通过电阻R及任何负载所引入的放电。另外，VD₁和R可防止A₁在检测到峰值后出现饱和，因而确保当新峰值出现在U_i时，可迅速跟随到输出U_o。

（2）相位检测

图12-5所示的矢量电压表采用脉冲触发的方式进行相位检测，可测的相位差范围为-180°～180°。

u₁、u₂信号在进入相位计之前分别经过60°和-120°移相，原因有两方面：如果两路信号本来无相位差（或相差为零），移相180°之后，相位计的双稳态触发器Q端晶体管导通和截止的时间相等，将产生对称方波。此时相位显示恰好指示为中心。当Δφ变化时，显示的相位差数值可以向正、负两个方向变化，表明了Δφ的符号。另一方面，60°相移用于在相位测量之前进行仪器内部调零，以此抵消固有相位差。调零的具体步骤为：先将u₁或u₂信号同时加到两个通道上，此时Δφ应是0。如果显示的相位值不是零，则调节60°移相器直至显示值为零。