如何测量交流电压？

交流电压是指电压值随着时间的变化而发生变化的信号。表征交流电压的大小有若干参数,不同的情况下需要测量交流电压的不同参数,不同的参数也需要不同的测量仪表进行测量。

•有效值U

如果一个交流电压和一个直流电压分别加在同一个电阻上,它们产生的热量相等,则交流电压的有效值U等于该直流电压值。

正弦交流信号u(t)的有效值U可以通过计算得到。任意波形的交流信号则需要通过傅里叶分析,将信号分解为不同频率的正弦信号以后,再分别通过以上公式计算合计而成。

•峰值Up、峰峰值Upp

峰值是任意一个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,记为Up,如图4.1.5所示,峰值是从参考零电平开始计算的,有正峰值Up+和负峰值Up-之分。正峰值与负峰值之间的差值称为峰峰值Upp。

常用的还有振幅Um,它是以直流电压为参考电平计算的。当电压中包含直流成分时,Up与Um是不相同的,只有纯交流电压才有Up=Um。

•平均值

交流信号u(t)的平均值

在数学上的定义为。原则上平均值的时间为任意时间,对周期信号而言,T为信号周期。

据以上定义,若u(t)包含直流成分U-,则=U-;若仅含有交流成分,则=0。这样对纯粹的交流电压来说,由于=0,将无法用平均值来表征它的大小。但是在实际测量中总是将交流电压通过检波器变换成直流电压后再进行测量的,因此平均值通常是指检波后的平均值。根据检波器的不同又可分为全波平均值和半波平均值,一般不加特别说明时,平均值都是指全波平均值,即。

在以上介绍的几种参数中,交流电压的有效值是非常重要的参数,在实际应用中比交流电压的峰值、峰峰值、平均值用得更为普遍。当不特别指明时,交流电压的量值均指有效值,各类交流电压表的示值,除特殊情况外,都是按正弦波的有效值来刻度的。

1.交流毫伏表测量正弦电压有效值

交流毫伏表就是交流电压表,用来测量正弦电压有效值。常见的交流毫伏表有指针式晶体管毫伏表和数字交流毫伏表两大类。指针式晶体管毫伏表采用阻抗变换技术、交流放大器技术和检波器技术,把被测交流正弦信号经过放大和检波后,变为直流信号,使直流电流流过表头从而推动指针偏转,指示被测正弦信号的有效值。数字交流毫伏表采用微处理器控制和液晶显示技术,结合了模拟电路技术和数字电路技术,将被测交流信号的电压有效值转化成数字量,测量结果以数字形式显示。

各类交流毫伏表均为非平衡式仪表,仪表的输入电缆线正极为被测量信号输入端,负极与仪表的机壳相连,只能接被测电路的参考地。因此毫伏表只能测量电路中各点对地的正弦交流电压有效值,不能直接测量任意两点间的电压有效值。

交流毫伏表测量频率范围广,一般从几Hz到几MHz,高频毫伏表可达几GHz;量程范围大,可以测量从μV量级到几百V的正弦电压有效值;输入阻抗高,一般为几十MΩ以上,所以测量精度较高。

使用交流毫伏表测量正弦交流信号有效值的方法如下:

(1)选择适当的量程(有的数字交流毫伏表有自动切换量程功能),然后输入电缆线的正负两端(红黑两夹子)对接,观察测量结果是否为零,为零则表示交流毫伏表工作正常,否则要查找原因,排除故障。

(2)将交流毫伏表输入电缆线的负端(黑夹子)与被测电路的参考地相连,正端(红夹子)与被测信号相连。

(3)指针式毫伏表在测量时,应变换量程使指针偏转超过满刻度的2/3以上,但也要避免指针过偏打表。

(4)读出测量结果。指针式仪表读数时视线应和刻度线垂直,有镜面的刻度盘应使指针和镜面中的影子重合,以便尽量减小读数误差。数字式仪表显示的数值位数较多,有时最后一两位数字不能稳定,可以按照实际情况进行取舍。(www.xing528.com)

2.万用表测量低频交流大信号有效值

万用表测量交流电压的原理是将交流电压通过检波器转换成直流后,推动磁电式微安表头,由表头指针指示出被测交流电压的大小,表盘刻度按正弦有效值规律来表示,所以读数为正弦交流信号有效值。数字万用表是在此基础上通过A/D转换电路,将检波后的直流模拟量转换为数字量,再通过一定的处理,最后以十进制数字的形式显示出测量结果。

万用表测量交流电压的频率范围较小,一般只能测量频率1 k Hz以下的交流信号。数字万用表交流电压挡输入阻抗能达到MΩ的量级,测量误差较小,但一般情况下万用表交流电压挡只用来测量50 Hz工频大信号,因为它的量程范围无法覆盖毫伏级小信号,因此不能用来测量交流小信号有效值。

万用表可以直接测量电路两点之间的交流电压,步骤如下:

(1)万用表选择交流电压测量挡,并根据对测量值的估计,选择适当的量程。不同类型的万用表的交流电压挡以及量程有的用“ACV”表示,有的用符号V~表示。有些数字万用表具有自动切换量程的功能。

(2)将红、黑两支表笔与万用表正确相连,然后将红、黑两只表笔连接到被测交流电压的两端,不需要考虑表笔极性。

(3)如果需要转换量程,应在断开被测信号的情况下进行。用指针式万用表测量时,当指针偏转角度达到或超过满刻度的1/3时,尽量选择大量程,因为量程越大,内阻越大,对被测电路的影响越小,测量误差越小。

(4)读出测量结果,指针式仪表读数时视线应和刻度线垂直,有镜面的刻度盘应使指针和镜面中的影子重合,以便尽量减小读数误差。数字式仪表显示的数值位数较多,有时最后一两位数字不能稳定,可以按照实际情况进行取舍。

3.示波器测量交流电压的幅度及有效值

示波器可以方便地测出振荡电路、信号发生器或其他电子设备输出的各种交流电压波形,如正弦波、三角波、矩形波和方波等。现在高性能的数字示波器还能同时测量交流信号的各种参数,如有效值、周期、频率等,能够进行频谱分析和各种函数运算,用示波器测量交流电压是最基础的一种电子测量。

示波器的类型繁多,不同类型的示波器在操作时有细节上的不同,但测量方法原则上是一致的,一般说来都有如下要点:

(1)将待测信号与示波器输入探头正确连接,注意探头小黑夹子与信号参考地连接,探针接信号。

(2)输入耦合方式一般选“DC”,只有在观察含有很大直流分量的交流小信号时,可以选用“AC”方式将直流滤掉,以利于观察交流成分的细节。

(3)正确进行示波器的设置,如触发源、触发类型、水平控制信号耦合方式等。

(4)调整垂直位置和垂直灵敏度,使信号波形在屏幕范围内显示最大尺寸,但不超出屏幕。

(5)调节触发同步系统的触发电平等,使被测波形在屏幕上稳定显示。

(6)调整水平位置和水平灵敏度,使信号波形在屏幕水平范围内显示2～3个周期。

(7)如果是人工读数,则根据波形上各点相对于零电平位置在垂直方向的偏移,结合电压灵敏度,利用公式U=Sy·y得到各点的电压。数字存储示波器还可以利用标尺,将一对水平标尺调到合适的位置,示波器将自动给出两根标尺之间的电压之差。

(8)使用数字存储示波器,可以通过测量所显示波形的均方根和周期均方根,得到被测信号的有效值。注意周期均方根是触发点后的第一个周期波形的均方根电压值,如果屏幕上触发点后波形不足一个周期,这个值会为零。而均方根测量的是示波器整个记录空间中波形的电压均方根值,如果显示的波形刚好是周期的整数倍,则均方根测量值与周期均方根的测量值一致,可以认为是信号的电压有效值。

与各种电压表测交流电压的方法比起来,示波器法测量交流电压具有速度快、直观性强的特点,并且测量范围广,能测量各种波形的电压。电压表一般只能测量失真很小的正弦电压,而示波器不但能测量失真很大的正弦电压,还能测量脉冲电压、调幅电压,同时测量直流电压和交流电压等,甚至能够测量单次出现的信号电压。虽然传统的模拟示波器存在测量误差较大的问题,但现代高性能数字示波器已经能够使测量误差降低至1%以下。