应用模拟电路测量技术的重要性

时间：2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：在各种电参数的测量技术中，电压的测量是最重要的。模拟电路在电子测量技术中有着广泛而重要的应用，本节只介绍几个简单的实例。校准某一量程时，将Sa置于DC位置、Sb置于所要校准的量程档上，在红黑表笔两端加上一个等于该量程值的标准直流电压。图5-35电路正是按“平方→平均→开方”运算进行的。本例表明，图5-36所示的电路测量较大电流时，取样电阻较小，测量误差也较小。

应用模拟电路测量技术的重要性

随着科学技术的发展，测量的内容越来越多，其中电参数的测量占据十分重要的位置。它是以电子技术理论为基础、以电子测量仪器和设备为手段，对电量或非电量进行测量。范围主要包括：

1）电能的测量（如电压、电位、电流、功率等）。

2）电路元件参数的测量（如电阻、电感、电容等）。

3）电信号特性的测量（如波形、频率、时间、相位、调制度、失真度、噪声、逻辑状态等）。

4）电子电路性能的测量（如电压放大倍数、功率增益、灵敏度、频带宽度等）。

5）特性曲线的测量（如电子电路或器件的幅频特性、输入和输出特性曲线等）。

在各种电参数的测量技术中，电压的测量是最重要的。因为许多电参数的测量通过各种电子电路最终可以转化成电压的测量（如电流—电压变换、电阻—电压变换、电容—电压变换、频率—电压变换等）。模拟电路在电子测量技术中有着广泛而重要的应用，本节只介绍几个简单的实例。

例5-12 带有极性显示的交、直流两用电子电压表电路如图5-34所示，设毫安表头满量程为1mA。1）试说明电路中各元器件的作用；2）以测量电压100mV≤U_X≤300mV为例，简要说明该电路测量未知电压U_X的工作原理。若毫安表头指示为0.75mA，则被测电压U_X为多少？

图5-34 交、直流两用电子电压表电路

解 1）电路中各元器件的作用如下所述。

①S_a为测量交、直流电压的选择开关，测量直流电压时，将S_a置于DC位置，测量交流电压时，将S_a置于AC位置。电容C₁为耦合电容，隔直流、通交流。

②R₁～R₁₁（共11个电阻）构成串联分压式衰减器，将电压测量范围分为从10mV至3kV共11个量程。

③集成运放A作为高增益放大器。

④两只反向并联的二极管VD₁和VD₂起保护运放A的作用，防止因输入电压过高对运放造成损坏。

⑤四只二极管LED₁、LED₂、VD₃、VD₄构成桥式整流电路，并且发光二极管LED₁（红）、LED₂（绿）作为极性显示灯。

⑥电容C起滤波作用，滤除整流器输出电流中的交流成分，使毫安表头中只有直流电流I_A通过。

⑦R₁₂为负反馈电阻，使运放A反相端电压U_n=R₁₂I_A。

⑧电位器RP为量程校准电阻。校准某一量程时，将S_a置于DC位置、S_b置于所要校准的量程档上，在红黑表笔两端加上一个等于该量程值的标准直流电压。然后调节RP使毫安表头指示到满量程值。

2）以测量电压100mV≤U_X≤300mV为例，说明该电路测量电压的工作原理（设测量电路已经过校准）。

①测量直流电压时，S_a置于DC位置、S_b置于300mV量程档上，则运放A的同相端电压，反相端电压U_n=R₁₂I_A=10Ω×I_A，利用U_p=U_n，可得U_X=300Ω×I_A，显然I_A=1mA时，U_X=300mV；若I_A=0.75mA，则U_X=225mV。

该电压表可通过红、绿灯（两只发光二极管LED₁、LED₂）显示被测电压的极性。不难理解，若红灯亮、绿灯灭，则表明与红表笔相接的点是被测电压的高电位端，与黑表笔相接的点是被测电压的低电位端；反之，若绿灯亮、红灯灭，则表明与红表笔相接的点是被测电压的低电位端，与黑表笔相接的点是被测电压的高电位端。

②测量交流电压时，S_a置于AC位置，U_X为被测交流电压的有效值，S_b置于适当的量程档上，测量原理同测量直流电压时一样。只不过是测量交流电压时，红、绿灯将交替发光。

应该指出，此例中电压表的表头读数与被测电压的平均值成比例，所以叫作均值型电压表。但实际电压表的表头读数是以正弦波电压的有效值进行刻度的。使用这种均值型电压表测量非正弦电压时，从表头获得的读数并不是被测电压的有效值，而是与被测电压的平均值成比例的一个读数。所以一般不用均值型电压表测量非正弦电压的有效值，而是采用有效值型电压表，见例5-13。

例5-13 运算式有效值电压表电路如图5-35所示。集成运放A₁与外围元件构成低通滤波器，且。试证明：无论被测电压是正弦波还是非正弦波，表头读数总是被测电压的有效值。

图5-35 运算式有效值电压表电路

解 1）设被测电压u_X（t）为任意一种周期为T的波形，按有效值的定义，可得u_X（t）的有效值U_X为

即任意电压u_X（t）的有效值等于将电压瞬时值u_X（t）平方后，再取平均值，最后再开方，即方均根值。图5-35电路正是按“平方→平均→开方”运算进行的。(www.xing528.com)

2）平方器：u_M1=K_M1u²_X

3）低通滤波器取u_M1的直流分量（即平均值），则

4）开方器：u_M2=K_M2U²_o2，，，即U²_o2=u²_X，则，即表头读数U_o总是被测电压u_X的有效值。

例5-14 直流电流-电压变换器电路如图5-36所示。该电路用于测量直流电流I_X，方法是将被测电流变换成相应的电压，并通过电压表读出数据。测量前需进行校准，校准方法是将开关S断开（不接任何量程），将RP电位器选择在最小阻值状态（即图中滑动端处于最左端），在红表笔（+）与黑表笔（-）之间加上100mV标准电压，然后通过调节电位器RP，使电压表指针达到满量程5V。图中有10mA、50mA、100mA、1A四个测量电流量程，试确定电流取样电阻R₁、R₂、R₃、R₄的阻值。

图5-36 直流电流-电压变换器

解 1）根据校准条件，当U_p=100mV时，U_o=5V，则运算放大器的电压增益A_u=U_o/U_p=50。

2）当选择10mA量程时，U_p=R₁I_X，令I_X=10mA，U_p=100mV，则R₁=U_p/I_X=10Ω。

3）当选择50mA量程时，U_p=R₂I_X，令I_X=50mA，U_p=100mV，则R₁=U_p/I_X=2Ω。

4）当选择100mA量程时，U_p=R₃I_X，令I_X=100mA，U_p=100mV，则R₁=U_p/IX=1Ω。

5）当选择1A量程时，U_p=R₄I_X，令I_X=1A，U_p=100mV，则R₁=U_p/I_X=0.1Ω。

本例表明，图5-36所示的电路测量较大电流时，取样电阻较小，测量误差也较小。

例5-15 线性刻度欧姆表电路如图5-37所示。测量前的校准：采用分档校验的方法。例如校验1kΩ档时，首先调整晶体管VT基极电位器RP₁，使发射极电位U_E=1.0V。然后再选用一个阻值为1kΩ的标准精密电阻，接在R_X处，调节串接在mA表上的电位器RP₂，使mA表的指针达到满刻度（1mA）即可。同理可校准其他量程档。1）试证明mA表的读数I_A与被测电阻R_X成正比；2）按mA表头的0.2mA、0.4mA、0.6mA、0.8mA、1.0mA给五个测量电阻量程定标。