熊偉林

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 北京 100018）

盡管電子測量的內(nèi)容十分豐富，但從實(shí)際電子測量方法來看，最主要和最方便的仍是電壓的測量。許多電參數(shù)（例如電流、功率、頻率特性、調(diào)幅度、品質(zhì)因數(shù)等）往往可以通過對電壓的測量而間接獲得。所以，現(xiàn)實(shí)中許多電量或非電量的測量大都是依靠電壓測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，因而電壓測量電路在測量技術(shù)中尤為重要。簡單地說，測量電壓有直流電壓、交流電壓、脈沖電壓之分，而交流電壓又有低頻電壓和高頻電壓之分。本文設(shè)計了針對直流電壓測量的實(shí)用電路，并簡要分析它們的工作原理和特點(diǎn)。

1 設(shè)計電壓測量電路的基本要求

對電壓測量電路設(shè)計的基本要求是具有足夠高的輸入阻抗，測量直流電壓時為輸入電阻Ri。圖1是使用電壓表測量直流電壓時的等效電路，其中RL是被測電壓UX兩端的負(fù)載電阻，US是被測電路的等效電壓源，Ro是被測電路的等效輸出電阻，Ri是電壓表的輸入電阻（通常簡稱為電壓表的內(nèi)阻）。

圖1 測量電壓的等效電路Fig.1 equivalent circuit of measuring voltage

接入電壓表時，因電壓表內(nèi)阻Ri與RL并聯(lián)后的等效電阻值R’L小于被測電路的RL，所以電壓的測量值UX比相應(yīng)的真值UX0偏小，產(chǎn)生測量誤差。不難理解，電壓表的輸入電阻Ri越大，相對測量誤差γ值越小。理論分析表明，要使誤差達(dá)到5%以下，應(yīng)使Ri應(yīng)是RL的20倍以上；要使誤差達(dá)到2%以下，則Ri應(yīng)是RL的50倍以上；而要使誤差達(dá)到1%以下，就要使Ri是RL的100倍以上。這就是實(shí)際電壓測量電路要設(shè)計成具有足夠高的輸入阻抗的原因。

2 采用高增益集成運(yùn)放設(shè)計電壓測量電路

圖2是采用高穩(wěn)定的低溫漂（零漂）高增益集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓測量電路。該電路適用于測量較低的直流電壓（mV和μV量級），避免了放大器出現(xiàn)零點(diǎn)漂移對測量誤差的影響。圖中使用了MAX 420與TL061集成電路，由±15 V雙直流電源供電。

集成運(yùn)放MAX420實(shí)際上是一種斬波放大器（斬波頻率約為 400 Hz），并且用兩個電容器（C1、C2）來保持很小的失調(diào)電壓 （只有 1 μV），溫漂也只有 0.02 μV/°C，輸入阻抗高達(dá)1TΩ（即 1 012 Ω），輸入電流很小 10 pA（即 10-12A），開環(huán)電壓增益為150 dB。圖2電路中MAX420和周圍電阻構(gòu)成同相放大器，其閉環(huán)放大倍數(shù)為1 000（即增益60 dB）。該電路可測量1 mV以下的低電壓，例如測量電壓為1 mV時，第一級運(yùn)放MAX420輸出電壓為1 V。再由第二級運(yùn)放TL061構(gòu)成的有源低通濾波器進(jìn)行濾波放大（倍數(shù)為10），最后輸出10 V直流電壓。整個電路的輸出電壓與被測電壓UX成正比例，所以表頭示值與被測電壓UX成線性關(guān)系，可以均勻刻度定標(biāo)。

圖2 高穩(wěn)定度與高增益電壓測量電路Fig.2 high stability and high-gain voltage measurement circuit

該電路的調(diào)零與校準(zhǔn)方法是：將開關(guān)K1閉合，紅、黑表筆短接，使電路的輸入電壓為零，調(diào)節(jié)電位器RP1使表頭示值為零。校準(zhǔn)時，將1 mV標(biāo)準(zhǔn)電壓加在紅黑表筆兩端，調(diào)節(jié)電位器RP2，使表頭示值達(dá)到滿度值即可，表頭刻度對應(yīng)的電壓值如表1所示。

表1 高穩(wěn)定與高增益電壓測量電路的調(diào)零與校準(zhǔn)Tab.1 Zero and calibration about the high stability and high gain measuring voltage circuit

該電路可用于測量直流電壓為1 mV以下的電子測量儀器或設(shè)備中，也可擴(kuò)展到測量幾十μV至幾十mV的電壓。

圖3是使用集成運(yùn)放CA3130構(gòu)成的另一種電壓測量電路。由于CA3130具有很高的輸入阻抗，可達(dá)TΩ量級（1012Ω），同時又具有很低的輸出阻抗，可有效地減小測量誤差，提高測量準(zhǔn)確度。

該電路由直流15 V單電源、測試用表筆、分壓器及量程選擇開關(guān)K2、RC濾波器[7]、集成運(yùn)放同相比例放大器、100μA表頭等組成。圖中只畫出4個量程的情況，開關(guān)K2打在擋位1為100 mV量程、擋位2為1 V量程、擋位3為10 V量程、擋位4為100 V量程。兩個反向并聯(lián)的二極管2CP11構(gòu)成運(yùn)放輸入保護(hù)電路，起過壓保護(hù)作用，防止輸入電壓意外出現(xiàn)過大而造成運(yùn)放損壞。電路中的R1與電容器C構(gòu)成低通濾波器（可濾除電路中的交流成分）。R2、R3與運(yùn)放CA3130構(gòu)成的同相比例放大器，R2、R3決定了電路的閉環(huán)放大倍數(shù)Au＝1＋（R3/R2）＝101（即 40 dB）。 RP1是運(yùn)放的調(diào)零電位器，調(diào)整它可以消除失調(diào)電壓對小信號產(chǎn)生的誤差。

電路的調(diào)零方法是將開關(guān)K1閉合，紅、黑表筆短接，調(diào)整電位器RP1使表頭示值為零即可。進(jìn)行量程校準(zhǔn)時，將K2打在任意的擋位上，并輸入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。（因?yàn)?，無論選擇哪個量程校準(zhǔn)，輸入滿量程電壓時運(yùn)放的輸入電壓均為100 mV、輸出電壓均為10.1 V。）實(shí)驗(yàn)中先選擇10 V量程進(jìn)行校準(zhǔn)，將K2打在擋位3位置，在紅黑表筆間輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓值10 V（來自高精度的直流穩(wěn)壓電源），然后調(diào)節(jié)電位器RP2使表頭顯示滿度值。此時，運(yùn)放的同相輸入端（3腳）獲得100 mV電壓，輸出端 （6腳）電壓為10 V，100μA表頭內(nèi)阻與電阻R4、電位器RP2合在一起的總阻值為10 V/100μA＝100 kΩ。該電路中分壓電阻R4＝91 kΩ，電位器RP2在20 kΩ以內(nèi)連續(xù)可調(diào)，只要表頭內(nèi)阻不超過10 kΩ即可，實(shí)際上一般表頭的內(nèi)阻都比較小，完全能滿足該電路的要求。同理可校準(zhǔn)其他幾個量程，各量程定標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 由集成運(yùn)放CA3130構(gòu)成的電壓測量電路Fig.3 By IC-CA3130 constitutes a voltage measurement circuit

該測壓電路可用于測量直流電壓為幾十mV至100 V的電子測量儀器或設(shè)備中。需要指出的是，由于在集成運(yùn)放輸入端前面加有電阻分壓器[6]，所以對被測電路來說，測壓電路的輸入電阻為10 MΩ，而不是集成運(yùn)放的輸入電阻。這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中值得注意。

3 采用場效應(yīng)管設(shè)計電壓測量電路

測量幾伏或幾百毫伏電壓時，可直接采用場效應(yīng)管源極跟隨器作阻抗變換，把示值表頭接在源極輸出電路中。由于源極跟隨器的電壓傳輸系數(shù)接近于1，所以測量靈敏度與直接測量相近。場效應(yīng)管測壓電路結(jié)構(gòu)簡單，輸入阻抗高（可達(dá)數(shù)百或千兆歐，即108～109Ω），并且電路噪聲低，克服零點(diǎn)漂移，并減小非線性誤差，具有較好的穩(wěn)定性與可靠性。

表2 集成運(yùn)放CA3130構(gòu)成電壓測量電路的定標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.2 Calibration data of IC CA3130 measuring voltage circuit

圖4 楊效應(yīng)管差分式電壓測量電路Fig.4 FET differential voltage measurement circuit

圖4 電路是由兩只場效應(yīng)管VT1和VT2構(gòu)成的源極耦合差分電路，50μA表頭跨接在 VT1和 VT2的源極 S1、S2之間。輸入電壓為零時（即被測電壓UX=0），電路處于平衡狀態(tài)，兩個源極之間的電壓US12也為零，表頭指示值為零。被測電壓UX不等于零時，場效應(yīng)管VT1的源極電位上升（近似等于UX），而場效應(yīng)管VT2的源極電位不變（等于零），于是兩個源極之間的電壓US12也近似為UX（事實(shí)上，US12與UX成正比例）。因此，表頭示值也正比于被測電壓UX。圖中二極管VD起保護(hù)表頭作用，當(dāng)被測電壓過大超出測量范圍時，VD即導(dǎo)通，可避免表頭產(chǎn)生過大的電流。

該測量電路只畫出了3個擋位，開關(guān)K2打在擋位1時，表頭的滿量程電壓為5 V；打在擋位2時，滿量程為2.5 V；打在擋位3時，滿量程為0.5 V。

該電路使用9 V電池作為直流電源，工作時將開關(guān)K1閉合。調(diào)零與校準(zhǔn)時，先把紅、黑表筆短路，再調(diào)整調(diào)零電位器，使表頭示值為零；然后在紅、黑表筆兩端輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓，調(diào)整校準(zhǔn)電位器，使表頭示值達(dá)到滿刻度值。例如校準(zhǔn)5 V擋時，將K2打在擋位1，再輸入5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓，調(diào)整100 kΩ電位器，使表頭示值達(dá)到滿刻度值即可。同理可校準(zhǔn)其它兩個量程，各量程的實(shí)驗(yàn)定標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 場效應(yīng)管測壓電路的定標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.3 Calibration data of field effect tranisstor measuring voltange circuit

實(shí)驗(yàn)表明，該測壓電路具有很好的線性，經(jīng)過校準(zhǔn)定標(biāo)后的表頭，可以準(zhǔn)確地顯示出被測電壓值，可用于測量直流電壓為幾百mV至5 V的電子測量儀器或設(shè)備中。如要測量更高的電壓 （如5 V以上），可在源極跟隨器前面加上分壓器；如要測量更低的電壓（如0.5 V以下），則需要在源極跟隨器前面加上直流電壓放大器。

4 結(jié)束語

文中所設(shè)計的幾種電壓測量電路，可應(yīng)用于測量直流電壓的電子測量儀器或設(shè)備中。設(shè)計的基本思想是：采用高輸入阻抗的電子電路，以減小測量誤差、比較準(zhǔn)確地測量出電壓值。一般可以采用場效應(yīng)管、或高阻型高穩(wěn)定度的集成運(yùn)算放大器作為核心器件，構(gòu)成輸出電壓與被測電壓成線性關(guān)系的測量電路，有效地提高測量的靈敏度和準(zhǔn)確度。

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