摘 要:電子測量與儀器是測控專業(yè)重要的課程,而對應(yīng)的實驗課程則是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際能力的重要環(huán)節(jié)。在分析電壓表測量原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計并實現(xiàn)了不同類型電壓表的實現(xiàn)模塊,給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)測量表格。在實驗教學(xué)中能夠幫助學(xué)生迅速理解和掌握電壓表測量的原理和方法,取得了良好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:電子測量與儀器;峰值;平均值;有效值
引言
電子測量與儀器課程是測控及相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程,主要運用電子科學(xué)的原理、方法和設(shè)備對各種電量及電路元件的特性和參數(shù)進行測量。使學(xué)生掌握電子測量的基本概念,測量誤差理論及數(shù)據(jù)處理方法,掌握基本電參量的測量原理,方案設(shè)計及結(jié)果分析方法[1]。
在各基本電參量中,電壓是描述電信號的重要參數(shù)。電壓表是測量電壓的重要儀器,而正確理解和掌握電壓表測量電壓的原理往往對初學(xué)者來說不是一件容易的事情。
1 電壓參數(shù)的測量原理
電信號可以分為直流信號和交流信號。對于直流信號而言,其電壓是一個恒定不變的值,測量相對比較簡單,沒有必要做太多的討論。而對于交流信號,其電壓大小是可以時刻變化的,可以用電壓的瞬時值來描述電壓的大小和變化。示波器可以測量信號的瞬時值并通過圖形的方式直觀的展現(xiàn)在屏幕上。但是示波器價格昂貴,不方便攜帶,因此在很多場合不適用。
圖1 電壓表測量原理圖
電壓表是測量電壓的重要儀器。其測量原理如圖1所示。首先被測的交流信號先要經(jīng)過檢波電路進行檢波,轉(zhuǎn)換成直流信號,再由直流電壓表對該直流信號的電壓進行測量,將測量值乘以一個系數(shù)之后得到測量結(jié)果在顯示器上顯示。
檢波電路的檢波方式通常有三種,平均值檢波、有效值檢波和峰值檢波,分別對應(yīng)于平均值電壓表、有效值電壓表和峰值電壓表。
設(shè)被測交流電壓的瞬時值為u(t),則:
電壓平均值為: (1)
有效值為:(2)
波形因數(shù)為:(3)
波峰因數(shù)為:(4)
交流信號都可以看成是一系列不同頻率和幅值的正弦波的疊加。因此,正弦波是一種典型的交流信號。由于被測交流電壓大多數(shù)是正弦電壓,而且人們通常只希望測量其有效值,故除非特別說明,交流電壓表都是以正弦波為測量對象,并按有效值定度,即表頭示值是被測電壓為正弦電壓時的有效值[2]。
因此,在測量正弦電壓時,對有效值電壓表,其檢波電路的輸出就是電壓的有效值,可直接當做讀數(shù)進行顯示,如式(5)所示。
U=?琢 (5)
對平均值電壓表,其檢波電路的輸出就是電壓的平均值,而要得到有效值,需要按式(6)進行換算才能得到正確的讀數(shù)。其中KF為正弦波的波形因數(shù)。
對峰值電壓表,其檢波電路的輸出就是電壓的峰值,而要得到有效值,需要按式(7)進行換算才能得到正確的讀數(shù)。其中KP為正弦波的波峰因數(shù)。
Up=Kp·?琢 (7)
而在測量非正弦電壓時,有效值電壓表的讀數(shù)就是波形的有效值,該讀數(shù)是正確的。而對于平均值表,讀數(shù)是按式(6)換算的。但它無法自動識別出輸入波形的波形因數(shù),因而其中的KF仍然是正弦波的波形因數(shù),因此讀數(shù)是錯誤的。由于同樣的原因,峰值表的讀數(shù)也是錯誤的。
所以,通過以上的分析可以得到,在測量非正弦信號時,只有有效值電壓表的讀數(shù)是正確的,可直接使用。而平均值表和峰值表的讀數(shù)是錯誤的,如果要使用,則必須使用對應(yīng)被測信號的波形因數(shù)或波峰因數(shù)進行修正。
2 實驗方案的設(shè)計
為了讓學(xué)生能夠更好地掌握電壓表測量電壓的原理,我們設(shè)計了“電壓表波形相應(yīng)研究”的實驗。目的是幫助學(xué)生分析幾種典型電壓波形對不同檢波特性電壓表的影響,進一步明確用不同檢波特性電壓表測量各種電壓波形所得測量結(jié)果的物理意義,掌握測量結(jié)果的處理方法。
首先,為了體現(xiàn)電壓表的內(nèi)部結(jié)構(gòu),加深學(xué)生對測量原理的理解,利用模塊化設(shè)計的思想[3],我們將檢波電路(有效值檢波、平均值檢波和峰值檢波)單獨設(shè)計到實驗板上,作為三個獨立的模塊,如圖2所示。
a.有效值檢波模塊 b.平均值檢波模塊 c.峰值檢波模塊
圖2 檢波電路模塊圖
給各個模塊供電后,在輸出端就能分別得到輸入信號的有效值、平均值和峰值。這些值可以通過直流電壓表直接測量得到。
設(shè)計表格如表1所示。要求學(xué)生調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器,輸出頻率為2KHz,輸出幅度為1V(用示波器監(jiān)視)。分別輸出正弦波、三角波和方波,用平均值、有效值和峰值檢波模塊測量各輸出波形,記錄讀數(shù)并填入表1中。根據(jù)測量結(jié)果,計算被測電壓的有效值,并進行分析說明。其中,由于三種波形的輸出幅度是相同的,因而峰值檢波的三個讀數(shù)應(yīng)該相同。而表格中的最后三行要求將每個檢波模塊的輸出換算成有效值,則要求學(xué)生能夠?qū)㈦妷罕淼膶崿F(xiàn)過程與圖1中的原理框圖完全對應(yīng)起來,進一步加深對測量原理的理解。
3 結(jié)束語
該實驗和相關(guān)實驗板在我院2012和2013級測控專業(yè)與自動化專業(yè)中進行了使用,取得了較好的實驗效果。主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)將不同檢波方式的電壓表內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過若干主要模塊體現(xiàn)出來,充分體現(xiàn)出電壓表測量電壓的測量原理,有助于學(xué)生的進一步理解。(2)通過實驗完成等幅度測量的數(shù)據(jù)表格,有助于學(xué)生靈活運用所學(xué)知識,從設(shè)計者的角度思考問題,主動運用測量原理來解決問題。
參考文獻
[1]陳尚松,郭慶.電子測量與儀器(第二版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.
[2]林占江.電子測量實驗教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.
[3]黃源.模塊化設(shè)計在電子測量與儀器實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇,2016,1(1).