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        電壓波形參數(shù)測(cè)試在電子測(cè)量與儀器實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

        2016-12-31 00:00:00黃源
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年22期

        摘 要:電子測(cè)量與儀器是測(cè)控專業(yè)重要的課程,而對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程則是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的重要環(huán)節(jié)。在分析電壓表測(cè)量原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了不同類型電壓表的實(shí)現(xiàn)模塊,給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)量表格。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能夠幫助學(xué)生迅速理解和掌握電壓表測(cè)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(cè)量與儀器;峰值;平均值;有效值

        引言

        電子測(cè)量與儀器課程是測(cè)控及相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程,主要運(yùn)用電子科學(xué)的原理、方法和設(shè)備對(duì)各種電量及電路元件的特性和參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。使學(xué)生掌握電子測(cè)量的基本概念,測(cè)量誤差理論及數(shù)據(jù)處理方法,掌握基本電參量的測(cè)量原理,方案設(shè)計(jì)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(hào)的重要參數(shù)。電壓表是測(cè)量電壓的重要儀器,而正確理解和掌握電壓表測(cè)量電壓的原理往往對(duì)初學(xué)者來說不是一件容易的事情。

        1 電壓參數(shù)的測(cè)量原理

        電信號(hào)可以分為直流信號(hào)和交流信號(hào)。對(duì)于直流信號(hào)而言,其電壓是一個(gè)恒定不變的值,測(cè)量相對(duì)比較簡(jiǎn)單,沒有必要做太多的討論。而對(duì)于交流信號(hào),其電壓大小是可以時(shí)刻變化的,可以用電壓的瞬時(shí)值來描述電壓的大小和變化。示波器可以測(cè)量信號(hào)的瞬時(shí)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(jià)格昂貴,不方便攜帶,因此在很多場(chǎng)合不適用。

        圖1 電壓表測(cè)量原理圖

        電壓表是測(cè)量電壓的重要儀器。其測(cè)量原理如圖1所示。首先被測(cè)的交流信號(hào)先要經(jīng)過檢波電路進(jìn)行檢波,轉(zhuǎn)換成直流信號(hào),再由直流電壓表對(duì)該直流信號(hào)的電壓進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)量值乘以一個(gè)系數(shù)之后得到測(cè)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(duì)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(cè)交流電壓的瞬時(shí)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(hào)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(hào)。由于被測(cè)交流電壓大多數(shù)是正弦電壓,而且人們通常只希望測(cè)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(cè)量對(duì)象,并按有效值定度,即表頭示值是被測(cè)電壓為正弦電壓時(shí)的有效值[2]。

        因此,在測(cè)量正弦電壓時(shí),對(duì)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(dāng)做讀數(shù)進(jìn)行顯示,如式(5)所示。

        U=?琢 (5)

        對(duì)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(jìn)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(duì)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(jìn)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(cè)量非正弦電壓時(shí),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(duì)于平均值表,讀數(shù)是按式(6)換算的。但它無法自動(dòng)識(shí)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(cuò)誤的。由于同樣的原因,峰值表的讀數(shù)也是錯(cuò)誤的。

        所以,通過以上的分析可以得到,在測(cè)量非正弦信號(hào)時(shí),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(cuò)誤的,如果要使用,則必須使用對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)的波形因數(shù)或波峰因數(shù)進(jìn)行修正。

        2 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

        為了讓學(xué)生能夠更好地掌握電壓表測(cè)量電壓的原理,我們?cè)O(shè)計(jì)了“電壓表波形相應(yīng)研究”的實(shí)驗(yàn)。目的是幫助學(xué)生分析幾種典型電壓波形對(duì)不同檢波特性電壓表的影響,進(jìn)一步明確用不同檢波特性電壓表測(cè)量各種電壓波形所得測(cè)量結(jié)果的物理意義,掌握測(cè)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(duì)測(cè)量原理的理解,利用模塊化設(shè)計(jì)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(dú)設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)板上,作為三個(gè)獨(dú)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(gè)模塊供電后,在輸出端就能分別得到輸入信號(hào)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(cè)量得到。

        設(shè)計(jì)表格如表1所示。要求學(xué)生調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)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(cè)量各輸出波形,記錄讀數(shù)并填入表1中。根據(jù)測(cè)量結(jié)果,計(jì)算被測(cè)電壓的有效值,并進(jìn)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(gè)讀數(shù)應(yīng)該相同。而表格中的最后三行要求將每個(gè)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?shí)現(xiàn)過程與圖1中的原理框圖完全對(duì)應(yīng)起來,進(jìn)一步加深對(duì)測(cè)量原理的理解。

        3 結(jié)束語

        該實(shí)驗(yàn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)板在我院2012和2013級(jí)測(cè)控專業(yè)與自動(dòng)化專業(yè)中進(jìn)行了使用,取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(cè)量電壓的測(cè)量原理,有助于學(xué)生的進(jìn)一步理解。(2)通過實(shí)驗(yàn)完成等幅度測(cè)量的數(shù)據(jù)表格,有助于學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí),從設(shè)計(jì)者的角度思考問題,主動(dòng)運(yùn)用測(cè)量原理來解決問題。

        參考文獻(xiàn)

        [1]陳尚松,郭慶.電子測(cè)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(cè)量實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

        [3]黃源.模塊化設(shè)計(jì)在電子測(cè)量與儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇,2016,1(1).

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