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）.