如何测量交流电压，图解交流电压的测量方法

交流电压的测量方法

一、交流电压的表征
交流电压可以用峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数来表征。

1. 峰值UP
2. 峰值是交变电压在所观察的时间或一个周期内所能达到的最大值。以零电平为参考的最大电压幅值（用Up表示 ）。如图1所示。

     注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）。

图1 交流电压的峰值与振幅值曲线

1. 平均值

数学上定义为：
相当于交流电压u(t)的直流分量。交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）： ，如图2所示。

图2 交流电压的平均值曲线
对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T ，
平均值：
3．有效值
某一交流电压的有效值等于直流电压的数值U，当该交流电压和数值为U的直流电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产生的热量相等。则数学式可表示为   ，实质上即数学上的均方根定义，因此电压有效值有时也写作Urms。

图3 交流电压的有效值曲线
对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T ，
有效值：
4．波形系数与波峰系数
交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分别用波形因数(或称波形系数)及波峰因数(或称波峰系数)表示。
波形系数KF，定义为该电压的有效值与平均值之比；
波峰系数Kp  ，定义为该电压的峰值与有效值之比
对理想的正弦交流电压u(t)=Upsin(ωt)，若ω=2π/T，
波形系数：
波峰系数：
同理：我们可以得到不同波形交流电压的参数，如表1所示。
（注：这里A=Up，即电压峰值） (来自：电工技术之家)

表1  不同波形交流电压的参数

二、交流电压的测量方法
测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同。其中最主要的是利用交流／直流(AC／DC)转换电路将交流电压转换成直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。
根据AC／DC转换器的类型，可分成检波法和热电转换法。根据检波特性的不同，检波法又可分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等。
模拟电压表组成方案
检波器是实现交流电压测量（AC-DC变换）的核心部件，同时，为了测量小信号电压，放大器也是电压表中不可缺少的部件，因此，组成方案有两种类型：
一种是先检波后放大，称为检波-放大式；
一种是先放大后检波，称为放大-检波式。
模拟电压表的两个重要指标：带宽和灵敏度(分辨力)。
检波-放大式和检波-放大式的特点：检波二极管的非线性，限制了检波—放大式电压表的灵敏度，因此虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般仅达到mV级。
而对于放大—检波式电压表，由于受到放大器增益与带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围却较窄，一般在10MHz以下。

1.峰值电压表

图4 峰值电压表的组成原理框图
峰值电压表常用检波—放大式类型，这类电压表灵敏度较低，一般为几十毫伏。测量电压的上限取决于检波二极管的反向击穿电压。工作频率范围取决于检波二极管的高频特性，一般可达几百兆赫兹，检波-放大式电压表常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表” 。如国产DA36型超高频毫伏表，频率范围为10kHz～1000MHz，电压范围(不加分压器)1mV～10V。
为提高灵敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斩波稳零式直流放大器，其灵敏度可达几十微伏。
2.平均值电压表

图5 平均值电压表的组成原理框图
该表又称为放大-检波式电压表，先放大再检波，在平均值电压表中，检波器对被测电压的平均值产生响应，一般的“宽频带毫伏表”基本属于这一类。这种电压表的频率范围主要受到放大器带宽的限制，而灵敏度受放大器内部噪声的限制，一般可以做到毫伏级。因此灵敏度很高。典型的频率范围为20Hz-10MHz，故又称为视频毫伏表，主要用于低频电压测量。
3. 有效值电压表
以上均值表、峰值表测的不是有效值，只是按有效值读数，故实为伪有效值。
而有效值电压表，直接获得有效值，是真有效值表。
有效值电压表实现方案主要有两种：有效值的物理定义----热电偶式；有效值的数学定义----计算式。
表2  三种电子电压表主要特性比较

4.外差式电压表
检波二极管的非线性，限制了检波—放大式电压表的灵敏度，因此虽然其频率范围较宽，但测量灵敏度一般仅达到mV级。
而对于放大—检波式电压表，由于受到放大器增益与带宽矛盾的限制，虽然灵敏度可以提高，但频率范围却较窄，一般在10MHz以下。
同时两种方式测量电压时，都会由于干扰和噪声的影响而妨碍了灵敏度的提高。外差式电压测量法在相当大的程度上解决了上述矛盾。

图6 外差式电压表的组成原理框图
外差式选频电平表通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现高灵敏度。很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。被测电压的放大主要由后面的中频放大器完成。被测信号经输入电路，与本振信号一起进入混频器转变成频率固定的中频信号，经中频放大器放大后进入检波器转变成直流电压推动表头显示。
由于中频放大器具有良好的频率选择性和固定中频频率，从而解决了放大器 增益带宽的矛盾；又因为中频放大器的极窄的带通滤波特性，因而可以在实现高增益的同时,有效地削弱干扰和噪声(它们都具有很大的带宽)的影响，使测量灵敏度提高到llV级， 因此称为“高频微伏表”。典型的外差式电压表如DW—1型高频微伏表，最小量程15,V， 最大量程15mV(加衰减器可扩展到1.5v)，频率范围从100kHz到300MHz，分8个频段，基本误差为13％。
三、平均值电压的测量
1.平均值检波器的工作原理

图7 常用的平均值检波电路
当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上取得的示值先除以定度系数，折算成正弦波电压（取绝对值）的平均值；再按平均值相等示值也相等的原则，用波形系数换算出被测的非正弦波电压有效值。

1. 原理均值响应，即：u(t) à放大à均值检波à驱动表头
2. 刻度特性

图8 平均值检波刻度曲线图

表头刻度按（纯）正弦波有效值刻度。因此：
当输入u(t)为正弦波时，读数α即为u(t)的有效值V（而不是该纯正弦波的均值）。
对于非正弦波的任意波形，读数α没有直接意义（既不等于其均值也不等于其有效值V）。但可由读数α换算出均值和有效值。
刻度特性
由读数α换算出均值和有效值的换算步骤如下：

1. 第一步，把读数α想象为有效值等于α的纯正弦波输入时的读数，即
2. 第二步，由  计算该纯正弦波均值
3. 第三步，假设均值等于的被测波形（任意波）输入 ，即
   1. 注：“对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等” 。
4. 第四步，由，再根据该波形的波形因数（查表可得），其有效值

上述过程可统一推导如下：


上式表明，对任意波形，欲从均值电压表读数α得到有效值，需将α乘以因子k。（若式中的任意波为正弦波，则k=1，读数α即为正弦波的有效值）。
综上所述，对于任意波形而言，均值电压表的读数α没有直接意义，由读数α到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：
  式中，α为均值电压表读数，KF为波形因数。
波形误差：若将读数α直接作为有效值，产生的误差

四、有效值电压的测量

1. 有效值电压表工作原理：

真空或半导体二极管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律关系，如图9所示。图中E0为偏置电压，当信号电压ux较小时，有

图9 平方率的获得
  
式中k是与二极管特性有关的系数(称为检波系数).由于电容C的积分(滤波)作用，流过微安表的电流正比于i的平均值，即，从而实现了有效值转换。
另一种有效值转换的方法是利用热电偶来实现的。

图1 电热偶转换原理
图中，直流电流I与被测电压u(t)的有效值V的关系：
电流I∝热电动势∝热端与冷端的温差，而热端温度∝u(t)功率∝u(t)的有效值V的平方，故， 。
表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别称为测量热电偶和平衡热电偶，如图11。

图11 热电式有效值电压表原理图
上图中，通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。
测量热偶的热电动势Ex∝V2，令Ex=k1V2 ；

1. 平衡热偶的热电动势Ef∝Vo2，及Ef =k2Vo2 ；
2. 假如两对热偶具有相同特性，即k1=k2=k ，==〉
3. 则差分放大器输入电压Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2) ，
4. 若放大器增益足够大，则有Vi=0，==〉Vo=V （即输出电压等于u(t)有效值）

有效值电压表的特点：理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。
计算式方法构成有效值电压表
 ，
硬件实现------有专用IC，如AD637

图12 计算式构成有效值电压表框图
五、峰值电压的测量

1. 峰值电压表工作原理：属检波─放大式电子电压表，又称为超高频毫伏表。它由峰值检波器（置于机箱外探头中）、分压器、直流放大器和微安表等组成（置于电压表机箱中），如下图所示。

图3-15 峰值电压表原理图

图13 常见峰值表的检波电路
条件：