电压与阻抗的测量技术与方法

一、 测量特点

（一）电压测量 （1）频率范围宽

除直流外，交流电压的频率从 Hz（甚至更低）~ Hz。 （2）电压范围广

① 微弱信号：心电医学信号、地震波等，纳伏级（ V）； ② 超高压信号：电力系统中，数百千伏。 （3）电压波形的多样化

电压信号波形是被测量信息的载体。

各种波形：纯正弦波、失真的正弦波、方波、三角波、阶梯波。 （4）测量精度的要求差异很大： ~ 。 （5）测量速度的要求差异很大

① 静态测量：直流（慢变化信号），几次/秒；

② 动态测量：高速瞬变信号，数亿次/秒（几百MHz）； ③ 精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。 （6）被测电路的输出阻抗匹配

在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。

① 直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。如：采用电压表与电流表测量电阻，当测量小电阻时，应采用电压表并联方案；当测量大电阻时，应采用电流表串联方案；

② 交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。 （7）抗干扰性能：工业现场测试中，存在较大的干扰。 （二）阻抗测量

① 保证测量条件与工作条件尽量一致；测量时所加的电流、电压、频率、

环境条件等必须尽可能接近被测元件的实际工作条件，否则，测量结果很可能无多大价值；

② 了解RLC的自身特性；在选用RLC元件时就要了解各种类型元件的自身特性。例如，线绕电阻只能用于低频状态；电解电容的引线电感较大；铁芯电感要防止大电流引起的饱和。

二、 测量原理

（一）电压测量

① 绝对误差

② 相对误差

要减少误差，就必须使电压表的输入电阻 远大于 。 （二）阻抗测量

三、 测量方法

（一）电压测量的分类

① 交流电压的模拟测量方法

表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）直流电流驱动表头指示。 ② 数字化直流电压测量方法

模拟直流电压A/D转换器数字量数字显示（直观）数字电压表（DVM），数字多用表（DMM）。

③ 交流电压的数字化测量

交流电压（有效值、峰值和平均值）直流电压A/D转换器数字量数字显示DVM（DMM）的扩展功能。

④ 基于采样的交流电压测量方法

交流电压A/D转换器瞬时采样值u(k)计算，如有效值中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。

⑤ 示波测量方法

交流电压模拟或数字示波器显示波形读出结果。 （二）阻抗测量的分类 （1） 电桥法：

以电桥的平衡原理为基础，是最通用和最准确的测量方法。因电桥平衡指示器的灵敏度和标准元件的正确度都比较高，故用这种方法测量元件参数能得到很高的精度。电桥的研究已经有一百多年的历史，其类型也非常多。但是电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，因而很难实现快速的自动测量。 （2） 谐振法：

以LC回路的谐振特性为基础，通过测定谐振频率和已知的电感（或电容）计算出被测元件的参数值，谐振法主要用于对高频（300KHz~300MHz）回路参数的测量。这种测量方法不仅简单，而且被测元件又大都应用在谐振电路中，用谐振法测量更能使测量条件和具体的应用条件相一致。然而从另一方面讲，当信号频率较高时，低失真度的正弦信号很难获得，这就限制了测量精度的提高和测量范围的扩大。谐振法还要不断的调节回路元件参数使回路达到谐振，故而调节麻烦测量速度慢，不能适应批量生产。 （3）矢量阻抗法

以阻抗的定义为基础，利用流过量程电阻和被测阻抗的电流相等的原理和运放的比例特性—被测阻抗和量程电阻上的电压矢量之比就等于他们的阻抗之比。通过测量这两个阻抗上的电压矢量，利用微机计算，即求得被测阻抗参数显然要实现这种方法，仪器必须能够进行矢量测量及除法运算，这就使微处理器的应用

成为必然。矢量阻抗法有固定轴法和自由轴法两种实现方案，相比之下自由轴法更具优越性。

四、 注意的问题

（一）电压测量

① 测量直流电压时要减少误差，就必须使电压表的输入电阻远大于输出电阻，为了提高仪表输入电阻和有利于弱直流信号电压的测量，在电压表中常加入集成运算放大器构成集成运放型电压表，如果再加上场效应管电路作输入级，则可构成一种高内阻电压表；

② 检波放大式电压表放大器放大的是直流电压，所以对放大器的频率响应要求低，检波二极管导通时有一定起始电压（死区电压），使刻度呈非线性；此外，还存在输入阻抗低，直流放大器有零点漂移，因此灵敏度不高，不适宜测小信号；

③ 放大检波式电压表测量电压的频率范围受放大器的频带的限制。 （二）阻抗测量

① 在300KHz以下的低频范围内，通常采用与标准的电阻R、电感L、电容C相比较的桥路（四臂电桥）来测量阻抗，测量精度可以达到很高。采用桥路的测量仪器又有可全测R、L、C的万能电桥、只测量R、L、C中之一的高精度专用电桥等多种产品。为此，必须根据需要的精度、待测阻抗的大小选择适宜的电桥；

② 在300KHz到30MHz的中短波范围内，一般也可采用桥路方法来测量阻抗。但是，由于电磁波的辐射和寄生参数等原因，用普通低频电桥结构测量时精度很差，而且，难于获得高精度的标准可变电阻和电感。因此，大多采用固定的标准电阻及电感和标准可变电容、屏蔽、电路元件接地等特别措施的高频电桥。双电桥就是这样一种高频电桥，其电路元件大部分接地，屏蔽容易等特点，至今被认为是测量高频阻抗的最佳电桥；

五、 测量新技术

（1）电压测量

①用数字化的方法去测量电压 （2）阻抗测量

① 四臂电桥法； ② 变量器电桥法。