3.1 电压测量的特点和技术要求

电压、电流和功率是表征电信号能量的3个基本参量。在实际测量中，电压的测量是最主要的，这是因为电子设备的许多工作特性如增益、灵敏度、幅频特性和调幅度等均是以测量电压为依据的派生量，同时电压测量还是许多非电量测量的基础。所以，电压测量是电子测量的基本任务之一。

3.1.1 电子电路中电压信号的特点

电压信号的特点决定了电压测量技术的特点，也是对电压测量仪器和仪表的基本要求。提起电压的测量，人们就会想到万用表。尽管万用表的用途很多，但是在电子电路的测量中它往往是不适用的。电子电路中的电压信号具有如下特点。

（1）频率范围宽

被测信号的频率可以从直流（0Hz）到几千兆赫兹范围内变化，这就要求测量仪表的频帶要覆盖较宽的频率范围，不同频率的电压量要选用相应的电压表去测量。

（2）电压范围广

通常被测信号电压小到微伏级，大到千伏以上，这就要求测量仪表的量程相当宽。

（3）输入阻抗高

电压测量仪表的输入阻抗是被测电路所附加的并联负载。电压表的输入阻抗越高，对被测电路产生的影响就越小。

（4）波形多样性

电子电路中除了正弦波电压外，还包括方波、三角波和调制波等非正弦波电压。此时，如果从普通指示仪表度盘上直接获得的示值往往含有较大的波形误差。

另外，被测电压中往往是交流与直流并存，在工业现场测试时不可避免地存在较大的干扰等，这些都要求电压测量仪器能加以区分和具备较强的抗干扰能力。

3.1.2 交流电压的基本参数

用来描述交流电压的基本参数有：平均值U、峰值UP、有效值U以及波形因数KF、波峰因数KP。

1．平均值

平均值简称为均值，是指波形中的直流成分，所以纯交流电压的平均值为零。为了进一步表示交流电压的大小，交流电压的平均值特指交流电压经过均值检波（即全波整流）后波形的全波平均值。

【思考】纯正弦波交流电压的平均值U为多少（与振幅值Um的关系是什么）？

2．峰值UP

交流电压的峰值是指交流电压在一个周期内（或一段时间内）以零电平为参考基准的最大瞬时值，记为UP，分为正峰值UP+和负峰值UP-。经常用到的交流电压表征量还有峰峰值UP-P。

一般情况下，正峰值UP+和负峰值UP-并不相等，峰值与振幅值Um也不相等，这是因为振幅值是以电压波形的直流成分为参考基准的最大瞬时值，如图3-1所示。

【注意】 对于双极性对称的纯交流电压这种特殊情况，数值上才如下存在关系：

UP+=UP-=Um=UP

3．有效值U

交流电压的大小通常是指它的有效值U，有效值又称为均方根值，是根据它的物理定义来确定的。有效值的物理意义为：若某一交流电压u（t）在一个周期内通过纯阻负载所产生的热量，与一个直流电压U在同样情况下产生的热量相等，则U的数值即为u（t）的有效值。其数学计算式为

在实际测量中，有效值是应用最广泛的参数。比如，电压表的读数除特殊情况外，几乎都是按正弦波有效值进行定度的。此外，有效值能直接反映出交流信号能量的大小，这对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度和能量转换等是十分重要的；另一方面，它具有十分简单的叠加性质，计算起来极为方便。

【思考】 纯正弦波交流电压的有效值U为多少（与振幅值Um或峰值UP的关系）？

4．交流电压量值的相互转换

交流电压的量值可用平均值、峰值和有效值等多种形式来表示。采用的表示形式不同，其数值也不相同。但是平均值、峰值和有效值所反映的是同一个被测量，这些数值之间可以相互转换。

（1）波形因数KF。交流电压的有效值U与平均值之比称为波形因数KF，即

（2）波峰因数KP。交流电压的峰值UP与有效值U之比称为波峰因数KP，即

几种典型的交流电压波形的参数如表3-1所示。

小知识——正弦波的参数

为进一步加深理解交流电压峰值、平均值和有效值之间的关系，以正弦波的参数为例进行说明，如图3-2所示，其他波形的参数可参照此图画出。

3.1.3 电压测量仪器的种类与选择

1．电压表的种类

（1）模拟式电压表

模拟式电压表一般是指“指针式电压表”，它把被测电压加到磁电式电流表上，转换成指针偏转角度的大小来度量。另一种模拟测量是把被测量电压变换成图形高度来测量的仪表，如示波器等。

（2）电子电压表（AVM）

通过放大-检波或检波-放大电路，将被测电压变换成直流电压，然后进行测量。电子电压表主要用于测量各种高、低频信号电压，它是电子测量中使用最广泛的仪器之一。

（3）数字式电压表（DVM）

数字式电压表是指把被测电压的数值通过数字技术，变换成数字量（A-D），然后用数码管以十进制数字显示被测量的电压值。

2．电压表的选择

除了用电压表测量电压外，还可以利用示波器、频谱仪等仪器来测量电压。电压表和示波器是电压测量的基本仪器，但示波器能够直接测量出交流电压的瞬时值，而电压表却不能测量出交流电压的瞬时值。

用示波器测量电压的时候，由于其测量准确度较低、误差较大、读数需要转换等原因，一般只能用做波形的监视和定性测量。万用表主要是用来测量直流电压的常用工具，有时也用它来完成工频（50Hz）交流电压的测量。但是万用表的结构决定了其交流电压档，无论是频率范围，还是测量准确度都远远不能满足交流电压测量的需要。因此，电子电路中电压的测量应该选择电子电压表（通常称为毫伏表），它能完成对各种波形、各种频率的交流电压的测量。

根据测量结果的显示方式和测量原理的不同，通常将电子电压表分为模拟式和数字式两大类。