實用電壓測量電路的設計

熊偉林

（北京信息職業技術學院 北京 100018）

盡管電子測量的內容十分豐富，但從實際電子測量方法來看，最主要和最方便的仍是電壓的測量。許多電參數（例如電流、功率、頻率特性、調幅度、品質因數等）往往可以通過對電壓的測量而間接獲得。所以，現實中許多電量或非電量的測量大都是依靠電壓測量技術實現的，因而電壓測量電路在測量技術中尤為重要。簡單地說，測量電壓有直流電壓、交流電壓、脈沖電壓之分，而交流電壓又有低頻電壓和高頻電壓之分。本文設計了針對直流電壓測量的實用電路，并簡要分析它們的工作原理和特點。

1 設計電壓測量電路的基本要求

對電壓測量電路設計的基本要求是具有足夠高的輸入阻抗，測量直流電壓時為輸入電阻Ri。圖1是使用電壓表測量直流電壓時的等效電路，其中RL是被測電壓UX兩端的負載電阻，US是被測電路的等效電壓源，Ro是被測電路的等效輸出電阻，Ri是電壓表的輸入電阻（通常簡稱為電壓表的內阻）。

圖1 測量電壓的等效電路Fig.1 equivalent circuit of measuring voltage

接入電壓表時，因電壓表內阻Ri與RL并聯后的等效電阻值R’L小于被測電路的RL，所以電壓的測量值UX比相應的真值UX0偏小，產生測量誤差。不難理解，電壓表的輸入電阻Ri越大，相對測量誤差γ值越小。理論分析表明，要使誤差達到5%以下，應使Ri應是RL的20倍以上；要使誤差達到2%以下，則Ri應是RL的50倍以上；而要使誤差達到1%以下，就要使Ri是RL的100倍以上。這就是實際電壓測量電路要設計成具有足夠高的輸入阻抗的原因。

2 采用高增益集成運放設計電壓測量電路

圖2是采用高穩定的低溫漂（零漂）高增益集成運放構成的電壓測量電路。該電路適用于測量較低的直流電壓（mV和μV量級），避免了放大器出現零點漂移對測量誤差的影響。圖中使用了MAX 420與TL061集成電路，由±15 V雙直流電源供電。

集成運放MAX420實際上是一種斬波放大器（斬波頻率約為 400 Hz），并且用兩個電容器（C1、C2）來保持很小的失調電壓 （只有 1 μV），溫漂也只有 0.02 μV/°C，輸入阻抗高達1TΩ（即 1 012 Ω），輸入電流很小 10 pA（即 10-12A），開環電壓增益為150 dB。圖2電路中MAX420和周圍電阻構成同相放大器，其閉環放大倍數為1 000（即增益60 dB）。該電路可測量1 mV以下的低電壓，例如測量電壓為1 mV時，第一級運放MAX420輸出電壓為1 V。再由第二級運放TL061構成的有源低通濾波器進行濾波放大（倍數為10），最后輸出10 V直流電壓。整個電路的輸出電壓與被測電壓UX成正比例，所以表頭示值與被測電壓UX成線性關系，可以均勻刻度定標。

圖2 高穩定度與高增益電壓測量電路Fig.2 high stability and high-gain voltage measurement circuit

該電路的調零與校準方法是：將開關K1閉合，紅、黑表筆短接，使電路的輸入電壓為零，調節電位器RP1使表頭示值為零。校準時，將1 mV標準電壓加在紅黑表筆兩端，調節電位器RP2，使表頭示值達到滿度值即可，表頭刻度對應的電壓值如表1所示。

表1 高穩定與高增益電壓測量電路的調零與校準Tab.1 Zero and calibration about the high stability and high gain measuring voltage circuit

該電路可用于測量直流電壓為1 mV以下的電子測量儀器或設備中，也可擴展到測量幾十μV至幾十mV的電壓。

圖3是使用集成運放CA3130構成的另一種電壓測量電路。由于CA3130具有很高的輸入阻抗，可達TΩ量級（1012Ω），同時又具有很低的輸出阻抗，可有效地減小測量誤差，提高測量準確度。

該電路由直流15 V單電源、測試用表筆、分壓器及量程選擇開關K2、RC濾波器[7]、集成運放同相比例放大器、100μA表頭等組成。圖中只畫出4個量程的情況，開關K2打在擋位1為100 mV量程、擋位2為1 V量程、擋位3為10 V量程、擋位4為100 V量程。兩個反向并聯的二極管2CP11構成運放輸入保護電路，起過壓保護作用，防止輸入電壓意外出現過大而造成運放損壞。電路中的R1與電容器C構成低通濾波器（可濾除電路中的交流成分）。R2、R3與運放CA3130構成的同相比例放大器，R2、R3決定了電路的閉環放大倍數Au＝1＋（R3/R2）＝101（即 40 dB）。 RP1是運放的調零電位器，調整它可以消除失調電壓對小信號產生的誤差。

電路的調零方法是將開關K1閉合，紅、黑表筆短接，調整電位器RP1使表頭示值為零即可。進行量程校準時，將K2打在任意的擋位上，并輸入相應的標準電壓。（因為，無論選擇哪個量程校準，輸入滿量程電壓時運放的輸入電壓均為100 mV、輸出電壓均為10.1 V。）實驗中先選擇10 V量程進行校準，將K2打在擋位3位置，在紅黑表筆間輸入標準電壓值10 V（來自高精度的直流穩壓電源），然后調節電位器RP2使表頭顯示滿度值。此時，運放的同相輸入端（3腳）獲得100 mV電壓，輸出端 （6腳）電壓為10 V，100μA表頭內阻與電阻R4、電位器RP2合在一起的總阻值為10 V/100μA＝100 kΩ。該電路中分壓電阻R4＝91 kΩ，電位器RP2在20 kΩ以內連續可調，只要表頭內阻不超過10 kΩ即可，實際上一般表頭的內阻都比較小，完全能滿足該電路的要求。同理可校準其他幾個量程，各量程定標數據如表2所示。

圖3 由集成運放CA3130構成的電壓測量電路Fig.3 By IC-CA3130 constitutes a voltage measurement circuit

該測壓電路可用于測量直流電壓為幾十mV至100 V的電子測量儀器或設備中。需要指出的是，由于在集成運放輸入端前面加有電阻分壓器[6]，所以對被測電路來說，測壓電路的輸入電阻為10 MΩ，而不是集成運放的輸入電阻。這一點在實際應用中值得注意。

3 采用場效應管設計電壓測量電路

測量幾伏或幾百毫伏電壓時，可直接采用場效應管源極跟隨器作阻抗變換，把示值表頭接在源極輸出電路中。由于源極跟隨器的電壓傳輸系數接近于1，所以測量靈敏度與直接測量相近。場效應管測壓電路結構簡單，輸入阻抗高（可達數百或千兆歐，即108～109Ω），并且電路噪聲低，克服零點漂移，并減小非線性誤差，具有較好的穩定性與可靠性。

表2 集成運放CA3130構成電壓測量電路的定標數據Tab.2 Calibration data of IC CA3130 measuring voltage circuit

圖4 楊效應管差分式電壓測量電路Fig.4 FET differential voltage measurement circuit

圖4 電路是由兩只場效應管VT1和VT2構成的源極耦合差分電路，50μA表頭跨接在 VT1和 VT2的源極 S1、S2之間。輸入電壓為零時（即被測電壓UX=0），電路處于平衡狀態，兩個源極之間的電壓US12也為零，表頭指示值為零。被測電壓UX不等于零時，場效應管VT1的源極電位上升（近似等于UX），而場效應管VT2的源極電位不變（等于零），于是兩個源極之間的電壓US12也近似為UX（事實上，US12與UX成正比例）。因此，表頭示值也正比于被測電壓UX。圖中二極管VD起保護表頭作用，當被測電壓過大超出測量范圍時，VD即導通，可避免表頭產生過大的電流。

該測量電路只畫出了3個擋位，開關K2打在擋位1時，表頭的滿量程電壓為5 V；打在擋位2時，滿量程為2.5 V；打在擋位3時，滿量程為0.5 V。

該電路使用9 V電池作為直流電源，工作時將開關K1閉合。調零與校準時，先把紅、黑表筆短路，再調整調零電位器，使表頭示值為零；然后在紅、黑表筆兩端輸入標準電壓，調整校準電位器，使表頭示值達到滿刻度值。例如校準5 V擋時，將K2打在擋位1，再輸入5 V標準電壓，調整100 kΩ電位器，使表頭示值達到滿刻度值即可。同理可校準其它兩個量程，各量程的實驗定標數據如表3所示。

表3 場效應管測壓電路的定標數據Tab.3 Calibration data of field effect tranisstor measuring voltange circuit

實驗表明，該測壓電路具有很好的線性，經過校準定標后的表頭，可以準確地顯示出被測電壓值，可用于測量直流電壓為幾百mV至5 V的電子測量儀器或設備中。如要測量更高的電壓 （如5 V以上），可在源極跟隨器前面加上分壓器；如要測量更低的電壓（如0.5 V以下），則需要在源極跟隨器前面加上直流電壓放大器。

4 結束語

文中所設計的幾種電壓測量電路，可應用于測量直流電壓的電子測量儀器或設備中。設計的基本思想是：采用高輸入阻抗的電子電路，以減小測量誤差、比較準確地測量出電壓值。一般可以采用場效應管、或高阻型高穩定度的集成運算放大器作為核心器件，構成輸出電壓與被測電壓成線性關系的測量電路，有效地提高測量的靈敏度和準確度。

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