九 交流电学量的测量

（一）用交流电表测量交流电流和电压

交流电表用于测量交流电流、交流电压的有效值。以浙江台州电表厂生产的 JO4041

—A 型交流电流表和JO4042—V 型交流电压表为例，可用以测量 50Hz 交流电流和电压。测量范围：电流表量程（0-0.6A，0-3A）；

电压表量程（0-30V，0-300V）。测量精度：2.5 级。

电压表表头电流为 1 毫安，表头压降不大于 30 毫伏。

结构：JO4041—A 型、JO4042—V 型交流电表为磁电系整流仪表，由表头、变换器和表壳三部分组成。表头为磁电式结构，电流表的变换器由电流互感器、桥式整流电路组成。交流电由输入电路输入后经过电流互感器、桥式全波整流电路后，输入表头；电压表的变换器由附加电阻和桥式整流电路后，输入表头。表壳上装有三个接线柱，三个接线柱下有对应的量程和“*”标志。

JO4041—A 型和JO4042—V 型交流电表内部线路图如下：

测量方法：

(1)在测量前先要调零，再按电流表串联、电压表并联接入电路。(2)估计被测电流、电压的大小，选用合适的量限。

(3)根据所选用的量限，记录到准确的数值，并确定该读数的测量误差。

（二）用晶体管毫伏表测量正弦电压和电平

晶体管毫伏表采用放大一检波的形式，它具有较高的电压灵敏度和温度稳定性。用以测量音频和中频正弦电压的有效值，并可作电平测量。以 JY—16 型晶体管毫伏表为例，

电压测量范围：100μV—300V，分 1，3，10，30，100，300mV；1，3，10，30，300V 共十一档级。

电平测量范围：

-72db-+32db (0db=1mW，600Ω)被测电压的频率范围： 20Hz—1MHz。

交流准确度：

±3%（300V 档 50Hz，其余各档 1KHz）频率响应附加误差： 20Hz-100KHz ≤±3%；

100KHz-1MHz ≤±5%。输入阻抗：

在频率为 1KHz 时输入电阻为 1.5MΩ；输入电容不大于 70PF。使用电源：

220V 50Hz 功耗为 2W。

结构：

小型手提式，外型如图。采用放大一检波式全晶体管电路，用磁电式 50μA 直流表头显示。

1. 机械调零：调表头上的调零器。

2. 零位调整：使输入端短路，用调零器把指针调到“0”位。此时指针稍有噪声偏转（1mV

   档不大于满刻度值的 2%）是正常的。

3. 选择量程：按估计待测电压值选择合适量程，在不明电压时，先用 300V

   档试测量，以确定量程。

4. 读数

①电压读数，表盘上电压刻度标尺为上下两排，上排以 10V 为满刻度，下排以 3V 为满刻度，读数时估读一位，乘上量程档的倍率即为测量值。

②电平读数：电平测量的标准档是 1V，可在标尺上直接读数。用其他各档要加上附加值。方法与“万用表测量电平”相同。

注意事项：

1. 所测交流电压中的直流分量不得大于 250V。

2. 晶体管毫伏表灵敏度高，测量时接地必须十分良好。其引出线是屏蔽线，外屏蔽接在机壳（接地端）上，测量时这一端（一般是黑色夹子）接在被测电路接“地”端。

（三）用示波器测量交流信号

示波器是用来显示和测量交、直流信号幅度、频率、周期等多种物理量的仪器， 其种类繁多，以上海教学仪器厂生产的J2458 型教学示波器为例。

基本性能： 1．垂直（Y）放大器

(1)频带宽度：直流：0-2MHz≤3 db；交流：5Hz-2MHz≤3 db。(2)灵敏度：≤20mVp-p/格。

(3)输入阻容：1MΩ//40PF。（相当于一个 1MΩ电阻与 40PF 电容并联的回路。） (4)衰减倍率：1，10，100、1000 四档，±10%。

(5)输入耐压：400V（DC+ACp-p）。

2．扫描系统（x 轴）

1. 扫描频率：10Hz-100KHz，分四档。10Hz-100Hz；1000Hz-1KHz；1KHz-10KHz； 10KHz-100KHz。

2. 同步：内正同步，内负同步两档。3．水平(x)放大器

(1)频率带宽：0-500KHz，－3db。(2)灵敏度：≤64mVp-p/格。

1. 输入阻容：1MΩ//60PF。

2. 校准电压：50Hz 方波，幅度为 100mVp-p±5%。

3. 示波管：13SJ38J 型。显示有效面积为 8 格×12 格（1

   格=0.8cm）。(6)使用电源：220V±10%、50Hz。

结构：

面板如图所示，面板控制器的标志、代号及功能分述如下：

(1)“开”：电源开关； (2)“”：辉度调节旋钮；

(3)“⊙”：聚焦调节旋钮，调节显示图形的清晰度。(4)“◎”：辅助调焦旋钮，与⊙配合使用。

以下 5-11 是Y 放大器控制件。(5)“↑↓”：垂直位移旋钮。顺时针转动可使图形上移；反之，下移。

1. “Y 增益”：Y 放大器增益微调旋钮。顺时针旋转时，图形垂直幅度增大；反之，则减小。当需要定量测量时，本旋钮用以校准Y 放大器的灵敏度。

2. “Y 轴衰减”：Y 输入信号衰减倍率选择开关，共五档。其中标有 1、10、100、1000 的四档为衰减倍率。如“100”，指衰减 100 倍，即将Y 轴输入信号幅度衰减为原来的 1/100。第五档标有“校准 100mV”，拨至此位时，机内 100mV 标准信号输入到 Y 放大器，用以校准Y 放大器灵敏度。

3. “DC、AC”：Y 放大器耦合选择开关。置“DC”位时，Y 轴输入信号直接输入， 用示波器可测量输入信号的直流电压成份；置AC 位时，信号经耦合电容C1 输入。C1 起

着隔断被测信号中直流成份的作用，使显示波形位置不受直流影响。 (9)“平衡”：调节Y 放大器第一级的平衡电位器，通常旋转轴档在中间位置。使

显示图形不随“Y 增益”“Y 轴衰减”的改变而出现垂直位移。(10)“Y 输入”：被测信号输入Y 垂直放大器的接线柱。(11)“地”：输入信号的接地端。

以下 12-18 是x 轴系统。

1. “x 增益”：x 放大器调节旋钮。顺时针旋转时，示波管显示图形的水平幅度增大；反之，则减小。

←

1. “ → ”：水平位移调节旋钮。顺时针旋转使图形右移；反之，则左移。

2. “扫描范围”：水平扫描频率范围选择旋钮。共五档，前四档分别标有“10-100”、“100-1K”、“1K-10K”、“10K-1000K”，为扫描频率范围，单位是 Hz。第五档“外x”，置此位时，机内扫描发生器停止工作，输出端也被切断。外接信号可从“x 输入”端直接输入到x 放大器。

3. “微调”：扫描频率微调旋钮。微调比≥10 倍，可在不小于 K4 所确定的频率

范围内，连续调节扫描频率，以使显示图形稳定。

1. “同步+－”：同步极性选择开关。置“+”时扫描发生器与 Y 轴输入信号的正半周同步；置“－”时与负半周同步，以获得初相位相反的显示波形。

2. “x 输入”：被测信号输入x

   放大器的接线柱。(18)“地”：输入信号接地端接线柱。

仪器后板上有电源插座CZ5，保险管座BX1（内装 0.75A 保险管）。

测量方法：

本仪器使用 220V，50Hz 电源。开机后电源指示灯即亮。如要读测数据，需预热 10 分钟，待管子工作状态稳定后才能进行校准和使用。

1. 测量前的准备

(1)将Y 轴衰减开关K2 拨到“校准 100mV”位置。(2)“扫描范围”开关K4 拨到“10-100”位置。

1. 调整标有“”的辉度调节电位器W4，使荧光屏有显示。

←

1. 调整标有“↓↑”和“ → ”的旋钮，使显示位置适中。

2. 调整“扫描微调”电位器W7，使波形稳定。这时，如果显示波形在屏幕 x

   轴上幅度不合适，可用螺丝刀调整“x 增益”电位器W8，使水平幅度适中。

1. 测量举例

1. 信号幅值的测量：选择不同衰减倍率，校准不同的灵敏度，荧光屏标尺将代表不同的单位。其公式为：Y 轴标尺示值=灵敏度×衰减倍率。参见上页表*。

如被测波形显示如图，峰、峰之间为 5 格，此时 Y 放大器灵敏度标准为 20mV/格， Y 衰减倍率为 10。从表中查得标尺示值为 200mV/格，则信号幅值 Vp-p=5×200 ×

10mV=10V。

若信号中有直流分量，也可以将直流电位一起测出。方法是将 Y 输入耦合开关 K1 置“DC”位置，先不接被测信号，并将“Y 输入”与“地”端短接。这时，光屏上会有一条水平亮线。调整“↓↑”旋钮使水平亮线对准标尺某刻度，则该刻度就是零电位线（见图）。将短接线拨去并加上被测信号。由于信号中有直流分量，整个波形显示如图。如

果这时Y 放大器灵敏度校准为 50mV/格，“Y 衰减”置“100”，查表标尺读数为 50×100mV/格，信号幅度为 5.0 格，其交流分量峰峰值 Vp-p=50×100×5.0mV=25V，其直流分量为

其中心线到零电位线的距离。信号波形是对称的，因此其中心线为峰峰幅度的一半，从上波峰往下数第 2.5 格为“直流分量”处，即中心线。中心线到零电位线距离为 3.5 格。所以直流分量V 直=3.5×5.0=17.5V。

需要说明的是，本仪器对直流和交流波形是正极性向上，负极性向下，因此，上述信号直流分量为+(17-18V)。这是一个幅值在 5V 和 30V 之间变化的正弦波。

注意：

①在测量电压幅度时，不能调节“增益”旋钮，因为用已知电压分度时，通过“增益”调节 Y 轴的放大倍数已经确定，即电压灵敏度 V/格已定，若再调节“增益”旋钮时， 灵敏度就会发生变化，以致计算出来的幅度不正确。因此测量时只能改变衰减的倍数， 不能调节“增益”旋钮。通常示波器的标称灵敏度为 70mV/格。

②Y 放大器输入耐压为 400V（DC+ACp-p），因此输入信号的总幅度不要超过 400V。

*示波器的“示值”一般只取两位数字，除非采用专门的附加测量装置。

③测量时通常将“地”端接线路的“地”端，将“Y 输入”端接被测点。

1. 信号频率的测量：测量正弦信号频率时，可将“扫描范围”开关K4 拨到“外X 档”。将频率较精确的信号发生器的正弦信号 fx，输入“X 输入”端；被测信号 fy 输入“Y 输入”端，并取合适的Y 灵敏度。改变信号发生器的频率fx，使示波管显示频率为简单整数比的利萨如图形。根据利萨如图形表可推算出被测信号频率 fy，并可知两信号

之间的相位关系。

如示波管显示为表中第三行，左数第二个图形，可知fx：fy=1：2。从信号发生器标尺上得知fx=1000Hz，则被测信号频率 fy=2fx=2000Hz，两信号相位差为 90°。实际上， fx 与fy 是两个独立振荡的频率，因此 fx 与fy 的位相差不能保持不变，所以不可能得到

稳定不变的利萨如图形。上述测试中，只得到一个在表中“1：2”上面三个图形间缓慢变化的图形，但是频率可相当稳定，并保持一段时间即可，K 为fx：fy=1：2。

1. 正弦波信号相位差的测量：测量线路如图。图中待测频率 fy 接在Y 输入端，已知频率fx 的信号作为标准正弦信号接在 X 输入端，“X 轴衰减”可拨在“1”或“10” 或“100”位置，如果出现利萨如图形，则根据利萨如图形可以计算出两个信号的相位差，见图。

令 y = a sinwt ，

x = a sin( wt + φ) 。

即经衰减调节后的fx、fy 信号幅度相等，均为 a 格。假定波形在 x 轴线上的截距为b，则y 与x 的位相差为φ，

φ = arcsub b 和π − arcsub b 。

a a

如果图形长轴在一、三象限，则φ在一、三象限取 arcsin b ；二、四象限，

a

取π − arcsin b 。

a

例如，b = 2.1div，a = 3.4div，如果在一、三象限，φ = arcsin 2.1 = 38°8′40′′ 。

3.4

如果在二、四象限， φ

= 141°51′ 20′′ 。用公式φ = arcsin b 和π − arcsin b 计算φ



² a a

时不能确定 y 比 x 超前还是落后，而且φ的有效数字最多只能取到 38.1°（或者141.9°）止。

注意事项：

1. 被测信号幅度范围不清时，应先将“Y 衰减”放到“1000”位置，如显示波形幅度很小，再逐级减少衰减倍率。以防过大信号直接输入，烧毁元件。

2. 长时间使用时，应尽量减少显示时间。显示完后即将辉度旋钮向反时针方向旋到底，需再显示时，再旋亮。这样可以延长示波管的寿命。应避免频繁地开关电源，否则会降低电子管的使用寿命。