实用电压测量电路的设计

熊伟林

（北京信息职业技术学院 北京 100018）

尽管电子测量的内容十分丰富，但从实际电子测量方法来看，最主要和最方便的仍是电压的测量。许多电参数（例如电流、功率、频率特性、调幅度、品质因数等）往往可以通过对电压的测量而间接获得。所以，现实中许多电量或非电量的测量大都是依靠电压测量技术实现的，因而电压测量电路在测量技术中尤为重要。简单地说，测量电压有直流电压、交流电压、脉冲电压之分，而交流电压又有低频电压和高频电压之分。本文设计了针对直流电压测量的实用电路，并简要分析它们的工作原理和特点。

1 设计电压测量电路的基本要求

对电压测量电路设计的基本要求是具有足够高的输入阻抗，测量直流电压时为输入电阻Ri。图1是使用电压表测量直流电压时的等效电路，其中RL是被测电压UX两端的负载电阻，US是被测电路的等效电压源，Ro是被测电路的等效输出电阻，Ri是电压表的输入电阻（通常简称为电压表的内阻）。

图1 测量电压的等效电路Fig.1 equivalent circuit of measuring voltage

接入电压表时，因电压表内阻Ri与RL并联后的等效电阻值R’L小于被测电路的RL，所以电压的测量值UX比相应的真值UX0偏小，产生测量误差。不难理解，电压表的输入电阻Ri越大，相对测量误差γ值越小。理论分析表明，要使误差达到5%以下，应使Ri应是RL的20倍以上；要使误差达到2%以下，则Ri应是RL的50倍以上；而要使误差达到1%以下，就要使Ri是RL的100倍以上。这就是实际电压测量电路要设计成具有足够高的输入阻抗的原因。

2 采用高增益集成运放设计电压测量电路

图2是采用高稳定的低温漂（零漂）高增益集成运放构成的电压测量电路。该电路适用于测量较低的直流电压（mV和μV量级），避免了放大器出现零点漂移对测量误差的影响。图中使用了MAX 420与TL061集成电路，由±15 V双直流电源供电。

集成运放MAX420实际上是一种斩波放大器（斩波频率约为 400 Hz），并且用两个电容器（C1、C2）来保持很小的失调电压 （只有 1 μV），温漂也只有 0.02 μV/°C，输入阻抗高达1TΩ（即 1 012 Ω），输入电流很小 10 pA（即 10-12A），开环电压增益为150 dB。图2电路中MAX420和周围电阻构成同相放大器，其闭环放大倍数为1 000（即增益60 dB）。该电路可测量1 mV以下的低电压，例如测量电压为1 mV时，第一级运放MAX420输出电压为1 V。再由第二级运放TL061构成的有源低通滤波器进行滤波放大（倍数为10），最后输出10 V直流电压。整个电路的输出电压与被测电压UX成正比例，所以表头示值与被测电压UX成线性关系，可以均匀刻度定标。

图2 高稳定度与高增益电压测量电路Fig.2 high stability and high-gain voltage measurement circuit

该电路的调零与校准方法是：将开关K1闭合，红、黑表笔短接，使电路的输入电压为零，调节电位器RP1使表头示值为零。校准时，将1 mV标准电压加在红黑表笔两端，调节电位器RP2，使表头示值达到满度值即可，表头刻度对应的电压值如表1所示。

表1 高稳定与高增益电压测量电路的调零与校准Tab.1 Zero and calibration about the high stability and high gain measuring voltage circuit

该电路可用于测量直流电压为1 mV以下的电子测量仪器或设备中，也可扩展到测量几十μV至几十mV的电压。

图3是使用集成运放CA3130构成的另一种电压测量电路。由于CA3130具有很高的输入阻抗，可达TΩ量级（1012Ω），同时又具有很低的输出阻抗，可有效地减小测量误差，提高测量准确度。

该电路由直流15 V单电源、测试用表笔、分压器及量程选择开关K2、RC滤波器[7]、集成运放同相比例放大器、100μA表头等组成。图中只画出4个量程的情况，开关K2打在挡位1为100 mV量程、挡位2为1 V量程、挡位3为10 V量程、挡位4为100 V量程。两个反向并联的二极管2CP11构成运放输入保护电路，起过压保护作用，防止输入电压意外出现过大而造成运放损坏。电路中的R1与电容器C构成低通滤波器（可滤除电路中的交流成分）。R2、R3与运放CA3130构成的同相比例放大器，R2、R3决定了电路的闭环放大倍数Au＝1＋（R3/R2）＝101（即 40 dB）。 RP1是运放的调零电位器，调整它可以消除失调电压对小信号产生的误差。

电路的调零方法是将开关K1闭合，红、黑表笔短接，调整电位器RP1使表头示值为零即可。进行量程校准时，将K2打在任意的挡位上，并输入相应的标准电压。（因为，无论选择哪个量程校准，输入满量程电压时运放的输入电压均为100 mV、输出电压均为10.1 V。）实验中先选择10 V量程进行校准，将K2打在挡位3位置，在红黑表笔间输入标准电压值10 V（来自高精度的直流稳压电源），然后调节电位器RP2使表头显示满度值。此时，运放的同相输入端（3脚）获得100 mV电压，输出端 （6脚）电压为10 V，100μA表头内阻与电阻R4、电位器RP2合在一起的总阻值为10 V/100μA＝100 kΩ。该电路中分压电阻R4＝91 kΩ，电位器RP2在20 kΩ以内连续可调，只要表头内阻不超过10 kΩ即可，实际上一般表头的内阻都比较小，完全能满足该电路的要求。同理可校准其他几个量程，各量程定标数据如表2所示。

图3 由集成运放CA3130构成的电压测量电路Fig.3 By IC-CA3130 constitutes a voltage measurement circuit

该测压电路可用于测量直流电压为几十mV至100 V的电子测量仪器或设备中。需要指出的是，由于在集成运放输入端前面加有电阻分压器[6]，所以对被测电路来说，测压电路的输入电阻为10 MΩ，而不是集成运放的输入电阻。这一点在实际应用中值得注意。

3 采用场效应管设计电压测量电路

测量几伏或几百毫伏电压时，可直接采用场效应管源极跟随器作阻抗变换，把示值表头接在源极输出电路中。由于源极跟随器的电压传输系数接近于1，所以测量灵敏度与直接测量相近。场效应管测压电路结构简单，输入阻抗高（可达数百或千兆欧，即108～109Ω），并且电路噪声低，克服零点漂移，并减小非线性误差，具有较好的稳定性与可靠性。

表2 集成运放CA3130构成电压测量电路的定标数据Tab.2 Calibration data of IC CA3130 measuring voltage circuit

图4 杨效应管差分式电压测量电路Fig.4 FET differential voltage measurement circuit

图4 电路是由两只场效应管VT1和VT2构成的源极耦合差分电路，50μA表头跨接在 VT1和 VT2的源极 S1、S2之间。输入电压为零时（即被测电压UX=0），电路处于平衡状态，两个源极之间的电压US12也为零，表头指示值为零。被测电压UX不等于零时，场效应管VT1的源极电位上升（近似等于UX），而场效应管VT2的源极电位不变（等于零），于是两个源极之间的电压US12也近似为UX（事实上，US12与UX成正比例）。因此，表头示值也正比于被测电压UX。图中二极管VD起保护表头作用，当被测电压过大超出测量范围时，VD即导通，可避免表头产生过大的电流。

该测量电路只画出了3个挡位，开关K2打在挡位1时，表头的满量程电压为5 V；打在挡位2时，满量程为2.5 V；打在挡位3时，满量程为0.5 V。

该电路使用9 V电池作为直流电源，工作时将开关K1闭合。调零与校准时，先把红、黑表笔短路，再调整调零电位器，使表头示值为零；然后在红、黑表笔两端输入标准电压，调整校准电位器，使表头示值达到满刻度值。例如校准5 V挡时，将K2打在挡位1，再输入5 V标准电压，调整100 kΩ电位器，使表头示值达到满刻度值即可。同理可校准其它两个量程，各量程的实验定标数据如表3所示。

表3 场效应管测压电路的定标数据Tab.3 Calibration data of field effect tranisstor measuring voltange circuit

实验表明，该测压电路具有很好的线性，经过校准定标后的表头，可以准确地显示出被测电压值，可用于测量直流电压为几百mV至5 V的电子测量仪器或设备中。如要测量更高的电压 （如5 V以上），可在源极跟随器前面加上分压器；如要测量更低的电压（如0.5 V以下），则需要在源极跟随器前面加上直流电压放大器。

4 结束语

文中所设计的几种电压测量电路，可应用于测量直流电压的电子测量仪器或设备中。设计的基本思想是：采用高输入阻抗的电子电路，以减小测量误差、比较准确地测量出电压值。一般可以采用场效应管、或高阻型高稳定度的集成运算放大器作为核心器件，构成输出电压与被测电压成线性关系的测量电路，有效地提高测量的灵敏度和准确度。

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