一、交流電壓的表征
交流電壓可以用峰值、平均值、有效值、波峰因數(shù)和波形因數(shù)來(lái)表征。
峰值up
峰值是交變電壓在所觀察的時(shí)間或一個(gè)周期內(nèi)所能達(dá)到的最大值。以零電平為參考的最大電壓幅值（用up表示 ）。如圖1所示。
注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱(chēng)為振幅，（通常用um表示）。
圖1 交流電壓的峰值與振幅值曲線(xiàn)
平均值
數(shù)學(xué)上定義為：
相當(dāng)于交流電壓u(t)的直流分量。交流電壓測(cè)量中，平均值通常指經(jīng)過(guò)全波或半波整流后的波形（一般若無(wú)特指，均為全波整流）： ，如圖2所示。
圖2 交流電壓的平均值曲線(xiàn)
對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=upsin(ωt)，若ω=2π/t ，
平均值：
3．有效值
某一交流電壓的有效值等于直流電壓的數(shù)值u，當(dāng)該交流電壓和數(shù)值為u的直流電壓分別施加于同一電阻上時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)兩者產(chǎn)生的熱量相等。則數(shù)學(xué)式可表示為 ，實(shí)質(zhì)上即數(shù)學(xué)上的均方根定義，因此電壓有效值有時(shí)也寫(xiě)作urms。
圖3 交流電壓的有效值曲線(xiàn)
對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=upsin(ωt)，若ω=2π/t ，
有效值：
4．波形系數(shù)與波峰系數(shù)
交流電壓的有效值、平均值和峰值間有一定的關(guān)系，可分別用波形因數(shù)(或稱(chēng)波形系數(shù))及波峰因數(shù)(或稱(chēng)波峰系數(shù))表示。
波形系數(shù)kf，定義為該電壓的有效值與平均值之比；
波峰系數(shù)kp ，定義為該電壓的峰值與有效值之比
對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=upsin(ωt)，若ω=2π/t，
波形系數(shù)：
波峰系數(shù)：
同理：我們可以得到不同波形交流電壓的參數(shù)，如表1所示。
（注：這里a=up，即電壓峰值）
表1 不同波形交流電壓的參數(shù)
二、交流電壓的測(cè)量方法
測(cè)量交流電壓的方法很多，依據(jù)的原理也不同。其中最主要的是利用交流／直流(ac／dc)轉(zhuǎn)換電路將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后再接到直流電壓表上進(jìn)行測(cè)量。
根據(jù)ac／dc轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型，可分成檢波法和熱電轉(zhuǎn)換法。根據(jù)檢波特性的不同，檢波法又可分成平均值檢波、峰值檢波、有效值檢波等。
模擬電壓表組成方案
檢波器是實(shí)現(xiàn)交流電壓測(cè)量（ac-dc變換）的核心部件，同時(shí)，為了測(cè)量小信號(hào)電壓，放大器也是電壓表中不可缺少的部件，因此，組成方案有兩種類(lèi)型：
一種是先檢波后放大，稱(chēng)為檢波-放大式；
一種是先放大后檢波，稱(chēng)為放大-檢波式。
模擬電壓表的兩個(gè)重要指標(biāo)：帶寬和靈敏度(分辨力)。
檢波-放大式和檢波-放大式的特點(diǎn)：檢波二極管的非線(xiàn)性，限制了檢波—放大式電壓表的靈敏度，因此雖然其頻率范圍較寬，但測(cè)量靈敏度一般僅達(dá)到mv級(jí)。
而對(duì)于放大—檢波式電壓表，由于受到放大器增益與帶寬矛盾的限制，雖然靈敏度可以提高，但頻率范圍卻較窄，一般在10mhz以下。
1.峰值電壓表
圖4 峰值電壓表的組成原理框圖
峰值電壓表常用檢波—放大式類(lèi)型，這類(lèi)電壓表靈敏度較低，一般為幾十毫伏。測(cè)量電壓的上限取決于檢波二極管的反向擊穿電壓。工作頻率范圍取決于檢波二極管的高頻特性，一般可達(dá)幾百兆赫茲，檢波-放大式電壓表常稱(chēng)為“高頻毫伏表”或“超高頻毫伏表” 。如國(guó)產(chǎn)da36型超高頻毫伏表，頻率范圍為10khz～1000mhz，電壓范圍(不加分壓器)1mv～10v。
為提高靈敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斬波穩(wěn)零式直流放大器，其靈敏度可達(dá)幾十微伏。
2.平均值電壓表
圖5 平均值電壓表的組成原理框圖
該表又稱(chēng)為放大-檢波式電壓表，先放大再檢波，在平均值電壓表中，檢波器對(duì)被測(cè)電壓的平均值產(chǎn)生響應(yīng)，一般的“寬頻帶毫伏表”基本屬于這一類(lèi)。這種電壓表的頻率范圍主要受到放大器帶寬的限制，而靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲的限制，一般可以做到毫伏級(jí)。因此靈敏度很高。典型的頻率范圍為20hz-10mhz，故又稱(chēng)為視頻毫伏表，主要用于低頻電壓測(cè)量。
3. 有效值電壓表
以上均值表、峰值表測(cè)的不是有效值，只是按有效值讀數(shù)，故實(shí)為偽有效值。
而有效值電壓表，直接獲得有效值，是真有效值表。
有效值電壓表實(shí)現(xiàn)方案主要有兩種：有效值的物理定義----熱電偶式；有效值的數(shù)學(xué)定義----計(jì)算式。
表2 三種電子電壓表主要特性比較
4.外差式電壓表
檢波二極管的非線(xiàn)性，限制了檢波—放大式電壓表的靈敏度，因此雖然其頻率范圍較寬，但測(cè)量靈敏度一般僅達(dá)到mv級(jí)。
而對(duì)于放大—檢波式電壓表，由于受到放大器增益與帶寬矛盾的限制，雖然靈敏度可以提高，但頻率范圍卻較窄，一般在10mhz以下。
同時(shí)兩種方式測(cè)量電壓時(shí)，都會(huì)由于干擾和噪聲的影響而妨礙了靈敏度的提高。外差式電壓測(cè)量法在相當(dāng)大的程度上解決了上述矛盾。
圖6 外差式電壓表的組成原理框圖
外差式選頻電平表通過(guò)外差式接收機(jī)擴(kuò)展了頻率范圍，通過(guò)窄帶中頻放大實(shí)現(xiàn)高靈敏度。很好地解決了測(cè)量靈敏度與頻率范圍的矛盾。被測(cè)電壓的放大主要由后面的中頻放大器完成。被測(cè)信號(hào)經(jīng)輸入電路，與本振信號(hào)一起進(jìn)入混頻器轉(zhuǎn)變成頻率固定的中頻信號(hào)，經(jīng)中頻放大器放大后進(jìn)入檢波器轉(zhuǎn)變成直流電壓推動(dòng)表頭顯示。
由于中頻放大器具有良好的頻率選擇性和固定中頻頻率，從而解決了放大器 增益帶寬的矛盾；又因?yàn)橹蓄l放大器的極窄的帶通濾波特性，因而可以在實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí),有效地削弱干擾和噪聲(它們都具有很大的帶寬)的影響，使測(cè)量靈敏度提高到llv級(jí)， 因此稱(chēng)為“高頻微伏表”。典型的外差式電壓表如dw—1型高頻微伏表，最小量程15,v， 最大量程15mv(加衰減器可擴(kuò)展到1.5v)，頻率范圍從100khz到300mhz，分8個(gè)頻段，基本誤差為13％。
三、平均值電壓的測(cè)量
1.平均值檢波器的工作原理
圖7 常用的平均值檢波電路
當(dāng)測(cè)量任意波形電壓時(shí)，將從電壓表刻度盤(pán)上取得的示值先除以定度系數(shù)，折算成正弦波電壓（取絕對(duì)值）的平均值；再按平均值相等示值也相等的原則，用波形系數(shù)換算出被測(cè)的非正弦波電壓有效值。
原理均值響應(yīng)，即：u(t) à放大à均值檢波à驅(qū)動(dòng)表頭
刻度特性
圖8 平均值檢波刻度曲線(xiàn)圖
表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此：
當(dāng)輸入u(t)為正弦波時(shí)，讀數(shù)α即為u(t)的有效值v（而不是該純正弦波的均值）。
對(duì)于非正弦波的任意波形，讀數(shù)α沒(méi)有直接意義（既不等于其均值也不等于其有效值v）。但可由讀數(shù)α換算出均值和有效值。
刻度特性
由讀數(shù)α換算出均值和有效值的換算步驟如下：
第一步，把讀數(shù)α想象為有效值等于α的純正弦波輸入時(shí)的讀數(shù)，即
第二步，由 計(jì)算該純正弦波均值
第三步，假設(shè)均值等于的被測(cè)波形（任意波）輸入 ，即
注：“對(duì)于均值電壓表，（任意波形的）均值相等，則讀數(shù)相等” 。
第四步，由，再根據(jù)該波形的波形因數(shù)（查表可得），其有效值
上述過(guò)程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下：
上式表明，對(duì)任意波形，欲從均值電壓表讀數(shù)α得到有效值，需將α乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數(shù)α即為正弦波的有效值）。
綜上所述，對(duì)于任意波形而言，均值電壓表的讀數(shù)α沒(méi)有直接意義，由讀數(shù)α到峰值和有效值需進(jìn)行換算，換算關(guān)系歸納如下：
式中，α為均值電壓表讀數(shù)，kf為波形因數(shù)。
波形誤差：若將讀數(shù)α直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差
四、有效值電壓的測(cè)量
有效值電壓表工作原理：
真空或半導(dǎo)體二極管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律關(guān)系，如圖9所示。圖中e0為偏置電壓，當(dāng)信號(hào)電壓ux較小時(shí)，有
圖9 平方率的獲得
式中k是與二極管特性有關(guān)的系數(shù)(稱(chēng)為檢波系數(shù)).由于電容c的積分(濾波)作用，流過(guò)微安表的電流正比于i的平均值，即，從而實(shí)現(xiàn)了有效值轉(zhuǎn)換。
另一種有效值轉(zhuǎn)換的方法是利用熱電偶來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
圖1 電熱偶轉(zhuǎn)換原理
圖中，直流電流i與被測(cè)電壓u(t)的有效值v的關(guān)系：
電流i∝?zé)犭妱?dòng)勢(shì)∝?zé)岫伺c冷端的溫差，而熱端溫度∝u(t)功率∝u(t)的有效值v的平方，故， 。
表頭刻度線(xiàn)性化處理：采用兩對(duì)相同的熱電偶，分別稱(chēng)為測(cè)量熱電偶和平衡熱電偶，如圖11。
圖11 熱電式有效值電壓表原理圖
上圖中，通過(guò)平衡熱偶形成一個(gè)電壓負(fù)反饋系統(tǒng)。
測(cè)量熱偶的熱電動(dòng)勢(shì)ex∝v2，令ex=k1v2 ；
平衡熱偶的熱電動(dòng)勢(shì)ef∝vo2，及ef =k2vo2 ；
假如兩對(duì)熱偶具有相同特性，即k1=k2=k ，==〉
則差分放大器輸入電壓vi=ex-ef=k(v2- vo2) ，
若放大器增益足夠大，則有vi=0，==〉vo=v （即輸出電壓等于u(t)有效值）
有效值電壓表的特點(diǎn)：理論上不存在波形誤差，因此也稱(chēng)真有效值電壓表（讀數(shù)與波形無(wú)關(guān)）。
計(jì)算式方法構(gòu)成有效值電壓表
，
硬件實(shí)現(xiàn)------有專(zhuān)用ic，如ad637
圖12 計(jì)算式構(gòu)成有效值電壓表框圖
五、峰值電壓的測(cè)量
峰值電壓表工作原理：屬檢波―放大式電子電壓表，又稱(chēng)為超高頻毫伏表。它由峰值檢波器（置于機(jī)箱外探頭中）、分壓器、直流放大器和微安表等組成（置于電壓表機(jī)箱中），如下圖所示。
圖3-15 峰值電壓表原理圖
圖13 常見(jiàn)峰值表的檢波電路
條件：