如何選擇電壓測試模式

　　在工程師的日常測試中，有時會發現用萬用表測試的結果與許多高精度的儀器測試的結果並不一致，工程師往往會陷入迷茫，到底哪個值才是正確的?原來，選擇不同的測量模式，會導致結果大相逕庭，本文將對最常見的4種測量模式進行解析，大家莫要傻傻分不清。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/311297.htm

　　測試同樣一個信號，不同的計算方式與測量模式將會得出完全不同的結果，最常用的4種測量模式包括：RMS(真有效值也稱有效值或均方根值)、MEAN(校準到有效值的整流平均值也稱校正平均值)、DC(簡單平均值也稱直流分量)、RMEAN(整流平均值也稱平均值)。每一種測量模式是怎麼計算的，如何應用，本文將進行詳細說明。

　　

 

　　RMS(真有效值)

　　真有效值簡單而言即代表一交流電相當於多大數值的直流電在單位時間內所做的功，真有效值為10V的交流電與10V的直流電對相同的負載在相同的時間下所做的功相同。舉個例子來說有一組100伏的電池組，每次供電10分鐘之後停10分鐘(模擬出交流信號)，如果這組電池帶動的是10Ω電阻，供電的10分鐘內，產生的電流I=U/R=10A，功率P=U*I=1000W的功率，停電時電流和功率為零,那麼在20分鐘的其平均功率為500W。這相當於多少V的直流電向10Ω電阻供電所產生的功率呢?通過公式P=U2/R推導，得出電壓U等於70.71V，這個電壓就是我們模擬的交流信號的真有效值。

　　

 

　　真有效值的理論計算公式為

，在儀器測量中，計算值是基於採樣點計算得到，因此儀器中的真有效值的計算公式為：，因其計算過程為先平方，再求和，最後開根號，所以又稱均方根值。由公式可知採樣點數N會直接影響結果的準確性。平時我們用萬用表、功率分析儀測試電壓都採用RMS模式，對於工頻情況下的規則正弦波而言，萬用表與功率分析儀測試結果幾乎沒有區別，但是假如電壓信號不是規則的正弦波或頻率比較高時，萬用表受限於其採樣點數，其測試結果會出現明顯偏差，這也是現在變頻行業萬用表測不準的原因所在。

 

　　DC(簡單平均值-直流偏置)

　　對於DC值，理解起來就比較簡單，那就是被測信號中所含有的直流分量，比如我們日常生活中的單相工頻電，理論上其DC值為0，DC值的計算公式為：,在測試過程中可以切換到Udc模式，查看信號的直流分量。

 

　　RMEAN(整流平均值)

　　整流平均值簡單而言即代表此一交流電在全波整流後相同時間內波形圍出的面積與多大數值直流信號圍出的面積相同。假設有一周期為T的交流電壓，經過整流後，在一周期內圍出的面積為：，而同一時間的直流信號圍出的面積為：S2=U*T，S1=S2，故Urmn值理論上為可得到：

 

　　

 

　　同樣在測試儀器中，計算值是基於採樣點計算，可以得到Urmn值為：。整流平均值在平時測試時使用的較少，但其存在有很大的意義，為什麼呢?我們接下來看。

 

　　MEAN(校正平均值)

　　校正平均值一般用於替代正弦交流電的有效值。依據是正弦波的波形因數是一個常數，測量出整流平均值之後，乘以波形因數就得到校準平均值，而這個校正平均值在數值上等於正弦信號的有效值。正弦波的波形因數為，因此，校準平均值=*整流平均值，即，由公式可知波形因數固定為，所以校正平均值等於有效值只有在被測信號為正弦波時才成立，反之也可以認為校正平均值反映的是基波有效值，因此在一定程度上Umn值可以作為基波有效值，特別是在變頻器等場合經常被用到。但是需要強調的是，隨著技術的發展，調製信號並非正弦，PWM波往往是脈衝或方波，所以只用Umn值來代替基波有效值還是存在誤差，最好的方式是通過功率分析儀的FFT運算後，列出各次諧波含量，直接查看基波數據。

 

　　看到這裡，已經闡述了4種電壓模式的基本概念了，下面我們用兩個實際測試數據來對比各種電壓模式。

　　案例一，測試電網電壓，為了得到更標準的正弦波消除諧波的影響，我們在測試時加了100Hz的線路濾波器，如下圖所示：

　　

 

　　測試得到各個模式數據如下：

　　

 

　　從數據中可以看到，因為是正弦波Urms和Umn非常接近，Udc≈0，Umn和Urmn相比等於1.1107≈，圖中Cff1就是波形因素，Cff1=1.110，也驗證了被測信號是非常規則的正弦波。

　　案例二，測試一個直流信號，查看各個模式下電壓的數據，如下圖所示：

　　

 

　　因為是直流信號，所以測試得到的Urms、Udc、Urmn值相等，而Umn是通過Urmn計算得到，所以Umn值不等於Urms。從圖中可以看到Uff=1.000，說明直流信號的波形因素為1。

　　通過以上分析，我們知道了不同模式下的數據含義，以及在不同場合如何選擇合適的模式來查看自己所需的數據。以上的案例數據是通過致遠電子的PA系列功率分析儀測試所得，PA系列功率分析儀提供多種電壓模式以滿足不同客戶應用需求，適用於各種功率場合測量測試，在國內外得到了用戶的廣泛認可。