万用表上的dB刻度

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在万用表的表面上,除标有电压、电流、电阻等刻度线以外,一般还标有一条-10、0、+10……+22dB的刻度线(见图)。这条刻度线是测量什么内容的,又是怎样进行测量呢?下面我们就谈谈这个问题。

图1
图1 🔍原图 (495×231)

在无线电及各种电子技术领域中,为了表示电路中某点信号的大小。除了采用功率、电压、电流这些电量之外,还常常采用“电平”这个电量,dB就是电平的单位。那么dB的具体含意是什么呢?下面举例说明。

设一个放大器的输入信号功率为P\(_{i}\),输出信号功率为Po,则该放大器的功率放大倍数K\(_{p}\)=Po/P\(_{i}\)。这是功率放大的一种表示方法。如果我们把Kp的值取常用对数,就得到功率放大的另一种表示方法G\(_{p}\)=lgP\(_{o}\)/Pi=l\(_{g}\)Kp。G\(_{p}\)就是放大器的功率增益用电平表示的数值,其单位是“贝尔”。显然,贝尔数=lgP\(_{o}\)/Pi。在实际使用中,贝尔这个单位则嫌太大,因此一般只取贝尔的十分之一作为电平的单位,称为分贝,用dB表示,于是可得分贝数=10×贝尔数=10l\(_{g}\)Po/P\(_{i}\)。

上面我们是以输入量P\(_{i}\)为基准,来表达输出量Po的相对大小的(这就好像我们在描述某座山的高度时,把它和另一座山比较一样),这种以任意指定量为基准通过比较而得到的电平值称为相对电平。在通信系统中,常用绝对电平来表示信号的强弱。所谓绝对电平就是规定以600Ω阻抗上产生的lmW的功率作为基准功率,定义为零电平,各测量点的功率均和1mW的功率作比较,而得出的电平数值(这就好像描述山的高度时一律和海平面作比较,即海拔多少一样)。用公式表示,绝对电平值G\(_{p}\)=10lg\(\frac{P(mW)}{1(mW)}\)dB。显然,P>1mW为正电平,P<1mw为负电平。例如某放大器输入、输出阻抗均为600Ω,输入功率为0.1mW,输出功率为1W,则放大器输入端的绝对电平为Gp=10l\(_{g}\)0.1=-10dB输出端的绝对电平为Gp=10l\(_{g}\)1000=30dB,输出电平比输入电平提高30-(-10)=40dB。

用电平来表示电路中某点信号的强弱有什么优点呢?第一,人耳具有这样的特点:当输入扬声器的功率增大时,我们听到的声音的响度并不是与输入功率成正比地增大,而是按以10为底的对数关系增大。所以采取对数的形式来表示两个电量的相对大小,符合人的感官对电量的辨别规律,这是它的主要优点。其次,采用对数的方法表示电平值能使电量的数量级大大缩小,因而使计算简化。例如某放大器的P\(_{i}\)=1mW,Po=100W,则功率放大倍数为P\(_{o}\)/Pi=100/1×10\(^{-}\)3=100000倍。如用电平表示,则为10l\(_{g}\)Po/P\(_{i}\)=50dB。又如一个多级放大器的总电压增益等于各级电压增益的乘积,即K总=K\(_{V1}\)·KV2……K\(_{Vn}\),这个数字是很大的,若改用电平表示,根据对数的运算法则,则可将乘法变成加法。

知道了dB的意义之后,我们再来介绍万用表上那条dB刻度线。

我们知道,功率、电压和电阻的关系式为P=V\(^{2}\)/R,根据此式可推出lmW的功率在600Ω电阻上所产生的电压为V=\(\sqrt{1×1}\)0-3×600=0.775伏。我们已知绝对电平的表示式为G\(_{p}\)=10lg\(\frac{P}{_{o}}\)1mW,Po为测量点的功率。将此式变换可得G\(_{p}\)=101gP\(_{o}\);1mW=10lg\(\frac{V}{_{o}}\)\(^{2}\)RL/(0.775)2;600=20l\(_{g}\)Vo0.775+10l\(_{g}\)600;RL,式中V\(_{o}\)为测量点的电压,RL为测量点的阻抗。如果RL=600从刚10l\(_{g}\)\(\frac{600}{R}\)L=10l\(_{g}\)1=0,于是Gp=20l\(_{g}\)Vo;0.775(V)。此式表明,只要我们知道了阻抗为600Ω的电路上某点的电压值V\(_{o}\),就可以将Vo转换成相应的绝对电平值,dB这条刻度线就是依据这种关系画出的。大家会注意到,一般在dB刻度线下面标有0dB=lmW600Ω,这就是告诉我们,该表是以1mW作为测试零电平的,折合成600Ω电阻上的电压则为0.775伏。如果被测点的交流电压为V\(_{1}\),则其绝对电平的分贝数便为Gp=20l\(_{g}\)V10.775dB。例如测出的电压为0.775伏,则G\(_{p}\)=20lg0.775;0.775=20l\(_{g}\)l=0dB;若测出的电压为7.75伏,则Gp=20l\(_{g}\)7.750.775=20lg10=20dB,其余类推。

在万用表中,测量分贝与测量交流电压公用一个电路,因此测量dB时要与测量交流电压一样,把转换开关放在V~位置,再根据被测交流电压的大小选择量程,测量结果对照表面上的附表在dB刻度线上读出。

为什么要对照附表读出呢?因为在表面上只画出了一条-10~+22dB的刻度线,这是由于量程所限,只是在10V档的电压范围内画的,如果把量程放在50V档测量,由于电压范围扩大了5倍,按分贝的定义可折算成14分贝,即G\(_{p}\)=20lg\(\frac{V}{_{1}}\)×50.775=20lgV\(_{1}\);0.775+20lg5=表针指示数+14分贝。所以在50V档量程内所有的读数,都应比表盘上的指示数增加14分贝。

图2
图2 🔍原图 (237×241)

同理,量程在100伏档、250伏档测量时,要把读数分别相应增加20分贝、28分贝。附表所列数值就是告诉我们,在改变量程时注意将指示数增加相应的分贝数。例如,量程置250伏档,表针指示数为10分贝,对照附表第四行,实际读数应为10+28=38分贝。

需要说明,万用表上的电子刻度是在600Ω电阻上把1mW的功率转换成0.775伏电压以后画出的,因此只有当被测电路的阻抗为600Ω时,电表的指示才是正确的。这是因为电平是用来表示功率增益的,而两个测量点即使是功率相同,如果阻抗不同;则它们的电压就不同,因此表针的指示也不同。当电路的阻抗不是600Ω时,应当加校正系数。前面已经谈过,假设P\(_{o}\)为测量点的功率,则其绝对电平为20lgVo0.775+10l\(_{g}\)600;RL,式中V\(_{o}\)为测量点电压,RL为测量点的阻抗。上式中的20l\(_{g}\)Vo0.775即为万用表上读出的dB值,当R\(_{L}\)≠600Ω时,10lg600;R\(_{L}\)便不为0,它就是应当加的校正系数。

那么为什么要规定阻抗为600Ω这个数字呢?这是因为我国通信线路所采用的架空明线,其特性阻抗为600Ω,通信终端设备和它们的测量仪表输H输出阻抗一般也都设计为600Ω,所以万用表的dB刻度都是根据600Ω的阻抗标出来的。

另外,万用表的交流电压档工作频率一般为45~1000Hz,所以测试的信号频率超过1000Hz时,测出的电平将会偏小,而且信号应为正弦波,如果是非正弦信号,如语言、音乐信号等,测出的值不能认为是电平值。(春荣)