交流电压电流表设计：从整流到真有效值测量

交流电动式表头通常分两类：直流 (DC) 设计改造型和专为交流测量设计型。

永磁动圈 (PMMC) 表头不可直接接交流。指针随每半周振荡，产生无用抖动（见下图）。

永磁装置像电机，依赖施加电压极性或电流方向。交流施加时极性每半周反转，致指针来回摆动。

交流通过 D'Arsonval 表头产生快速无效指针抖动。

要使用 DC 型表头如 D'Arsonval 设计，交流信号须先整流为直流。最常用法用二极管，作电流单向阀。四二极管桥式整流确保表头电流始终单向，无论交流周期。

桥式整流交流驱动表头使指针持续单向偏转。

另一种途径设计专用交流表头，避免 DC 型固有极性敏感。常用法用非磁化铁叶片，被通以被测交流量的固定线圈吸引，如下图：

铁叶片电动式表头。

两金属板间气隙静电吸引也能产生与施加电压成比例的指针驱动力。此法交直流均适用，但力极小，机构脆弱易受干扰。尽管如此，静电表头极高输入阻抗、无需外部分压电阻即可测高压，对高压交流应用有吸引力。

当静电或其他基本表头需校准供交流用，串联“倍压”电阻或分压电阻分压器用于扩展量程，同直流表头设计：

倍压电阻 (a) 或分压器 (b) 扩展基本表头量程。

用电容代替电阻分压提供无损耗方案，消除发热。此技术在高压交流测量中特别有利。

采用容性分压器的交流电压表。

对固有电容性静电表头，串联单个“倍压”电容可扩展可测电压范围，类比动圈表头电阻倍压器。

静电表头可用容性倍压器扩展量程。

阴极射线管 (CRT) 测量法在直流章描述，也适合交流电压测量。电子束横向扫描屏幕同时交流信号驱动垂直偏转，设备可显示波形形状，不止幅值读数。但 CRT 笨重、耗能大、抽真空玻璃脆弱，限制实用性。

电动式交流表头仍在许多应用中扮演关键角色。设计者用户共同关键考量是 RMS（均方根）值测量，提供交直流功率有意义比较。

整流 D'Arsonval、铁叶片、静电表头天然给出瞬时信号平均值，但此平均值不等于 RMS。下表列示正弦、方波、三角波 RMS、平均、峰峰值关系：

正弦、方波、三角波 RMS、平均、峰峰值关系。

因电动式表头固有报告平均值，设计常“作弊”假设波形为纯正弦。正弦波 RMS = 0.707 峰值，平均 = 0.637 峰值，二者比得平均-RMS 换算因子 1.109：

据此表头校准指示约 1.11 倍自然读数，与正弦波真 RMS 对齐。此法对非正弦波形（三角、方波）失效，因 RMS-平均比显著不同。

方波 RMS 等平均值，三角波换算因子不同。现代电力系统谐波失真普遍时这些差异成关键。

CRT 表头显示波形峰值或峰峰值，同样面临此限制；从峰值确定 RMS 需知波形形状。

更稳健方案是设计直接测 RMS 表头，利用 RMS 定义为交流信号在已知电阻负载产生热值。将交流源接已知电阻，用热电偶测量所得热，表头可给出与波形无关的真 RMS 读数：

直接读数热式真 RMS 电压表适应任意波形。

概念虽直观，工程实现有挑战。但将电功率转热测热原理已用于高端手持万用表实现真 RMS 能力。

校准交流电压表电流表跨量程遵循直流仪表相同原则：串联倍压电阻（或电容）扩展电压量程，并联分流电阻适应大电流。此外变压器——尤其电压互感器 (PT) 和电流互感器 (CT)——实现电磁量程换挡，允许小表头测大电压电流并提供电气隔离。

CT 降流；PT 降压。

典型三相交流配电柜中，环形 CT 置于表壳后，三 5 A 满量程交流电流表指示各导体经 CT 电流。柜退役时 CT 留存但导体不再：

环形 CT 将高电流降档供 5 A 交流电流表。

因仪用变压器昂贵且常大尺寸，保留用于高压大电流场合。低量程测量——如毫安表扩至 120 V 或 5 A——用精密电阻（倍压、分流）同直流表。

• 极性 (DC) 表头需二极管测交流量。
• 电动式表头——无论电磁或静电——天然给平均值；仅预知波形形状时可校准指示 RMS。
• 真 RMS 表头采用专用技术无论波形给准确 RMS 指示。