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1、电子测量技术与仪器,课程简介,第一部分测量总论及误差理论，介绍测量的基本概念、技术方法及系统组成，误差理论和数据处理等。第二部分基本电参量测量，包括频率、电压、阻抗等第三部分时域测量，以示波器为背景介绍时域信号波形的采集、显示及应用技术。第四部分频域测量，重点讨论频域中的信号频谱和网络性能的测量，介绍测量激励信号源的基本工作原理。第五部分数域测量，介绍数字系统的基本测量原理和方法，包括数字信号的产生、逻辑分析、可测性设计及数字系统测试的典型实例。第六部分测量系统集成，阐述组建测量系统的硬件平台、软件平台、总线标准、通信技术等。,学习任务和目的,本课程的任务是使学生了解电子测量中最基本的测量原理
2、和测量方法，具备一定的测量误差分析和测量数据处理能力；对现代新技术在电子测量中应用有一定的了解；对频率、相位、电压等常用电学量的测量方法，具备一定的知识，以适应近年来电子测量技术的飞速发展，掌握测量与计量的基本概念；掌握示波测试和图象显示原理，熟知通用示波器的结构的使用；掌握电子计数器的测频原理和误差分析，熟悉频率计数器的结构和工作原理；掌握电压测量的主要技术要求和各类型电压测量仪器的特性用使用方法，熟练掌握交流电压的三种模拟测量方法；掌握信号频谱分析仪及使用；了解近代电子测量的主要特点和发展过程及微机智能芯片在电子测量测量仪器中的广泛应用使其更具智能化。课程为学生今后工作中将遇到的大量近代测
3、量问题准备必要的理论基础和实际知识。,第1章 电子测量与仪器基本概念,1.1 测量概述,1.1.1 测量的意义 日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量，离开测量就不会有真正的科学。,没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业,生产发展离不开测量 农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。现代化的工业生产中，处处离不开测量 例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下
4、的性能，通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。,1.狭义测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。,测量结果测量数值.测量单位，即：,测量的内涵 测量对象：被测客体中的相应的量值信息；测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；测量过程:通过实验去认识对象的过程测量方法：比较；A.直接比较 B.间接比较；C.需要测量仪器；测量标准：同类已知单位。测量结果：最终能表示给测量主体（人）,被测物体的重量等于标准砝码的重量,被测物体的重量从度盘上读数
5、，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。,2.广义测量的定义广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息的感知和信息识别两个环节。,3.测量的基本要素被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境,电子测量,1.电子测量的意义20世纪30年代，便开始了测量科学与电子科学的结合，产生了电
6、子测量技术 处理信息最有效、最成功的是电子科学技术 具有极快的速度 具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。极有利于信息传递 极为灵活的变换技术。巨大的信息处理能力,2.电子测量的内容,从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段而进行的测量，即以电子科技理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量所进行的测量。,电子测量的内容是：（1）按具体的测量对象来分类，包括下列电参数的测量电能量的测量 包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等的测量。电路参数的测量 包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数
7、等的测量。电信号特征的测量 包括信号、频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数字信号的逻辑状态等的测量。电子设备性能的测量 包括放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。特性曲线的测量 包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。,（2）按基本的测量对象来看，电子测量是对电信号和电系统的测量：电子测量的基本对象是未知的信号与系统 电子测量的基本工具是已知的信号与系统 电子测量的基本工作机理是信号与系统的相互作用,3.电子测量的特点,（1）测量频率范围宽。被测信号的频率范围除测量直流外，测量交流信号的频率范围低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=10
8、12Hz）（2）量程范围宽。如数字万用表对电压测量由纳伏（nV）级至千伏（kV）级电压，量程达12个数量级（3）测量准确度高。例如，用电子测量方法对频率和时间进行测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准，可以使测量准确度达到10-1310-14的数量级。（4）测量速度快。因为电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作（5）易于实现遥测（6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化,4.测量方法的分类概述,直接测量与间接测量（1）直接测量用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值。（2）间接测量对与未知待测量y有确切函数关系的其他变量x（或n个变量）进行直接测量，然后再通过函数，计算出待测
9、量y。（3）组合测量,频域、时域、数域及随机域测量,1.频域测量技术：幅值和相位随频率的变化（1）正弦波点频法（2）正弦波扫频法 2.时域测量技术：幅值随时间的变化测试信号是脉冲、方波及阶跃信号3.频域测量和时域测量比较频域测量和时域测量是测量线性系统性能的两种方法，是从两个不同的角度去观测同一个被测对象，其结果应该是一致的。从理论上讲，时域函数的付里叶变换就是频域函数，而频域函数的付里叶逆变换也就是时域函数。,4.随机测量技术：测量噪声信号和使用随机信号源噪声是一种与时间因素有关的随机变量，对噪声的研究使用概率统计方法 主要包括下述三个内容：（1）噪声信号统计特性的测量，如时域中的均值、均方
10、根性，频域中的频谱密度函数、功率谱密度函数等；（2）将已知特性的噪声作激励源对被测系统进行统计性测量，研究被测系统的特性；（3）在背景噪声信号不可忽略时对信号、特别是微弱信号的精确测量。,5.数字测量技术：测量数字系统的功能和故障诊断 对数字系统进行测量的基本方法是：在输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；不一致则表示系统有故障。,LSI测试系统的简化框图,静态、稳态和动态测量,静态测量：对不随时间变化的（静止的）物理量进行的测量动态测量：对随时间不断变化的物理量进行的测量。在电子测量中常见的动态信号有两种：幅值随时间变化的信号：指非周期性信
11、号、幅值瞬变或跃变信号；频率随时间变化的信号：指正弦波扫频信号或频率瞬变的周期性信号。,1.2 测量误差分析,1.2.1 测量误差根据测量误差的性质，测量误差可分为随机误差、系统误差、粗大误差三类。1.随机误差定义:在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差或偶然误差，简称随差。随机误差主要由对测量值影响微小但却互不相关的大量因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、测量人员感官的无规律变化等。,
12、例：对一不变的电压在相同情况下，多次测量得到 1.235V，1.237V，1.234V，1.236V，1.235V，1.237V。单次测量的随差没有规律，但多次测量的总体却服从统计规律。可通过数理统计的方法来处理,即求算术平均值,2.系统误差定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位误差，或值随温度变化的误差。产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正确，环境因素（温度、湿度、电源等）影响，测量原理中使用近似计算公式，测量人员不良的读数习惯等。系统误差表明了一个测量结果偏离真
13、值或实际值的程度。系差越小，测量就越准确。系统误差的定量定义是：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。即,3.粗大误差：粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。产生粗差的原因有：测量操作疏忽和失误 如测错、读错、记错以及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等。测量方法不当或错误 如用普通万用表电压档直接测高内阻电源的开路电压测量环境条件的突然变化 如电源电压突然增高或降低，雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。含有粗差的测量值称为坏值或异常值，在数据处理时，应剔除掉。,4.系差和随差的表达式在剔除粗大误差后，只剩下系统误差和随机误差各次测得值的
14、绝对误差等于系统误差和随机误差的代数和。在任何一次测量中，系统误差和随机误差一般都是同时存在的。系差和随差之间在一定条件下是可以相互转化,5.测量结果的表征,准确度表示系统误差的大小。系统误差越小，则准确度越高，即测量值与实际值符合的程度越高。精密度表示随机误差的影响。精密度越高，表示随机误差越小。随机因素使测量值呈现分散而不确定，但总是分布在平均值附近。精确度用来反映系统误差和随机误差的综合影响。精确度越高，表示正确度和精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。,射击误差示意图,1.2.2 测量结果的数据处理,有效数字的处理1.数字修约规则由于测量数据和测量结果均是近似数，其位数各不相同。为
15、了使测量结果的表示准确唯一，计算简便，在数据处理时，需对测量数据和所用常数进行修约处理。数据修约规则：（1）小于5舍去末位不变。（2）大于5进1在末位增1。（3）等于5时，取偶数当末位是偶数，末位不变；末位是奇数，在末位增1（将末位凑为偶数）。,例：将下列数据舍入到小数第二位。12.434412.43 63.7350163.740.694990.69 25.325025.3217.695517.70 123.1150123.12需要注意的是，舍入应一次到位，不能逐位舍入。上例中0.69499，正确结果为0.69，错误做法是：0.694990.69500.6950.70。在“等于5”的舍入处理上
16、，采用取偶数规则，是为了在比较多的数据舍入处理中，使产生正负误差的概率近似相等。,2.有效数字若截取得到的近似数其截取或舍入误差的绝对值不超过近似数末位的半个单位，则该近似数从左边第一个非零数字到最末一位数为止的全部数字，称之为有效数字。例如：3.142四位有效数字，极限误差0.00058.700四位有效数字，极限误差0.0005 8.7103二位有效数字，极限误差0.05103 0.0807三位有效数字，极限误差0.005,中间的0和末尾的0都是有效数字，不能随意添加。开头的零不是有效数字。测量数据的绝对值比较大（或比较小），而有效数字又比较少的测量数据，应采用科学计数法，即a10n，a的位
17、数由有效数字的位数所决定。测量结果（或读数）的有效位数应由该测量的不确定度来确定，即测量结果的最末一位应与不确定度的位数对齐。例如，某物理量的测量结果的值为63.44，且该量的测量不确定度u0.4，测量结果表示为63.40.4。,3.近似运算法则保留的位数原则上取决于各数中准确度最差的那一项。（1）加法运算以小数点后位数最少的为准（各项无小数点则以有效位数最少者为准），其余各数可多取一位。例如：（2）减法运算：当两数相差甚远时，原则同加法运算；当两数很接近时，有可能造成很大的相对误差，因此，第一要尽量避免导致相近两数相减的测量方法，第二在运算中多一些有效数字。,（3）乘除法运算以有效数字位数最
18、少的数为准，其余参与运算的数字及结果中的有效数字位数与之相等。例如：也可以比有效数字位数最少者多保留一位有效数字。例如上面例子中的517.43和4.08各保留至517和4.08，结果为35.5。（4）乘方、开方运算：运算结果比原数多保留一位有效数字。例如：（27.8）2772.8(115)21.322104,1.3电子测量仪器概述,电子测量仪的分类书第8页按功能分：专用、通用通用：1、信号发生器用于提供测量所需的各种波形的信号2、信号分析仪（观测、分析、和记录各种电量变化）3、网络特性测量仪器（频率特性、阻抗特性）电子元器件测试仪器，电波特性测试仪及辅助仪器,1.3.2 电子测量仪器的技术条件
19、及误差,1.技术条件技术条件是规定仪器的用途、工作特性、工作条件，以及运输、贮存条件的技术文件。所以，它既是设计制造厂商的产品标准，也是用户正确使用和维护仪器的重要依据。仪器的用途：是研制或使用仪器的目的，它决定了仪器的功能，同时与仪器的工作条件、工作特性等密切相关。测量仪器的工作特性：是用数值、公差范围等来表征仪器性能的量值，习惯上又称为技术指标。分为电气工作特性和一般工作特性两类 仪器的工作条件：分基准、额定和极限三种。,2.工作特性及仪器误差测量仪器的工作特性（技术指标）包括误差；稳定性；分辨力；有效范围（量程）；测试速率；可靠性 等测量仪器的容许误差可用工作误差、固有误差、影响误差、稳
20、定误差等来描述。为了保证测量仪器示值的准确，仪器出厂前必须由检验部门对误差指标进行检验。在使用期间，必须定期进行校准检定，凡各项误差指标在容许误差范围之内，仪器视为合格。（1）工作误差工作误差是在额定工作条件下仪器误差的极限值,（2）固有误差：固有误差在规定的一组影响量的基准条件下给出的误差,（3）影响误差影响误差是用来表明一个影响量对仪器测量误差的影响。例如温度误差、频率误差。它是当一个影响量在其额定使用范围内（或一个影响特性在其有效范围内）取任一值，而其它影响量和影响特性均处于基准条件时所测得的误差。（4）稳定误差稳定误差是仪器的标称值在其他影响量和影响特性保持恒定的情况下，于规定时间内产
21、生的误差极限。我国新的部颁标准采用上述误差表示方法。原来的标准把测量仪器的误差用基本误差和附加误差来表示。,1.4 电子测量误差的表示方法,测量误差的定义测量的目的:获得被测量的真值。真值:在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。测量误差:所有测量结果都带有误差。,测量误差的来源,（1）仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。（2）影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。（3）理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造
22、成的误差。（4）人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。（5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确，如引起动态误差等。,1.4.2 测量误差的表示方法,测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。1.绝对误差（1）定义：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差,实际应用中常用实际值A（高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。绝对误差：,有大小，又有符号和量纲,（2）修正值与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值测量仪器的
23、修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。被测量的实际值,2.相对误差一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。例：测量足球场的长度和成都市到绵阳市的距离，若绝对误差都为1米，测量的准确程度是否相同？（1）相对真误差、实际相对误差、示值相对误差相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。,实际相对误差：用实际值A代替真值A0 示值相对误差：用测量值X 代替实际值A,（2）满度相对误差（引用相对误差）用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值下限值）之比
24、来表示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用相对误差）,仪表各量程内绝对误差的 最大值,电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%测量点的最大相对误差在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。,例1-3 某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为0400mA和1.5级量程为0100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？,用1.5级量程为0100mA电流表测量100mA时的最大相对误差为,解：用0.5级量程为0400mA电流表测100mA时，最大相对误差为,（3）分贝误差相对误差的对数表示分贝误差是用对数形式（分贝数）表示的一种相对误差，单位为分贝（dB）。电压增益的测得值为 误差为用对数表示为增益测得值的分贝值分贝误差,
