電子測量技術(shù)第一章

1、普通高等教育十一五國家級規(guī)劃教材電子信息與電氣學(xué)科規(guī)劃教材電子信息類電子測量技術(shù)電3 XA出版社第偉緒論1. 1測量與計(jì)量的基本概念測量：為確定被測對象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過 程。電子測量：利用電子技術(shù)進(jìn)行的測量。測量結(jié) 果包括：數(shù)值（大小及符號）和相應(yīng)的單位稱。(1) 量值：由數(shù)值與計(jì)量單位的乘積表示量的大小。(2) 被測量：被測量的量。(3) 影響量：不是被測量，但卻影響被測量的量值或 計(jì)量器具示值的量(4) 真值：某量在所處的條件下被完美地確定或嚴(yán)格 定義的量值。(5) 約定真值：為約定目的而取的可以代替真值的量 值。(6)準(zhǔn)值：一個明確規(guī)定的值，以它為基準(zhǔn)定義準(zhǔn)值(7)示值：對于測量儀器

2、，是指示值或記錄值；對 于標(biāo)準(zhǔn)器具 是標(biāo)稱值或名義值；對于供給量儀器是指設(shè)置值或標(biāo)稱值。額定值：由制造者為設(shè)備或儀器在規(guī)定工作條 件下指定的量 值。(9) 讀數(shù)：由儀器刻度盤，或顯示器上直接讀到的數(shù)字。(10) 實(shí)際值：滿足規(guī)定精確度的用來代替真值的量 值。(門)測得值(測量值)：由測量得出的量值。表明:(1) 測量對象是被測客體的相應(yīng)的量值，測量的目的是對被 測對象 有一個定量的認(rèn)識；“測量”是一個實(shí)驗(yàn)過程，測量通過實(shí)驗(yàn)過程去認(rèn)識對 象，說 明了測量的實(shí)踐性；(3) 量值定義說明，測量是通過比較來確定被測量的數(shù)值， 測量就是比較值接或間接)，比較需要專門的設(shè)備(儀器)才 能實(shí)現(xiàn)；(4) 測量

3、需要有同類已知單位做標(biāo)準(zhǔn)，某種類型的被測量必 須有明確的定義，且其量值的標(biāo)準(zhǔn)已建立的條件下，對該類(5) 測量結(jié)果最終需要給測量的主體表示出來，內(nèi)容包括數(shù)值和單 位。1. 2電子測量的內(nèi)容與特點(diǎn)以電子技術(shù)理論為依據(jù)竄以電子測量儀器和設(shè)備為手段, 以電量和非電量為測量對象的測量過程。1.電子測量的內(nèi)容電能量的測量（各種頻率和波形的電壓、電流、電功率等）；電信號特性的測量 （信號波形、頻率、相位、噪聲及邏輯狀態(tài)等）；、電子器件的參數(shù)等）；導(dǎo)出量的測量 （增益、失真度、調(diào)幅度等）；特性曲線的顯示 （幅頻特性 、相頻特性及器件特性等）。電子測量的特點(diǎn)(1) 測量頻率范圍寬。被測信號的頻率范圍除測量直流

4、夕卜，測量 交流信號的頻率范圍低至106HZ以下，高至THz(1THz=1012Hz)(2) 量程范圍寬。如數(shù)字萬用表對電壓測量由納伏(nV )級至千伏 (kV)級電壓，量程達(dá)12個數(shù)量級(3) 測量準(zhǔn)確度高。例如，用電子測量方法對頻率和時間進(jìn)行測 量時，由于釆用原子頻標(biāo)和原子秒作為基準(zhǔn)，可以使測量準(zhǔn)確度 達(dá)到10-131014的數(shù)量級。(4) 測量速度快。因?yàn)殡娮訙y量是通過電子運(yùn)動和電磁 波傳播進(jìn) 行工作(5) 易于實(shí)現(xiàn)遙測(6) 易于實(shí)現(xiàn)測量過程的自動化和測量儀器智能化電子測量的內(nèi)容-從廣義上說，電子測量是泛指以電子科學(xué)技術(shù)為手段而進(jìn) 行的測量，即以電子科技理論為依據(jù)，以電子測量儀器和 設(shè)

5、備為工具，對電量和 非電量進(jìn)行的測量。-從狹義上講，電子測量則是利用電子技術(shù)對電子學(xué)中有關(guān)的電量所進(jìn)行的測量。，電子測量的內(nèi)容（續(xù)）“、按具體的測量對象來分類I-電能量的測量包括各種頻率及波形下的電壓、電流、功 氧電場矚度等的測量。-電路參數(shù)的測量包括電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì) 因數(shù)、電子器件參數(shù)等的測量。電信號特征的測量包括信號、頻乎二周型、岀時間、相 心、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)、失真度、噪曰以及數(shù)字信號的 邏輯狀態(tài)等的測量。-電子設(shè)備性能的測量包括放大倍數(shù)、衰減、靈敏度、頻率特性、通頻帶、噪聲系數(shù)的測量。-特性曲線的測量 包括幅頻特性曲線、晶體管 特性訴線 等的測量和顯示。電子測量的內(nèi)容(續(xù))

6、(2)按基本的測量對象來看, 的測量：電子測量的電子測量的電子測量的作用。電子測量是對電信號和電系統(tǒng)的信號與系統(tǒng)；的信號與系統(tǒng)；是信號與系統(tǒng)的相互h(t)電子測量的對象信號與系統(tǒng)信號的基本概念匚測量鬲目的是獲取被測對象鬲信氐言描述亍 被測對象的狀態(tài)及其變化方式。信號就是信息的某種物理表現(xiàn)方式，信號 是信息 的載體，是物質(zhì)，具備能量。同一個信息可以用不同的信號來運(yùn)載，反之，同 一種信號也可以運(yùn)載不同的信息。被測對象一信號與系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類信號的是：I 信號是用變化著的物理量來表示信息的一種函數(shù)；I 信號中包含著信息，它是信息的載體，具有能量（有能源）。被測對象的信息感知階段的任務(wù)，是要把信息變換

7、成 信號； 信號不是信息本身，必須對信號進(jìn)行測量后，才能從信號中提取出信息，這是電子測量的根本目的。_信號的分類仁確定性信號和非確定性信號電子測量中被測信號大多是時間的函數(shù)x （t）,按其性 質(zhì)不同可分類如下：確定性信號：在相同試驗(yàn)條件下，能夠重復(fù)實(shí)現(xiàn)的信號。確定性信號又分為：恒定（直流）信 號；周期信號（簡諧周期信號和復(fù)雜周期信號）；非周期 信號（準(zhǔn)周期信號和瞬變沖激信號）；非確定性（隨機(jī)）信號：在相同試驗(yàn)條件下，不能夠重 復(fù)實(shí)現(xiàn)的信號。隨機(jī)信號又分為：平穩(wěn) 隨機(jī)信號；非平 穩(wěn)隨機(jī)信號。信號的分類（續(xù)）2 周期性信號與非周期性信號 3 連續(xù)信號與離散信號信號的分類（續(xù)）4.時限信號和頻限信號

8、時限信號是指信號在時間的有限區(qū)間（, t2）內(nèi)有定義、在區(qū)間之外信號值恒等于零的信號，稱為時域有限信號0-例如，矩形脈沖、正弦脈沖等。而周期信號、指數(shù)信號、隨機(jī)信號等，則為時域無限信號。頻限信號是指在頻率域內(nèi)只占據(jù)有限的帶寬（彳冇）、 在這一帶寬之外信號值恒等于零的信號，稱為頻域有限信 號。信號的分類(續(xù))(5)信號的時間特性和頻率特性:反映在信號隨時間變化的波形上，包括信號岀現(xiàn)時間的先后、持續(xù)時間的長短重復(fù)周期的大小、隨時間變 化速率的快慢幅度的大小等等。:一個復(fù)雜信號可以分解成許多不同頻率的正弦分量，即具 有一定的頻率成分。將各個正弦分量的幅度和相位分別按頻率高低依 次排列就成為頻譜。信號

9、的頻譜包含了信 號的全部信息。(6)信號的空間分布結(jié)構(gòu)許多信號，既具有時間特性、也還具有空間特性-例如描述大氣壓隨海拔高度變化的信號，其自變量表示海拔高度；描 述飛機(jī)機(jī)翼上應(yīng)變分布的信號，其自變量系統(tǒng)的基本概念信號的產(chǎn)生、傳輸、處理、存儲和再現(xiàn)都需要一 定的物理裝置，這種裝置通常就稱為O從一般意義講，系統(tǒng)是由若干相互依賴、相互 作用的事物組合而成的具有特定功能的整體。 1系統(tǒng)的外部特性即系統(tǒng)的輸入與輸出之間的關(guān)系或系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）2.系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)I-測量系統(tǒng)的外部特性是由其內(nèi)部參數(shù)也即系統(tǒng)本身的固 有屬性決定，需建立系統(tǒng)模型。-系統(tǒng)模型指系統(tǒng)物理特性的數(shù)學(xué)抽象，即以數(shù) 學(xué)表達(dá)

10、式或具有理想特性的符號組合圖形來表征系統(tǒng)的輸入-輸 出特性.單輸入/輸出與多輸入/輸出系統(tǒng)(2)線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)滿足兩個基本條件: 疊加原理。 系統(tǒng)的響應(yīng)與輸入信號的作用無關(guān)。-線性系統(tǒng)對任意輸入的響應(yīng)都可用傅氏變換表示。-輸出信號的頻譜函數(shù)為線性系統(tǒng)具有。測量、分析或比較線性系統(tǒng)在正弦信號激勵下的響應(yīng)，就可以對系統(tǒng)的各種電氣特性作被測系統(tǒng)的分類（續(xù)）3.即時系統(tǒng)與動態(tài)系統(tǒng) （瞬時系統(tǒng)或無記憶系統(tǒng)）：系統(tǒng)在任何時刻 t的輸出都只與該時刻的輸入有關(guān)；（存儲系統(tǒng)或有記憶系統(tǒng)廠 在時刻t的輸出 不僅與該時刻的輸入有關(guān)，而且還與該時刻以前或以后的 輸入有關(guān)。記憶系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系是一般是微

11、分或差分 方程。4 模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)-模擬系統(tǒng)是分析和處理模擬信號的系統(tǒng)，-數(shù)字系統(tǒng)是分析和處理脈沖與數(shù)字信號的系統(tǒng)系統(tǒng)的可測性與可控性系統(tǒng)可觀測一一系統(tǒng)的屬性（事物內(nèi)部自身 運(yùn)動 的表現(xiàn)）能通過周圍環(huán)境表現(xiàn)出來，也 就是說， 能通過外部世界觀測到。系統(tǒng)是可控系統(tǒng)（事物內(nèi)部運(yùn)動）能接收周圍環(huán)境的影響， 變更系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)。1. 3電子測量儀器的分類（1）通用電子儀器信號發(fā)生器（高頻、低頻、脈沖、函數(shù)、掃頻及噪聲等）信號分析儀（示波器、波形分析儀、頻譜分析儀等）頻率、時間及相位測量儀器（頻率計(jì)、相位計(jì)及時間標(biāo)準(zhǔn)）網(wǎng)絡(luò)特性測量儀（掃頻儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等）電子元器件測試儀（RLC測試儀、晶體管測試儀

12、、IC測試 儀）電波特性測試儀（場強(qiáng)儀、測試接收機(jī)等）輔助儀器（放大器、衰減器、濾波器、記錄儀、電源等）（2）通信測試儀器（3）光電測試儀議1. 4電子測量方法1.電子測量方法的分類 (1)按測量方法分委：直接測量、間接測量、組合讎直讀測量法與比較測量法 按測量B質(zhì)分類時域測量r 域測量乜據(jù)域測量 隨機(jī)量測量測量方法的分類1直接測量與間接測量(1)直接測量一一用已標(biāo)定的儀器，直接地測量出某一待測未知 量的量值。(2) 間接測量對與未知待測量y有確切函數(shù)關(guān)系的其 他變量x(或個變量)進(jìn)行直接測量，然后再通過函數(shù)，計(jì)算出待測量刃(3) 組合測量I例如，電阻值與溫度間的公式加 人二血+以一20)+0

13、0 當(dāng) 論0都為未知時，改變測量溫度在三種溫度珥並及力下， 分別測得對應(yīng)的電阻值忌屁及掩,然后代入上述公式，得到 聯(lián) 立方程，解此方程組岳，便可求得茂和蜃曠2.有源參量與無源參量的測量被測對象可按有源量或無源量劃分為兩大類1.有源量的測量（有源量）已知系統(tǒng)）出與顯示已知信號測試激勵（信號源）L k .無源量的測量3集中式與分布式的多路測量仁集中式多路測試系統(tǒng)模擬多路分路器模爹路復(fù)用器3集中式與分布式的多路測量（續(xù)） 2分布式多路測量系統(tǒng)（a）網(wǎng)絡(luò)化測量系統(tǒng)（b）無線電遙測系統(tǒng)PLC 前端機(jī)計(jì)算機(jī)顯示PL0發(fā)射機(jī)載 波調(diào)制 接收機(jī)載1波調(diào)制融模擬開關(guān)1/記錄處7理 或計(jì)算機(jī)，4頻域、時域、數(shù)域及

14、隨機(jī)域測量(1) 頻域測量技術(shù)：幅值和相位隨頻率的變化(1) 正弦波點(diǎn)頻法(2) 正弦波掃頻法(2) 時域測量技術(shù):幅值隨時間的變化測試信號是脈沖、方波及階躍信號(3) 頻域測量和時域測量比較頻域測量和時域測量是測量線性系統(tǒng)性能的兩種方法，是 從兩個不同的角度去觀測同一個被測 對象，其結(jié)果應(yīng)該 是一致的。從理論上講，時域函數(shù)的付里葉變換就是頻域函甲數(shù)，而 頻域函數(shù)的付里葉逆變換也就是時域函數(shù)。4頻域、時域、數(shù)域及隨機(jī)域測量(續(xù))(4) 隨機(jī)測量技術(shù)：測量噪聲信號和使用隨機(jī)信號源 噪聲是一 種與時間因素有關(guān)的隨機(jī)變量，對噪聲的研究使用主要包括下述三個內(nèi)容：(1) 噪聲信號統(tǒng)計(jì)特性的測量，如時域中

15、的均值、均方 根性，頻域中的頻譜密度函數(shù)、功率譜密 度函數(shù)等；(2) 將已知特性的噪聲作激勵源對被測系統(tǒng)進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)性 測量，研究被測系統(tǒng)的特性；(3) 在背景噪聲信號不可忽略時對信號、特別是微弱信號 的精確測量。L _ 二-4.頻域、時域、數(shù)域及隨機(jī)域測量(續(xù))(5) 數(shù)字測量技術(shù)：測量數(shù)字系統(tǒng)的功能和故障診斷.對數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行測量的基本方法是：在輸入端加激勵信號，觀察由此產(chǎn)生的輸出響應(yīng)，并與預(yù)期 的正確結(jié)果進(jìn)行比較，一致則表示系統(tǒng)正常；不一致則表示 系統(tǒng)有故障。LSI測試系統(tǒng)的簡化框圖5靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)測量（1）靜態(tài)測量與動態(tài)測量的基本概念:對不隨時間變化的（靜止的）物理 量進(jìn)行的 測量.:對

16、隨時間不斷變化的物理量進(jìn)行的測量（實(shí)時測量）。在電子測量中常見的動態(tài)信號有兩種：-幅值隨時間變化的信號：指非周期性信號、幅值瞬變或躍變信號;頻率隨時豔化指正弦波掃頻信號或頻率瞬變的周期性信號05靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)測量（續(xù)）（2）靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)測量的基本方法靜態(tài)（直流）測試技術(shù)測量原理、方法手段最簡單，測量過程不受時間限制，測量系 統(tǒng)的輸岀與輸入二者之間有著簡單的對應(yīng) 的關(guān)系和理想的特性，而測量精度也最高。D穩(wěn)態(tài)（交流）測試技術(shù)：正弦測試技術(shù)-用幅值隨時間按正弦規(guī)律變化的電信號（最簡單的周期 性信 號）作被測系統(tǒng)的激勵，然后觀測在此激勵下的輸出響應(yīng)，以 頻率為變量對被測線性系統(tǒng)進(jìn)行測量。-正弦測

17、試技術(shù)可以測線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參量是指系統(tǒng)的阻抗、增益或損耗、相移群延遲和非線性失真度，以及這些參量隨頻率變化的情況5靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)測量動態(tài)（脈沖）測試技術(shù),自然界存在大量瞬變沖激的物理現(xiàn)象，如力學(xué) 中的爆炸、沖擊、碰撞等，電學(xué)中的放電、閃電、雷擊等，對這類隨 時間瞬變對象進(jìn)行測量，稱為動態(tài)測量和瞬態(tài)測量。瞬態(tài)測試技術(shù)有兩種方式:一種是測量有源量，測量幅值隨時間呈非周期形變化（突 變、瞬變）的電信號；另一種是測量無源量，是以最典型的脈沖或階 躍信號作被 測系統(tǒng)的激勵，觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)（隨時間的變化關(guān) 系），即研究被測系統(tǒng)的瞬態(tài)特性。二一2.電子測量儀器的發(fā)展四個階段：模擬儀

18、器T數(shù)字儀器T智能儀器T虛擬 儀K.I % I U KO kfli15計(jì)量的基本內(nèi)容是為了保證量值的統(tǒng)一和準(zhǔn)確一致的一種測量。特征：統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性、法制性。測量認(rèn)為被測量的真實(shí)數(shù)值是客觀存在的，其誤差是由測量儀 器和測 量方法等引起的。計(jì)量則認(rèn)為儀器是標(biāo)準(zhǔn)的，誤差是由受檢儀器引起的，它的任 務(wù)是確 定測量結(jié)果的可靠性。在特定計(jì)量領(lǐng)域內(nèi)復(fù)現(xiàn)和保存計(jì)量單位并且有最高 計(jì)量特 性的計(jì)量器具，是統(tǒng)一量值的最高依據(jù)。國際基準(zhǔn)、國家基2. 計(jì)量基準(zhǔn)的基本條件符合或最接近計(jì)量單位定義所依據(jù)的基本原理；(2) 具有良好的復(fù)現(xiàn)性，并且所復(fù)現(xiàn)和保存的計(jì)量單位具有 當(dāng)代的最高精確度；(3) 性能穩(wěn)定，計(jì)量特性長期不變；(4) 能將所復(fù)現(xiàn)和保存的計(jì)量單位通過一定的方法或手段傳遞下 去。3. 計(jì)量基準(zhǔn)的劃分(1) 國家基準(zhǔn)(用來復(fù)現(xiàn)和保存的計(jì)量單位)副基準(zhǔn)(代替主基準(zhǔn)向下傳遞量值標(biāo)準(zhǔn)或參加國際對比， 以確定各國主基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度)(3)工作基準(zhǔn)(直接向下傳遞標(biāo)準(zhǔn))計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是按國家規(guī)定的精度等級，作為檢定依據(jù) 用的計(jì)量器具或物質(zhì)。我國的計(jì)量科學(xué)研究基地研究和保存的國家計(jì)量標(biāo) 準(zhǔn)共10大類147項(xiàng)，建立了擁有800多種一級標(biāo)準(zhǔn)物 質(zhì)庫。它們與國際上保持一致，是國內(nèi)量值溯源的基礎(chǔ)。市（地）計(jì)量所 縣（區(qū)）計(jì)量所國防計(jì)量中心行業(yè)計(jì)量中心4量具以固定形式復(fù)現(xiàn)量值的計(jì)量器具。5.單位制計(jì)量單位是有明確