電子測量技術第一章

普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材

電子信息與電氣學科規(guī)劃教材·電子信息類

電子測量技術電子工業(yè)出版社第1章緒論1.1測量與計量的基本概念

測量：為確定被測對象的量值而進行的實驗過程。電子測量：利用電子技術進行的測量。測量結果包括：數(shù)值(大小及符號)和相應的單位名稱。(1)量值：由數(shù)值與計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)準值：一個明確規(guī)定的值，以它為基準定義準值誤差。(7)示值：對于測量儀器，是指示值或記錄值；對于標準器具是標稱值或名義值；對于供給量儀器是指設置值或標稱值。(8)額定值：由制造者為設備或儀器在規(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)實際值：滿足規(guī)定精確度的用來代替真值的量值。(11)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的量值，測量的目的是對被測對象有一個定量的認識；(2)“測量”是一個實驗過程，測量通過實驗過程去認識對象，說明了測量的實踐性；(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(直接或間接)，比較需要專門的設備(儀器)才能實現(xiàn)；(4)測量需要有同類已知單位做標準，某種類型的被測量必須有明確的定義，且其量值的標準已建立的條件下，對該類量的測量才能實施；(5)測量結果最終需要給測量的主體表示出來，內容包括數(shù)值和單位。1.2電子測量的內容與特點

以電子技術理論為依據(jù)，以電子測量儀器和設備為手段，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）；

電路參數(shù)的測量（阻抗、品質因數(shù)、電子器件的參數(shù)等）；

導出量的測量（增益、失真度、調幅度等）；

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（1）測量頻率范圍寬。被測信號的頻率范圍除測量直流外，測量交流信號的頻率范圍低至10-6Hz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12個數(shù)量級（3）測量準確度高。例如，用電子測量方法對頻率和時間進行測量時，由于采用原子頻標和原子秒作為基準，可以使測量準確度達到10-13～10-14的數(shù)量級。（4）測量速度快。因為電子測量是通過電子運動和電磁波傳播進行工作（5）易于實現(xiàn)遙測（6）易于實現(xiàn)測量過程的自動化和測量儀器智能化電子測量的內容從廣義上說，電子測量是泛指以電子科學技術為手段而進行的測量，即以電子科技理論為依據(jù)，以電子測量儀器和設備為工具，對電量和非電量進行的測量。從狹義上講，電子測量則是利用電子技術對電子學中有關的電量所進行的測量。

電子測量的內容（續(xù)）(1)按具體的測量對象來分類①電能量的測量包括各種頻率及波形下的電壓、電流、功率、電場強度等的測量。②電路參數(shù)的測量包括電阻、電感、電容、阻抗、品質因數(shù)、電子器件參數(shù)等的測量。③電信號特征的測量包括信號、頻率、周期、時間、相位、調幅度、調頻指數(shù)、失真度、噪音以及數(shù)字信號的邏輯狀態(tài)等的測量。④電子設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。⑤特性曲線的測量包括幅頻特性曲線、晶體管特性曲線等的測量和顯示。電子測量的內容（續(xù)）（2）按基本的測量對象來看，電子測量是對電信號和電系統(tǒng)的測量：①電子測量的基本對象是未知的信號與系統(tǒng)；②電子測量的基本工具是已知的信號與系統(tǒng)；③電子測量的基本工作機理是信號與系統(tǒng)的相互作用。電子測量的對象——信號與系統(tǒng)

信號的基本概念測量的目的是獲取被測對象的信息，信息描述了被測對象的狀態(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，具備能量。同一個信息可以用不同的信號來運載，反之，同一種信號也可以運載不同的信息。被測對象—信號與系統(tǒng)的特點及分類信號的特點是：①信號是用變化著的物理量來表示信息的一種函數(shù)；②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,是要把信息變換成信號；③信號不是信息本身,必須對信號進行測量后,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1.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)，按其性質不同可分類如下：①確定性信號：在相同試驗條件下，能夠重復實現(xiàn)的信號。確定性信號又分為：恒定（直流）信號；周期信號（簡諧周期信號和復雜周期信號）；非周期信號（準周期信號和瞬變沖激信號）；②非確定性（隨機）信號：在相同試驗條件下，不能夠重復實現(xiàn)的信號。隨機信號又分為：平穩(wěn)隨機信號；非平穩(wěn)隨機信號。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時限信號是指信號在時間的有限區(qū)間（t1，t2）內有定義、在區(qū)間之外信號值恒等于零的信號，稱為時域有限信號。例如，矩形脈沖、正弦脈沖等。而周期信號、指數(shù)信號、隨機信號等，則為時域無限信號。頻限信號是指在頻率域內只占據(jù)有限的帶寬（f1～f2）、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時間特性：反映在信號隨時間變化的波形上，包括信號出現(xiàn)時間的先后、持續(xù)時間的長短、重復周期的大小、隨時間變化速率的快慢、幅度的大小等等。頻率特性：一個復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。信號的頻譜包含了信號的全部信息。（6）信號的空間分布結構許多信號，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；描述飛機機翼上應變分布的信號，其自變量表示結構尺寸；系統(tǒng)的基本概念

信號的產生、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系統(tǒng)。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系或系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）2.系統(tǒng)的內部結構測量系統(tǒng)的外部特性是由其內部參數(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)學抽象，即以數(shù)學表達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.

被測系統(tǒng)的分類(1)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：①疊加原理。②系統(tǒng)的響應與輸入信號的作用無關。線性系統(tǒng)對任意輸入的響應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)具有頻率保持性。測量、分析或比較線性系統(tǒng)在正弦信號激勵下的響應，就可以對系統(tǒng)的各種電氣特性作出全面的評價被測系統(tǒng)的分類（續(xù)）

3.即時系統(tǒng)與動態(tài)系統(tǒng)即時系統(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；動態(tài)系統(tǒng)（存儲系統(tǒng)或有記憶系統(tǒng)）：在時刻t的輸出不僅與該時刻的輸入有關，而且還與該時刻以前或以后的輸入有關。記憶系統(tǒng)的輸入輸出關系是一般是微分或差分方程。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——系統(tǒng)的屬性（事物內部自身運動的表現(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)（事物內部運動）能接收周圍環(huán)境的影響，變更系統(tǒng)的運動狀態(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、相位計及時間標準）網(wǎng)絡特性測量儀（掃頻儀、網(wǎng)絡分析儀等）電子元器件測試儀（RLC測試儀、晶體管測試儀、IC測試儀）電波特性測試儀（場強儀、測試接收機等）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）光電測試儀器1.4電子測量方法1.電子測量方法的分類(1)按測量方法分類：直接測量、間接測量、組合測量(2)直讀測量法與比較測量法(3)按測量性質分類：時域測量、頻域測量、數(shù)據(jù)域測量、隨機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——用已標定的儀器，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)關系的其他變量x（或n個變量）進行直接測量，然后再通過函數(shù)，計算出待測量y。（3）組合測量

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

2.無源量的測量

3.集中式與分布式的多路測量1.集中式多路測試系統(tǒng)

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)絡化測量系統(tǒng)（b）無線電遙測系統(tǒng)4.頻域、時域、數(shù)域及隨機域測量(1)頻域測量技術：幅值和相位隨頻率的變化（1）正弦波點頻法（2）正弦波掃頻法(2)時域測量技術：

——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，其結果應該是一致的。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)域及隨機域測量（續(xù)）(4)隨機測量技術：測量噪聲信號和使用隨機信號源噪聲是一種與時間因素有關的隨機變量，對噪聲的研究使用概率統(tǒng)計方法

主要包括下述三個內容：（1）噪聲信號統(tǒng)計特性的測量，如時域中的均值、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)進行統(tǒng)計性測量，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。4.頻域、時域、數(shù)域及隨機域測量（續(xù)）(5)數(shù)字測量技術：測量數(shù)字系統(tǒng)的功能和故障診斷.對數(shù)字系統(tǒng)進行測量的基本方法是：在輸入端加激勵信號，觀察由此產生的輸出響應，并與預期的正確結果進行比較，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)測量的基本概念靜態(tài)測量：對不隨時間變化的（靜止的）物理量進行的測量.動態(tài)測量：對隨時間不斷變化的物理量進行的測量(實時測量)。在電子測量中常見的動態(tài)信號有兩種：①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；②頻率隨時間變化的信號：指正弦波掃頻信號或頻率瞬變的周期性信號。

5.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①靜態(tài)（直流）測試技術測量原理、方法、手段最簡單，測量過程不受時間限制，測量系統(tǒng)的輸出與輸入二者之間有著簡單的一一對應的關系和理想的特性，而測量精度也最高。②穩(wěn)態(tài)（交流）測試技術：正弦測試技術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，以頻率為變量對被測線性系統(tǒng)進行測量。正弦測試技術可以測線性系統(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③動態(tài)（脈沖）測試技術，自然界存在大量瞬變沖激的物理現(xiàn)象，如力學中的爆炸、沖擊、碰撞等，電學中的放電、閃電、雷擊等，對這類隨時間瞬變對象進行測量，稱為動態(tài)測量和瞬態(tài)測量。瞬態(tài)測試技術有兩種方式：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(隨時間的變化關系)，即研究被測系統(tǒng)的瞬態(tài)特性。2.電子測量儀器的發(fā)展

四個階段：模擬儀器→數(shù)字儀器→智能儀器→虛擬儀器3.電子儀器

以電子技術為基礎，融合電子測量技術、計算機技術、通信技術、數(shù)字技術、軟件技術、總線技術等組成單機或自動測試系統(tǒng)。4.選擇測量方法的原則

應研究被測量本身的特性，所需的精確程度、環(huán)境條件，以及所具備的測量設備等因素。1.5計量的基本內容計量是為了保證量值的統(tǒng)一和準確一致的一種測量。特征：統(tǒng)一性、準確性、法制性。測量認為被測量的真實數(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。計量則認為儀器是標準的，誤差是由受檢儀器引起的，它的任務是確定測量結果的可靠性。1.計量基準

在特定計量領域內復現(xiàn)和保存計量單位并且有最高計量特性的計量器具，是統(tǒng)一量值的最高依據(jù)。

國際基準、國家基準

2.計量基準的基本條件

(1)符合或最接近計量單位定義所依據(jù)的基本原理；

(2)具有良好的復現(xiàn)性，并且所復現(xiàn)和保存的計量單位具有當代的最高精確度；

(3)性能穩(wěn)定，計量特性長期不變；

(4)能將所復現(xiàn)和保存的計量單位通過一定的方法或手段傳遞下去。3.計量基準的劃分

(1)國家基準（用來復現(xiàn)和保存的計量單位）

(2)副基準（代替主基準向下傳遞量值標準或參加國際對比，以確定各國主基準的準確度）

(3)工作基準（直接向下傳遞標準）計量標準是按國家規(guī)定的精度等級，作為檢定依據(jù)用的計量器具或物質。我國的計量科學研究基地研究和保存的國家計量標準共10大類147項，建立了擁有800多種一級