電子測量概論

電子測量概論第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一1.1電子測量的基本概念

1.電子測量的定義 測量為確定被測對象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程。 電子測量一般是指利用電子技術(shù)和電子設(shè)備對電量或非電量進(jìn)行測量的過程。 第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

2.電子測量與計(jì)量 產(chǎn)品出廠前要經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)量檢定、儀器儀表在使用過程中要定期進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，以確保測量的準(zhǔn)確性。 計(jì)量是為了保證量值的統(tǒng)一和準(zhǔn)確一致的一種測量。 （主要特征：統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性和法制性）第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一1.2電子測量的內(nèi)容與特點(diǎn)

1.2.1電子測量的內(nèi)容

(1)電能量的測量（電流、電壓、功率等）

(2)電信號特性的測量（信號波形、頻率、周期、相位、失真度、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)及數(shù)字信號的邏輯狀態(tài)等）

(3)電路參數(shù)的測量（阻抗、品質(zhì)因數(shù)、電子器件的參數(shù)等）第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

(4)電子設(shè)備的性能測量（增益、衰減、靈敏度、頻率特性、噪聲指數(shù)等）

(5)特性曲線的測量（幅頻特性、相頻特性及器件特性等）

(6)非電量的測量圖1.2-1非電量測量在過程控制中的作用第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

1.2.2電子測量的特點(diǎn)與其他測量相比，電子測量具有以下特點(diǎn)。

(1)測量頻率范圍寬電子測量中所遇到的測量對象，其頻率覆蓋范圍極寬，低至10-6Hz以下，高至1012Hz以上。當(dāng)然，不能要求同一臺儀器能在這樣寬的頻率范圍內(nèi)工作。通常是根據(jù)不同的工作頻段，采用不同的測量原理和使用不同的測量儀器。例如阻抗的測量，在低頻段多采用電流電壓法，而在微波段則須采用開槽測量線或反射計(jì)技術(shù)。第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一上述兩者無論在原理上，還是在測量設(shè)備上都大不一樣。當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)正常工作的儀器不斷地被研制出來，例如，現(xiàn)在一臺較為先進(jìn)的頻率計(jì)，頻率測量范圍可以低至10-6Hz，高至1011Hz。第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

(2)測量量程寬量程是測量范圍的上下限值之差或上下限值之比。電子測量的另一個特點(diǎn)是被測對象的量值大小相差懸殊。例如，地面上接收到的宇宙飛船自外空發(fā)來的信號功率，低到10-14W數(shù)量級，而遠(yuǎn)程雷達(dá)發(fā)射的脈沖功率，可高達(dá)108W以上，兩者之比為1:1022。一般情況下，使用同一臺儀器，同一種測量方法，是難以覆蓋如此寬廣的量程的。如前所述，隨著電子測量技術(shù)的不斷發(fā)展，單臺測量儀器的量程也可以達(dá)到很高。第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

(3)測量準(zhǔn)確度高 相對其它測量方法，電子測量的準(zhǔn)確度要高得多。例如，長度測量的最高準(zhǔn)確度為10-8量級，而對頻率和時間的測量，由于采用原子頻標(biāo)和原子秒作為基準(zhǔn)，使得測量準(zhǔn)確度可以達(dá)到10-15的量級，這是目前人類在測量準(zhǔn)確度方面達(dá)到的最高指標(biāo)。第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一(4)測量速度快由于電子測量是基于電子運(yùn)動和電磁波的傳播，加之現(xiàn)代測試系統(tǒng)中高速電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得電子測量無論在測量速度，還是在測量結(jié)果的處理和傳輸，都可以以極高的速度進(jìn)行，這也是電子測量技術(shù)廣泛用于現(xiàn)代科技各個領(lǐng)域的重要原因。比如像衛(wèi)星、飛船等各種航天器的發(fā)射與運(yùn)行，沒有快速、自動的測量與控制，簡直是無法想象的。第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一(5)可以進(jìn)行遙測 電子測量依據(jù)的是電子的運(yùn)動和電磁波的傳播，因此可以：現(xiàn)場各待測量轉(zhuǎn)換成易于傳輸?shù)碾娦盘?，用有線或無線的方式傳送到測試控制臺(中心)，從而實(shí)現(xiàn)遙測和遙控。這使得對那些遠(yuǎn)距離的，高速運(yùn)動的，或其他人們難以接近地方的信號測量成為可能.第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一(6)易于實(shí)現(xiàn)測試智能化和測試自動化 隨著電子計(jì)算機(jī)尤其是功耗低、體積小、處理速度快、可靠性高的微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給電子測量理論、技術(shù)和設(shè)備帶來了新的革命。比如微處理器出現(xiàn)于1971年，而在1972年就出現(xiàn)了使用微處理器的自動電容電橋。現(xiàn)在，已有大量商品化帶微處理器的電子測量儀器面世，許多儀器還帶有GPB標(biāo)準(zhǔn)儀器接口，可以方便地構(gòu)成功能完善的自動測試系統(tǒng)。無疑，電子測試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的緊密結(jié)合與相互促進(jìn)，為測量領(lǐng)域帶來了極為美好的前景.第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一 (7)易于實(shí)現(xiàn)儀器小型化 隨著微電子器件集成度的不斷提高，可編程器件和微處理器及ASIC電路的采用，使電子儀器正向著小型化發(fā)展。第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一1.3電子測量方法

1.3.1電子測量方法的分類

1.按測量方法分類

(1)直接測量：指直接從測量儀表的讀數(shù)獲取被測量量值的方法，例如用電壓表測量晶體管的工作電壓，用歐姆表測量電阻阻值，用計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測量頻率等。

(2)間接測量：利用直接測量的量與被測量之間的函數(shù)關(guān)系(可以是公式、曲線或表格等)，間接得到被測量量值的測量方法。例如，測量電阻消耗的功率P=UI=I2R=U2/R。第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一(3)組合測量： 當(dāng)某項(xiàng)測量結(jié)果需用多個未知參數(shù)表達(dá)時，可通過改變測量條件進(jìn)行多次測量，根據(jù)測量量與未知參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系列出方程組并求解，進(jìn)而得到未知量，這種測量方法稱為組合測量。例如：電阻器電阻溫度系數(shù)的測量。 已知電阻器阻值Rt與溫度t間滿足關(guān)系：第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

2.按測量方式分類

(l)偏差式測量法（直讀法）

在測量過程中，用儀器儀表指針的位移(偏差)表示被測量大小的測量方法，稱為偏差式測量法。例如使用萬用表測量電壓、電流等。由于是從儀表刻度上直接讀取被測量，包括大小和單位，因此這種方法也叫直讀法。 用這種方法測量時，作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)物并不裝在儀表內(nèi)直接參與測量，而是事先用標(biāo)準(zhǔn)量具對儀表讀數(shù)、刻度進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)際測量時根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)大小確定被測量量值。第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

(2)零位式測量法（比較法）零位式測量法又稱作零示法或平衡式測量法。測量時用被測量與標(biāo)準(zhǔn)量相比較(因此也叫作比較測量法)，用指零儀表(零示器)指示被測量與標(biāo)準(zhǔn)量相等(平衡)，從而獲得被測量。例如：用惠斯登電橋測量電阻(或電容、電感)，當(dāng)電橋平衡時，可以得到:圖1.3-1惠斯登電橋測量電阻示意圖第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

(3)微差式測量法

偏差式測量法和零位式測量法相結(jié)合，構(gòu)成微差式測量法。它通過測量待測量與標(biāo)準(zhǔn)量之差(通常該差值很小)來得到待測量量值，如圖1.3-2所示。圖1.3-2微差式測量法示意圖第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一圖1.3-3用微差法測量直流穩(wěn)壓源的穩(wěn)定度第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一3.按被測量的性質(zhì)分類 (1)時域測量時域測量也叫作瞬態(tài)測量，主要測量被測量隨時間的變化規(guī)律。例如用示波器觀察脈沖信號的上升沿、下降沿、平頂降落等脈沖參數(shù)以及動態(tài)電路的暫態(tài)過程等。 (2)頻域測量 頻域測量也稱為穩(wěn)態(tài)測量，主要目的是獲取待測量與頻率之間的關(guān)系。如用頻譜分析儀分析信號的頻譜、測量放大器的幅頻特性、相頻特性等。第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一 (3)數(shù)據(jù)域測量 數(shù)據(jù)域測量也稱為邏輯量測量，主要是用邏輯分析儀等設(shè)備對數(shù)字量或電路的邏輯狀態(tài)進(jìn)行測量。例如，微處理器地址線、數(shù)據(jù)線上的信號，可以顯示其時序波形，也可以用“1”、“0”、顯示其邏輯狀態(tài)。 (4)隨機(jī)量測量 隨機(jī)測量又叫作統(tǒng)計(jì)測量，主要是對各類噪聲、干擾信號進(jìn)行動態(tài)測量和統(tǒng)計(jì)分析。這是一種比較新的測量技術(shù)。第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一 除了上述幾種常見的分類方法外，還有其他一些分類方法。例如，按照對測量精度的要求，可以分為精密測量和工程測量；按照測量時測量者對測量過程的干預(yù)程度分為自動測量和非自動測量；按照被測量與測量結(jié)果獲取地點(diǎn)的關(guān)系分為本地(原位)測量和遠(yuǎn)地測量(遙測)，接觸測量和非接觸測量；按照被測量的屬性分為電量測量和非電量測量等等。第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一1.3.2選擇測量方法的原則 在選擇測量方法時，要首先研究①被測量本身的特性；②所要求的測量準(zhǔn)確度；③測量環(huán)境；④現(xiàn)有測量設(shè)備等。在此基礎(chǔ)上，選擇正確的測量方法和合適的測量儀器。 正確可靠的測量結(jié)果，要依據(jù)測量方法和測量儀器的正確選擇、正確操作和測量數(shù)據(jù)的正確處理。否則，可能會出現(xiàn)：①得出的測量數(shù)據(jù)是錯誤的；②損壞測量儀器、儀表；③損壞被測設(shè)備或元器件等。第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

[例1]直接用萬用表只R×1正電阻檔測量晶體管發(fā)射結(jié)結(jié)電阻，由于限流電阻過小而使基極注入電流很大，將晶體管損壞。

[例2]用電壓表測量高內(nèi)阻電路端電壓，如圖1.3-4所示。虛線框內(nèi)表示放大器輸出端等效電路，Rv表示測量用電壓表內(nèi)阻。圖1.3-4電壓表內(nèi)阻的影響第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一假設(shè)Rv=10MΩ，且不考慮其它因素，則電壓為相對誤差:若改用內(nèi)阻只Rv＝120kΩ的萬用表電壓檔測量時，電壓:相對誤差:電壓:第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一1.4電子測量儀器概述

測量儀器是將被測量轉(zhuǎn)換成可供直接觀察的指示值或等效信息的器具，包括各類指示儀器、比較儀器、記錄儀器、傳感器和變送器等。利用電子技術(shù)對各種待測量進(jìn)行測量的設(shè)備，統(tǒng)稱為電子測量儀器。第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一 1.4.1測量儀器的功能 各類測量儀表一般具有物理量的變換、信號的傳輸和測量結(jié)果的顯示等三種最基本的功能。第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

(1)變換功能

對于電壓、電流等電學(xué)量的測量，是通過測量各種電效應(yīng)來達(dá)到目的的。例如，作為模擬式儀表最基本構(gòu)成單元的動圈式檢流計(jì)(電流表)，就是將流過線圈的電流強(qiáng)度，轉(zhuǎn)化成與之成正比的扭矩而使儀表指針偏轉(zhuǎn)初始位置一個角度，根據(jù)角度偏轉(zhuǎn)大小(這可通過刻度盤上的刻度獲得)得到被測電流的大小，這就是一種很基本的變換功能。對非電量的測量，如壓力、位移、溫度、濕度、亮度、顏色、物質(zhì)成份等，通過各種對之敏感的敏感元件(通常稱為傳感器)，轉(zhuǎn)換成與之相關(guān)的電壓、電流等，而后再通過對電壓、電流的測量，得到被測物理量的大小。第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

(2)傳輸功能在遙測遙控等系統(tǒng)中，現(xiàn)場測量結(jié)果經(jīng)變送器處理后，需經(jīng)較長距離的傳輸才能送到測試終端和控制臺。不管采用有線的還是無線的方式，傳輸過程中造成的信號失真和外界干擾等問題都會存在。

(3)顯示功能測量結(jié)果必須以某種方式顯示出來才有意義。因此，任何測量儀器都必須具備顯示功能。例如，模擬式儀表通過指針在儀表度盤上的位置顯示測量結(jié)果，數(shù)字式儀表通過數(shù)碼管、液晶或陰極射線管顯示測量結(jié)果。除此而外，一些先進(jìn)的儀器如智能儀器等還具有數(shù)據(jù)記錄、處理及自檢、自校、報(bào)警提示等功能。第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一1.4.2電子測量儀器的分類 一般分為專用儀器和通用儀器。 專用儀器為某一個或幾個專門目的而設(shè)計(jì)的，如電視彩色信號發(fā)生器。 通用儀器是為了測量某一個或幾個電參數(shù)而設(shè)計(jì)的，它能用于多種電子測量，如電子示波器等。第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一 1.通用電子儀器按功能分： (1)信號發(fā)生器：提供測量的各種波形信號，例如高頻、低頻、脈沖、函數(shù)及噪聲等信號發(fā)生器。圖1.4-1信號發(fā)生器第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一 (2)信號分析儀：用于觀測、分析和記錄各種電量的變化，例如示波器、頻譜分析儀和邏輯分析儀。示波器GSP-827頻譜分析儀邏輯分析儀第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

(3)頻率、時間及相位測量儀，包括各種頻率計(jì)(常用電子計(jì)數(shù)儀)、相位計(jì)，以及各種時間、頻率標(biāo)準(zhǔn)等；

FC2130頻率計(jì)第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

(4)網(wǎng)絡(luò)特性測量儀，例如掃頻儀、阻抗測量儀及網(wǎng)絡(luò)分析儀；

(5)電子元器件測試儀，例如，RLC測試儀、晶體管參數(shù)測試儀、晶體管特性圖示儀、集成電路測試儀等；

第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

(6)電波特性測試儀，例如測試接收機(jī)、場強(qiáng)儀、干擾測試儀等。

(7)輔助儀器，例如，各種放大器、衰減器、檢波器、記錄儀等。

第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

2.按顯示方式分，電子測量儀器有模擬式和數(shù)字式兩大類。

模擬式電子測量儀器主要是用指針方式直接將被測量的電參數(shù)轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移，在標(biāo)度尺上指示出測量數(shù)值，如各種模擬電子電壓表、指針式萬用表。

指針式萬用表DA-16晶體管毫伏表第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

數(shù)字式電子測量儀器是將被測的連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并以數(shù)字方式顯示其測量數(shù)據(jù)，達(dá)到直觀、準(zhǔn)確快速的效果，如各種數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等。

數(shù)字萬用表智能數(shù)字萬用表第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一1.4.3電子測量儀器的發(fā)展 電子儀器的發(fā)展大體經(jīng)歷了如下四個階段： (1)模擬儀器階段 (2)數(shù)字儀器階段 (3)智能儀器階段 (4)虛擬儀器階段第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一1.4.4測量儀表的主要性能指標(biāo)從獲得的測量結(jié)果角度評價測量儀表的性能，主要包括以下幾個方面。1.精度精度是指測量儀器的讀數(shù)或測量結(jié)果與被測量真值相一致的程度。精度高，誤差小，精度低，則誤差大。因此，精度不僅用來評價測量儀器的性能，也是評定測量結(jié)果最主要、最基本的指標(biāo)。精度又可用精密度、準(zhǔn)確度和精確度三個指標(biāo)加以表征。第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一 ①精密度(δ)精密度表示在同一測量條件下對同一被測量進(jìn)行多次測量時，得到的測量結(jié)果的分散程度，反映了隨機(jī)誤差的影響。精密度高，測量結(jié)果的重復(fù)性好。例如，某電壓表的精密度為0.1V，即表示用它對同一電壓進(jìn)行測量時，得到的各次測量值的分散程度不大于0.1V。

第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

②準(zhǔn)確度(ε)準(zhǔn)確度說明儀表指示值與真值的接近程度，反映了系統(tǒng)誤差(例如儀器中放大器的零點(diǎn)漂移、接觸電位差等等)的影響。準(zhǔn)確度高，系統(tǒng)誤差小。例如，某電壓表的正確度是0.1V，則該電壓表測量電壓時的指示值與真值之差不大于0.1V。我國電工儀表的分級，就是按準(zhǔn)確度來確定的。③精確度(τ)精確度是精密度和準(zhǔn)確度的綜合反映。精確度高，即精密度和準(zhǔn)確度都高，則系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差都小，最終測量結(jié)果的可信賴度高。第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一圖1.4.1用射擊比喻測量例：用射擊比喻測量，以靶心比作被測量真值，以靶上的彈著點(diǎn)表示測量結(jié)果，如圖1.4.1所示。第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

2.穩(wěn)定性 穩(wěn)定性通常用穩(wěn)定度和影響量兩個參數(shù)來表征。 穩(wěn)定度也稱穩(wěn)定誤差，是指在規(guī)定的時間區(qū)間，其他外界條件恒定不變的情況下，儀器示值變化的大小。造成這種示值變化的原因主要是儀器內(nèi)部各元器件的特性、參數(shù)不穩(wěn)定和老化等因素。穩(wěn)定度可用。示值絕對變化量與時間一起表示。第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

3.輸入阻抗 前面曾提到測量儀表輸入阻抗對測量結(jié)果的影響。像電壓表、示波器等儀表，測量時并接于待測電路兩端，如圖l.4-2所示。測量儀表的接入改變了被測電路的阻抗特性，這種現(xiàn)象稱為負(fù)載效應(yīng)。為了降低負(fù)載效應(yīng)以提高測量精度，通常對這類測量儀表的輸入阻抗都有一定要求。圖1.4-2測量儀表的負(fù)載效應(yīng)第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一 儀表的輸入阻抗一般用輸入電阻只Ri和輸入電容Ci表示。例如SX2172交流毫伏表在lV～300V的測量范圍內(nèi)的輸入阻抗為只Ri＝10MΩ，Ci<35pF；SR37A型示波器不經(jīng)探頭的輸入阻抗為只Ri＝1MQ，Ci＝16pF。對于信號源等供給量儀器，還要考慮輸出阻抗，在高頻尤其是微波測量等場合，還必須注意阻抗的匹配。第四十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

4.靈敏度

靈敏度表示測量儀表對被測量變化的敏感程度，一般定義為測量儀表指示值(指針的偏轉(zhuǎn)角度、數(shù)碼的變化、位移的大小等)增量△y與被測量增量△x之比。例如示波器在單位輸入電壓的作用下，示波管熒光屏上光點(diǎn)偏移的距離就定義為它的偏轉(zhuǎn)靈敏度，單位為cm/V，cm/mV等。對示波器而言，偏轉(zhuǎn)靈敏度的倒數(shù)稱為偏轉(zhuǎn)因數(shù)，單位為V/cm，mV/cm或mV/div(每格)等。由于習(xí)慣用法和測量電壓讀數(shù)的方便，也常把偏轉(zhuǎn)因素當(dāng)作靈敏度。比如說SR37A型雙蹤示波器的最高偏轉(zhuǎn)靈敏度是2mV/cm，第四十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一 靈敏度的另一種表述方式叫作分辨力或分辨率，定義為測量儀表所能區(qū)分的被測量的最小變化量，在數(shù)字式儀表中經(jīng)常使用。第四十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一

5.線性度線性度是測量儀表輸入輸出特性之一，表示儀表的輸出量(示值)隨輸入量(被測量)變化的規(guī)律。若儀表的輸出為y，輸入為x，兩者關(guān)系用函數(shù)z＝f(x)表示，如果y＝f(x)為