電子測量教學課件

第1頁2023/7/23參考書目林占江編著，《電子測量技術》（第二版），電子工業(yè)出版社，2019張乃國編著，《實用電子測量技術》，電子工業(yè)出版社，2019楊光祥等編著，《電子測量技術基礎》，東南大學出版社，2019劉國林等編著，《電子測量》，機械工業(yè)出版社，2019張毅剛等編著，《自動測量系統(tǒng)》，哈爾濱工業(yè)大學出版社，2019第2頁2023/7/23參考網站1.yibiao儀表網內容有測試儀表性能相關資料 2.21ic中國電子網內容有發(fā)展動態(tài)、技術文章、資料下載3.tester北京測試儀器網內容有測量儀器相關資料4.elec.yibiao中華電工儀表網內容有測量儀器相關資料5.dzjs電子技術天地內容有現(xiàn)代電子技術、電子CAD、電子測量技術資料第3頁2023/7/23參考網站6.eaw電子設計應用內容有電子應用相關文章7.eepw電子產品世界內容有電子應用相關文章8.jicheng東方集成網內容有電子測量儀器產品說明、中文手冊、參考資料、相關期刊超級鏈接。9.angilent安捷倫公司中國網站內容有電子測量儀器產品說明、中文手冊及參考資料。10.fluke福祿克公司中國網站內容有電子測量儀器產品說明、中文手冊、交流園地。11.niNI公司中國網站內容有產品說明，技術資料下載，使用手冊。第4頁2023/7/23課程簡介第一部分緒論及誤差理論，介紹測量的基本概念、技術方法及系統(tǒng)組成，誤差理論和數(shù)據(jù)處理等。第二部分模擬測量方法，包括電壓、功率、阻抗、Q值測量及儀器等第三部分數(shù)字測量方法，介紹數(shù)字系統(tǒng)的基本測量原理和方法，包括電壓、頻率、時間與相位測量及其儀器。第四部分時域測量，以示波器為背景介紹時域信號波形的采集、顯示及應用技術。第五部分頻域/數(shù)據(jù)域測量，首先介紹掃頻儀與邏輯分析儀的相關概念、結構及典型應用。第六部分非電量測量，非電量測量基本工作原理及傳感器分類、典型應用。第七部分現(xiàn)代電子測量技術：虛擬儀器、智能儀器與自動測量系統(tǒng)的特點、組成、發(fā)展。第5頁2023/7/23第一章緒論本章闡述測量學科的豐富內涵。介紹測量、計量的基本概念，即它們的意義、內容、特點及應用。引入電子測量的基本概念；介紹電子測量的內容、特點、方法等問題，引出選擇測量方法的原則。介紹電子測量儀器的基本知識；敘述電子測量儀器的分類、誤差及發(fā)展歷程。第6頁2023/7/231.1測量的基本概念1.1.1測量的意義日常生活中處處離不開測量科學的進步和發(fā)展離不開測量生產發(fā)展離不開測量在高新技術和國防現(xiàn)代化建設中更是離不開測量第7頁2023/7/231.1測量的基本概念1.1.2測量的定義狹義測量的定義測量是為了確定被測對象的量值而進行的實驗過程。在測量過程中，人們借助專門的設備，把被測對象直接或間接地與同類已知單位進行比較，取得用數(shù)值和單位共同表示的測量結果。 第8頁2023/7/231.1測量的基本概念1.1.2測量的定義(續(xù))測量的內涵

“測量是為了確定被測對象的量值而進行的實驗過程”測量對象：被測客體中相應的量值信息；測量目的：從被測對象取得一個定量的認識；測量過程:通過實驗認識對象的過程;測量方法：比較:

A.直接比較B.間接比較；測量標準：同類已知單位。測量結果：最終能表示給測量主體（人）測量結果＝測量數(shù)值.測量單位，即：1.1測量的基本概念1.1.2測量的定義廣義測量的定義測量不僅對被測的物理量進行定量的測量，而且還包括對更廣泛的被測對象進行定性、定位的測量。例如無損探傷、遙感遙測、礦藏勘探、地震源測定、衛(wèi)星定位等。測量結果也不僅僅是由量值和單位來表征的一維信息，還可以用二維或多維的圖形、圖像來顯示被測對象的屬性特征、空間分布等。廣義測量原理可以從信息獲取過程來說明，包括信息感知和信息識別兩個環(huán)節(jié)。第10頁2023/7/231.1測量的基本概念1.1.3測量的基本要素測量五要素：被測對象、測量儀器、測量技術、測量人員和測量環(huán)境

第11頁2023/7/231.1測量的基本概念1.1.3測量的基本要素(續(xù))（1）被測對象——信息廣義的測量是信息的獲取與識別，信息反映了事物的運動的狀態(tài)及其變化方式。信息又可分為自然信息和社會信息兩大類。（2）測量儀器系統(tǒng)——量具和儀器測量儀器系統(tǒng)包括量具、測試儀器、測試系統(tǒng)及附件等（3）測量的主體——測量人員手動：由測量主體（測量人員）直接參與完成自動：測量主體交給智能設備（計算機等）完成，但測量策略、軟件算法、程序編寫需由測量人員事先設計好。（4）測試技術測量中所采用的原理、方法和技術措施，總稱為測試技術。第12頁2023/7/231.1測量的基本概念1.1.3測量的基本要素(續(xù))（5）測量環(huán)境測量環(huán)境是指測量過程中人員、對象和儀器系統(tǒng)所處空間的一切物理和化學條件的總和。測量環(huán)境包括溫度、濕度、力場、電磁場、輻射、化學氣霧和粉塵，霉菌以及有關電磁量（工作電壓、源阻抗、負載阻抗、地磁場、雷電等）的數(shù)值、范圍及其變化。第13頁2023/7/231.1測量的基本概念1.1.3測量的基本要素(續(xù))環(huán)境對測量的影響A.環(huán)境對被測對象的影響：某些被測對象客體（如器件、電路或系統(tǒng)）的性能特性對環(huán)境變化較為敏感或非常敏感，因此，原則上測量應在被測對象的正?；蝾~定工作條件下進行。B.環(huán)境對儀器系統(tǒng)的影響：環(huán)境可能直接或間接地影響到儀器系統(tǒng)本身的某個工作特性，進而影響測量結果，造成測量誤差。特別是某些測量器具的量程廣、頻段寬，而內部的元器件數(shù)目甚多，且對外界影響相當敏感，錯綜復雜的影響量所產生的不良效應有時會成為測量的嚴重問題。C.環(huán)境對測量人員的影響：高溫、嚴寒、潮濕、悶氣、嘈雜、照明不適當?shù)炔涣脊ぷ鳝h(huán)境，會對測量人員的身心產生不良影響，從而引起不同程度的人身誤差乃至差錯。第14頁2023/7/231.1測量的基本概念1.1.3測量的基本要素(續(xù))應采取適當?shù)目刂拼胧?，盡量減少由于環(huán)境影響而產生的誤差。恒溫、恒濕、穩(wěn)壓和防震。抗干擾、防噪聲的措施，如接地、屏蔽、隔離、濾波等。儀器應能盡量適應惡劣環(huán)境和大范圍變化環(huán)境。第15頁2023/7/231.1測量的基本概念1.1.3測量的基本要素(續(xù))儀器以工作環(huán)境條件的不同要求分為三組：I組：良好的環(huán)境條件，溫度+10～+35oC，相對濕度80%（在35oC上），只允許有輕微的振動。II組：一般的環(huán)境條件，溫度－10～+40oC，相對濕度80%（在40oC上），允許一般的振動和沖擊。III組：惡劣的環(huán)境條件，溫度－40～+55oC，相對濕度90%（在35oC上），允許頻繁的搬動和運輸中受到較大的沖擊和振動。

I組——高精度計量用儀器

II組——通用儀器

III組——野外、機載等儀器第16頁2023/7/231．2計量的基本概念1.2.1計量的定義和意義 為使在不同的地方，用不同的手段測量同一量時，所得的結果一致，就要求統(tǒng)一的單位、基準、標準和測量器具。1.計量的定義計量是一種特殊形式的測量，它把被測量與國家計量部門作為基準或標準的同類單位量進行比較，以確定合格與否，并給出具有法律效力的《檢定證書》。計量是利用技術和法制手段實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準確可靠的測量。2.計量的三個主要特征是統(tǒng)一性、準確性和法制性。計量包含了為達到統(tǒng)一和準確一致所進行的全部活動，如單位的統(tǒng)一、基準和標準的建立、進行量值傳遞、計量監(jiān)督管理、測量方法及其手段的研究等。第17頁2023/7/231．2計量的基本概念1.2.1計量的定義和意義3.計量與測量的關系為了保證測量結果的準確性，必須定期對儀器進行檢定和校準，這個過程就是計量。計量的任務是確定測量結果的可靠性。計量是測量的基礎和依據(jù)。沒有計量，也談不上測量。測量發(fā)展的客觀需要才出現(xiàn)了計量。測量是計量應用的重要途徑。沒有測量，計量將失去價值

計量和測量相互配合，才能在國民經濟各個領域發(fā)揮重要作用。第18頁2023/7/231．2計量的基本概念1．2．2單位和單位制單位：根據(jù)定義而令系數(shù)為1的量。是表征測量結果的重要組成部分，又是對兩個同類量值進行比較的基礎.1960年第十一屆國際計量大會上正式通過國際單位制SI。1984年2月國務院頒布了《中華人民共和國法定計量單位》，決定我國法定計量單位以國際單位制為基礎。SI有7個基本單位1．2計量的基本概念1．2．2單位和單位制（續(xù)）（1）國際單位制（SI）的組成國際單位制由國際單位制單位、國際單位制詞頭和國際單位制的十進倍數(shù)單位三部分組成。物理量名稱單位名稱單位符號長度米m質量千克（公斤）kg時間秒s電流安【培】A熱力學溫度開【爾文】K發(fā)光強度坎【德拉】cd物質的量摩【爾】mol

國際單位制7個基本單位1．2計量的基本概念1．2．3基準基準用來復現(xiàn)某一基本測量單位的量值，只用于鑒定各種量具的精度，不直接參加測量。一級基準，又稱主基準和國家基準用來復現(xiàn)和保存的計量單位，具有現(xiàn)代科學技術所能達到的最高精確度的計量器具，經國家鑒定并批準，作為統(tǒng)一全國計量單位量值的最高依據(jù)。一個國家只有一個。

二級基準，又稱副基準通過直接或間接與國家基準比對來確定其量值并經國家鑒定批準的計量器具。副基準的量值精度由主基準確定，用以代替主基準向下傳遞或代替主基準參加國際比對。

三級基準，又稱工作基準工作基準用來直接向下屬標準量具進行量值傳遞，用以檢定下屬計量標準量具的精確度。第21頁2023/7/231．2計量的基本概念1．2．3基準和標準（續(xù)）（2）

相關術語

1）計量器具：凡是能用以直接或間接測出被測對象量值的量具、計量儀器和計量裝置都統(tǒng)稱為計量器具。

2）計量標準器具：準確度低于計量基準，用于檢定計量標準或工作計量器具的計量器具。

3）工作計量器具：工作崗位上使用，不用于進行量值傳遞，而是直接用來測量被測對象量值的計量器具。第22頁2023/7/231．2計量的基本概念1．2．3基準和標準（續(xù)）

4）比對：在規(guī)定條件下，對相同準確度等級的同類基準、標準或工作計量器之間的量值進行比較，其目的是考核量值的一致性。

5）檢定：是用高一等級準確度的計量器具對低一等級的計量器具進行比較，以達到全面評定被檢計量器具的計量性能是否合格的目的。一般要求計量標準的準確度為被檢者的1/3到1/10。

6）校準：校準是指被校的計量器具與高一等級的計量標準相比較，以確定被校計量器具的示值誤差（有時也包括確定被校器具的其他計量性能）的全部工作。

7）量值的傳遞：指一個物理量單位通過各級基準、標準及相應的輔助手段準確地傳遞到日常工作中所使用的測量儀器、量具，以保證量值統(tǒng)一的全過程。

第23頁2023/7/231．2計量的基本概念1.2.4測量基準的權威性和相對性（1）基準的權威性基準的理論定義最嚴格的、制作工藝技術最先進。原器基準自身也會隨時間、地點、環(huán)境條件而變化，甚至會損壞，會失傳。從現(xiàn)代科學的觀點來看，最好的基準是原子基準。（2）基準的相對性一個時期的測量基準反映當時的人類認識水平和科學水平例：以太陽為基準，時間測量的精確度1天內可達到1秒鐘。而目前銫原子鐘的計時精確度在三百萬年內也不超過1秒。第24頁2023/7/231．3電子測量的基本概念1.3.1電子測量的定義

20世紀30年代，便開始了測量科學與電子科學的結合，產生了電子測量技術從廣義上說，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。第25頁2023/7/231.3.2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第26頁2023/7/231.3.3電子測量的內容1.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：電子測量的基本對象是未知的信號或系統(tǒng)

電子測量的基本工具是已知的信號或系統(tǒng)電子測量的基本工作機理是信號與系統(tǒng)的相互作用第27頁2023/7/231.3.3電子測量的內容2.按具體的測量對象來分類，包括下列電參數(shù)的測量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、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增益、調幅度、調頻指數(shù)、失真度等測量。⑤特性曲線的測量包括幅頻特性曲線、相頻特性曲線晶體管特性曲線等的測量和顯示。第28頁2023/7/231.3.4電子測量的方法3按測量方法分類直接測量——用已標定的儀器，直接地測量出某一待測未知量的量值。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。組合測量第29頁2023/7/234按測量性質分類I.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

II.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

1.3.4電子測量的方法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)。第30頁2023/7/23III.隨機測量技術：測量噪聲信號和使用隨機信號源進行動態(tài)測量；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按測量性質分類1.3.4電子測量的方法IV.數(shù)字測量技術：采用邏輯分析儀對數(shù)字量進行測量的方法。第31頁2023/7/235、選擇測量方法的原則

測量任務確定以后應根據(jù)被測量特點（包括性質大小、變化，范圍、穩(wěn)定性、允許的測量時間和空間等）、測量所要求的準確度、測量環(huán)境條件以及現(xiàn)有測量設備等進行綜合考慮，選擇正確的測量方法和合適的測量儀器。只有這樣才能保證不損壞被測對象和測量儀器，減少測量誤差。1.3.4電子測量的方法第32頁2023/7/231.4電子測量儀器1.4.1、分類通用專用為了測量某一個或幾個電參數(shù)而設計的；有較寬廣的應用范圍，如電子示波器、多用表及通用計數(shù)器等

為了某一個或幾個專門的目的而設計的；有特定的用途，例如，電視彩色信號發(fā)生器、光纖測試儀器用于測試光纖的特性，通信測試儀器用于測試通信線路及通信設備。電子測量儀器：利用電子技術構成的測量儀器。

測量儀器：用于檢測或測量一個量，或為達到測量目的而提供的測量器具.第33頁2023/7/231.4電子測量儀器1.4.1分類通用信號發(fā)生器信號分析儀頻率時間相位測量儀器網絡特性測試儀電子元器件測試儀電波特性測試儀輔助儀器用于觀測、分析和記錄各種電量的變化：示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等用于提供各種測量的波形信號：高低頻、脈沖、函數(shù)等用于測量頻率特性、阻抗特性、噪聲特性：掃頻儀、阻抗測量儀、網絡分析儀等用于測量各種電子元器件的墊參數(shù)及顯示特性曲線：RLC測試儀、晶體管特性圖示儀等用于測量電波傳播、電磁場強度及干擾強度等：場強儀、測試接受機、干擾測量儀

配合上述儀器使用的儀器：各種放大器、衰減器、檢波器、記錄器等

頻率計、相位計、時間或頻率標準等

第34頁2023/7/231.4電子測量儀器1.4.1分類電信號測量儀器時域測試儀器頻域測試儀器

調制域測試儀器

用于測量信號的頻譜、功率譜、噪聲功率譜等典型儀器（頻潛分析儀、信號分析儀等）用于測試電信號在時域的種種特性，例如觀察和測試信號的時基波形（示波器）；測量電信號的電壓、電流及功率（電壓表、電流表及功率計）；測量電信號的頻率、周期、相位及時間間隔（通用計數(shù)器、頻率計、相位計及時間計數(shù)器等）；可測量諸如壓控振蕩器（VCO）的暫態(tài)過程和頻率漂移；調頻和調相的線性及失真。第35頁2023/7/231.4.2電子測量儀器的誤差1.4電子測量儀器在電子測量中，由于電子測量儀器本身性能不完善所引起的誤差，稱為電子測量儀器的誤差（pp15）

1、工作誤差3、影響誤差當一個影響量在其額定使用范圍內取任一值，而其他影響量和影響特性均處于基準條件下所測得的誤差。

只有當某一影響量在工作誤差中起重要作用時才給出。在額定工作條件下測定的儀器誤差極限。2、固有誤差當儀器的各種影響量與影響特性處于基準條件時，儀器所具有的誤差。能更準確的反映儀器所固有的性能，便于在相同條件下對同類儀器進行比較和校準。4、穩(wěn)定誤差儀器的標稱值在其他影響量及影響特性保持恒定的情況下，于規(guī)定時間內所產生的誤差極限。習慣上以相對誤差形式給出或注明最長連續(xù)工作時間。

第36頁2023/7/231.4.2電子測量儀器的誤差1.4電子測量儀器基本誤差：電子測量儀器在規(guī)定的正常工作條件下所具有的誤差稱為基本誤差。（注意與固有誤差（基準條件）的區(qū)別）附加誤差：電子測量儀器在超出規(guī)定的正常工作條件時所增加的誤差稱為附加誤差。按使用條件第37頁2023/7/231.4.3電子測量儀器的發(fā)展模擬儀器數(shù)字儀器智能儀器虛擬儀器基本結構是電磁機械式，借助指針來顯示測量結果，如以前常用的指針式電壓表，萬用表等。

將模擬信號的測量轉換為數(shù)字信號的測量，并以數(shù)字的方式輸出測試結果，如后面我們將介紹的數(shù)字電壓表，數(shù)字頻率計等內置微處理器和GPIB接口，主要由數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的分析與處理、存儲顯示和輸出等三個模塊構成。能進行自動測量同時還具有一定的數(shù)據(jù)處理能力是一種功能意義上的儀器。它是在通用計算機上添加一層軟件和（或）必要的儀器硬件模塊，使用戶操作通用計算機就像操作一臺自己專門設計的傳統(tǒng)電子儀器一樣。它強調軟件的作用，不同的軟件對應不同的儀器功能。因而具有更大的靈活性。NI公司的LabView就是其中最成功的例子。1.4電子測量儀器第38頁2023/7/231.5測量的間接比較與直接比較原理測量最基本的原理是比較，比較是認識和區(qū)別被測對象的一種重要方法。測量是通過比較來取得一個定量的認識1.5.1基于比例變換的間接比較法（偏轉法）1.比例變換的原理（1）三種類型的子變換：A第39頁2023/7/231.5.1基于比例變換的間接比較法（續(xù)）例：彈簧秤是偏轉法直讀式儀器的一個簡單例子。被測重物放在彈簧秤上，把物體的重量變成彈簧的彈性形變。然后，形變帶動機械式儀表的指針成比例的偏轉，指示出被測物體的重量。直讀式電壓表

第40頁2023/7/231.5.1基于比例變換的間接比較法（續(xù)）

（2）實現(xiàn)結構由于故：式中

1.5.1基于比例變換的間接比較法（續(xù)）（3）間接比較方法：步驟為①校準②測量第42頁2023/7/231.5.2基于差值示零的直接比較法1.差值檢測原理:

被測量與標準量直接進行比較①

需要一個具有比較功能的電路，要求比較的范圍寬、靈敏度和分辨力高；②

需要一個與被測量同類的可變標準量參與比較，要求標準量準確且可細微