電子測(cè)量技術(shù)第1章

1、 1.1 測(cè)量與計(jì)量的基本概念 1.1.11.1.1 測(cè)量的定義 概念：測(cè)量是為確定被測(cè)對(duì)象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn) 過(guò)程。 在這個(gè)過(guò)程中，人們借助專門(mén)的設(shè)備（如電子電壓 表、信號(hào)發(fā)生器、電子示波器等），把被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn) 的同類單位量進(jìn)行比較，從而確定被測(cè)量與單位量之 間的數(shù)值關(guān)系，最后用數(shù)值和單位共同表示測(cè)量結(jié)果。 測(cè)量的實(shí)質(zhì)就是將被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量在測(cè)量設(shè)備上進(jìn) 行比較，得出被測(cè)量量值的過(guò)程。 1按測(cè)量性質(zhì)分類 根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)將它們大致分為時(shí)域測(cè)量、頻域 測(cè)量、數(shù)據(jù)域測(cè)量和隨機(jī)測(cè)量四大類。 （1）時(shí)域測(cè)量：測(cè)量與時(shí)間有函數(shù)關(guān)系的量（如 正弦信號(hào)、脈沖信號(hào)）。這些量的穩(wěn)態(tài)值、有效值 等參數(shù)可用電壓表等

2、儀器測(cè)量；這些量的瞬態(tài)值可 用示波器等儀器直接觀測(cè)并測(cè)量。 （2）頻域測(cè)量：測(cè)量與頻率有函數(shù)關(guān)系的量（如 電路增益、相移等）?？赏ㄟ^(guò)頻譜分析儀等儀器分 析電路的幅頻、相頻或頻譜特性。 1.1.21.1.2 測(cè)量的分類 （3）數(shù)據(jù)域測(cè)量：對(duì)數(shù)字邏輯量進(jìn)行測(cè)量。例如， 用具有多個(gè)輸入通道的邏輯分析儀，可以同時(shí)觀 測(cè)并行數(shù)據(jù)的時(shí)序波形，也可用“1”、“0”顯示 其邏輯狀態(tài)。 （4）隨機(jī)測(cè)量：主要是指對(duì)各類隨機(jī)的噪聲信號(hào)、 干擾信號(hào)大小或特征的測(cè)量。 常用的有直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量三種。 （1）直接測(cè)量：指可以直接得到被測(cè)量的量值的測(cè) 量。例如用均值電壓表測(cè)量電壓，可直接讀出被測(cè) 電壓的平均值。

3、 （2）間接測(cè)量：指必須采用其他直接測(cè)量的量的結(jié) 果，然后按一定的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，最后才求得 被測(cè)量的量值的測(cè)量。 （3）組合測(cè)量：在某些測(cè)量中，被測(cè)量與多個(gè)未知 量有關(guān)，測(cè)量一次無(wú)法得出確切的結(jié)果，需改變測(cè) 量條件進(jìn)行多次測(cè)量，然后根據(jù)被測(cè)量與未知量的 函數(shù)關(guān)系列方程組求解才能得出被測(cè)量的測(cè)量方法。 2按測(cè)量手段分類 如圖1.1所示為測(cè)量有源 二端網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻R0的電 路圖，其中UAB為網(wǎng)絡(luò)端 口電壓，E為等效電動(dòng)勢(shì)， 式中R0和E均為未知量， 采用直接或間接測(cè)量都 不能直接得出結(jié)果，可 采用組合測(cè)量法。 圖1.1 用組合測(cè)量法測(cè)量有源二端 網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻 改變二端網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載RL，得到不同的電壓

4、表讀數(shù) UAB1、 UAB2和不同的電流表讀數(shù)I1、 I2 ，代入回 路電壓定律E=I R0+ UAB得 E= I1R0+ UAB1 E= I2R0+ UAB2 兩式聯(lián)立求解得 R0 = （UAB2 -UAB1）/（ I1 - I2 ） 1.1.3 測(cè)量與計(jì)量的關(guān)系 計(jì)量就是具有法制效力的基準(zhǔn)量的測(cè)量。 計(jì)量是測(cè)量的一種特殊形式，是測(cè)量工作發(fā)展的客 觀需要；而測(cè)量是計(jì)量聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際的重要途徑，沒(méi)有 測(cè)量就沒(méi)有計(jì)量，沒(méi)有計(jì)量會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可 靠性得不到保證，測(cè)量就會(huì)失去價(jià)值。 測(cè)量與計(jì)量必須相輔相成。 1.2 1.2 電子測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)和意義電子測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)和意義 1.2.11.2.1

5、 電子測(cè)量的定義 從廣義上說(shuō)，凡是利用電子技術(shù)進(jìn)行的測(cè)量都可以說(shuō) 是電子測(cè)量；從狹義上說(shuō)，電子測(cè)量是指在電子學(xué)中 對(duì)有關(guān)電的量值的測(cè)量。 1.2.21.2.2 電子測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn) 1測(cè)量速度快 2測(cè)量頻率范圍寬和測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍廣 3測(cè)量準(zhǔn)確度高 4易于實(shí)現(xiàn)遙控 5易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化和測(cè)量?jī)x器的智能化 1.3 電子測(cè)量的內(nèi)容 （1）電能量的測(cè)量。 （2）元件和電路參數(shù)的測(cè)量。 （3）電信號(hào)特性的測(cè)量。 （4）電子電路性能的測(cè)量。 （5）特性曲線的顯示與測(cè)量。 測(cè)量方法測(cè)量方法 測(cè)量?jī)x器測(cè)量?jī)x器 主要應(yīng)用范圍主要應(yīng)用范圍 時(shí)域測(cè)量 電子電壓表 對(duì)正弦電壓或周期性非正弦電壓的 峰值、有效值、平均值

6、測(cè)量。 電子計(jì)數(shù)器 測(cè)量信號(hào)的頻率、頻率比、周期、 時(shí)間間隔和累加計(jì)數(shù)等。 電子示波器 實(shí)時(shí)測(cè)量不同波形信號(hào)的電壓值、 周期、相位、頻率、脈沖信號(hào)的前 沿、脈沖、時(shí)間延遲等。 測(cè)量用信號(hào)源 提供測(cè)試用信號(hào)，如正弦、脈沖、 函數(shù)、噪聲信號(hào)等。 表1.1 常用電子測(cè)量?jī)x器與應(yīng)用 測(cè)量方法測(cè)量方法 測(cè)量?jī)x器測(cè)量?jī)x器 主要應(yīng)用范圍主要應(yīng)用范圍 頻域測(cè)量 頻率特性 測(cè)試儀 測(cè)量電子線路的幅頻特性、帶寬、回路的 Q值等。 頻譜分析儀測(cè)量電路的頻譜、功率譜等振幅傳輸特性 和相移特性。 網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行測(cè)量。 調(diào)制域 測(cè)量 調(diào)制域 分析儀 測(cè)量調(diào)頻和調(diào)相的線性及失真、脈寬調(diào)制 信號(hào)、鎖相環(huán)路的捕捉及跟

7、蹤等。 數(shù)據(jù)域 測(cè)量 數(shù)字信號(hào) 發(fā)生器 提供串行、并行數(shù)據(jù)及任意數(shù)據(jù)流信號(hào)。 邏輯分析儀 監(jiān)測(cè)數(shù)字系統(tǒng)的軟、硬件工作程序。 數(shù)據(jù)通信 分析儀 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和傳輸設(shè)備的誤碼、延時(shí)、告 警和頻率的測(cè)量 測(cè)量方法測(cè)量方法 測(cè)量?jī)x器測(cè)量?jī)x器 主要應(yīng)用范圍主要應(yīng)用范圍 隨機(jī)測(cè)量 噪聲系 數(shù)分析儀 對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)量 電磁干 擾測(cè)試儀 對(duì)電磁干擾信號(hào)進(jìn)行測(cè)量 光通信域 測(cè)量 光功率計(jì) 對(duì)光功率大小進(jìn)行測(cè)量 光時(shí)域 反射計(jì) 測(cè)量光纖故障點(diǎn)點(diǎn)的位置、測(cè)量光纖損耗、 光纖接頭損耗及光纖長(zhǎng)度 穩(wěn)定光源 提供測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)光源 誤碼、抖 動(dòng)儀 用于測(cè)定和分析誤碼率、抖動(dòng) 1.4 1.4 電子測(cè)量技術(shù)發(fā)展概述電子測(cè)量技術(shù)發(fā)

8、展概述 模擬式模擬式 儀表儀表 數(shù)字式數(shù)字式 儀表儀表 智能化智能化 儀表儀表 虛擬虛擬 儀器儀器 圖1 測(cè)量?jī)x器的發(fā)展進(jìn)程示意圖 本章小結(jié)本章小結(jié) 測(cè)量是為確定被測(cè)對(duì)象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過(guò) 程，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)必須定時(shí)計(jì)量，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn) 確性和一致性，同時(shí)確保量值的順利傳遞。 電子測(cè)量技術(shù)，由于其測(cè)量速度快、測(cè)量頻率 范圍寬、測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍廣、測(cè)量準(zhǔn)確度高及易于實(shí) 現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而廣泛運(yùn)用于自然科學(xué)的一切 領(lǐng)域。 電子測(cè)量技術(shù)的速度發(fā)展，促使電子測(cè)量?jī)x器 從模擬儀器、數(shù)字儀器、智能儀器到虛擬儀器的變 化?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化的電 子測(cè)量技術(shù)一定會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 多功能

9、計(jì)數(shù)器 函數(shù)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器 頻率計(jì) 6.1 概述 目前，在電子測(cè)量中，時(shí)間和頻率的測(cè)量精確 度是最高的，在檢測(cè)技術(shù)中，常常將一些非電量 或其他電參量轉(zhuǎn)換成頻率進(jìn)行測(cè)量。本章將重點(diǎn) 介紹利用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率、周期和時(shí)間間隔 的測(cè)量方法。 1頻率和周期的基本概念 頻率定義為相同的現(xiàn)象在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)的 次數(shù)。 周期則是指出現(xiàn)相同現(xiàn)象的最小時(shí)間間隔. s N f T 式中，f頻率； N相同的現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)； Ts單位時(shí)間。 周期性現(xiàn)象，是指經(jīng)過(guò)一段相等的時(shí)間隔又出現(xiàn) 相同狀態(tài)的現(xiàn)象，在數(shù)學(xué)上可用一個(gè)周期函數(shù)來(lái) 表示所謂周期性現(xiàn)象。 式中 f頻率，用赫茲（HZ）表示； n正整數(shù)，相同的現(xiàn)象重

10、復(fù)出現(xiàn)的次數(shù) ； T周期過(guò)程的周期時(shí)間。 正弦波是一種典型常見(jiàn)的周期性信號(hào)，可表示為 對(duì)一個(gè)周期現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，周期和頻率都是描述它的重 要參數(shù)。周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系，只要測(cè)出其中 一個(gè)，便可取倒數(shù)而求得另一個(gè)。 式中 f頻率，用赫茲（HZ）表示； T周期過(guò)程的周期時(shí)間。 （1）時(shí)頻測(cè)量具有動(dòng)態(tài)性質(zhì)。 （2）測(cè)量精度高。 （3）測(cè)量范圍廣。 （4）頻率信息的傳輸和處理比較容易。 2時(shí)間與頻率測(cè)量的特點(diǎn) 頻率的測(cè)量方法按工作原理可分為直接法和比 對(duì)法兩大類。 （1）直接法。直接法是指直接利用電路的某種頻 率響應(yīng)特性來(lái)測(cè)量頻率的方法。電橋法和諧振法是 這類測(cè)量方法的典型代表。 直接法常常通過(guò)數(shù)學(xué)模型先

11、求出頻率表達(dá)式，然后 利用頻率與其他已知參數(shù)的關(guān)系測(cè)量頻率。 （2）比對(duì)法。比對(duì)法是利用標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率 進(jìn)行比較來(lái)測(cè)量頻率的。其測(cè)量準(zhǔn)確度主要取決于 標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度。拍頻法、外差法及計(jì)數(shù)器測(cè)頻 法是這類測(cè)量方法的典型代表。 3頻率測(cè)量的基本方法 6.2.1 電子計(jì)數(shù)器面板及控鍵示意圖 電子計(jì)數(shù)器的面板和主要的控制按鍵如圖6.1所示 。 6.2 電子計(jì)數(shù)器及其應(yīng)用 （1 1）功能選擇）功能選擇 有6個(gè)鍵，完成計(jì)數(shù)、測(cè)量頻率、測(cè)量周期、測(cè)量 時(shí)間間隔、測(cè)量頻率比和自校功能。 （2 2）時(shí)間選擇）時(shí)間選擇 測(cè)量頻率時(shí)，用于選擇閘門(mén)時(shí)間；測(cè)量周期時(shí)，用 于選擇周期倍乘。 （3 3）輸入通道）輸入

12、通道 具有A、B和C三個(gè)通道，其中A、B通道可對(duì)輸入信 號(hào)進(jìn)行衰減。 （4 4）觸發(fā)選擇）觸發(fā)選擇 用于選擇觸發(fā)方式。置“+”時(shí)，為上升沿觸發(fā)； 置“-”時(shí)，為下降沿觸發(fā)。 （5 5）觸發(fā)電平）觸發(fā)電平 可連續(xù)調(diào)節(jié)觸發(fā)電平。 （6 6）數(shù)碼顯示器）數(shù)碼顯示器 用于測(cè)量值顯示，小數(shù)點(diǎn)自動(dòng)定位。 622電子計(jì)數(shù)器的主要電路技術(shù) 電子計(jì)數(shù)器一般由輸入通道、計(jì)數(shù)器、邏輯控 制、顯示器及驅(qū)動(dòng)等電路構(gòu)成。 1輸入通道 電子計(jì)數(shù)器一般設(shè)置23個(gè)輸入通道，記做A、B 、C。A通道用于測(cè)頻、自校；B通道用于測(cè)量周期 ；B、C通道合起來(lái)測(cè)時(shí)間間隔；A、B通道合起來(lái) 測(cè)頻率比。 A通道是主通道，頻帶較寬；B、C通道

13、是簡(jiǎn)易通道 。A通道的基本框圖如圖6.2所示，它包括衰減器 、放大器、整形器。 圖6.2 A通道的基本框圖 2計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)器由觸發(fā)器構(gòu)成。在數(shù)字儀表中，最常用的 是按8421編碼的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，來(lái)了10個(gè)脈沖就產(chǎn)生 1個(gè)進(jìn)位。 3顯示與驅(qū)動(dòng)電路 電子計(jì)數(shù)器以數(shù)字方式顯示出被測(cè)量，目前常 用的有LED顯示器和LCD顯示器。LED為數(shù)碼顯示， 其優(yōu)點(diǎn)是工作電壓低、能與COMS、TTL電路兼容， 發(fā)光亮度高、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)。LCD為液晶顯示， 其突出優(yōu)點(diǎn)是供電電壓低和微功耗，是各類顯示 器中功耗最低的。同時(shí)LCD制造工藝簡(jiǎn)單、體積小 而薄，特別適用于小型數(shù)字儀表中。 4邏輯控制電路 邏輯控制電路是由

14、門(mén)電路和觸發(fā)器組成的時(shí)序 邏輯電路。它產(chǎn)生各種指令信號(hào)，這些指令控制 整機(jī)各單元電路的工作，使整機(jī)按一定的工作程 序完成測(cè)量任務(wù)。 6.2.3 6.2.3 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率 1測(cè)頻的基本原理 電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻是嚴(yán)格按照頻率的定義進(jìn)行的。 它在某個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔Ts內(nèi)，測(cè)出被測(cè)信號(hào)重 復(fù)的次數(shù)N，然后由公式f = N/Ts計(jì)算出頻率。測(cè)量的 原理框圖如圖6.3所示。 圖6.3 電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻原理框圖 （1）輸入單元電路 由放大、整形電路構(gòu)成，它將輸入頻率為fx的 被測(cè)周期性信號(hào)放大、整形，變換成計(jì)數(shù)器能接 受的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，并加到閘門(mén)電路輸入端。 （2）時(shí)基Ts產(chǎn)生電路 包括石英晶體振蕩器、

15、分頻器及時(shí)基選擇電路 。用于產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)間間隔Ts 。 （3）主門(mén)電路 通常由一個(gè)與門(mén)（或一個(gè)或門(mén)）構(gòu)成。它進(jìn)行 時(shí)間或頻率的量化比較，完成時(shí)間或頻率的數(shù)字 轉(zhuǎn)換。 （4）計(jì)數(shù)顯示電路 包括多級(jí)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、寄存器、譯碼器和數(shù)字 顯示器等。 它對(duì)主門(mén)輸出的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再用數(shù)字顯 示出來(lái)。 （5）邏輯控制電路 包括門(mén)電路和觸發(fā)器組成的時(shí)序邏輯電路。 它產(chǎn)生各種控制信號(hào)，如寄存、顯示、復(fù)位信號(hào) 等，控制整機(jī)各單元電路的工作，使整機(jī)按一定的 工作程序完成測(cè)量任務(wù)。 2測(cè)頻方法的誤差分析 （1）量化誤差。利用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率，測(cè)量的 實(shí)質(zhì)是在已知的時(shí)間內(nèi)累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)，是一個(gè)量化過(guò) 程。這種計(jì)數(shù)

16、只能對(duì)整數(shù)個(gè)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，它不可能 測(cè)出半個(gè)脈沖，即量化的最小單位是數(shù)碼的一個(gè)字。 這種誤差稱為“1個(gè)字誤差”，簡(jiǎn)稱“1誤差”。 量化誤差的相對(duì)值為 當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率一定時(shí)，主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng)，量化 的相對(duì)誤差就越??；當(dāng)主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間一定時(shí)，提高 被測(cè)信號(hào)的頻率，也可減小量化誤差的影響。 xs 11N NNfT 式中， 量化誤差的相對(duì)值，即計(jì)數(shù)的相對(duì)誤 差； fx被測(cè)信號(hào)的頻率； Ts選定的主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間。 N N （2）閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的誤差。閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的誤差主 要由晶振的頻率誤差引起。設(shè)晶振頻率為fc（周期為 Tc）、分頻系數(shù)為常數(shù)k，則 s sc 1k T ff 式中，k分頻系數(shù)； fc標(biāo)準(zhǔn)頻率。

17、 （3）測(cè)頻公式誤差 測(cè)頻的公式誤差為 由于 的符號(hào)可正可負(fù)，若按最壞情況考慮， 可得電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的最大相對(duì)誤差計(jì)算公 式為 c f cx f xxsc 1 ff ffTf （4）測(cè)頻計(jì)數(shù)誤差。 計(jì)數(shù)誤差是指在測(cè)量頻率時(shí)，由于被測(cè)信號(hào)中的干 擾噪聲影響，使輸入信號(hào)經(jīng)觸發(fā)器整形后，形成的 計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生了錯(cuò)誤而產(chǎn)生的誤差。如圖6.5（a） 、（b）所示。 圖6.5 噪聲干擾引起的計(jì)數(shù)誤差 （5）結(jié)論 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率時(shí)要提高頻率測(cè)量的準(zhǔn)確 度（減少測(cè)量誤差）可采取如下措施： 選擇準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度高的晶振作為時(shí)標(biāo)信號(hào)發(fā) 生器，以減小閘門(mén)時(shí)間誤差。 加大分頻器的分頻系數(shù)k，擴(kuò)大主門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間 ，

18、以減小量化誤差的影響。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，用測(cè)頻方法測(cè)得的頻率 誤差較大，應(yīng)選用其它方法進(jìn)行測(cè)量。 對(duì)隨機(jī)的計(jì)數(shù)誤差，可提高信噪比或調(diào)小通道增 益來(lái)減小誤差程度。 6.2.4 6.2.4 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期 1測(cè)量周期的基本原理 周期是頻率的倒數(shù)，因此周期的測(cè)量與頻率測(cè) 量正好相反。電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的原理框圖如 圖6.6所示。電路構(gòu)成與測(cè)頻電路類似，包括輸入 整形電路，時(shí)標(biāo)、時(shí)基產(chǎn)生電路，主門(mén)電路，計(jì) 數(shù)顯示及邏輯控制電路等。 圖6.6 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的基本原理框圖 （1）公式誤差 測(cè)量周期的相對(duì)誤差為 2測(cè)周方法的誤差分析 xx s s lnln T TT NT NT ss s s lnlnlnlnNTNT NT NT ()() s s T N NT 其中： 按最壞結(jié)果考慮，周期測(cè)量總的系統(tǒng)誤差應(yīng)是兩 種誤差之和。 k fT kT T T T N cx c x s x 1N cx fT k NN N 1 c c c c s s f f f k f k T T c c cx T f f fT k （2）觸發(fā)誤差。觸發(fā)誤差是