電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識課件

1、1420全 書 目錄 第1章電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識 第2章測量用信號發(fā)生器 第3章電子電壓表 第4章電子示波器 第5章掃頻測量儀 第6章電子計數(shù)器 第7章電子元器件參數(shù)測量 第8章智能儀器技術(shù) 2420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)要點： 電子測量的方法 測量誤差的表示法 測量數(shù)據(jù)處理3420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識 1.1電子測量的一般方法 1.2電子測量儀器的分類與技術(shù)指標 1.3 測量誤差 1.4測量結(jié)果的表示及有效數(shù)字的處理 返回4420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識1.1 電子測量的一般方法所謂測量方法，就是為了實現(xiàn)測量，獲得測量結(jié)果所采用的各種手段和方式。選擇測量

2、方法的正確與否，直接影響到測量結(jié)果的可信賴程度，也關(guān)系到測量工作的經(jīng)濟性和可行性。電子測量的方法有很多種，這里僅就最常用的測量方法作簡要的介紹。1.1.1按測量方法分類1.直接測量用預(yù)先按已知標準量定度好的測量儀器對某一未知量直接進行測量，從而得到被測量值的測量方法稱為直接測量法。例如：用電壓表測量電路兩端的電壓、用電流表測量電路中的電流、用電子計數(shù)器測量頻率等，都屬于直接測量。2.間接測量對一個與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的物理量進行直接測量，然后通過代表該函數(shù)關(guān)系的公式、曲線或表格，求出被測量值的方法，稱為間接測量法。例如：測量電阻的消耗功率P=UI=I2R=U2/R，可以通過直接測量電壓、電流

3、或測量電流、電阻等方法求出。5420 當被測量不便于直接測量，或者間接測量的結(jié)果比直接測量更為準確時，多采用間接測量方法。例如：測量晶體管發(fā)射極電流，較多采用直接測量發(fā)射極電阻（Re）上的電壓，再通過公式IE=UE/R算出，而不用斷開電路串入電流表的方法。測量放大器的電壓放大倍數(shù)A，一般是分別測量輸出電壓Uo與輸入電壓Ui后，再算出A=Uo/Ui。3.組合測量 它是兼用直接測量與間接測量的方法。將被測量和另外幾個未知量，按它們之間的函數(shù)關(guān)系組成聯(lián)立方程，通過直接測量這幾個未知量最后求解聯(lián)立方程，從而得出被測量的大小。此種測量方法稱為組合測量法。 上面介紹的三種方法中，直接測量的優(yōu)點是測量過程簡

4、單、迅速，在工程技術(shù)中采用比較廣泛；間接測量多用于科學(xué)實驗，在生產(chǎn)及工程技術(shù)中應(yīng)用較少，只有當被測量不便于直接測量時才采用；組合測量是一種特殊的精密測量方法，適用于科學(xué)實驗及一些特殊的場合。第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識64201.1.2 按被測信號的性質(zhì)分類時域測量 時域測量是測量被測對象在不同時間的特性，這時把被測信號看成是一個時間的函數(shù)。例如：電壓、電流的測量，它們有瞬態(tài)量和穩(wěn)態(tài)量。使用示波器顯示被測信號的瞬時波形，測量它的幅度、寬度、上升沿和下降沿等參數(shù)。時域測量還包括一些周期性信號的穩(wěn)態(tài)參量的測量，如正弦交流電壓，雖然它的瞬時值會隨時間變化，但是交流電壓的振幅和有效值是穩(wěn)態(tài)值，可用

5、指針式儀表測量 2.頻域測量 頻域測量是測量被測對象在不同頻率時的特性。這時把被測量對象看成頻率的函數(shù)。例如：放大器的幅頻特性，可用頻率特性圖示儀予以顯示；放大器的相頻特性，可使用相位計測量放大器對不同頻率的信號產(chǎn)生的相移。第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識7420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識3.數(shù)據(jù)域測量數(shù)據(jù)域測量是對數(shù)字系統(tǒng)邏輯特性進行的測量。例如：用邏輯分析儀對數(shù)字量進行測量，它具有多個輸入通道，可以同時觀測許多單次并行的數(shù)據(jù)。如微處理器地址線、數(shù)據(jù)線上的信號，可以顯示時序波形，也可以用“0”、“1”顯示邏輯狀態(tài)。4.隨機測量隨機測量又叫統(tǒng)計測量。例如：各類噪聲、干擾信號等，利用噪聲信

6、號源進行動態(tài)測量和統(tǒng)計分析。在通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電子測量方法還有很多，如人工測量和自動測量、動態(tài)測量和靜態(tài)測量、精密測量和工程測量、低頻測量、高頻測量和超高頻測量，模擬測量和數(shù)字測量等。8420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識1.1.3 選擇測量方法的原則在選擇測量方法時，應(yīng)綜合考慮以下一些因素：被測量本身的特性，所要求的測量精確程度，環(huán)境條件，所具有的測量儀器設(shè)備等，再確定采用哪種測量方法和選擇哪些測量儀器設(shè)備。選擇測量方法的原則：（1）所選擇的測量方法必須能夠達到測量要求（包括測量的精確度）。（2）在保證測量要求的前提下，選用簡便的測量方法。（3）所選用的測量方法不能損壞被測元器件。

7、（4）所選用的測量方法不能損壞測量儀器。9420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識下面我們舉例說明如何根據(jù)具體情況選擇合適的測量方法：（1）根據(jù)被測物理量的特性選擇測量方法例如，測量線性電阻（如金屬膜電阻），由于其阻值不隨流經(jīng)它的電流的大小而變化，可選用電橋（比較式儀器）直接測量，這種方法簡便，精確度高。測量非線性電阻（如二極管、燈絲電阻等），由于這類電阻的阻值隨流經(jīng)它的電流的大小而變化，宜選用伏安法間接測量，并作IV曲線和RI曲線，然后由曲線求得對應(yīng)于不同電流值的電阻。同理，測量線性電感時，可選用交流電橋直接測量，測量非線性電感時，可選用伏安法間接測量。（2）根據(jù)測量所要求的精度，選擇測量方法

8、從測量的精度考慮，測量可分為精密測量和工程測量。精密測量是指在計量室或?qū)嶒炇疫M行的需要深入研究測量誤差問題的測量。工程測量是指對測量誤差的研究不很嚴格的一般性測量，往往是一次測量獲得結(jié)果。例如，測量市電220伏電壓，可用指針式電壓表（或萬用表）直接測量，它直觀、方便。而在測量電源的電動勢時，不能用指針式電壓表（或萬用表）直接測量，這是由于指針式電壓表的內(nèi)阻不很大，接入后電壓表指示的電壓是電源的端電壓，而不是電動勢。在測量標準電池的電動勢時，更不能用電壓表或萬用表，其原因，一是電壓表或萬用表的內(nèi)阻都不是很大，接入后，標準電池通過電壓表或萬用表的電流會遠遠超過標準電池所允許的額定值。標準電池只允許

9、在短時間內(nèi)通過幾微安的電流。二是標準電池的電動勢的有效數(shù)字要求較多，一般有6位，指針式電壓表達不到要求。因此，測量標準電池電動勢應(yīng)該選用電位差計用平衡法進行測量，平衡時，標準電池不供電。10420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識（3）根據(jù)測量環(huán)境及所具備的測量儀器的技術(shù)情況選擇測量方法例如用萬用表歐姆檔測量晶體管PN結(jié)電阻時，應(yīng)選用R100或R1K檔，而不能選用R1檔或高阻檔。這是因為，若用R1檔測量時，萬用表內(nèi)部電池提供的流經(jīng)晶體管的電流較大，可能燒壞晶體管，而高阻檔內(nèi)部配有高電動勢（9伏、12伏或15伏）的電池，高電壓可能使晶體管擊穿?？傊?，進行某一測量時，必須事先綜合考慮以上情況選擇正確

10、的測量方法和測量儀器，否則，得出的數(shù)據(jù)可能是錯誤的，或產(chǎn)生不容許的測量誤差，也可能損壞被測的元器件，損壞測量儀器、儀表。11420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識1.2 電子測量儀器的分類與技術(shù)指標1.2.1電子測量儀器的分類電子測量儀器的分類方法不一，通常是按其功能分，大致可分為如下幾類。1.信號發(fā)生器（信號源）信號發(fā)生器（包括函數(shù)發(fā)生器）為檢修、調(diào)試電子設(shè)備和儀器時提供信號源。它是一種能夠產(chǎn)生一定波形、頻率和幅度的振蕩器。例如：產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、斜波和矩形脈沖波等。2.電平測量儀器模擬式電壓表、模擬多用表（即指針式萬用表）、毫伏表、數(shù)字電壓表、數(shù)字多用表（即數(shù)字萬用表）都屬此類。這

11、是經(jīng)常使用儀表。它可以用來測量交流直流電壓、交流直流電流、電阻阻值、電容器容量、電感量、音頻電平、頻率、晶體管或電流放大倍數(shù)值等。12420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識3.示波器示波器是一種測量電壓波形的電子儀器，它可以把被測電壓信號隨時間變化的規(guī)律，用圖形顯示出來。如通用示波器、多蹤示波器、多掃描示波器、取樣示波器、記憶示波器和數(shù)字存儲示波器等。使用示波器不僅可以直觀而形象地觀察被測物理量的變化全貌，而且可以通過它顯示的波形，測量電壓和電流，進行頻率和相位的比較，以及描繪特性曲線等。4.時間、頻率、相位測量儀器時間、頻率、相位測量儀器主要用來測量電信號的時間間隔、頻率和相位。這類儀器有各

12、種頻率計、相位計、波長表以及各種時間、頻率標準等。5.網(wǎng)絡(luò)特性測量儀網(wǎng)絡(luò)特性測量儀主要用測量電路的頻率特性、阻抗特性、功率特性、噪聲特性等。這類儀器有頻率特性測試儀、（掃頻儀）、阻抗測量儀及網(wǎng)絡(luò)分析儀等。6.電子元器件測試儀用于測量電子元器件的電參數(shù)、顯示特性曲線等。例如：RLC測量儀，晶體管參數(shù)測試儀、晶體管特性圖示儀、模擬或數(shù)字集成電路測試儀等。13420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識1.2.2電子測量儀器的主要技術(shù)指標電子測量儀器的技術(shù)指標主要包括頻率范圍、準確度、量程與分辨力、穩(wěn)定性和可靠性、環(huán)境條件、響應(yīng)特性以及輸入輸出特性等。（1）頻率范圍 頻率范圍是指能保證儀器其他指標正常工作

13、的有效頻率范圍。（2）準確度 測量準確度又稱為測量精度，它描述的是由于測量結(jié)果在測量過程中受各種因素的影響而產(chǎn)生的與被測量真實值間的差異程度，即測量誤差。測量準確度通常以容許誤差或不確定度的形式給出。不確定度是指在對測量數(shù)據(jù)進行處理的過程中，為了避免丟失真實數(shù)據(jù)而人為擴大的測量誤差，由于它在一定程度上能反映出測量數(shù)據(jù)的可信程度而得名，不確定度的數(shù)值越大，丟失真實數(shù)據(jù)的可能性越小，即可信度越高。容許誤差是為了描述測量儀器的測量準確度而規(guī)定的，利用儀器進行測量時，允許儀器產(chǎn)生的最大誤差。（3）量程與分辨力 量程是指測量儀器的測量范圍。分辨力是指通過儀器所能直接反映出的被測量變化的最小值，即指針式儀

14、表刻度盤標尺上最小刻度代表的被測量大小或數(shù)字儀表最低位的“1”所表示的被測量大小。同一儀器不同量程的分辨力不同，通常以儀器最小量程的分辨力（最高分辨力）作為儀器的分辨力。14420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識（4）穩(wěn)定性與可靠性穩(wěn)定性是指在一定的工作條件下，在規(guī)定時間內(nèi)，儀器保持指示值或供給值不變的能力。可靠性是指儀器在規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的可能性，是反映儀器是否耐用的一種綜合性和統(tǒng)計性質(zhì)量指標。 （5）環(huán)境條件環(huán)境條件即保證測量儀器正常工作的工作環(huán)境，例如基準工作條件，正常條件，額定工作條件等。 （6）響應(yīng)特性一般說來，儀器的響應(yīng)特性是指輸出的某個特征量與其輸入的某個特征量之間的響

15、應(yīng)關(guān)系或驅(qū)動量與被驅(qū)動量之間的關(guān)系。例如峰值檢波器的響應(yīng)特性為檢波器輸出的平均值 約等于交流輸入信號的峰值。（7）輸入特性與輸出特性輸入特性主要包括測量儀器的輸入阻抗、輸入形式等。輸出特性主要包括測量結(jié)果的指示方式、輸出電平、輸出阻抗、輸出形式等。15420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識1.3測量誤差測量的目的是得到被測量的真實結(jié)果，即真值，但由于人們對客觀規(guī)律認識的局限性，不可能得到被測量的真值。測量值與被測量真值之間的差異稱為測量誤差。1.3.1測量誤差的表示方法測量誤差的表示方法有三種：絕對誤差、相對誤差和容許誤差。16420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識1. 絕對誤差（1）定義 測

16、量所得的測量值x與真值A(chǔ)0之差稱為絕對誤差，用x表示，即x=xA0式中，x稱為被測量的給出值、示值或測量值，習(xí)慣上統(tǒng)稱為示值；A0稱為被測量的真值。注意示值和儀器的讀數(shù)是有區(qū)別的，讀數(shù)是從儀器刻度盤、顯示器等讀數(shù)裝置上直接讀到的數(shù)字，而示值則是由儀器刻度盤、顯示器上的讀數(shù)經(jīng)換算而成的。17420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識真值A(chǔ)0是一個理想的概念，實際上是不可能得到的，通常用高一級標準儀器或計量器具所測得的測量值A(chǔ)來代替，A稱為被測量的實際值。絕對誤差的計算式為： x=xA （8-1）絕對誤差的正負號表示測量值偏離實際值的方向，即偏大或偏小。絕對誤差的大小則反映出測量值偏離實際值的程度。（

17、2）修正值 與絕對誤差大小相等、符號相反的量值，稱為修正值，用C表示，即C=x=Ax （8-2）修正值通常是在用高一級標準儀器對測量儀器校準時給出的。當?shù)玫綔y量值x后，要對測量值x進行修正得出被測量的實際值，即A=C+x （8-3）修正值有時給出的方式不一定是具體數(shù)值，也可能是一條曲線或一張表格，和絕對誤差一樣都有大小、符號及量綱。18420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識2. 相對誤差雖然絕對誤差可以說明測量結(jié)果偏離實際值的情況，但不能確切反映測量結(jié)果偏離真實值的程度。例如：對分別為10Hz和1MHz的兩個頻率進行測量，絕對誤差都為+1Hz，但兩次測量結(jié)果的準確程度顯然不同。為了克服絕對誤差

18、的這一不足，通常采用相對誤差的形式來表示。相對誤差包括實際相對誤差、示值相對誤差和滿度相對誤差。（1）相對誤差：絕對誤差與被測量的真值之比，稱為相對誤差（或稱相對真誤差）用表示：相對誤差沒有量綱，只有大小及符號。由于真值是難以確切得到的，通常用實際值A(chǔ)代替真值A(chǔ)0來表示相對誤差。（2）實際相對誤差：絕對誤差x與實際值A(chǔ)之比，稱為實際相對誤差，用A表示：在誤差較小，要求不大嚴格的場合，也可以用測量值x代替實際值A(chǔ)，由此得出示值相對誤差。（3）示值相對誤差： 絕對誤差x與測量值x之比，稱為示值相對誤差，用x表示：19420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識1.32誤差的來源1.儀器誤差指由于儀器、電

19、氣或機械結(jié)構(gòu)不完善引起的誤差。如磁電系的儀器的摩擦阻力，指針式儀器的非線性刻度引起的誤差，放大器中的零點漂移，數(shù)字式儀表的量化等引起的誤差。定期對儀器進行校準和計量，可以減少儀器的誤差。2.使用誤差由于人們對儀器的安裝、調(diào)節(jié)、使用不當?shù)纫鸬恼`差。如未按規(guī)定的方向位置安裝和調(diào)試儀器，連接電纜和負載阻抗不匹配，外殼接地不良，儀器未經(jīng)預(yù)熱、校準等而進行測量都會產(chǎn)生使用誤差。在測量中，應(yīng)嚴格按技術(shù)規(guī)程使用儀器，不斷提高實驗技巧，以減少或消除使用誤差。3.人身誤差由于測量者的分辨力、疲勞程度、心情、固有習(xí)慣等收起的誤差。4.理論誤差指由于依據(jù)的理論不嚴密或計算公式過于簡化等而導(dǎo)致的誤差。5.影響誤差影

20、響誤差又稱環(huán)境誤差，是指由于受周圍環(huán)境的影響，如溫度、壓力、溫度、電源波動、電磁光輻射、放射物等影響而產(chǎn)生的誤差。例如：儀器對溫度和電源的變化極其敏感，超出其規(guī)定使用范圍，均會產(chǎn)生影響誤差。21420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識1.3.3誤差的分類根據(jù)測量的性質(zhì)和特點，測量誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差三類。1.系統(tǒng)誤差 系統(tǒng)誤差是指在規(guī)定的條件下，誤差的數(shù)值保持恒定或按一定規(guī)律變化的誤差，有時也稱為確定性誤差。系統(tǒng)誤差決定了測量的準確度。系統(tǒng)誤差越小，測量結(jié)果越準確。對于系統(tǒng)誤差，在測量前應(yīng)細心做好準備工作，檢查所有可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的來源，并設(shè)法消除。對于固定性的誤差，可以采用零

21、示法、替代法、交換法和補償法等測量方法來消除。2.隨機誤差 在相同測量試條件下多次測量同一值時，絕對值和符號都以不可預(yù)知的方式變化的誤差，稱為隨機誤差或偶然誤差。隨機誤差決定了測量的精密度。隨機誤差越小，測量結(jié)果的精密度超高。隨機誤差服從統(tǒng)計規(guī)律。隨機誤差出現(xiàn)正負誤差的幾率相等，可以通過多次測量，采用統(tǒng)計學(xué)求平均的方法來消除。3.粗大誤差 粗大誤差又稱為粗差，它是在一定的測量條件下，測量值明顯偏離實際值所造成的測量誤差。粗大誤差是由于讀數(shù)錯誤、操作不正確、測量中的失誤及存在不能允許的干擾等原因造成的誤差。由于粗大誤差明顯歪曲測量結(jié)果，這種測量值稱為壞值，所以應(yīng)將它剔除掉。22420第1章 電子

22、測量與儀器的基礎(chǔ)知識1.4測量結(jié)果的表示及有效數(shù)字的處理1.4.1 測量結(jié)果的表示測量結(jié)果一般以數(shù)字方式或圖形方式表示。圖形方式可以在測量儀器的顯示屏上直接顯示出來，也可以通過對數(shù)據(jù)進行描點作圖得到。測量結(jié)果的數(shù)字表示方法有以下幾種：23420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識1測量值+不確定度這是最常用的表示方法，特別適合表示最后測量結(jié)果。例如R=40.670.5，40.67稱為測量值，0.5稱為不確定度，表示被測量實際值是處于40.1741.17區(qū)間的任意值，但不能確定具體數(shù)據(jù)。不確定度和測量值都是在對一系列測量數(shù)據(jù)的處理過程中得到的。24420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識2有效數(shù)字 有

23、效數(shù)字是由第一種數(shù)字表示方法改寫而成的，比較適合表示中間結(jié)果。當未標明測量誤差或分辨力時，有效數(shù)字的末位一般與不確定度第一個非零數(shù)字的前一位對齊，這是由不確定度的含義及“0.5誤差原則”所決定的。例如R=40.670.5改寫成有效數(shù)字為41。 3有效數(shù)字+（12）位的安全數(shù)字該方法是由前兩種表示方法演變而成的，它比較適合表示中間結(jié)果或重要數(shù)據(jù)。加安全數(shù)字可以減小由第一種方法改寫成第二種方法時產(chǎn)生的誤差對測量的影響。該方法是在第二種表示方法確定出有效數(shù)字位數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要向后多取12位安全數(shù)字，而多余數(shù)字應(yīng)按照有效數(shù)字的舍入規(guī)則進行處理。例如R=40.670.5用有效數(shù)字+1位安全數(shù)字表示為

24、40.7，末位的7為安全數(shù)字；用有效數(shù)字+2位安全數(shù)字表示為40.67，末尾的6、7為安全數(shù)字。上述方法表示出的結(jié)果是測量報告值。26420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識1.4.2 有效數(shù)字的處理有效數(shù)字的處理包括有效數(shù)字位數(shù)的取舍及有效數(shù)字的舍入。1. 有效數(shù)字及其位數(shù)的取舍測量過程中，通常要在量程最小刻度的基礎(chǔ)上多估讀一位數(shù)字作為測量值的最后一位，此估讀數(shù)字稱為欠準數(shù)字。欠準數(shù)字后的數(shù)字是無意義的，不必記入。由此得出的示值是測量記錄值，與測量報告值是不同的。例如某型萬用表直流50V量程的分辨力為1V，如果讀出32.7V是恰當?shù)?，但不能讀成32.73V，32.7V是測量記錄值。從第一個非零

25、數(shù)字起向右所有的數(shù)字稱為有效數(shù)字。例如0.0430V的有效數(shù)字位數(shù)是3位而不是5位或2位，第一個非零數(shù)字前的0僅表示小數(shù)點的位置而不是有效數(shù)字。未標明儀器分辨力時，有效數(shù)字中非零數(shù)字后的0不能隨意省略，例如3000V可以寫成3.000kV、3.000103V，而不能寫成3kV、3.0kV或3.00kV。電子測量中，如果未標明測量誤差或分辨力，通常認為有效數(shù)字具有不大于欠準數(shù)字0.5單位的誤差，稱之為0.5誤差原則。例如0.430V、0.43V表示的測量誤差分別為0.0005V、0.005V，標明被測量實際值分別處于0.42950.4305V、0.4250.435V之間，因此二者表示的意義是不同的。同樣道理，3.000kV與3.000103V表示的結(jié)果相同；而3kV、3.0kV、3.00kV表示的結(jié)果不相同。27420第1章 電子測量與儀器的基礎(chǔ)知識2數(shù)字修約規(guī)則“四舍六入五留雙”。具體的做法是，當尾數(shù)4時將其舍去；尾數(shù)6時就進一位；如果尾數(shù)為5而后面的數(shù)為0時則看前方：前方為奇數(shù)就進位，前方為偶數(shù)則舍去；當“5”后面還有不是0的任何數(shù)時，都須向前進一位，無論前方是奇還是偶數(shù)，“0”則以偶數(shù)論。0.536640.53