現(xiàn)代電子測量（課件）第1章緒論

現(xiàn)代電子測量關(guān)維國電子與信息工程學院1.1電子測量的基本概念

1.1.1電子測量的意義20世紀30年代，便開始了測量科學與電子科學的結(jié)合，產(chǎn)生了電子測量技術(shù)處理信息最有效、最成功的是電子科學技術(shù)

①具有極快的速度②具有極精細的分辨能力，很寬的作用范圍。③極有利于信息傳遞④極為靈活的變換技術(shù)。⑤巨大的信息處理能力1.1.2現(xiàn)代電子測量的特點（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1.1.3電子測量的內(nèi)容從廣義上說，電子測量是泛指以電子科學技術(shù)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(shè)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(shù)對電子學中有關(guān)的電量所進行的測量。

1.1.3電子測量的內(nèi)容（續(xù)）電子測量的內(nèi)容是：（1）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)的測量包括電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì)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(diào)幅度、調(diào)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(shè)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。1.1.3電子測量的內(nèi)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1.2電子測量的對象——信號與系統(tǒng)

1.2.1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(zhì)，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。1.2.1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(wù)，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。1.2.2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(zhì)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(fù)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(fù)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(fù)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。1.2.2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1.2.2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(nèi)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(nèi)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。1.2.2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(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)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(yīng)變分布的信號，其自變量表示結(jié)構(gòu)尺寸；1.2.3系統(tǒng)的基本概念信號的產(chǎn)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(guān)系或系統(tǒng)的功能。1.2.3系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）2.系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)的外部特性是由其內(nèi)部參數(shù)也即系統(tǒng)本身的固有屬性決定。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1.2.4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(yīng)與輸入信號的作用無關(guān)。線性系統(tǒng)對任意輸入的響應(yīng)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(yīng)，就可以對系統(tǒng)的各種電氣特性作出全面的評價1.2.4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(guān)；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(guān)，而且還與該時刻以前或以后的輸入有關(guān)。記憶系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)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)。

1.2.5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(nèi)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(nèi)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測量方法的分類概述1.3.1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(guān)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

1.3.2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

1.3.2有源參量與無源參量的測量（續(xù)）

3.電子測量儀器的功能結(jié)構(gòu)

被測對象的有源與無源特性決定了測量系統(tǒng)的組成方法和功能結(jié)構(gòu)信號特性參量為常見的有源量，主要包含信號的電壓與功率、頻率與波長、周期與時間、波形與頻譜等；電壓表、電流表、功率計、頻率計、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等儀器不含激勵信號源系統(tǒng)特性參數(shù)為常見的無源量，包括集總與分布參數(shù)系統(tǒng)的特性，例如，電阻、電感、電容、品質(zhì)因數(shù)、阻抗、導(dǎo)納、介電常數(shù)、導(dǎo)磁率、駐波比、反射系數(shù)、散射系數(shù)、衰減以及單位階躍響應(yīng)或單位沖激（脈沖）響應(yīng)與傳遞函數(shù)等。RLC測試儀、阻抗分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻率特性測試儀（掃頻儀）、晶體管特性圖示儀等儀器，均包含有激勵信號源。1.3.3集中式與分布式的多路測量1.集中式多路測試系統(tǒng)

1.3.3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(luò)化測量系統(tǒng)（b）無線電遙測系統(tǒng)1.3.4頻域、時域、數(shù)域及隨機域測量1.頻域測量技術(shù)：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(shù)：

——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(jié)果應(yīng)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)。1.3.4頻域、時域、數(shù)域及隨機域測量（續(xù)）4.隨機測量技術(shù)：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(guān)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(nèi)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。1.3.4頻域、時域、數(shù)域及隨機域測量（續(xù)）5.數(shù)字測量技術(shù)：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(chǎn)生的輸出響應(yīng)，并與預(yù)期的正確結(jié)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

1.3.5靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)測量（續(xù)）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。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。1.3.5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(shù)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(yīng)的關(guān)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(shù)：正弦測試技術(shù)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(yīng)，以頻率為變量對被測線性系統(tǒng)進行測量。正弦測試技術(shù)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1.3.5靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)測量③動態(tài)（脈沖）測試技術(shù)，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(shù)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(yīng)（隨時間的變化關(guān)系），即研究被測系統(tǒng)的瞬態(tài)特性。1.4測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性1.4.1測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性概述測量系統(tǒng)(廣義)——指單臺的測量儀器，和由多臺儀器及設(shè)備等組成的完整測試系統(tǒng)，也可指組成測量系統(tǒng)中的某一環(huán)節(jié)或單元。測量系統(tǒng)的基本特性可由其輸入、輸出的關(guān)系來表征，它是測量系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的外部特性，并由其內(nèi)部參數(shù)也即系統(tǒng)本身的固有屬性所決定。測量系統(tǒng)的基本特性可分為兩類：一類被測量是靜止不變或變化極緩慢的情況，此時工作在靜止狀態(tài)下的測量系統(tǒng)，其輸入與輸出量間的函數(shù)關(guān)系，稱為測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性；另一類是被測量不斷變化的情況，此時，工作在動態(tài)下的測量系統(tǒng)其輸入量與輸出量間的函數(shù)關(guān)系稱為測量系統(tǒng)的動態(tài)特性。1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標

1.靜態(tài)特性的數(shù)學模型不線性時：獲得靜態(tài)特性的方法：

對一個測量系統(tǒng)進行標定或定期進行校準。即在規(guī)定的標準工作條件下（規(guī)定的溫度范圍、大氣壓力、濕度等），由高精度的標準發(fā)生器給出一系列數(shù)值已知的、準確的、不隨時間變化的輸入量xj，用高精度測量儀器測定被校測量系統(tǒng)對應(yīng)輸出量yj,得到由(xj,yj)數(shù)值列出的數(shù)表、繪制曲線或求得數(shù)學表達式，即為被校準的測量系統(tǒng)的輸出與輸入的關(guān)系，亦稱之為靜態(tài)特性。

非線性1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）2.靜態(tài)特性的基本參數(shù)（1）零位（零點）當輸入量為零x=0時，測量系統(tǒng)的輸出量不為零的數(shù)值零位值為

零位值應(yīng)設(shè)法從測量結(jié)果中消除。例如可以通過測量系統(tǒng)的調(diào)零機構(gòu)或者由軟件扣除。1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）（2）靈敏度是描述測量系統(tǒng)對輸入量變化反應(yīng)的能力。靈敏度：當靜態(tài)特性為一直線時，直線的斜率即為靈敏度，且為一常數(shù)1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）多級測量系統(tǒng)的靈敏度若測量系統(tǒng)是由靈敏度分別為S1，S2，S3等多個相互獨立的環(huán)節(jié)組成時，測量系統(tǒng)的總靈敏度S為1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）（3）分辨力又稱靈敏度閾，它表征測量系統(tǒng)有效辨別輸入量最小變化量的能力。對模擬式測量系統(tǒng)，其分辨力一般為最小分度值的1/2～1/5。對具有數(shù)字顯示器的測量系統(tǒng)，其分辨力是當最小有效數(shù)字增加一個字時相應(yīng)示值的改變量，也即相當于一個分度值。對于一般測量儀表的要求是：靈敏度應(yīng)該大而分辨力應(yīng)該小.1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）（4）測量范圍、量程測量范圍——測量系統(tǒng)所能測量到的最小被測量（輸入量）與最大被測量（輸入量）之間的范圍。量程——測量系統(tǒng)測量范圍的上限值與下限值之差的模即稱為量程。量程又稱滿度值，表征測量系統(tǒng)能夠承受最大輸入量的能力。例如一溫度測量系統(tǒng)的測量范圍是－60～+1200C，那么它的量程為1800C1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）3.靜態(tài)特性的質(zhì)量指標（1）遲滯亦稱“滯后”或“回差”，表征測量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入量由小到大（正行程）或由大小到（反行程）兩者靜態(tài)特性不一致的程度。1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）（2）重復(fù)性表征測量系統(tǒng)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時，靜態(tài)特性不一致的程度重復(fù)性是指標定值的分散性，是一種隨機誤差，可以根據(jù)標準偏差來計算

S——子樣標準偏差；K——置信因子。1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）（3）線性度測量系統(tǒng)的輸出——輸入關(guān)系應(yīng)當具有直線特性，線性度（又稱非線性誤差）說明輸出量與輸入量的實際關(guān)系曲線偏離其擬合直線的程度選定的擬合直線不同，計算所得的線性度數(shù)值也就不同1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）（4）準確度測量系統(tǒng)的準確度，俗稱精度①用準確度等級指數(shù)來表征：準確度等級指數(shù)a的百分數(shù)a%所表示的相對值是代表允許誤差的大?、谟貌淮_定度來表征：在規(guī)定條件下系統(tǒng)或裝置用于測量時所得測量結(jié)果的不確定度。③簡化表示：一些國家標準未規(guī)定準確度等級指數(shù)的產(chǎn)品說明書中，常用“精度”作為一項技術(shù)指標來表征該產(chǎn)品的準確程度。通常精度A由線性度、滯環(huán)和重復(fù)性之和得出1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）（5）可靠性裝置在規(guī)定的時期內(nèi)及在保持其運行指標不超限的情況下執(zhí)行其功能的性能。反映產(chǎn)品是否耐用的一項綜合指標。①平均無故障時間MTBF——在標準工作條件下不間斷地工作，直到發(fā)生故障而失去工作能力的時間稱作為無故障時間。②可信任概率P——表示儀表誤差在給定時間內(nèi)仍然保持在技術(shù)條件規(guī)定限度以內(nèi)的概率。③故障率或失效率——平均無故障時間MTBFF的倒數(shù)。④有效度或可用度

1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）（6）穩(wěn)定性和影響系數(shù)①穩(wěn)定性——穩(wěn)定性是指在規(guī)定工作條件范圍之內(nèi)，在規(guī)定時間內(nèi)系統(tǒng)或儀器性能保持不變的能力。如：2.1mV／8h，一年不超過1％滿量程輸出。②影響系數(shù)——指示值變化與影響量變化量的比值一般儀器都有給定的標準工作條件，例如環(huán)境溫度20oC、相對濕度60%、大氣壓力101．33kPa、電源電壓220V等。又規(guī)定一個標準工作條件的允許變化范圍：環(huán)境溫度(20±2)oC、相對濕度60％±15％、電源電壓(220±5)V等。如電源電壓變化10％引起示值變化1％(相對誤差)；溫度變化1oC引起示值變化3.1×10-3(引用誤差)1.4.2測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標（續(xù)）(7)輸入電阻與輸出電阻輸入電阻與輸出電阻值對于組成測量系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)而言甚為重要。前一環(huán)節(jié)的輸出電阻R01相當于后面環(huán)節(jié)的信號源內(nèi)阻，所以輸出電阻理想值應(yīng)為零。后一環(huán)節(jié)的輸入電阻Ri2相當于前面環(huán)節(jié)的負載；輸入電阻理想值為無窮大。1.4.3電子測量儀器的技術(shù)條件及誤差的表示方法

1.技術(shù)條件技術(shù)條件是規(guī)定儀器的用途、工作特性、工作條件，以及運輸、貯存條件的技術(shù)文件。所以，它既是設(shè)計制造廠商的產(chǎn)品標準，也是用戶正確使用和維護儀器的重要依據(jù)。儀器的用途：是研制或使用儀器的目的，它決定了儀器的功能，同時與儀器的工作條件、工作特性等密切相關(guān)。測量儀器的工作特性：是用數(shù)值、公差范圍等來表征儀器性能的量值，習慣上又