電子測量與儀器第陳尚松 三版課件【精制材料】

1、電子測量技術,陳勐勐,0,行業(yè)相關,上課教材：電子工業(yè)出版社，陳尚松等，電子測量與儀器第三版,具體課時安排：30學時理論 + 12學時實驗,1,行業(yè)相關,2,行業(yè)相關,考核辦法: 平時實驗20%、作業(yè)與出勤等20%、理論考試60% 理論考試內(nèi)容： 作業(yè)60%、課堂重點強調(diào)的內(nèi)容20%、課堂未強調(diào)內(nèi)容10%、實驗知識10% 注：以上內(nèi)容稍加改動即為試題 考試形式： 閉卷,3,行業(yè)相關,本課程的任務,掌握通用電子測量技術的基本測量原理和測量方法 具備一定的誤差理論知識和數(shù)據(jù)處理能力 了解通用電子測量儀器的技術性能 理解基本電信號參數(shù)、電路元器件參數(shù)的概念和基本測量方法 熟悉現(xiàn)代電子測量技術中的智能

2、儀器、虛擬儀器、合成儀器,4,行業(yè)相關,第1章 緒 論,1.1 測量概述,1.2 電子測量儀器概述,1.3 計量的基本概念,1.4 電子測量儀器的發(fā)展概況,1.5 本課程任務,5,行業(yè)相關,測量 是人類認識和改造世界的一種重要手段。 對客觀事物的認識過程中，需要進行,定性分析,定量研究，定量就需要進行測量。,1.1 測量概述測量,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。,6,行業(yè)相關,測量技術獲取信息,通信技術傳遞信息,計算機技術處理信息,被稱為信息社會三大支柱,測量是信息的源頭技術 （測控技術，先要測，才能控）,測量水平的高低可以反映出一個國家科學技術發(fā)展的狀況。,提高測量

3、水平，實現(xiàn)測量手段的現(xiàn)代化，是實現(xiàn)科學技術和生產(chǎn) 現(xiàn)代化的重要條件和明顯標志。,1.1 測量概述測量的意義,測量的意義,7,行業(yè)相關,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，離開測量就不會有真正的科學。,沒有望遠鏡就沒有天文學，沒有顯微鏡就沒有細胞學，沒有指南針就沒有航海事業(yè),測量的意義,1.1 測量概述測量的意義,8,行業(yè)相關,著名科學家錢學森院士明確指出：,信息技術包括測量技術、計算機技術和通信技術。測量技術對信息進行采集和處理，是信息技術的源頭，是關鍵中的關鍵。”,9,行業(yè)相關,王大珩院士說： “ 計量測試和儀器儀表技術就是信息技術的組成部分，而且是不可或缺的重要組成部分”

4、。作為對信息進行采集、測量、處理和控制的重要基礎手段和設備，廣泛應用于國民經(jīng)濟各行各業(yè)?！?兩彈一星元勛王大珩,中國科學院院士，中國工程院院士。我國現(xiàn)代光學技術及光學工程的開拓者和奠基人之一。 1999年榮獲“兩彈一星功勛獎章”。,10,行業(yè)相關,根據(jù)測量結果的方法分類 1） 直接測量 在儀器上直接獲得測量結果并進行讀數(shù)，稱為直接測量。 如用頻率計測量頻率。 2） 間接測量 在這種測量中，是測量一個與被測量有著某種函數(shù)關系的量，再利用函數(shù)關系計算出被測量。 如測量放大電路的集電極電流，我們可以測量發(fā)射極上電阻的電壓，再通過部分電路的歐姆定律計算出集電極電流。,1.1 測量概述測量方法,11,行

5、業(yè)相關,3）.組合測量法 在測量中被測量值不能一次得出結果，需要通過測量幾個未知量，然后通過被測量與這幾個未知量之間的方程組求解，得到被測量的結果。 例如，在電阻與溫度的關系式：Rt=R201+（t-20）+(t-20)2中的和測定?？梢苑匠糖蠼?Rt1=R201+（t1-20）+(t1-20)2 Rt2=R201+（t2-20）+(t2-20)2 解出和的這些測量結果。,1.1 測量概述測量方法,12,行業(yè)相關,按獲得讀數(shù)的方法分類 1） .直讀法 用能夠直接指示或顯示被測參數(shù)的電子儀器進行測量稱為直讀法。 例如，用電壓表測量電壓，指針的偏轉(zhuǎn)位置反映了被測電壓的大小，我們可以直讀電壓值。,1

6、.1 測量概述測量方法,13,行業(yè)相關,2）. 比較法 用被測量和已知量進行比較而得到測量參數(shù)的方法。它有下面幾種： 替代法 在儀器上用已知量的標準元件代替未知的被測元件，如果兩次測量儀器的讀數(shù)相同，則未知量等于已知量。如利用Q表測量電感量。 差值法 儀器測量的讀數(shù)是未知量和標準已知量的差值。,1.1 測量概述測量方法,14,行業(yè)相關,電子測量是泛指以電子技術為基本手段的一種測量技術。,電子測量是測量領域的主要組成部分。,1.2 電子測量概述,15,行業(yè)相關,電子測量的內(nèi)容,廣義講：凡是利用了電子技術進行的測量,電子測量的基礎： 頻率、時間、電壓、相位、阻抗,狹義講：在電子學中有關電量的量值,

7、1.2 電子測量概述,16,行業(yè)相關,狹義電子測量的內(nèi)容主要包括： （1）能量的測量能量的測量指的是對電流、電壓、功率、電場強度等參量的測量。（2）電路參數(shù)的測量電路參數(shù)的測量指的是對電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì)因數(shù)、損耗率等參量的測量。（3）信號特性的測量信號特性的測量指的是對頻率、周期、時間、相位、調(diào)制系數(shù)、失真度等參量的測量。（4）電子設備性能的測量電子設備性能的測量指的是對通頻帶、選擇性、放大倍數(shù)、衰減量、靈敏度、信噪比等參量的測量。（5）特性曲線的測量特性曲線的測量指的是對幅頻特性、相頻特性、器件特性等特性曲線的測量。,1.2 電子測量概述,17,行業(yè)相關,上述各種參量中 頻率、時間

8、、電壓、相位、阻抗等是基本參量， 其他的為派生參量，基本參量的測量是派生參量測量的基礎。 電壓測量是最基本、最重要的測量內(nèi)容,1.2 電子測量概述,18,行業(yè)相關,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10-1310-14的數(shù)量級。 （4）測量速度快。因為電子測量是通過

9、電子運動和電磁波傳播進行工作 （5）易于實現(xiàn)遙測 ：遙測，遙控 （6）易于實現(xiàn)測量過程的自動化和測量儀器智能化,1.2 電子測量概述,19,行業(yè)相關,利用電子技術實現(xiàn)測量的儀表設備，統(tǒng)稱為電子測量儀器。,電子測量儀器的功能：,2.信號處理與傳輸功能：信號調(diào)理、模/數(shù)、抗干擾、壓縮、有 線或無線傳輸,3.顯示功能：指針在儀表度盤；數(shù)碼管、液晶或陰極射線管顯示 測量結果。,1.轉(zhuǎn)換功能：電量(功率、電流、電阻)電壓；非電量電量 （電壓）,此外，一些先進的儀器，如智能儀器等，還具有數(shù)據(jù)記錄、 處理 及自檢、自校、報警提示等功能。,1.2 電子測量儀器概述,20,行業(yè)相關,電子測量儀器的分類,按照被測

10、量的特性，電子測量儀器可分為以下幾類：,1.時域測量 也叫瞬態(tài)測量，主要測量被測量的對象隨時間變化的規(guī)律。 例如：電壓、電流等電參量的瞬時值,1.2 電子測量儀器概述,21,行業(yè)相關,2、頻域測量 又稱穩(wěn)態(tài)測量，主要測量測量對象與頻率之間的關系。（頻譜、功率譜、相位噪聲等） 例如：放大器的增益、相移等,1.2 電子測量儀器概述,22,行業(yè)相關,3 數(shù)據(jù)域-二進制數(shù)據(jù)流,邏輯分析儀,邏輯定時分析儀,邏輯狀態(tài)分析儀,1 0 1 1 0 0 1 0,4 隨機域-噪聲、干擾,5 元器件、網(wǎng)絡,元件（無源）-R、L、C、Y、Q,器件（有源）-半導體器件,網(wǎng)絡（有/無源）-傳輸特性、頻率特性等,1.2 電

11、子測量儀器概述,23,行業(yè)相關,電子測量儀器的主要性能指標 1.精度 測量準確度又稱測量精度，它是指測量儀器的讀數(shù)或測量結果與被測量真值相一致的程度。對精度目前還沒有一個公認的、定量的數(shù)學表達式，因此常作為一個籠統(tǒng)的概念來使用。包括三個方面：,不精密、不正確 正確欠精密 精密不正確 精密正確,1.2 電子測量儀器概述,24,行業(yè)相關,2.穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是指在規(guī)定的時間區(qū)間，其他外界條件恒定不變的情況下，保證儀器示值不變的能力。 例 ，某數(shù)字電壓表的穩(wěn)定度為: （0.008%Um+0.003%Ux)/8h 其含義為： 外界條件不變情況下，在8小時內(nèi)，測量同一電壓，電壓表示值在（0.008%Um+

12、0.003%Ux)范圍波動。 其中：Um為電壓表相應量程的滿度值，Ux為示值,1.2 電子測量儀器概述,25,行業(yè)相關,3，輸入阻抗： 測量儀表的輸入阻抗對測量結果會產(chǎn)生一定的影響。 例，某示波器輸入阻抗Ri=10M,Ci35pf,1.2 電子測量儀器概述,26,行業(yè)相關,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。 靈敏度的另一種表述方式叫作分辨力或分辨率，是指測量儀表所能區(qū)分的被測量變化的最小值，在數(shù)字式儀表中經(jīng)常使用，同一儀器不同量程的分辨率不同。,靈敏度=指示量增值/被測量增值 偏

13、轉(zhuǎn)因數(shù)（示波器）=偏轉(zhuǎn)靈敏度的 倒數(shù)，單位：mv/div 。 請思考3mv/div 的含義。 分辨率：測量儀表所能區(qū)分的被測量的最小變化量。 請思考數(shù)字電壓表分辨率為1V的含義。,1.2 電子測量儀器概述,27,行業(yè)相關,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。,1.2 電子測量儀器概述,28,行業(yè)相關,6，頻率范圍: 頻率范圍是指保證測量儀器其他指標正常工作的有效頻率范圍,1.2 電子測量儀器概述,29,行業(yè)相關,1.3 計量的基本概念,術語：,測量（Measurement）-確定量值（數(shù)據(jù)/單位）的實驗過程,測試（Test）“

14、測評”性測量,界定較模糊。,檢測-監(jiān)控性的測量（只要不超出允許的誤差范圍則認為合格）,沒有測量，就談不上計量；沒有計量，測量則失去價值。,30,行業(yè)相關,單位和單位制,根據(jù)定義而令系數(shù)為1的量稱為單位。 單位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,1.3 計量的基本概念,31,行業(yè)相關,基準與傳遞,比對-同級儀表比較一致性。,校準-高級儀表校準低級儀表。,檢定-法定計量部門評定低一等級儀表是否合

15、格。,32,行業(yè)相關,國際單位制（SI）的組成 國際單位制基本單位,1.3 計量的基本概念,33,行業(yè)相關,34,行業(yè)相關,國際單位制是由國際單位制單位、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。 國際單位制詞頭表示使單位增大或縮小的十進倍數(shù)。 例：5.4X10-9s=5.4ns,1.3 計量的基本概念,35,行業(yè)相關,1.3 測量結果,測量結果測量數(shù)值.測量單位，即：,36,行業(yè)相關,計量基準和標準,1.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。 (1)一級基準，又稱主基準和國家基準 具有最高水平的基準。一個國家只有一個。 (2)二級基準，

16、又稱副基準 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 (3)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。,1.3 計量的基本概念,37,行業(yè)相關,2.標準 根據(jù)工作基準復現(xiàn)出不同等級的便于經(jīng)常使用的計量標準量具或儀器，簡稱標準。 計量標準的準確度等級在工作基準之下，工作計量器具之上。 按精度高低又分為一級標準、二級標準和三級標準。 通過這些標準經(jīng)常性地對日常工作儀器進行檢定，確定其量值的精確度大小。 除標準器具外，還有標準物質(zhì)。,1.3 計量的基本概念,38,行業(yè)相關,3.幾個術語 （1）計量器具：凡

17、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。計量器具按作用可分為計量基準、計量標準和工作計量器具三類。 （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。,1.3 計量的基本概念,39,行業(yè)相關,（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

18、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。,1.3 計量的基本概念,40,行業(yè)相關,千克原器模型,原件在巴黎國際計量局地下室,41,行業(yè)相關,米原器模型,原件在巴黎國際計量局地下室,42,行業(yè)相關,電子測量儀器的發(fā)展 傳統(tǒng)儀器 現(xiàn)代儀器 智能儀器 虛擬儀器,模擬式 儀表,數(shù)字式 儀表,智能化 儀表

19、,虛擬 儀器,1.4 電子測量儀器的發(fā)展,43,行業(yè)相關,1.4 電子測量儀器的發(fā)展,傳統(tǒng)儀器,模擬儀器,數(shù)字化儀器,指針式三用表,示波器,數(shù)碼顯示儀表,44,行業(yè)相關,現(xiàn)代儀器,1.4 電子測量儀器的發(fā)展,45,行業(yè)相關,智能儀器 (計算機嵌入儀器),通常人們把內(nèi)含微處理器和GPIB接口的儀器稱為智能儀器,測試模塊或信號源,智能儀器,自動測試系統(tǒng),1.4 電子測量儀器的發(fā)展,46,行業(yè)相關,GPIB（General-Purpose Interface Bus）-通用接口總線 ，是一種工程控制用的協(xié)議。最初由HP公司提出，目前成為一種國際標準，遵守的協(xié)議為IEEE488。一般被用來使用任何編程

20、語言如VB、Vc、C+實現(xiàn)電腦對儀器的控制。當然也有某些儀器制造商自己開發(fā)的語言支持GPIB。如keithley公司使用的testpoint，NI公司的labview等。實現(xiàn)這種控制首先要被控儀器支持GPIB，其次，工控機安裝IEEE488卡，并通過gpib線連接兩個設備。 GPIB比串口控制提高了傳輸速率和同時支持的設備總數(shù)。但是目前已經(jīng)被傳輸速率更快支持設備總數(shù)更多的lan接口替代。,1.4 電子測量儀器的發(fā)展,47,行業(yè)相關,IEEE-488 總線是并行總線接口標準。IEEE-488總線用來連接系統(tǒng)，如微計算機、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀器設備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。,1.4 電子測量儀器的發(fā)展,48,行業(yè)相關,虛擬儀器（儀器融入計算機）,VI，Virtual Instruments是檢測技術與計算機技術和通信技術有機結合的產(chǎn)物。它是美國