电子测量仪器与应用(第3版)电子教案

《电子测量仪器与应用》(第3版)电子教案主编李明生副主编丁向荣孙敏中等职业学校电子信息类教材（电子技术专业）课程目录第1章电子测量和仪器的基本知识第2章信号源第3章电子电压表第4章电子示波器第5章电子计数器第6章频域测量及其仪器第7章电子元器件参数及特性测量仪器＊第8章逻辑分析仪第9章基于（Basedon）计算机的仪器第1章电子测量和仪器的基本知识学习目标1、了解电子测量的意义、内容和特点。2、了解测量误差的来源与分类。3、掌握测量误差的表示方法。4、了解电子测量仪器的分类及仪器误差的表示方法。初步掌握电子测量仪器正确使用的常识。5、理解有效数字的概念，会对测量结果进行简单的数据处理。测量：测量是人类对客观事物取得数量概念的认识过程。电子测量：即以电子技术为手段的测量。它是衡量一个国家科学技术发展的标志。测量结果=数值（大小及符号）+相应的单位注意：没有单位的量值是没有物理意义的1.1电子测量的意义、内容和特点1.1.2电子测量的内容电能量的测量：如I、U、P等的测量；电路、元器件参数的测量：如R、L、C、Q、D等；电信号特性的测量：如f、T、波形、时间等；电路性能的测量：如放大倍数、衰减量、灵敏度等；特性曲线的测量：如幅频特性、相频特性等。1.测量频率范围宽；2.仪器量程宽；3.测量准确度高；4.测量速度快；5.易于实现遥测；6.易于实现测量自动化和测量仪器微机化。1.1.3电子测量的特点1.2.1按测量方式分类1、直接测量：用预先按已知标准量定度好的测量仪器，对某一未知量直接进行测量，从而得到被测量值的测量方法称为直接测量。2、间接测量：对一个与被测量有确定函数关系的物理量进行直接测量，然后通过代表该函数关系的公式、曲线或表格，求出被测量值的方法，称为间接测量。3、组合测量：是一种兼用直接测量与间接测量的方法。1.2电子测量方法的分类1.2.2按被测信号的性质分类1、时域测量：测量被测量对象在不同时刻的特性，这时把被测量对象看成时间的函数；2、频域测量：测量被测量对象在不同频率时的特性，这时把被测量对象看成频率的函数；3、数据域测量：对数字系统逻辑特性的测量。4、随机测量：例如各类噪声、干扰信号等，利用噪声信号源进行动态测量，这是一种比较新的测量技术。1.3.1测量误差的表示方法Axx1.绝对误差（1）定义：由测量所得到的被测量值x与其真值A0之差，称为绝对误差，即式中的真值A0是一个理想概念，无法得到，实际应用中通常用实际值A来代替真值A0。实际值也称为约定真值。0Axx特点：绝对误差既有大小，又有符号和量纲。1.3测量误差的基本概念（2）修正值：与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值，用c表示。测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。在日常测量中，利用其仪器的修正值C和该已检仪器的示值，可求得被测量的实际值A=x＋C。xAxc（1）相对真误差：绝对误差与被测量的真值之比，称为相对误差，用γ表示。001000Αx特点：只有大小和符号，没有单位。00100AxA（2）实际相对误差：真值是不能确切得到的，通常用实际值A代替真值来表示相对误差。2.相对误差（3）示值相对误差：误差较小、要求不太严格的场合，也可以用测量值x代替实际值A。00100xxx（4）引用相对误差：经常用绝对误差与仪器满刻度值xm之比来表示相对误差，称为引用相对误差（或称满度相对误差）。00100xxmm00100mmxxmm电工仪表按γmm值分0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5及5.0七级。准确度等级常用符号S表示。测量仪器使用最大引用相对误差来表示它的准确度。1.3.2测量误差的来源与分类1、仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。2、影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。3、理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。4、人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。1、系统误差：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。2、随机误差：在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差。3、粗大误差：粗大误差是一种显然与实际值不符的误差，又称疏失误差。含有粗差的测量值称为坏值或异常值，在数据处理时，应剔除掉。1.3.2测量误差的来源与分类1.4.1测量结果的表示1.4测量结果的表示及有效数字一、测量结果的表示测量结果表示为：一定的数值和相应的计量单位。例：40KV、465KHz等。1.4.2有效数字及有效数字位1、定义：对于包含的误差不大于末位单位数字的一半的数，从它最左端一位非零数字起，到最末一位所有数字都称为有效数字。2、知识点：1）可以从有效数字的位数估计出测量误差，一般规定误差不超过有效数字末位单位的一半。2）“0”在最左面为非有效数字。3）有效数字不能因选用单位的变化而变化。例：0.1030A表示含有误差：0.0001/2=0.00005A；有效数字位：1、0、3、0(最左端的0非有效数字)；用mA单位表示：103.0mA，而不是103mA，末位的0不能去掉。1.4.3数字的舍入规则保留N位有效数字，N位以后的数字：1）小于5舍去，末位不变；2）大于5进1，在末位增1；3）等于5时，当末位是偶数，末位不变；末位是奇数，在末位增1。表示带有绝对误差的数字时，有效数字的末位应和绝对误差取齐，即两者的欠准数字所在数字位必须相同。例1：将下列数据舍入保留三位有效数字：16.5(0.05010.1/2=0.05,舍去且往前位增1)16.43→16.46→16.35→16.45→16.4501→16.4(0.030.1/2=0.05,舍去)16.5(0.060.1/2=0.05,舍去且往前位增1)16.4(0.05=0.1/2,3为奇数，舍去且往前位增1)16.4(0.05=0.1/2,4为偶数，舍去)1.5.1电子测量仪器的分类一般分为专用仪器和通用仪器两大类，本课程主要讨论后者。1.5电子测量仪器的基本知识通用仪器(按照功能分类)1.信号发生器2.电平测量仪器3.信号分析仪器4.频率、时间和相位测量仪器5.网络特性测量仪6.电子元器件测试仪7.电波特性测试仪8.逻辑分析仪9.辅助仪器10.基于(basedon)计算机的仪器1.5.2电子测量仪器的误差1、固有误差：2、工作误差：3、稳定误差：4、变动量：指在基准工作条件下测量仪器的误差。是在额定工作条件内任一值上测得的某一性能特性的误差。由于测量仪器稳定性不好引起性能特性的变化产生的误差称为稳定误差。当同一个影响量相继取两个不同值时，对于被测量的同一数值，测量仪器给出的示值之差，称为电子测量仪器的变动量。1.5.3电子测量仪器的正确使用1、仪器仪表的使用环境2、仪器仪表的维护措施（1）防尘与去尘（2）防潮与驱潮（3）防热与排热（4）防震与防松（5）防腐蚀（6）防漏电3、使用仪器的注意事项（1）仪器的正确选用和连接（2）仪器开机前注意事项（3）仪器开机后注意事项（4）仪器使用时注意事项（5）仪器使用后注意事项4、仪器仪表的计量检定（1）周期检定（2）修理检定（3）验收检定①仪器的选用②仪器的连接本章小结1、电子测量的意义以及电子测量方法的分类。2、测量误差的表示方法绝对误差相对误差（用最大引用相对误差确定电子测量仪表的准确度等级。）3、测量误差系统误差随机误差疏失误差4、要根据要求确定有效数字位。对多余数字位进行删略，必须遵循数字的舍入规则——“四舍五入”；对数据进行近似运算也要遵循一定规则。5、电子测量仪器正确使用的基本知识。第2章信号源学习目标1．了解信号源的分类。2．理解正弦信号发生器的主要性能指标及用途。3．能画出低频信号发生器、高频信号发生器的组成框图，理解其工作原理，并注意其使用要点。4．了解合成信号发生器的主要技术指标及其分类与用途。了解模拟直接合成法工作原理，理解间接合成法、数字直接频率合成法的工作原理。5．理解几种函数信号发生器的工作原理与用途。6．会操作低频信号发生器、高频信号发生器、函数信号发生器等信号源，能使其输出符合要求的信号。2.1概述2.1.1信号源的用途（1）激励源；（2）信号仿真；（3）标准信号源。2.1.2信号源的分类1、按其性能指标:普通信号发生器和标准信号发生器。2、按输出波形:正弦信号发生器和非正弦信号发生器。3、按调制方式:调频信号发生器、调幅信号发生器、调相信号发生器、脉冲调制信号发生器。按产生信号的频段分为：2.2正弦信号源2.2.1正弦信号源的分类超低频信号发生器，频率范围0.0001Hz～1000Hz；低频信号发生器，频率范围1Hz～1MHz；视频信号发生器，频率范围20Hz～10MHz；高频信号发生器，频率范围100KHz～30MHz；甚高频信号发生器，频率30MHz～300MHz；超高频信号发生器，频率300MHz以上。1．频率特性（1）频率范围；（2）频率准确度；（3）频率稳定度2．输出特性（1）输出电平范围；（2）输出电平准确度；（3）输出阻抗。3．调制特性主要包括调制频率，调幅系数等。2.2.1正弦信号源的主要技术特性2.2正弦信号源2.2.2低频信号发生器1．低频信号发生器的基本组成及工作原理(1)主振级产生低频的正弦波信号，其振荡频率范围即为信号发生器的有效频率范围，是低频信号发生器的核心部件。常采用RC振荡器，尤以文氏电桥振荡器为多。(2)电压放大级和功率放大级放大主振级产生的微弱振荡信号，满足信号发生器对输出信号幅度的要求，将振荡器与后续电路隔离，防止因输出负载变化而影响振荡器频率的稳定。应具有输入阻抗高、输出阻抗低、频率范围宽、非线性失真小等性能。(3)衰减器和匹配器：衰减器：调节输出电压使之达到所需的值。匹配器：实际为变压器，其作用是使输出端连接不同负载时都能得到最大的输出功率。连续调节由电位器实现，也称细调；步进调节由电阻分压器完成，也称粗调。(4)监测电压表用于监测信号源输出电压或输出功率的大小。2.2.3高频信号发生器1．高频信号发生器的基本组成及工作原理（1）主振级：产生频率可调的高频正弦信号，一般采用LC振荡电路，信号发生器的频率特性主要由主振级决定。（2）缓冲级：放大主振级输出的高频信号；隔离主振级与后续电路，提高振荡频率的稳定性。（3）调制级：对主振信号调幅，输出调幅信号，满足某些测量需要。（4）内调制信号发生器：输出内调制信号，频率为400HZ或1000HZ。（5）输出级：放大、衰减调制级的输出信号，使信号发生器有足够的电平调节范围；滤除不需要的频率分量；保证输出端有固定的输出阻抗。（6）可变电抗器：可变电抗器与主振级的谐振电路耦合，使主振级产生调频信号，多采用二极管调频电路。函数信号发生器三种组成方案：第一种是施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波；第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波；第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波。函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形的信号发生器。2.4函数信号发生器2.4.1函数信号发生器的工作原理1.脉冲式函数信号发生器2.正弦波式函数信号发生器3.三角波式函数信号发生器本章小结1、信号发生器时域测量和频域测量不可缺少的设备。2、信号发生器的基本组成：振荡器、变换器和输出电路。振荡器是核心。3、正弦信号发生器的性能指标：频率特性、输出特性和调制特性。低频信号发生器主振级主要采用