电子测量原理课程总结

HarbinInstituteofTechnology《电子测量原理》知识点总结0901102班第一章、测量总述1.1测量的基本概念1.1.1测量的基本概念狭义：为确定被测对象量值进行的实验，借助专门设备，直接或间接与同类已知单位量比较，用数值+单位表示结果广义：为获取被测对象信息进行的实践，借助专门设备，通过感知和识别取得被测对象的属性和量值信息，以便于利用的形式表示结果测量的基本要素五大基本要素：测量对象、测量仪器、测量人员、测量技术、测量环境。测量五大基本要素之间的关系测量的分类测量可以分为三类：定量测量、定性测量和定级测量。定量测量：追求的是精准，通常要对测量结果进行误差分析，并给出不确定度。定性测量：是判断被测对象属性的一种定性测量，对量值的精确度要求不高，是一种粗略的测量，一般不要求进行误差分析，即不要求给出误差数值。定级测量：是以技术标准，规范或者检定规程为依据，分辨出被测量所属某一范围带，以此来判断被测量是否合格（符合某种级别）的一种定级测量。测试和检验测试：是测量和试验的总称。试验---为了察看某事结果或某物性能所从事的实践活动。检测：是检验和测量的总称。检验---检查被测量量值是否处于某范围内，验证被测量是否合格或某现象是否存在。1.1.2电子测量的基本概念电子测量：以电子技术理论为依据，以电子测量仪器设备为手段，以电量和非电量为测量对象。电子测量的特点：（1）测量频率范围宽（2）量程范围宽（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智能化1.2计量的基本概念1.2.1计量的定义、特征、分类计量：是实现单位统一、量值准确可靠的活动。是利用技术和法制手段实施的一种特殊形式的测量。计量的三个主要特征是：法制性、统一性和准确性。计量按具体内容可分为：科学计量、工程计量和法制计量。特点法制计量依法强制、政府行为、关系国计民生工程计量源于需求，满足需求科学计量基础性、探索性、先行性测量与计量的比较联系：①计量是一种特殊的测量②计量是测量的基础和依据区别：①比较对象不同，②测量误差不同，③误差来源不同，④目的不同，⑤内容不同，⑥对象不同，⑦存在范围不同1.2.2比对、检定和校准对比:在规定条件下，对相同准确度等级的同种测量标准或者测量器具之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。检定：由法定计量机构确定并证实计量器具是否完全满足要求而做的全部工作。校准：在规定条件下，为确定测量仪器、实物量具、标准物质所表量值，与对应测量标准所复现量值之间关系的一组操作。检定与校准的区别1.2.3基准和标准基准：定义、实现、保存、复现某基本测量单位的量值、只用于检定其他量具的精度、不直接参加测量。基准分为：主基准、副基准和工作基准。主基准最高水平精度副基准精度由主基准确定工作基准精度由副基准确定标准：根据工作基准复现的、不同等级的、便于经常使用的标准量具。1.2.4测量标准的传递量值传递：自上而下的检定计量标准。量值溯源：自下而上追踪计量标准的过程。1.3测量误差1.3.1测量误差及其表示方法绝对误差：测量值—真值（或约定真值）∆x=x−𝐴0相对误差γ：绝对误差与被测量真值之比。γ=∆𝑥/𝐴实际相对误差𝛾𝐴:绝对误差与被测量的约定值之比。𝛾𝐴=∆𝑥𝐴°⁄示值相对误差𝛾𝑥:绝对误差与示值误差之比。𝛾𝑥=∆𝑥𝑥满度相对误差𝛾𝑚:绝对误差与量程满度值之比。1.3.2测量误差分类测量误差可以分为：随机误差、系统误差和粗大误差。随机误差：在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时，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。特点：①测量结果以平均值为中心呈现随机离散性，但服从统计规律②由无规律、不相关的因素造成③只能减小、无法消除④多次测量求平均-----随机误差的“抵偿性”系统误差：在同一测量条件下，多次测量，误差大小、符号保持不变，或测量条件改变时按规律变化。特点：①误差呈现规律性②由固定不变的或按确定规律变化的因素造成③不但可以减小、还可以消除④消除误差来源、补偿法、引入修正值…粗大误差：一种明显与实际值不同的误差。精确度：包括精密度与准确度。精密度：测量值重复一致的程度，反映测量受随即误差的影响。准确度：测量值与真值的接近程度，反映测量受系统误差的影响。1.4测量方法1.4.1直接测量和间接测量1.4.2有源量测量和无源量测量有源量----能携带和传递能量无源量----不能主动提供能量有源量测量----信号测量无源量测量----系统测量或参数测量4、静态、稳态和动态测量被测量例子静态测量恒定直流信号稳态测量稳定或周期性变化正弦交流信号动态测量随时间变化非周期信号、脉冲信号第二章、时域测量2.1概述时间和频率测量的特点：①测量精度高，②应用范围广，③自动化程度高，④测量速度快。频率的定义：信号在𝑇𝑆秒内重复变化N次，则信号的频率𝑓𝑥=𝑁𝑇𝑆⁄.计数器严格按照频率定义实现频率测量。频率测量的方法分类2.2电子计数法测量频率2.2.1测频原理计数法测频电路主要包括：时基电路、输入电路、闸门电路、计数显示电路和控制电路时基电路：产生电路用来产生所使用的标准频率或时间间隔。2.2.2误差分析测频的误差：包括量化误差和标准频率误差量化误差（±1误差）：∆𝑁𝑁=±1𝑁=±1𝑇𝑆∙𝑓𝑥标准频率误差：∆𝑇𝑇𝑆=−∆𝑓𝑐𝑓𝑐计数器直接测频的总误差∆𝑓𝑥𝑓𝑥=±∆𝑁𝑁−∆𝑇𝑇𝑆=±(1𝑇𝑆×𝑓𝑥+|∆𝑓𝑐𝑓𝑐|)TS越长、fx越高、标频精度越高，误差越小减小直接测频的误差的方法：①TS越长、fx越高，测量误差越小。②标准频率误差越小，测量误差越小。2.3电子计数法测量时间2.3.1测量周期原理2.3.2计数器直接测周的误差测周的误差主要包括：量化误差、标准频率误差和触发误差。量化误差（±1误差）：∆𝑁𝑁=±1𝑁=±1𝑇𝑥∙𝑓𝑐标准频率误差：∆𝑇𝑇𝑆=−∆𝑓𝑐𝑓𝑐合成误差：∆𝑇𝑥𝑇𝑥=±∆𝑁𝑁−∆𝑇𝑇𝑆=±(1𝑇𝑥×𝑓𝑐+|∆𝑓𝑐𝑓𝑐|)𝑇𝑥越长、𝑓𝑐越高、标频精度越高，误差越小;触发误差：是指在门控脉冲受到干扰时，由于干扰信号的作用，使触发提前或者滞后所带来的误差。是一种随机误差。消除触发误差的方法：①提高被测信号信噪比②多周期测量求平均可减小触发误差减小测周误差的方法：①𝑇𝑥越长、𝑓𝑐越高，误差越小。②标频精度越高，测量误差越小；③提高被测信号信噪比，可以减小触发误差，进而减小测量误差；④多周期测量求平均可减小触发误差和量化误差，进而减小测量误差。中界频率𝑓𝑚当直接测量频率和直接测量周期的量化误差相等时，就确定了一个测频和测周的分界点，这个分界点称为中界频率。𝑓𝑚=√𝑓𝑐𝑇𝑆=√𝑓𝑐∙𝑓𝑠当𝑓𝑥𝑓𝑚时，宜采用测频法。当𝑓𝑥𝑓𝑚时，宜采用测周。2.4高分辨力时间测量2.4.1内插法测时间原理𝜏𝑥=(𝑁°+𝑁1−𝑁2𝐾)𝑇0使用内插法能够使测时的测量误差缩小到原有的1/k，测时分辨力提高。内插法分为模拟内插法和数字内插法。2.4.2模拟内插法2.4.3数字内插法—游标法计数器原理：用两个量化单位量形成差值，使被测量被差值量化，当差值很小时测量分辨力很高。2.5调制域测量调制域测量的根本目的是显示出频率随时间变化的动态特性。因此如何获得某一个时刻所对应的频率值（瞬时频率值）是调制域测量的最基本的一个任务。所谓的瞬时频率也不是严格地处在某一个时刻所对应的频率值，而是一个相对较短的时间段里的平均频率。第三章、电压测量3.1交流电压测量3.1.1表征交流电压的5个基本参量峰值𝑈𝑝：以零电平为参考的最大电压幅值。均值𝑈̅：𝑈̅=1𝑇∫𝑢(𝑡)𝑇0𝑑𝑡,是信号的直流分量。振幅𝑇𝑚：以直流分量为参考的最大电压幅值。有效值U：一个周期T内，交流电压和某直流电压在纯阻上产生的热量相等，则用该直流电压值代表交流电压的有效值。U=√1𝑇∫𝑢2(𝑡)𝑑𝑡𝑇0波峰因数𝐾𝑝:𝐾𝑝=峰值有效值反映同一交流电压峰值和有效值的比例关系波形因数𝐾𝐹=有效值均值反映同一交流有效值和平均值的比例关系3.1.2交流电压测量交流/直流（AC/DC）电压转换原理检波器有：①峰值检波、②均值检波和③有效值检波。①峰值检波：基本原理：通过二极管正向快速充电达到输入电压峰值，而二极管反向截止时保持该峰值（快速充电+慢速放电）。峰值检波器又分为串联式检波器和并联式检波器。峰值检波电路的输出实际上存在较小的波动，其平均值略小于实际峰值。②均值检波基本原理：均值检波电路可由整流电路得到。经检波电路之后，输出的直流电流与输入的交流电压的均值成正比，而与输入交流电压的波形无关。1、峰值电压表原理、刻度特性和误差分析原理：峰值电压表对被测电压的峰值作出响应刻度特性：表头按正弦交流电压有效值刻度交流电压检波器微安表依据：若峰值相等，则表头读数α相等，反之亦然。𝑈𝑝任意=𝑈𝑃~=√2𝛼𝑈任意=𝑈𝑝任意𝑘𝑝任意=√2𝛼𝑘𝑝任意波形误差γ：将表头读数α直接作为实际被测交流电压有效值产生的误差。γ=𝛼−𝑈任意𝑈任意均值电压表原理、刻度特性和误差分析原理：均值电压表对被测电压的均值作出响应刻度特性：表头按正弦交流电压有效值刻度依据：若均值相等，则表头读数α相等，反之亦然。任意波的均值：𝑈̅任意=0.9α任意波的有效值：𝑈任意=𝑘𝐹任意×0.9𝛼波形误差γ：将表头读数α直接作为实际被测波形有效值产生的误差γ=𝛼−𝑈任意𝑈任意模拟式交流电压表的组成方案两种组成方案：先检波后放大，称为检波-放大式先放大后检波，称为放大-检波式两个重要指标：带宽：工作频率范围灵敏度：测量微弱信号的能力①检波-放大式：带宽、灵敏度、可测电压上限、输入阻抗由峰值检波器决定。特点：a峰值电压表的常用形式b主要用于高频电压信号的测量提高指标的措施：a超高频检波二极管b检波器直接设计在探头中c高增益低漂移的直流放大器②放大-检波式：带宽、灵敏度由交流放大器决定。特点：a均值电压表的常用形式b灵敏度很高。3.1.3分贝测量分贝（dB）：被测量与同类标准量之比的对数以分贝为单位表示的功率比：10lg𝑃1𝑃2[dB]峰值检波u(t)分压器直流放大器微安表分压器u(t)交流放大器均值检波器微安表以分贝为单位表示的电压比：20lg𝑉1𝑉2[dB]绝对电平:功率电平dBm,取P0=1mW，则PX的功率电平𝑃𝑊[𝑑𝐵𝑚]=10𝑙𝑔𝑃𝑥𝑃0=10𝑙𝑔𝑃𝑥电压电平dBV,取V0=0.775V，则VX的电压电平𝑃𝑉[𝑑𝐵𝑣]=20𝑙𝑔𝑉𝑥𝑉0=20𝑙𝑔𝑉𝑥0.775分贝测量:表盘按dB刻度的电压测量或功率测量.3.1.4电压表的使用*1、峰值电压表检波-放大式峰值响应、频率范围较宽（达1000MHz）但灵敏度低（mV级）读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值（或峰值）2、均值电压表放大-检波式均值响应、灵敏度比峰值表有所提高，主要用于视频场合读数的换算：根据波形因数，将读数换算成有效值（或均值）3、有效值电压表可以直接读出有效值，非常方便由于削波和带宽限制，将可能损失一部分被测信号的有效值，带来负的测量误差较为复杂，价格较贵3.2数字电压表组成原理及性能指标核心部件：A/D转换器。决定了DVM的主要性能指标。DVM主要性能指标：⑴显示位数：完整显示位：0~9；非完整显示位(半位)：0和1，最高位。⑵量程：基本量程：无衰减放大时输入电压范围，由A/D转换器动态范围决定。扩展量程：基本量程按10倍放大或衰减扩展⑶分辨力：分辨最小电压变化量的能力，反映DVM灵敏度每跳变一个字对应的输入电压变化量，V/字：量程总字数。不同量程上分辨力不同，最小量程上具有最高分辨力。⑷分辨率：等于分辨力与量程之比：分辨力量程=1总字数⑸测量速度：