模拟电子技术实验

模拟电子技术模拟电子技术实验主编谭海曙副主编于昕梅谢海鸿李萍范迪参编曹继华谢凤英李晶滕升华白培瑞张琳琳王琼琛主审章毓晋编李磊张军次目录主目录上一页下一页第2章基本电子测量技术2.1概述2.1.1电子测量仪器2.1.2测量方法2.2电压测量2.2.1直流电压测量2.2.2交流电压测量2.2.3噪声电压测量2.3电流测量2.3.1直流电流测量2.3.2交流电流测量2.4电阻测量2.4.1定电阻测量2.4.2电位器测量2.4.3非线性电阻测量2.5电容测量2.5.1谐振法测量电容量2.5.2交流电桥法测量电容量和损耗因数2.5.3万用表估测电容2.6电感测量2.6.1谐振法测量电感2.6.2交流电桥法测量电感2.7误差分析与测量数据处理2.7.1误差来源与分类2.7.2误差表示方法2.7.3测量数据处理次目录主目录上一页下一页2.1概述测量是通过实验方法对客观事物取得定量信息即数量概念的过程。在这个过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较得到用数值和单位共同表示的测量结果。电子测量是测量学的一个重要分支，20世纪30年代，测量科学与电子科学的结合产生了电子测量技术。从广义上说，凡是利用电子技术进行的测量都可以称为电子测量；从狭义上说，电子测量是指在电子学中测量有关电的量值。次目录主目录上一页下一页2.1概述与其他测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点。(1)测量频率范围宽。被测信号的频率范围除直流信号外，还包括交流信号，其频率范围低至10－6Hz以下，高至THz(1THz=1012Hz)级。(2)量程范围宽。如数字万用表对电压的测量范围由纳伏(nV)级至千伏(kV)级，量程达12个数量级。(3)测量准确度高。例如，用电子测量方法对频率和时间进行测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准，使时间的测量误差减小到10-14～10-13量级。用标准电池作为基准可使电压的测量误差减小到10-6量级。正是由于电子测量能够准确地测量频率和电压，因此，人们往往把其他参数转换成频率或电压后再进行测量。次目录主目录上一页下一页2.1.1电子测量仪器用于检测或测量一个量或为测量目的供给一个量的器具称为测量仪器，包括各种指示仪器、比较式仪器、记录式仪器、信号源和传感器等。利用电子技术测量电或非电量的测量仪器称为电子测量仪器。电子测量仪器种类繁多，一般可分为专用仪器和通用仪器两大类。前者是指为某一个或几个专门目的而设计的电子测量仪器，如电视彩色信号发生器。后者是指为测量某一个或几个电参数而设计的电子测量仪器，它们能用于多种电子测量，如电子示波器。次目录主目录上一页下一页2.1.1电子测量仪器通用电子测量仪器按其功能可分为以下几类。(1)信号发生器。用于产生测试用的信号，如低频、高频信号源，函数信号发生器及射频模拟与数字信号发生器等。(2)信号分析仪器。用来观测、分析和记录各种电量的变化，包括时域、频域和数字域分析仪，如示波器、动态信号分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪等。(3)频率计、相位计。用来测量电信号的频率、时间间隔和相位，如电子计数式频率计、波长计、数字式相位计等。(4)网络特性测量仪器。用来测量电气网络的各种特性，如频率特性测试仪(扫频仪)、阻抗测试仪、网络分析仪等。(5)电子元器件测试仪器。用来测量各种电子元器件参数，检测元器件工作状态(或功能)，如电桥、Q表、晶体管特性图示仪等。次目录主目录上一页下一页2.1.1电子测量仪器通用仪器按显示方式，又可分为模拟式和数字式两大类。前者主要是用指针方式直接将测量结果在标度尺上指示出来，如各种模拟式万用表和电子电压表。后者是将被测的连续变化的模拟量转换成数字量之后，以数字方式显示测量结果，以达到直观、准确、快速的效果，如各种数字万用表、数字频率计等。电子测量仪器的种类繁多，用途也各不相同，在测量中应根据实际情况合理选择使用。次目录主目录上一页下一页2.1.2测量方法为实现测量目的，正确选择测量方法是极其重要的，它直接关系到测量工作能否正常进行和测量结果的有效性。测量方法按照不同的分类方法大致包括以下几种。1.按测量性质分类按测量性质分类，有时域测量法、频域测量法、数据域测量法和随机量测量法四种。(1)时域测量法时域测量法用于测量与时间有函数关系的量，如电压、电流等。它们的稳态值和有效值多用仪表直接测量，而它们的瞬时值可通过示波器显示其波形，以便观察其随时间变化的规律。次目录主目录上一页下一页2.1.2测量方法(2)频域测量法频域测量法用于测量与频率有函数关系的量，如电路增益、相移等。可以通过分析电路的幅频特性和相频特性等进行测量。(3)数字域测量法数字域测量法是对数字逻辑量进行测量。如用逻辑分析仪可以同时观测许多单次并行的数据。对于计算机的地址线、数据线上的信号，既可显示其时序波形，也可用1、0显示其逻辑状态。(4)随机量测量法随机量测量法主要是指对各种噪声、干扰信号等随机量的测量。次目录主目录上一页下一页2.1.2测量方法2.按测量手段分类按测量手段分类，有直接测量法、非直接式测量法、组合测量法和调零测试法四种。(1)直接测量法直接测量法用于保证测量结果与校验标准一致。在直接测量方法中，测量者直接测到的量值就是它最终所需要的被测量的值。测量过程主要是一个直接的比较过程。(2)非直接式测量法非直接式测量法是指直接测量的并不是实验者最终想要得到的量值，而是以这些量值作为后续计算的基础。即利用直接测的量与被测量之间的函数关系(可以是公式、曲线或表格等)，间接得到被测量量值的测量方法。间接测量的方法比较麻烦，常在直接测量法不方便或间接测量法的结果较直接测量法更为准确等情况下使用。次目录主目录上一页下一页2.1.2测量方法(3)组合测量法组合测量法是兼用直接测量与间接测量的方法。在某些测量中，被测量与几个未知量有关，需要通过改变测量条件进行多次测量，根据测量与未知参数间的函数关系联立求解。(4)调零测试法调零测试法的基本过程是：将一个校对好的基准源与未知的被测量进行比较，并调节其中一个，使两个量值之差达到零值。这样，从基准源的读数便可以得知被测量的值。本章主要介绍基本电量的测量和误差分析方法。次目录主目录上一页下一页2.2电压测量电压是表征电信号特性的一个重要参数。电子电路的许多参数和性能都直接与电压相关，如增益、频率特性、电流以及功率等都可视为电压的派生量，各种电路工作状态，如饱和、截止等，通常也都以电压的形式反映出来。因此，电压测量是模拟电子技术实验的重要技能之一。在模拟电子技术实验中，应针对不同的测量对象采用不同的测量方法。如：测量精度要求不高，可用示波器或普通万用表；如果希望测量精度较高，应根据现有条件，选择合适的测量仪器。次目录主目录上一页下一页2.2.1直流电压测量放大电路的静态工作点、电路的工作电源等都是直流电压。电子电路中的直流电压一般分为两大类，一类为直流电源电压，它具有一定的直流电动势E和等效内阻Rs；另一类是直流电路中某元器件两端之间的电压差或各点对地的电位。直流电压的测量方法大体上有直接测量法和间接测量法两种。下面介绍经常使用的测量方法。次目录主目录上一页下一页2.2.1直流电压测量1．模拟式万用表测量直流电压模拟式万用表的直流电压挡是由表头串联分压电阻和并联电阻组成的，因而其输入电阻一般不太大，而且各量程挡的内阻不同，量程越大内阻越大。要注意表的内阻与被测电路并联产生的影响，若电表的内阻不是远大于被测电路的等效电阻时，将造成测量值比实际值小得多，产生较大的测量误差，有时甚至得出错误的结论。因此测量时，要考虑电表输入阻抗、量程和频率范围，尽量使被测电压的指示值在仪表的满刻度量程的2/3以上，这样可以减小测量误差。在测量前应对模拟式万用表进行机械调零，注意被测电量的极性，选择合适的量程挡位，同时要正确读数。一般来说，模拟式万用表的直流电压挡测量电压只适用于被测电路等效内阻很小或信号源内阻很小的情况。次目录主目录上一页下一页2.2.1直流电压测量2．零示法测量直流电压为了减小由于模拟式电压表内阻不够大而引起的测量误差，可用如图2.1所示的零示法。图中ES为大小可调的标准直流电源，测量时，先将标准电源ES置最小，电压表置较大量程挡，然后缓慢调节标准电源ES的大小，并逐步减小电压表的量程挡，直到电压表在最小量程挡指示为零，此时有源二端网络的电压等于ES，电压表中没有电流流过，电压表的内阻对被测电路无影响。断开电路，用电压表测量标准电源ES的大小即为被测有源二端网络的电压大小。在此由于标准直流电源的内阻很小，一般均小于1，而电压表的内阻一般在k级以上，所以用电压表直接测量标准电源的输出电压时，电压表内阻引起的误差完全可以忽略不计。次目录主目录上一页下一页2.2.1直流电压测量一般采用跟随器和放大器等电路提高电压表的输入阻抗和测量灵敏度，这种电子电压表可在电子电路中测量高电阻电路的电压值。图2.1零示法测量直流电压次目录主目录上一页下一页2.2.1直流电压测量3．数字式万用表测量直流电压数字式万用表添加了好多新功能，如测量电容值、晶体管放大倍数、二极管压降等，还有一种会说话的数字式万用表，能把测量结果用语言播报出来。数字式万用表的基本构成部件是数字直流电压表，因此，数字式万用表均有直流电压挡。用它测量直流电压可直接显示被测直流电压的数值和极性，有效数值位数较多，精确度高。一般数字式万用表直流电压挡的输入电阻较高，至少在兆欧级，对被测电路影响很小。但极高的输出阻抗使其易受感应电压的影响，在一些电磁干扰比较强的场合测出的数据可能误差非常大。次目录主目录上一页下一页2.2.1直流电压测量数字式万用表的直流电压挡有一定的分辨力，它所能显示的被测电压的最小变化值。实际上不同量程挡的分辨力不同，一般以最小量程挡的分辨力为数字式电压表的分辨力，如某型号数字式万用表的直流电压分辨力为100V，则表明这个万用表不能显示出比100V更小的电压变化。次目录主目录上一页下一页2.2.2交流电压测量由于放大电路的输入输出信号一般是交流信号，对于一些动态指标如电压增益、输入和输出电阻等也经常用加入正弦电压信号的方法进行间接测量。模拟电子技术实验中对正弦交流电压的测量，一般只测量其有效值，特殊情况下才测量峰值。由于万用表结构上的特点，虽然也能测量交流电压，但对频率仍有一定的限制。因此，测量前应根据待测量的频率范围，选择合适的测量仪器和方法。次目录主目录上一页下一页2.2.2交流电压测量1．模拟式万用表测量交流电压用模拟式万用表的交流电压挡测量电压时，交流电压是通过检波器转换成直流电压后直接推动磁电式微安表头，由表头指针指示出被测交流电压的大小，测量时应注意其内阻对被测电路的影响。此外，模拟式万用表测量交流电压的频率范围较小，一般只能测量频率在1kHz以下的交流电压。它的优点是：由于模拟式万用表的公共端与外壳绝缘胶木无关，与被测电路无共同机壳接地(即接地)问题，因此，可以用它直接测量两点之间的交流电压。次目录主目录上一页下一页2.2.2交流电压测量2．数字式万用表测量交流电压数字式万用表的交流电压挡，是将交流电压检波后得到的直流电压，通过A/D转换器转换成数字量，然后用计数器计数，以十进制显示被测电压值。与模拟式万用表交流电压挡相比，数字式万用表的交流电压挡输入阻抗高，对被测电路的影响小，但同样存在测量频率范围小的缺点。次目录主目录上一页下一页2.2.2交流电压测量3．交流毫伏表测量交流电压交流毫伏表将被测信号经过放大后再检波(或先将被测信号检波后再放大)变换成直流电压，推动微安表头，由表头指针指示出被测电压的大小。这类电压表的输入阻抗高，量程范围广，使用频率范围宽。一般交流毫伏表的金属机壳为接地端，另一端为被测信号输入端。因此，这种表一般只能测量电路中各点对地的交流电压，不能直接测量任意两点间的电压，实验中应特别注意。另外，通常表盘刻度都是按正弦波的有效值刻度的，所