电子测量原理 第2章测量方法与测量系统

2.测量方法与测量系统2010年3月11日电子科学与技术专业微电子方向2019/8/42主要内容2．1电子测量的基本原理2．2电子测量的对象___信号与系统2.3测量方法的分类概述2．4测量系统的静态特性2.5测量系统的动态特性电子科学与技术专业微电子方向2019/8/432.1电子测量的基本概念2.1.1电子测量的意义测量主体的感觉器官存在天然的缺陷，感知信息的能力有限。如：敏感阈和灵敏度有限、分辨力不够高、响应范围不够宽、相应速度不够快等。20世纪30年代，测量科学与电子科学结合，产生了电子测量技术。电子测量技术拓展了测量主体对被测量的认识能力。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/44处理信息最有效、最成功的是电子科学技术表现如下：①具有极快的速度：电子的速度可达105km/s以上，电磁波速度3×105km/s。②具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围：电压分辨率达纳伏；时间分辨率达皮秒；功率、时间的处理范围1015－1018③极有利于信息传递：电磁波的光速传播和数据的海量存储使信息在空间的传递和时间的传递十分快速。还实现了远距离遥测。④极为灵活的变换技术：利用电磁波的快速、长距离传输能力；通过光－电－光以及声－电－声的转换；实现了千里眼、顺风耳的梦想。⑤巨大的信息处理能力：电子技术（模拟、数字）的发展，可以通过硬件、软件实现对信息的多种处理。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/452.1.2电子测量的特点①测量频率范围宽，被测信号的频率范围除测量直流外，测量交流信号的频率范围低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=1012Hz）②量程范围宽，如数字万用表对电压测量由纳伏（nV）级至千伏（kV）级电压，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，可以使测量准确度达到10-13～10-14的数量级。④测量速度快，电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作。⑤易于实现遥测，通过传感器利用电磁波、光、辐射等方式实现远距离非接触式测量。⑥易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化。VLSI、计算机的发展可以实现程控、遥控、自动变换量程、自动调节、自动校准、自动诊断故障、自动回复。对测量结果可以自动记录、自动分析、处理数据。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/462.1.3电子测量的内容从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段而进行的测量，即以电子科技理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量所进行的测量。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/472.1.3电子测量的内容（续）电子测量的内容是：（1）按具体的测量对象来分类，包括下列电参数的测量①电能量的测量包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等的测量。②电路参数的测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。③电信号特征的测量包括信号、频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数字信号的逻辑状态等的测量。④电子设备性能的测量包括放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。⑤特性曲线的测量包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/482.1.3电子测量的内容（续）（2）按基本的测量对象来看，电子测量是对电信号和电系统的测量：①电子测量的基本对象是未知的信号与系统。电信号是测量对象。各种信息要变换成某种物理方式的信号才能传输、处理、利用、测量。信息蕴藏于信号。必须对信号测量后才能提取出信息。电系统是测量对象。信号依附于一定的物理装置－－系统。系统的性能决定了它对信号进行加工的质量。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/492.1.3电子测量的内容（续）②电子测量的基本工具是已知的信号与系统只有用一个特性标准的、已知的系统－－测量系统，才能精确、不失真地获取被测对象的信息。对于无源系统需要对它施加激励信号，通过测量仪器测出响应从而求出该系统的固有特性。③电子测量的基本工作机理是信号与系统的相互作用测量过程就是信号和系统相互作用的过程。信号按一定规律作用于系统，系统在输入信号的作用下对信号进行处理，并输出处理后的信号。前者就是激励，后者为称为响应。为实现不失真测量，必须选择与被测信号匹配的测试系统特性。h(t)系统输入输出x(t)y(t)测试系统框图1.已知h(t)、y(t)求x(t)，测量未知物理量。2.已知x(t)、y(t)求h(t)，测量系统的特性测量，故障诊断，性能检定。3.已知h(t)、x(t)求y(t)，信号的产生，电压或功率分配，多级系统组建。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/4102.2电子测量的对象——信号与系统2.2.1信号的基本概念测量的目的是获取被测对象的信息，信息描述了被测对象的状态及其变化方式。信号就是信息的某种物理表现方式，信号是信息的载体，是物质，具备能量。同一个信息可以用不同的信号来运载，反之，同一种信号也可以运载不同的信息。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/4112.2.1被测对象—信号与系统的特点及分类信息的变化决定了信号是一些变量的函数，可以表述为一个或者多个变量的函数。信号的特点：①信号是用变化着的物理量来表示信息的一种函数。②信号中包含着信息，它是信息的载体，具有能量（有能源）。被测对象的信息感知阶段的任务，是要把信息变换成信号。③信号不是信息本身，必须对信号进行测量后，才能从信号中提取出信息，这是电子测量的根本目的。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/4122.2.2信号的分类1.确定性信号和非确定性信号电子测量中被测信号大多是时间的函数x(t)，按其性质不同可分类如下：①确定性信号：在相同试验条件下，能够重复实现的信号。确定性信号又分为：恒定（直流）信号；周期信号（简谐周期信号和复杂周期信号）；非周期信号（准周期信号和瞬变冲激信号）；可以表示为一个或几个自变量的函数，可用解析式、图形、数据表格等描述。函数的图形称为信号的波形。②非确定性（随机）信号：在相同试验条件下，不能够重复实现的信号。随机信号又分为：平稳随机信号；非平稳随机信号。不是自变量的函数，信号取某一数值的概率。确定信号是测量过程中基本的、重要的信号，是分析随机信号的基础。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/4132.2.2信号的分类（续）2.周期性信号与非周期性信号周期信号。满足x（t+T）=x(t),T是信号的周期。复杂周期信号是由两个或者两个以上简谐周期信号（正弦或者余弦信号）叠加而成，具有一个基本重复周期，与该基本周期频率一致的简谐周期信号就是基波。频率为基波频率整数倍的其他简谐波即是谐波。非周期信号。没有基本周期，时间上永不重复。可以分为准周期信号，其由N个谐波组成，但任何两个谐波的周期之比都不是有理数。不具有基本周期。瞬变冲击信号。瞬变是连续几个周期的衰减信号，冲击是不同形式的单个脉冲。瞬变冲击信号的特点是过程突然发生、时间极短、能量很大。3.连续信号与离散信号按照信号自变量的取值是否连续，可以分为连续时间信号和离散时间信号，也称序列。再根据函数值是否连续，可以将信号分为模拟信号、量化信号、采样信号、数字信号。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/4143.连续信号与离散信号（续）采样信号：离散时间信号的信号值可以在实数域内取值，即连续取值的函数信号。包括：脉幅调制信号、脉宽调制信号、脉位调制信号。数字信号：将离散时间信号的信号值加以量化，并用二进制或者十六进制表示。自变量（t）函数值f（t）信号分类连续时间信号连续模拟信号离散量化信号离散时间信号连续采样信号离散数字信号电子科学与技术专业微电子方向2019/8/4152.2.2信号的分类（续）4.时限信号和频限信号时限信号是指信号在时间的有限区间（t1，t2）内有定义、在区间之外信号值恒等于零的信号，称为时域有限信号。例如：矩形脉冲、正弦脉冲等。而周期信号、指数信号、随机信号等，则为时域无限信号。频限信号是指在频率域内只占据有限的带宽（f1～f2）、在这一带宽之外信号值恒等于零的信号，称为频域有限信号。例如：带通滤波器转换后的信号。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/4162.2.2信号的分类（续）（5）信号的时间特性和频率特性时间特性：反映在信号随时间变化的波形上，包括信号出现时间的先后、持续时间的长短、重复周期的大小、随时间变化速率的快慢、幅度的大小等等。频率特性：一个复杂信号可以分解成许多不同频率的正弦分量，即具有一定的频率成分。将各个正弦分量的幅度和相位分别按频率高低依次排列就成为频谱。信号的频谱包含信号的全部信息。（6）信号的空间分布结构许多信号，既具有时间特性、也还具有空间特性例如描述大气压随海拔高度变化的信号，其自变量表示海拔高度；描述飞机机翼上应变分布的信号，其自变量表示结构尺寸。电子科学与技术专业微电子方向2019/8/4172.2.3系统的基本概念信号的产生、传输、处理、存储和再现都需要一定的物理装置，这种装置通常就称为系统。从一般意义讲，系统是由若干相互依赖、相互作用的事物组合而成的具有特定功能的整体。系统可以是物理系统，如测试系统、通讯系统、自控系统等等。也可以是非物理系统，如社会管理系统，经济系统等。电子测量的对象就是物理系统中的电系统。1.系统的外部特性测量技术中都用系统的观点去观察和分析问题，侧重于系统的外部特征，即系统的输入与输出之间的关系或系统的功能。h(t)系统激励响应x(t)y(t)电子科学与技术专业微电子方向2019/8/4182.2.3系统的基本概念（续）2.系统的内部结构测量系统的外部特性是由其内部参数也即系统本身的固有属性决定。要分析和描述一个物理系统，必须了解系统的内部结构，用物理作用机理建立系统的模型。系统模型指系统物理特性的数学抽象，即以数学表达式或具有理想特性的符号组合图形来表征系统的输入-输出特性。工程上连续时间系统可以用n阶常系数微分方程来描述。22()()()()cccdutdutLCRCutetdtdt0,0(),0tetut理想二阶系统基尔霍夫定律电子科学与技术专业微电子方向2019/8/419•按照系统处理的信号和系统自身的特性可以将系统分为不同类型。如：线性和非线性系统；时变系统和时不变系统；即时系统和动态系统。按参数的分布又可以分为集中参数系统和分布参数系统。另外还有有源、无源系统。根据输入和输出信号的确知性分为确定系统与随机系统。由自变量取值分为连续时间系统和离散时间系统。•系统是对信号进行变换或传输的实体，对系统进行表示就是对系统输入输出信号之间关系进行表示。•1.单输入/输出与多输入/输出系统•系统只有一个输入一个输出的系统为单一输出单一输入系统。•如果将连续时间输入信号转换为连续时间输出信号，就是连续时间单－－单系统。•如果将离散时间输入信号转换为离散时间信号输出，就是离散时间单－－单系统。X（t）Y（t）H（t）单－单连续系统X（n）Y（n）H（n）单－单离散系统2.2.4被测系统的分类电子科学与技术专业微电子方向2019/8/4201.单输入/输出与多输入/输出系统（续）一个系统可以同时接受一个以上的输入信号，产生一个以上的输出信号，这种系统称为多输入－－多输出系统。常见于数据采集、数字系统测量。X（1）H（t）或者H（n）多－－多系统X（n）X（2）...Y（1）Y（n）Y（2）...电子科学与技术专业微电子方向2019/8/4212.2.4被测系统的分类（续）2.线性系统与非线性系统不是系统内部的各个元器件必须都是线形的，还有一些数字电路、脉冲电路以及其他非线形电路。只要满足两个基本条件就可以称为线形系统：①叠加原理。Y1(t1)=X1(t1)Y2(t1)=X2(t1)aY1(t2)+bY2(t2