第01章电子测量基础知识

第1章电子测量的基本概念第1章电子测量的基本概念1.1测量与电子测量1.2电子测量的内容和特点1.3电子测量方法的分类1.4电子测量仪器的功能、分类和主要性能指标1.5计量的基本概念小结习题1第1章电子测量的基本概念1.11.1.1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。人们通过对客观事物的大量观察和测量形成定性和定量的认识，归纳、建立起各种定理和定律，而后又通过测量来验证这些认识、定理和定律是否符合实际情况，经过如此反复实践，逐步认识事物的客观规律，并用以解释和改造世界。因此可以说，测量是人类认识和改造世界的一种不可或缺的手段。俄国科学家门捷列(л.ц.Менделеев)在论述测量的意义时曾说过：“没有测量，就没有科学”，“测量是认识自然界的主要工具”。第1章电子测量的基本概念英国科学家库克(A.H.cook)也认为：“测量是技术生命的神经系统”。这些话都极为精辟地阐明了测量的重要意义。历史事实也已证明：科学的进步，生产的发展，与测量理论、技术、手段的发展和进步是相互依赖、相互促进的。测量技术水平是一个历史时期、一个国家的科学技术水平的一面“镜子”。正如美国科学家特尔曼(F.E.Telmen)教授所说：“科学和技术的发展是与测量技艺并行进步、相互匹配的。事实上，可以说，评价一个国家的科技状态，最快捷的办法就是去审视那里所进行的测量以及由测量所累积的数据是如何被利用的。”第1章电子测量的基本概念1.1.2电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。它是测量学和电子学相互结合的产物。电子测量除具体运用电子科学的原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特性和参数进行测量外，还可通过各种敏感器件和传感装置对非电量进行测量，这种测量方法往往更加方便、快捷、准确，有时是用其他测量方法所不能替代的。因此，电子测量不仅用于电学各专业，也广泛用于物理学、化学、光学、机械学、材料学、生物学、医学等科学领域及生产、国防、交通、通信、商业贸易、生态环境保护乃至日常生活的各个方面。第1章电子测量的基本概念近几十年来计算技术和微电子技术的迅猛发展为电子测量和测量仪器增添了巨大活力。电子计算机尤其是微型计算机与电子测量仪器相结合，构成了一代崭新的仪器和测试系统，即人们通常所说的“智能仪器”和“自动测试系统”，它们能够对若干电参数进行自动测量、自动量程选择、数据记录和处理、数据传输、误差修正、自检自校、故障诊断及在线测试等，不仅改变了若干传统测量的概念，更对整个电子技术和其他科学技术产生了巨大的推动作用。现在，电子测量技术(包括测量理论、测量方法、测量仪器装置等)已成为电子科学领域重要且发展迅速的分支学科。第1章电子测量的基本概念1.21.2.1电子测量是指以电子技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为手段，对电量和非电量进行的测量。其中，第1章电子测量的基本概念1.电能量测量包括对各种频率、波形下的电压、电流、2.电信号特性测量电信号特性测量可分为时域特性测量、频域特性测量和数据测量，具体包括对波形、频率、周期、相位、失真度、调幅度、调频指数、群迟延、信号带宽以及数字信3.电路元件参数测量电路元件参数测量包括对电阻、电感、电容、阻抗、第1章电子测量的基本概念4.电子设备的性能测量电子设备的性能测量包括对增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等的测量。上述各项测量内容中，尤以对频率、时间、电压、相位、阻抗等基本电参数的测量更为重要，它们往往是其他参数测量的基础。例如，放大器的增益测量实际上就是对其输入、输出端电压的测量，再相比取对数得到增益分贝数；脉冲信号波形参数的测量可归结为对电压和时间的测量；许多情况下电流测量是不方便的，常以电压测量来代替。同时，由于时间和频率测量具有其他测量所不可比拟的精确性，因此人们越来越关注把对其他待测量的测量转换成对时间或频率的测量的方法和技术。第1章电子测量的基本概念在科学研究和生产实践中，常常需要对许多非电量进行测量。传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和途径。现在，可以利用各种敏感元件和传感装置将非电量(如位移、速度、温度、压力、流量、物质成分等)变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。在一些危险的和人们无法进行直接测量的场合，这种方法几乎成为唯一的选择。在生产的自动过程控制系统中，将生产过程中各有关非电量转换成电信号进行测量、分析、记录并据此对生产过程进行控制是一种典型的方法，如图1.1-1所示。第1章电子测量的基本概念图1.1-1自动过程控制系统中非电量的测量第1章电子测量的基本概念1.2.2与其他测量方法和测量仪器相比，电子测量和电子测量(1)测量频率范围宽。电子测量中所遇到的测量对象，其频率覆盖范围极宽，低至10－6Hz以下，高至1012Hz以上。当然，不能要求同一台仪器能在这样宽的频率范围内工作，通常根据不同的工作频段采用不同的测量原理，使用不同的测量仪器。第1章电子测量的基本概念(2)测量量程宽。量程是测量范围的上、下限值之差或上、下限值之比。电子测量的另一个特点是被测对象的量值大小相差悬殊。例如，地面上接收到的宇宙飞船自外太空发来的信号功率低至10-14W数量级，而远程雷达发射的脉冲功率可高达108W，两者之比为1∶1022。一般情况下，使用同一台仪器，同一种测量方法，是难以覆盖如此宽广的量程的。第1章电子测量的基本概念(3)测量准确度高低相差悬殊。就整个电子测量所涉及的测量内容而言，测量结果的准确度是不一样的，有些参数的测量准确度可以很高，而有些参数的测量准确度却又相当低。例如，对频率和时间的测量准确度可以达到10－13~10－11的数量级，这是目前在测量准确度方面达到的最高指标，而长度测量的最高准确度为10－8数量级。可惜除了频率和时间的测量准确度很高之外，其他参数的测量准确度相对都比较低。第1章电子测量的基本概念例如，直流电压的准确度当前可达到10－6数量级，音频电压为10－4数量级，射频电压仅为10－3数量级，而品质因数Q值和电场强度的测量准确度只有10－1数量级。造成这种现象的主要原因在于电磁现象本身的性质，使得测量结果极易受到外部环境的影响，尤其在较高频率段，待测装置和测量装置之间、装置内部各元器件之间的电磁耦合、外界干扰及测量电路中的损耗等对测量结果的影响往往不能忽略却又无法精确估计。第1章电子测量的基本概念(4)测量速度快。由于电子测量基于电子运动和电磁波的传播，加之现代测试系统中高速电子计算机的应用，使得电子测量无论在测量速度还是在测量结果的处理和传输上都可以以极高的速度进行，这也是电子测量技术广泛应用于现代科技各个领域的重要原因。比如卫星、飞船等各种航天器的发射与运行，没有快速、自动的测量与控制，简直是无法想象的。第1章电子测量的基本概念(5)可以进行遥测。如前所述，电子测量依据的是电子的运动和电磁波的传播，因此可以将现场各待测量转换成易于传输的电信号，用有线或无线的方式传送到测试控制台(中心)，从而实现遥测和遥控。这使得对那些远距离的、高速运动的或其他人们难(6)易于实现测试智能化和测试自动化。第1章电子测量的基本概念电子测量本身是电子学科一个活跃的分支，电子科学的每一项进步都非常迅速地在电子测量领域得到体现。电子计算机尤其是功耗低、体积小、处理速度快、可靠性高的微型计算机的出现，给电子测量理论、技术和设备带来了新的革命。无疑，电子测试技术与计算机技术的紧密结合与相互促进，为测量领域带来了极为美好的前景。第1章电子测量的基本概念1.3电子测量方法的分类一个物理量的测量可以通过不同的方法实现。测量方法选择得正确与否直接关系到测量结果的可信赖程度，也关系到测量工作的经济性和可行性。不当或错误的测量方法除了得不到正确的测量结果外，甚至会损坏测量仪器和被测量设备。有了先进精密的测量仪器设备，并不等于就一定能获得准确的测量结果。必须根据不同的测量对象、测量要求和测量条件，选择正确的测量方法、合适的测量仪器，构成实际测量系统，进行正确、细心的操作，才能得到理想的测量结果。第1章电子测量的基本概念测量方法的分类形式有多种，下面介绍几种常见的分类1.1)直接测量直接测量是指直接从测量仪表的读数获取被测量量值的方法，比如用电压表测量晶体管的工作电压，用欧姆表测量电阻阻值，用计数式频率计测量频率等。直接测量的特点是不需要对被测量与其他实测的量进行函数关系的辅助运算，因此测量过程简单、迅速，是工程测量中广泛应用的测量方法。第1章电子测量的基本概念2)间接测量间接测量是利用直接测量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。例如需要测量电阻R上消耗的直流功率P，可以通过直接测量电压U、电流I，而后根据函数关系P=UI，经过计算，“间接”获得功耗P间接测量费时、费事，常在下列情况下使用：直接测量不方便，或间接测量的结果较直接测量更为准确，或缺少直接测量仪器等。第1章电子测量的基本概念3)当某项测量结果需用多个未知参数表达时，可通过改变测量条件进行多次测量，根据测量量与未知参数间的函数关系列出方程组并求解，进而得到未知量，这种测量方法称为组合测量。一个典型的例子是电阻器的温度系数的测量。已知电阻器阻值Rt与温度t间满足关系：Rt=R20+α(t－20)+β(t－20)2(1.3-1)式中，R20为t=20℃时的电阻值，一般为已知量；α、β称为电阻的温度系数；t为环境温度。第1章电子测量的基本概念为了获得α、β值，可以在两个不同的温度t1、t2(t1、t2可由温度计直接测得)下测得相应的两个电阻值Rt1、Rt2，代入式(1.3-1)得到联立方程：Rt1=R20+α(t1－20)+β(t1－20)2Rt2=R20+α(t2－20)+β(t2－20)2(1.3-2)求解联立方程(1.3-2)，就可以得到α、β值。如果R20也未知，则显然可在三个不同的温度下分别测得Rt1、Rt2、Rt3，列出由三个方程构成的方程组并求解，进而得到R20、α、β。第1章电子测量的基本概念2.如果按被测量的性质，1)时域测量时域测量也称做瞬态测量，主要测量被测量随时间的变化规律。典型的例子为用示波器观察脉冲信号的上升沿、下降沿、平顶降落等脉冲参数以及动态电路的暂态过程等。2)频域测量频域测量也称为稳态测量，主要目的是获取待测量与频率之间的关系，例如用频谱分析仪分析信号的频谱和测量放大器的幅频特性、相频特性等。第1章电子测量的基本概念3)数据域测量数据域测量也称为逻辑量测量，主要是用逻辑分析仪等设备对数字量或电路的逻辑状态进行测量。数据域测量可以同时观察多条数据通道上的逻辑状态，或者显示某条数据线上的时序波形，还可以借助计算机分析大规模集成电路芯片的逻辑功能等。随着微电子技术的发展需要，数据域测量及其测量智能化、4)随机测量随机测量又叫做统计测量，主要是对各类噪声信号进行动态测量和统计分析。这是一项较新的测量技术，尤其在通信领域有着广泛应用。第1章电子测量的基本概念除了上述几种常见的分类方法外，还有其他一些分类方法。比如，按照对测量精度的要求，可以分为精密测量和工程测量；按照测量时测量者对测量过程的干预程度分为自动测量和非自动测量；按照被测量与测量结果获取地点的关系分为本地(原位)测量和远地测量(遥测)，接触测量和非接触测量；按照被测量的属性分为电量测量和非电量测量等。第1章电子测量的基本概念1.4.2电子测量仪器的分类方法不一，按其功能大致可分为1.电平测量仪器包括各种模拟式电压表、毫伏表、数字式电压表、2.电路参数测量仪器包括各类电桥、Q表、RLC测试仪、晶体管或集成电路参数测试仪、第1章电子测量的基本概念3.频率、时间、频率、时间、相位测量仪器主要包括电子计数式频率计、石英钟、数字式相位计、4.波形测量仪器主要指各类示波器，如通用示波器、多踪示波器、多扫描示波器、取样示波器，以及记忆和数字5.信号分析仪器包括失真度仪、谐波分析仪、频谱分析第1章电子测量的基本概念6.模拟电路特性测试仪器包括扫频仪、噪声系数测试仪、7.数字电路特性测试仪器主要指逻