第1章电子测量基本知识(79)

电子测量技术河北师范大学职业技术学院第1章电子测量基本知识•1.1电子测量简介•1.2测量方法分类•1.3电工仪表分类•1.4电子测量仪器分类•1.5测量误差及消除方法•1.6工程上最大误差的估计•1.7有效数字处理规则•1.8测量结果的表示•习题•一、测量•(1)测量是用实验的方法准确地获取被测参数的数值。•(2)测量是把标准量与被测量比较的过程。•(3)通过测量可以揭示客观世界规律，用数字语言描述世界进而改造世界。1.1电子测量技术简介•(4)实验科学推动了自然科学的发展，“没有测量就没有科学”。•(5)目前，使用铯原子谐振和氢原子谐振来测量时间，其准确度相当于在30万年内误差小于1秒。•(6)现代工业生产中用到测量上的成本约占整个生产成本的20%-30%。(1)电子测量：以电子技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为手段，对未知的电量或非电量进行测量。(2)电子测量的基本内容：①电能量：包括电压、电流、功率和场强之类的电量。②电信号参数：包括频率、周期、相位、失真度等参数。③电路参数：电阻、电容、电感、电抗、品质因数等。④电路性能：增益、衰减、灵敏度、幅频特性等参数。⑤半导体器件的测量。电子测量•电子测量与电气测量是针对弱电和强电两个应用领域区分的，随着测量技术的数字化、计算机化，两种应用除了测量对象参数不同外其他方面的界限已经模糊。二、电子测量的特点1.测量频率范围宽低端：10-4—10-5Hz到直流。高端：300GHZ（毫米波段上限）甚至更高。（1GHZ=103MHZ=106KHZ=109HZ）2．量程广所测电量的大小往往相差很大，因而仪器必须具有宽广的量程。3．测量准确度高电子仪器的测量准确度可达到较高的水平。•人造卫星的控制和遥测系统，如果测量不准确，使最后一级火箭的速度产生千分之二的相对误差，卫星就会偏离预定轨道100公里。•射程8千公里的洲际导弹，若航向有0。003度误差，将偏离目标5-8公里。•防空导弹天线随动系统8密位误差，可使导弹偏离目标175米(20KM)（1o=16.66密位，360o=6000密位）•由于在电子仪器中采用性能越来越高的微处理器、DSP（数字信号处理）芯片，对测量结果进行各种数据处理，使测量误差减小，测量精确度进一步得到提高。•4．测量速度快•由于电子测量是采用电子技术来实现的，因而测量速度快，这对某些要求快速测量和实时测控的系统来说是很重要的。防空导弹飞行时间通常在1分左右，地面制导系统每秒要测量几百个角坐标数据，几千个距离坐标数据。5．易于实现测量过程自动化及遥控测量由于现代仪器都带有标准程控接口，在各仪器之间、仪器与计算机之间能方便地用标准总线连接起来组成自动测试系统，在计算机的控制下，自动执行测量、数据处理及记录等操作，省却了烦琐的人工操作。美国侦察测量设备，1970。4清水基地。。。。6．易于实现仪器小型化随着微电子器件集成度的不断提高，可编程器件及ASIC电路的采用，电子仪器正向着小型化发展。特别是随着模块式仪器系统的采用，把多个仪器模块连同计算机装入一个机葙内组成自动测试系统，使之更为紧凑。这对某些场合，如军事、航空等领域的使用是有重要意义的。1991年1月21日10点爱国者拦截飞毛腿利雅得•1991年1月21日10点，一枚飞毛腿B式地-地战术弹道导弹从伊拉克中部地区发射升空，很快就穿过大气层，进入攻击沙特阿拉伯首都利雅得的飞行弹道。•16秒钟以后，一颗300多公里高空的美国DSP导弹预警卫星紧急报警，带有红外扫描器的红外望远镜开始跟踪“飞毛腿”导弹的喷焰，同时用高分辨率可见光电视摄像机进行跟踪拍摄，并实时将导弹的飞行轨迹和飞行速度、方向、弹道倾角及位置等数据向地面站传送。•设在澳大利亚的美国空间指挥基地和设在本土的美国航空航天司令部同时接收到导弹预警卫星发送的飞毛腿导弹弹道参数，经地面站计算之后，迅速将飞毛腿导弹的飞行弹道和弹着点发往沙特的爱国者导弹发射阵地。阵地指挥控制中心立即命令多功能相控阵雷达开机，搜索、捕获、跟踪、识别来袭导弹，结果，在100多公里处发现目标。•根据相控阵雷达所测得的数据，经与卫星提供的数据进行相关比较和精确计算后，将拦截“飞毛腿”的最佳飞行弹道预置给计算机并生成操纵程序，输入“爱国者”导弹的制导系统（此时，飞毛腿导弹无法感知已被美军跟踪，也无法改变自己的弹道，只能按既定轨迹飞行）。•指挥中心送出发射指令，“爱国者”导弹以38°倾角升空。同时，地面相控阵雷达继续追踪飞行中的“爱国者“和“飞毛腿”，并根据实飞状况适时发出指令，修正飞行轨迹。当”爱国者”进入末段飞行时，其弹上半主动“自动寻的头”开始工作，并实时将它所捕捉到的“飞毛腿”弹道参数反馈给地面指控中心。指控中心根据接收到的相对角偏差数据，经精确计算后，将修正指令反馈给“爱国者”。“爱国者”按照精确计算的拦截弹道接近“飞毛腿”，当“飞毛腿”闯入“爱国者”20米杀伤半径之内时，弹上的无线电近炸引信即引爆破片杀伤式战斗部，击中目标。上述过程1分钟。•这一天，伊拉克发射了10枚飞毛腿，有9枚遭拦截，成功率达90％。（一）、智能仪器（二）、GPIB接口及自动测试系统（三）、个人仪器系统（四）、XI总线系统（五）、虚拟仪器三、电子仪器及测试系统的发展•定义：通常把含有微型计算机和微处理器的测量仪器称为智能仪器，它具有数据处理功能（数据存储、运算、逻辑判断、及自动化操作）和知识处理功能（模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、元件寿命预测等）（一）智能仪器•发展背景：1984。成立“自动测试与智能仪器专业组”归属“电磁测量信息处理仪器学会”；1986。IMEKO(国际测量联合会)以智能仪器为主题召开了专门讨论会；1988。IFAC(国际自动控制联合会)成立“智能元件及仪器”学术委员分会；1989。5月在武汉召开第一届“测试技术与智能仪器国际学术讨论会”•1．智能仪器的特点•（1）微处理器的应用增强了仪器的功能。•（2）计算机技术提高了仪器的性能指标。•（3）实现测试自动化。•（4）对外接口功能。•（5）硬件软化。•（6）自诊断技术。•2.智能仪器的组成•GPIB接口：美国HP公司于1972年首先提出了接口标准化方案。并于1974年正式命名为HP-IB接口总线。1975年得到了美国电气与电子工程师学会（IEEE）和国际电工委员会（IEC）的承认，分别命名为IEEE—488和IEC—625标准，通称GPIB标准。我国1986年颁布为国家标准（GBn249.1-GBn249.2）.•（二）GPIB接口及自动测试系统•使用GPIB标准接口，可将不同厂家生产的各种型号的仪器用一条统一的无源标准总线方便地联接起来组建成各种自动测试系统，而无需在接口硬件方面再做任何工作，大大方便了系统的组建，因而得到广泛的应用，便自动测试技术翻开了新的一页。•自动测试系统:在最少人工参与下能进行自动测量、数据处理并以适当方式显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统。•发展背景：随着测试任务日趋复杂，对测试系统在功能、速度及精度等方面的要求也越来越高，人工测试已很难满足这些要求，例如大规模集成电路，每个单片上可以有十几万个器件，需测量的参量很多。又如，现代相控阵雷达有上万个天线阵子，（爱国者导弹的主天线阵共5161个阵元。可进行32种天线方向图转换，转换时间为100毫秒）如果对每个天线的阻抗、驻波、相位等参数用传统人工方法测量，一个人需上百年的时间。为此必须发展自动测试系统。•第一代自动测试系统，主要用于自动数据采集与数据分析，无统一接口电路。•第二代自动测试系统，采用标准化接口母线，把测试系统中各设备按积木的形式连接起来，更改、增删测试内容灵活方便。•第三代自动测试系统，用软件代替硬件产生激励信号和测试功能的系统。•以个人计算机为基础的仪器。个人仪器与独立仪器己完全不同，它们本身大都不带显示器及键盘等部件，仅具备必需的测试部件，以插件板的形式作为个人计算机的附件，构成自动测试系统。个人仪器的突出伏点是性能/价格比高，开发周期短，使用方便及结构紧凑，因而受到广泛重视。（三）个人仪器系统•发展背景：GPIB自动测试系统存在着硬件冗余度高，却又不能起容错作用的缺点。在GPIB系统中的各个独立仪器都具有键盘、显示器、存储器、微处理器、机箱及电源等部件，这些资源相互重复而又不能共享。例如，某台仪器的存储器损坏时，通常不能借用其他仪器中的存储器，这样就造成资源浪费，且系统体积庞大。•1981年美国NorthwestInstrumentSystem公司首先提了的个人仪器系统有效地克服了GPIB测试系统的上述缺点。图1—3表示一种混合式的个人仪器结构，在微机内部的扩展槽口内插入了仪器卡，在微机外部的插件箱内也有仪器卡。在20世纪90年代以前，个人仪器多数建立在ISA总线上，其性能比不上建立在VME总线基础上的VXI模块式仪器。虽然由于它结构简单，价格低廉，仍有部分中小仪器公司不放弃该领域，但毕竟未受到广泛重视。•90年代个人计算机采用PCI总线，又为个人仪器的发展带来新机遇。PCI总线比VME总线性能更优良，它在64位下传输速率达到264MB/s。为使PCI进入仪器领域，美国NI公司把PCI扩展成PXI总线。目前，已推出多种性能优良的基于PCI的个人仪器，以及PXI总线仪器。可以预料，以GPIB总线为主的台式仪器、VXI总线为主的模块式仪器，以及以ISA/PCI总线为主的个人仪器，三者将互为补充，共同发展。•个人仪器系统消除了GPIB测试系统中硬件冗余及体积大等问题，国外一些仪器生产厂纷纷推出了自己的个人仪器系统，这些个人仪器的尺寸、电气指标、接口及总线没有统一的标准，互不通用，为此，美国五家有影响的仪器公司在1987年7月成立了VXI联合协会，一致同意在VME微机总线的基础上开发模块仪器标准总线。1987年10月、1988年6月和1989年7月分别发布了VXI总线规范1.1,1.2和1.3文本。（四）VXI总线系统•VME总线是1981年美国Motorola公司德国分部为16位微处理器68000系列而开发的微机总线，后来成为IEEEP1014标准。•VXI总线的技术规范中规定了四种尺寸的插件板，较小的Ａ和Ｂ尺寸是VME总线标准规定的插板尺寸，用于中等性能、可携带及低成本的系统。C尺寸用于高性能及中等成本的系统，最大的Ｄ尺寸用于最高性能和最高成本的系统。•图１—４表示了ＨＰ公司于1988年推出的C尺寸主机架及C尺寸插板，在每个插板上有连接器插头，插入主机箱的母板上。母板上有13列槽口，因而最多可插入13个插件板。A尺寸插板上只有一个连接器P1，B和C尺寸的插板上有两个连接器P1和P2，D尺寸插板上有连接器P1，P2和P3。每个连接器有3列，每列有32个引脚，因而每个连接器有96个引脚；3个连接器共有288个引脚。•由图1—4可见，在主机架的后部有一块母板，这是一块12层印制板，上面制有VXI总线，母板上还有13列连接器插座，供插入仪器模块。主机箱的上、下部都有导轨，前端还有装配托架，使插板容易插入插座并固定住。C尺寸的机架也可插入B尺寸的插板，但要利用运送器。•图1—5中数字化仪器占用了两个标准的插板宽度，所以主机架中共有12个插件，其中有的一个插件构成一个仪器，有的由两个插件构成一个仪器。当一个主机架不够用时，与主计算机相连的GPIB总线还可接至其他VXI主机架。•虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，通常是指以计算机为核心的，由强大的测试应用软件支持的，具有虚拟仪器面板、足够的仪器硬件及通信功能。完成各种采集、控制、数据分析与显示的全部功能。其结构如图1—6所示。(五)虚拟仪器•用虚拟仪器代替某种传统的实物仪器，不需实物仪器参与可完成全部仪器功能。这种虚拟仪器通常由微型计算机及A/D、D/A变换器等通用硬件和应用软件等部分组成。计算机加上A/D及其他少量辅助电路，编制各种软件就可实现数据采集、波形显示、电压测量，时间测量、频率测量及频谱分析等各种功能，如果再配上传感器,就可测量各种非电量。图1-6虚拟示波器前面板图1-7虚拟示波器框