电子测量与仪器

《电子测量与仪器》福建信息职业技术学院精品课程课程目录＊第1章电子测量和仪器的基本知识＊第2章信号源＊第3章示波测量技术＊第4章电压测量＊第5章频率、时间和相位的测量＊第6章频域测量技术＊第7章电子元器件参数测量第1章电子测量与仪器基本知识返回课程目录内容提要＊本章主要介绍学习本课程必备的基本知识。＊本章内容主要有：●电子测量的内容、特点和基本方法；●测量误差的来源、分类和表示方法；●有效数字的概念和测量结果的处理；●电子测量仪器有关知识。1.1测量及其意义测量定义：测量是为了获取被测量对象而进行的实验过程。测量结果=数值+相应的单位注意：无单位的量值无意义。测量意义：测量是发现新问题、提出新理论的依据；科学的进步和生产的发展与测量技术手段的发展和进步是相互依赖、相互促进的。1.2电子测量的意义和特点电子测量：即以电子技术为手段的测量。它是衡量一个国家科学技术发展的标志。内容：电能量的测量：如I、U、P等的测量；电路、元器件参数的测量：如R、L、C、Q、D等；电信号特性的测量：如f、T、波形、时间等；电路性能的测量：如放大倍数、衰减量、灵敏度等；特性曲线的测量：如幅频特性、相频特性等。特点：1.测量频率范围宽；2.仪器量程宽；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测量仪器微机化。1.3电子测量方法的分类一、按测量方式分类1、直接测量：直接测量是指用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值的方法，例如用电压表直接测量电压。2、间接测量：测量某未知量y，必须先对与未知待测量y有确切函数关系的其他变量x（或n个变量）进行直接测量，然后再通过函数计算出待测量y，称为间接测量。如：电功率P的测量。3、组合测量：如有若干个待求量，把这些待求量用不同方式组合（或改变测量条件来获得这种不同的组合）进行测量（直接或间接），并把测量值与待求量之间的函数关系列成方程组,只要方程式的数量大于待求量的个数,可以求出各待求量的数值，这种方法叫组合测量或联立测量。二、按被测信号性质分类1、时域测量：测量被测量对象在不同时刻的特性，这时把被测量对象看成时间的函数；2、频域测量：测量被测量对象在不同频率时的特性，这时把被测量对象看成频率的函数；3、数据域测量：又称数字测量技术，是对数字系统逻辑特性的测量。4、随机测量：随机测试技术是认识含有不确定性的事物的重要手段。最普遍存在、最有用的随机信号是各类噪声。所以随机测量技术又称为噪声测试技术。1.4测量误差的基本概念一、测量误差的定义1、真值（A0）:在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。（实际中不可知）2、实际值（A）：根据测量误差的要求，用高一级或数级的标准仪器或计量器具测量所得之值。（实际应用中可代替真值）例：微安电流表相比毫安电流表就是高一级测量仪器。3、示值（X）：被测量的量值。读数：从仪器刻度盘、显示器等读数装置上直接读来的数字。例：用一电流表测量某电流值，量程选择10mA档。刻度盘指示如下图所示：其读数为：8；示值为：8mA4、标称值：被测量上标示的数值。例：电阻器的色环标示其阻值；0108二、测量误差的表示方法式中的真值A0是一个理想概念，无法得到，实际应用中通常用实际值A来代替真值A0。实际值也称为约定真值。AA1．绝对误差1）定义：由测量所得到的被测量值x与其真值A0之差，称为绝对误差，即测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。特点：绝对误差既有大小，又有符号和量纲。2）修正值与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值，用C表示为C=A－x=－△x测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。在日常测量中，利用其仪器的修正值C和该已检仪器的示值，可求得被测量的实际值A=x＋C。例：某台电流表的修正值由以下表格给出，求示值分别为0.4mA和0.8mA时的实际值各为多少？X/mA0.02-0.04C/mA00.40.8解：A1=X1+C1=0.4+0.02=0.42mA;A2=X2+C2=0.8-0.04=0.76mA2、相对误差意义：相对误差可以更准确地说明测量的准确度。例：测量两个频率值：f1=1000Hz，f2=100000Hz,得绝对误差分别为△f1=1Hz，△f2=10Hz，问那次测量的准确度更高？解：比较绝对误差可得：△f1△f2，第一次测量误差较小；但：%01.0%10010000010%100%1.0%10010001%1002211ffff可见：第二次的误差与实际值相比所占比例比第一次的小，第二次的测量准确度高些。绝对误差与被测量的真值之比，称为相对误差，用γ表示。分类：1)相对真误差:001000特点：只有大小和符号，没有单位。真值是不能确切得到的，通常用实际值A代替真值来表示相对误差00100AxA2)实际相对误差误差较小、要求不太严格的场合，也可以用测量值X代替实际值A001003)示值相对误差实际中，也常用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差Δxm与该量程的满刻度值（该量程的上限值与下限值之差）Xm之比来表示的相对误差。00100mmm4）满度相对误差（引用相对误差）由上式可知，通过满度误差实际上给出了仪表各量程内绝对误差的最大值。电工仪表就是按引用误差γmm之值进行分级的。我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%。因此，在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。5）相对误差的对数表达形式)1lg(20)1lg(20)1lg(20lg20)1lg(20lg20)1(lg20)lg(20xAdBAdBdBdBdBAAxAAxAxAxAx例1：鉴定一个1.5及100mA的电流表，发现在50mA处的误差最大，为1.4mA,其它刻度处的误差均小于1.4mA,问这块电流表是否合格？解：%)5.1%(4.1%1001004.1%100mmmmxx所以：该电流表合格。例2：某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为400mA和1.5级量程为100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？解：用400mA、0.5级电流表，可求得测量的最大误差和相对误差为:用100mA、1.5级电流表，可求得测量的最大误差和相对误差为:0020010010021005.1001001005.12可见.应选1.5级100mA电流表。mAmAm2400005.01mAmAm5.1100005.121.4.2测量误差的来源1、仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。2、影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。3、理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。4、人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。1.4.4测量误差的分类1、系统误差：系统误差的定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。2、随机误差：随机误差的定义：在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），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，称为随机误差。3、粗大误差：粗大误差是一种显然与实际值不符的误差，又称疏失误差。含有粗差的测量值称为坏值或异常值，在数据处理时，应剔除掉。1．5测量结果的表示及有效数字一、测量结果的表示测量结果表示为：一定的数值和相应的计量单位。例：40KV、465KHz等。二、有效数字和有效数字位1、定义：对于包含的误差不大于末位单位数字的一半的数，从它最左端一位非零数字起，到最末一位所有数字都称为有效数字。2、知识点：1）可以从有效数字的位数估计出测量误差，一般规定误差不超过有效数字末位单位的一半。2）“0”在最左面为非有效数字：3）有效数字不能因选用单位的变化而变化。例：0.1030A表示含有误差：0.0001/2=0.00005A；有效数字位：1、0、3、0(最左端的0非有效数字)；用mA单位表示：103.0mA;而不是103mA,末位的0不能去掉。若保留N位有效数字，N位以后的数字，若大于保留数字末位单位的一半，则舍去的同时第N位加1；若小于保留数字末位单位的一半，则舍去的同时第N位不变；若等于保留数字末位单位的一半，如第N位原为奇数则加1变为偶数，原为偶数不变。即：1）小于5舍去，末位不变；2）大于5进1，在末位增1；3）等于5时，取偶数，则当末位是偶数，末位不变；末位是奇数，在末位增1。例1：将下列数据舍入保留三位有效数字：16.43→16.4(0.030.1/2=0.05,舍去)16.46→16.5(0.060.1/2=0.05,舍去且往前位增1)16.35→16.4(0.05=0.1/2,3为奇数，舍去且往前位增1)16.45→16.4(0.05=0.1/2,4为偶数，舍去)16.4501→16.5(0.05010.1/2=0.05,舍去且往前位增1)38050→(50=100/2,0为偶数，舍去)三、数字的舍入规则41080.3四、数字近似运算规则保留的位数原则上取决于各数中准确度最差的那一项。1、加减规则：以小数点后位数最少的为准（各项无小数点则以有效位数最少者为准），其余各数可多取一位。2、乘除规则：以有效数字位数最少的数为准，其余参与运算的数字及结果中的有效数字位数与之相等或多保留一位有效数字。例2：进行下列运算：1）2）481.4801.432.0603011.432.021.603原式38.438.424.620.3813.444.620.38213.44原式第2章信号源返回课程目录内容提要＊本章主要介绍了信号源在电子测量中的作用、组成原理和种类。＊本章内容主要有：●正弦信号源的性能指标及基本原理；●合成信号源的性能指标及基本原理；●函数发生器的组成方案及基本原理；●脉冲发生器的原理与组成结构；●任意波形发生器简单介绍。2．1概述1．作用信号源的用途主要有以下三方面：（1）激励源；（2）信号仿真；（3）标准信号源。2、分类（按照输出信号的频率分）超低频信号发生器，频率范围为0.0001Hz～1000Hz；低频信号发生器，频率范围为1Hz～1MHz；视频信号发生器，频率范围为20Hz～10MHz；高频信号发生器，频率范围为100KHz～30MHz；甚高频信号发生器，频率在30MHz～300MHz；超高频信号发生器，频率在300MHz以上。2．2正弦信号源一、正弦信号源的性能指标1．频率特性（用以下几项指标来表征）（1）频率范围；（2）频率准确度；（3）频率稳定度2．输出特性（1）输出电平范围；（3）输出电平准确度；（3）输出阻抗。3．调制特性主要包括调制频率，调幅系数等。2．2．2正弦信号源一、低频信号发生器低频信号发生器频率范围一般为20Hz～20KHz，故又称音频信号发生器。功率输出12主振器电压放大器输出衰减器功率放大器阻抗变换器电压输出监测电压表电平调节⑴主振级作用是产生低频的正弦波信号，一般采用RC振荡器。是低频信号发生器的主要部件。⑵电压放大级和功率放大级作用：①放大②隔离。⑶衰减器和匹配器：衰减器：其作用是调节输出电压使之达到所需的值。匹配器：实际为变压器，其作用是使输出端连接不同负载时都