电子测量第二章

2019/8/61第2章测量方法与测量系统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2019/8/622.1电子测量的基本概念2.1.1电子测量的意义20世纪30年代，便开始了测量科学与电子科学的结合，产生了电子测量技术处理信息最有效、最成功的是电子科学技术①具有极快的速度②具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。③极有利于信息传递④极为灵活的变换技术。⑤巨大的信息处理能力2019/8/632.1.2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。因为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（6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化2019/8/642.1.3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。2019/8/652.1.3电子测量的内容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。2019/8/662.1.3电子测量的内容（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②电子测量的基本工具是已知的信号与系统③电子测量的基本工作机理是信号与系统的相互作用h(t)系统输入输出x(t)y(t)测试系统框图2019/8/672.2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。2019/8/682.2.1被测对象—信号与系统的特点及分类信号的特点是：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。2019/8/692.2.2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）；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。2019/8/6102.2.2信号的分类2.周期性信号与非周期性信号3.连续信号与离散信号表2-1信号的分类自变量t函数值f(t)信号分类连续模拟信号连续时间信号离散量化信号连续采样信号离散时间信号离散数字信号2019/8/6112.2.2信号的分类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。2019/8/6122.2.2信号的分类（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。信号的频谱包含了信号的全部信息。（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；2019/8/6132.2.3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。1.系统的外部特性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)2019/8/6142.2.3系统的基本概念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。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22()()()()cccdutdutLCRCutetdtdt0,0(),0tetut2019/8/6152.2.4被测系统的分类1.单输入/输出与多输入/输出系统2.线性系统与非线性系统线性系统满足两个基本条件：①叠加原理。②系统的响应与输入信号的作用无关。线性系统对任意输入的响应都可用傅氏变换表示。输出信号的频谱函数为线性系统具有频率保持性。测量、分析或比较线性系统在正弦信号激励下的响应，就可以对系统的各种电气特性作出全面的评价()()()YKX()()jtXextdt2019/8/6162.2.4被测系统的分类3.即时系统与动态系统即时系统（瞬时系统或无记忆系统）：系统在任何时刻t的输出都只与该时刻的输入有关；动态系统（存储系统或有记忆系统）：在时刻t的输出不仅与该时刻的输入有关，而且还与该时刻以前或以后的输入有关。记忆系统的输入输出关系是一般是微分或差分方程。4.模拟系统与数字系统模拟系统是分析和处理模拟信号的系统，数字系统是分析和处理脉冲与数字信号的系统。2019/8/6172.2.5系统的可测性与可控性系统可观测——系统的属性（事物内部自身运动的表现）能通过周围环境表现出来，也就是说，能通过外部世界观测到。系统是可控——系统（事物内部运动）能接收周围环境的影响，变更系统的运动状态。系统内部状态s1、s2、…、srx1x2xnv1v2vey1y2ym2019/8/6182.3测量方法的分类概述2.3.1直接测量与间接测量（1）直接测量——用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值。（2）间接测量——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。（3）组合测量12()(,,,)nyfxyfxxx或2019/8/6192.3.2有源参量与无源参量的测量被测对象可按有源量或无源量划分为两大类1.有源量的测量2.无源量的测量被测对象（有源量）测量系统（已知系统）响应的读出与显示信号响应被测对象（无源量）测量系统（已知系统）响应的读出与显示响应1响应2测试激励（信号源）已知信号2019/8/6202.3.2有源参量与无源参量的测量3.电子测量仪器的功能结构被测对象的有源与无源特性决定了测量系统的组成方法和功能结构信号特性参量为常见的有源量，主要包含信号的电压与功率、频率与波长、周期与时间、波形与频谱等；电压表、电流表、功率计、频率计、示波器、频谱仪、逻辑分析仪等仪器不含激励信号源。系统特性参数为常见的无源量，包括集总与分布参数系统的特性，例如，电阻、电感、电容、品质因数、阻抗、导纳、介电常数、导磁率、驻波比、反射系数、散射系数、衰减以及单位阶跃响应或单位冲激（脉冲）响应与传递函数等。RLC测试仪、阻抗分析仪、网络分析仪、频率特性测试仪（扫频仪）、晶体管特性图示仪等仪器，均包含有激励信号源。2019/8/6212.3.3集中式与分布式的多路测量1.集中式多路测试系统x1模拟复用器x2xnA/D处理器D/A模拟分路器y1y2yn执行机构或显示器多路多路2019/8/6222.3.3集中式与分布式的多路测量2.分布式多路测量系统（a）网络化测量系统（b）无线电遥测系统发射机载波调制多路测量设备传感器传感器传感器信息信息信息接收机载波调制分路设备记录处理或计算机发送端接收端PLC前端机计算机显示器智能传感器模拟I/O开关I/O数据采集站压力温度电压阻抗报答状态标准总线2019/8/6232.3.4频域、时域、数域及随机域测量1.频域测量技术：幅值和相位随频率的变化（1）正弦波点频法（2）正弦波扫频法2.时域测量技术：——幅值随时间的变化测试信号是脉冲、方波及阶跃信号3.频域测量和时域测量比较频域测量和时域测量是测量线性系统性能的两种方法，是从两个不同的角度去观测同一个被测对象，其结果应该是一致的。从理论上讲，时域函数的付里叶变换就是频域函数，而频域函数的付里叶逆变换也就是时域函数。2019/8/6242.3.4频域、时域、数域及随机域测量4.随机测量技术：测量噪声信号和使用随机信号源噪声是一种与时间因素有关的随机变量，对噪声的研究使用概率统计方法主要包括下述三个内容：（1）噪声信号统计特性的测量，如时域中的均值、均方根性，频域中的频谱密度函数、功率谱密度函数等；（2）将已知特性的噪声作激励源对被测系统进行统计性测量，研究被测系统的特性；（3）在背景噪声信号不可忽略时对信号、特别是微弱信号的精确测量。2019/8/6252.3.4频域、时域、数域及随机域测量5.数字测量技术：测量数字系统的功能和故障诊断对数字系统进行测量的基本方法是：在输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；不一致则表示系统有故障。被测电路驱动器电平比较器逻辑比较器波形合成器实效存储器图形发生器时钟发生器计算机测量结果输出测量程序输入测量系统总线参考电压LSI测试系统的简化框图2019/8/6262.3.5静态、稳态和动态测量1.静态测量与动态测量的基本概念静态测量：对不随时间变化的（静止的）物理量进行的测量动态测量：对随时间不断变化的物理量进行的测量。在电子测量中常见的动态信号有两种：①幅值随时间变化的信号：指非周期性信号、幅值瞬变或跃变信号；②频率随时间变化的信号：指正弦波扫频信号或频率瞬变的周期性信号。2019/8/6272.3.5静态、稳态和动态测量2.静态、稳态和动态测量的基本方法①静态（直流）测试技术测量原理、方法、手段最简单，测量过程不受时间限制，测量系统的输出与输入二者之间有着简单的一一对应的关系和理想的特性，而测量精度也最高。②稳态（交流）测试技术：正弦测试技术用幅值随时间按正弦规律变化的电信号（最简单的周期性信号）作被测系统的激励，然后观测在此激励下的输出响应，以频率为变量对被测线性系统进行测量。正弦测试技术可以测线性系统的稳态参数，线性系统的稳态参量是指系统的阻抗、增益或损耗、相移、群延迟和非线性失真度，以及这些参量随频率变化的情况2019/8/6282.3.5静态、稳态和动态测量③动态（脉冲）测试技术，自然界存在大量瞬变冲激的物理现象，