电子电路测量技术的基本知识

第一部分：电子技术基础实验的基本知识1．1电子电路测量技术的基本知识一、要点提示1、电子技术基础实验的目的和意义2、电子技术基础实验的一般要求3、误差分析与测量结果的处理4、测量仪器的阻抗对测量的影响5、接地、电源接地二、内容简介1.1.1电子技术基础实验的目的和意义实验是将事物置于控制的或特定的条件下加以观测。是对事物发展规律进行科学认识的必要环节，是科学理论的源泉，自然科学的根本，工程技术的基础。任何科学技术的发展都离不开实验。电子技术是一门实践性很强的学科，它的任务是使学生获得电子技术方面的基础理论、基础知识和基本技能。加强实验训练特别是技能的训练，对提高学生分析问题和解决问题的能力，特别是毕业后的实际工作能力，具有十分重要的意义。电子技术是一门飞速发展的学科，市场经济需要的是具有一定实际工作能力的复合型人才，而实验教学在培养学生诸能力方面有一定的优势。在实验过程中，通过分析、验证器件和电路的工作原理及功能；对电路进行分析、调试、故障排除和性能指标的测量；自行设计、制作各种功能的实际电路等多方面的系统训练，可以使学生的各种实验技能得以提高，实际工作能力也得到了锻炼。同时，学生的创造性思维能力、观测能力、表达能力、动手能力、查阅文献资料的能力等综合素质也得到了提高。此外，通过实验还可以培养学生勤奋进取、严肃认真、理论联系实际的务实作风和为科学事业奋斗的精神。电子技术实验，按性质可分为验证性实验、训练性实验、综合性实验和设计性实验四大类。验证性实验和训练性实验是针对于电子技术基础理论而设置的，通过实验获得感性认识。验证和巩固重要的基础理论，同时使学生掌握测量仪器的工作原理和规范使用，熟悉常用元器件的原理和性能，掌握其参数的测量方法和元器件的使用方法，掌握基本实验知识、基本实验方法和基本实验技能。同时，培养学生一定的安装、调试、分析、寻找故障等技能。综合性实验侧重于对一些理论知识的综合应用和实验的综合分析，其目的是培养学生综合应用理论知识能力和解决较复杂的实际问题的能力，包括实验理论的系统性、实验方案的完整性、可行性、元器件及测量仪器的综合应用等。设计性实验对学生来说，既有综合性又有探索性。它主要侧重于某些理论知识的灵活应用。要求学生在教师的指导下独立查阅资料、设计方案与组合实验等工作，并写出试验报告。借助于计算机仿真实验，可以使实验方案更加完善、合理。这类实验对提高学生的科学实验能力等方面非常有益。1.1.2电子技术基础实验的一般要求尽管每个电子技术实验的目的和内容不同，但为了培养良好的学风，充分发挥学生的主动精神，促使其独立思考、独立完成实验并有所创新。我们对电子技术实验的准备阶段、进行阶段、完成阶段和实验报告分别提出下列基本要求。一、实验前准备为了避免盲目性，参加实验者应对实验内容进行预习。通过预习，明确实验目的和要求，掌握实验的基本原理，看懂实验电路图，查阅有关资料，拟出实验方法和步骤，设计实验表格，对思考题作出解答，初步估算（或分析）实验结果，最后做出预习报告。二、实验进行①参加实验者要自觉遵守实验室规则。②根据实验内容合理布置实验现场。仪器设备和实验装置安放要适当。检查所用器件和仪器是否完好，然后按实验方案搭接实验电路和测试电路。并认真检查，确保无误后方可通电测试。③认真记录实验条件和所得资料、波形（并进行分析判断所得资料、波形是否正确）。发生故障应独立思考，耐心寻找故障原因并排除，记录排除故障的过程和方法。④仔细申阅实验内容及要求，确保实验内容完整，测量结果准确无误，现象合理。⑤实验中若发生异常现象，应立即切断电源，并报请指导教师和实验室有关人员，等候处理。三、实验完成必须实验报告是对实验工作的全面总结。学生做完实验后用简明的形式将实验结果和实验情况完整地和真实地表达出来。1.验报告的内容实验报告应包括以下几个部分：①实验的目的和要求。②实验电路、测试电路和实验的工作原理。③实验用的仪器、主要工具。④实验的具体步骤、实验原始数据及实验过程的详细情况记录。⑤实验结果和分析。必要时，应对实验结果进行误差分析。⑥实验小结。实验小结即总结实验完成情况，对实验方案和实验结果进行讨论，对实验中遇到的问题进行分析，简单叙述实验的收获和体会。⑦参考资料。记录实验前、后阅读的有关资料。应记录资料的名称、作者和简单内容。为今后查阅提供方便。２．实验报告的基本要求实验报告的基本要求是：结论正确、分析合理、讨论深入、文理通顺、简明扼要、符号标准、字迹端正、图表清晰。在实验报告上还应注明：课题、实验者、实验日期、使用仪器编号等内容。1.1.3误差分析与测量结果的处理在科学实验与生产实践的过程中，为了获取表征被研究对象的特征的定量信息，必须准确地进行测量。在测量过程中，由于各种原因，测量结果和待测量的客观真值之间总存在一定差别，即测量误差。因此，分析误差产生的原因，如何采取措施减少误差，使测量结果更加准确，对实验人员及科技工作者来说是必须了解和掌握的。一、差的来源与分类1．测量误差的来源测量误差的来源主要有以下几个方面：（1）仪器误差仪器误差是指测量仪器本身的电气或机械等性能不完善所造成的误差。显然，消除仪器误差的方法是配备性能优良的仪器并定时对测量仪器进行校准。（2）使用误差也称操作误差指测量过程中因操作不当而引起的误差。减小使用误差的办法是测量前详细阅读仪器的使用说明书，严格遵守操作规程，提高实验技巧和对各种仪器和操作能力。例如：万用表表盘上的符号：⊥；∏；∠60o分别表示万用表垂直位置使用；水平位置使用；与水平面倾斜成60o使用。使用时应按规定放置万用表，否则会带来误差，至于用欧姆档测电阻前不调零所带来的误差，更是显而易见的。（3）方法误差又称理论误差它是指由于使用的测量方法不完善、理论依据不严密、对某些经典测量方法作了不适当的修改简化所产生的，即凡是在测量结果的表达式中没有得到反映的因素，而实际上这些因素在测量过程中又起到一定的作用所引起的误差。例如，用伏安法测电阻时，若直接以电压表示值与电流表示值之比作测量结果，而不计电表本身内阻的影响，就会引起误差。２．测量误差的分类测量误差按性质和特点可分为系统误差、随机误差和疏失误差三大类。（1）系统误差是指在相同条件下重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。系统误差一般可通过实验或分析方法，查明其变化规律及产生原因后，可以减少或消除。电子技术实验中系统误差常来源于测量仪器的调整不当和使用方法不当所致。(2)随机误差（偶然误差）在相同条件下多次重复测量同一量时，误差大小和符号无规律的变化的误差称为随机误差。随机误差不能用实验方法消除。但从随机误差的统计规律中可了解它的分布特性，并能对其大小及测量结果的可靠性作出估计，或通过多次重复测量，然后取其中算术平均值来达到目的。(3)粗差这是一种过失误差。这种误差是由于测量者对仪器不了解、粗心，导致读数不正确而引起的，测量条件的突然变化也会引起粗差。含有粗差的测量值称为坏值或异常值。必须根据统计检验方法的某些准则去判断哪个测量值是坏值，然后去除。二、误差的表示方法误差可以用绝对误差和相对误差来表示。1．绝对误差设被测量量的真值为Ａo，测量仪器的示值为X，则绝对值为△X＝X－Ａo在某一时间及空间条件下，被测量量的真值虽然是客观存在的，但一般无法测得，只能尽量逼近它。故常用高一级标准测量仪器的测量值Ａ代替真值Ａo，则△X＝X－Ａ在测量前，测量仪器应由高一级标准仪器进行校正，校正量常用修正值C表示。对于被测量量，高一级标准仪器的示值减去测量仪器的示值所得的差值，就是修正值。实际上，修正值就是绝对误差，只是符号相反C＝－△X＝Ａ－X利用修正值便可得该仪器所测量的实际值A＝X＋C例如，用电压表测量电压时，电压表的示值为1.1V，通过鉴定得出其修正值为－0.01V。则被测电压的真值为A＝1.1＋（－0.01）＝1.09V修正值给出的方式可以是曲线、公式或数表。对于自动测验仪器，修正值则预先编制成有关程序，存于仪器中，测量时对误差进行自动修正，所得结果便是实际值。２．相对误差绝对误差值的大小往往不能确切地反映出被测量量的准确程度。例如，测100V电压时，△X1＝＋2V，在测10V电压时，△X2＝＝０.5Ｖ，虽然△X1＞△X2，可实际△X1只占被测量量的２％，而△X2却占被测量的5％。显然，后者的误差对测量结果的影响相对较大。因此，工程上常采用相对误差来比较测量结果的准确程度。相对误差又分为实际相对误差、示值相对误差和引用（或满度）相对误差。（1）实际相对误差；是用绝对误差△X与被测量的实际值A的比值的百分数来表示的相对误差，记为（2）示值相对误差；是用绝对误差△X与仪器给出值X的百分数来表示的相对误差，即（3）引用（或满度）相对误差；是用绝对误差△X与仪器的满刻度值Xm之比的百分数来表示的相对误差，即电工仪表的准确度等级就是由决定的，如1.5级的电表，表明≤±1.5％。我国电工仪表按值共分七级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。若某仪表的等级是S级，它的满刻度值为Xm，则测量的绝对误差为△X≤Xm×S％其示值相对误差为在上式中，总是满足X≤Xm的，可见当仪表等级S选定后，X愈接近Xm时，的上限值愈小，测量愈准确。因此，当我们使用这类仪表进行测量时，一般应使被测量的值尽可能在仪表满刻度值的二分之一以上。二、测量结果的处理测量结果通常用数字或图形表示。下面分别进行讨论。1.测量结果的数据处理（1）有效数字由于存在误差，所以测量资料总是近似值，它通常由可靠数字和欠准数字两部分组成。例如，由电流表测得电流为12.6mA，这是个近似数，12是可靠数字，而末位6为欠准数字，即12.6为三位有效数字。有效数字对测量结果的科学表述极为重要。对有效数字的正确表示，应注意以下几点：①与计量单位有关的0不是有效数字，例如，0.054A与54mA这两种写法均为两位有效数字。②小数点后面的0不能随意省略，例如，18mA与18.00mA是有区别的，前者为两位有效数字，后者则是四位有效数字。③对后面带0的大数目数字，不同写法其有效数字位数是不同的，例如，3000如写成30×102，则成为两位有效数字；若写成3×103，则成为一位有效数字；如写成3000±1，就是四位有效数字。④如已知误差，则有效数字的位数应与误差所在位相一致，即：有效数字的最后一位数应与误差所在位对齐。如；仪表误差为±0.02V，测得数为3.2832V，其结果应写作3.28V。因为小数点后面第二位8所在位已经产生了误差，所以从小数点后面第三位开始后面的32已经没有意义了，写结果时应舍去。⑤当给出的误差有单位时，则测量资料的写法应与其一致。如：频率计的测量误差为±数kHz，其测得某信号的的频率为7100kHz，可写成7.100MHz和7100×103Hz，若写成7100000或7.1MHz是不行的。因为后者的有效数字与仪器的测量误差不一致。]（2）数据舍入规则为了使正、负舍入误差出现的机会大致相等，现已广泛采用小于5舍，大于5入，等于5时取偶数的舍入规则。即①若保留n位有效数字，当后面的数值小于第n位的0.5单位就舍去；②若保留n位有效数字，当后面的数值大于第n位的0.5单位就在第n位数字上加1；③若保留n位有效数字，当后面的数值恰为第n位的0.5单位，则当第n位数字为偶数（0，2，4，6，8）时应舍去后面的数字（即末位不变），当第n位数字为奇数（1，3，5，7，9）时，第n位数字应加1（即将末位凑成为偶数）。这样，由于舍入概率相同，当舍入次数足够多时，舍入的误差就会抵消。同时，这种舍入规则，使有效数字的尾数为偶数的机会增多，能被除尽的机会比奇数多，有利于准确计算。（3）有效数字的运算规则当测量结果需要进行中间运算时，有效数字的取舍，原则上取决于参与运算的各数中精度最差的那一项。一般应遵循以下规则：①当几个近似值进行加、减运算时，在各数中（采用同一计量单位），以小数点后位数最少的那一个数（如无小数点，则为有效位数最少者）为准，其余各数均舍入至比该数多一位后再进