电子测量与仪器第三版.ppt
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1、电子测量技术电子测量技术陈勐勐陈勐勐上课教材:上课教材:电子工业出版社,陈尚松等,电子测量与仪器第三版具体课时安排:具体课时安排:3030学时理论学时理论 +12+12学时实验学时实验v考核办法:平时实验20%、作业与出勤等20%、理论考试60%v理论考试内容:作业60%、课堂重点强调的内容20%、课堂未强调内容10%、实验知识10%注:以上内容稍加改动即为试题v考试形式:闭卷本课程的任务v掌握通用电子测量技术的基本测量原理和测量方法v具备一定的误差理论知识和数据处理能力v了解通用电子测量仪器的技术性能v理解基本电信号参数、电路元器件参数的概念和基本测量方法v熟悉现代电子测量技术中的智能仪器、
2、虚拟仪器、合成仪器第1章 绪 论 1.1 1.1 测量概述测量概述1.2 1.2 电子测量仪器概述电子测量仪器概述 1.3 1.3 计量的基本概念计量的基本概念1.4 1.4 电子测量仪器的发展概况电子测量仪器的发展概况 1.5 1.5 本课程任务本课程任务 测量 是人类认识和改造世界的一种重要手段。对客观事物的认识过程中,需要进行定性分析 定量研究,定量就需要进行测量。1.1 测量概述测量测量的定义 测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。测量技术测量技术获取信息获取信息通信技术通信技术传递信息传递信息 计算机技术计算机技术处理信息处理信息被称为信息社会三大支柱被称为信息社会三大支柱测
3、量是信息的源头技术测量是信息的源头技术 (测控技术,先要测,才能控)(测控技术,先要测,才能控)测量水平的高低可以反映出一个国家科学技术发展的状况。测量水平的高低可以反映出一个国家科学技术发展的状况。提高测量水平,实现测量手段的现代化,是实现科学技术和生产提高测量水平,实现测量手段的现代化,是实现科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。现代化的重要条件和明显标志。1.1 测量概述测量的意义测量的意义v日常生活中处处离不开测量v科学的进步和发展离不开测量,离开测量就不会有真正的科学。没有望远镜就没有天没有望远镜就没有天文学,没有显微镜就文学,没有显微镜就没有细胞学,没有指没有细胞学,没有指南针
4、就没有航海事业南针就没有航海事业 测量的意义1.1 测量概述测量的意义著名科学家著名科学家著名科学家著名科学家钱学森钱学森钱学森钱学森院士明确指出:院士明确指出:院士明确指出:院士明确指出:信息技术包括测量技术、计算机信息技术包括测量技术、计算机信息技术包括测量技术、计算机信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术对信技术和通信技术。测量技术对信技术和通信技术。测量技术对信技术和通信技术。测量技术对信息进行采集和处理,是信息技术息进行采集和处理,是信息技术息进行采集和处理,是信息技术息进行采集和处理,是信息技术的源头,是关键中的关键。的源头,是关键中的关键。的源头,是关键中的关键。的
5、源头,是关键中的关键。”王大珩王大珩王大珩王大珩院士说:院士说:院士说:院士说:“计量测试和仪器仪表技术就是信息技术计量测试和仪器仪表技术就是信息技术计量测试和仪器仪表技术就是信息技术计量测试和仪器仪表技术就是信息技术的组成部分,而且是不可或缺的重要组成的组成部分,而且是不可或缺的重要组成的组成部分,而且是不可或缺的重要组成的组成部分,而且是不可或缺的重要组成部分部分部分部分”。作为对信息进行采集、测量、处。作为对信息进行采集、测量、处。作为对信息进行采集、测量、处。作为对信息进行采集、测量、处理和控制的重要基础手段和设备,广泛应理和控制的重要基础手段和设备,广泛应理和控制的重要基础手段和设备
6、,广泛应理和控制的重要基础手段和设备,广泛应用于国民经济各行各业。用于国民经济各行各业。用于国民经济各行各业。用于国民经济各行各业。”两弹一星元勋王大珩两弹一星元勋王大珩 中国科学院院士,中国工程院院士。我国现代光学技术及光中国科学院院士,中国工程院院士。我国现代光学技术及光学工程的开拓者和奠基人之一。学工程的开拓者和奠基人之一。19991999年荣获年荣获“两弹一星功勋奖章两弹一星功勋奖章”。v根据测量结果的方法分类 1)直接测量v在仪器上直接获得测量结果并进行读数,称为直接测量。v如用频率计测量频率。2)间接测量v在这种测量中,是测量一个与被测量有着某种函数关系的量,再利用函数关系计算出被
7、测量。v如测量放大电路的集电极电流,我们可以测量发射极上电阻的电压,再通过部分电路的欧姆定律计算出集电极电流。1.1 测量概述测量方法3).组合测量法v在测量中被测量值不能一次得出结果,需要通过测量几个未知量,然后通过被测量与这几个未知量之间的方程组求解,得到被测量的结果。v例如,在电阻与温度的关系式:Rt=R201+(t-20)+(t-20)2中的和测定。可以方程求解vRt1=R201+(t1-20)+(t1-20)2vRt2=R201+(t2-20)+(t2-20)2v 解出和的这些测量结果。1.1 测量概述测量方法v按获得读数的方法分类按获得读数的方法分类1 1).直读法直读法v 用能够
8、用能够直接指示或显示直接指示或显示被测参数的电子仪器进被测参数的电子仪器进行测量称为直读法。行测量称为直读法。v例如,用电压表测量电压,指针的偏转位置反映了例如,用电压表测量电压,指针的偏转位置反映了被测电压的大小,我们可以直读电压值。被测电压的大小,我们可以直读电压值。1.1 测量概述测量方法 2 2).比较法比较法v用被测量和已知量进行比较而得到测量参数的方法。用被测量和已知量进行比较而得到测量参数的方法。它有下面几种:它有下面几种:v替代法替代法v在仪器上用已知量的在仪器上用已知量的标准元件代替未知的被测元件,标准元件代替未知的被测元件,如果两如果两次测量仪器的读数相同,则未知量等于已知
9、量。如利用次测量仪器的读数相同,则未知量等于已知量。如利用Q Q表表测量电感量。测量电感量。v差值法差值法v仪器测量的读数是未知量和标准已知量的差值。仪器测量的读数是未知量和标准已知量的差值。1.1 测量概述测量方法电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。电子测量是测量领域的主要组成部分。电子测量是测量领域的主要组成部分。(二次表二次表)电子测量仪器传感器电电 量量非电量非电量(一次表一次表)1.2 电子测量概述电子测量的内容电子测量的内容广义讲:凡是利用了电子技术进行的测量广义讲:凡是利用了电子技术进行的测量 电子测量的基础:电子测
10、量的基础:频率、时间、电压、相位、阻抗频率、时间、电压、相位、阻抗狭义讲狭义讲:在电子学中有关电量的量值:在电子学中有关电量的量值 1.2 电子测量概述狭义电子测量的内容主要包括:狭义电子测量的内容主要包括:(1 1)能量的测量)能量的测量能量的测量指的是对电流、电压、功率、电场强度等参量能量的测量指的是对电流、电压、功率、电场强度等参量的测量。的测量。(2 2)电路参数的测量)电路参数的测量电路参数的测量指的是对电阻、电感、电容、阻抗、品质电路参数的测量指的是对电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、损耗率等参量的测量。因数、损耗率等参量的测量。(3 3)信号特性的测量)信号特性的测量信号特性的测
11、量指的是对频率、周期、时间、相位、调制信号特性的测量指的是对频率、周期、时间、相位、调制系数、失真度等参量的测量。系数、失真度等参量的测量。(4 4)电子设备性能的测量)电子设备性能的测量电子设备性能的测量指的是对通频带、选择性、放大倍数、电子设备性能的测量指的是对通频带、选择性、放大倍数、衰减量、灵敏度、信噪比等参量的测量。衰减量、灵敏度、信噪比等参量的测量。(5 5)特性曲线的测量)特性曲线的测量特性曲线的测量指的是对幅频特性、相频特性、器件特性特性曲线的测量指的是对幅频特性、相频特性、器件特性等特性曲线的测量。等特性曲线的测量。1.2 电子测量概述上述各种参量中上述各种参量中频率、时间、
12、电压、相位、阻抗等是基本参量,其他的为派生参量,基本参量的测量是派生参量测量的基础。电压测量是最基本、最重要的测量内容1.2 电子测量概述电子测量的特点电子测量的特点(1 1)测量频率范围宽。)测量频率范围宽。被测信号的频率范围除测量直流外,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测量交流信号的频率范围低至1010-6-6HzHz以下,高至以下,高至THzTHz(1THz=101THz=101212HzHz)(2 2)量程范围宽。)量程范围宽。如数字万用表对电压测量由纳伏(如数字万用表对电压测量由纳伏(nVnV)级至千伏(级至千伏(kVkV)级电压,量程达)级电压,量程达12
13、12个数量级个数量级 (3 3)测量准确度高。)测量准确度高。例如,用电子测量方法对频率和时间进例如,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测量准确度达到1010-13-131010-14-14的数量级。的数量级。(4 4)测量速度快。)测量速度快。因为电子测量是通过电子运动和电磁波传因为电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作播进行工作 (5 5)易于实现遥测)易于实现遥测 :遥测,遥控:遥测,遥控(6 6)易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化)易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能
14、化1.2 电子测量概述利用电子技术实现测量的仪表设备,统称为电子测量仪器。利用电子技术实现测量的仪表设备,统称为电子测量仪器。电子测量仪器的电子测量仪器的功能功能:2.2.信号处理与传输信号处理与传输功能:信号调理、模功能:信号调理、模/数、抗干扰、压缩、有数、抗干扰、压缩、有 线或无线传输线或无线传输3.3.显示显示功能:指针在仪表度盘;数码管、液晶或阴极射线管显示功能:指针在仪表度盘;数码管、液晶或阴极射线管显示 测量结果。测量结果。1.1.转换转换功能:电量功能:电量(功率、电流、电阻功率、电流、电阻)电压;非电量电压;非电量电量电量 (电压)(电压)此外,一些先进的仪器,如智能仪器等,
15、还具有数据记录、此外,一些先进的仪器,如智能仪器等,还具有数据记录、处理处理 及自检、自校、报警提示等功能。及自检、自校、报警提示等功能。1.2 电子测量仪器概述电子测量仪器的分类电子测量仪器的分类 按照被测量的特性,电子测量仪器可分为以下几类:按照被测量的特性,电子测量仪器可分为以下几类:1.1.时域测量时域测量 也叫瞬态测量,主要测量被测量的对象随时间变化的规律。也叫瞬态测量,主要测量被测量的对象随时间变化的规律。例如:电压、电流等电参量的瞬时值例如:电压、电流等电参量的瞬时值tu时域(示波器)时域(示波器)1.2 电子测量仪器概述2 2、频域测量、频域测量 又称稳态测量,主要测量测量对象
16、与频率之间的关系。(频谱、又称稳态测量,主要测量测量对象与频率之间的关系。(频谱、功率谱、相位噪声等)功率谱、相位噪声等)例如:放大器的增益、相移等例如:放大器的增益、相移等 f频域(频谱仪)频域(频谱仪)f0u1.2 电子测量仪器概述3 3 数据域数据域-二进制数据流二进制数据流 逻辑分析仪逻辑分析仪 逻辑定时分析仪逻辑定时分析仪 逻辑状态分析仪逻辑状态分析仪 1 0 1 1 0 0 1 01 0 1 1 0 0 1 0 4 4 随机域随机域-噪声、干扰噪声、干扰 5 5 元器件、网络元器件、网络 元件(无源)元件(无源)-R-R、L L、C C、Y Y、Q Q 器件(有源)器件(有源)-半
17、导体器件半导体器件 网络(有网络(有/无源)无源)-传输特性、频率特性等传输特性、频率特性等 1.2 电子测量仪器概述电子测量仪器的主要性能指标u1.精度 测量准确度又称测量精度,它是指测量仪器的读数或测量结果与被测量真值相一致的程度。对精度目前还没有一个公认的、定量的数学表达式,因此常作为一个笼统的概念来使用。包括三个方面:不精密、不正确不精密、不正确 正确欠精密正确欠精密 精密不正确精密不正确 精密正确精密正确1.2 电子测量仪器概述u2.2.稳定性稳定性:稳定性是指在规定的时间区间,其他外界条件恒定不变的情况下,保证仪器示值不变的能力。例例 ,某数字电压表的稳定度为,某数字电压表的稳定度
18、为:(0.008%Um+0.003%Ux)/8h0.008%Um+0.003%Ux)/8h其含义为:其含义为:外界条件不变情况下,在外界条件不变情况下,在8 8小时内,测量同一电压,电压表小时内,测量同一电压,电压表示值在(示值在(0.008%Um+0.003%Ux)0.008%Um+0.003%Ux)范围波动。范围波动。其中:其中:UmUm为电压表相应量程的满度值,为电压表相应量程的满度值,UxUx为示值为示值 1.2 电子测量仪器概述u3 3,输入阻抗,输入阻抗:测量仪表的输入阻抗对测量结果会产生一定的影响。例,某示波器输入阻抗例,某示波器输入阻抗Ri=10M,Ci35pfRi=10M,C
19、i35pf 1.2 电子测量仪器概述u4 4,灵敏度,灵敏度:灵敏度表示测量仪表对被测量变化的敏感程度,一般定义为测量仪表指示值(指针的偏转角度、数码的变化、位移的大小等)增量y与被测量增量x之比。灵敏度的另一种表述方式叫作分辨力或分辨率,是指测量仪表所能区分的被测量变化的最小值,在数字式仪表中经常使用,同一仪器不同量程的分辨率不同。灵敏度灵敏度=指示量增值指示量增值/被测量增值被测量增值 偏转因数(示波器)偏转因数(示波器)=偏转灵敏度的偏转灵敏度的 倒数,单位:倒数,单位:mv/div mv/div。请思考请思考3mv/div 3mv/div 的含义。的含义。分辨率:测量仪表所能区分的被测
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