电子测量与仪器第三版.ppt

电子测量技术,陈勐勐,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：30学时理论+12学时实验,考核办法:平时实验20%、作业与出勤等20%、理论考试60%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考试形式：闭卷,本课程的任务,掌握通用电子测量技术的基本测量原理和测量方法具备一定的误差理论知识和数据处理能力了解通用电子测量仪器的技术性能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熟悉现代电子测量技术中的智能仪器、虚拟仪器、合成仪器,第1章 绪 论,1.1 测量概述,1.2 电子测量仪器概述,1.3 计量的基本概念,1.4 电子测量仪器的发展概况,1.5 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。,测量技术获取信息,通信技术传递信息,计算机技术处理信息,被称为信息社会三大支柱,测量是信息的源头技术（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。,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。,1.1 测量概述测量的意义,测量的意义,日常生活中处处离不开测量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文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指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,著名科学家钱学森院士明确指出：,信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术对信息进行采集和处理，是信息技术的源头，是关键中的关键。”,王大珩院士说：“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部分”。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，广泛应用于国民经济各行各业。”,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学工程的开拓者和奠基人之一。1999年荣获“两弹一星功勋奖章”。,根据测量结果的方法分类 1）直接测量在仪器上直接获得测量结果并进行读数，称为直接测量。如用频率计测量频率。2）间接测量在这种测量中，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测量。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。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Rt1=R201+（t1-20）+(t1-20)2Rt2=R201+（t2-20）+(t2-20)2 解出和的这些测量结果。,1.1 测量概述测量方法,按获得读数的方法分类1）.直读法 用能够直接指示或显示被测参数的电子仪器进行测量称为直读法。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。,1.1 测量概述测量方法,2）.比较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：替代法在仪器上用已知量的标准元件代替未知的被测元件，如果两次测量仪器的读数相同，则未知量等于已知量。如利用Q表测量电感量。差值法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。,电子测量是测量领域的主要组成部分。,1.2 电子测量概述,电子测量的内容,广义讲：凡是利用了电子技术进行的测量,电子测量的基础：频率、时间、电压、相位、阻抗,狭义讲：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：（1）能量的测量能量的测量指的是对电流、电压、功率、电场强度等参量的测量。（2）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、品质因数、损耗率等参量的测量。（3）信号特性的测量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。（4）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、衰减量、灵敏度、信噪比等参量的测量。（5）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、器件特性等特性曲线的测量。,1.2 电子测量概述,上述各种参量中频率、时间、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（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10-1310-14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：遥测，遥控（6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化,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。,电子测量仪器的功能：,2.信号处理与传输功能：信号调理、模/数、抗干扰、压缩、有 线或无线传输,3.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。,1.转换功能：电量(功率、电流、电阻)电压；非电量电量（电压）,此外，一些先进的仪器，如智能仪器等，还具有数据记录、处理 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,按照被测量的特性，电子测量仪器可分为以下几类：,1.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。例如：电压、电流等电参量的瞬时值,1.2 电子测量仪器概述,2、频域测量 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）例如：放大器的增益、相移等,1.2 电子测量仪器概述,3 数据域-二进制数据流,逻辑分析仪,逻辑定时分析仪,逻辑状态分析仪,1 0 1 1 0 0 1 0,4 随机域-噪声、干扰,5 元器件、网络,元件（无源）-R、L、C、Y、Q,器件（有源）-半导体器件,网络（有/无源）-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1.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 正确欠精密 精密不正确 精密正确,1.2 电子测量仪器概述,2.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，某数字电压表的稳定度为:（0.008%Um+0.003%Ux)/8h其含义为：外界条件不变情况下，在8小时内，测量同一电压，电压表示值在（0.008%Um+0.003%Ux)范围波动。其中：Um为电压表相应量程的满度值，Ux为示值,1.2 电子测量仪器概述,3，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Ri=10M,Ci35pf,1.2 电子测量仪器概述,4，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=指示量增值/被测量增值 偏转因数（示波器）=偏转灵敏度的 倒数，单位：mv/div。请思考3mv/div 的含义。分辨率：测量仪表所能区分的被测量的最小变化量。请思考数字电压表分辨率为1V的含义。,1.2 电子测量仪器概述,5，线性度:线性度是测量仪表输入/输出特性之一，表示仪表的输出量(示值)随输入量(被测量)变化的规律。,1.2 电子测量仪器概述,6，频率范围:频率范围是指保证测量仪器其他指标正常工作的有效频率范围,1.2 电子测量仪器概述,1.3 计量的基本概念,术语：,测量（Measurement）-确定量值（数据/单位）的实验过程,测试（Test）“测评”性测量,界定较模糊。,检测-监控性的测量（只要不超出允许的误差范围则认为合格）,没有测量，就谈不上计量；没有计量，测量则失去价值。,单位和单位制,根据定义而令系数为1的量称为单位。单位是表征测量结果的重要组成部分，又是对两个同类量值进行比较的基础。1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。1984年2月国务院颁布了中华人民共和国法定计量单位，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。SI有7个基本单位,1.3 计量的基本概念,基准与传递,比对-同级仪表比较一致性。,校准-高级仪表校准低级仪表。,检定-法定计量部门评定低一等级仪表是否合格。,国际单位制（SI）的组成国际单位制基本单位,1.3 计量的基本概念,国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成。国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。例：5.4X10-9s=5.4ns,1.3 计量的基本概念,1.3 测量结果,测量结果测量数值.测量单位，即：,计量基准和标准,1.基准基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。(1)一级基准，又称主基准和国家基准具有最高水平的基准。一个国家只有一个。(2)二级基准，又称副基准副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对(3)三级基准，又称工作基准工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的精确度。,1.3 计量的基本概念,2.标准根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量具或仪器，简称标准。计量标准的准确度等级在工作基准之下，工作计量器具之上。按精度高低又分为一级标准、二级标准和三级标准。通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定，确定其量值的精确度大小。除标准器具外，还有标准物质。,1.3 计量的基本概念,3.几个术语（1）计量器具：凡是能用以直接或间接测出被测对象量值的量具、计量仪器和计量装置都统称为计量器具。计量器具按作用可分为计量基准、计量标准和工作计量器具三类。（2）计量标准器具：准确度低于计量基准，用于检定计量标准或工作计量器具的计量器具。（3）工作计量器具：工作岗位上使用，不用于进行量值传递，而是直接用来测量被测对象量值的计量器具。,1.3 计量的基本概念,（4）比对：在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。（5）检定：是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确度为被检者的1/3到1/10。（6）校准：校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较，以确定被校计量器具的示值误差（有时也包括确定被校器具的其他计量性能）的全部工作。（7）量值的传递：指一个物理量单位通过各级基准、标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器、量具，以保证量值统一的全过程。,1.3 计量的基本概念,千克原器模型,原件在巴黎国际计量局地下室,米原器模型,原件在巴黎国际计量局地下室,电子测量仪器的发展传统仪器现代仪器智能仪器虚拟仪器,模拟式仪表,数字式仪表,智能化仪表,虚拟仪器,1.4 电子测量仪器的发展,1.4 电子测量仪器的发展,传统仪器,模拟仪器,数字化仪器,指针式三用表,示波器,数码显示仪表,现代仪器,1.4 电子测量仪器的发展,智能仪器(计算机嵌入仪器),通常人们把内含微处理器和GPIB接口的仪器称为智能仪器,测试模块或信号源,智能仪器,自动测试系统,1.4 电子测量仪器的发展,GPIB（General-Purpose Interface Bus）-通用接口总线，是一种工程控制用的协议。最初由HP公司提出，目前成为一种国际标准，遵守的协议为IEEE488。一般被用来使用任何编程语言如VB、Vc、C+实现电脑对仪器的控制。当然也有某些仪器制造商自己开发的语言支持GPIB。如keithley公司使用的testpoint，NI公司的labview等。实现这种控制首先要被控仪器支持GPIB，其次，工控机安装IEEE488卡，并通过gpib线连接两个设备。GPIB比串口控制提高了传输速率和同时支持的设备总数。但是目前已经被传输速率更快支持设备总数更多的lan接口替代。,1.4 电子测量仪器的发展,IEEE-488 总线是并行总线接口标准。IEEE-488总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20米，信号传输速度一般为500KB/s，最大传输速度为1MB/s。,1.4 电子测量仪器的发展,虚拟仪器（仪器融入计算机）,VI，Virtual Instruments是检测技术与计算机技术和通信技术有机结合的产物。它是美国国家仪器（NI，National Instruments）公司于1981年提出的个人仪器（Personal Computer Instrument）的基础上发展起来的。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台真实的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念。,1.4 电子测量仪器的发展,D/A-由软件产生测试信号,A/D-采集测量数据,1 数字电压表 峰值-搜索正负最大值 均值 有效值-2 存储示波器3 频谱仪,虚拟仪器 举例,1.4 电子测量仪器的发展,虚拟仪器的构成方式,1.4 电子测量仪器的发展,未来自动测试系统结构（合成仪器）,1.4 电子测量仪器的发展,常用实验仪器,1.5 本课程任务,第二部分测量总论及误差理论，介绍测量的基本概念、技术方法及系统组成，误差理论和数据处理等。第三部分信号发生器，信号、模拟、合成、射频合成等多种类型的信号发生器。第四部分时域测量，以示波器为背景介绍时域信号波形的采集、显示及应用技术。第五部分频域测量，重点讨论频域中的信号频谱和网络性能的测量，介绍测量激励信号源的基本工作原理。第六部分数域测量，介绍数字系统的基本测量原理和方法，包括数字信号的产生、逻辑分析、可测性设计及数字系统测试的典型实例。第七部分测量系统集成，阐述组建测量系统的硬件平台、软件平台、总线标准、通信技术等。,1.31.61.8,作业,