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发布时间:2020-07-15 16:06:03

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作者:杨亚平

出版社:电子工业出版社

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电子测量仪器及应用

电子测量仪器及应用试读:

前言

。杨亚平 主编刘亚川 参编杨展 参编张帆 责任编辑张帆 其他贡献者孙焱津 封面设计前言

随着电子信息产业的发展,各种电子测量仪器的应用越来越广泛。在电子产品的研制、生产、调试和维修过程中,都离不开各种电子测量仪器。学习电子测量仪器的基本知识、掌握电子测量仪器的操作方法、熟练使用各种电子测量仪器来进行相关工程测量与测试,对于电子技术应用及相关专业的学生来说都是非常重要的。

本教材以培养应用型人才为目标,突出职业教育的特点,紧密结合电子测量工程实践进行教学。在选材上注重系统性、综合性、实用性和先进性;对专业基础知识以够用为止,加大技能实训比重,并从多方面反映电子测量仪器的新发展。在形式上采用项目教学和任务驱动法的编写模式,将电子测量仪器基础知识、常用仪器介绍和测量应用实训融为一体,紧紧围绕完成实训任务的需要选择教学内容,将全部教学活动分成若干个项目,以项目为单位组织教学,使学生在学习电子测量仪器基础知识的同时,掌握电子测量仪器的实际应用,以提高学生的实践操作技能,培养学生的综合职业能力。

本教材以常用电子测量仪器及其主要应用为主线,讲述了电子测量仪器的工作原理、操作使用方法和测量应用实训。全书共分为9个项目,内容包括电子测量与仪器基础知识,电压测量仪器及应用,信号发生器及应用,电子示波器及应用,电子计数器及应用,频域测量仪器及应用,电子元器件测量仪器及应用,智能仪器与自动测量技术,虚拟仪器技术及应用等内容。每个项目中都有结合实际测量应用的多项实训,使读者在学完本书后,能熟练使用各种电子测量仪器进行相关测量与测试工作。

本教材由杨亚平老师担任主编,并编写项目1、3、4、6、7;项目8、9由刘亚川老师编写;项目2、5由杨展老师编写。在本教材的编写过程中,参阅了大量有关著作和文献资料,并得到了多位老师的帮助,在此向他们表示真诚的感谢。由于编者水平有限,书中难免存在缺点和错误之处,敬请使用本书的师生及读者批评指正。

为了方便教师教学,本书还配有教学指南、电子教案和习题答案(电子版)。请有此需要的教师登录华信教育资源网(www.hxedu.com.cn)免费注册后再进行下载,有问题请在网站留言板留言或与电子工业出版社联系(E-mail:hxedu@phei.com.cn)。

编者

2013年2月

项目1 电子测量仪器基础知识

本项目任务目标

1.学习电子测量的基本知识:应了解电子测量的内容、特点和基本方法。

2.学习测量误差的基本知识:应了解测量误差的分类、来源和表示方法。

3.学习测量结果的数据处理:应了解有效数字的概念、舍入规则和运算规则。

4.学习电子测量仪器的基本知识:应了解电子测量仪器的分类、误差和技术指标。

5.进行误差计算和数据处理实训:通过训练掌握误差计算和数据处理的基本技能。

任务1 知识引领——电子测量的基本知识

知识1.1 电子测量及内容

测量是以确定被测量值为目的的工作过程。在这一过程中需要借助专门的设备,将被测量与选作单位的同类标准量进行比较,从而取得用数值和单位共同表示的测量结果。

电子测量是测量学的一个重要分支,在电子测量过程中,以电子技术理论为依据,以电子测量仪器为手段,对各种电量、电信号、电路特性和元器件参数进行测量,还可以通过传感器对各种非电量进行测量,电子测量主要包括以下内容。

1.电能量测量

电能量测量包括各种电量的电压、电流、电功率、电场强度等的测量。

2.电信号特性测量

电信号特性测量包括信号的频率、周期、相位、频谱、失真度、调制度、信噪比、逻辑状态等的测量。

3.元器件参数测量

元器件参数测量包括电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、集成电路等元器件的参数测量。

4.电路性能测量

电路性能测量包括增益、衰减、灵敏度、通频带、频率特性、噪声系数等性能的测量。

5.特性曲线显示测量

特性曲线显示测量包括信号的波形、频谱、逻辑关系;电路或系统的幅频特性曲线;元器件参数的特性曲线等的显示测量。知识1.2 电子测量的特点

电子测量技术与电子测量仪器的应用非常广泛,与其他测量方法和测量仪器相比有着无法比拟的众多优点,其主要特点如下。

1.频率范围宽

在电子测量中对电信号的测量,其频率覆盖范围极宽,除直流外,-612可从10 ~10Hz。但不是同一台仪器能在这样宽的频率范围内工作。在不同的频率范围内,电子测量所依据的原理、采用的测量方法和使用的测量仪器也各不相同。随着电子技术的发展,单台仪器所覆盖的频率范围在不断扩大。

2.量程范围宽

量程是指测量范围的上、下限值之差。在电子测量中,被测量的1216量值大小相差很大,量程可达10~10量级,因而要求测量仪器具有足够宽的测量范围。

3.测量准确度高

电子测量的准确度比其他测量都高,但对于不同参数的测量,测量结果的准确度是不一样的,有些参数的测量准确度可以很高,而有-13些参数的测量准确度较低。其中频率和时间测量准确度可达到10量级,这是目前在测量准确度方面达到的最高指标。

4.测量速度快

由于电子测量是利用电子测量仪器完成的,因此其工作速度很高,几乎等同于电子运动和电磁波的传播速度,使得电子测量无论在测量速度,还是在测量结果的处理速度上,是其他测量方法不可比拟的。

5.便于实现遥测

电子测量可以把测量仪器或与它连接的传感器放到人类自身无法到达或不便长期停留的地方进行测量。通过传感器把现场所需测量的量转换成易于传输的电信号,用有线或无线的方式传送到测量控制中心,从而实现遥测和遥控。

6.可实现测量自动化

随着电子技术的迅速发展,特别是计算机技术的广泛应用,使电子测量仪器和设备呈现出崭新的局面。现在许多电子测量仪器都具备与外界交换信息的功能,从而可构成功能完善的自动测量系统,实现测量自动化。知识1.3 电子测量的基本方法

测量的过程实际上是一个比较的过程。测量的任务就是通过实验的方法,将被测量(未知量)与已知标准量进行比较,以获得被测量的值。一个电参数的测量,可通过不同的测量方法来实现,测量方法选择的正确与否,直接关系到测量结果的准确度,也关系到测量工作的经济性和可行性。对于各种测量方法,可从不同角度进行分类。

1.按测量手段分类

按测量手段可分为直接测量、间接测量和组合测量。(1)直接测量

不需经过任何计算,直接由测量仪器的读数获取被测量的值,这种测量方法称为直接测量。例如用电压表和电流表测量电压和电流、用欧姆表测量电阻等。直接测量的优点是测出的量值就是被测量本身的值,测量过程简单迅速,是工程测量中广泛应用的测量方法。缺点是受仪器基本误差的限制,测量准确度不高。(2)间接测量

根据被测量和其他量的函数关系,先通过直接测量得到其他量,然后按函数关系式计算出被测量的值,这种测量方法称为间接测量。例如,用伏安法测量电阻或测量电功率、用测量电阻上的电压来得到电流等。间接测量的手续较多,当被测量不便于直接测量或缺少直接测量仪器时,可以采用间接测量的方法。(3)组合测量

如果被测量与多个未知量有关,那么一次测量无法求得被测量的值,此时可通过改变测量条件进行多次测量,根据被测量与未知量的函数关系列出方程组来求解,进而得到被测量值,这种测量方法称为组合测量。组合测量的操作手续复杂,花费时间较长,多用于科学实验或一些特殊场合。

2.按测量方式分类

按测量方式分类可分为偏差式测量、零位式测量与微差式测量。(1)偏差式测量

用仪表指针偏转的大小(即偏差)来确定被测量的值,这种测量方法称为偏差式测量。例如用指针式电压表和电流表测量电压和电流等。偏差式测量仪表的刻度事先用标准器具进行分度。在测量时,按照仪表指针在标尺上的示值,读出被测量的值。偏差式测量的优点是测量过程简单迅速,是工程测量中广泛应用的测量方法,其缺点是测量准确度较低。(2)零位式测量

将被测量与已知标准量在比较仪器中进行比较,用指零仪表指示仪器的平衡状态,在指零仪表指零时,被测量与已知标准量相等,由已知标准量确定被测量的值,这种测量方法称为零位式测量。例如,用直流电桥测量电阻、用电位差计测量电动势等。零位式测量的优点是可以获得很高的测量精度,缺点是已知标准量必须连续可调,仪器造价高,测量过程用时较长,不适于测量变化较快的量。(3)微差式测量

先将被测量与同其量值只有微小差值的已知标准量进行比较,再用偏差式测量法测量此差值,由此确定被测量的值,这种测量方法称为微差式测量。设X为被测量,N为标准量,Δ为二者之差,则X=N+Δ。例如用不平衡电桥测量电阻的变化量、电压的比较测量等。微差式测量适用于被测量变化较快、变化范围相对较小的场合,其优点是不需要调整标准量,测量速度快,测量精度高,特别适用于在线实时测量。

3.按测量性质分类

按测量性质可分为时域测量、频域测量和数据域测量。(1)时域测量

时域测量用于测量交流电压、交流电流等随时间变化的量。对其稳态值、有效值,可用电压表、电流表等测量;对其瞬时值,可通过示波器观测其幅值随时间变化的关系。(2)频域测量

频域测量用于测量信号所包含的频率分量、电路或系统的频率特性。通过频域测量可得出信号的频谱曲线、电路的频率特性曲线,以分析被测量幅值与频率之间的关系。(3)数据域测量

数据域测量是指对数字量进行的测量。用具有多个输入通道的逻辑分析仪,可同时观测多位并行数据。如观测微处理器地址线、数据线上的信号,既可显示多路信号的时序波形,也可用“0”、“1”表示其逻辑状态。

任务2 知识引领——测量误差的基本知识

任何物理量必然存在一个真实的数值,这个数值称为真值。真值是在研究某物理量时在一定条件下严密定义的量值,一般来说是难以准确测量出来的。一切测量的目的都是为了尽可能准确可靠地获得真值,但由于人们对客观规律认识的局限性、测量工具的不准确、测量手段的不完善,以及测量过程中可能出现的疏忽和失误,都会使测量值与真值不同。测量值与被测量真值之差就是测量误差。知识2.1 测量误差的分类

测量误差是多种因素共同作用的结果,测量误差的产生是不可避免的,只能尽可能地减小测量误差,如果测量误差在许可范围之内,就认为测量结果是正确的。根据误差的性质和特点,测量误差可分为随机误差、系统误差和粗大误差三类。(1)随机误差

随机误差是指在对同一被测量进行多次测量过程中,绝对值和符号都以不确定方式变化的误差。每次出现的误差都是偶然的,没有复现性,因此随机误差也称偶然误差。

随机误差是由那些对测量值影响微小又互不相关的多种因素共同作用造成的,例如,电磁干扰或电源电压的频繁波动、测量仪器或电路元器件的噪声、测量人员感觉器官的偶然变化等。一次测量的随机误差没有规律,但足够多次重复测量所出现的随机误差服从统计规律,因此可采用多次测量取算术平均值的方法来消除随机误差。(2)系统误差

系统误差是指在对同一被测量进行多次测量过程中,绝对值和符号保持恒定或在条件改变时按某种确定规律变化的误差。造成系统误差的原因很多,例如,仪器标度的偏差、使用时仪器零点未调准、环境条件的变化、测量方法不当等造成的误差。

系统误差的特点是,测量条件一经确定,误差即为一确定数值,用多次测量取平均值的方法不能改变系统误差的大小。对于系统误差主要应从产生误差的根源上来消除,或采取对测量值进行修正、或采取相应补偿措施的方法,来减小系统误差对测量结果的影响。(3)粗大误差

粗大误差是指在对同一被测量进行多次测量过程中,测量值明显偏离实际值的误差。粗大误差产生的原因可能是操作或读数错误、仪器的不稳定或出现故障、测量条件的突然变化等。由于粗大误差是在不正常的情况下出现的,测量数据误差很大,甚至是错误的,因此粗大误差也称为差错。这样的测量数据称为坏值,应剔除不用。知识2.2 测量误差的来源

在测量工作中,对于误差的来源要认真分析,采取相应措施,以减小各种测量误差。电子测量误差的来源是多方面的,按产生的主、客观因素可分为人为误差和非人为误差。人为误差主要包括人员误差、方法误差、使用误差;非人为误差主要有仪器误差、环境误差等。(1)仪器误差

仪器误差即仪器的固有误差,这是由于测量仪器及其附件本身不完善而引起的误差。例如,电桥中标准电阻误差、衰减电路分压比误差、仪器零位偏移、标度不准确、仪器的非线性等引起的误差均属仪器误差。仪器误差可通过在测量结果中加修正值(包括利用修正公式或修正曲线)的方法进行修正。(2)环境误差

环境误差又称影响误差,是由于各种环境因素与要求条件不一致所造成的误差。例如,温度、湿度、电源电压、电磁场干扰等影响所引起的误差。为了克服环境误差,应注意仪器设备使用的环境条件。要求严格时,测量应在恒温、恒湿和电磁屏蔽的专门实验室中进行。也可通过对仪器设备进行环境测试,确定各种环境因素的影响程度,从而对测量结果进行适当的修正,以减小环境误差。(3)方法误差

方法误差又称理论误差,是由于测量方法不合理或采用的近似公式不适当所造成的误差。例如,用普通万用表测量电路中高阻值电阻两端的电压,由于万用表电压挡内阻不高,形成分流作用而引起的误差即为方法误差。对方法误差,可通过理论分析来进行修正,或采用更合理、更科学的测量方法来消除误差。(4)使用误差

使用误差又称操作误差。是由于在使用仪器过程中未严格遵守操作规程而引起的误差。例如,仪器未按规定安放、零点未调准、接地不良、测试接线太长、未考虑阻抗匹配、仪器操作使用方法不当、读数的视差等,都会产生使用误差。为了避免使用误差,必须严格遵守仪器的安装调整要求和操作规程,熟练掌握测量操作方法。(5)人员误差

人员误差是由测量者的分辨能力、固有习惯、工作态度、熟练程度等因素引起的误差。这说明测量人员要经过严格训练,具有较高的测量操作技能,并要养成专心致志、一丝不苟的工作作风,这样才能减小测量中的人员误差。知识2.3 测量误差的表示方法

测量误差的表示方法一般有两种,即绝对误差和相对误差。

1.绝对误差

测量值与被测量真值之差称为绝对误差。设被测量的真值为A,测量值为Y,则绝对误差ΔY可以表示为0

测量值是指由测量所得到的被测量值,即测量器具的示值。由于真值A 一般无法得到,通常用约定真值(实际值)A来代替真值A,00即

通常是把高一等级的标准器具所复现的量值作为约定真值。

在实际测量中还要用到修正值,修正值C是与绝对误差大小相等、符号相反的值,即

计量器具的修正值,可通过检定由高一级标准器具给出,它可以是表格、曲线或函数表达式等形式。利用修正值对测量值进行修正,即可得到被测量的实际值。

例如,某电流表测得的电流示值为0.8mA,查该电流表的检定证书得知,如果该电流表在0.8mA附近的修正值为-0.02mA,那么被测电流的实际值为

在实际测量中,可通过加修正值的方法来提高测量的准确度。

绝对误差有计量单位,其大小和符号分别表示测量值偏离实际值的程度和方向,但绝对误差不便用来说明不同量值的测量质量。

2.相对误差

为了更确切地反映出不同量值的测量质量,就要用相对误差来表示。

测量的绝对误差与被测量的约定值之比称为相对误差,常用百分数来表示。约定值可以是实际值A、示值Y或仪器的满量程值Y。因m此,相对误差又分为实际相对误差、示值相对误差和引用误差。(1)实际相对误差γA

实际相对误差用绝对误差ΔY与被测量的实际值A的百分比来表示,即(2)示值相对误差γy

示值相对误差用绝对误差ΔY与被测量的示值Y的百分比来表示,即

对于一般的工程测量。用γ来表示测量的准确度较为方便。y(3)引用误差γm

引用误差是用测量器具的绝对误差与其特定值的百分比来表示。特定值又称为引用值,通常取测量器具的满量程值Y,即m

引用误差常用于表示仪器仪表,特别是电工仪表的误差。实际上引用误差给出了仪表各量程内绝对误差不应超过的最大值。即

由此可见,为了减少测量中仪表的示值误差。在选择仪表的量程时,应尽量使示值靠近满刻度值,一般应使示值指示在仪表满刻度值的2/3以上区域内。

应注意,这个原则对测量电阻的模拟式欧姆表(如指针式万用表的欧姆挡)就不适用了,因为欧姆表的设计和检定,均以中值电阻为基础,因此,其量程的选择应以仪表指针偏转到最大偏转角度的1/3~2/3区域为宜。

常用电工仪表的准确度等级可分为 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 共七个级别,这些准确度等级就是按照引用误差来划分的。例如,0.5级的仪表,其γ≤±0.5%,并在仪表刻度盘上标以0.5级的标m志,若仪表有几个量程,则所有量程上引用误差均为±0.5%。显然,各量程的绝对误差是不一样的。

仪器的准确度等级和基本误差对照见表1-1。表1-1 仪器的准确度等级和基本误差对照表【例1.1】检定一个1.5级、满量程值为10V的电压表,若在5V处的绝对误差最大值为0.12V(即其他刻度处的绝对误差均小于0.12V),问该仪表是否合格?

解:根据式(1-7),可求得该表的引用误差为

因为γ=1.2%<1.5%,因此该表是合格的。m【例1.2】有一实际值为220V的电源,分别用一个量程250V、1.0 级和一个量程 600V、0.5级的电压表测量,求对应的最大相对误差。

解:γ=ΔY/A=γ×Y/A=(1.0%×250)/220=1.14%11m1m

从计算结果可看出,采用一个等级高(准确度高)的电压表所测得的数据反而不如采用一个等级低(准确度低)的电压表测得的数据准确。之所以会产生这样的结果,是因为这两个仪表的量程不一样。因此在测量时,一般要求被测量的值应为所用量程值的2/3以上。

3.测量结果的评定

对测量结果通常采用正确度、精密度和精确度来评定。(1)正确度

正确度是指测量值与真值接近的程度,它反映系统误差的影响程度。(2)精密度

精密度是指测量值相互之间接近的程度,它反映随机误差的影响程度。(3)精确度

精确度又称准确度,简称精度,它反映系统误差和随机误差的综合影响程度。精确度高,表明测量结果的精密度和正确度均高。

为了便于理解,我们以打靶为例说明测量结果的评定,如图1-1所示。若10发子弹均分散射在靶心四周,称为精密度低,正确度高;若10发子弹密集地射中靶子但均偏离靶心一边,称为精密度高,正确度低;若10发子弹密集地打中靶心,则精密度、正确度均高,也就是说精确度高。

测量结果也是如此,若多次测量的数据很接近时称为精密度高,若这些数据都接近于真值,称为正确度高。若测量的精密度和正确度都高,称为测量的精确度高。图1-1 测量结果的评定示意图

任务3 知识引领——测量结果的数据处理

测量获得大量数据后,如何处理这些数据以减小测量误差,并得出最佳的测量结果,是测量工作中最后的也是最重要的一项任务。测量结果的数据处理包括数据的整理、计算和分析等项工作。在数据处理过程中,要进行去粗取精,去伪存真,通过整理、计算和分析得出正确的结论。知识3.1 有效数字的正确表示

由于测量过程中不可避免地存在误差,因此测量数据也含有误差,不可能完全准确,由于测量数据计算出来的值都是近似值。同时计算时还经常用到π、等无理数,它们都要取近似值,所以最终数据总是近似的。因此测量数据位数应取得适当,不必太多,也不宜太少,这就提出了有效数字的问题。(1)有效数字的概念

有效数字是那些能够正确反映测量准确度的数字,是指从一个数据左起第一个非零数字开始,直到最右边的一个数字(包括“0”在内)。有效数字的最末一位是近似数字,它可以是测量中估计读出的近似数字,也可以是按规定修正后的近似数字。测量结果的有效数字是指实际能够测量到的数字,通常包括全部准确数字和一位不确定的可疑数字。(2)数据中“0”的作用

数字“0”在数据中可能是有效数字,也可能不是有效数字。在非零数字左边的0不是有效数字,仅用于数字定位,例如,0.03080MHz,前面的两个“0”不是有效数字,单位若换成kHz,为30.80kHz,则前面的“0”就不起作用了。在数字中间和右边的零代表有效数字,数字末尾的“0”很重要。例如,30.8的有效数字为 3位,表示测量结果精确到十分位;30.80的有效数字为4位,表示测量结果精确到百分位。(3)有效数字的位数

有效数字的位数是由所使用的测量仪器的准确度和能读出的数字位数来确定。例如,已知某电压表的测量误差为±0.05V,若电压测量值为3.852V,则应取3.85V,即取3位有效数字。通常作测量记录时,每一个数据只能最末一位数字是估计读数,而其他各位数字都必须是准确可靠的。例如,电压表测得的电压为12.25V,表明仪表刻度精确到小数点后的第一位,此前的数字都是准确的,小数点后第二位是估计的。知识3.2 有效数字的舍入规则

测量数据都是近似值,在数据处理中,当有效数字的位数确定后,需要对超出有效数字的位数进行舍入处理。常用的“四舍五入”规则是不合理的,因为5是1~9的中间数字,也应该有舍有入才能平衡。所以在测量技术中规定,小于5舍去,大于5进位,等于5时采取偶数法则。也就是说,以保留数字的末位为基准,它后面的数字大干5时,末位数字加1,小于5时舍去;恰好等于5时,若5后有非0数字,则可以进位:若5后为0,则将末位凑成偶数,即末位原为奇数时加l,原为偶数时不加。

为了帮助记忆,归纳成如下口诀:

4舍6入5 待定,5后非0 则可进,

5后为0 前位定,偶则舍去奇则进。

例如,将下列数字保留3位有效数字。

① 12.842→12.8(因为 4<5);

② 12.862→12.9(因为 6>5);

③ 12.852→12.9(因为 5后非 0);

④ 12.850→12.8(因为 8是偶数,5 舍);

⑤ 12.750→12.8(因为 7是奇数,5 入)。知识3.3 测量数据的运算法则

当需要对几个测量数据进行运算时,要考虑有效数字保留多少位的问题,以便不使运算过于麻烦而又能正确反映测量的准确度。保留的位数原则上取决于各数据中准确度最低的那一项。(1)加、减法运算

加、减法运算采用小数点对齐法则,数据的保留位数以小数点后位数最少的数为准,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,舍入处理后再进行计算。运算结果的小数点位数应与参与运算的小数点位数最少的相同。例如,三个测量数据相加:

应尽量避免两个相近数相减,若非减不可时,则应多取几位有效数字。(2)乘、除法运算

乘、除法运算采用最少有效数字法则,数据的保留位数以有效数字位数最少的数为准,其余各数字可多取一位,舍入处理后再进行计算。运算结果的有效数字位数应与参与运算的有效数字位数最少的相同。例如:

为了保证必要的精度以及再参与下一步的运算,最终运算结果也可以比有效数字位数最少者多保留一位有效数字。(3)乘方、开方及对数运算

乘方与开方的运算结果应比原数据多保留一位有效数字;取对数运算前后的有效数字位数应相等。

任务4 知识引领——测量仪器的基本知识

测量仪器是用于测量的器具或装置。采用电子技术测量电量或非电量的测量仪器统称为电子测量仪器。它包括各类指示仪器、比较仪器、图形显示仪器、记录仪器、辅助仪器以及传感器和变送器等。知识4.1 电子测量仪器的分类

电子测量仪器品种繁多,按用途分类可分为专用仪器和通用仪器两大类。专用仪器是为特定目的而专门设计制造的仪器,只适用于特定的测量对象和测量条件。通用仪器是适用面广、灵活性好,能用于各种电子测量场合的仪器。

电子测量仪器按测量功能可分为以下几类。(1)测量用信号发生器

用于提供测量所需的各种波形信号。如低频信号发生器、高频信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器和噪声信号发生器等。(2)信号测量分析仪器

用于对各种电信号的量值进行测量和分析,包括时域、频域和数字域测量,如电压表、示波器、电子计数器、失真度仪、频谱分析仪和逻辑分析仪等。(3)电路特性测量仪器

用于对电路或系统的各种特性进行测量或显示电路的特性曲线,如频率特性测试仪、阻抗测试仪、网络分析仪等。(4)电子元器件测量仪器

用于对各种电子元器件的参数进行测量或显示元器件的特性曲线,如万用电桥、RLC测试仪、高频Q表、半导体管特性图示仪、集成电路测试仪等。(5)电波特性测试仪器

用于对电波的传播特性、电磁场强度和电磁干扰强度等参量进行测量,如测试接收机、场强测量仪、干扰测试仪等。(6)辅助测量仪器

用于配合上述各种仪器对被测信号进行相应处理、显示或记录,以便更充分地发挥上述仪器的作用。如辅助使用的各种放大器、衰减器、检波器、滤波器、变频器、显示器、记录仪,以及稳压电源等。知识4.2 电子测量仪器的误差

在电子测量中,由于电子测量仪器本身性能不完善所引起的误差,称为电子测量仪器的误差,通常用最大允许误差来表示,它是由相关标准、技术规范所规定的仪器仪表误差不应超过的最大范围,仪器仪表的误差有以下4种。(1)基本误差

基本误差又称固有误差,是在规定的一组影响量(如环境温度、相对湿度、大气压力、电源电压和频率,电磁场干扰等)的基准条件下,仪器仪表的允许误差。(2)工作误差

工作误差是在额定工作条件下仪器仪表的允许误差。(3)附加误差

附加误差又称影响误差,是在某一规定条件改变时所产生的误差,即当一个影响量在额定工作条件范围内变化,而其他影响量均处于基准条件时的允许误差,如温度附加误差、电源电压附加误差、电磁干扰附加误差等。(4)稳定误差

稳定误差又称为漂移,是在各影响量均保持恒定时,仪器仪表在规定时间内发生变化的允许误差,它表示了仪器仪表的稳定性。

电子测量仪器的允许误差既可采用绝对误差,也可采用相对误差或者采用二者结合的形式表示,它也可以是以“基本误差+附加误差”的形式给出。知识4.3 电子测量仪器的性能指标

电子测量仪器的性能指标很多,其中主要包括频率范围、准确度、灵敏度、线性度、输入阻抗、稳定性等。

1.频率范围

频率范围又称带宽,是指保证测量仪器的其他指标正常时的有效频率范围。通常用其上、下限频率来表示。

2.准确度

准确度又称精度,是指测量仪器的读数或其示值与被测量真值相一致的程度。测量仪器的精度高,表明测量误差小。

3.输入阻抗

测量仪器的输入阻抗对测量结果会产生一定的影响,输入阻抗一般用输入电阻和输入电容来表示。应该指出,对于信号输出类仪器,还规定有输出阻抗,在高频和微波测量时,还必须注意输入、输出阻抗的匹配。

4.灵敏度

灵敏度是表示仪器仪表对被测量变化的敏感程度,定义为测量仪表的指示值(指针的偏转角度、数码的变化等)增量Δy与被测量增量Δx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力不同。

5.线性度

线性度是表示仪器仪表的刻度(示值)随被测量变化的规律。如果两者关系成比例变化,即为一直线,则称之为线性刻度特性,否则称为非线性刻度特性,如常用直流电压表和电流表具有线性刻度特性,而指针式欧姆表,具有非线性刻度特性。

6.稳定性

稳定性是指在其他外界条件恒定不变的情况下,在规定时间内,仪器仪表保持示值不变的能力。稳定性又分为短期稳定性和长期稳定性。

任务5 应用实训——误差计算与数据处理实训

实训5.1 测量误差计算实训

1.实训目的(1)加深测量误差的基本概念;(2)掌握测量误差的计算方法。

2.实训内容(1)测量误差的计算

已知测量值和实际值,计算测量误差。具体数值由实训老师给出,进行5项误差计算,将计算数据填入表1-2中。表1-2 测量误差的计算数据(2)仪器误差的计算

已知仪器的精确度和量程,计算仪器所产生的最大误差。具体数值由实训老师给出,进行5项误差计算,将计算数据填入表1-3中。表1-3 仪器误差的计算数据实训5.2 测量数据处理实训

1.实训目的(1)加深有效数字的基本概念;(2)掌握测量数据的处理方法。

2.实训内容(1)有效数字的取舍

按有效数字取舍规则进行有效数字的取舍,原始测量数据和要求保留的位数由实训老师给出,进行5组取舍处理,将处理结果填入表1-4中。表1-4 有效数字的取舍处理(2)有效数字的运算

按有效数字运算规则进行加、减和乘、除运算,具体测量数据由实训老师给出,各进行5项运算,将运算结果填入表1-5和表1-6中。表1-5 有效数字的加、减运算表1-6 有效数字的乘、除运算

本项目小结

1.电子测量,是以电子技术理论为依据,以电子测量仪器为手段,对各种电量、电信号及电路元器件的特性和参数进行测量,还可以通过各种传感器对非电量进行测量。电子测量广泛用于生产、科研的各个领域。

2.电子测量的内容包括电能量的测量,电路元器件参数的测量,电信号特征的测量,电路参数的测量,特性曲线显示测量。电子测量的特点是,频率范围宽,量程范围广,测量准确度高,测量速度快,易于实现遥测,可实现测量自动化。

3.测量方法可从不同角度进行分类:按测量手段分类,可分为直接测量、间接测量和组合测量。按测量方式分类,可分为偏差式测量、零位式测量与微差式测量。按被测量性质分类,可分为时域测量、频域测量和数据域测量。

4.测量误差是测量结果与被测量真值之差。测量误差按其性质可分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。对测量结果的评定,常采用正确度、精密度和精确度。正确度指测量值与真值接近的程度,反映系统误差的影响;精密度指测量值相互之间接近的程度,反映随机误差的影响;精确度反映系统误差和随机误差的综合影响。

5.测量误差的来源包括仪器、环境、方法、使用、人员五个方面。测量误差的表示方法有绝对误差和相对误差,绝对误差只说明误差的大小和方向,相对误差可说明测量的准确程度。电子测量仪器的误差有基本误差、附加误差、工作误差、稳定误差。

6.电子测量所使用的仪器有多种,可分为专用仪器和通用仪器。其中,通用仪器的灵活性好,应用面广,是本书学习和训练的重点。电子测量仪器按测量功能可分为测量用信号发生器,信号测量分析仪器,电路特性测量仪器,元器件测量仪器,电波特性测试仪器,辅助测量仪器。

7.有效数字是那些能够正确反映测量准确度的数字,也就是实际能够测量到的数字,通常包括全部准确数字和一位不确定的可疑数字。测量结果有效数字的位数应与测量使用的仪器精确度相一致。

8.当需要对几个测量数据进行运算时,要考虑有效数字保留多少位的问题,保留的位数原则上取决于各数据中准确度最低的那一项。加减法运算采用小数点对齐法则,乘除法运算采用最少有效数字法则。

项目1思考题

1.什么是测量和电子测量?电子测量主要包括哪些内容?

2.电子测量具有哪些特点?电子测量的基本方法有哪些?

3.什么是随机误差?如何消除随机误差的影响?

4.什么是系统误差?如何减小系统误差的影响?

5.什么是测量误差?测量的误差来源主要有哪些?

6.测量误差的表示方法有哪些?其含义是什么?

7.测量结果的评定指标有哪些?其含义是什么?

8.什么是有效数字?如何确定测量结果的有效数字位数?

9.有效数字的舍入规则如何规定?

10.测量数据的运算规则有哪些?

11.什么是电子测量仪器?电子测量仪器如何分类?

12.什么是电子测量仪器误差?电子测量仪器的误差有哪些?

13.电子测量仪器的技术指标有哪些?

项目2 电压测量仪器及应用

本项目任务目标

1.学习电压测量的基本知识:应了解电压测量的特点、电压测量仪器的分类、交流电压的基本参数、电平的概念及测量。

2.学习模拟电子电压表的相关知识:应了解不同类型模拟电子电压表的的结构特点和工作原理、学会模拟电子电压表的选择与使用。

3.学习数字电压表的基本知识:应了解数字电压表的组成,模拟/数字转换器的常用类型及工作原理,数字电压表的主要技术指标。

4.学习数字万用表的相关知识:应了解数字万用表的组成、主要功能和性能指标,学会数字万用表的测量使用方法。

5.进行电压测量的应用实训:通过训练掌握直流稳压电源性能测量方法,学会不同波形电压的换算,掌握用数字万用表测量电子元器件的基本技能。

任务1 知识引领——电压测量的基本知识

电压是表征电信号能量的三个基本参数(电压、电流、功率)之一,信号的其他参数也是通过电压测量获得其量值,因此电压测量是电子测量中最常用、最基本、最重要的内容。知识1.1 电压测量的特点及要求

电压测量主要是对直流电压、正弦波电压的稳态值以及其他典型的周期性非正弦波电压参数的测量。电压测量的特点及要求如下。

1.量值范围宽

被测电压的量值范围很宽,小到几纳伏,大到上万伏,电压可从-9510 ~10V,这就要求电压表应具有相当宽的量程,以适应不同量值电压的测量要求。测量时,应根据被测电压的大小合理选择电压表的量程。

2.频率范围宽-5

被测电压的频率范围很宽,除直流外,频率范围可从10 ~910Hz(GHz),这就要求电压表应具有足够宽的频率范围,以适应不同频率电压的测量要求。测量时,应根据被测电压的频率合理选择电压表的类型。

3.测量精度高

由于电压测量的基准是直流标准电池,在直流电压测量中,各种分布参数的影响又极小,因此直流电压的测量可获得很高的精度,如-6-8数字式直流电压表可达10 ~10 量级,而交流电压表一般只能达到-2-410 ~10 量级。

4.输入阻抗高

测量电压时,电压表与被测电路并联,其输入阻抗可视为被测电路的额外负载。为了尽量减小电压表的接入对被测电路的影响,要求电压表应有足够高的输入阻抗,即输入电阻应尽量大,输入电容应尽量小。

5.抗干扰能力强

电压测量很容易受到各种外界电磁干扰,干扰会对灵敏度高的电压表产生较大影响,引起明显的测量误差,所以要求电压表应具有较强的抗干扰能力。测量时,还要采取相应措施,尽量减小外界电磁干扰。

6.电压波形种类多

被测电压的波形是多种多样的,除了正弦波以外,还有失真的正弦波和各种非正弦波,如方波、三角波、锯齿波、脉冲波、调制波和噪声波等。测量时,应根据被测电压的波形和电压表的类型来确定被测电压的量值。知识1.2 电压表的分类

电压测量仪器的种类很多,通常采用的是各种电压表。在电子测量中,对于直流电压、工频(50Hz)电压和要求不高的低频(几百Hz)电压测量时,可以使用万用表的电压挡,其他交流电压的测量都要使用电子电压表。按照测量结果的显示方式不同,电子电压表可分为模拟式电压表和数字式电压表两大类。

1.模拟式电压表

模拟式电压表即指针式电压表,它用磁电式直流电流表作为指示器来显示测量结果,并在表盘上以电压或分贝进行刻度。模拟式电压表可从以下几方面进行分类。(1)按工作频率分类

按工作频率可分为低频电压表(1MHz以下)、视频电压表(30MHz以下)、高频电压表(300MHz以下)、超高频电压表(300MHz以上)。(2)按测量电压量级分类

按测量电压量级可分为电压表(基本量程为V量级)、毫伏表(基本量程为mV量级)、微伏表(基本量程为μV量级)。(3)按电路组成分类

按电路组成可分为放大-检波式、检波-放大式、热电变换式、外差式电压表等。(4)按准确度等级分类

按准确度等级可分为0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级、5.0级等。(5)按检波原理分类

按检波原理可分为峰值电压表、平均值电压表和有效值电压表。(6)按刻度特性分类

按刻度特性可分为线性刻度电压表和非线性刻度电压表。

模拟式电压表电路结构简单,测量准确度较高,价格相对较低。因此在电压测量中,模拟式电压表一直占有重要的地位。

2.数字式电压表

数字式电压表是将被测的模拟电压通过模拟/数字(A/D)转换器变换成数字量,以十进制数字显示被测电压值。数字式电压表可从以下几方面进行分类。(1)按测量功能分类

按测量功能可分为直流数字电压表和交流数字电压表。(2)按模拟/数字转换方式分类

按模拟/数字转换方式可分为比较式、斜坡式、积分式、复合式数字电压表。(3)按交流/直流变换原理分类

按交流/直流变换原理可分为峰值型、平均值型和有效值型数字电压表。(4)按显示位数分类

按显示位数分有3位、3位半、4位、4位半、5位、5位半、6位等多种位数的数字电压表。

数字式电压表具有测量精度高、测量速度快、量程范围宽、显示位数多、分辨率高、无读数误差、易于实现测量自动化等特点,因此在电压测量中日益占据了重要的地位。知识1.3 交流电压的幅值参数

交流电压除了用具体的函数关系式表达其随时间的变化规律外,其幅值通常还可以用峰值、峰-峰值、平均值、有效值等参数来表征。

1.峰值

周期性交流电压u(t)在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值,用U表示。正、负峰值不相等时分别用U和U表示,正最大PP+P-值与负最大值之差称为峰峰值,用U表示,如图2-1所示。P-P图2-1 交流电压的峰值和峰-峰值

2.平均值

交流电压u(t)的平均值用表示,它实质上就是周期性交流电压的直流分量U,如图2-1中所示。正/负波形对称的周期性交流电压,0其平均值为零,如图2-2(a)所示。

在电子测量中,交流电压的平均值通常是指整流(也称检波)以后的平均值,又可分为半波整流平均值和全波整流平均值,如图2-2(b)、(c)中虚线所示。如不加说明时,通常是指全波整流平均值。图2-2 交流电压半波和全波整流后的波形

3.有效值

交流电压的有效值用U表示,它实质上是数学中的均方根值,因此有时也写作U。交流电压有效值的物理意义是:在交流电压的一rms个周期内,该电压在电阻负载上所产生的热能与一个直流电压在同一电阻上产生的热能相同时,那么该交流电压的有效值就等于此直流电压。

4.三者的关系

为表征同一交流电压的峰值、有效值和平均值之间的关系,引入波形因数和波峰因数。(1)波形因数

波形因数(又称波形系数)用K表示,定义为交流电压的有效F值与平均值之比,即(2)波峰因数

波峰因数(又称波峰系数)用K表示,定义为交流电压的峰值P与有效值之比,即

不同电压波形的K,K值不同,表2-1列出几种常见交流电压的FP波形参数。表2-1 交流电压的波形参数

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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