电子测量与仪器应用(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：赵文宣

出版社：电子工业出版社

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电子测量与仪器应用试读：

前言

chenjd＠phei.com.cn职业教育 继往开来（序）

自我国经济在21世纪快速发展以来，各行各业都取得了前所未有的进步。随着我国工业生产规模的扩大和经济发展水平的提高，教育行业受到了各方面的重视。尤其对高等职业教育来说，近几年在教育部和财政部实施的国家示范性院校建设政策鼓舞下，高职院校以服务为宗旨、以就业为导向，开展工学结合与校企合作，进行了较大范围的专业建设和课程改革，涌现出一批示范专业和精品课程。高职教育在为区域经济建设服务的前提下，逐步加大校内生产性实训比例，引入企业参与教学过程和质量评价。在这种开放式人才培养模式下，教学以育人为目标，以掌握知识和技能为根本，克服了以学科体系进行教学的缺点和不足，为学生的顶岗实习和顺利就业创造了条件。

中国电子教育学会立足于电子行业企事业单位，为行业教育事业的改革和发展，为实施“科教兴国”战略做了许多工作。电子工业出版社作为职业教育教材出版大社，具有优秀的编辑人才队伍和丰富的职业教育教材出版经验，有义务和能力与广大的高职院校密切合作，参与创新职业教育的新方法，出版反映最新教学改革成果的新教材。中国电子教育学会经常与电子工业出版社开展交流与合作，在职业教育新的教学模式下，将共同为培养符合当今社会需要的、合格的职业技能人才而提供优质服务。

近期由电子工业出版社组织策划和编辑出版的“全国高职高专院校规划教材·精品与示范系列”，具有以下几个突出特点，特向全国的职业教育院校进行推荐。（1）本系列教材的课程研究专家和作者主要来自于教育部和各省市评审通过的多所示范院校。他们对教育部倡导的职业教育教学改革精神理解得透彻准确，并且具有多年的职业教育教学经验及工学结合、校企合作经验，能够准确地对职业教育相关专业的知识点和技能点进行横向与纵向设计，能够把握创新型教材的出版方向。（2）本系列教材的编写以多所示范院校的课程改革成果为基础，体现重点突出、实用为主、够用为度的原则，采用项目驱动的教学方式。学习任务主要以本行业工作岗位群中的典型实例提炼后进行设置，项目实例较多，应用范围较广，图片数量较大，还引入了一些经验性的公式、表格等，文字叙述浅显易懂。增强了教学过程的互动性与趣味性，对全国许多职业教育院校具有较大的适用性，同时对企业技术人员具有可参考性。（3）根据职业教育的特点，本系列教材在全国独创性地提出“

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中国电子教育学会

前言

电子测量技术是电子信息系统的基础环节。在电子信息技术快速发展的背景下，市场上出现了各式各样的电子产品，推动了现代经济的迅速增长。随着行业企业的不断壮大，对电子测量人才的需求在数量和层次上都日益提高，高职院校肩负着培养本行业高技能型人才的重任。在教育部教指委有关领导的指导下，结合示范院校专业建设和精品课程项目成果，我们在课程组工学结合经验的基础上编写了本书。

在编写过程中，力求落实“突出应用性、强调技能培训、体现先进性”的原则，尽量使书中内容能够融传授知识、发展能力、提高素质为一体，从内容与方法、教与学、做与练等方面，多角度、全方位地体现高职教育的教学特色。在理论与实践的关系上，注意主辅协调、合理搭配，既注重基本测量原理的讲解，又突出基本操作技能的训练。另外，为使学生在毕业后能够尽快胜任电子测量方面的工作，还对一些常规的、具有代表性的典型仪器仪表的工作原理、技术指标和使用方法进行了介绍。本书的主要编写特点如下。（1）以案例分析引导教学。每章由案例入手引入相关的知识和理论，通过案例学习有关概念和仪器设备原理与使用方法，体现做中学、学中练的教学思路。以培养高技能应用型人才为目的，理论联系实际，注重课程内容与岗位技能相结合。（2）理论教学以够用、适度为原则。全书对仪器工作原理通过组成框图进行讲解，对电子测量仪器本身突出正确使用和应用方法，培养学生的实践能力。（3）注重理论和设计充分结合。除每章开始的实际案例外，文中设置一个或多个操作实验，尤其是在第10章中把电子测量技术、电子调试技术和电子产品的质量检测技术，通过功放电路和语言复读机有机地结合在一起，加强学生的动手能力。（4）为了与行业技术紧密结合，本书介绍了电子测量仪器的新产品，如UT2102型数字存储示波器、DS8831Q型频谱分析仪、Flyto L-100逻辑分析仪等典型仪器的使用方法等。（5）为了学生学习和归纳方便，书中设有教学导航、知识分布网络、知识梳理与总结及多种形式的练习题。

本书内容包括电子测量技术基础、常用信号发生器的使用、电流和电压的测量方法、频率和时间的测量技术、万用电桥和Q表的使用、晶体管特性图示仪的使用、信号时域特性的测量技术、信号失真度的测量技术、信号频谱与电路频率特性的测量技术、数据信号的测量技术、智能化测量仪器与自动测量系统、虚拟测量技术及电子测量在电子产品检测、调试与维修中的应用。

本书由四川信息职业技术学院赵文宣主编，陈运军、张德忠任副主编。其中，张德忠编写第2～3章，陈运军编写第4～7章并绘制相关图形，赵文宣编写第1章、第8～10章及附录A。在编写过程中参考了扬州电子仪器有限公司、优利德电子仪器厂、安捷伦科技有限公司等单位的相关产品技术资料，在此表示感谢。

由于编者水平和时间有限，不当和错误之处在所难免，敬请各位读者批评指正。

为了方便教师教学，本书还配有电子教学参考资料包（包括电子教案、习题答案），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。读者也可通过该精品课网站（http：//jpkc.scitc.com.cn/jpkc/2010/JPKC_DZCLYYQ/ShowTitle.php?TitleID=214）浏览和参考更多的教学资源。

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绪论

1.电子测量的概念

测量的目的是准确地获取被测参数的值。通过测量能使人们对事物有定量的概念，从而发现事物的规律性。因而，测量是人们认识事物不可缺少的手段。离开测量，人们就不能真正准确地认识世界。物理定律是定量的定律，只有通过精密的测量才能确定它们的正确性。光谱学的精密测量帮助人们揭示了原结构的秘密，对X射线衍射的研究揭示了晶体的结构，用射电望远镜发现了类星体和脉冲星……这类例子不胜枚举。

另一方面，科学技术的发展也推动了测量技术的发展。像时间这样的基本量，在以前很长一段时间内一直用沙钟和滴漏进行极其粗略的测量，直到伽利略对摆的观察才启发人们用计数周期的谐振系统（如钟表）来测量时间。目前，使用铯原子谐振和氢原子谐振来测量时间，其准确度相当于在3万年内误差小于1s。可见，现代测量仪器是科学研究的成果之一，而测量仪器又促进了科学技术的发展，两者的关系是相辅相成的。

电子测量是指利用电子技术进行的测量。在电子测量中采用的仪器称为电子测量仪器，简称电子仪器。电子测量分为两类：一类是测电压、电容或场强之类的电子量；另一类是运用电子技术来测量压力、温度或流量之类的非电物理量。

2.电子仪器与测量技术的发展

本课程主要讨论第一类电子测量仪器。近20多年来，电子技术特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展促进了电子仪器技术的飞跃发展。电子仪器与计算机技术相结合使功能单一的传统仪器变成先进的智能仪器和由计算机控制的模块式测试系统。微电子技术及相关技术的发展，不断为电子仪器提供各种新型器件，如ASIC电路、信号处理器芯片、新型显示器件及新型传感器件等，不仅使电子仪器变得“灵巧”、功能强、体积小、功耗低，而且使过去难以测试的一些参数变得容易测试，调制域仪器的出现就是一例。

电子仪器及测量技术的发展又是其他技术发展的保证。微型计算机采用总线结构，信号多路传输，信息在某些指定时刻有效，因而采用传统示波器、电压表之类的仪器对计算机系统进行测试难以奏效，必须采用如逻辑分析仪、特征分析仪、仿真器及计算机开发系统之类的新型数据域测试仪器进行测试、调试和故障诊断。微电子技术的飞跃发展，使数字电路的集成度和工作速度不断提高，在一个芯片内可包含数百万个器件，但芯片的引脚数是有限的，为了通过有限的引脚对高度复杂的芯片进行全面测试，不仅要求研究新的测试理论和测试算法，开发大型先进的测试系统，而且要求采用新的电路设计，即数字电路的可测性设计技术、内建自测试技术及边界扫描设计技术。

以前，数字电路的设计者所追求的目的是实现要求的逻辑功能。现在，除了逻辑功能外，还要求设计的电路可测和易测，若设计时不考虑测试问题，则可能面临这样的情况，即采用当今世界上最先进的测试设备也无法对电路进行全面测试，因而不能投产。包括协议分析仪在内的新型通信仪器的出现，保证了计算机网络和通信产业的迅速发展；光纤测试仪器的出现则促进了光纤通信的发展。

20世纪70年代以来，计算机技术和微电子技术的惊人发展对电子仪器及自动测试领域产生了巨大的影响。20多年来在仪器和测试领域产生了4项重大发明，它们是智能仪器、GPIB接口总线、个人仪器及VXI总线系统。这些技术的采用，改变了并且将继续改变仪器和测试领域的发展进程，使之朝着智能化、自动化、小型化、模块化和开放式系统的方向发展。

杰出科学家门捷列夫曾说过，“没有测量，就没有科学。”电子信息科学是现代科学技术的象征，它的三大支柱是：信息的获取技术（测试/测量技术）、信息的传输技术（通信技术）、信息的处理技术（计算机技术）。三者中信息的获取是首要的，因为电子测量是获取信息的重要手段。因此，国内高校的许多工科专业，尤其是电子信息类专业，都把“电子测量”作为一门十分重要的基础课程。“电子测量与仪器应用”课程建设紧随学科建设的步伐，不断适应电子测量技术发展的规律，近几年来取得了丰硕的成果。

3.课程定位“电子测量与仪器应用”是应用电子、电子信息工程、通信技术等专业不可缺少的专业课，培养学生具备电子测量技术方面的基础能力，使学生掌握有关电子测量的基本知识，具备正确选择测量方案和使用电子测量仪器的能力，同时也为后续有关课程学习和进行相关测量打下基础。

4.课程内容与要求

1）知识结构

本课程的知识结构分解如下图所示。

本课程的主要内容包括：电子测量和仪器的基本知识、测量信号产生与仪器应用、电压测量与仪器应用、频率测量与仪器应用、电子元器件参数测量与仪器应用、信号波形测量与仪器应用、频域测量与仪器应用、数据域测量与仪器应用、自动测量技术及应用、电子产品测试与调试等。

2）课程要求

课程要求分为以下两方面。（1）知识教学要求

① 了解电子测量技术的基本知识；

② 了解常用电子测量仪器的用途、性能及主要技术指标；

③ 掌握常用电子测量仪器的基本组成和工作原理。（2）能力培养要求

① 能根据被测对象正确地选择测量方案和仪器；

② 熟练掌握常用电子测量仪器（通用电子示波器、信号源、电子电压表、计数器、扫频仪、晶体管特性图示仪等）的正确操作；

③ 能对测量结果进行正确的处理；

④ 能对电子测量仪器进行基本维护和简单维修。

第1章 电子测量与仪器基础

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1.1 测量及其意义

测量是人们对客观事物取得数量概念的认识过程。在这种认识过程中，人们依据一定的理论，借助于专门的设备，通过实验的方法求出被测量的量值或确定一些量值的依从关系。

通常，测量结果的量值由两部分组成：数值（大小及符号）和相应的单位名称。没有单位的量值是没有物理意义的。

一般来说，测量是一种比较过程，把被测量与同种类的单位量通过一定的测量方法进行比较，以确定被测量是该单位的若干倍。被测量的数值与所选单位成反比。

在科学技术发展过程中，测量结果不仅用于验证理论，而且是发现新问题、提出新理论的依据。历史事实证明：科学的进步、生产的发展与测量理论技术手段的发展和进步是相互依赖、相互促进的。测量手段的现代化，已被公认是科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。

1.2 电子测量的内容和特点

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1.电子测量的意义

随着测量学的发展和无线电电子学的应用，诞生了以电子技术为手段的测量，即电子测量。

电子测量涉及极宽频率范围内所有电量、磁量及各种非电量的测量。目前，电子测量不仅因为其应用广泛而成为现代科学技术中不可缺少的手段，同时也是一门发展迅速、对现代科学技术的发展起着重大推动作用的独立学科。从某种意义上说，近代科学技术的水平是由电子测量的水平来保证和体现的。电子测量的水平是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。

2.电子测量的内容

本课程中，电子测量的内容是指对电子学领域内电参量的测量，主要有以下几项。（1）电能量的测量，如电流、电压、功率等的测量。（2）电路、元器件参数的测量，如电阻、电感、电容、阻抗的品质因数、电子器件参数等的测量。（3）电信号特性的测量，如频率、波形、周期、时间、相位、谐波失真度、调幅度及逻辑状态等的测量。（4）电路性能的测量，如放大倍数、衰减量、灵敏度、通频带、噪声指数等的测量。（5）特性曲线的显示，如幅频特性、器件特性等的显示。

上述各种待测参数中，频率、电压、时间、阻抗等是基本电参数，对它们的测量是其他许多派生参数测量的基础。

另外，通过传感器可将很多非电量，如温度、压力、流量、位移等转换成电信号后进行测量，但这不属于本书讨论的范围。

3.电子测量的特点

同其他测量相比，电子测量具有以下几个突出优点。

1）测量频率范围宽

电子测量除可以测量直流电量外，还可以测量交流电量，其频率412范围可低至10-Hz，高至10Hz左右。但应注意，在不同的频率范围内，即使测量同一种电量，所需要采用的测量方法和使用的测量仪器也往往不同。

2）量程宽

量程是仪器所能测量各种参数的范围。电子测量仪器具有相当宽广的量程。例如，一台数字式电压表可以测出从纳伏（nV）级至千伏（kV）级的电压，其量程达9个数量级；一台用于测量频率的电子计数器，其量程可达17个数量级。

3）测量准确度高

电子测量的准确度比其他测量方法高得多，特别是对频率和时间13的测量，误差可减小到10-量级，是目前人们在测量准确度方面能达到的最高指标。电子测量的准确度高是它在现代科学技术领域得到广泛应用的重要原因之一。

4）测量速度快

由于电子测量是通过电磁波的传播和电子运动来进行的，因此可以实现测量过程的高速化，这是其他测量所不能比拟的。只有测量的高速度，才能测出快速变化的物理量。这对于现代科学技术的发展具有特别重要的意义。例如，原子核的裂变过程、导弹的发射速度、人造卫星的运行参数等的测量，都需要高速度的电子测量。

5）易于实现遥测

电子测量的一个突出优点是可以通过各种类型的传感器实现遥测。例如，对于遥远距离或环境恶劣的、人体不便于接触或无法到达的区域（如深海、地下、核反应堆内、人造卫星等），可通过传感器或通过电磁波、光、辐射等方式进行测量。

6）易于实现测量自动化和测量仪器微机化

由于大规模集成电路和微型计算机的应用，使电子测量出现了崭新的局面，如在测量中能实现程控、自动量程转换、自动校准、自动诊断故障和自动修复，对于测量结果可以自动记录，自动进行数据运算、分析和处理。目前已出现了许多类型带微处理器的自动化示波器、数字频率计、数字式电压表及受计算机控制的自动化集成电路测试仪、自动网络分析仪和其他自动测试系统。

电子测量的一系列优点，使它获得了极其广泛的应用。今天，几乎找不到哪一个科学技术领域没有应用电子测量技术。大到天文观测、宇宙航天，小到物质结构、基本粒子，从复杂的生命、遗传问题到日常的工农业生产、商业部门，越来越多地采用电子测量技术与设备。

1.3 电子测量方法的分类

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一个电参量的测量可以通过不同的方法来实现。电子测量方法的分类形式有多种，这里仅就最常用的分类形式作简要介绍。1.3.1 按测量方式分类

1）直接测量

用预先按已知标准量定度好的测量仪器对某一未知量直接进行测量，从而得到被测量值的测量方法称为直接测量。例如，用通用电子计数器测频率，用电压表测量电路中的电压，都属于直接测量。

2）间接测量

对一个与被测量有确定函数关系的物理量进行直接测量，然后通过代表该函数关系的公式、曲线或表格，求出被测量值的方法称为间接测量。例如，要测量已知电阻R上消耗的功率，先测量加在R两端2的电压U，然后再根据公式P=U/R，求出功率P的值。

3）组合测量

在某些测量中，被测量与几个未知量有关，测量一次无法得出完整的结果，则可改变测量条件进行多次测量，然后按被测量与未知量之间的函数关系组成联立方程，求解得出有关未知量。此种测量方法称为组合测量，它是一种兼用直接测量与间接测量的方法。

上面介绍的三种方法中，直接测量的优点是测量过程简单迅速，在工程技术中采用比较广泛。间接测量多用于科学实验，在生产及工程技术中应用较少，只有当被测量不便于直接测量时才采用。组合测量是一种特殊的精密测量方法，适用于科学实验及一些特殊的场合。1.3.2 按被测信号的性质分类

1）时域测量

时域测量是测量被测对象在不同时间的特性，这时把被测信号看成时间的函数。例如，使用示波器显示被测信号的瞬时波形，测量它的幅度、宽度、上升沿和下降沿等参数。时域测量还包括一些周期性信号的稳态参量测量，如正弦交流电压，虽然它的瞬时值会随时间变化，但是交流电压的振幅值和有效值是稳态值，可用指针式仪表测量。

2）频域测量

频域测量是测量被测对象在不同频率时的特性，这时把被测对象看成频率的函数。信号通过非线性电路会产生新的频率分量，能用频谱分析仪进行分析。放大器的幅频特性可用频率特性图示仪予以显示。放大器对不同频率的信号会产生不同的相移，可使用相位计测量放大器的相频特性。

3）数据域测量

数据域测量是对数字系统逻辑特性进行的测量。利用逻辑分析仪能够分析离散信号组成的数据流，可以观察多个输入通道的并行数据，也可以观察一个通道的串行数据。

4）随机测量

随机测量是利用噪声信号源进行动态测量，如各类噪声、干扰信号等。这是一种比较新的测量技术。

电子测量技术还有许多分类方法，如动态与静态测量技术、模拟和数字测量技术、实时与非实时测量技术、有源与无源测量技术等。1.3.3 选择测量方法的原则

根据被测量本身的特性、所需要的精确程度、环境条件及所具有的测量设备等因素，综合考虑，选择合适的测量方法。只有选择正确的测量方法，才能使测量得到精确的测量结果；否则，可能会出现下列问题。（1）出错误的测量数据，测量结果不能信赖。（2）损坏测量仪器、仪表或被测设备、元器件。

在选择测量方法时，如果必要，还要制订正确的测量方案。

错误的测量方法会导致某些不良后果，这可以通过下例来说明：测量某高内阻（如500kΩ）电路的电压，应该使用高输入电阻的数字式电压表，才能使测量结果较为准确。如果使用普通的模拟式电压表，则会产生很大的误差，得到偏离实际的测量结果。

由此可以看出，选择正确的测量方法、仪器设备及编制准确的测试程序是十分重要的。

1.4 测量误差的基本概念

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测量的目的就是希望获得被测量的实际大小，即真值。所谓真值，就是在一定时间和环境的条件下，被测量本身所具有的真实数值。实际上，由于测量设备、测量方法、测量环境和测量人员的素质等条件的限制，测量所得到的结果与被测量的真值之间会有差异，这个差异就称为测量误差。测量误差过大，可能会使测量结果变得毫无意义，甚至会带来坏处。人们研究误差的目的，就是要了解误差产生的原因和发生的规律，寻求减小测量误差的方法，使测量结果精确可靠。1.4.1 测量误差的表示方法

测量误差有两种表示方法：绝对误差和相对误差。

1.绝对误差

1）定义

由测量所得到的被测量值x与其真值A之差，称为绝对误差，即0

式中，Δx为绝对误差。

由于测量结果 x 总含有误差，x 可能比 A大，也可能比 A小，00因此Δx 既有大小，又有正、负。其量纲和测量值相同。

要注意，这里说的被测量值是指仪器的示值。一般情况下，示值和仪器的读数有区别。读数是指从仪器刻度盘、显示器等读数装置上直接读到的数字，示值是该读数表示的被测量的量值，常常需要加以换算。

式（1-1）中，A表示真值。真值是一个理想的概念，一般来说，0是无法精确得到的。因此，实际应用中通常用实际值A来代替真值A。0

实际值又称为约定真值，它是根据测量误差的要求，用精度高一级及以上的测量仪器或计量工具测量所得之值作为实际值。

2）修正值

与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值称为修正值，用c表示：

对测量仪器进行定期检查时，用标准仪器与受检仪器相对比，以表格、曲线或公式的形式给出受检仪器的修正值。在日常测量中，使用该受检仪器测量所得到的结果应加上修正值，以求得被测量的实际值，即

2.相对误差

绝对误差虽然可以说明测量结果偏离实际值的情况，但不能确切反映测量的准确程度，不便于看出对整个测量结果的影响。例如，分别对10Hz和1MHz的两个频率进行测量，绝对误差都为+1Hz，但两次测量结果的准确程度显然不同。因此，除绝对误差外，还有相对误差。

绝对误差与被测量的真值之比称为相对误差（又称相对真误差），用γ表示：

相对误差量纲为一，有大小及符号。由于真值是难以确切得到的，通常用实际值 A 代替真值A来表示相对误差，用γ表示：0A

式中，γ称为实际相对误差。A

在误差较小、要求不严格的场合，也可以用测量值x代替实际值A，由此得出示值相对误差，用γ来表示：x

式中，Δx 由所用仪器的准确度等级定出。由于 x 中含有误差，所以γ只适用于近似测量。当Δx很小时，有γ≈γ。xxA

经常用绝对误差与仪器满刻度值 x之比来表示相对误差，称为m引用相对误差（又称满度相对误差），用γ表示：m

测量仪器使用最大引用相对误差来表示它的准确度，这时有：

式中，Δx为仪器在该量程范围内出现的最大绝对误差；x为满mm刻度值；γ为仪器在工作条件下不应超过的最大相对误差，它反映m了该仪器综合误差的大小。

电工测量仪表按γ值分为 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 m共 7 个等级。1.0 级表示该仪表的最大引用相对误差不超过±1.0%，但超过±0.5%，也称准确度等级为 1.0 级。准确度等级常用符号S表示。

相对误差也可用对数的形式进行表达。以分贝来度量误差大小的表达方式称为分贝误差。

如果被测量是网络的电流或电压传输函数，把它表示为分贝的形式，则为：

设 A 的测量值为 x，它含有误差，即x=A+Δx，它的分贝形式xdB会偏离A一个数值γ ，即dBdB

所以

式中，γ是只与相对误差有关的量，由于γ有正、负号，γ也dBAdB有正、负号。

当A为功率传输函数时，相对误差的分贝形式为：

实例 1-1 两个电压的实际值分别为U =100V，U =10V；测量1A2A值分别为U =98V，U =9V。求两次测量的绝对误差和相对误差。1x2x

解：

ΔU=U-U =（9-10）V=-1V22x2A

|ΔU|＞|ΔU |。两者的相对误差分别为：12

|γ|＜|γ|，说明U 的测量准确度低于U。A1A221

实例1-2 已知某被测电压为80V，用1.0级、100V量程的电压表测量。若只做一次测量就把该测量值作为测量结果，可能产生的最大绝对误差是多少?

解：在实际生产过程中，经常将一次直接测量的结果作为最终结果，所以讨论这个问题非常具有实践意义。仪表的准确度等级表示该仪表的最大引用相对误差，该仪表可能出现的最大绝对误差为：

Δx =±1.0%×100V=±1Vm

由式（1-9）可知，测量的绝对误差满足：

Δx≤x · S%m

γ ≤（x · S%）/xxm

式中，S为仪表的准确度等级。

测量中总要满足x≤x ，可见当仪表的准确度等级确定后，x 越m接近x ，测量的示值相对误差越小，测量准确度越高。因此，在测m量中选择仪表量程时，应使指针尽量接近满偏，一般最好指示在满度值2/3以上的区域。应该注意，这个结论只适用于正向线性刻度的电压表、电流表等类型的仪表。对于反向刻度的仪表即随着被测量数值增大而指针偏转角度变小的仪表，如万用表的欧姆挡，由于在设计或检定仪表时均以中值电阻为基准，故在使用这类仪表进行测量时应尽可能使表针指在中心位置附近区域，因为此时测量准确度最高。

实例1-3 被测电压的实际值在10V左右，现有量程和准确度等级分别为150V、0.5级和15V、1.5级两只电压表，问用哪只电压表测量比较合适?

解：若用150V、0.5级电压表，由式（1-9）可求得测量的最大绝对误差为：

Δx=±0.5%×150V=±0.75Vm1

示值范围为（10±0.75）V，则测量的相对误差为：

用15V、1.5级电压表测量，则最大绝对误差为：

Δx=±1.5%×15V=±0.225Vm2

示值范围为（10±0.225）V，则测量的相对误差为：

显然，应选用15V、1.5级电压表测量。由此例可见，测量中应根据被测量的大小，合理选择仪表量程并兼顾准确度等级，而不能片面追求仪表的准确度级别。1.4.2 测量误差的来源

如前所述，在一切实际测量中都存在一定的误差，下面来讨论误差的来源。

1）仪器误差

由于仪器本身及其附件的电气和机械性能不完善而引入的误差称为仪器误差。仪器仪表的零点漂移、刻度不准确和非线性等引起的误差及数字式仪表的量化误差都属于此类。

2）理论误差和方法误差

由于测量所依据的理论不够严密或用近似公式、近似值计算测量结果所引起的误差称为理论误差。例如，峰值检波器的输出电压总是小于被测电压峰值所引起的峰值电压表的误差就属于理论误差。由于测量方法不适宜而造成的误差称为方法误差，如用低内阻的万用表测量高内阻电路的电压时所引起的误差就属于此类。

3）影响误差

由于温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等各种环境因素与仪器、仪表要求的条件不一致而引起的误差称为影响误差。

4）人身误差

由于测量人员的分辨力、视觉疲劳、不良习惯或缺乏责任心等因素引起的误差称为人身误差，如读错数字、操作不当等。1.4.3 测量误差的分类

根据性质，可将测量误差分为系统误差、随机误差和疏失误差。

1）系统误差

在一定条件下，误差的数值（大小及符号）保持恒定或按照一定规律变化的误差称为系统误差。系统误差决定了测量的准确度。系统误差越小，测量结果越准确。

2）随机误差

在相同条件下进行多次测量，每次测量结果出现无规律的随机变化的误差，这种误差称为随机误差或偶然误差。在足够多次的测量中，随机误差服从一定的统计规律，具有单峰性、有界性、对称性、相消性等特点。

随机误差反映了测量结果的精密度。随机误差越小，测量精密度越高。

随机误差和系统误差共同决定测量结果的精确度，要使测量的精确度高，两者的值都要求很小。

3）疏失误差

疏失误差是指在一定条件下，测量值明显偏离实际值时所对应的误差。疏失误差又称粗大误差，简称粗差。

疏失误差是由于读数错误、记录错误、操作不正确、测量中的失误及有不能允许的干扰等原因造成的误差。

疏失误差明显地歪曲了测量结果，就其数值而言，它远远大于系统误差和随机误差。

对于上述三类误差，应采取适当措施进行防范和处理，减小以至消除它们对测量结果的影响。对于含有疏失误差的测量值，一经确认，应首先予以剔除。对于系统误差，在测量前应细心做好准备工作，检查所有可能产生系统误差的来源，并设法消除；或决定它的大小，在测量中采用适当的方法引入修正值加以抵消或削弱。例如，为了消除或削弱固定的系统误差，可采用零示法、替代法、补偿法、交换法等测量方法。对于随机误差，可在相同条件下进行多次测量，通过对测量结果求平均值来减小它的影响。

1.5 测量结果的表示及有效数字

知识分布网络1.5.1 测量结果的表示

这里只讨论测量结果的数字式表示，它包括一定的数值（绝对值的大小及符号）和相应的计量单位，如7.1V、465kHz等。

有时为了说明测量结果的可信度，在表示测量结果时，还要同时注明其测量误差值或范围，如（4.32±0.01）V，（465±1）kHz等。1.5.2 有效数字及有效数字位

测量结果通常表示为一定的数值，但测量过程总存在误差，多次测量的平均值也存在误差。如何用近似数据恰当地表示测量结果，就涉及有效数字的问题。

有效数字是指从最左面一位非零数字算起，到含有误差的那位存疑数字为止的所有数字。在测量过程中，正确地写出测量结果的有效数字，合理地确定测量结果位数是非常重要的。对有效数字位数的确定应掌握以下几方面的内容。（1）有效数字位与测量误差的关系，原则上可以从有效数字的位数估计出测量误差，一般规定误差不超过有效数字末位单位的一半。如1.00A，则测量误差不超过±0.005A。（2）“0”在最左面为非有效数字。如0.03kΩ，两个零均为非有效数字。“0”在最右面或两非零数字之间均为有效数字，不得在数据的右面随意加“0”。如将1.00A改为1.000A，则表示已将误差极限由0.005A改成0.000 5A。（3）有效数字不能因选用的单位变化而改变。如测量结果为 2.0A，它的有效数字为两位。如改用mA做单位，将2.0A改写成32000mA，则有效数字变成四位，是错误的，应改写成2.0×10 mA，此时它的有效数字仍为两位。1.5.3 数字的舍入规则

测量数据中超过保留位数的数字应予删略。删略的原则是“四舍五入”，其具体内容如下：若需保留n位有效数字，n位以后位余下的数，若大于保留数字末位（即第n位）单位的一半，则舍去的同时在第n位加1；若小于该位单位的一半，则第n位不变；若刚好等于该单位的一半，如第n位原为奇数则加1变为偶数，原为偶数不变，此即“求偶数法则”。

实例1-4 将下列数字保留三位：（1）25.53；（2）33.46；（3）53.45；（4）68.450 1；（5）43.35。

解：（1）25.53→25.5；（2）33.46→33.5；（3）53.45→53.4；（4）68.4501→68.5；（5）43.35→43.4。

由上述可见，经过数字舍入后，末位是欠准数字，末位以前的数字为准确数字。末位欠准的程度不超过该位单位的一半。

决定有效数字位数的标准是误差范围，并不是位数写得越多越好，写多了会夸大测量的准确度。

在写带有绝对误差的数字时，有效数字的末位应和绝对误差取齐即两者的欠准数字所在的数字位必须相同。如（6 500±1）kHz是正确的，也可写成6.500MHz±1kHz，但不能写成6.5MHz±1kHz。当前面有效数字的单位和误差所用单位相同时，前面有效数字可以不再标出单位名称。1.5.4 数字近似运算法则

在数据处理过程中，常常要对数据进行近似运算，运算时要遵循一定的规则。（1）在加、减法运算中，准确度最差的项就是小数点后有效数字位数最少的那一项，计算结果有效数字的取舍以该项为准。（2）在乘、除法运算中，所得结果的有效数字位数与参加运算各项中有效数字位数最少者相同，而与小数点无关。

在对参加运算的数据取舍时，可多留一位，否则会引起积累误差。

实例1-5 进行下列运算：（1）13.44+20.382+4.6；（2）。

解：（1）13.44+20.382+4.6=13.44+20.38+4.6=38.42≈38.4

1.6 电子测量仪器的分类与误差

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电子测量仪器是利用电子元器件和线路技术组成的装置，用于测量各种电磁参量或产生供测量用的电信号或能源。1.6.1 电子测量仪器的分类

电子测量仪器一般分为专用仪器和通用仪器两大类，本课程主要讨论后者。通用仪器是为了测量某一个或某一些基本电参量而设计的，它能用于各种电子测量。通用仪器按照功能，可进行如下分类。

1）信号发生器

信号发生器主要用来提供各种测量所需的信号。根据用途的不同，有各种波形、各种频率和各种功率的信号发生器。如调频调幅信号发生器、脉冲信号发生器、扫频信号发生器、函数发生器等。

2）电平测量仪器

电平测量仪器主要用于测量电信号的电压、电流、电平，如电流表、电压表、电平表、多用表等。

3）信号分析仪器

信号分析仪器主要用来观测、分析和记录各种电量的变化，如各种示波器、波形分析仪和频谱分析仪等。

4）频率、时间和相位测量仪器

频率、时间和相位测量仪器主要用来测量电信号的频率、时间间隔和相位差。这类仪器有各种频率计、相位计、波长表及各种时间、频率标准等。

5）网络特性测量仪

网络特性测量仪有阻抗测试仪、频率特性测试仪及网络分析仪等，主要用来测量电气网络的各种特性，这些特性主要指频率特性、阻抗特性、功率特性等。

6）电子元器件测试仪

电子元器件测试仪主要用来测量电子元器件的各种电参数是否符合要求。根据测试对象的不同，可分为晶体管测试仪、集成电路（模拟、数字）测试仪和电路元件（电阻、电感、电容）测试仪等。

7）电波特性测试仪

电波特性测试仪是主要用于对电波传播、干扰强度等参量进行测量的仪器，如测试接收机、场强计、干扰测试仪等。

8）逻辑分析仪

逻辑分析仪是专门用于分析数字系统的数据域测量仪器。利用它可对数字逻辑电路和系统在实时运行过程中的数据流或事件进行记录和显示，并通过各种控制功能实现对数字系统的软、硬件故障分析和诊断。面向微处理器的逻辑分析仪，则用于对微处理器及微型计算机的调试和维护。

9）辅助仪器

辅助仪器主要用于配合上述各种仪器对信号进行放大、检波、隔离、衰减，以便使这些仪器更充分地发挥作用。各种交/直流放大器、选频放大器、检波器、衰减器、记录器及交/直流稳压电源等均属于辅助仪器。

10）微机化仪器

微机化仪器是上述各种仪器和微计算机相结合的产物，可分为智能仪器和虚拟仪器两类。智能仪器是在仪器内加入微计算机芯片，对仪器的工作过程进行控制，使其具有一定智能，自动完成某些工作。

虚拟仪器是在计算机上配备一定的软、硬件，使其具有仪器的功能。虚拟仪器的功能主要由软件来定义，因此对于同一个硬件设备，可通过编制不同的软件，使其实现不同的功能。

由于智能仪器、虚拟仪器和计算机紧密相连，使得它们可以很容易地构成自动测试系统。所谓自动测试系统，就是若干测量仪器通过总线和主控计算机的相连，各仪器在主控计算机的统一指挥下完成一系列测量任务。

智能仪器和虚拟仪器还可以与网络相连接，形成所谓的网络化仪器。网络化仪器的最大优点是可以实现远程控制和资源共享。1.6.2 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产生的误差称为电子测量仪器的误差，它包括以下几类。

1）固有误差

固有误差指在基准工作条件下测量仪器的误差。

基准工作条件是指一组有公差的基准值［如环境温度（20±2）℃等］或有基准范围的影响量（如温度、湿度、气压、电源等环境条件）。

2）工作误差

工作误差是在额定工作条件下任一值上测得的某一性能特性的误差。在影响量的工作范围内，各影响量最不利的组合点上产生工作误差的最大值。

3）稳定误差

由于测量仪器稳定性不好引起性能特性的变化产生的误差称为稳定误差。例如，由于元器件老化，使仪器性能对供电电源或环境条件敏感，造成零点漂移或读数变化等现象。

4）变动量

变动量是反映影响量所引起的误差。当同一个影响量相继取两个不同值时，对于被测量的同一数值，测量仪器给出的示值之差，称为电子测量仪器的变动量。

知识梳理与总结

本章讨论了电子测量和电子测量仪器的基本知识。（1）介绍了电子测量的意义、内容、特点和分类，以及电子测量方法的分类。（2）测量误差的表示方法有绝对误差和相对误差。绝对误差表明测量结果偏离实际值的情况，它有大小、符号及量纲。相对误差能确切反映测量的准确程度，只有大小及符号，是量纲为一的量。可以用最大引用相对误差确定电子测量仪表的准确度等级。（3）根据性质，可将测量误差分为系统误差、随机误差和疏失误差。系统误差在一定的条件下，其数值（大小及符号）保持恒定或按照一定的规律变化，它决定测量的准确度。随机误差（又称偶然误差）指在相同条件下进行多次测量时，每次测量结果出现无规律的随机变化的误差，它反映了测量结果的精密度。疏失误差指在一定条件下，测量值明显偏离实际值时所对应的误差，它歪曲了测量结果。为了提高测量结果的可依赖程度，应针对各种误差的来源和特点，采取适当的措施进行防范，并对测量结果进行必要的处理，尽可能减小误差对测量结果的影响。（4）用数字方式表示测量结果时，要根据要求确定有效数字位。不可随意更改测量结果的有效数字位。在对多余数字位进行删略时，必须遵循数字的舍入规则——“四舍五入”；对数据进行近似运算也要遵循一定的规则。（5）介绍了通用电子测量仪器的分类方法及电子测量仪器的误差——固有误差、工作误差、稳定误差等。

练习题1

1.什么是电子测量?下列两种情况是否属于电子测量?为什么?（1）用水银温度计测量温度；（2）利用传感器将温度变为电量，通过测量该电量来测量温度。

2.电子测量的主要内容有哪些?电子测量有什么特点?

3.在测量电流时，若测量值为100mA，实际值为98.7mA，则绝对误差和修正值各为多少?若测量值为99mA，修正值为2mA，则实际值和绝对误差又各为多少?

4.用量程为10mA的电流表测量实际值为8mA的电流，若读数是8.15mA，试求测量的绝对误差、示值相对误差和引用相对误差。

5.若测量8V左右的电压，有两只电压表，其中一只量程为100V、0.5级；另一只量程为10V、2.5级。问选用哪一只电压表测量比较合适?

6.用0.2级100mA的电流表和2.5级100mA的电流表串联测量电流，前者示值为80mA，后者示值为77.8mA。（1）如果把前者作为标准表校验后者，则被校表的绝对误差是多少?应当引入的修正值是多少?测得值的实际相对误差为百分之几?（2）如果认为上述结果是最大绝对误差，则被校表的准确度应定为几级?

7.根据误差的性质可将误差分为哪几类?各有何特点?分别可以采取什么措施减小这些误差对测量结果的影响?

8.将下列数据进行舍入处理，要求保留三位有效数字。

86.372 4；3.175；0.000 312 5；58.350；54.79；210 000；19.99；33.650 1

9.改正下列数据的写法：

480kHz±2.6kHz；318.43V±0.4V

10.根据数据近似运算法则，计算：

11.通用电子测量仪器大致可分为哪几类?

12.电子测量仪器有哪些误差?

第2章 测量信号产生与仪器应用

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案例1 函数信号发生器在测量放大电路中的应用

信号发生器通常称为信号源，在科研、生产、使用、测试和维修各种电子元件、部件及整机设备时，都需要信号源提供激励信号。由信号发生器产生不同频率、不同波形的电压和电流信号加到被测器件、设备上，然后用其他仪器观测其输出响应。

信号发生器提供符合一定电子技术要求的电信号，其波形、频率和幅度都是可以调节的，并可准确读出数值。在电子测量中，信号发生器是最基本、应用最广泛的测量仪器。其功能主要如下。（1）作为电气设备的激励信号源。（2）作为仿真信号，用于在设备测量中产生模拟实际环境特性的信号，如对于干扰信号进行仿真。（3）作为校准信号源，产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准或对比。

下面通过信号发生测试电路的放大倍数引入本章课题。

在电子电路实验中，经常使用的电子测量仪器有信号发生器、示波器、直流稳压电源、电子毫伏表和放大电路等。它们和万用表一起完成对放大电路的静态和动态工作情况的调试和测试。实验中要对各种电子仪器进行综合使用，可按照信号流向，以连线简捷、调节顺手，观察和读数方便等原则进行合理布局，各仪器与被测实验装置之间的布局和连接如图2-1所示。图2-1 信号发生器的应用连线图（1）按图连接好电路，如图2-1所示。（2）打开放大器的稳压电源，用电压表调试好放大器的静态工作点。（3）打开信号发生器，调节信号发生输出需要的信号（这里输出正谐波）及其相应的参数。（4）微调放大器的静态工作点和输出信号的幅度值，使放大波形没有失真。（5）读出两个毫伏表的度数，即输入和输出信号的电压数值。（6）根据两个毫伏表的度数，由计算出放大电路的放大倍数。

这里只是介绍了信号发生器的一个简单应用，在实际中信号发生器的应用极为广泛，希望大家认真学习本章内容。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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