作者：陈永甫
出版社：电子工业出版社
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轻松学同步用常用电子测量仪器使用(双色)试读：
前言
随着科技的发展，尤其是电子技术的迅猛发展，人们身边的电子、电气产品越来越多。这些产品的大量生产和广泛应用离不开电子测量仪器的支撑，同时企业对各层次电子测量人才的需求日益彰显。《轻松学同步用常用电子测量仪器使用》一书就是在这种需求背景下编写的。
本书参照国家对高等职校、中专职业教学计划中的《电子测量教学大纲》和《电子测量技能和训练教学大纲》进行编写，具有以下特点。（1）按照仪表的功能类型分章编写，每章内容主题鲜明，同一功能类型的仪表各选一个具有代表性的模拟式仪器和数字式仪器进行介绍、对比，并凸显其各自的应用特点。（2）为使读者尽快建立基本测量概念和掌握测量的基础知识，对仪器原理的介绍，以仪器的电路结构框图进行定性分析为主，对具体电路尽量避免冗长的分析和烦琐的数学推导，突出了测量仪器的应用性能和操作技能。（3）在电子测量仪器的选型上，尽量考虑具有典型性和性价比较高的通用仪表，对同类型的仪表能起到举一反三、触类旁通的作用。（4）在编写上，按照由浅入深的认知规律，以简洁通俗的语言和图文结合的形式，简明扼要地阐明必须掌握的核心内容和操作要点。（5）同步自测练习题及参考答案。每章末均配有同步自测练习题，它涵盖了本章的各主要知识点和应用要点，理论紧密联系实际，即学即用，章尾附各题答案，解题思路清晰，解题过程完整，答案精准，便于读者自学。
本书由陈永甫编著，参与编写的还有谭秀华，王文理，龙海南，张梦儒等。由于电工电子技术发展极为迅速，限于作者水平，书中难免存在不足之处，诚请专家和读者批评指正。编著者2014年4月于紫园关于书中相关栏目的说明
◆各章知识结构：每章始页绘出了该章的知识结构图，它概括了该章的知识内容、重要定理、推理、公式和主要知识点。读者只需浏览片刻，就能迅速地了解该章的重要知识点，理清各知识点之间的脉络联系及体系结构。
◆要点：位于每节的开始，点明该节的实质内容或结论，以便于读者了解所讲述的中心内容和精髓所在。
◆基本内容：本节的主要部分，对“要点”点明的内容进行详细介绍或系统论证，突出基本概念和基本定律，语言通俗，易学易懂。
◆例题：结合内容，列举典型例题，以有助于深入理解课程内容，消化所学知识，并从中学习解决问题的方法，提高分析问题的能力。
◆相关知识：穿插于各章节之中，对与所讲内容相关的知识或连带的技术（信息）做扼要说明或介绍，加强知识间的链接，拓宽知识面。
◆应用知识：穿插于各章节中，结合书中内容，联系实际，列举应用实例或典型现象，进行简短说明或分析，学用结合，提高读者的应用能力和动手制作能力。
◆图表的使用：为了便于理解所讲内容，书中安插了大量配图，图形绘制精细，表达确切，图文结合，易学易懂；书中也配备了大量数据表格，资料来源确切、翔实，可直接用来进行电路计算或工程设计。
◆解题提示：对有代表性的例题和较难的练习题，从分析其题意（或电路模型）、给定条件和求证（结果或结论）之间的关系入手，引导读者分析前因后果关系，理清解题思路，找出问题的症结所在，给出解决问题的方法。
◆题后分析：有些习题可能有多解或思路不同的解法（或做法）。题后进行讨论、分析、比较，一者引导读者广开思路，找出最简解法（或做法），提升综合分析能力；二者通过归纳解题技巧和做题方法，提高读者解题的思维技巧，巩固所学，做到融会贯通，达到触类旁通的功效。 第1章 电子测量本章知识结构1.1 电子测量基础知识
要点
测量是以确定被测对象的量值进行定量的操作过程。
电子测量是以电子技术理论为依据，以电子测量仪器仪表为工具，对各种电量、电信号及电路（或网络）的传输特性进行测量。电子测量是测量领域的一个重要分支。本节主要介绍电子测量的基本知识、电子测量的内容、电子测量的基本方法等。1.1.1 电子测量的内容
何谓电子测量
测量是以确定被测对象的量值为目的的操作过程。量值是指由数值和计量单位的乘积所表示的量的大小。电子测量是泛指以电子技术为基本测量手段的一种测量。电子测量的被测对象范围很广，小至基本粒子、物质结构，大到宇宙探测、航天测控。本书是为初涉电子仪器仪表使用的读者编写的，主要介绍以下几种测量。
测量内容
1.电能量的测量
基本电能量的测量包括电压、电流和功率等的测量。
2.电路元器件参数的测量
元器件参数的测量，包括电阻、电容、电感、半导体二极管、三极管、集成器件、品质因数等。
3.电信号参数的测量
电信号参数包括信号波形、幅度、频率、相位、周期、失真度、调制度等。
4.电路（或网络）性能的测量
电路（或网络）性能包括电路增益（网络衰减）、通频带、灵敏度、失真度等。
5.特性曲线的测量或显示
特性曲线的测量包括时域测量和频域测量。时域测量是指测量被测量随时间的变化规律，例如，用示波器显示被测信号的瞬时波形、信号的幅度、信号宽度、上升沿和下降沿等参数；频域测量是指测量被测量随频率的变化规律，例如，用频谱分析仪来分析被测信号的频谱、测量放大器的幅频特性等。1.1.2 电子测量的特点
电子测量特点
电子测量是以电子技术理论为依据，以电子测量仪器、仪表为手段，对各种电量、电信号、电路元器件或网络的特性和参数进行测量。与其他测量相比，电子测量有如下特点。
1.测量量程范围大
量程宽
由于被测对象的量值大小相差大，电子测量仪器应具有足够大的量程范围，例如，一台高灵敏度大量程的数字式万用表，能准确测出-910nV～10kV的电压，量程达12个数量级（1nV=1×10V，31kV=10V）。
2.测量精确度高
精确度高
电子测量仪器的测量精确度，在许多情况下比其他测量的精确度高。例如，对时间频率的测量，在采用原子频标和原子秒作为基准后，-13-14使时间的测量精确度达到10～10数量级。
3.测量频率范围宽
频率宽
目前可供使用的信号发生器中，有超低频信号发生器，可低至-510Hz至直流，还有低频、高频、超高频信号发生器，直至高达61210MHz的（即10Hz）的信号发生器。在这样极宽的频率范围内，对于不同的频段，电子测量所依据的原理和测量技术、测量方法是不同的。
4.测量速度快
速度快
电子测量可综合电子技术、自动化技术和计算机辅助技术，使测量手段、测量效果最优化，对测量数据实施高速处理，其测量速度远比其他测量方法速度快。
5.易实现测量的自动化、智能化、遥控和遥测
通过多种传感器技术，采用有线或无线传输方式，可实现人体不便接触或难以到达的场合或领域（如高温炉、核反应堆、深海、航天、宇宙星空等），利用遥测、遥控及自动化技术和数据处理技术，实现自动记录、分析和数据处理，构成一个自动化测量系统。
基于电子测量的上述特点，这种测量技术得到了广泛的应用。但电子测量存在易受干扰及误差处理较复杂等缺点，电子测量技术水平还有待进一步的发展和完善。1.1.3 电子测量的基本方法
测量手段及测量方法
由于被测对象的物性不同、状态各异，故电子测量的测量原理、测量方法及测量手段也呈多样性。
根据测量手段的不同，分为直接测量、间接测量、比较测量和代换测量等；根据测量性质的不同，分为时域测量、频域测量和数据测量；根据被测量在测量过程中是否变化，分为动态测量和静态测量；根据工作频率的不同，分为低频测量、高频测量和微波测量等。
1.测量手段不同的测量方法
为了实现测量的准确性和有效性，正确选择测量方法是极其重要的。根据测量时所采取的测量手段，电子测量的方法可分为以下4种。
常用测量方法
1）直接测量法
顾名思义，直接测量法是一种直接得到被测量值的测量方法。凡是用预先按已知标准量标定好的测量仪器，对被测物直接进行测量并通过测量仪表盘的刻度或标尺直接得出测量结果。例如，用磁电式电压表测量电压，用功率表测功率，用转速表测量转速等。
直接测量法的优点：测量过程简单、快捷，在工程测量中被广泛采用。
2）间接测量法
间接测量法与直接测量法不同，它是利用直接测量的量与被测量之间已知的函数关系，得到被测量值的测量方法。例如，欲求得电路中已知其电阻值的电阻R上所消耗的功率P，身边又无功率计，通过2测出电阻R两端的电压降U，根据功率关系式P=U/R，便可求出功率P。
间接测量法通常在被测物不便使用直接测量法，或缺乏直接测量的仪表，或嫌直接测量法的测量误差大的情况下采用。
3）比较测量法
比较测量法
比较测量法是一种在测量过程中，将被测量与标准量直接进行比较从而获得测量结果的方法。比较测量的特点是量具直接参与测量过程。例如，用直接单臂电桥采用比较式仪表就可用来精密测量1～610Ω的各种导体电阻的阻值。
根据被测量与标准量（标准量具之值）的比较方法不同，比较测量法又分差值法、零值法、替代法和重合法。
比较测量法的准确度高，但操作较烦琐，一般常用于精密测量和仪表检验。
4）组合测量法
组合测量法也称联立测量法
组合测量法是一种将直接测量和间接测量两者兼用的测量方法。在有些测量中，被测量与多个未知参数有关，可以通过改变测量条件，将各被测量参数以不同的组合形式出现，通过多次测量，然后根据被测量与未知参数之间的函数关系列出方程组，通过解联立方程而求出被测量参数的值。故这种组合测量法又称为联立测量法。
组合测量法的测量过程较冗长、复杂，但容易达到较高的准确度，使用计算机求解比较方便且省时，这种精密测量方法很适用于科学实验或特定测试。
应用举例20例1.1 组合测量求解导体电阻的温度系数α、β和室温电阻R。为了测量导体电阻的温度系数，需利用电阻值与温度间的关系公式20
式中，α、β为电阻的温度系数；R为电阻在室温（20℃）时电阻值；t为测量时的温度。20123
为了测出R、α、β，采用改变测试温度的方法。在t、t、t三ttt123种温度下，分别测出与之相对应的电阻值R、R和R，将各测量值代入式（1-1），得到如下联立方程：20
解此联立方程，则可求得R、α和β。
2.测量方法的选择
如何选定测量方法
由于人们对物象的客观规律的认识存在局限性，或使用的测量工具不准确，或采用的测量手段、方法不合理，导致测量工作进展缓慢或测量结果不准确，达不到预期的测量目的。为了实现测量目的，正确地选择测量方法是极其重要的。在测量任务（目标）确定后，应根据被测物的特点（如大小、物性、稳定性能、动态特性、测量环境、测量空间、测量时限等）、测量所要求的准确度、测量周围环境及进行测试的测量仪器设备完善情况等进行考虑，选择正确的测量方法和合适的测量仪器。在综合考虑并确定初步方案后，应制订可行的测量实施计划，科学有序地进行测试，以达到测量的目的。1.2 测量误差
要点
测量的目的就是获得被测量的真值。所谓真值，就是被测对象的物理量本身所具有的真实数值。研究误差的目的，在于找出误差产生的根源、误差的性质和特点，合理制定测量方案，正确选择测量方法及测量仪器。测量误差的表示方法主要有四种：绝对误差、相对误差、满度误差和分贝误差。1.2.1 真值与测量误差
何谓真值
1.真值的概念
通过上面的讨论已明确：测量是确定被测对象量值为目的的操作过程。当某被测量在排除所有测量上的缺陷并被完善地确定时，通过严格地测量所得到的量值称为真值（truevalue）。一个被测量的真值，是被测物本身所具有的真实数值，它是一个理想的概念。
真值是客观存在的，但实际上是难以准确测量出来的。
2.测量误差
在实际测量时，由于人们对被测量的客观物性的认识的局限性、测量器具不准确、测量手段不合理或不完善、测量环境或测量条件的变化、测量过程中的错误或人为差错等原因，都会导致所测量的量值与真值不同。被测量的量值与真值的差异称为测量误差（measurementerror）。实际测量中，测量误差是很难避免的。我们在测量时，要做的是尽量将测量误差降至最小或限制在允许的范围内。
测量误差定义
测量误差ε可表示为
式中，M为实际测试值；T为真值。0
误差百分数ε表示为1.2.2 测量误差产生的原因
测量误差的产生是测量过程中各种因素综合作用的结果。误差主要来自以下六方面。
误差来源有六方面
1.理论误差
理论误差是指由理论或经典公式计算出的数值与真值之间的差异。例如，一个平行板电容器理论电容量c为0r0
式中，ε为电介质的介电常数，ε=εε；ε为真空（空气）中的介r电常数；ε为电介质的相对介电常数；s为电容器的极板面积；d为两极板的间距。
实际上，由于极板（不是无限大）的边缘效应，使平行板电容器的实际容量与理论容量存在误差。
理论误差的原因
导致理论误差的原因，有的是在测量时所依据的理论不严密或采用了不适当的简化，用近似公式或近似值计算测量结果时带来的误差。
2.仪器误差
仪器误差是由于电子测量仪器本身性能不完善所引起的误差，例如，由于仪表刻度不准、调节机构不完善等造成的读数误差；由于仪器老化、环境改变等原因导致的稳定性误差；由于年久维护不良或不校准等计量不准造成的误差。
3.方法误差
测量方法不合理
由于测量方法不合理所造成的误差，称为方法误差。例如，用低内阻的普通万用表去测量高内阻回路的电压，由于万用表内阻低而引起的误差。
4.环境误差
环境误差也称为影响误差，它是由于周围的环境因素与测量仪表所要求的条件不一致所造成的误差。例如，温度、湿度、大气压强、电磁场变化等影响因素而引起的测量误差。
5.人身误差（人为误差）
人为误差
由于测量者的分辨能力弱，或久坐久测带来的视神经疲劳、反应速度慢，或坐姿歪斜、斜视，或思想不专注、不良习惯招致的读错、计错等而引起的误差称为人身误差，又称人为误差。
6.使用误差（操作误差）
操作误差
使用误差是由于测量者对测量仪器操作不当而造成的误差，故又称为操作误差。例如，仪器说明书要求测量前应进行预热而未预热；仪器使用前对仪表盘应进行校准而未校准；用示波器测量信号幅度前应进行幅度校准而未校准；有些仪表使用时要求水平放置而垂直放置等。
以上从六方面讨论了测量误差的来源，也说明测量误差是客观存在的，在一定条件下测量误差是不可避免的。我们寻找误差来源的目的，在于通过各种途径和方法减小误差，使测量值尽可能地接近被测物的真值。1.2.3 测量误差的表示方法
常用的测量误差有三种
测量误差常见的表示方法有三种，即绝对误差、相对误差和引用误差。
1.绝对误差
1）绝对误差定义0
绝对误差是指被测量的测量值x与其真值A的差值，即
Δx的定义
式中，Δx为绝对误差；x是测量所得到的量值。00
前面已经提到，真值A是很难得到的，通常用实际值A来代替A，即0
用A代替A
在实际测量中，常把高一等级的计量标准仪所复现的量值作为约定真值。
举例说明
如何提高测量准确度
例如，用普通电压表测得某电路上的电压为10V，而用准确度高一挡的电压表测该电压为9.8V，那么被测电压的绝对误差为
上面的例子说明，普通仪表测得的值存在一定偏差，可通过准确度更高的仪表进行校验修正。通常通过加修正值的办法来提高测量的准确度，这里只须在普通仪表测得的10V上进行-0.2V的修正，得到的9.8V就是较准确的值，本例的修正值为-0.2V。
2）修正值
修正值通常用符号C表示，它正好与绝对误差大小相等但符号相反，即
一般仪表的测量准确度，通常要用准确度较高的仪表来检验修正，或通过计量检定，由上一级标准给出其修正值。
利用修正值C和测得的量值x，便可得到被测量的实际值A为
上面用普通电压表测出的x=10V电压，经修正后的被测电流的实际值A为
举例说明
可见通过加修正值的办法，能提高测量的准确度。
2.相对误差
上面介绍的绝对误差，虽然有计量单位，但还不能用它来说明测量的准确程度。为了更确切地反映出测量质量，应使用相对误差来表示。
相对误差定义
相对误差能反映测量的准确程度，是指测量的绝对误差与被测量的约定值之比，常用百分数表示。约定值可以是实际值、示值或仪表m的满量程值x。A
1）实际相对误差rA
实际相对误差r是指绝对误差Δx与被测量的实际值A的百分比，即
在前面用电压表测电压的例子中，Δx=0.2V，A=9.8V，则实际相对误差x
2）示值相对误差r
示值是指被测量的测得值，它包括测得值、标准值、计算的近似值等。
示值相对误差定义
示值相对误差定义：绝对误差Δx与被测量的示值x的百分比，即
在上面的例子中，Δx=0.2V，x=10V，则示值相对误差为m
3.满度相对误差（引用误差）r
满度误差定义
满度相对误差也称为引用误差或满度误差，是指测量仪表量程内mm的最大绝对误差Δx与满量程值x的百分比值，即
满度误差一般用于刻度连续的仪表，特别适用于电工仪表。
设仪表准确等级为S，根据准确度表达式，仪表在参比条件（标准条件）下测量时，测量时可能出现的最大绝对误差为
最大绝对误差m
式中，±k%为仪表等级S对应的基本误差；x为仪表的上限值。
那么，用该仪表对某一被测量x进行测量时，可能出现的最大相对误差为
最大相对误差
式（1-14）表明，当仪表准确度给定时，被测量x越小，测量结果的相对误差就越大。因此，在选择仪表的量程时，应使示值（指针指示值）应尽量靠近满度值，一般应使示值指示在仪表满刻度值的2/3以上的区段。
国内电工仪表的准确度分级
应用知识
我国电工仪表准确度的等级标准分为七个级别：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。这些准确度是按照满度相对误差来划分的，准确度等级常用S表示。例如，S=0.5级的电表，就表明其满度相对误m差r≤±0.5%，便在其仪表盘上标上0.5级的标志。各级仪表允许的基本误差如表1-1所示。
电工仪表的准确度分级表1-1 各级仪表允许的基本误差
应用举例例1.2 一块标示为S=1.5级的电压表，其满度值为100mA。若用100mA的量程来测量电路中三个大小不同的电流，其测量值分别为123x=100mA，x=60mA，x=20mA。试求三种不同电流情况下的绝对误差和示值相对误差。由式（1-12）求出满量程的绝对误差
三种电流示值情况下的示值相对误差分别为【题后分析】（1）该例题计算表明，用同一量程测量出的大小不同的电流值时，测得的示值越小，则示值相对误差越大。（2）这说明：仪表盘标示的准确度不是测量结果的准确度，只有在示值与满度值相同时，两者才相等，才准确。
如何减小示值误差（3）提示仪表使用者：为了减小测量中的示值误差，在进行量程选择时，应尽量使测出的示值接近满度值，建议其示值最好选在满度值的2/3以上的区段。
4.分贝误差
1）“电平”的概念
何谓电平
在电信网络和无线电工程中，在比较网络或电路中前后两个电量的相对大小时，常常使用“电平”一词，并以“分贝”（dB）作为度量单位。iioo
在图1-1所示的放大器和传输网络框图中，P、u和P、u分别表示输入和输出的信号功率及电压。它们的功率放大倍数和电压放大倍Poiuoi数常用A=P/P和A=U/U来表示。图1-1 放大器和传输网络示意图
在电信工程中，通常用“电平”来表示电量（电功率或电压）相oi对大小的量。将P/P取以10为底的常用对数，则电平的单位为贝尔（Bell是以电话发明家贝尔命名的）即
贝尔定义
2）分贝（dB）的命名o
式（1-16）中的Bell（贝尔）单位太大，例如，功率比P/iP=1000，其电平[P]=3Bell，在放大器（一般为弱信号电路）和通信网络中使用很不方便，因此常以它的十分之一作为单位，并命名为分贝（dB，英文deciBell的缩写），即
工程上常用dB
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