电子测量

教材：电子测量 蒋焕文 第3版 中国计量出版社；电子测量原理知识点总结，包括测量误差及数据处理、示波测试和测量技术、信号的产生、时间与频率测量、电压测量等。

电子测量

第一章：绪论

基本概念

测量

定义

狭义

为了确定被测对象的量值而进行的实验过程

广义

测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量

计量

定义

利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量

特征

统一性

准确性

法制性

与测量关系

1

计量的任务是确定测量结果的可靠性。

计量是测量的基础和依据。

没有计量，也谈不上测量。

计量和测量相互配合，才能在国民经济各个领域发挥重要作用。

2

测量发展的客观需要才出现了计量。

测量是计量应用的重要途径。

没有测量，计量将失去价值。

为了保证测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校准，这个过程就是计量。

基准和标准

基准

一级基准（主基准、国家基准）

二级基准（副基准）

三级基准（工作基准）

标准

一级标准

二级标准

三级标准

电子测量

定义

广义

利用电子技术进行的测量，物理信号转化为电信号

狭义

在电子学中测量有关电的量值

特点及应用（了解）

内容

1. 电能量

各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等

2. 电路参数

电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等

3. 电信号特征

信号、频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数字信号的逻辑状态等

4. 电子设备性能

放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数

5. 特性曲线

幅频特性曲线、晶体管特性曲线等

第二章：测量误差及数据处理

测量误差

基本概念

定义

来源

仪器误差

影响误差

理论误差及方法误差

人身误差

测量对象变化误差

表示方法

绝对误差

定义

测量所得值-真值

有大小，又有符号和量纲

修正值

与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反

相对误差

1. 相对真误差

只有大小和符号，没有单位。

2. 实际相对误差

实际值代替真值

3. 示值相对误差

测量值代替真值

4. 分贝误差

测量值取分贝-真值取分贝

或：相对真误差+1，再取分贝

满度相对误差 （引用相对误差）

定义

测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值－下限值）之比来表示的相对误差

电工仪表等级

我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大满度相对误差γm max不超过S%

测量点的最大相对误差

指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域

例

测量误差：绝对误差/真值

分类

系统误差

定义

对同一个被测值在相同条件下进行重复测量、误差的绝对值和符号（大小和方向）不变，或在条件改变时按某种确定规律而变化的误差。

特点

测量条件不变，误差为定值，

用多次测量取平均值的办法不能改变或消除

测量条件改变时，误差也随之遵循某种确定的规律而变化，

具有可重复性

计算方法

分类

恒定系差

变值系差

累进性系差

周期性系差

复杂规律变化系差

随机误差

定义

在实际相同的条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号以不可预定的方式[有时大(小)，有时为负(正)]变化着的误差称为随机误差。（没规律、不能预先确定）

特点

1. 对称性

正负值出现的几率相等

2. 有界性

3. 单峰性

4. 抵偿性

求平均值，可以让两侧抵消

求均值次数够多，足够准确

计算方法

粗大误差

定义

一定条件下测量结果显著地偏离其实际值时所对应的误差

在数据处理时，应剔除掉

产生原因

估计与处理

系统误差

判断准则

马列科夫（累进性系差）

阿贝准则（周期性系差）

消除方法

生产系统根源

修正方法

随机误差

统计特性

分布规律

数学特征

数学期望

方差

标准偏差

意义

正态分布

非正态分布

均匀分布

减少方法

粗大误差

判断准则

莱特准则

格拉布斯准则

测量不确定度

概念

来源

分类

标准不确定度

A类

可用统计学方法来进行分析计算

不可等同于系统误差

用贝塞尔公式计算

B类

除A以外

不可等同于随机误差

用置信区间半宽度计算

合成标准不确定度

扩展不确定度

相对不确定度

误差与不确定度的区别

测量数据处理

第三章：示波测试和测量技术

概述

分类 （按对信号处理方式）

模拟示波器：采用模拟方式

数字示波器：对信号进行数字化处理后再显示

CRT显示原理

阴极射线管组成

电子枪

灯丝、阴极、栅极、阳极

辉度控制：调节电子束强度，以控制光点亮度

偏转系统

垂直偏转系统、水平偏转系统

Dy'：示波管的Y轴偏转因数（偏转灵敏度）

单位V/cm

越大越灵敏

荧光屏

余辉效应：电子束停止轰击时，光点仍能保持一定时间

波形显示原理

扫描：光点在锯齿波作用下扫动的过程

左到右：扫描正程

右到左：扫描回程

扫描电压与被测同步：

扫描的后一个周期描绘的波形与前一个周期完全一样

扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy

Y轴加被观测的信号，X轴加扫描电压

连续扫描和触发扫描

连续扫描

选择扫描周期T等于脉冲重复周期Ts时，难以看清脉冲波形的细节

选择扫描周期T等于脉冲底宽τ时，观测者不易观察波形，而且扫描的同步很难实现

触发扫描

扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工作状态

增辉概念

在扫描正程期间，给示波器增辉。使得回扫轨迹相对显示波形看不出来

通用示波器

组成

垂直通道

输入电路

输入耦合器

输入衰减器

前置放大

延迟线

作用：把加到垂直偏转板上的电压延迟但不失真

γ输出放大器

水平通道

触发电路

触发源

触发极性选择

触发电平选择

扫描发生器环 （时基电路）

组成

积分器

密勒积分器

扫描闸门

控制积分器扫描

起正程加亮作用

使双踪示波器工作于交替状态

比较释抑电路

扫描方式选择

连续扫描

触发扫描

水平发生器

选择X轴信号，并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度

数字存储示波器

组成原理

实时工作模式

与模拟示波器相同

存储工作模式

存储阶段

将模拟信号转换成数字化信号

显示阶段

读出转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板

工作方式

触发工作方式

常态触发

预置触发

测量与计算工作方式

面板按键操作方式

采样存储

采样方式

实时采样

定义

在信号实际经历时间内完成全部采样

原理

对波形进行等时间间隔取样，按照先后次序进行A/D转换并存入存储器中

特点

优点：对观测单次出现的信号十分有效

缺点：被测信号频带宽度受限

非实时采样

定义

经过若干次信号波形后才能完成采样

原理

对输入信号进行跨周期采样，通过若干周期对波形不同点采样，经过保持延长后得到

特点

优点：易于利用不同样本取得结果

缺点：不能观测单次高频信号

主要技术指标

分辨率

垂直偏转因

水平偏转因

示波器的基本测试技术

直流电压测量

交流电压测量

周期、频率测量

时间间隔测量

双踪示波器相位差测量

李沙育测量频率比及相位差

第四章：信号的产生

信号源概述

作用

激励源

信号仿真

标准信号源

组成

分类

性能指标

频率特性

输出特性

调制特性

信号发生器

正弦信号发生器

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

方波

三角波

正弦波

锁相频率合成信号的产生

频率合成基本概念

原理

石英晶体代数运算（倍频、分频、混频）、滤波等，最后端口输出

分类及特点

1. 直接模拟频率合成

通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频率信号并用窄带滤波器选出

传统方法

优点

由模拟器件构成，频率切换迅速

缺点

体积大，不便集成

2. 锁相式频率合成

一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环(PLL)把压控振荡器(VCO)的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成不同的频率

优点

1. 良好的窄带跟踪特性

2. 频率的准确度较高，具有较好的短期、长期的频率稳定度

3. 锁相环模块化、小型化，易于集成

缺点

频率转换时间较长

3. 直接数字合成（DDS）

基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产生所需频率的正弦信号

单位圆对应相位

构建正弦信号的频率与取点多少有关

优点

能实现快捷变换和小步进

集成度高，体积小

缺点

频率上限低，杂散也较大

锁相环（PLL）的基本概念

工作原理及性能

组成

鉴相器PD

检测输入信号与输出信号的相位差，并将电相位差信号转换成电压信号输出

环路（低通）滤波器LPF

将杂波信号（高次信号等）滤除，以保证环路所需性能，增加系统稳定性

压控(电压控制)振荡器VCO

其输出频率受控制电压vc的控制，使频率振荡器的频率向输入信号频率靠拢，直至消除频差而锁定

基准晶体振荡器

工作过程

1.没有vc时，VCO的自由振荡频率称为它的固有频率，与fi之差称为固有频差

2.加上vc时，锁相环闭合，VCO的输出频率向fi靠拢，称为频率牵引

3.再经过短暂的时间（称为快捕阶段）就达到稳定

时间不够短，通常为毫秒级

锁定时的特点

1. 鉴相器的两输入信号频率相同

2. 两输入信号的相位差为常数

3. 鉴相器的输出基本上是直流

常被用作锁定指示

性能指标（了解）

同步带宽

锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围

捕捉带宽

环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许的频差

环路带宽

锁相环的频率特性具有低通滤波器的传输特性，其高频截止频率称为环路带宽

基本形式

1. 倍频式

谐波倍频环

数字倍频环

2. 分频式

谐波分频环

数字分频环

3. 混频式

相加环

相减环

4. 多环合成单元

双环合成器

原理结构框图

简化结构框图

直接数字合成技术

直接数字合成(DDS)基本原理

DDS输出频率计算

第五章：时间与频率测量

基本概念

时间定义

时刻

时间间隔

频率定义

周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）

时间与频率的关系

可以互相转换

时间频率的特点

时间与频率标准

原始时标

天文时标

原子时标

石英晶体振荡器

定义

电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源

指标

输出频率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz

日波动:2×10-10；日老化:1×10-10；秒稳:5×10-12

输出波形:正弦波；输出幅度:0.5Vrms(负载50Ω)

电子计数器

分类

功能分类

1. 通用计数器

2. 频率计数器

3. 时间计数器

4. 特种计数器

测量范围分类

1. 低速计数器（低于10MHz）

2. 中速计数器（10~100MHz）

3. 高速计数器（高于100MHz）

4. 微波计数器（1~80GHz）

指标

1. 频率或时间测量范围：uHz~GHz；us-107 s。

2. 准确度：可达10-9以上。

3. 晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（10倍）。输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达10-7~10-9。

4. 输入特性：包括耦合方式（DC、AC）、触发电平（可调）、灵敏度（10~100mV）、输入阻抗（50 Ω低阻和1M Ω//25pF高阻）等。

5. 闸门时间(测频)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。

6. 时标(测周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。

7. 显示：包括显示位数及显示方式等。

电子计数器基本原理

门控计数法原理

fx=N/T

测频原理

原理

闸门时间Ts=1s，若计数值N=10000，则显示的fx为“10000”Hz，或“10.000”kHz。如闸门时间Ts=0.1s，则计数值N=1000，则显示的fx为 “10.00”kHz。

原理图

提高分辨力方法

闸门时间Ts为频率测量的采样时间，Ts愈大，则测量时间愈长，但计数值N愈大，分辨力愈高。

测周原理

原理

对被测周期Tx，用已知的较小单位时间刻度T0（“时标”）去量化，由Tx所包含的“时标”数N即可得到Tx。

原理图

提高分辨力方法

Tx愈大(频率愈低)则测量时间愈长；计数值N与时标有关，时标愈小分辨力愈高

测周测频误差分析

误差来源

量化误差

定义

由前述频率测量fx=N/Ts=Nfs和周期测量Tx=NT0，可见，由于计数值N为整数，fx和Tx必然产生“截断误差”，该误差即为“量化误差”。也称为“±1误差”

公式

触发误差

定义

若输入被测信号叠加有干扰信号，则信号的频率（周期）及相对闸门信号的触发点就可能变化

公式

标准频率误差

定义

机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参考基准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因此，其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。

公式

标准频率误差小于测量误差的一个数量级。

测频误差分析

误差表达式

误差曲线图

量化误差影响

测周误差分析

误差表达式

量化误差影响

减少计数误差的措施

内插扩展法

若T1、T2均扩展k倍，采用同一个时标（设为τ0）分别测量T0、kT1、kT2，设计数值分别为：N0、N1、N2

游标法

利用相差很微小的两个量，对其量化单位以下的差值进行多次的叠加，直到叠加的值达到一个量化单位为止

调制域分析

调制域概念

由频率轴(F)和时间轴(T)共同构成的平面域

测量仪器

通用计数器的其他功能

频率比测量

原理

方法

原理图

时间间隔测量

原理

方法

原理图

极性电平选择

分类

脉冲参数（同一波形）

相位差（两个波形）

第六章：电压测量

概述

电压测量意义特点

电压测量重要性

电压表分类

技术指标

显示位数

量程

分辨力

分辨率

测量精度

直流电压数字化测量及A/D转化

数字电压表组成及应用

A/D转换器分类

双积分式A/D转换器

基本原理

原理图

推导过程

特点

优点

缺点

Sub

交流电压测量

基本参量

峰值

平均值

有效值

波峰因素

波形因素

A/D转换原理

峰值检波电路

平均值检波电路

有效值检波电路

模拟运算法

数字采样式

热点转换式

显示特性

平均值电压表

原理

计算

峰值电压表

原理

计算

模拟式交流电压表

检波放大式

峰值电压表

放大检波式

平均值电压表

电平表

分贝

功率电平

电压电平

绝对电平

绝对功率电平

绝对电压电平