1、电子测量与仪器福建信息职业技术学院精品课程 课程目录第1章 电子测量和仪器的基本知识 第2章 信号源第3章 示波测量技术第4章 电压测量第5章 频率、时间和相位的测量第6章 频域测量技术第7章 电子元器件参数测量 第1章电子测量与仪器基本知识返回课程目录内容提要本章主要介绍学习本课程必备的基本知识。本章内容主要有：电子测量的内容、特点和基本方法；测量误差的来源、分类和表示方法；有效数字的概念和测量结果的处理；电子测量仪器有关知识。1.1测量及其意义测量定义：测量是为了获取被测量对象而进行的实验过程。测量结果=数值+相应的单位 注意：无单位的量值无意义。测量意义：测量是发现新问题、提出新理论的依
2、据；科学的进步和生产的发展与测量技术手段的发展和进步是相互依赖、相互促进的。1.2 电子测量的意义和特点电子测量：即以电子技术为手段的测量。它是衡量一个国家科学技术发展的标志。内容：电能量的测量：如I、U、P等的测量；电路、元器件参数的测量：如R、L、C、Q、D等；电信号特性的测量：如f、T、波形、时间等；电路性能的测量：如放大倍数、衰减量、灵敏度等；特性曲线的测量：如幅频特性、相频特性等。特点：1.测量频率范围宽；2.仪器量程宽；3.测量准确度高；4.测量速度快；5.易于实现遥测；6.易于实现测量自动化和测量仪器微机化。1.3电子测量方法的分类一、按测量方式分类1、直接测量：直接测量是指用已
3、标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值的方法，例如用电压表直接测量电压。2、间接测量：测量某未知量y，必须先对与未知待测量y有确切函数关系的其他变量x（或n个变量）进行直接测量，然后再通过函数计算出待测量y，称为间接测量。如：电功率P的测量。3、组合测量：如有若干个待求量，把这些待求量用不同方式组合（或改变测量条件来获得这种不同的组合）进行测量（直接或间接），并把测量值与待求量之间的函数关系列成方程组,只要方程式的数量大于待求量的个数,可以求出各待求量的数值，这种方法叫组合测量或联立测量。二、按被测信号性质分类1、时域测量：测量被测量对象在不同时刻的特性，这时把被测量对象看成时间的函数；
4、2、频域测量：测量被测量对象在不同频率时的特性，这时把被测量对象看成频率的函数；3、数据域测量：又称数字测量技术，是对数字系统逻辑特性的测量。4、随机测量：随机测试技术是认识含有不确定性的事物的重要手段。最普遍存在、最有用的随机信号是各类噪声。所以随机测量技术又称为噪声测试技术。1.4 测量误差的基本概念一、测量误差的定义 1、真值（A0）:在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。（实际中不可知）2、实际值（A）：根据测量误差的要求，用高一级或数级的标准仪器或计量器具测量所得之值。（实际应用中可代替真值）例：微安电流表相比毫安电流表就是高一级测量仪器。3、示值（X）：被测量的
5、量值。读数：从仪器刻度盘、显示器等读数装置上直接读来的数字。例：用一电流表测量某电流值，量程选择10mA档。刻度盘指示如下图所示：其读数为：8；示值为：8mA4、标称值：被测量上标示的数值。例：电阻器的色环标示其阻值；0108二、测量误差的表示方法 式中的真值A0是一个理想概念，无法得到，实际应用中通常用实际值A来代替真值A0。实际值也称为约定真值。AA1绝对误差1）定义：由测量所得到的被测量值x与其真值A0之差，称为绝对误差，即测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。特点：绝对误差既有大小，又有符号和量纲。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表示为 C
6、=Ax=x 测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。在日常测量中，利用其仪器的修正值C和该已检仪器的示值，可求得被测量的实际值 A=xC。例：某台电流表的修正值由以下表格给出，求示值分别为0.4mA和0.8mA时的实际值各为多少？X/mA0.02-0.04C/mA00.40.8解：A1=X1+C1=0.4+0.02=0.42mA;A2=X2+C2=0.8-0.04=0.76mA2、相对误差意义：相对误差可以更准确地说明测量的准确度。例：测量两个频率值：f 1=1000Hz，f 2=100000Hz,得绝对误差分别为 f 1=1Hz，f 2=1
7、0Hz，问那次测量的准确度更高？解：比较绝对误差可得：f 1 f 2，第一次测量误差较小；但：%01.0%10010000010%100%1.0%10010001%1002211ffff 可见：第二次的误差与实际值相比所占比例比第一次的小，第二次的测量准确度高些。绝对误差与被测量的真值之比，称为相对误差，用表示。分类：1)相对真误差:001000 特点：只有大小和符号，没有单位。真值是不能确切得到的，通常用实际值A代替真值来表示相对误差 00100AxA2)实际相对误差 误差较小、要求不太严格的场合，也可以用测量值X代替实际值A 001003)示值相对误差 实际中，也常用测量仪器在一个量程范围
8、内出现的最大绝对误差xm与该量程的满刻度值（该量程的上限值与下限值之差）Xm之比来表示的相对误差。00100mmm4）满度相对误差（引用相对误差）由上式可知，通过满度误差实际上给出了仪表各量程内绝对误差的最大值。电工仪表就是按引用误差mm之值进行分级的。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引用误差不超过S%。因此，在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。5）相对误差的对数表达形式)1lg(20)1lg(20)1lg(20lg20)1lg(20lg2
9、0)1(lg20)lg(20 xAdBAdBdBdBdBAAxAAxAxAxAx例1：鉴定一个1.5及100mA的电流表，发现在50mA处的误差最大，为1.4mA,其它刻度处的误差均小于1.4mA,问这块电流表是否合格？解：%)5.1%(4.1%1001004.1%100mmmmxx所以：该电流表合格。例2：某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为400mA和1.5级量程为100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？解：用400mA、0.5级电流表，可求得测量的最大误差和相对误差为:用100mA、1.5级电流表，可求得测量的最大误差和相对误差为:0020010010021005.10
10、01001005.12可见.应选1.5级100 mA电流表。mAmAm2400005.01mAmAm5.1100005.121.4.2 测量误差的来源1、仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。2、影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。3、理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。4、人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引
11、起的误差。1.4.4测量误差的分类 1、系统误差：系统误差的定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。2、随机误差：随机误差的定义：在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差。3、粗大误差：粗大误差是一种显然与实际值不符的误差，又称疏失误差。含有粗差的测量值称为坏值或异常值，在数据处理时，应剔除掉。15 测量结果的表示及有效数字一、测量结果的表示测量结果表示为：一
12、定的数值和相应的计量单位。例：40KV、465KHz等。二、有效数字和有效数字位1、定义：对于包含的误差不大于末位单位数字的一半的数，从它最左端一位非零数字起，到最末一位所有数字都称为有效数字。2、知识点：1）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。2）“0”在最左面为非有效数字：3）有效数字不能因选用单位的变化而变化。例：0.1030A 表示含有误差：0.0001/2=0.00005A；有效数字位：1、0、3、0(最左端的0非有效数字)；用mA单位表示：103.0 mA;而不是103 mA,末位的0不能去掉。若保留N位有效数字，N位以后的数字，若大于保留
13、数字末位单位的一半，则舍去的同时第N位加1；若小于保留数字末位单位的一半，则舍去的同时第N位不变；若等于保留数字末位单位的一半，如第N位原为奇数则加1变为偶数，原为偶数不变。即：1）小于5舍去，末位不变；2）大于5进1，在末位增1；3）等于5时，取偶数，则当末位是偶数，末位不变；末位是奇数，在末位增1。例1：将下列数据舍入保留三位有效数字：16.43 16.4 (0.030.1/2=0.05,舍去且往前位增1)16.35 16.4 (0.05=0.1/2,3为奇数，舍去且往前位增1)16.45 16.4 (0.05=0.1/2,4为偶数，舍去)16.4501 16.5(0.05010.1/2=
14、0.05,舍去且往前位增1)38050 (50=100/2,0为偶数，舍去)三、数字的舍入规则41080.3四、数字近似运算规则保留的位数原则上取决于各数中准确度最差的那一项。1、加减规则：以小数点后位数最少的为准（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。2、乘除规则：以有效数字位数最少的数为准，其余参与运算的数字及结果中的有效数字位数与之相等或多保留一位有效数字。例2：进行下列运算：1）2）481.4801.432.0603011.432.021.603原式38.438.424.620.3813.444.620.38213.44原式第2章 信号源 返回课程目录内容提要本章
15、主要介绍了信号源在电子测量中的作用、组成原理和种类。本章内容主要有：正弦信号源的性能指标及基本原理；合成信号源的性能指标及基本原理；函数发生器的组成方案及基本原理；脉冲发生器的原理与组成结构；任意波形发生器简单介绍。21概述1作用信号源的用途主要有以下三方面：（1）激励源；（2）信号仿真；（3）标准信号源。2、分类（按照输出信号的频率分）超低频信号发生器，频率范围为0.0001Hz1000Hz；低频信号发生器，频率范围为1Hz1MHz；视频信号发生器，频率范围为20Hz10MHz；高频信号发生器，频率范围为100KHz30MHz；甚高频信号发生器，频率在30MHz300MHz；超高频信号发生器
16、，频率在300MHz以上。22 正弦信号源 一、正弦信号源的性能指标1频率特性（用以下几项指标来表征）（1）频率范围；（2）频率准确度；（3）频率稳定度 2输出特性（1）输出电平范围；（3）输出电平准确度；（3）输出阻抗。3调制特性 主要包括调制频率，调幅系数等。222 正弦信号源一、低频信号发生器 低频信号发生器频率范围一般为20Hz20KHz，故又称音频信号发生器。功率输出12主振器电压放大器输出衰减器功率放大器阻抗变换器电压输出监测电压表电平调节主振级 作用是产生低频的正弦波信号，一般采用RC振荡 器。是低频信号发生器的主要部件。电压放大级和功率放大级作用：放大隔离。衰减器和匹配器：衰减
17、器：其作用是调节输出电压使之达到所需的值。匹配器：实际为变压器，其作用是使输出端连接不同负载时都能得到最大的输出功率。监测电压表用于监测信号源输出电压或输出功率的大小。二、高频信号发生器 高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz，输出电压在0.1V1V左右，输出阻抗为标准的50（或75）。信号调制方式为：30MHz以下采用调幅方式，30MHz以上采用调频方式。主振级缓冲级调制级可变电抗器输出级监测器内调制振荡器电源外内FMAM输出（1）主振级：产生频率可调的高频正弦信号，一般采用LC振荡电路，信号发生器的频率特性主要有主振级决定。（2）缓冲级：放大主振级输出的高频信号；隔离主振级与
18、后续电路，提高振荡频率的稳定性。（3）调制级：对主振信号调幅，输出调幅信号，满足某些测量需要。（4）内调制信号发生器；输出内调制信号，频率为400HZ或1000HZ。（5）输出级：放大、衰减调制级的输出信号，使信号发生器有足够的电平调节范围；滤除不需要的频率分量；保证输出端有固定的输出阻抗。（6）可变电抗器：可变电抗器与主振级的谐振电路耦合，使主振级产生调频信号，多采用二极管调频电路。24 函数发生器 函数信号发生器的三种组成方案：第一种是施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波；第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波；第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波。函数发生器是一种能够产生
19、正弦波、方波、三角波等多种波形的信号发生器。一、由方波产生三角波、正弦波的方案如图所示：双稳态触发器频率控制积分器电压比较器1电压比较器2二极管整形网络放大放大放大+方波三角波正弦波参考电位1、方波三角波的变换原理变换电路如图所示：双稳态触发器密勒积分器电压 比较器1电压 比较器2+CRRP三角波输出 可见电路主要有双稳态触发器、密勒积分器和两个电压比较器组成。工作原理如下：若双稳态触发器输出端的电压u1为正，则积分器的输出电压u2将线性下降，当u2下降到等于参考电动势Er2时，电压比较器2使双稳态触发器翻转，输出电压u1由正变负，积分器的输出电压u2将线性上升。当上升到等于参考电动势Er1时
20、，电压比较 器1使双稳态触发器又翻回到原来状态，完成一个循环周期。从双稳态触发器输出端可得到方波信号；从积分器的输出端可得到三角波信号，u10Er1Er2u2t0t2、三角波正弦波变换原理 上图为实际的正弦波形成网络。电路中使用了6对二极管。正、负直流电源和电阻为二用管提供适当的偏压，以控制三角波逼近正弦波时转折点的位置。直流稳压电源uiuoR0R1R2R3R4R5R6R7R1R2R3R4R5R6R7VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7VD8VD9VD10VD11VD12+-第3章示波测量技术返回课程目录内容提要本章内容主要有：CRT显示原理 通用示波器 取样示波器 波形存储及显示技术
21、示波器的基本测试技术3.1概述一、示波器的分类 从示波器对信号的处理方式出发分为：模拟示波器 数字示波器进一步可分为：通用示波器 取样示波器 存储示波器 专用示波器二、主要技术指标1频带宽度BW和上升时间tr BW=fH-fL 2扫描速度 指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，单位为“cm/s”。3偏转因数偏转因数 指在输入信号作用下，光点在荧光屏上的垂直（Y）方向移动 1cm（即1格）所需的电压值，单位为“V/cm”、“mV/cm”。4输入阻抗 当输入直流信号时，输入阻抗用输入电阻Ri表示；当输入交流信号时，输入阻抗用输入电阻Ri和输入电容Ci的并联表示。上升时间tr与BW有关，它表示由于
22、示波器Y通道的频带宽度的限制，当输入一个理想阶跃信号（上升时间为零）时，显示波形的上升沿的幅度从10%上升到90%所需的时间。它反映了示波器Y通道跟随输入信号快速变化的能力。频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为0.350.35,rrtst nsBW MHzBW GHz或3.2 CRT显示原理一、阴极射线示波管（CRT）CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。其工作原理是：由电子枪产生的高速电子束轰击荧光屏的相应部位产生荧光，而偏转系统则能使电子束产生偏转，从而改变荧光屏上光点的位置。CRT内部结构如下图所示：E 辉度 聚焦 辅助聚焦 +EFGKA1A2Y偏转板X偏转板荧光屏电子
23、枪偏转系统荧光屏1电子枪（1）作用：发射电子并形成很细的高速电子束。（2）工作原理：电子聚焦原理 G1、G2、A1、A2的电位关系为：VG1VG1、VA1VA1，因此，电子从G1至G2、A1至A2将得到汇聚并加速，而从G2至A1将发散。V1V2EV2V11221聚拢并加速V1V2E12发散并减速21V2RCRiCiUc(t),D导通，向C充电，UR(t)=Uc(t),RDCTmin;Ui(t)Tmax;(RD为二极管内阻，RDC为充电常数；RC为放电常数)所以：UR=Uc UP+Uc0tUR422 峰值电压表CDR+Ui(t)+URUcb)并联式 b)并联式：判断二极管的导通及截止情况；Ui(
24、t)Uc(t),D导通，向C充电，UR(t)=0,RDCTmin;Ui(t)Tmax;(RD为二极管内阻，RDC为充电常数；RC为放电常数)所以：UR(t)=Ui(t)Uc(t)UR=Ui Uc Ui UP+=U0 UP+=Um+Uc0tUCUx总结：串联式峰值检波器：UR=UP+，电路中的电容C起滤波 作用；并联式峰值检波器：UR=Um+，电路中的电容C有隔直 流和滤波作用。例1：用一只串联式峰值电压表和一只并联式峰值电压表分别测量电压Ux(t)=(10+5sint)V，试判断两只电表内检波器的输出是多少。解：Ux(t)=(10+5sint)V Uxm+=5V,Uxp+=10+5=15V所以
25、：串联式检波器输出对应Uxp+=15V;并联式检波器输出对应Uxm+=5V。二、定度系数 表头刻度按（纯）正弦波有效值定度。当输入u(t)为正弦波时，读数即为u(t)的有效值V（而不是该纯正弦波的峰值Vp）。对于非正弦波的任意波形，读数没有直接意义（既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V）。但可由读数换算出峰值和有效值。即：=KUp 为峰值电压表的示值，Up为被测电压的峰值，K为定度系数。对与正弦波，U=K Up，于是可得221ppKUUK将K代入=KUp，可得22/2KUP2UP结论公式为例2：用峰值电压表分别测量正弦波、三角波和方波电压，电压表示值均为10V，问三种波形被测信号的峰值和有效值
26、各为多少？解：三种波形电压的峰值均为Up=Up=UP=2=210V=14.14V 正弦波的有效值即为电压表示值，即U=10V三角波、方波的有效值分别为：VVKUUVVKUUPPPP14.14114.1417.8314.14三、波形误差 如果被测电压不为正弦波，直接将峰值电压表示值作为被测电压的有效值，则会带来“波形误差”。计算公式为：%100)21(%1002%100PPxKKU423 有效值电压表 一、工作原理 有效值检波器输出对应被测信号的有效值，即UO(t)Ux;考虑有效值的定义，为方便也可使检波器输出对应被测信号有效值的平方，即UO(t)Ux2。可以有以下三种方案。1、利用二极管平方律
27、伏安特性检波 小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系。缺点：精度低且动态范围小。因此，实际应用中，采用分段逼近平方律的二极管伏安特性曲线图的电路。2、利用热电偶输出输入关系 热电偶两个冷端处产生的热电动势与热端所加电压的有效值平方成正比，即UO(t)Ux2。TxxdttuTU0)(123、利用模拟运算的集成电路检波2()u t0TAu(t)Vrms 通过多级运算器级连,实现模拟乘法器（平方）积分 开方 比例运算。二、计算公式：Ux=理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。4.3 数字电压表 一、数字电压表的主要技术指标 量程 基本量程：无衰减或放大时的输入电压范
28、围，由A/D转换器动态范围确定。扩展量程：通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展为其它量程。例如：基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五档量程；基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五档量程。显示位数 完整显示位：能够显示09的数字。非完整显示位：只能显示0和1（在最高位上）称为1/2位；只能显示05称为3/4显示位。例如：（1）4位DVM 具有4位完整显示位，其最大显示数字为 9999。（2）4位半DVM 具有4位完整显示位，1位非完整显示位，其最大显示数字为19999。（3）位DVM 具有4
29、位完整显示为，1位非完整显示为，其最大显示数字为59999。434超量程能力定义：指数字电压表能测量的最大电压超过其量程值的能力。DVM有无超量程能力取决于它的量程分档情况和能够显示的最大数字情况。可从计数脉冲角度来考虑，显示器可显示多余脉冲则有超量程能力。例如：1、显示位数为3位完整位的数字电压表 最大显示数字为999，其内部在进行模数转换时，若被测电压转换成的计数脉冲数大于999，则多出的脉冲无法被计数器显示，将溢出，既不能被测量。2、显示位数为3位半时 最大显示数字为1999，其最高位还可容纳多出的脉冲，即可进行超量程测量。带有半位的DVM如按2V、20V、200V等分档，最大显示数字位
30、则无超量程能力；若按1V、10V、100V等分档则具有100%的超量程能力。计算公式：超量程能力=（能测量的最大电压-量程值）/量程值100%例如：3位半DVM 2V量程时，最大显示数字为1999,最大测量电压为1.999V，无超量程能力；1V量程时，最大显示数字为1999,最大测量电压为1.999V，超量程能力为100%。分辨力定义：DVM能够分辨最小电压变化量的能力，反映了DVM灵敏度。用每个字对应的电压值来表示，即V/字。不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小量程上具有最高分辨力。例如：3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分
31、辨力为0.1mV/字（即当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字”）。测量速度 每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒几十次/秒。输入阻抗 输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10M1000M之间。对于交流DVM，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值一般在几十几百pF之间。测量精度 取决于DVM的固有误差和使用时的附加误差（温度等）。固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。)0000(mXUUU读数误差：与当前读数有关。主要
32、包括DVM的刻度系数误差和非线性误差。满度误差：与当前读数无关，只与选用的量程有关。有时满度误差将等效为“n字”的电压量表示。当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当被测量较大时，读数误差起主要作用。为减小满度误差的影响，应合理选择量程，以使被测量大于满量程的2/3以上。例题：1、现有三种数字电压表，其最大计数容量分别为（1）999；（2）1999；（3）5999（4）1199。它们各属于几位表？有无超量程能力，如有则各为多少？第二种电压表在0.2V量程的分辨率是多少？解：1）它们分别为：3位，3位半，位，3位半；2）（1）为完整显示位数的电压表，则无超量程能力；（2）具有半位，则在1
33、V、10V、100V等量程上具有100%的超量程能力；在2V、20V、200V等量程上无超量程能力；（3）具有 位，则在5V、50V、500V等量程上，最大测量电压为5.999V,59.999V,599.99V,分别具有20%的超量程能力。（4）具有非完整位，在1V、10V、100V等量程上具有20%的超量程能力；在2V、20V、200V等量程上无超量程能力；3）在0.2V量程上，该电压表无超量程能力，最大测量电压为0.1999V，则分辨力为0.0001V。4334332、用一种4位半DVM的2V量程测量1.2V电压。已知该电压表的固有误差为 ，求由于固有误差产生的测量误差。它的满度误差相当于
34、几个字？)0001.00005.0(mXUUU解：四位半电压表最大显示数字为19999，在2V量程上测量的最大电压为1.9999V,则分辨力为0.0001V;固有误差为 相当于 个字VU0008.0)20001.02.10005.0(20001.02%01.0n 4.3.2 A/D转换原理 积分式：双积分式积分式：双积分式，抗干扰能力强，速度慢；抗干扰能力强，速度慢；非积分式：逐次逼近式非积分式：逐次逼近式，抗干扰能力弱，速度快。抗干扰能力弱，速度快。一、逐次逼近式A/D转换器1、基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终逼
35、近被测电压。逼近被测电压。2 2、结构框图结构框图D/A转换器比较寄存器基准电压源时钟脉冲发生器 比较器Ui最高位最低位最高位最低位 并行数字输出假设基准电压为假设基准电压为Er=16VEr=16V，被测电压被测电压Ux=5.5V,Ux=5.5V,转换过程如下：转换过程如下：第一个时钟脉冲使比较寄存器最高位第一个时钟脉冲使比较寄存器最高位Q3Q3置置1 1，即，即Q3 Q2 Q1 Q0=1 0 0 0,Q3 Q2 Q1 Q0=1 0 0 0,经经D/AD/A转换器输出标准电压转换器输出标准电压Uo=Er/2=8V,Uo=Er/2=8V,加至比较器与加至比较器与UxUx进行比较。由于进行比较。由
36、于UoUo大大于于UxUx，则比较器输出为低电平。第二个时钟脉冲到来时，比较寄存器高位复，则比较器输出为低电平。第二个时钟脉冲到来时，比较寄存器高位复位。其他过程类似。位。其他过程类似。即：即：Q3 Q2 Q1 Q0 Uo Ux Q3 Q2 Q1 Q0 Uo Ux 1 0 0 0 8V 5.5V 0 1 0 0 0 8V 5.5V 0 0 1 0 0 4V 5.5V 1 0 1 0 0 4V 5.5V 1 0 1 1 0 6V 5.5V 0 0 1 1 0 6V 5.5V 0 0 1 0 1 5V 5.5V 1 0 1 0 1 5V 5.5V 1输出为输出为“0 1 0 1”0 1 0 1”，
37、Ux=5V;Ux=5V;U=Ux-UU=Ux-UA A=5-5.5=-0.5 V=5-5.5=-0.5 V存在量化误差，可通过增加存在量化误差，可通过增加D/AD/A转换位数减少误差。转换位数减少误差。总结总结：从从上面的逐次逼近过程可知，从大到小逐次取出上面的逐次逼近过程可知，从大到小逐次取出ErEr的各分项值，按照的各分项值，按照“大者去，小者留大者去，小者留”的原则，直至得到最后逼近结果的原则，直至得到最后逼近结果。类似于天平称重的过程类似于天平称重的过程。二、开关S2接通T0时间，积分电容C短接，使积分器输出电压Vo回到零（Vo=0）,电路处于休止状态（2 2）对被测电压定时积分（取样
38、阶段）对被测电压定时积分（取样阶段）(T1=t1 t2)(T1=t1 t2)接入被测电压（设Vx为正），则积分器输出VO从零开始线性地负向增长，经过规定的时间T1，Vo达到最大Vom，式中，为Vx的平均值，为积分波形的斜率(定值)VxRCTVxdtRCVomtt21111011TVxdtTVxRCT1（3 3）对参考电压反向定值积分（比较阶段）对参考电压反向定值积分（比较阶段）(T2=t2 t3)(T2=t2 t3)接入参考电压(若Vx为正，则接入-Vr)，积分器输出Vo从Vom开始线性地正向增长(与Vx的积分方向相反)直至零。此时，过零比较器翻转。经历的反向积分时间为T2，则有：将Vom代入
39、可得：由于T1、T2是通过对同一时钟信号（设周期T0）计数得到（设计数值分别为N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是 或 式中，为A/D转换器的刻度系数（“V/字”）。可见计数结果N2（数字量）即可表示被测电压Vx，N2即为双积分A/D转换结果。VrRCTVomdtVrRCVomtt2)(1021VrTTVx12212eNVrNNVxVxeVxVrNN1121NVre 44 数字多用表 一、数字多用表的主要特点扩展了DVM的功能，可进行直流电压、交流电压、电流、阻抗等测量。测量分辨力和精度有低、中、高三个档级，位数3位半8位半。一般内置有微处理器。可实现开机自检、自动校准、自动量
40、程选择，以及测量数据的处理（求平均、均方根值）等自动测量功能。一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于组成自动测试系统。二、电压表的选择和使用1、电压表的选择(P119)2、电压表的正确使用：（1）正确放置电表；（2）测量前,进行机械调零和电气调零。（3）注意被测电压与电压表之间的连接。测量时应先接地线，再接高电位线；测量完毕后，应先拆高电位线，再拆地线。（4）正确选择量程。所选量程应尽量使表针偏转大一些（满度2/3以上区域），以减少误差。（5）测量电阻时，数字多用表的内部电压极性是红笔为“+”，黑笔为“-”,而模拟多用表恰好相反。第5章频率、相位和时间的测量返回课程目录内容提要
41、电子计数器是应用最广泛的数字化仪器，也是最重要的电子测量仪器之一。本章内容主要有：电子计数器的分类和基本组成；电子计数器测量频率、周期、频率比等的原理；电子计数器的测量误差。5.1 概述 511 电子计数器的分类1、通用计数器2、率计数器3、计算计数器4、特种计数器512电子计数器的主要技术指标 1、测试性能仪器所具有的测试功能。2、测量范围仪器的有效测量范围。3、输入特性主要有：输入藕合方式，有AC和DC两种方式。触发电平及其可调范围。输入灵敏度，指在仪器正常工作时输入的最小电压。最高输入电压，即允许输入的最大电压。输入阻抗，包括输入电阻和输入电容。4、测量准确度常用测量误差来表示，主要有时
42、基误差和计数误差决定。5、闸门时间和时标6、工作及显示方式 7、输出 仪器可输出标准时间信号的种类、输出数码的编码方式及输出电平等。52 通用电子计数器的基本组成 五大组成单元：主门、输入通道、计数显示单元、逻辑控制单元、时基单元。结构框图如下：主门A输入通道B输入通道门控双稳 计数显示单元控制电路晶体振荡器分频或倍频器闸门时间信号时标信号计数信号触发信号门控信号逻辑控制单元时基单元TTN一、A、B输入通道 作用:将被测信号进行放大、整形，使其变成标准脉冲。A通道：计数脉冲通道。B通道：闸门信号通道。输出脉冲信号作门控双稳的触发脉冲。C通道：作用于B通道类似。当B通道用作门控双稳的“启动”通道
43、，使双稳电路翻转；C通道用作门控双稳的“停止”通道，使其复原。二、主门 主门又称闸门，它控制计数脉冲信号能否进入计数器。A ,B=1 0 ,B=0&计数脉冲A闸门脉冲BYY=三、时基单元 由晶体振荡器、分频及倍频电路组成，用以产生标准时间信号。有两类：闸门时间信号（测频）和时标（测周）。四、控制单元 能产生各种控制信号去控制和协调通用计数器各单元的工作，以使整机按一定的工作程序自动完成测量任务。使得每次测量都按照一下次序进行：准备、计数、显示、复零、准备下次测量。五、计数及显示电路本单元用于对主门输出的脉冲计数并以十进制显示计数结果。53 通用电子计数器的测量原理一、测量频率 原理框图如图所示
44、：KfTS输入A门控电路晶振分频器(Kf)显示器放大整形电路十进制计数器主门fxKfKfTSTXNKfTSNTx=Kf Ts;f x=N/Kf Ts=N/T;T=Kf Ts,称为闸门时间二、测量周期原理框图如图所示：Tx=NTs/m Ts/m称为时标信号 周期是频率的倒数，因此，测量周期时可以把测量频率时的计数信号和门控信号的来源相对换来实现。（B通道）Ts/m倍频器(m)放大整形电路计数显示晶振主门门控电路fx输入BTXTXN三、测量频率比 原理框图如图所示：一定保证fAfB。N=TB/TA=fA/fB放大整形电路放大整形电路主门计数显示门控电路fAfB输入A输入BA通道B通道 TBTBTA
45、N四、测量时间间隔原理框图如下图所示：AB 分分频或倍频器放大整形电路放大整形电路计数显示晶振主门门控电路A通道 B通道 合u1u2 测量时，利用A、B输入通道分别控制门控双稳电路的启动和复原。1)在测量两个输入信号的时间间隔时，将开关S置于“分”位置；2)在测量同一个输入信号内的时间间隔时，将开关S置于“合”位置，两输入通道并联，被测信号由此公共输入端输入，调节两个通道的触发斜率和电平可测量脉冲信号的脉冲宽度、前沿等参数。输入A开始输入B终止门控信号时标被计时标数 tdNTsA、B两信号间的时间间隔 td=N Ts输入信号A输入信号B输入A开始输入B终止门控信号时标被计时标数tdNTsA、B
46、两信号间的时间间隔(上升时间)tr=N Ts输入信号五、累加计数 累加计数是电子计数器的基本功能之一。原理框图如下图所示：启动停止（人工触发）放大整形电路计数显示门控电路主门A通道输入六、自校（自检）在正式测量前，为了检验仪器工作是否正常，一般电子计数器都设有自校功能。原理与测量频率基本相同。原理框图如下图所示：计数显示晶振倍频器分频器门控电路闸门TsmKfTs=Ts/mT=Kf TsmKmTTKNfSSf 54 电子计数器的测量误差 一、误差来源1、量化误差 量化误差又称计数误差，产生的原因是由于主门的开启和计数脉冲的到来在时间上是随机的。因此，在相同的主门开启时间内，计数器对同样的脉冲串进
47、行计数时，计数结果不一定相同，因而产生了误差。这种误差是利用计数原理进行测量的仪器所固有的，不可避免。如下图所示：闸门时间TN=6N=7特点是不论计数值N多大，其绝对误差都是1。相对误差为：%1001%100NNNN2、标准频率误差 电子计数器在测量频率和时间时都是晶体振荡器产生的各种标准时间为时间信号基准的。显然，如果标准时间信号不准或不稳定，则会产生测量误差，此误差称为标准频率误差。3、触发误差 在输入通道将信号转换为标准脉冲时，存在各种干扰和噪声的影响，同时用作整形的施密特电路进行转换时，电路本身的触发电平还可能产生漂移，从而引入触发误差。误差大小与被测信号的大小和转换电路的信噪有关。理
48、想状态 存在干扰和噪声二、频率测量误差 频率测量误差主要由量化误差决定。xsfxxxfTKTfNff111 可见：1）当被测信号频率一定时，增大闸门时间T即增大N就可以减小频率测量误差。2）当被测信号频率相当低时，由于频率测量误差较大而不宜采用直接测频方法，可采用测量周期法先测出T X，然后再求频率f x。三、周期测量误差周期测量误差主要由量化误差决定。TsfxTxTsNNNTxTx1 可见:1)当被测信号频率一定时，减小时标时间Ts即增大N就可以减小周期测量误差。2)当被测信号频率相当高时，由于周期值太小导致测量误差较大，因而宜采用直接测频方法，测出f x，然后再求周期T X。中界频率f z
49、:当fx较低时，宜采用测周期法，然后根据Tx求fx；当fx较高时，宜采用测频法。而某个频率用两种方法测量的效果相同，这个频率称为中界频率f z,可由下式求得：SxxTfTf1即：SxzTTff1第6 章返回课程目录内容提要本章主要讨论频域测量技术及其所用仪器。本章内容主要有：频率特性测量及频率特性测试仪；信号的谐波分析及频谱仪；谐波失真度的测量。61 概述一、时域测量 把信号作为时间的函数进行分析；二、频域测量 把信号作为频率的函数进行分析，主要讨论线性系统频率特性的测量和信号的频谱分析。三、频域测量主要仪器：频率特性测试仪（扫频仪）；外差式频谱分析仪；失真度测试仪。62 线性系统频率特性的测
50、量一、测量方法 1、点频测量法 是一种静态测量方法，比较繁琐，遗漏细节。例：2、扫频测量法 是一种动态测量方法，快速、准确。（1）扫频信号：频率在一定范围内反复连续变化的信号（等幅、周期性）。（2）扫频仪：利用扫频信号发生器及示波器显示原理，可将被测电路的幅频特性直接显示在示波管的屏幕上的电子测量仪器。X轴频率标度 Y轴电压增益或电压幅度标度 输入信号（f 1、2、3x）输出信号（uo）f xuof1 f2 f3 f4低通滤波器扫频仪的原理框图如图所示：u1u1u2u3u4u5X放大器扫描电压发生器扫频信号发生器被测电路检波探头Y放大器晶振混频器频标信号形成电路二、频率特性测试仪的工作原理 根
