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电子测量技术 授课老师 陈鹏安徽建筑工业学院电子与信息工程学院 2020 1 16 2 课程简介 第一部分测量总论及误差理论 介绍测量的基本概念 技术方法及系统组成 误差理论和数据处理等 第二部分基本电参量测量 包括频率 电压 阻抗等第三部分时域测量 以示波器为背景介绍时域信号波形的采集 显示及应用技术 第四部分频域测量 重点讨论频域中的信号频谱和网络性能的测量 介绍测量激励信号源的基本工作原理 第五部分数据域测量 介绍数字系统的基本测量原理和方法 包括数字信号的产生 逻辑分析 可测性设计及数字系统测试的典型实例 2020 1 16 3 1 本章阐述了测量的基本概念 即测量是测量主体通过比较的方法 对被测对象取得定量信息 即量值 的实验过程 是人类获取信息的基本手段 是认识客观世界的主要工具 电子测量是指利用电子科学技术手段进行的测量 它是测量学和电子学相结合的结晶 2 介绍计量的基本概念 计量是为了保证量值的统一和准确一致的一种测量 即是一种特殊的测量 它具有统一性 准确性和法制性的三个主要特征 测量基准具有权威性和相对性 测量标准的传递是从上到下 逐级传递 3 讨论了测量误差的概念 来源 绝对误差和相对误差的定义和计算方法 4 分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概念上 阐述测量的基本原理 5 介绍了测量的量值比较原理 包括基于比例变换的间接比较法 基于差值示零的直接比较法和复合比较法 6 讨论了实现测量的基本技术 即变换 比较 处理和显示技术 第1章电子测量概述 2020 1 16 4 1 1测量的基本概念 1 1 1测量的意义日常生活中处处离不开测量 现代信息科学技术的三大支柱是 信息获取技术 测试技术 信息的传输技术 通信技术 信息的处理技术 计算机技术 在这三大技术中 信息获取 测试 是首要的 是信息的源头 科学的进步和发展离不开测量 离开测量就不会有真正的科学 在现代化的工业生产中 处处离不开测量 没有望远镜就没有天文学 没有显微镜就没有细胞学 没有指南针就没有航海事业 2020 1 16 5 1 1 1测量的意义 续 生产发展离不开测量生物学领域中 需要获得蛋白质的氨基酸序列 各种物理化学性质以及它的空间结构 在农业领域中 丈量土地 衡量收成 就产生了长度 面积 容积和重量的测量 掌握季节和节候 出现了原始的时间测量器具 并有了天文测量 现代化的工业生产中 处处离不开测量 例如 一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如 作为现代科学技术尖端之一的火箭发动机 从开始设计到成功飞行 都离不开现代测控技术 2020 1 16 6 1 1 2测量的定义 1 狭义测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程 在测量过程中 人们借助专门的设备 把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较 取得用数值和单位共同表示的测量结果 测量的基本原理是通过比较来识别被测对象 测量就是比较 比较可采用直接或间接的方法进行 比较通常需要用专门的设备 测量仪器 才能实现 测量结果 测量数值 测量单位 即 x x x0 图2 1测量的比较原理 被测物体的重量等于标准砝码的重量 被测物体的重量从度盘上读数 因为 弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果 2020 1 16 7 1 1 2测量的基本概念 续 测量的内涵 测量对象 被测客体中的相应的量值信息 测量目的 从被测对象取得一个定量的认识 测量过程 通过实验去认识对象的过程 测量方法 比较方法 A 直接比较B 间接比较 C 需要测量仪器 测量标准 同类已知单位 测量结果 最终能表示给测量主体 人 图1 2测量的基本原理图 2020 1 16 8 1 1 2测量的定义 续 2 广义测量的定义广义测量原理可以从信息获取过程来说明 即从信息的感知和识别两个环节来说明 信息的感知是信息获取的首要环节 信息感知的原理是通过感知系统与产生信息的源事物之间的相互作用 把源事物信息转化为某种物理量形式表现的信号 所以 感知的实质是信息载体的转换 是获取信息的必要前提 信息的识别是信息获取的重要环节 还必须识别所感受到的信息是有用的还是无用的 甚至是有害的 有用信息识别的基本原理是与标准样板进行比较 判断出信息的属性和数量 图1 3广义测量原理 2020 1 16 9 1 1 2测量的定义 续 广义地讲 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 例如故障诊断 无损探伤 遥感遥测 矿藏勘探 地震源测定 卫星定位等 而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息 还可以用二维或多维的图形 图像来显示被测对象的属性特征 空间分布 拓朴结构等 广义测量原理可以从信息获取过程来说明 包括信息的感知和信息识别两个环节 2020 1 16 10 1 1 3测量的基本要素 1 测量的基本要素 被测对象 测量仪器 测量技术 测量人员和测量环境从测量的定义可知 测量要有对象 测量的客体 测量要由人 测量主体 来实施 测量需要专门的仪器设备 硬件 作工具 测量要有理论和方法 软件 作指导 测量总是在一个特定的环境中进行的 2020 1 16 11 1 1 3测量的基本要素 续 图1 4测量的基本要素 2020 1 16 12 1 1 3测量的基本要素 续 2 测量过程 基本要素之间的互动关系论证阶段 测量的主体 测量人员 根据测试任务的要求 被测对象的特点 属性 及现有仪器设备状况 拟定合理的测试方案 设计阶段 选择测试仪器 组建测试系统 制定出测试策略 测量算法 和操作步骤 测试程序 实施阶段 对仪器和系统实施测试操作 发控制命令 按照逻辑和时序完成测量过程 取得测量数据 分析测量误差并显示测量出结果 2020 1 16 13 1 1 3测量的基本要素 续 图1 5测试过程的流程图 2020 1 16 14 1 1 3测量的基本要素 续 3 被测对象 信息广义的测量是信息的获取 信息反映了事物的运动的状态及其变化方式 信息又可分为自然信息和社会信息两大类 4 测量仪器系统 量具和仪器测量仪器系统包括量具 测试仪器 测试系统及附件等5 测量的主体 测量人员手动 由测量主体 测量人员 直接参与完成自动 测量主体交给智能设备 计算机等 完成 但测量策略 软件算法 程序编写需由测量人员事先设计好 6 测试技术测量中所采用的原理 方法和技术措施 总称为测试技术 2020 1 16 15 1 1 3测量的基本要素 续 7 测量环境 测量环境是指测量过程中人员 对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和 测量环境包括温度 湿度 力场 电磁场 辐射 化学气雾和粉尘 霉菌以及有关电磁量 工作电压 源阻抗 负载阻抗 地磁场 雷电等 的数值 范围及其变化 2020 1 16 16 1 1 3测量的基本要素 续 环境对测量的影响A 环境对被测对象的影响 某些被测对象客体 如器件 电路或系统 的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感 因此 原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行 B 环境对仪器系统的影响 环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性 进而影响测量结果 造成测量误差 特别是某些测量器具的量程广 频段宽 而内部的元器件数目甚多 且对外界影响相当敏感 错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题 C 环境对测量人员的影响 高温 严寒 潮湿 闷气 嘈杂 照明不适当等不良工作环境 会对测量人员的身心产生不良影响 从而引起不同程度的人身误差乃至差错 2020 1 16 17 1 1 3测量的基本要素 续 应采取适当的控制措施 尽量减少由于环境影响而产生的误差 恒温 恒湿 稳压和防震 抗干扰 防噪声的措施 如接地 屏蔽 隔离 滤波等 仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化环境 2020 1 16 18 1 1 3测量的基本要素 续 仪器以工作环境条件的不同要求分为三组 I组 良好的环境条件 温度 10 35oC 相对湿度80 在35oC上 只允许有轻微的振动 II组 一般的环境条件 温度 10 40oC 相对湿度80 在40oC上 允许一般的振动和冲击 III组 恶劣的环境条件 温度 40 55oC 相对湿度90 在35oC上 允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动 I组 高精度计量用仪器II组 通用仪器III组 野外 机载等仪器 2020 1 16 19 1 2计量的基本概念 1 2 1计量的定义和意义为使在不同的地方 用不同的手段测量同一量时 所得的结果一致 就要求统一的单位 基准 标准和测量器具 1 计量的定义计量是一种特殊形式的测量 它把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较 以确定合格与否 并给出具有法律效力的 检定证书 计量是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 计量的三个主要特征是统一性 准确性和法制性 计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动 如单位的统一 基准和标准的建立 进行量值传递 计量监督管理 测量方法及其手段的研究等 2020 1 16 20 1 2 1计量的定义和意义 续 2 计量与测量的关系 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 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 计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作 它在工农业生产 科学技术 国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用 2020 1 16 21 1 2 2单位和单位制 根据定义而令系数为1的量称为单位 单位是表征测量结果的重要组成部分 又是对两个同类量值进行比较的基础 单位又分为基本单位和导出单位 基本单位是指彼此无关 分别加以确定的物理量单位 导出单位是指由基本单位通过定义 定律或其它函数关系推导 派生出来的各种导出量值 英呎 feet 2020 1 16 22 1 2 2单位和单位制 续 1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI 1984年2月国务院颁布了 中华人民共和国法定计量单位 决定我国法定计量单位以国际单位制为基础 SI有7个基本单位 2020 1 16 23 1 2 2单位和单位制 续 1 国际单位制 SI 的组成国际单位制基本单位 2020 1 16 24 1 2 2单位和单位制 续 国际单位制是由国际单位制单位 国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成 国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数 例 5 4 10 9s 5 4ns 2020 1 16 25 1 2 3基准和标准 1 基准基准用来复现某一基本测量单位的量值 只用于鉴定各种量具的精度 不直接参加测量 1 一级基准 又称主基准和国家基准具有最高水平的基准 一个国家只有一个 2 二级基准 又称副基准副基准的量值精度由主基准确定 用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对 3 三级基准 又称工作基准工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递 用以检定下属计量标准量具的精确度 2020 1 16 26 1 2 3基准和标准 续 2 标准根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量具或仪器 简称标准 计量标准的准确度等级在工作基准之下 工作计量器具之上 按精度高低又分为一级标准 二级标准和三级标准 通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定 确定其量值的精确度大小 除标准器具外 还有标准物质 2020 1 16 27 1 2 3基准和标准 续 3 几个术语 1 计量器具 凡是能用以直接或间接测出被测对象量值的量具 计量仪器和计量装置都统称为计量器具 计量器具按作用可分为计量基准 计量标准和工作计量器具三类 2 计量标准器具 准确度低于计量基准 用于检定计量标准或工作计量器具的计量器具 3 工作计量器具 工作岗位上使用 不用于进行量值传递 而是直接用来测量被测对象量值的计量器具 2020 1 16 28 1 2 3基准和标准 续 4 比对 在规定条件下 对相同准确度等级的同类基准 标准或工作计量器之间的量值进行比较 其目的是考核量值的一致性 5 检定 是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较 以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的 一般要求计量标准的准确度为被检者的1 3到1 10 6 校准 校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较 以确定被校计量器具的示值误差 有时也包括确定被校器具的其他计量性能 的全部工作 7 量值的传递 指一个物理量单位通过各级基准 标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器 量具 以保证量值统一的全过程 2020 1 16 29 1 2 4测量基准的权威性和相对性 1 基准的权威性基准的理论定义最严格的 制作工艺技术最先进 原器基准自身也会随时间 地点 环境条件而变化 甚至会损坏 会失传 从现代科学的观点来看 最好的基准是原子基准 2 基准的相对性一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平例 以太阳为基准 时间测量的精确度1天内可达到1秒钟 而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过1秒 2020 1 16 30 1 2 4测量基准的权威性和相对性 续 2020 1 16 31 1 2 5测量标准的传递 自上而下逐级传递 2020 1 16 32 1 3测量误差的基本概念 1 3 1测量误差的定义测量的目的 获得被测量的真值 真值 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 测量误差 所有测量结果都带有误差 2020 1 16 33 1 3 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起的误差 5 测量对象变化误差 测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确 如引起动态误差等 2020 1 16 34 1 3 3测量误差的表示方法 测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法 1 绝对误差 1 定义 由测量所得到的被测量值与其真值之差 称为绝对误差 实际应用中常用实际值A 高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值 来代替真值 绝对误差 有大小 又有符号和量纲 2020 1 16 35 1 3 3测量误差的表示方法 续 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 被测量的实际值 2020 1 16 36 1 3 3测量误差的表示方法 续 2 相对误差一个量的准确程度 不仅与它的绝对误差的大小 而且与这个量本身的大小有关 例 测量足球场的长度和成都市到绵阳市的距离 若绝对误差都为1米 测量的准确程度是否相同 1 相对真误差 实际相对误差 示值相对误差相对误差 绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值 只有大小和符号 没有单位 2020 1 16 37 1 3 3测量误差的表示方法 续 实际相对误差 用实际值A代替真值A0示值相对误差 用测量值X代替实际值A 2020 1 16 38 1 3 3测量误差的表示方法 续 2 满度相对误差 引用相对误差 用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 称为满度相对误差 或称引用相对误差 仪表各量程内绝对误差的最大值 2020 1 16 39 1 3 3测量误差的表示方法 续 电工仪表就是按引用误差之值进行分级的 是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差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 测量点的最大相对误差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 2020 1 16 40 1 3 3测量误差的表示方法 续 例1 3 某待测电流约为100mA 现有0 5级量程为0 400mA和1 5级量程为0 100mA的两个电流表 问用哪一个电流表测量较好 用1 5级量程为0 100mA电流表测量100mA时的最大相对误差为 解 用0 5级量程为0 400mA电流表测100mA时 最大相对误差为 2020 1 16 41 1 3 3测量误差的表示方法 续 3 分贝误差 相对误差的对数表示分贝误差是用对数形式 分贝数 表示的一种相对误差 单位为分贝 dB 电压增益的测得值为误差为用对数表示为增益测得值的分贝值分贝误差 2020 1 16 42 1 3 3测量误差的表示方法 续 2020 1 16 43 1 4测量信息的获取原理 本节中将主要阐述以下基本问题 信息的含义是什么 为什么信息可以被获取 信息获取是怎样的过程 信息获取过程中采用了哪些基本方法 这些方法的实现途径是什么 信息获取的限制因素及其克服措施是什么 测量是研究获取被测对象信息的一门科学 2020 1 16 44 1 4 1信息的概念 1 客体的实有的信息 客观信息某事物客体所具有的信息 是指该客观存在的事物的运动状态及其变化方式的自我表述或自我显示 客体论的信息是一种客观的存在 不以主体的存在与否为转移 或者无论是否被其主体感受到 都丝毫不影响它的 自我表述 或 自我显示 任何事物都具有一定的内部结构 同时处在一定的环境之中 正是这种内部结构和外部环境两者综合作用 决定了事物的具体运动状态和状态变化方式 但在有时人们很难了解事物的内部结构状况 这时就只能把它看作一个 黑箱 并通过它的外部联系 如输入 输出关系等外部行为 的状态及其变化方式来获得信息 2020 1 16 45 1 4 1信息的概念 续 2 主体认识论的信息 主观信息是指主体所感知或表述的关于该事物的运动状态及其变化方式 及有关的形式 含义和效用 主体认识论层次的信息的内涵比客体论层次信息丰富得多 这是因为作为认识的主体 1 具有感觉的能力 能够感觉到信息的外在形式 2 具有理解能力 能够理解信息的内在含义 3 具有目的性 因而能够判断信息对其目的而言的价值 2020 1 16 46 1 4 1信息的概念 续 3 全信息 是同时考虑了事物运动状态及其变化方式的外在形式 内在含义和效用价值的主体认识论层次信息 4 实在信息 先验信息 实得信息 2020 1 16 47 1 4 2信息的感知 1 感知的基本原理信息感知的基本机制在于要有某种组织或器官能够灵敏地感受到被测对象运动的状态及其变化的方式 信息感知 是感知事物运动的状态及其变化方式 其实质是把客体论层次的信息转换为主体认识论层次的语法信息 2020 1 16 48 1 4 2信息的感知 2 感知的基本技术 传感器与敏感器测量的第一个环节是信息的感知 传感器是感知各种非电信息并把非电量转换为电量输出的器件或装置 它是非电系统与电系统之间的接口 本质上是完成信息载体的转换 传感器根据转换的效应可分为物理型 化学型和生物型三大类 例 热敏电阻把被测温度的变化转换为电阻的变化 2020 1 16 49 1 4 3信息的识别 1 识别的基本原理 1 识别是把感知的语法信息 信号形式 转换成人们能够理解的语义信息 2 识别 分类 的基本原理是形式特征的比较 由于信息的类别不同 其形式特征也不相同 因此 理论上信息总是可以分辨 识别 的 3 识别的原则是 相似而认同 相异而拒斥 4 由于识别环境存在固有干扰 待识别的信息天然不理想 理论方法不完备和信息类别相似性的表达不完善 因此 无论怎样精巧地设计信息识别系统 完全无差错的识别是不现实的 误差存在的绝对性 2020 1 16 50 1 4 3信息的识别 2 识别的基本技术为了把语法信息 信号 转换人们能够理解的语义信息 须使用信号的比较 变换 处理和显示技术 1 比较 用已知量和未知量比较 2 变换 某些被测量不便于直接比较 无法直接观测而采用了变换 为了获得更高的识别分辨力和精度 更快的速度 更宽的量程而采用变换技术 例如 雷达测量飞机的距离 采用了把距离变换成时间 通过直接测量电脉冲来回传输的时间来测得距离 3 信息处理 泛指为了各种目的而对信息所进行的变换和加工 4 显示原理 显示的基本功能是把人眼不可见的信息转化成为可见的信息 2020 1 16 51 1 4 3信息的识别 续 2020 1 16 52 1 4 3信息的识别 续 1 人工处理方式例 一个模拟式的交流电压表的原理框图 它测量交流电压的有效值 工作原理是被测交流电压经峰值检波器变换成直流电压 AC DC电压变换 然后经直流电压放大 幅度变换 和电压转换为电流输出 电压 电流变换 去驱动电表指针偏转 电压 指针偏转换变换 2020 1 16 53 1 4 3信息的识别 续 2 自动化方式 2020 1 16 54 1 4 3信息的识别 续 3 智能化处理机器智能 人所赋予机器的一种智能 智能包含信息 知识 策略和行为四个要素 具有获取有用信息 由信息生成知识 认识 由知识和目的生成策略 决策 以及实施策略取得效果 施效 等四个方面的能力 2020 1 16 55 1 5测量的间接比较与直接比较原理 测量最基本的原理是比较 比较是认识和区别被测对象的一种重要方法 测量是通过比较来取得一个定量的认识1 5 1基于比例变换的间接比较法 偏转法 1 比例变换的原理 1 三种类型的子变换 A 2020 1 16 56 1 5 1基于比例变换的间接比较法 续 例 弹簧秤是偏转法直读式仪器的一个简单例子 被测重物放在弹簧秤上 把物体的重量变成弹簧的弹性形变 然后 形变带动机械式仪表的指针成比例的偏转 指示出被测物体的重量 直读式电压表 2020 1 16 57 1 5 1基于比例变换的间接比较法 续 2 实现结构由于故 式中 2020 1 16 58 1 5 1基于比例变换的间接比较法 续 2 间接比较方法 步骤为 校准 测量 2020 1 16 59 1 5 2基于差值示零的直接比较法 1 差值检测原理 被测量与标准量直接进行比较 需要一个具有比较功能的电路 要求比较的范围宽 灵敏度和分辨力高 需要一个与被测量同类的可变标准量参与比较 要求标准量准确且可细微调节 比较功能可由运算功能来实现有两种方式 差值运算比较比例运算比较 2020 1 16 60 1 5 2基于差值示零的直接比较法 2 差值示零的平衡调节 1 零示法原理 2020 1 16 61 1 5 2基于差值示零的直接比较法 续 2 实现平衡调节的结构 当则 2020 1 16 62 1 5 2基于差值示零的直接比较法 续 对称差动的桥式结构 当时 2020 1 16 63 1 5 3减少误差的复合式比较 为了提高测量准确度 在比较中可采用各种减小测量误差的方法 如微差法 替代法 对照法 1 微差法在零示法中 要仔细调节标准量S使之与未知量x相等 这通常很费时间 有时甚至不可能做到 微差法 标准量S与被测量x相差了一微小量 再用仪器测出 即求得待测量x 2020 1 16 64 1 5 3减少误差的复合式比较 续 微差法进行测量时 测量误差公式 测量仪器的误差对测量的影响被大大地削弱优点 测量速度快和测量准确度高 2020 1 16 65 1 5 3减少误差的复合式比较 续 2020 1 16 66 1 5 3减少误差的复合式比较 续 2 替代法在测量条件不变的情况下 用一已知的标准量去替代未知的被测量 通过调整标准量而保持替代前后仪器的示值不变 于是标准量的值等于被测量值 2020 1 16 67 1 5 3减少误差的复合式比较 续 3 交换法通过交换被测量和标准量的位置 从前后两次换位测量结果的处理中 削弱或消除系统误差 特别适用于平衡对称结构的测量装置中 并通过交换法可检查其对称性是否良好 第一次平衡第二次平衡上两式相乘 开方得 2020 1 16 68 1 5 3减少误差的复合式比较 续 例 在电桥中采用交换法测电阻 2020 1 16 69 1 6电子测量中的基本实现技术1 6 1电子测量中的变换技术 1 量值变换量值是指电压 电流 功率 阻抗 时间等电参量的幅值大小 量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小 把量值处于难以测量的边缘状态 太小或太大 的被测量 按某一已知比值变换为量值适中的同样参量进行测量 通过量值变换 可增加测量范围 提高测量分辨力和精度 2020 1 16 70 1 6 1电子测量中的变换技术 续 1 信号放大与衰减信号放大是为了将微弱的被测信号 放大到足以进行各种转换处理 或能驱动指示器 记录器 测量放大器 是指在测量系统中用来放大微弱电压 电流或电荷信号的放大器 要求低漂移结构原理 差动直接耦合式 调制式 斩波稳零 和自动稳定式三大类 还有高输入阻抗放大电路 高共模抑制比放大器 电桥放大器 电荷放大器 程控增益放大器 隔离放大器等 衰减器 用来降低测量系统中的信号电平用途 使大的信号进入仪器的测量范围 或者通过降低信号电平来控制失真 或改进阻抗匹配 或对信号源去耦等分类 电阻式 感应式 吸收式 回转式 截止式 电调式等 2020 1 16 71 1 6 1电子测量中的变换技术 续 2 阻抗变换电子测量中 特别是在微波测量中 当将不匹配的负载与传输线连接时 或将特征阻抗不同的传输线进行连接时 信号传输中将产生强烈反射 为了保证良好的传输 必须在传输线与负载之间或不同特征阻抗的传输线之间接入一种阻抗变换的双口网络 改变阻抗的大小 实现阻抗的匹配 在信号源的功率放大器输出电路中 也要求负载阻抗匹配 常用变压器等进行阻抗变换 以保证最佳功率传输 电子测量仪器输入端具有很高输入阻抗 输入跟随器则是实现了输入通道从高阻到低阻的阻抗变换 2020 1 16 72 1 6 1电子测量中的变换技术 续 2 频率变换 1 检波 交流电压变成直流电压常用磁电式电表 它只能测量直流 交流信号必须检波成直流信号来测量 2 斩波 把一个直流电压调制成交流电压 经过交流放大 然后再把交流电压通过反调制 解调 还原为直流电压的过程 斩波的作用是对微弱的直流电压进行放大 2020 1 16 73 1 6 1电子测量中的变换技术 续 3 变频 混频 进行频率的加减运算 获得很宽的频率覆盖范围 获得高增益 提高测量仪器的灵敏度 实现中频或低频替代 以提高测量精度 实现频率的精密测量 例 f 200 020kHz 220kHzf0 200kHz则F f f0 20Hz 20kHz覆盖系数从1 1扩展到1000 2020 1 16 74 1 6 1电子测量中的变换技术 续 4 倍频 倍频器是频率综合技术中的乘法器 差频倍增法 用倍频法减小测量误差 利用电子计数进行频率测量时 1误差将决定测量误差 若KHz 1的相对误差为10 3 如果先对进行103倍的锁相倍频后测量 则该项误差可降为10 6 2020 1 16 75 1 6 1电子测量中的变换技术 续 5 分频分频是于对信号频率进行除法运算 6 频率合成频率合成是把一个 或少量几个 高稳晶振频率源经过一系列综合的加 减 乘 除四则运算 可作为随意调节频率的高精度信号源 7 取样技术取样门电路将高频信号进行取样变换 使之以低频形式复现出来 它可以把频率上限扩展到几GHz甚至几十GHz 2020 1 16 76 1 6 1电子测量中的变换技术 续 3 波形变换 1 整形将任意形状的波形变成规则的脉冲波形 例如 用于电子计数器的输入通道中 2 限幅把信号波形幅度限制在一定范围内 3 微分由矩形脉冲形成一个窄脉冲 在电子计数器 取样示波器 广谱信号源中广泛使用 4 合成多种波形叠加成复杂波形 例如合成CRT显示的视频信号波形 5 变换方波变成三角波或正弦波 三角波变成正弦波或方波 正弦波变成方波或三角波等 波形变换技术广泛用于多波形函数发生器中 2020 1 16 77 1 6 1电子测量中的变换技术 续 4 参量变换 1 AV 变换 电流 电压 电阻之间的变换多用表中采用的AV 变换 包括交流 直流 AC DC 电流 电压 I V 和电阻 电压 V 的转换 实现了交 直流电压 电流 电阻等多种测量功能 2 V F变换 模拟直流电压转换为频率 3 V T变换 模拟直流电压转换成时间 4 网络参数的变换 2020 1 16 78 1 6 1电子测量中的变换技术 续 5 能量变换能量变换是泛指其他多种形式的物理量与电学量之间的变换 传感器就是能量变换器 即从非电量变换成电量一般分为参量变换器及电势变换器两大类 参量变换器是将各种物理量变换成电阻 电感 电容或磁导率等 例如 常用的电阻丝应变片 电感式变换器 电容式变换器电势变换器是将各种物理量变换成电势 电流等电量的变换器 例如 感应变换器 光电变换器 压电变换器 热电偶等 在显示器中 把电量变换成非电量 机械量 光学量等 如指针的偏转 发光的数码 字符和图像等 6 模 数和数 模变换 2020 1 16 79 1 6 1电子测量中的变换技术 续 例 试说明实现弹簧称 指针式直流电压表 电子示波器等三种仪器的测量功能中所采用的变换技术 解 1 弹簧称 把物体的重量变成了弹簧长度的形变 进行了机械量到机械量的变换 2 指针式直流电压表 电压的量值变成了电表指针偏转角的大小 进行了电量到机械量的变换 3 示波器把电信号的波形无失真地变换成了在荧光屏上光信号的波形 进行了电到光的变换 2020 1 16 80 1 6 1电子测量中的变换技术 续 例 试以数字多用表测量交流电流为例 阐述变换技术在电子测量中的应用 交流电流 交流电压的变换 交流电压 直流电压的变换 直流电压的幅值变换 模拟 数字的变换 BCD码 七段码的码制变换 显示器件的电 光转换 2020 1 16 81 1 6 1电子测量中的变换技术 续 例 一个工件伤痕检测系统使用的变换技术 机械量信息到光信号 光信号变换成电信号 电信号被放大 进行了幅度变换 对电信号比较 校正的处理后抽取出了有关伤痕的有用信息 电信号到光信号的变换 2020 1 16 82 1 6 2电子测量中的比较技术 1 比较的基本概念被测量为x 标准量为s 比较电路输出为y 当xs时 y YH当x s时 y出现一个跃变信号 2020 1 16 83 1 6 2电子测量中的比较技术 续 1 比较的基本类型 按功能分 标量比较 它只识别两个同类的未知量是否相等 例如两个炉子温度是否相等 矢量比较 它识别一组同类的未知量的相对大小 并按照由大到小 或由小到大 的顺序排列起来 差值比较 利用具有减法运算功能的比较电路 取出两个未知量之间的间隔大小 差值 并对差值进行比较 比值比较 它选择某个点作为参考点 将每次测量值除以参考值 确定它们的相对大小 例如 在一组测量值中以最大测量值作参考 得到测量值以百分数表示 量化比较 被测未知量与标准单位量比较 确定它是该单位的若干倍或是若干分之一 A D转换器是基于量化比较的典型部件 2020 1 16 84 1 6 2电子测量中的比较技术 续 2 电子测量中的典型比较方法 差值运算比较A 零示法 若测量过程中调节标准量s 使y 0 电路平衡 指示器为零 时 则x s B 偏转法 若测量过程中选择接近x的s 指示器测出微小差值y 则x s y 微差法 比例运算比较y x sA 零示法 若调节标准量S 使y 1 电路平衡 指示器为1 则x sB 偏转法 若固定S值 指示器测出y值 则x y s 2020 1 16 85 1 6 2电子测量中的比较技术 续 2 电压比较 1 电平比较两个模拟电压的大小的比较是用电压比较器来实现的 2020 1 16 86 1 6 2电子测量中的比较技术 续 2 差值型比较采用能输出模拟差值电压的减法运算放大器 实现减法运算功能的方法也有差动型比较和求和型比较两种 3 比例型比较具有除法或比例运算功能的电路或部件 也可完成被测量与标准量的比较 例如 双积分式A D转换器中 被测电压与标准电压之间具有如下关系 2020 1 16 87 1 6 2电子测量中的比较技术 续 3 阻抗比较电桥电路具有对称差动的电路结构 是一种电量天平 可以十分方便地实现差值检测和比例比较的功能 电桥电路具有灵敏度高 测量范围宽 温度补偿容易实现 测量电路的零点调节方便 2020 1 16 88 1 6 2电子测量中的比较技术 续 例 比例运算比较 半桥 电路 2020 1 16 89 1 6 2电子测量中的比较技术 续 4 频率 时间 比较 时间差值比较 用R S触发器可实现时差的比较 2020 1 16 90 1 6 2电子测量中的比较技术 续 差频比较 混频器可以实现两个频率的减法运算还可利用差频比较法测量频率 比例比较 测频率fx Nfs 测周期Tx NTS 2020 1 16 91 1 6 2电子测量中的比较技术 续 5 相位比较 使用鉴相器 1 用乘法器或相敏检波器鉴相 2020 1 16 92 1 6 2电子测量中的比较技术 续 2 脉冲与数字式鉴相器触发器构成的脉冲鉴相器 RS触发器或D触发器数字式鉴相器 由相位比较器 9个与非门 和电荷泵组成6 数字比较二进制的数N1和N2加于异或门的输入端 即可进行比较 2020 1 16 93 1 6 2电子测量中的比较技术 续 例 差动型电容式传感器能把位移 压力 振动 液面位置等物理量的变化 可高分辨地转换成两个电容值之差值 即 C C1 C2 C1C2一般很小 为几皮法到几十皮法 测量出 C 即可测出其被转换的物理量 2020 1 16 94 1 6 3电子测量中的处理技术 信号运算与处理是电子测量中的基本技术浅层的信息处理基本上属于对信息的形式化关系所作的变换或处理 仅仅利用了语法信息的因素 例如 在测量交流电压的平均值 峰值 有效值时 需要对信号进行加 减 乘 除 平方 开方 平均 取绝对值 峰值等运算与处理 深层信息处理 特别是直接与优化 决策 认知等相联系的信息处理 的目的是为了要从原始信息中获得相关的 知识 运算电路分为模拟运算电路和数字运算电路两大类 2020 1 16 95 1 6 3电子测量中的处理技术 续 1 基本模拟运算运算放大器辅之以不同的电路元件 可以组成诸如比例 加减 微分 积分 对数 指数和乘除等电路 1 四则运算电路 2020 1 16 96 1 6 3电子测量中的处理技术 续 指数和对数运算电路则是利用二极管的电流与其端电压在一定条件下存在的指数关系来实现 2020 1 16 97 1 6 3电子测量中的处理技术 续 乘法运算或除法运算 模拟乘法器 是新型集成器件 是利用晶体管的非线性特性 2020 1 16 98 1 6 3电子测量中的处理技术 续 2 积分和微分电路运算放大器外接电感和电容等储能元件 则利用电路在时域中的过渡过程可形成积分电路和微分电路 利用其频域特性则可构成形形色色的滤波电路 2020 1 16 99 1 6 3电子测量中的处理技术 续 3 有源滤波器按照频谱分析的观点 任何信号都是一些不同幅度和不同频率的正弦信号的组合 在被测信号中 除了有用的频率成分之外 往往不可避免地含有一些无用噪声的频率成分 滤波器的功能就是利用其频率特性来保留有用的频率成分 削弱或消除无用的频率成分 即具有信号分离的功能 分为低通 高通 带通和带阻等不同滤波器 2020 1 16 100 1 6 3电子测量中的处理技术 续 例 运算与处理功能在电压测量中的应用 计算公式第一级为模拟乘法器 完成被测电压的平方运算 第二级为积分器 完成平均运算 第三级为开方器 完成开平方根的运算 最后一级为放大器 按一定比例放大的直流输出电压去驱动电表使电表 按被测电压的有效值进行线性刻度 2020 1 16 101 1 6 3电子测量中的处理技术 续 2 数字计算与数字信号处理基于数字逻辑电路的硬件方式 利用现有的各种数字逻辑门 译码器 触发器 寄存器 计数器 全加器等 以及各种CPLD FPGA等可编程逻辑 组成各种数字逻辑的运算与