电子测量技术课件：第一章 电子测量课件

1、电子测量技术第1章 绪论第2章 测量误差分析与数据处理第3章 模拟测量方法第4章 数字测量方法第5章 时域测量第6章 频域测量第713章 12次课课程内容：理论课：112周；实验课：1316周；实验：一定按计划安排参加实验，撰写实验报告。考核：平时30%、期末70%考勤：缺勤不能超过3次（含3次）http:/安捷伦科技有限公司http:/agilent/美国泰克科技 /zh/http:/ 第1章 绪论1.1 基本概念1.2 电子测量的内容和特点1.3 电子测量的一般方法1.4 电子测量仪器概述第1章 绪论1.1 基本概念一、测量 测量是为了取得被测对象的量值而进行的实验过程。 该过程将被测对象

2、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。 正确测量的关键： 测量原理 测量仪器的使用方法 测量仪器的技术性能 数据处理方法二、计量 计量是为了保证单位和量值的统一和准确一致的一种测量。 把未知量与经过准确确定、并经国家计量部门认可的基准或标准相比较来加以测定（即量值传递）。 计量的主要特征：统一性、准确性和法制性。 中华人民共和国计量法中华人民共和国法定计量单位（1984年我国国务院规定我国的计量单位一律采用中华人民共和国法定计量单位）三、计量器具 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。 按用途可分为三类：计量基准、计量标准和工作用计量器具。

3、计量基准：主基准，副基准，工作基准。1、 计量基准：主基准、副基准、工作基准 主基准：国家基准，用来复现和保存计量单位，是一个国家内量值溯源的终点和量值传递的起点，具有现代科学技术所能达到的最高准确度，经国家鉴定并批准，作为统一全国计量单位量值的最高依据的计量器具。 副基准：通过直接或间接与国家基准比对来确定其量值，并经国家鉴定批准的计量器具。 目的：代替国家基准的日常使用，也可以用于验证国家基准的变化。633nm波长基准装置，中国计量科学研究院0.633m波长副基准装置，中国航空总公司304所0.633m波长副基准装置，中国测试技术研究院0.612m波长基准装置，中国计量科学研究院例（200

4、3年12月31日）：长度单位米是SI 单位制中7 个基本单位之一，也是较早以自然基准的方式复现的基本单位之一。1983 年, 国际计量委员会（CIPM）推荐将碘稳定的633nm He-Ne 激光辐射波长作为复现米定义的标准。1992 年，根据国际上各实验室的研究和测量结果，CIPM 更严格地规定了激光系统的运行条件和主要技术参数，同时重新给出了其频率值、波长值及其不确定度标准。2001 年，CIPM向世界各国推荐了现行的技术参数和运行条件。在国际计量组织推荐的复现米定义的若干标准谱线中，碘稳定的633nm 激光波长标准是目前世界上实用性最强、影响面最大、应用面最广、最受重视的长度基准。碘稳定激

5、光系统即使是基本满足CIPM 推荐的技术参数和运行条件，也不能完全保证达到国际频率（波长）值的不确定度标准，不同国家的基准装置之间需要定期进行比对实验，确定不同装置间的系统偏差以及造成偏差的技术原因，以保证国际间的长度量值的准确和统一。 工作基准：经与国家基准或副基准校准或比对，并经国家鉴定，实际用以检定计量标准的计量器具。 主要用于一般量值传递，以防止国家基准或副基准由于使用频繁而丧失其应有的准确度或遭到破坏。2、 计量标准 按国家规定的准确度等级，作为检定依据用的计量器具或物质。 其量值是由工作基准传递来的，并将基准所复现的单位量值通过检定逐级传递到工作用计量器具，以保证工作用计量器具的准

6、确和一致。3、工作用计量器具 不用于检定工作而只用于日常测量的计量器具。 工作用计量器具要定期用计量标准来检定，即由计量标准来评定它的计量性能（准确度、稳定度、灵敏度等）是否合格。 比对：在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器具之间的量值进行比较，以考核量值的一致性。 检定：用准确度高一等级的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以评定被检计量器具性能是否合格。 校准：用准确度高一等级的计量器具通过比较确定被校计量器具的示值误差（及其它计量性能）。 检定通常比校准包括更广泛的内容。 量值的传递与跟踪：把一个物理量单位通过各级基准、标准及相应的辅助手段传递到日常所用的量具。早

7、在1791年，法国决定把通过巴黎的子午线，从赤道到北极的长度的1千万分之一规定为1米，并把测量的结果用纯铂制成了标准米原器。1889年又改用热胀冷缩很小的铂铱合金制成国际米原器。随着激光普及化，“米”的定义改为以光波的波长倍数作标准。 1960年第11届国际计量大会上，科学界对米重新进行了定义：在真空中，氪86（氪一种同位素）发出各向同性的橙色光波长的 1,650,763倍为1米。但由于测不准定理的缘故，我们没有可能同时得出长度和时间的精确量度。1983年，国际计量局又将米定义为：真空中的光（平面电磁波），在1/299792458秒的持续时间内在真空中传播行程的长度。这一新的规定有两个好处：一

8、是精确度比以前提高了；二是具有更高的稳定性，米原器可以因意外的事故损坏或丢失，而这种用光速定义的长度单位却是任何力量都无法改变的。地球，这个巨大的时钟本身是表盘，经线就是表盘上的刻度，地球转动一圈时，就是24小时，这就是“真太阳日”。它的86400分之一就是一秒，这个秒长度就是“平太阳秒”，由地球自转与公转计量的时间，就是我们常说的世界时（UT），过去叫格林尼治时间。由于地球自转周期时快时慢，大约一天内有1-3毫秒的误差（相对值为10-8量级），宏观世界的稳定性远不及微观世界的稳定。1967年，国际计量大会决定，将铯133原子在基态的两个超精细能级结构间零场跃迁时，辐射频率的919263177

9、0个周期的时间间隔为一秒。原子秒取代了平太阳秒，原子钟的准确性已优于110-14,相当于30万年不差一秒。世界时和原子时是两个独立的时标，因此就产生了第三种时标，称为协调世界时（UTC），它所采用的时间计量单位为原子秒。在时刻上规定与世界时的平太阳秒超过0.9秒时，做1秒整数调整，拨快或拨慢1秒，称为闰秒。闰秒由国际计量局向全世界发出通知。 我国的标准时间是北京时间。中国计量科学研究院的时间频率基准钟进行标准时间量值的传递，并利用多台原子钟守时，通过国际比对，参加国际原子时合作，由国际计量局每月给出与协调世界时的偏差，偏差不确定度小于10纳秒（1纳秒为10亿分之一秒）。中国计量科学研究院负责建

10、立我国时间频率基准装置， 1986年建成的准确度为310-13,相当于10万年不差1秒，2003年通过鉴定的 “激光冷却铯原子喷泉时间频率基准装置”，准确度达到8.510-15,相当于350万年不差一秒。中国计量科学研究院守时实验室接收经过国际计量局修正产生中国计量科学研究院的原子时，在实际上实现北京时间。通过中央电视台、电话和网络向全国发播，为不同的用户服务。通过计量院校准后的原子钟、石英钟等最高可校准到110-13,相当于10万年不差1秒。 用广播传递的时间，准确度是十分之一秒；田径运动员有几分之一秒之差就决定胜负；汽车、飞机发动机的转速测量需要精确到0.01秒；炮弹发射是在千分之一秒内发

11、生的；雷达技术需要百万分之一秒（微秒s）的时间精度；导弹或使用全球定位系统的飞行器计时精度需要达到十亿分之一秒（纳秒ns） ；科学家研究原子构造、宇宙射线等往往需要准确测量亿分之一秒时间内的变化；要准确测量光速需要百亿分之一秒的准确度。四、电子测量 以电子技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为手段，以电量和非电量为测量对象的测量过程。广义地讲，凡是利用电子技术来进行的测量都可以说是电子测量。 非电量测量：通过传感器进行测量。传感器技术的发展推动了电子测量技术的广泛应用。1.2 电子测量的内容和特点一、电子测量内容 1、电能量 各种频率和波形下的电压、电流、功率等。功率传感器是按照用户的信号和调

12、制类型来设计的。 8481B 高功率传感器平均功率测量范围从0至+44 dBm 频率范围：10 MHz至18 GHz 热偶功率传感元件 The coaxial power sensors in the 8480 series measure power levels from -70dBm to +44dBm (100 pW to 25 W), at frequencies from 100 kHz to 50GHz. To cover this wide dynamic power range, both thermocouple and diode power sensing elemen

13、ts are used. E4418B/9B EPM Series power meter: applications and compatible sensors for average power measurements二极管检测电路以平均值为响应，不能直接测量输入功率的有效值，根据波形计算。 2、信号特性信号的波形、频率、周期、相位、失真度、调制度，信号的变换域分析，数字信号的逻辑状态，信号特性统计分析等。CWAMFMMBurst示波器观测的眼图眼图可以定性反映码间串扰的大小和噪声的大小。移动通信发射机中载波的谐波失真会引起对其他系统的干扰：GSM信号的频谱及其带外辐射的限制要求：射频

14、功率放大器的非线性交调失真。三阶互调（Third-order intermodulation）：设输入信号的频率为f1和f2，则三阶互调频率为2f1f2和2f2f1，当f1和f2很接近时，互调产物会落在信道内） 。EMI测试 ：电磁辐射限值为了保护声音/电视接收机、地面移动通讯、无线电话等各种无线电接收机，CISPR11(GB4824) 规定了工业、科学和医疗（(ISM）设备和电火花腐蚀设备的电磁骚扰特性的限值。 OFDM信号的频谱Orthogonal Frequency Division Multiplexing （正交频分复用） 正交频分复用，一种多载波调制方法。将信道分成若干正交子信道，

15、将高速数据信号转换成并行的低速子数据流。3、电路元件参数 电阻、电感、电容、阻抗、品质因数等。 高速LCR仪，采样率可高至120MHz100kHz120MHz的宽频带 高速LCR测试（6ms/采样） 频率40 Hz 至 110 MHz3 m ohm 至500M ohm 4、电子设备性能 增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声特性等。N5106A PXB MIMO 接收机测试仪 Multiple-Input Multiple-Output是一项考虑用于802.11n（WLAN ）的技术，用多空间通道传送和接收数据的空间复用增益和空间分集增益，近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。 二、电子测量

16、的特性 1、测量频率范围宽； 2、测量量程宽； 3、测量准确度高低相差悬殊； 4、测量速度快； 5、适于遥测和智能化测试； 6、影响因素众多，误差处理复杂。1.3 电子测量的一般方法一、按测量手续分类 直接测量：直接从测量仪表的读数获取被测量量值的 方法。 间接测量：利用被测量与实测量的函数关系进行辅助 计算。 组合测量：当被测结果需要用多个未知参数表达时，通过改变测量条件进行多次测量，根据测量量与未知参数间的函数关系，列、解方程组而获取未知量。间接测量：星载合成孔径雷达通过测量角度和距离确定目标的位置。雷达：极坐标下的测量荆州长江大桥安全监控系统全球卫星定位系统 (GPS) 组合测量24颗工

17、作卫星在地球上空大约19,300千米的高度绕地球运行，每天绕地球运转两周。卫星使用昂贵的原子钟，接收机使用经常需要调校的普通石英钟，求解四个圆方程，可得三个卫星距离变量和一个时钟误差变量。 二、按测量方式分类 偏差式（直读法）：用仪器仪表指针的偏移（偏差）表示被测量的大小的测量方法。作为计量标准的实物不直接参与测量 零位式（平衡式测量法）：用被测量与标准量相比较，用指零仪表指示被测量与标准量相等而获得被测量。特点：准确 微差式（偏差式与零位式的结合）：偏差式测量法和零位式测量法相结合的测量方法。特点：简便准确三、按测量性质分类 时域：瞬态测量 ，测量被测量随时间的变化规律。 频域：稳态测量，获

18、取待测量与频率间的关系。 数据域：逻辑量测量，对数字量或电路的逻辑状态进行测量。 统计测量：随机量测量，对各类噪声和信号进行动态测量和统计分析。四、 测量方法的选取原则 被测量本身的特性 所需要的精确程度 环境条件 所具有的测量设备 成本 综合考虑上述因素后，再确定采用哪种测量方法和选择哪些测量设备，可以得到所要求的测量结果。五、测量不当，可能会出现的结果 测量数据错误，不可信 测量仪表损坏 被测设备或元器件（DUT）损坏 DUTDevice Under Testing 人身危险 1.4 电子测量仪器概述一、主要功能 1、物理量的变换； 2、信号的传输； 3、测量结果的处理与显示。 处理： 提

19、高测量性能和测量结果的可信度； 增加测量功能。 实现自动化和智能化测量。 提高测量结果的可视性和易懂性。基于 PC 和基于仪器的适用于广泛的通信标准和调制类型的应用软件。升级软件；功能软件。标配或选配。二、主要性能指标精度：测量仪器的读数或测量结果与被测值的真值相一致的程度。 精密度：随机误差影响 正确度：系统误差影响 准确度：精密度和正确度的综合真值精密度高正确度低真值精密度低正确度高精密度低正确度低精密度高正确度高稳定性： 稳定度（稳定误差）：仪器内部因素变化造成的示值变化。 影响量（影响误差）：外部因素变化造成的示值变化。输入阻抗： 测量仪器接入被测电路，可能改变被测电路的阻抗特性，负载

20、效应的影响。灵敏度： 示值增量与被测量增量之比，或可区分的被测量的最小变化量。线性度： 示值随被测量的变化关系，可用非线性误差来表示。动态特性： 输出响应随输入变化的能力。三、电子测量仪器的种类（通用仪器与专用仪器）稳压电源（直流电源）信号源电平测量仪器电路参数测量仪器波形显示、测量仪器频率时间相位测量仪器（计数器）信号分析仪器（失真度仪、谐波分析仪、频谱分析仪等）模拟电路特性测试仪数字电路特性测试仪稳压电源（直流电源）例：E3620A Output Ratings (Maximum current) Range 1: 0 to 25 V, 0 to 1 A Range 2: 0 to 25

21、V, 0 to 1 A Power (max): 50 W Ripple & Noise from 20 Hz to 20 M Normal Mode Voltage rms: 350 V Peak-to-Peak: 1.5 mV Load & Line Regulation 0.01% + 2mV Meter Resolution Voltage: 10 mV (0-20 V), 100 mV, (20 V) Current: 1 mA 信号源函数/任意波形发生器 80 MHz正弦波和方波输出 正弦波，方波，斜波，噪声和其它波形 50 MHz脉冲波形，上升/下降时间可调 12-bit, 20

22、0 MSa/s, 64K点深度的任意波形 可用内部或外部的源实现AM, FM和FSK调制能力电平测量仪器手持式数字万用表包括：数据记录，20 MHz频率计数器，可编程方波发生器，可选的IR-USB PC连接电缆保存无限的数据记录。各种温度测量适配器（传感器）高性能数字万用表：测量更为复杂的信号 更宽的量程范围 更高的精度 更快的测量速度和系统速度 电容、温度测量功能和峰检测能力另增的功能和量程扩展的读数存储和触发能力采用双显示的同时测量标准计算机IO接口和网络浏览器电路参数测量仪器R、L、C测试仪，晶体管参数测试仪，集成电路测试仪，图示仪等B1500A 半导体器件分析仪 B1505A Powe

23、r Device Analyzer / Curve Tracer（功率器件分析仪 / 曲线追踪仪 ） High-power SMU can measure from 10 pA to 1 A and from 2 V to 200 V High-current SMU can measure from 10 pA to 20 A and from 200 nV to 40 V High-voltage SMU can perform sub-picoamp leakage measurement at 3000 V Multi-frequency (1 kHz to 5 MHz) capaci

24、tance measurement unit can measure capacitance at up to 3000 V dc bias 波形显示、测量仪器200-MHz带宽/4 kpts存储器深度/1 GSa/s采样率 标配USB设备与电脑的连接，可选GPIB和RS-232连接320 x 240分辨率的彩色VGA显示器 先进的触发特性（边沿、脉宽和视频 ），包括边沿、脉宽和视频 免费的示波器连接软件20种自动测量/4种数学函数，包括FFT 掩码测试、序列模式（分段存储 ）及延迟扫描 查看DSO3000系列直播视频演示 频率时间相位测量仪器（计数器）信号分析仪器（失真度仪、谐波分析仪、频谱

25、分析仪等）N9340B 手持式射频频谱分析仪 100 kHz 3 GHz的频率范围 10 ms的非零扫宽时间 30 Hz 1 MHz RBW，顺序为1-3-10 -144 dBm显示的平均噪声电平（DANL） +10 dBm的三阶截获（TOI） 谱图 频谱辐射模板 支持Agilent USB功率传感器 场强测量 可选择AM/FM和ASK/FSK调制分析 模拟电路特性测试仪扫频仪，噪声系数测试仪模拟电路的扫频测量N8973A噪声系数分析仪 分析仪产生28VDC脉冲信号驱动噪声源，所产生的噪声驱动DUT，根据已知的噪声源输入噪声和信噪比，分析仪由DUT的输出计算并显示噪声系数。数字电路特性测试仪1

26、6901A logic analyzer2-slot modular mainframe with 15 in color touch screen display 双槽模块化系统 支持定时/状态分析仪和码型发生器 PCI扩展槽 主机可单独或联网使用，进行复杂的多总线分析15英寸彩色触摸屏，1024 x 768分辨率 Windows XP Pro操作环境 数据视图：波形/图表、列表、数据包查看器、源代码、比较LAN：10/100 BaseT I/O端口：6个USB 2.0、并行、串行、外部视频、校准BNC和时钟输入BNC端口另外，还有一些无线电测量仪器，电子测量用辅助仪器等例：MTS400 系

27、列MPEG 分析仪 有线、卫星、地面固定和移动网络的压缩视频产品或压缩视频业务中故障的分析和排查解决方案。MPEG-2, DVB, ATSC, 以及ISDB 符合性测试 提供H.264、MPEG-4、VC-1、H.263视频解决方案和MPEG-2、AAC 、HE-AAC以及AC3音频分析的解决方案。四、电子测量仪器的技术发展趋势数字化：数字测量系统具有灵活性和开放性 采用数字方法进行测量，即把被测量转换为数字，基于现代信息科学理论和技术，基于数字电路，通过数字运算实现测量功能。数字化测量电路的特点： 电路特性无调整要求，特性具有内在可重复性； 与老化、温度效应及制造容差引起的失配无关； 抗噪声

28、、串扰和电源变化等干扰； 对复杂电路的信噪比和失真进行折衷设计； 信号可存储，可进行非线性放大、编码和误差校正； 可再组合，可编程，实现软件化测量； 测试简便，可自检，可自诊断； 可实现片上系统和嵌入式系统。 数字化电子测量仪器的功能特性： 抗干扰能力强； 精度高； 可维护性与可更新性； 自适应性； 自动化与智能化； 微型化； 功能虚拟化（内置或选配应用软件）； 多模式与多功能化； 事后处理； 遥测； 以组网和联网方式完成更复杂的测量，按需自定义，可重构。例：数字测量功能的自动化与智能化、软件化、多模式与多功能化、虚拟化、遥测、组网与联网、事后处理Agilent U1600A系列是具有内置DM

29、M和记录器功能的双通道20MHz和40 MHz示波器彩色显示 200 MSa/s采样速率 125 KB存储器深度 FFT功能 波形放缩与数学函数 6000个计数的数字多用表 记录器功能 标准USB 2.0全速IO接口 。 例：数字测量功能的多模式与多功能化电子测量技术示例：嵌入式混合信号系统测试混合信号系统：简化的采集/仪器系统逻辑分析仪与示波器的基本功能的结合，应用于混合信号嵌入式设计的调试。典型的嵌入式设计可能会包括各种模拟信号、高速和低速串行数字通信、微处理器总线等，芯片间的通信常用I2C（一种串行总线）和SPI（一种同步串行外设接口 ）等串行协议。许多常用串行协议要求三条或三条以上的线

30、，通常需要同时解码和显示多条串行总线，观测其时间相关性。把多路示波器的串行触发和解码功能与多条数字通道结合在一起。Multiple Views Provide the Right Level of Insightmore efficient testing with deeper insight about subtle signal interactions. multi-measurement feature 透过复杂表象，洞悉问题根源。电子测量技术示例：利用示波器进行开关电源的测量和分析消除电压探头和电流探头之间的偏移：在使用数字示波器进行电源测量时，必需测量流经被测设备的电压及电流。这一任务要求使用一只电压探头 (通常是高压差分探头)，一只电流探头。电流探头和电压探头之间的延迟差称为偏移，而功率是电压和电流的乘积。限制示波器带宽：从显示的波形中去掉噪声或不想要的高频成分，提高信号的干净程度。例如，如果要测量1MHz信