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在线教务辅导网:教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187或者直接输入下面地址:在线教务辅导网:http://www.shangfuwang1李福军电子测量仪器与应用李福军电子测量仪器与应用2前言本教材以先进性和实用性为宗旨,力求将电子测量技术与相关电子仪器有机融合,介绍各种电子测量仪器的使用与操作方法,内容先进实用,可操作性强。书中对现代电子测量仪器的特点与应用作了介绍,反映了电子测量技术的最新成果和实际仪器。每章有目标规划、拓展学习及实训操作,附有自测题习题答案,对于在生产岗位上进行实际操作的人员,具有实际的指导意义。欢迎使用本教材的广大老师和学生对本书中存在的问题提出批评、建议和意见,以便进一步修订和完善教材(编者信箱:Lifujun0415@163.com)。

前言本教材以先进性和实用性为宗旨,3学习导航:全书的知识结构框架图预备知识电子测量与仪器基础知识电子测量仪器与应用时域测量技术测量用信号发生器电压测量及电压表电子元件测量及仪器波形测试及示波器各种元件测量技术频域测量技术频率特性测量及仪器频率和时间测量及仪器数据域测量技术数据信号测量及仪器现代测量技术智能仪器与自动测试系统虚拟仪器技术学习导航:全书的知识结构框架图预备知识电子测量与仪器基础知识4第1章电子测量与仪器基础知识(一)学习目标基本了解:电子测量技术发展历程和应用前景;电子测量误差的表示与分类。重点掌握:测量结果的表示与有效数字处理。(二)技能目标掌握电子测量的方法、测量误差的基本计算;掌握仪表准确度等级、量程选择的一般原则。第1章电子测量与仪器基础知识(一)学习目标51.1电子测量技术的基本知识1.2电子测量仪器的基本知识1.3电子测量的误差和处理方法自测题解答1.1电子测量技术的基本知识61.1电子测量技术的基本知识1.1.1电子测量的基本概念

测量就是人类获取客观事物的量值而进行的认识过程。测量的结果一般有两部分组成:数值和单位,而且测量的结果必须是有理数才有意义。

从广义来说,凡是以电子技术为手段来进行的测量都可以说是电子测量。(二次表)传感器(一次表)电子测量仪器电量非电量电子测量与仪器的原理框图1.1电子测量技术的基本知识1.1.1电子测量的基本概7

1.电能量的测量2.电子元件和电路参数的测量3.电信号特征的测量4.特性曲线显示1.1.2电子测量技术的内容

1.1.3电子测量技术的特点和应用

1.测量频率范围宽2.量程宽3.准确度高4.速度快5.易于实现遥测6.易于实现测量过程的自动化和测量仪器的智能化1.电能量的测量1.1.2电子测量技术的内容

1.1.81.按测量手段分类对同一类性质的被测量进行测量时,采用的测量手段可能不一样。常用的有直接测量、间接测量和组合测量三种。2.按被测量性质分类

1.时域测量:如用示波器测交流电压波形2.频域测量:如用扫频仪测幅频特性3.数据域测量:如用逻辑分析仪测多路逻辑信号4.随机域测量:如噪声、干扰信号的测量1.1.4电子测量技术的分类1.按测量手段分类1.1.4电子测量技术的分类91.2电子测量仪器的基本知识1.2.1电子测量仪器的分类

根据测量精度的要求不同,有高精度、普通和简易三种;按显示方式不同,有模拟式和数字式两大类;根据用途分类有专业用仪器和通用仪器。通用仪器按其功能可分为以下几类:1.信号发生器2.信号分析仪3.电平测量仪器4.时间、频率和相位测量仪器5.网络参数测量仪器6.电子元件参数测量仪7.数据域测试仪器8.电波特性测试仪9.虚拟仪器1.2电子测量仪器的基本知识1.2.1电子测量仪器的分10◆传统电子测量的内容主要涉及电能量的测量,电信号特性测量、电子电路性能测量、特性曲线的描述与测量等。

◆采用计算机测试技术的现代电子测量仪器可广泛用于通信系统,网络系统、过程控制系统、信息处理系统等的测量和监控。◆传统电子测量的内容主要涉及电能量的测量,电信号特性测量11电子测量技术与仪器的发展主要经历以下几个阶段:模拟式仪器/仪表数字式仪器/仪表智能化仪器虚拟仪器电子测量技术与仪器的发展主要经历以下几个阶段:121.2.2电子测量仪器的主要技术指标

1.频率范围频率范围是指能保证电子测量仪器正常工作的有效频率。

2.准确度测量准确度又称测量精度,主要指测量结果受各种因素的影响而产生的测量误差。3.测量功能、范围测量的功能是指能测量什么被测量,测量范围是指仪器适合测量的数值大小。

4.量程与分辨力量程是指测量仪器的测量范围。分辨力是指测量仪器所能直接反映出的被测量变化的最小值,如指针式仪表刻度盘标尺上最小刻度(1个格)所代表的被测量大小或数字仪表最低位显示变化1个字所代表被测量大小。

【注意】同一台仪器在不同量程上的分辨力却不同,一般以仪器最小量程的分辨力(最高分辨力)作为该仪器的分辨力。1.2.2电子测量仪器的主要技术指标1.频率范围13

例1-1

MF-47型指针式万用表盘上的刻度线如图,问该表在直流电压档10V量程的分辨力为多少?直流电压档的(最高)分辨力为多少?

答:直流电压档10V量程的分辨力为0.2V(1个格为0.2V);直流电压档的最小量程为0.25V,所以其最高分辨力为0.005V,即5mV。直流电压挡区域例1-1MF-47型指针式万用表盘上的刻度线如图,问14

真值的概念:在一定的条件下,被测量的真实大小或真实数值称为这个量的真值。

1.3电子测量的误差和处理方法1.3.1常用测量术语

1.实际值:满足规定精确度的用来代替真值的量值。实际值一般由实验获得,在一定程度上很接近真值。通常将上一级计量标准所确定的量值称为下一级计量器具的实际值。

2.示值:示值也称为测量值,示值测量仪器的读数装置所显示出的被测量的量值,一般用x表示。

3.读数:读数是指有仪器刻度盘或数字显示器上直接读到的数字,有时读数值并不一定代表测量值的大小。

例如,指针式万用表测干电池1.5V直流电压,选用250刻度线,当指针指在150处时,读数是150,而测量值(示值)却为1.5V。真值的概念:在一定的条件下,被测量的真实大小或真实151.3.2测量误差及其表示方法1.绝对误差及其表示法

(1)定义:绝对误差定义为测量结果与被测量的真值的差值。绝对误差为

实际应用时,常用精度高一级的标准器具的示值作为实际值来代替真值。即◆测量误差的来源

所有的测量结果都有误差,不存在没有误差的测量。测量时首先应充分考虑引起误差的因素,从源头堵住测量误差的产生!绝对误差Δx既有大小、量纲,又有正负。

1.3.2测量误差及其表示方法1.绝对误差及其表示法◆16例1-2用电压表测电压,示值为16V,而用标准表测得的结果为15V,则绝对误差为多少?解:Δx=x–A=16–15=1(V)

(2)修正值与Δx相等但符号刚好相反的值,称为修正值,一般用C表示。

C=-Δx=A–x测量仪器在使用前都要由上一级标准给出受检仪器的修正值,它通常以表格、曲线或公式的形式给出。由修正值,可以求出实际值

A=C+x

例1-2用电压表测电压,示值为16V,而用标准表测得的结果172.相对误差及其三种表示法(1)实际相对误差定义为绝对误差与被测量的实际值的百分比值。(2)示值相对误差或称标称相对误差,定义为绝对误差与读数值的百分比。(3)满度相对误差或称引用相对误差,定义为绝对误差与测量仪器满度值的百分比。2.相对误差及其三种表示法(1)实际相对误差18(4)仪表准确度等级

最大满度相对误差的分子、分母都由仪器的固有性能所决定,所以常用它来对电子仪器进行分级。常用字母s表示。式中s——仪表等级;γm——最大满度相对误差。常用电工仪表的准确度等级可分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七级。例如,s=1.0,表示仪表的满刻度相对误γm≤±1.0%。仪表等级越大,满度相对误差越大,准确度越低。表1.1仪表等级与最大引用误差仪表精确度等级(s)1.0最大引用误(γm)±0.1%±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.0%(4)仪表准确度等级最大满度相对误差的分子、分母都由仪193.仪表选择的一般原则(1)量程的选择【重要结论】当仪表的准确等级确定后,示值越接近满刻度,示值相对误差越小。所以,在选用仪表时,应当根据测量值的大小来选择仪表的量程,尽量使测量的示值在仪表满刻度值(即量程)的2/3以上区域为宜。3.仪表选择的一般原则(1)量程的选择20(2)仪表等级的选择

例1-6

要测量一个10V左右的电压,现有两块电压表。其中一块量程为100V、±1.0级,另一块量程为15V、±2.5级,问选用哪块电压表合适?解:(1)对100V、±1.0级电压表,因为

(2)对15V、±2.5级电压表,同理有

选用15V、±2.5级电压表较为合适。可见,尽管15V电压表的准确度低,但被测电压示值x接近满刻度值xm,符合前面讨论的量程选择原则。

(2)仪表等级的选择例1-6要测量一个10V左右211.3.3测量误差的来源和分类1.误差的来源

仪器误差、方法误差、影响误差、人为误差。2.误差分类(1)系统误差:主要由仪器设备因素引起的,如零点偏移、刻度不准等,具有确定性。(2)随机误差:主要由外部干扰引起的,如噪声干扰、电磁场微变、大地微震等,具有不确定性(3)粗大误差:主要是操作不当引起的,如读数错误、记录错误等,它严重歪曲了测量结果,应当剔除。1.3.3测量误差的来源和分类1.误差的来源221.3.4测量误差的分析和处理1.测量结果的评价(1)正确度:系统误差越小,正确度就越高。(2)精密度:随机误差越小,精密度就越高。(3)准确度:是系统误差和随机误差的综合。以射击打靶为例

(a)正确度高、精密度低(b)正确度低、精密度高(c)正确度和精密度都高

1.3.4测量误差的分析和处理1.测量结果的评价233.测量结果的处理(1)有效数字从左边第一个非零数字算起,直到右边最后一位数字为止的所有数字。有效数字中非零数字后的0不能随意省略,例如2000V可以写成2.000kV,2.000×103V,而不能写成2kV、2.0kV或2.00kV。

科学记数法:对位数较多的数据,易采用有效数字×10的幂的形式,其中有效数字只保留1位整数。例如1060000Hz,如要保留4位有效数字,应写成Hz。

3.测量结果的处理(1)有效数字24(2)数据的舍入规则

当只需要保留N位有效数字时,对第N+1位及其后面的各位数字就要根据舍入规则进行处理。①4舍6入:当第N+1位小于5时,舍掉;大于5时,N位加1。②当第N+1位恰为5时:若5后面只要有非零数字时,则第N位加1;若5后面无数字或全为0时,则由5之前的数的奇偶性来决定舍入,如果5之前为奇数则舍5且第N位加1,如果5之前为偶数则舍5,第N位不变。

例1.8

将下列数字保留3位有效数字。25.54

76.252

28.250

3.9951965000.006325解:25.54

→25.5

76.252

→76.3

28.250

→28.2

3.995

→4.00196500

→0.006325→0.00632或(2)数据的舍入规则当只需要保留N位有效数字时,对第N25【自测题】解答1.答:常用的电子测量仪器及其测量内容如表所示。

测量方法测量仪器主要应用范围时域测量测量用信号发生器提供测试用信号,如正弦、脉冲、函数、噪声信号等电子示波器实时测量信号的电压值、周期、相位、频率、脉冲信号的上升沿、下降沿等参数电子电压表测量正弦电压或周期性非正弦电压的峰值、有效值、平均值电子计数器测量周期性信号的频率、周期、频率比、时间间隔、累加计数等频域测量频率特性测试仪测量电子电路的幅频特性、带宽、回路的Q值等频谱分析仪测量电信号的电平、频率响应、谐波失真、频谱纯度及频率稳定度,测量电路的振幅传输特性和相移特性等网络分析仪测量网络特性数据域测量数字信号发生器提供串行、并行数据及任意数据流信号逻辑分析仪监测数字系统的软、硬件工作程序数据通信分析仪测量数据通信网和传输设备的误码、延时、告警和频率随机测量噪声系数分析仪测量噪声信号电磁干扰测试仪测量电磁干扰信号【自测题】解答1.答:常用的电子测量仪器及其测量内容如表所262解:Δx=x-A=100V-98V=2VC=-Δx=-2VA=x+C=100V-2V=98VΔx=-C=2V3答:在选用仪表时,应当根据测量值的大小来选择仪表的量程,尽量使测量的示值在仪表满刻度值(即量程)的2/3以上区域为宜。可以看出:示值x越接近满刻度值xm,示值误差γx值越小,测量的准确度就越高。4答:正确度表示测量结果中存在的系统误差的大小程度,是衡量测量结果正确性的尺度。精密度表示测量结果中存在的随机误差的大小程度。准确度是测量结果中系统误差和随机误差的综合,表示测量结果与真值的一致程度。5答:(1)(3),(4),(2)。2解:Δx=x-A=100V-98V=2V276.解:Δx=x-A=94.7mA-90mA=4.7mA因为所以被校表的准确度等级应定为5.0级。7.解:

37.694→37.786.372→86.43.175→3.1823000→0.0003215→58350→500.026→50033.6502→33.68.解:相同数据有3.600kHz3600Hz3.600×103Hz。6.解:Δx=x-A=94.7mA-90mA=4.7mA28在线教务辅导网:教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187或者直接输入下面地址:在线教务辅导网:http://www.shangfuwang29李福军电子测量仪器与应用李福军电子测量仪器与应用30前言本教材以先进性和实用性为宗旨,力求将电子测量技术与相关电子仪器有机融合,介绍各种电子测量仪器的使用与操作方法,内容先进实用,可操作性强。书中对现代电子测量仪器的特点与应用作了介绍,反映了电子测量技术的最新成果和实际仪器。每章有目标规划、拓展学习及实训操作,附有自测题习题答案,对于在生产岗位上进行实际操作的人员,具有实际的指导意义。欢迎使用本教材的广大老师和学生对本书中存在的问题提出批评、建议和意见,以便进一步修订和完善教材(编者信箱:Lifujun0415@163.com)。

前言本教材以先进性和实用性为宗旨,31学习导航:全书的知识结构框架图预备知识电子测量与仪器基础知识电子测量仪器与应用时域测量技术测量用信号发生器电压测量及电压表电子元件测量及仪器波形测试及示波器各种元件测量技术频域测量技术频率特性测量及仪器频率和时间测量及仪器数据域测量技术数据信号测量及仪器现代测量技术智能仪器与自动测试系统虚拟仪器技术学习导航:全书的知识结构框架图预备知识电子测量与仪器基础知识32第1章电子测量与仪器基础知识(一)学习目标基本了解:电子测量技术发展历程和应用前景;电子测量误差的表示与分类。重点掌握:测量结果的表示与有效数字处理。(二)技能目标掌握电子测量的方法、测量误差的基本计算;掌握仪表准确度等级、量程选择的一般原则。第1章电子测量与仪器基础知识(一)学习目标331.1电子测量技术的基本知识1.2电子测量仪器的基本知识1.3电子测量的误差和处理方法自测题解答1.1电子测量技术的基本知识341.1电子测量技术的基本知识1.1.1电子测量的基本概念

测量就是人类获取客观事物的量值而进行的认识过程。测量的结果一般有两部分组成:数值和单位,而且测量的结果必须是有理数才有意义。

从广义来说,凡是以电子技术为手段来进行的测量都可以说是电子测量。(二次表)传感器(一次表)电子测量仪器电量非电量电子测量与仪器的原理框图1.1电子测量技术的基本知识1.1.1电子测量的基本概35

1.电能量的测量2.电子元件和电路参数的测量3.电信号特征的测量4.特性曲线显示1.1.2电子测量技术的内容

1.1.3电子测量技术的特点和应用

1.测量频率范围宽2.量程宽3.准确度高4.速度快5.易于实现遥测6.易于实现测量过程的自动化和测量仪器的智能化1.电能量的测量1.1.2电子测量技术的内容

1.1.361.按测量手段分类对同一类性质的被测量进行测量时,采用的测量手段可能不一样。常用的有直接测量、间接测量和组合测量三种。2.按被测量性质分类

1.时域测量:如用示波器测交流电压波形2.频域测量:如用扫频仪测幅频特性3.数据域测量:如用逻辑分析仪测多路逻辑信号4.随机域测量:如噪声、干扰信号的测量1.1.4电子测量技术的分类1.按测量手段分类1.1.4电子测量技术的分类371.2电子测量仪器的基本知识1.2.1电子测量仪器的分类

根据测量精度的要求不同,有高精度、普通和简易三种;按显示方式不同,有模拟式和数字式两大类;根据用途分类有专业用仪器和通用仪器。通用仪器按其功能可分为以下几类:1.信号发生器2.信号分析仪3.电平测量仪器4.时间、频率和相位测量仪器5.网络参数测量仪器6.电子元件参数测量仪7.数据域测试仪器8.电波特性测试仪9.虚拟仪器1.2电子测量仪器的基本知识1.2.1电子测量仪器的分38◆传统电子测量的内容主要涉及电能量的测量,电信号特性测量、电子电路性能测量、特性曲线的描述与测量等。

◆采用计算机测试技术的现代电子测量仪器可广泛用于通信系统,网络系统、过程控制系统、信息处理系统等的测量和监控。◆传统电子测量的内容主要涉及电能量的测量,电信号特性测量39电子测量技术与仪器的发展主要经历以下几个阶段:模拟式仪器/仪表数字式仪器/仪表智能化仪器虚拟仪器电子测量技术与仪器的发展主要经历以下几个阶段:401.2.2电子测量仪器的主要技术指标

1.频率范围频率范围是指能保证电子测量仪器正常工作的有效频率。

2.准确度测量准确度又称测量精度,主要指测量结果受各种因素的影响而产生的测量误差。3.测量功能、范围测量的功能是指能测量什么被测量,测量范围是指仪器适合测量的数值大小。

4.量程与分辨力量程是指测量仪器的测量范围。分辨力是指测量仪器所能直接反映出的被测量变化的最小值,如指针式仪表刻度盘标尺上最小刻度(1个格)所代表的被测量大小或数字仪表最低位显示变化1个字所代表被测量大小。

【注意】同一台仪器在不同量程上的分辨力却不同,一般以仪器最小量程的分辨力(最高分辨力)作为该仪器的分辨力。1.2.2电子测量仪器的主要技术指标1.频率范围41

例1-1

MF-47型指针式万用表盘上的刻度线如图,问该表在直流电压档10V量程的分辨力为多少?直流电压档的(最高)分辨力为多少?

答:直流电压档10V量程的分辨力为0.2V(1个格为0.2V);直流电压档的最小量程为0.25V,所以其最高分辨力为0.005V,即5mV。直流电压挡区域例1-1MF-47型指针式万用表盘上的刻度线如图,问42

真值的概念:在一定的条件下,被测量的真实大小或真实数值称为这个量的真值。

1.3电子测量的误差和处理方法1.3.1常用测量术语

1.实际值:满足规定精确度的用来代替真值的量值。实际值一般由实验获得,在一定程度上很接近真值。通常将上一级计量标准所确定的量值称为下一级计量器具的实际值。

2.示值:示值也称为测量值,示值测量仪器的读数装置所显示出的被测量的量值,一般用x表示。

3.读数:读数是指有仪器刻度盘或数字显示器上直接读到的数字,有时读数值并不一定代表测量值的大小。

例如,指针式万用表测干电池1.5V直流电压,选用250刻度线,当指针指在150处时,读数是150,而测量值(示值)却为1.5V。真值的概念:在一定的条件下,被测量的真实大小或真实431.3.2测量误差及其表示方法1.绝对误差及其表示法

(1)定义:绝对误差定义为测量结果与被测量的真值的差值。绝对误差为

实际应用时,常用精度高一级的标准器具的示值作为实际值来代替真值。即◆测量误差的来源

所有的测量结果都有误差,不存在没有误差的测量。测量时首先应充分考虑引起误差的因素,从源头堵住测量误差的产生!绝对误差Δx既有大小、量纲,又有正负。

1.3.2测量误差及其表示方法1.绝对误差及其表示法◆44例1-2用电压表测电压,示值为16V,而用标准表测得的结果为15V,则绝对误差为多少?解:Δx=x–A=16–15=1(V)

(2)修正值与Δx相等但符号刚好相反的值,称为修正值,一般用C表示。

C=-Δx=A–x测量仪器在使用前都要由上一级标准给出受检仪器的修正值,它通常以表格、曲线或公式的形式给出。由修正值,可以求出实际值

A=C+x

例1-2用电压表测电压,示值为16V,而用标准表测得的结果452.相对误差及其三种表示法(1)实际相对误差定义为绝对误差与被测量的实际值的百分比值。(2)示值相对误差或称标称相对误差,定义为绝对误差与读数值的百分比。(3)满度相对误差或称引用相对误差,定义为绝对误差与测量仪器满度值的百分比。2.相对误差及其三种表示法(1)实际相对误差46(4)仪表准确度等级

最大满度相对误差的分子、分母都由仪器的固有性能所决定,所以常用它来对电子仪器进行分级。常用字母s表示。式中s——仪表等级;γm——最大满度相对误差。常用电工仪表的准确度等级可分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七级。例如,s=1.0,表示仪表的满刻度相对误γm≤±1.0%。仪表等级越大,满度相对误差越大,准确度越低。表1.1仪表等级与最大引用误差仪表精确度等级(s)1.0最大引用误(γm)±0.1%±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.0%(4)仪表准确度等级最大满度相对误差的分子、分母都由仪473.仪表选择的一般原则(1)量程的选择【重要结论】当仪表的准确等级确定后,示值越接近满刻度,示值相对误差越小。所以,在选用仪表时,应当根据测量值的大小来选择仪表的量程,尽量使测量的示值在仪表满刻度值(即量程)的2/3以上区域为宜。3.仪表选择的一般原则(1)量程的选择48(2)仪表等级的选择

例1-6

要测量一个10V左右的电压,现有两块电压表。其中一块量程为100V、±1.0级,另一块量程为15V、±2.5级,问选用哪块电压表合适?解:(1)对100V、±1.0级电压表,因为

(2)对15V、±2.5级电压表,同理有

选用15V、±2.5级电压表较为合适。可见,尽管15V电压表的准确度低,但被测电压示值x接近满刻度值xm,符合前面讨论的量程选择原则。

(2)仪表等级的选择例1-6要测量一个10V左右491.3.3测量误差的来源和分类1.误差的来源

仪器误差、方法误差、影响误差、人为误差。2.误差分类(1)系统误差:主要由仪器设备因素引起的,如零点偏移、刻度不准等,具有确定性。(2)随机误差:主要由外部干扰引起的,如噪声干扰、电磁场微变、大地微震等,具有不确定性(3)粗大误差:主要是操作不当引起的,如读数错误、记录错误等,它严重歪曲了测量结果,应当剔除。1.3.3测量误差的来源和分类1.误差的来源501.3.4测量误差的分析和处理1.测量结果的评价(1)正确度:系统误差越小,正确度就越高。(2)精密度:随机误差越小,精密度就越高。(3)准确度:是系统误差和随机误差的综合。以射击打靶为例

(a)正确度高、精密度低(b)正确度低、精密度高(c)正确度和精密度都高

1.3.4测量误差的分析和处理1.测量结果的评价513.测量结果的处理(1)有效数字从左边第一个非零数字算起,直到右边最后一位数字为止的所有数字。有效数字中非零数字后的0不能随意省略,例如2000V可以写成2.000kV,2.000×103V,而不能写成2kV、2.0kV或2.00kV。

科学记数法:对位数较多的数据,易采用有效数字×10的幂的形式,其中有效数字只保留1位整数。例如1060000Hz,如要保留4位有效数字,应写成Hz。

3.测量结果的处理(1)有效数字52(2)数据的舍入规则

当只需要保留N位有效数字时,对第N+1位及其后面的各位数字就要根据舍入规则进行处理。①4舍6入:当第N+1位小于5时,舍掉;大于5时,N位加1。②当第N+1位恰为5时:若5后面只要有非零数字时,则第N位加1;若5后面无数字或全为0时,则由5之前的数的奇偶性来决定舍入,如果5之前为奇数则舍5且第N位加1,如果5之前为偶数则舍5,第N位不变。

例1.8

将下列数字保留3位有效数字。25.54

76.252

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