《电子测量与仪器》高职全套教学课件

第1章电子测量与仪器基础知识第1章

电子测量与仪器基础知识第2章

测量用信号发生器第3章

电压测量技术与电压表第4章

波形测试及示波器第5章

频率时间测量与仪器第6章

电子元件参数的测量与第7章

频率特性测量及仪器第8章

数据信号测量及仪器第9章

自动测试系统与虚拟仪器全套可编辑PPT课件

章首导言

本章主要介绍电子测量的基本知识，包括：电子测量的内容、方法和特点等；电子测量仪器及其基本知识；电子测量的误差及其处理方法，为后续学习提供基础。1.1电子测量的基本知识测量是伴随着人类社会生产和技术的发展而形成的一种定量认识和有效改造世界的重要手段。人们在对客观事物认识过程，不但需要进行定性描述，更需要定量分析，定量分析就需要进行测量，以取得科学的数据，并通过对数据的处理和分析来获得事物发展变化的规律。电子测量是测量领域的主要组成部分，它是随着电子技术的发展而形成的一门新测量技术，具有广阔应用前景。1.1.1电子测量的基本概念1.测量测量是人类认识和改造世界的一种重要手段。测量是通过实验方法对客观事物取得定量数据的过程。其实测量和我们每个人都有着密切的联系，人们或多或少都对它有一定的了解。关于测量的科学定义，可以从狭义和广义两个方面进行阐述。狭义而言，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。广义而言，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且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。2.电子测量

电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。它是测量学和电子学互相结合的产物；也是在科学研究、生产和控制中，人们为了对被测对象所包含的信息进行定性分析、定量掌握所采取的一系列电子技术措施；是分析事物，做出有关判断和决策的依据。在电子测量过程中，以电子技术理论为依据，以电子测量仪器为手段，对各种电量、电信号、电路特性和元器件参数进行测量，还可以通过传感器对各种非电量进行测量。严格地讲，电子测量是指利用电子技术对电子学中有关物理量所进行的测量。1.1.2电子测量的内容和特点1.电子测量的内容电子测量的范围十分广泛，从狭义上来看，对电子学中电的量值的测量是最基本、最直接的电子测量，其内容有以下几个方面：(1)电能量的测量，如测量电流、电压、功率等。(2)电子元件和电路参数的测量，如测量电阻、电容、电感、品质因数及电子器件的其他参数等。(3)电信号的特性和质量的测量，如测量信号的波形、频谱、调制度、失真度、信噪比等。(4)基本电子电路特性的测量，如测量滤波器的截止频率和衰减特性等。(5)特性曲线的测量，如测量放大器幅频特性曲线与相频特性曲线等。2.电子测量的特点与其他测量技术相比，电子测量具有以下几个明显的特点：(1)测量范围宽。对电信号的测量，可以从直流信号到频率为10-6~1012Hz的交流信号。对非电量，可以用传感技术将其转换为电信号来测量。(2)测量准确度与灵敏度高。以原子频标和原子秒作为基准的时间测量，其测量误差小于1×10－13s。由于电子测量仪器具有信号放大功能，对于一些物体的特性，如温度、体积等，即使发生极其微弱的变化，也能很方便地检测出来。(3)测量速度快。由于电子测量是用电子设备来完成的，其工作速度几乎等同于电子运动和电磁波的传播速度，这是其他测量方法所无法比拟的。1.1.3电子测量方法1.按测量手段分类电子测量可分为直接测量、间接测量和组合测量。直接测量是指直接从测量仪表的读数获取被测量量值的方法，例如，用电压表测量晶体管的工作电压，用直流电桥测量电阻，用计数式频率计测量频率等。直接测量的特点是不需要对被测量与其他实测的量进行函数关系的辅助运算，因而测量过程简单、迅速，广泛应用于工程测量中。间接测量是利用直接测量的量与被测量之间的函数关系（可以是公式、曲线或表格等）间接得到被测量量值的测量方法。即对与未知待测量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，然后通过函数y=f（x）或y=f（x1，x2，…，xn），计算出待测量y。当某个测量结果是用多个未知参数表达时，要测量这多个未知参数，可通过改变测量条件进行多次测量，再根据测量的量与未知参数之间的函数关系列出方程组并求解，从而得到未知参数量，这种测量方法称为组合测量。2.按测量方式分类

1）偏差式测量法

在测量过程中，用仪器仪表指针的位移（偏差）表示被测量大小的测量方法称为偏差式测量法，如使用万用表测量电压、电流等。由于从仪表刻度上直接读取被测量，包括大小和单位，因此这种方法又称直读法。用这种方法测量时，作为计量标准的实物并不装在仪表内直接参与测量，而是事先用标准量具对仪表读数、刻度进行校准，实际测量时根据指针偏转的大小确定被测量的量值。2）零位式测量法零位式测量法又称零示法或平衡式测量法。测量时将被测量与标准量相比较（因此也把这种方法称为比较测量法），用指零仪表（零示器）指示被测量与标准量相等（平衡），从而获得被测量。利用惠斯通电桥测量电阻（或电容、电感）是零位式测量法的一个典型例子。3）微差式测量法偏差式测量法和零位式测量法相结合，即构成微差式测量法。该方法通过测量待测量与标准量之差（通常该差值很小）来得到待测量的值，如图1.3-2所示。图中，P为量程不大但灵敏度很高的偏差式仪表，它指示的是待测量x与标准量s之间的差值（δ=x－s），即x=s+δ。只要δ足够小，这种方法的测量准确度基本上取决于标准量的准确度。与零位式测量法相比，该法省去了反复调节标准量大小以求平衡的步骤。3.按被测量的性质分类1）时域测量时域测量是以获取被测对象和系统在时间领域的特性为目的，主要测量被测对象的幅值-时间特性，以得到信号波形和系统的瞬态响应（阶跃响应或冲击响应），又称瞬态测量。2）频域测量频域测量是以获取被测信号和被测系统在频率领域的特性为目的，通过测量被测对象的复数频率特性（包括幅度-频率特性和相位-频率特性），以得到信号的频谱和系统的传递函数。频域测量的主要对象是信号频谱和网络特性。3）数据域测量数据域测量也称为逻辑量测量，主要是用逻辑分析仪等设备对数字量或电路的逻辑状态进行测量。数据域测量可以同时观察多条数据通道上的逻辑状态，或者显示某条数据线上的时序波形，还可以借助计算机分析大规模集成电路芯片的逻辑功能等。随着微电子技术的发展需要，数据域测量及其测量智能化、自动化显得越来越重要。4）随机测量客观事物总是存在于一定环境中，不可避免要受到各种外界因素的干扰，这些干扰使得事物的运动具有一定的随机性，为了描述这类事物，出现了一门较新的测量技术，即随机测量技术。1.1.4计量1.计量的定义为了保证测量结果的一致性，在不同的地方用不同的仪器进行测量，所用测量仪器的单位必须严格一致，这就需要有统一的单位，以及体现这些单位的基准、标准和用这些基准和标准校准的测量器具，并用法律形式固定下来，从而形成了与测量有联系而又区别于测量的新概念，这就是计量。1632.计量和测量的关系

测量是通过测量仪器，采用一定的测量方法将被测未知量和同类已知的标准单位量进行比较的过程；计量是通过计量器具用法定标准的已知量与同类的未知量（如受检仪器）进行比较的过程。计量是保证量值统一和准确可靠的一种测量，是测量的特殊形式。所以，计量和测量是既有密切联系又有一定区别的两个概念。计量是测量发展的客观需要，是测量数据准确可靠的保证。计量也是测量的基础和依据，没有计量，也谈不上测量。测量又是计量通向实际应用的重要途径，可以说没有测量，计量也将失去意义。计量和测量相互配合，才能在国民经济中发挥重要作用。3.基准基准是指用当代最先进的科学技术和工艺水平，以最高的准确度和稳定性建立起来的专门用以规定、保持和复现物理量计量单位的特殊量具或仪器装置等。基准只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。根据基准的地位、性质和用途不同，基准通常又分为主基准、副基准和工作基准，亦分别称为一级、二级和三级基准。4.标准

标准是测量的依据，没有标准便无所谓测量。在实验室中，人们常用天平来精确测定实验物品的质量。而一般的磅秤差太大，则要用天平来校准。广义地讲，测量标准是指提供参考标准或对其他测量设备进行校准的高级测量设备。测量标准包括以下几种：(1)参考标准。

(2)传递标准或工作标准。(3)人为标准。(4)内部标准。

(5)工业标准。

(6)标准参考部件。5.基本的电子标准1）国际单位制（SI）的基本单位(1)米。米是长度单位，用m表示。1米等于氪86原子从能级2跃迁至能级5时，发射的射线在真空中波长的1650763.73倍。(2)千克。千克是质量的单位，用kg表示。它等于国际标准千克原器的质量。(3)秒。秒是时间单位，用s表示。秒的定义是铯133原子由基态跃迁至第二激发能级所辐射射线周期的9192631770倍。(4)安培。安培是电流单位，用A表示。给两根放置在真空里相距1m的无限长平行导线中通以等量恒定电流，当导线间产生的相互作用力为每米长度上2×10－7N时所流过的恒定电流即为1A。(5)开尔文。开尔文是热力学温度单位，用K表示，它等于水的三相点热力学温度的1/273.16。(6)摩尔。摩尔是物质的量单位，用mol表示。它是一系统物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kg碳12的原子数目相等。(7)坎德拉。坎德拉是光强度单位，用cd表示。它是指铂金在凝固点温度下，当其压力为每平方米面积上101325N时，黑盒中1/600000m2表面的光密度。坎德拉是光强度的基本单位。2）国际单位的导出单位常用国际单位的导出单位如下：频率，单位为赫兹(Hz)；功率，单位为瓦特(W)；电荷量，单位为库仑(C)；电位，单位为伏特(V)；电容，单位为法拉(F)；电阻，单位为欧姆(Ω)；电导，单位为西门子(S)；磁通量，单位为韦伯(Wb)；磁通量密度，单位为特斯拉(T)；电感，单位为亨利(H)。为了测量小于单位本身的量，可将实际单位乘以分数；而为了测量比单位本身大得多的量，则可将实际单位乘以倍数。例如，单位电阻的1/1000称为毫欧(mΩ)，单位电阻的100万倍称为兆欧(MΩ)。1.2电子测量仪器的基本知识测量仪器是用于检测或测量一个量或为测量目的供给一个量的器具，而电子测量仪器则是利用电子技术测量电量或非电量的测量仪器。本节将对电子测量仪器的主要功能、分类和主要性能指标等进行概括介绍。1.2.1电子测量仪器的功能1.变换功能变换有电量变换，如将(功率、电流、电阻等)变换为电压；非电量变换，如将模拟量变换为电量。2.处理与传输功能电子仪器的信号处理和传输包括信号调整、模/数转换、抗干扰、压缩、有线或无线传输等。3.显示功能电子仪器的显示方式有指针式仪表度盘；数码管、液晶或阴极射线管显示等，均可显示测量结果。1.2.2

电子测量仪器的分类

1.电压测量仪器电压测量仪器包括各种模拟式电压表、毫伏表、数字式电压表、电压标准等。2.频率、时间、相位测量仪器频率、时间、相位测量仪器主要包括电子计数式频率计、石英钟、数字式相位计、波长计等。3.电路参数测量仪器电路参数测量仪器包括各类电桥、Q表、RLC测试仪、晶体管或集成电路参数测试仪、图示仪等。4.测试用信号源测试用信号源包括各类低频和高频信号发生器、脉冲信号发生器、函数发生器、扫频和噪声信号发生器等。由于它们的主要功能是作为测试用信号源，因此又称为供给量仪器。5.信号分析仪器信号分析仪器包括失真度仪、谐波分析仪、频谱分析仪等。

6.波形测量仪器波形测量仪器主要指各类示波器，如通用示波器、多踪示波器、取样示波器等。

7.模拟电路特性测试仪器模拟电路特性测试仪器包括扫频仪、噪声系数测试仪、网络特性分析仪等。8.数字电路特性测试仪器数字电路特性测试仪器主要指逻辑分析仪。这类仪器内部多带有微处理器或通过接口总线与外部计算机相连，是数据域测量中不可缺少的设备。1.2.3电子测量仪器的使用常识要使电子测量仪器工作正常，必须注意它的使用条件和使用方法。电子测量仪器是由电阻、电容、电感、晶体管、集成电路等多种电子元件及零部件构成的，因而仪器会受到温度、电压、电流、湿度、振动、电磁干扰等因素的影响。如何保证电子测量仪器的正常工作，获取准确的测量数据，保障电子测量仪器的完好和测量人员的操作安全，是电子测量仪器使用的首要问题。1.电源和仪器的连接

1）电源使用仪器前的首要的问题是按仪器的供电要求，检查电源是否正常。2）仪器的连接（1）仪器的电源插头应该采用“三星”插头，“中星”应与仪器的外壳相连接。（2）仪器的放置既要考虑到仪器连线的方便，又要考虑到仪器的散热，尽量不要重叠放置。（3）同时使用几台仪器时，测试线的连接要尽量短，减少信号的衰减，尽量减少测试线的交叉，以免信号相互串扰产生寄生振荡。技术接地是指仪器的测试端口标有“⊥”的点，它应与被测电路的技术接地点连在一起。2.环境因素根据电子测量的性质和各种电子测量仪器的技术要求不同，环境因素对测量的影响也不同。为了达到最佳的测量效果，国际电工委员会（IEC）对不同的电子测量仪器的工作环境分别作了规定，我国也制定了相应的部颁标准（SI2075-82标准）。从环境影响角度考虑，可以把电子测量仪器分成三类：（1）高精度仪器。高精度仪器测量精度高，相应的测量电路比较复杂。安装高精度仪器的房间要安装空调，以保证仪器正常使用。（2）通用仪器。通用仪器对温度的要求不高，用于一般的环境。它允许受到一般的振动和冲击。（3）特殊仪器。特殊仪器是指在特殊环境使用的仪器。它可以在气温较低或有大量热源的高温环境下工作，使用时允许受到振动和冲击。1.2.4电子测量仪器的主要性能指标电子测量仪器的性能指标很多，其中主要包括频率范围、准确度、灵敏度、线性度、输入阻抗、稳定性等。从获得的测量结果角度评价测量仪器的性能，主要包括以下几个方面：1.精度精度是指测量仪器的读数或测量结果与被测量真值相一致的程度。精度高，表明误差小；精度低，表明误差大。因此，精度不仅用来评价测量仪器的性能，也是评定测量结果最主要最基本的指标。精度又可用精密度、正确度和准确度三个指标加以表征。2.稳定性稳定性通常用稳定度和影响量两个参数来表征。稳定度也称稳定误差，是指在规定的时间区间，其他外界条件恒定不变的情况下，仪器示值变化的大小。造成这种示值变化的原因主要是仪器内部各元器件的特性，参数不稳定和老化等因素。稳定度可用示值绝对变化量与时间一起表示。由于电源电压、频率、环境温度、湿度、气压、振动等外界条件变化而造成仪表示值的变化量称为影响量或影响误差，一般用示值偏差和引起该偏差的影响量一起表示。3.输入阻抗测量仪表的输入阻抗大小对测量结果有影响。电压表、示波器等仪表在测量时并接于待测电路两端，如图1.2-2所示。不难看出，测量仪表的接入改变了被测电路的阻抗特性，这种现象称为负载效应。为了减小测量仪表对待测电路的影响，提高测量精度，通常对这类测量仪表的输入阻抗都有一定的要求。仪表的“输入阻抗”性能的优劣一般用输入电阻Ri和输入电容Ci标注。例如，SX2172交流毫伏表在1~300V的测量范围的“输入阻抗”标为Ri=10MΩ，Ci<35pF;SR37A型示波器不经探头的“输入阻抗”标为Ri=1MΩ，Ci=16pF。4.灵敏度

灵敏度表示测量仪表对被测量变化的敏感程度，一般定义为测量仪表指示值（指针的偏转角度、数码的变化、位移的大小等）增量Δy与被测量增量Δx之比。例如，示波器在单位输入电压的作用下，示波管荧光屏上光点偏移的距离就定义为它的偏转灵敏度，单位为v/cm，mV/cm或mV/div（每格）等。例如，若双踪示波器的最高偏转灵敏度是2mV/cm，表示输入电压变化2mV时，示波器荧光屏上光点产生1cm的位移。灵敏度的另一种表述方式称为分辨力或分辨率，是指测量仪表所能区分的被测量变化的最小值，在数字式仪表中经常使用。例如，若数字电压表的分辨力为1μV，表示该电压表显示器上最末位跳变1个字时，对应的输入电压变化量为1μV，即这种电压表能区分出最小为1μV的电压变化。

同一仪器不同量程的分辨率不同。分辨力的值越小，其灵敏度越高。由于各种干扰和人的感觉器官的分辨能力等因素，不必也不应该苛求仪器有过高的灵敏度。否则，将导致测量仪器过高的成本以及实际测量操作的困难。通常规定分辨力为允许绝对误差的1/3即可。例1-1MF-47型指针式万用表盘上的刻度线如图，问该表在直流电压挡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：直流电压挡10V量程的分辨力为0.2V（1个格为0.2V）；直流电压挡的最小量程为0.25V，所以其最高分辨力为0.005V，即5mV。5.线性度

线性度是测量仪表的输入/输出特性，表示仪表的输出量（示值）随输入量（被测量）变化的规律。若仪表的输出为y，输入为x，两者的关系用函数y＝f（x）表示。如果y＝f（x）为y-x平面上过原点的直线，则称之为线性刻度特性，否则称为非线性刻度特性。仪器的线性度可用线性误差来表示，如SR46双线示波器垂直系统的幅度线性误差小于等于5%。6.动态特性电子测量仪器的动态特性表示仪器的输出响应随输入变化的能力。最后指出，上述测量仪器的几个特性是就一般而论的，并非所有仪器都用上述特性加以考核。有些测量仪器除了上述指标特性外，还有其他技术要求，这些具体问题将在后面有关章节中加以说明。1.2.5电子测量仪器发展和应用1.电子测量仪器的发展(1)模拟化仪器阶段。较早期的测量仪器，基本上是利用电磁原理，采用机械式结构和指针式显示。典型的模拟化仪器有指针式万用表、真空管（或晶体管）电压表。(2)数字化仪器阶段。在该阶段，数字技术得到了广泛应用。典型的数字化仪器有数字电压表、数字频率计等。这类仪表具有体积小，重量轻，精度高，便于携带等特点，是目前使用最普遍的仪表。(3)智能仪器阶段。这一阶段的仪器内置了微处理器，具有相当程度的自动检测和数据处理能力。(4)虚拟仪器阶段。这一阶段的电子测量技术的特点，就是利用通用计算机作为硬件平台，添加必要的专业模块，扩展相应的软件，构成全新的测试系统。虚拟仪器的功能可以灵活自定义，数据交换网络化，硬件功能软件化，因而具有更大的灵活性和更广的应用范围。2.电子测量仪器的应用(1)电子测量仪器是电信号的基本计量工具。电信号的电压、频率、功率等基本参数，必须用电压表、频率计、功率计等电子测量仪表进行计量。(2)电子测量仪器是电子科学研究的专业工具。电信号往往超出人类感觉器官的感知范围。电子科学研究必须依赖示波器、频谱分析仪等专业电子仪器来对各种电信号进行观察、记录，才能进行详细的分析研究，发现其奥妙和规律。(3)电子测量仪器是电子设备和电子产品研发、生产、运行维护过程中的重要工具。要研制新的电子产品，往往需要先行研发相对应的新型开发仪器；一种新的电子设备推广应用之前，必须准备好完善的测试仪器和维护工具。例如，彩电生产线上配备有自动化的彩电性能测试平台，研制手机等移动通信终端设备的新型集成芯片，其投入在开发测试工具上的费用可占到整体投入的50%以上。(4)一般科学工程可以利用特殊传感器将非电信息转换为电信息，利用电子仪器进行精密而又高效率的分析和研究。医生使用的超声波透视仪、CT扫描仪，环境监测人员使用的噪声测量仪，甚至警察使用的酒精测试仪，都是电子测量技术和仪器延伸应用的例证。1.2.6实训

常用仪器的面板结构与使用1）实训目的（1）熟悉常用仪器（信号发生器、示波器、电子计数器、电子电压表、扫频仪、晶体管图示仪、失真度仪、Q表、存储示波器、逻辑分析仪）的面板结构。（2）熟悉信号发生器的面板结构及使用方法。2）实训仪器设备信号发生器、示波器、毫伏表、Q表、扫频仪、计数器、逻辑分析仪。3）实训内容（1）熟悉各种仪器的用途。（2）了解不同仪器的技术参数。（3）熟悉仪器的面板结构。4）实训报告内容

叙述各种仪器的作用。1.3电子测量的误差和处理方法1.3.1常用测量术语与测量误差的概念参照一定的测量标准，选定合适的测量方法，人们可在一定的测量条件下，借助科学的测量工具，开展实际的测量活动。而实际测量所得结果的误差有多大，是误差理论所要解决的问题。在讨论测量误差问题的过程中，经常要用到以下术语：1.真值在—定条件下，任何一个物理量的大小都是客观存在的，都有一个不以人的意志为转移的客观量值，称为真值，记为A0。2.实际值一个量的真值是一个理想值，需要无误差的测量而获得，真值是客观存在但不可能准确知道的，在下列情况下的值可视为真值：(1)理论值，如三角形的内角和为180°等。(2)公认值，世界公认的一些常数值，如普朗克常数等。(3)计量学约定的真值，如国际及国家计量部门规定的长度、时间、质量等标准。(4)相对真值，用准确度高一个数量级的仪器校准的测定值，可视为相对真值。像这类满足规定准确度要求，用来代替真值使用的量值称为实际值(记为A)。3.示值由测量器具指示的被测量量值称为测量器具的示值，也称测量值，它包括数值和单位。4.测量误差在测量过程中，我们总希望准确地测得待测量的真值。但在实际测量中，测量器具的不准确，测量手段的不完善，测量环境的影响，对客观规律认识的局限性及工作中的疏忽或错误等因素，都会导致测量结果与被测量真值不同。测量仪器与被测量真值之间的差别称为测量误差。5.等精度测量和非等精度测量根据测量条件的不同，测量又分为等精度测量和非等精度测量。1）等精度测量等精度测量是在指保持测量条件不变条件下进行的多次测量。应该指出，要使测量条件完全相同、绝对不变是难以做到的。测量实践中，一些条件变化很小，或某些次要条件变化后对测量结果影响甚微，一般可按等精度测量处理。2）非等精度测量在科学研究和其他高精度测量中，为了得到更精确、更可靠的结果，特意要在不同的条件下，用不同的仪器、不同的测量方法，由不同的测量人员对同一个待测量进行测量和研究。此时，由于测量条件全部或部分发生了明显变化，每种测量的可靠性、精确度显然不同，这种测量即为非等精度测量。最后的测量结果，是通过待测量的各种非等精度测量结果的加权处理来获得。1.3.2测量误差的表示方法测量误差有两种表示方法：绝对误差和相对误差。1.绝对误差(1)绝对误差的定义：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，即式中，Δx为绝对误差。前面已提到，真值A0一般无法得到，所以用实际值A代替A0，因而绝对误差更有实际意义的定义是：（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。修正值通常由上一级标准检定或由生产厂家给出。在日常测量中，利用其仪器的修正值c和已检仪器的示值x，可以求得被测量的实际值，即A＝x＋c例如，用某电流表测电流，电流表的示值为5mA，该表在检定时，5mA刻度处的修正值是+0.01mA，则被测电流的实际值为5.01mA。在自动测量仪器中，修正值还可以先编成程序储存在仪器中，测量时仪器可以对测量结果自动进行修正。2.相对误差绝对误差虽然可以说明测量结果偏离实际值的情况，但不能完全科学地说明测量的质量（测量结果的准确程度）。因为一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小有关，而且与这个量本身的大小有关。当绝对误差相同时，这个量本身的绝对值越大，测量准确程度相对越高；这个量本身的绝对值越小，测量准确程度相对越低。因此，为了说明测量的准确程度，又提出了相对误差的概念。（1）相对误差

、实际相对误差

、和示值相对误差γx。绝对误差与被测量的真值之比称为相对误差（或称为相对真误差），用

表示：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。（2）满度相对误差。满度相对误差定义为仪器量程内最大绝对误差Δxm与测量仪器满度值(量程上限值)xm的百分比值，即

（3）分贝误差。在电子测量中，还常常用分贝来表示相对误差，称为分贝误差。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)，用γdB表示。下面以有源网络电压增益为例，引出分贝误差的表示形式。设双口网络（如放大器或衰减器）的电压增益实际值为A，则其分贝值为G=20lgA。电压增益的测量值为Ax，其误差为ΔA=Ax－A，即Ax=A+ΔA，则增益测得值的分贝值为由此得到分贝误差为1.3.3测量误差的来源为了减小测量误差，提高测量结果的准确度，必须明确测量误差的主要来源，并采取相应的措施减小测量误差。测量误差的主要来源有以下五个方面：1.仪器误差仪器误差又称设备误差，是由于设计、制造、装配、检定等的不完善，以及仪器使用过程中元器件老化、机械部件磨损、疲劳等而使测量仪器设备带有的误差。2.使用误差使用误差也称操作误差，是由于对测量设备操作使用不当而造成的。例如，有些仪器设备要求测量前进行预热而未预热；有些测量设备要求实际测量前必须进行校准（如普通万用表测量电阻时应进行校零，用示波器观测信号的幅度前应进行幅度校准等）而未校准等。减小使用误差的方法就是要严格按照测量仪器使用说明书中规定的方法步骤进行操作。3.影响误差影响误差是指由于各种环境因素（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。影响误差常用影响量来表征。所谓影响量，是指除了被测量以外，凡是对测量结果有影响的量，即测量系统输入信号中的非被测量值信息的参量。影响误差可以是来自系统外部环境（如环境温度、湿度、电源电压等）的外界影响，也可以是来自仪器系统内部（如噪声、漂移等）的内部影响。4.方法误差方法误差是指所使用的测量方法不当，或测量所依据的理论不严密，或对测量计算公式不适当简化等原因造成的误差。方法误差也称为理论误差。5.人身误差人身误差是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，而在测量中操作不当、现象判断不准或数据读取疏失等引起的误差。例如，指针式仪表刻度的读取，谐振法测量时谐振点的判断等，都容易产生误差。减小或消除人身误差的措施有：提高测量人员操作技能、增强工作责任心、加强测量素质和能力的培养、采用自动测试技术等。1.3.4测量误差的分类误差的产生有多方而的原因。根据误差的性质及产生的原因，一般将误差分为系统误差、随机误差（又称偶然误差）和粗大误差。1.系统误差在国家计量技术规范《通用计量术语及定义》（JJF1001—1998）中，系统误差的定量定义是：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。在相同条件下，多次测量某一物理量，其误差的绝对值与符号保持不变，或按某个确定规律变化，这种误差就是系统误差。如果系统误差的大小、符号不变而保持恒定，则称为恒定系统误差，否则称为变值系统误差。变值系统误差又可分为累进性系统误差、周期性系统误差和按复杂规律变化的系统误差。产生系统误差的原因主要有以下几种：(1)测量仪器的局限性。(2)测量时环境条件(如温度、湿度及电源电压)与仪器使用要求不一致。(3)采用近似的测量方法或近似的计算公式。(4)测量人员读取仪器示值的偏差。系统误差的主要特点是：只要测量条件不变，误差即为确切的数值，用多次测量取平均值的办法不能改变和消除系差，而当条件改变时，误差也随之遵循某种确定的规律而变化，具有可重复性，较易修正和消除。系统误差表明了一个测量结果的平均值偏离真值或实际值的程度。系统误差越小，平均值越靠近真值，测量越准确。1）系统误差的判断（1）不变的系统误差常用校准的方法来检查恒定系统误差是否存在，通常用标准仪器或标准装置来发现并确定系统误差的数值，或依据仪器说明书上的修正值对测量结果进行修正。还可用实验比对的方法来判断是否存在不变的系统误差，即改变产生系统误差的条件进行不同的测量。例如，用两台仪器对同一量分别进行多次测量，然后分别计算平均值，若两个平均值相差较大，可认为存在系统误差。（2）变化的系统误差残差法。残差法是将所测得的数据及其残差按测得的先后次序列表或作图，观察各数据的残差值的大小和符号的变化情况，从而判断是否存在系统误差及其规律。但此方法只适用于系统误差比随机误差大的情况。如图1.3-1所示，图(a)表示剩余误差vi大体上正负相同，无明显变化规律，可以认为不存在系统误差；图(b)呈现线性递增规律，可认为存在累进性系统误差；图(c)中vi的大小和符号大体呈现周期性，可认为存在周期性系统误差；图(d)变化规律复杂，大体可认为同时存在线性递增的累进性系统误差和周期性系统误差。残差法主要用来发现变值系统误差。2）减小或消除系统误差的方法(1)从产生系统误差的根源上采取措施减小系统误差。测量仪器本身存在误差和对仪器安装、使用不当，测量方法或原理存在缺点，测量环境变化及测量人员的主观原因都可能造成系统误差。在开始测量以前，应尽量发现并消除这些误差来源或设法防止测量受这些误差来源的影响。这是消除或减弱系统误差最好的方法。(2)用修正方法减小系统误差。修正方法是预先通过检定、校准或计算得出测量器具的系统误差的估计值，作出误差表或误差曲线，然后取与误差数值大小相同、方向相反的值作为修正值，将实际测量结果加上相应的修正值，即可得到已修正的测量结果。值得注意的是，修正不可能达到理想完善，因此系统误差不可能完全消除。(3)采用一些典型测量技术削弱系统误差。①零示法。零示法是在测量中使被测量对指示器的作用与标准量对指示器的作用相互平衡，以使指示器示零的一种比较测量法。它可以消除指示器不准所造成的系统误差。零示法原理如图1.3-2所示，图中x为被测量，s为同类可调节已知标准量，P为零示器。只要零示器的灵敏度足够高，测量的准确度基本上就等于标准量的准确度，而与零示器的准确度无关，从而可消除由于零示器不准所带来的系统误差。②替代法。替代法又称置换法。它是在测量条件不变的情况下，用一标准已知量去替代待测量，通过调整标准量而使仪器的示值不变，于是标准量的值等于被测量值。由于替代前后整个测量系统及仪器示值均未改变，因此测量中的恒定系差对测量结果不产生影响，测量准确度主要取决于标准已知量的准确度及指示器的灵敏度。③交换法。由于某些因素可能使测量结果产生单一方向的系统误差，因此可以进行两次测量。利用交换被测量在系统中的位置或测量方向等方法，设法使在两次测量中误差源对被测量的作用相反。对照两次测量值，可以检查出系统误差的存在，对两次测量值取平均值，将大大削弱系统误差的影响。例如，用旋转度盘读数时，分别将刻度盘向右旋转和向左旋转进行两次读数，用对读数取平均值的办法就可以在一定程度上消除由传动系统回差造成的误差。④微差法。微差法又称虚零法或差值比较法，实质上是一种不彻底的零示法。微差法允许标准量s与被测量x的效应不完全抵消，即两者相差一微小量δ=x－s，测量这种微差δ的方法称为微差法。⑤对称测量法。对称测量法是减小线性系统误差的有效方法。被测量随时间的变化线性增加时，若选定整个测量时间范围内的某时刻为中点，则用对称于此点的各对系统误差的算术平均值作为测量值，可减小线性系统误差。⑥半周期法。对于周期性系统误差，可以相隔半个周期进行一次测量，取两次读数的平均值，即可有效地减小周期性系统误差。因为相差半个周期的误差在理论上大小相等，符号相反，所以这种方法在理论上能消除周期性系统误差。

以上这些方法在实际执行时，由于多种原因通常不可能完全消除系统误差，而只能将系统误差减小到对测量结果影响最小以至可以忽略不计的程度。系统误差可忽略不计的准则是：如果系统误差或残余系统误差代数和的绝对值不超过测量结果扩展不确定度的最后一位有效数字的一半，就认为系统误差可以忽略不计。2.随机误差

在国家计量技术规范《通用计量术语及定义》（JJG1001—1998）中，随机误差的定义为：测量结果与在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差，即产生随机误差的主要原因有：(1)测量仪器产生噪声，零部件配合不良等。(2)温度及电源电压的无规则变动，电磁干扰等。(3)测量人员感觉器官的无规律变化产生的读数偏差。就单次测量而言，随机误差没有规律，其大小和方向完全不可预测，但当测量次数足够多时，其总体服从统计学规律，多数情况下接近正态分布。即测量中随机误差的分布及在随机误差影响下测量数据的分布大多接近于正态分布。【例1.3-5】用电压表对某一电压测量10次，设已消除系统误差及粗大误差，测得数据及有关计算值如表1.3-1所示，求测量值的平均值及标准偏差。解：测量值的平均值为标准偏差为3.粗大误差

在一定测量条件下，测量结果明显偏离实际值所形成的误差称为粗大误差，简称粗差，也称疏失误差。产生粗大误差的原因主要有：(1)测量方法不当或错误。如用数字电压表的低频输入端口测试高频电压信号。(2)测量操作疏忽和失误。如未按规律操作，读错或记错仪器示值；在使用多量程电压表时，读错量程。(3)测量条件的变更。如电源电压的瞬间升高、雷电干扰和机械冲击等都会引起测量仪器示值的剧烈变化。含有粗差的测量值称为坏值或异常值，由于坏值不能反映被测量的真实性，所以在数据处理时应予以剔除。粗大误差的分析与处理统计方法判别粗大误差的基本思想是：给定区间，凡超过该区间的误差就认为是粗大误差，并予以剔除。莱特检验法：假设在一列等精度测量结果xi中，νi为各测量值对应残差，σ为标准偏差的估计值，若|vi|>3σ，则该误差为粗大误差，所对应的测量值xi为异常数据或坏值，它以随机误差符合正态分布和测量次数充分为前提，因此当测量次数小于10时，容易产生误判，原则上不能采用。还有格拉布斯检验法、肖维纳准则等，可参阅有关资料。1.3.5测量数据的处理通过实际测量得到的数据，需要进行计算、分析、整理后得出所需要的结果数据。有时候还要把测量数据绘制成表格、曲线或归纳成经验公式，以便得出正确、直观的结果。本节着重介绍测量数据处理的基本知识和表示方法。1.有效数字的处理1）有效数字由于含有误差，因此测量数据及由测量数据计算出来的算术平均值都是近似值。通常就从误差的观点来定义近似值的有效数字。若末位是个位，则包含的绝对误差值不大于0.5；若末位是十位，则包含的绝对误差值不大于5。对于其绝对误差不大于末位数字一半的数，从它左边第一个不为零的数字起，到右面最后一个数字(包括零)止，都称为有效数字。从上述定义可看出：有效数字是和数据的准确度密切相关的。举例如下：

1.142四位有效数字

极限误差≤0.00058.700四位有效数字

极限误差≤0.00058.7×102两位有效数字

极限误差≤0.05×102

0.0807三位有效数字

极限误差≤0.00005注意：中间的0和末尾的0都是有效数字，不能随意添加。开头的0不是有效数字。中间的0是准确数字，而末尾的0是欠准确的估计值。当测量结果未注明误差时，就认为最末一位数字有“0.5”误差，称此为“0.5误差法则”。【例1.3-6】用一台0.5级电压表的100V量程挡测量电压，电压表指示值为85.35V，试确定有效位数。解

该表在100V挡的最大绝对误差为ΔUm=±0.5%×Um=±0.5%×100=0.5V可见，被测量的实际值为84.85~85.85V。因为绝对误差为±0.5V，根据“0.5误差法则”，测量结果的末位应是个位，即只应保留两位有效数字。根据舍入规则，示值末尾的0.35<0.5，所以舍去，因而不标注误差时的测量报告值应为85V。注意：一般习惯上将测量记录值的末位与绝对误差对齐，本例中误差为0.5V，所以测量记录值写成85.4V（85.35V用舍入规则进行了舍入），这不同于测量报告值。2）数字的舍入规则超过保留位数的有效数字，应予删略。删略的原则如下：（1）四舍六入。（2）若大于保留数字末位数为5：①若5后为非0数，则“入”。②若5后为0，则遵循求偶数法则，即原为奇数则加1变为偶数，原为偶数则不变。3）有效数字的运算规则

当需要对几个测量数据进行运算时，要考虑有效数字保留多少位的问题，以便不使运算过于麻烦而又能正确反映测量的精确度。保留的位数原则上取决于各数中精度最差的那一项。(1)加法运算。以小数点后位数最少的为准（若各项无小数点，则以有效位数最少者为准)，其余各数可多取一位。(2)减法运算。当相减两数相差甚远时，其原则同加法运算；当两数很接近时，有可能造成很大的相对误差。因此，第一是要尽量避免导致相近两数相减的测量方法，第二是在运算中多一些有效数字。（3）乘除法运算。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。（4）乘方、开方运算。运算结果比原数多保留一位有效数字。2.测量数据的表示方法

1）列表法根据测试的目的和内容，设计出合理的表格。列表法简单、方便，数据易于参考比较，它对数据变化的趋势不如图解法明了和直观，但列表法是图示法和经验公式法的基础。2）图示法图示法的最大优点是形象、直观，从图形中可以很直观地看出函数的变化规律，如递增或递减、最大值和最小值及是否有周期性变化规律等。作图时采用直角坐标或极坐标。一般是先按成对数据（x，y）描点，再连成光滑曲线，并尽量使曲线与所有点接近，不强求通过各点，要使位于曲线两边的点数尽量相等。3）经验公式法

经验公式法就是通过对实验数据的计算，采用数理统计的方法，确定它们之间的数量关系，即用数学表达式表示各变量之间关系。有时又把这种经验公式称为数学模型，如y=a+bx。3.测量结果的处理1）等精度测量结果的处理

当对某一量进行等精度测量时，测量值中可能含有系统误差、随机误差和疏失误差。为了给出正确合理的结果，应按下述基本步骤对测得的数据进行处理。2）非等精度测量结果的处理前面讨论的测量结果是基于等精度测量条件下进行的，这是通常的测量情况。但有时候，如在科研或高精度测量中，往往在不同的测量条件下，用不同的仪器，不同的测量方法，不同的测量次数及不同的测量者进行测量与对比，这种测量称为非（或不）等精度测量。小结

（1）测量：测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。电子测量是以电子科学技术为手段的一种测量技术，包括电量和非电量的测量。严格地讲，电子测量指利用电子技术对电子学中有关物理量所进行的测量。

（2）电子测量的内容和特点：电能量测量、电路元器件参数测量等；测量频率范围宽；测量量程大等。（3）测量方法。按测量过程分类，有直接测量、间接测量和组合测量；按测量方式分类，有偏差式测量、零位式测量和微差式测量；按被测量性质分类，有时域测量、频域测量、数据域测量和随机测量。（4）电子测量仪器。各类测量仪器一般具有物理量的变换、信号处理与传输和测量结果的显示等三种最基本的功能。电子测量仪器的分类方法不一，按其功能大致可分电压测量仪器、频率、时间、相位测量仪器、电路参数测量仪、测试用信号源、信号分析仪器、波形测量仪器、模拟电路特性测试仪器、数字电路特性测试仪器。主要性能指标有精度、稳定性、输入阻抗、灵敏度、线性度和动态特性。电子测量仪器的使用常识。（5）电子测量仪器发展的四个阶段：①模拟化仪器阶段。②数字化仪器阶段。③智能仪器阶段。④虚拟仪器阶段。（6）误差表示测量仪器测量值与被测量真值间的差异。绝对误差仅能说明差异的大小和方向。相对误差可以说明测量的准确程度，可分为实际相对误差、示值相对误差、满度相对误差和分贝相对误差。满度相对误差实际上是给出仪器的最大绝对误差。分贝相对误差多用来表示增益、衰减量的误差。

（7）误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差，在任何单次或多次测量中，它们都可能存在，在一定条件下还可相互转化。粗差将严重掩盖测量结果的真实性，含有粗差的坏值一旦确认应剔除不用。（8）随机误差反映了测量的精密度，体现了各种客观、主观因素的随机变化对测量结果的影响，具有有界性、对称性和抵偿性。应采用统计的方法，减少随机误差。（9）系统误差的特点是固定不变的或按确定规律变化，主要由测量仪器、测量方法、测量环境和测量人员等因素引起。多次测量不能减少系统误差。系统误差的发现方法有校准的方法、残差观察法等。（10）粗大误差是由于测量人员的偶然出错和外界条件的改变、干扰和偶然失效等造成，应采取各种措施，防止产生粗大误差。可采用莱特检验法等方法进行检测、剔除。（11）测量结果中有效数字的位数反映了测量的精确程度，应结合实际情况加以考虑。测量数据在计算过程中采用“小于5舍，大于5入，等于5取偶数”的舍入法则，以减小总的运算误差。（12）测量结果的处理。1）等精度测量结果的处理(1)利用修正值等办法对测得值进行修正，将已减弱恒值系差影响的各数据xi依次列成表格。(2)求出算术平均值。(3)列出残差

,并验证(4)列出v2i,按贝塞尔公式计算标准偏差(实际上是标准偏差σ的最佳估计值

(5)按|vi|>3σ的原则，检查和剔除粗差。如果存在坏值，则应当剔除不用，然后从第(2)步开始重新计算，直到所有|vi|≤3σ为止。(6)判断有无系统误差。如有系差，则应查明原因，修正或消除系差后重新测量。(7)算出算术平均值的标准偏差(实际上是其最佳估计值)：（8)写出最后结果的表达式，即2）非等精度测量结果的处理第2章测量用信号发生器

章首导言信号发生器主要用于提供各种测量用信号，如音频、高频、脉冲、函数、扫频、噪声等。它的功能是作为测试用信号源，能根据需要提供各种频率、各种功率各种波形的信号。本章主要介绍低频信号发生器、高频信号发生器、函数信号发生器和脉冲信号发生器。2.1信号发生器概述

2.1.1信号发生器的用途

在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件、设备上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析和确定它们的性能参数。这种提供测试用电信号的装置统称为信号发生器，用在电子测量领域，也称为测试信号发生器，如图2.1-1所示。和示波器、电压表、频率计等仪器一样，信号发生器是电子测量领域最基本、应用最广泛的一类电子仪器。信号发生器在其他领域也有广泛应用，如机械部门的超声波探伤，医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。2.1.2信号发生器的分类1.按频率范围分类按频率范围不同，信号发生器的分类如表2.1-1所示。表2.1-1信号发生器的分类2.按用途分类根据用途的不同，信号发生器可以分为通用信号发生器和专用信号发生器两类。通用信号发生器有较大的适用范围，一般是为测量各种基本的或常见的参量而设计的。低频信号发生器、高频信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器等都属于通用信号发生器。专用信号发生器是为某种特殊的测量而研制的，它只适用于某种特定的测量对象和测量条件，如FM立体声信号发生器、电视信号发生器、医用超声波发生器等。3.按输出波形分类

按波形分正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、数字编码脉冲、图形信号发生器、噪声信号发生器等。如图2.1-2所示。图2.1-2几种典型的信号波形4.按调制方式分类按调制方式的不同，信号发生器可分为调频、调幅、脉冲调制等类型。5.按性能分类

按性能指标分，信号发生器可分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者是指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器；后者则是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定的一类信号发生器，如屏蔽良好的中、高档信号发生器，常用于校准及高精度测量。2.1.3信号发生器的基本构成（1）主振器。是信号发生器的核心部分，由它产生各种不同频率的信号，通常是正弦波振荡器或自激脉冲发生器。它决定了信号发生器的一些重要工作特性，如工作频率范围、频率的稳定度等。输出电平及其稳定度、频谱纯度、调频特性等也在很大程度上取决于振荡器的工作特性。（2）调制器。调频信号一般都在本级直接调制而产生，这时需附加调制器电路。（3）变换器。变换器可以是电压放大器、功率放大器或调制器、脉冲形成器等，它将振荡器的输出信号进行放大或变换，进一步提高信号的电平并给出所要求的波形。（4）放大器。低频信号发生器一般包括电压放大和功率放大。电压放大的作用是放大振荡器产生的振荡信号，以获得足够的输出电压，因此放大器由多个单级放大器按一定方式连接而成。对电压放大器的基本要求是：输入阻抗高，输出阻抗低，通频带宽，波形失真小，工作稳定。当低频信号发生器的技术指标中要求有功率输出时，功率放大器实现对输出信号的功率放大。为了提高信号发生器的带负载能力，功率放大器通常采用OTL电路。对功率放大器的要求时：有额定的输出功率，效率高，非线性失真小。（4）输出电路。输出电路为被测设备提供所要求的输出信号电平或信号功率，包括调整信号输出电平和输出阻抗的装置，如衰减器、匹配用阻抗变换器、射极跟随器等电路。（5）指示器。指示器用来监视输出信号，可以是电子电压表、功率计、频率计和调制度表等。有些脉冲信号发生器还附带有简易示波器，使用时可通过指示器来调整输出信号的频率、幅度及其他特性。通常情况下，指示器接于衰减器之前，并且由于指示仪表本身准确度不高，其示值仅供参考，从输出端输出信号的实际特性需用其他更准确的测量仪表来测量。（6）电源。电源提供信号发生器各部分的工作电源电压。通常是将50Hz交流市电整流成直流并有良好的稳压措施。

随着电子技术水平的不断发展，尤其随着微处理器、数字信号处理技术的广泛应用，信号发生器也向着数字化、自动化、智能化方向发展，利用数字技术可合成更多种类、更加复杂的输出信号，如通信中的各种数字调制信号等。同时还具备了自校、自检、自动故障诊断、自动校正等功能，并带有IEEE-488或RS-232总线，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便地构成自动测试系统。2.1.4正弦信号发生器的性能指标通常用频率特性、输出特性和调制特性（三大指标）来评价正弦信号发生器的性能，其中包括30余项具体指标。不过由于各种仪器的用途不同，精度等级不同，并非每类每台产品都用全部指标进行考核。另外，各生产厂家出厂检验标准及技术说明书中的术语也不尽一致。本节仅介绍信号发生器中几项最基本、最常用的性能指标。1.频率特性正弦信号的频率特性包括频率范围、频率准确度、频率稳定度三项指标。1）频率范围频率范围指信号发生器所产生的信号频率范围，该范围内既可连续，又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。例如，国产XD1型信号发生器的输出信号频率范围为1Hz~1MHz，分6挡，即6个频段。为了保证有效频率范围连续，两相邻频段间有相互衔接的公共部分，即频段重叠。又如，HP公司HP-8660C型频率合成器产生的正弦信号的频率范围为10kHz~2600MHz，可提供间隔为1Hz总共近26亿个分立频率。2）频率准确度

频率准确度是指信号发生器度盘(或数字显示)数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示：式中，f0为度盘或数字显示数值，也称预调值；f1是输出正弦信号频率的实际值。频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。3）频率稳定度

频率稳定度指标要求与频率准确度相关。频率稳定度是指其他外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。按照国家标准，频率稳定度又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。频率短期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意15min内所发生的最大变化，表示为式中，f0为预调频率；fmax、fmin分别为任意15min信号频率的最大值和最小值。

2.输出特性输出特性指标主要有输出阻抗、输出电平、非线性失真系数三项指标。1）输出阻抗作为信号源，输出阻抗的概念在“电路”或“电子电路”课程中都有说明。信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。低频信号发生器，电压输出端的输出阻抗一般为600Ω（或1kΩ），功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω，75Ω，150Ω，600Ω和5kΩ等挡。高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω挡。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。2）输出电平输出电平包括输出电平范围和输出电平准确度。输出电平范围是指输出信号幅度的有效范围，也就是信号发生器的最大和最小输出电平的可调范围，通常采用有效值来度量。输出幅度可以用电压(V，mV，μV)或分贝表示。例如XD-1低频率信号发生器的最大电压输出为1Hz~1MHz＞5V，最大功率输出为10Hz~700kHz（50Ω、75Ω、150Ω、600Ω）＞4W。一般标准高频信号发生器的输出电平为0.1~1V，而电平振荡器的输出电平为－60~10dB。

输出电平准确度一般由电压表刻度误差、输出衰减器衰减误差、0dB准确度等决定，温度及供电电源的变化也会导致输出电平的变化。3）输出电平的频率响应输出电平的频率响应是指在有效频率范围内调节频率时，输出电平的变化情况，也就是输出电平的平坦度。现代信号发生器一般都有自动电平控制电路(ALC)，可使输出电平平坦度保持在±1dB以内，即幅度波动控制在±10%以内。4）非线性失真系数(失真度)对于正弦信号发生器而言，由于信号发生器内部存在非线性元器件，会产生非线性失真的谐波分量；差频信号发生器的混频输出信号的组合波以及仪器内部的其他噪声等，都会引起输出信号的频谱不纯。因而它不可能提供理想单一频率的正弦波。常用信号频谱纯度γ来说明其输出信号波形接近正弦波的程度，并用非线性失真度(谐波失真度)表示，一般信号发生器的非线性失真应小于1%。5）输出波形输出波形是指信号发生器所能输出信号的波形。信号发生器一般能输出正弦波和方波；函数信号发生器还能输出三角波、锯齿波、脉冲信号和阶梯波等。3.调制特性许多信号源还包含调制功能。如高频信号发生器，一般还具有输出一种或多种调制信号的能力，通常为调幅和调频信号，有些还带有调相、脉冲调制、数字调制等功能。调制特性包括调制的种类、频率、调幅系数或最大频偏以及调制线性等。当调制信号由信号产生器内部产生时，称为内调制；当调制信号由外部加到信号发生器进行调制时，称为外调制。这类带有输出已调波功能的信号发生器，是测试无线电收、发设备等场合不可缺少的仪器。

2.2低频信号发生器低频信号发生器是信号发生器大家族中一个非常重要的组成部分，在模拟电子线路与系统的设计、测试和维修中获得了广泛应用，其中最明显的一个例子是收音机、电视机、有线广播和音响设备中的音频放大器。事实上，低频就是从音频（20Hz~20kHz）的含义演化而来的，由于其他电路测试的需要，频率向下、向上分别延伸至超低频和高频段。现在一般“低频信号发生器”是指1Hz~1MHz频段，输出波形以正弦波为主，或兼有方波及其他波形的发生器。2.2.1低频信号发生器的主要性能指标通用低频信号发生器的主要性能指标为：①频率范围为1Hz~1MHz连续可调；②频率稳定度为0.1%~0.4%/h；③频率准确度为±(1~2)%；④输出电压为0~10V连续可调；⑤输出功率约为0.5~5W连续可调；⑥非线性失真为0.1%~1%；⑦输出阻抗可为50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ。2.2.2低频信号发生器的组成框图通用低频信号发生器的组成框图如图2.2-1所示。主要包括主振荡器、缓冲放大器、电平调节器、功率放大器、输出衰减器、阻抗变换器和输出指示器等部分。2.2.3主振荡器的类型与工作原理

低频信号发生器的主振荡器电路形式有差频式振荡器和RC振荡器两类。1.差频式振荡器

差频式振荡器的原理框图如图2.2-3所示。它有两个高频振荡器，一个产生频率固定的振荡信号f1，另一个产生频率可变的振荡信号f2，两信号同时送入混频器，产生低频差频信号，经过低通滤波器去掉高频成分，再通过缓冲放大器放大，即可得到具有一定幅度的低频信号电压。频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示：k=fmax/fmin【例2.2-1】已知可变频率振荡器频率f1＝2.4996~4.5000MHz，固定频率振荡器频率f2=2.5MHz，若以f1和f2构成一差频式信号发生器，试求其频率覆盖系数；若直接以f1构成一信号发生器，其频率覆盖系数又为多少？解：因为差频式信号发生器的频率为f0=f1－f2，所以输出频率范围为400Hz~2.0000MHz，频率覆盖系数为k0=2.0000MHz/400Hz＝5000＝5×103；如果直接以f1构成一信号发生器，则其频率覆盖系数为k0′=4.5000MHz/2.4996MHz≈1.8由此可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多；缺点是频率稳定性差，特别是f1与f2接近时，极易产生干扰，因此很难获得较低的差频输出。2.RC文氏电桥振荡器1）振荡器工作原理

RC文氏电桥振荡器实际上是一种电压反馈式振荡器，它由负反馈放大器和一个具有选频作用的正反馈回路组成。如图2.2-4中R1、C1、R2、C2组成具有选频作用的串-并联正反馈回路，Rt和Rf为负反馈回路，它们构成一个电桥，放大器的输入信号取自电桥的两个对角线上，输出信号则送至电桥的另两个对角线上。通常取R1=R2=R，C1=C2=C。为满足振荡的振幅条件，要求放大器的闭环增益等于3，这时振荡频率为改变电阻R和电容C数值可调节振荡频率，可以使用同轴电阻器改变电阻R进行粗调，而用改变双联同轴电容C的方法在一个波段内进行频率细调。2）幅度自稳定作用

接于负反馈支路中的电阻Rt是一只具有负温度系数的热敏电阻，在电路中起着加速振荡过程的建立和自动稳定输出振幅的双重作用，它的工作原理如下。

在振荡器起振阶段，由于Rt温度低，阻值大，负反馈小，放大器实际总增益大于3，振荡器容易起振。热敏电阻Rt的阻值随环境温度升高（流过的电流增加）而减小，Rt阻值降低，负反馈加大，放大器总增益降低，使输出电压减小，达到稳定输出信号振幅的目的。在上面的分析中，没有考虑放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro的影响，Ri和Ro对RC网络的影响如图2.2-5所示。由图2.2-5不难看出，应使Ri尽可能大，而使Ro尽可能小。为此实际振荡器电路中放大器输入级常采用场效应管，以提高输入电阻Ri，输出时加接射极跟随器，以降低输出电阻Ro。2.2.4低频信号发生器的典型应用

低频信号发生器输出中频段某一频率（如音频放大器可选1kHz左右）的信号，加到被测放大电路的输入端，如下图所示。输入幅度由毫伏表监测，不要过大，否则输出会失真。输出同时用毫伏表和示波器测试，使输出信号在基本不失真、无振荡和严重干扰的情况下进行定量测试。电压放大倍数为：AV=UO/Ui。1.了解面板要正确地使用仪器，在使用之前必须充分了解仪器面板上各个开关旋钮的功能及其使用方法。低频信号发生器面板上的开关旋钮等通常按其功能分区布置，一般包括：波形选择开关、输出频率调节部分(频段、粗调、微调等)、幅度调节旋钮、衰减器旋钮、阻抗选择开关、输出电压指示及其量程选择等部分。2.注意正确的操作步骤信号发生器的使用包括如下步骤：(1)开机准备。正确选择使用符合要求的电源电压，将输出调节旋钮置于起始位置(最小)，开机预热，待仪器稳定工作后才可投入使用。(2)选择频率。根据需要置频段选择开关于相应挡位，调节频率旋钮于相应的频率点上。一般情况下，频率微调旋钮置于零位。(3)输出阻抗的配接。根据外接负载电路的阻抗，将输出阻抗选择开关置于相应挡位，以获得最佳负载输出(输出功率大、失真小)。(4)选择输出电路的形式。根据外接负载电路是平衡式还是不平衡式输入，用输出短路片变换信号发生器输出接线柱的接法，可获得平衡输出或不平衡输出。(5)输出电压的调节和测读。调节输出电压调节旋钮，可以连续改变输出信号的大小。在使用衰减器时，实际输出电压为输出电压指示读数除以衰减倍数。例如，信号发生器输出电压指示读数为20V，衰减分贝数为60dB时，输出电压为20V/1060/20=0.02V。当仪器输出为不平衡方式时，输出电压指示读数即为实际输出电压值；当仪器输出为平衡方式时，输出电压指示读数为实际输出电压的一半。需要注意的是，根据输出电压指示及衰减器测读出的电压值仅供参考，对于精确测量还需用电压/电平表直接接在信号发生器输出端进行测量。在使用衰减器（0dB挡除外）时，由于指示电压表的示值是未经衰减器之前的电压，故实际输出电压的大小应为：示值÷电压衰减倍数。例如，信号发生器的指示电压表示值为20V，衰减分贝数为60dB，输出电压应为0.02V（20V÷1060/20=0.02V）。表2.2-1列出了衰减分贝数与电压衰减倍数的对应关系。3.低频信号发生器的操作使用实例以FJ-XD22PS低频信号发生器为例介绍其使用方法其面板如图2.2-7所示。图2.2-7FJ-XD22PS低频信号发生器的面板2.2.5低频信号发生器的性能指标随着电子技术的发展，低频信号发生器的性能指标也不断得到改进与提高，表2.2-2列出了当前国外、国内代表性产品的主要性能指标，以给读者一些数量上的概念。2.3高频信号发生器

高频信号发生器是一种向电子设备和电路提供高频等幅正弦波和调制波的信号源，其工作频率一般为100kHz~30MHz，主要用于各种无线电接收机的灵敏度、选择性等参数的测量和调试。高频信号发生器按调制类型不同分有调幅信号发生器和调频信号发生器；按高频信号的产生方法不同又分有调谐信号发生器与合成信号发生器。1.主振级主振级就是高频振荡器，其作用是产生高频等幅信号。主振级通常采用LC调谐振荡器，高档产品则采用频率合成器。LC振荡器根据反馈方式不同，可分为变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式；频率合成器可分为直接频率合成和间接频率合成。

2.缓冲级缓冲级主要起隔离放大的作用，用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作稳定，并将主振信号放大到一定的电平。3.调制级调制级的作用是进行幅度调制，将主振级产生的高频等幅信号(载波)与调制信号发生器产生的音频调制信号(400Hz或1kHz)同时送到调制级，从调制级输出的就是载有音频信号的调幅波；而调频则是直接对主振级进行频率调制。4.内调制振荡调制信号分内调制和外调制两种。内调制振荡器就是内调制信号发生器。一般高频信号发生器的内调制信号有400Hz和1kHz两种。5.输出级输出级的作用是对高频信号进行放大和滤波，在此基础上通过衰减器对输出信号进行衰减调节和输出阻抗变换，以适应各种不同的需要。输出级主要由放大器、滤波器、衰减器和阻抗变换器组成。2.3.2主振级的类型和工作原理

1.LC调谐振荡器

LC振荡器根据反馈方式不同，可分为变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式等三种振荡电路形式，如图2.3-2所示。通常通过改变电感L来改变频段，改变电容C进行频段内频率细调。放大器通常采用调谐放大器，其作用一是放大振荡器输出的高频信号电压；二是在输出器和振荡器间起隔离作用(因此也称缓冲放大器)，以提高振荡频率稳定性；三是兼作调幅信号的调幅器。调频一般是在振荡级直接进行，比如用改变偏压的方法改变LC振荡器中的电容以达到调频的目的。20世纪70年代后，逐步用宽频带放大器、宽频带调制器和相应的滤波器替代传统的调谐放大器，省去了多联可变电容等元件，提高了高频信号发生器的可靠性、稳定性及调幅特性。2.频率合成器频率合成器是把一个(或少数几个)高稳定度频率源fs经过加(产生和频)、减(产生差频)、乘(倍频)、除(分频)等运算，以产生在一定频率范围内，按一定的频率间隔变化的一系列离散频率信号。频率合成方法分有间接合成法、模拟直接