电子测量技术与应用项目教程

第一章电子测量概述电子测量技术与应用项目本章基本内容：

一、电子测量的基础知识二、测量误差的基本概念

三、测量数据的处理

本章基本要求：

了解电子测量的内容及特点，掌握测量误差的基本概念，能正确处理测量数据及测量结果。23第一节电子测量的基础知识测量的定义：测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程,是一种把物理参数变换成具有意义的数字的过程，也是把被测对象与公认的标准单位进行比较的过程。测量结果的量值由两部分组成：

数值（大小及符号）和相应的单位名称。一、电子测量的内容（1）能量的测量：电流、电压、功率、电场强度等。（2）元件和电路参数的测量：电阻、电感、电容、电子器件、集成电路的测量和电路频率响应、通频带、衰减、增益、品质因数的测量等。（3）电信号特性的测量：频率、周期、时间、相位、波形参数、调制参数等。（4）电子电路性能的测量：增益、衰减、频率特性、灵敏度、分辨力、噪声系数等等。45二、电子测量的特点与其它的一些测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点：

(1）测量频率范围宽（10-4Hz至10GHz）

(2）测量量程很宽（数字电压表10nV—1KV）

电子计数器的量程更宽，可达17个数量级。（3）测量准确度相差大（4）测量速度快（5）可实现遥测及测试过程中的自动化。（6）测量误差较难处理。时间和频率的测量误差可小到10-13

量级.6三、电子测量的方法与仪器分类

电子测量是指利用电子技术进行的测量。电子测量分两类：一类是测量有关电的量值，如电压、电容或电场强度电子量。另一类是运用电子技术来进行非电物理量的测量，如利用传感器把压力、温度等许多物理量变成电信号，然后利用电子学方法来进行测量。本书主要讨论第一类电子测量技术。3.1电子测量的方法7（一）按测量的方法分类1.直接测量：直接从电子仪器或仪表上读出测量结果。P3

2.间接测量：先对几个与被测量有确定关系的电参量进行测量，再将测量结果带入表示该函数关系的公式、曲线或表格，最后求得被测量。（二）按测量的性质分类1.时域测量:（瞬态测量）主要测量被测量随时间变化的规律。

2.频域测量:（稳态测量）主要测量被测量与频率之间的关系。3.数据域测量:（逻辑测量）用逻辑分析仪对数字量和电路的逻辑状态进行分析。4.随机测量:（统计测量）主要对各类噪声信号、干扰信号进行动态测量和统计分析。8（三）测量方法的选择选择测量方法时，主要考虑以下几个因素：(1)被测量本身的特性；(2)所要求的测量准确度；(3)测量环境；(4)现有的测量设备。93.2电子测量仪器的分类电子测量仪器是将被测量转换成可供直接观察的指示值或等效信息的器具。电子测量仪器的种类很多，大致分为一下几种：1.电平测量仪器：毫伏表、数字电压表…2.电路参数测量仪器：电桥、Q表、图示仪…3.频率、时间、相位测量仪器：计数器…4.波形测量仪器：各类示波器…5.信号分析仪器：失真度分析仪…6.模拟电路特性测试仪器：扫频仪…7.数字电路特性测试仪器：逻辑分析仪…10电子测量仪器的分类

1.电平测量仪器

2.电路参数测量仪器

3.频率、时间、相位测量仪器

4.波形测量仪器

5.信号分析仪器

6.模拟电路特性测试仪器

7.数字电路特性测试仪器

8.测试用信号源1112补充：计量与国际单位制

1.计量计量概念：计量是为了保证量值的统一和准确一致的一种测量。计量工作主要是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，也就是通过建立基准、标准，进行量值的传递。计量的三个主要特征：

统一性、准确性、法制性。132.国际（SI）单位制

SI单位分为基本单位和导出单位两类。基本单位是七个具有严格定义的，在量纲上彼此独立的单位作为国际单位制的基础，这七个基本单位是：米（m）、千克(kg)、秒(s)、安培(A)、开尔文(K)热力学温度、摩尔(mol)物质的量、

坎德拉(cd)发光强度。

导出单位是可以按照选定的代数式由基本单位组合起来构成的单位。14国际单位制词头作业补充题：写出绝对误差和相对误差的所有公式，并标出公式中所有参数的意义。15第一章电子测量概述电子测量技术与应用项目171.2测量误差的基本概念基本概念：真值实际值标称值示值18真值在一定的时间和环境条件下，被测量所呈现的客观大小或真实数值。理想化，无法准确得到19实际值实际值就是满足规定准确度要求，用来代替真值使用的量值。在实际测量中，常用高一等级或数级的计量标准所测得的量值作为实际值。20标称值是测量器具上标定的数值。标称值不一定等于真值或实际值。21示值测量器具指示的被测量的量值，也称测量值，包括数据和单位。区别：示值与读数22实际值：被测量的实际值。常用高一级标准仪器的示值来代替真值。标称值：测量器具上标定的数值。不一定等于它的真值或实际值。示值：由测量器具指示出的量值。包括数值和单位。真值：被测量该量本身所具有的真实大小。一、

电子测量误差的表示方法及计算

（一）绝对误差若被测量的真值为A0，测量仪器的示值为x，则得到绝对误差

x为：23

x=x–A0

x=x–A由于真值A0一般无法求得，故常用高一级标准仪器的示值A代替真值，x与A之差称为仪器的示值误差，记为绝对误差是有大小、有正负、有单位的量。绝对值与

x相等但符号刚好相反的值，称为修正值，一般用C表示24在测量时，利用示值与已知的修正值相加，即可计算出被测量的实际值。C=

x=A–xA=x+C25(二)相对误差1.实际相对误差用γA表示：2.示值相对误差用γx表示：3.满度相对误差用γm表示:（引用相对误差）

相对误差是一个没有单位，只有大小和符号的量。26

在连续刻度的仪表中，为了方便的计算和划分电表准确程度等级，计算相对误差时，改为取电表量程，即满度值作为分母，这就是满度相对误差即引用相对误差。常用电工仪表分为七个等级：±0.1,±0.2,±0.5,±1.0,±1.5,±2.5,±5.0分别表示它们的引用相对误差不超过的百分比，常用符号s

表示。为减少测量中的示值误差，在选择量程应使指针尽可能接近满度值，一般最好工作在满度值2/3以上的区域。采用一只量程为5V，γm=1.2%的电压表去测量两处电压，测量值分别为3.45V和3.12V，问两处电压的绝对误差和相对误差各为多少？解：27(三)容许误差一般电子测量仪器的容许误差有四种：1.工作误差2.固有误差3.影响误差4.稳定误差28二、误差来源分析及分类

（一）误差来源分析为了减小测量误差，必须明确误差的主要来源。1.仪器误差2.使用误差3.人为误差 4.影响误差5.方法误差和理论误差2930（二）误差的分类根据测量误差的性质和特点分为三种：1．系统误差：在相同条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。2．随机误差：在实际相同条件下，多次测量同一量值时,误差的绝对值和符号以不可预定的方式变化着的误差称为随机误差。3．粗大误差：在一定的测量条件下，测量值明显地偏离了实际值所形成的误差。原因见P931补充：

测量的正确度、精密度和准确度1．正确度：表示测量结果与真值的符合程度，是衡量测量结果是否正确的尺度。系统误差使测量结果偏离被测量的真值。因此系统误差越小，就有可能使测量结果越正确。正确度表示测量结果中系统误差的大小的程度。在测量次数足够多时,对测量结果取算术平均值，可以消除随机误差的影响。2．精密度：表示在进行重复测量时所得结果彼此之间一致的程度。随机误差决定测量值的分散程度，测量值越集中，测量值的精密度越高。可见，精密度是用来表示测量结果中随机误差大小的程度。3．准确度：表示测量结果与真值的一致程度。准确度是表示测量结果中系统误差与随机误差综合的大小程度。3233例如打靶子弹落在靶心周围有三种情况：弹着点很分散，它的精密度很低；b)弹着点集中但偏向一方，精密度高但准确度低；c)弹着点集中靶心，既紧密又准确，精确度高。1.3测量数据的处理（一）

有效数字的概念有效数字：即从左边第一个非零数字开始，直至右边最后一个数字为止的所有数字。如P934例如：某电流值0.0321mA，其中“3，2，1”三个数字就是有效数字，而左边两个“0”是非有效数字；由于最后一位有效数字“1”是估测的，所以称为欠准数字或不可靠数字，而“1”左边的“2、3”两个有效数字均为准确数字。35“0”在一个数中，可能是有效数字，也可能不是有效数字。例如0.02030MHZ，“2”前面的两个“0”不是有效数字，中间及末尾的“0”都是有效数字。因为前面的“0”与测量准确度无关，当转换成另一个单位时，它可能就不存在了。将上例变换成20.30kHZ后，前面的“0”就没有了,注意数字尾部的“0”很重要。20.30表示测量结果精确到百分位。而20.3则表示精确到十分位。36有效数字的位数不仅表达了被测量的大小，同时还表明了测量的精度。决定有效数字位数的根据是误差。并非写出的位数越多越好，多写位数，就夸大了测量准确度；少记位数将带来附加误差。对测量结果有效数字的处理原则是：根据测量的准确度来确定有效数字的位数（允许保留一位欠准数字），再根据舍入规则将有效位以后的数字作舍入处理。37例如0.031V，左边的两个零就不是有效数字。而数字中间和右边的零都是有效数字，不能在数据的右边随意加减零，否则会改变测量的准确程度。例如2.10V，表明测量误差不超过±0.005V，若该为2.1V或2.100V，则表明测量误差不超过±0.05V或±0.0005V。有效数字不能因选用的单位变化而改变。例如测量结果为2.0V，它的有效数字为两位，如该用mV做单位，该为2000mV，则有效数字变为四位，这显然是错误的，应改写为2.0×103mV，此时它的有效数字仍是两位。38（二）有效数字的处理

在实际测量中，经常要对测量结果的几个数据的有效数据进行必要的处理，然后进行运算。保留的有效数字位数过多过少，都会影响最后的结果。保留位数的总原则是：

运算过程中的有效数字的位数应按其中准确度最差的数据的有效数字进行取舍。39对测量结果有效数字的处理原则是：40根据测量的准确度来确定有效数字的位数（允许保留一位欠准数字）；再根据舍入规则将有效位以后的数字作舍入处理。

删略多余的有效数字应按“四舍五入”的原则进行。41（1）5后面有数字，则舍5入1。（2）5后面没有数字或为0，当5之前是奇数则舍5入1，是偶数则舍去5。即：大于5的数，向前入1；小于5

的数，舍去；等于5

的数，有两种情况：例1-3以下数字均保留小数点后一位有效数字：16.34→16.3（舍去4）16.36→16.4（舍6入1）16.35→16.4（5后面无数字，5前面3为奇数，5入1）16.45→16.4（5后面无数字，5前面4为偶数，舍5）11.150→11.2（5后面为0，前面是奇数，舍5入1）10.253→10.3（5后面有数字，舍5入1）4243

在数据处理过程中，常常要对几个乃至几组数据进行加减、乘除等运算。加减运算中，准确度最差的项就是小数点后有效数字位数最少的那一项，有效数字的取舍以该项为准。乘除运算中，有效数字的取舍决定于有效数字最少的一项数据，而与小数点无关。1．加、减运算以小数位数最少的为准，其余数据多取一位，最后结果小数位数保留仍以小数位数最少的为准。两数相减时尽量多取几位有效数字。2．乘、除、乘方、开方运算有效数字的取舍取决于其中有效数字最少的一项，而与小数点无关。最后结果的有效数字，应不超过参加运算的数据中最少的有效数字。3．对数运算对数运算时，原数为几位有效数字，取对数后仍取几位有效数字。44例题1-4：运算下列数据：1）5.432+3.02+1.1234≈5.43+3.02+1.12=9.57由于3.02精度最差，故小数点后保留两位。2）43.12×0.32÷6.09≈43×0.32÷6.1=2.3由于0.32精度最差，故取两位有效数字。4546本章小结1．测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。测量的目的是为了准确地获取被测参数的量值。2．电子测量的内容和特点。3．测量误差就是测量结果与被测量真值的差别，测量误差存在于一切测量的科学研究过程中。测量误差的表示方法通常为绝对误差和相对误差。绝对误差表明测量结果偏离实际值的情况，是有大小、正负和量纲的量。相对误差能确切地反映测量的准确程度，只有大小和符号，没有量纲。引用相对误差用来计算和划分连续刻度电子测量仪表的准确程度等级。4．根据性质，可将测量误差分为系统误差、随机误差和粗大误差。系统误差决定测量的正确度，随即误差决定测量的精密度，系统误差和随机误差共同决定测量的准确度。5．用数字方式表示测量结果时，需要根据要求确定有效数字位，不可随意更改测量结果的有效数字位。对多余数字位进行处理时，必须遵循数字的舍入规则——“小于5舍，大于5入，等于5时取偶数”。47第二章电流、电压的测量电子测量技术与应用项目第一节概述

第二节电流的测量

第三节电压的测量概述电子测量的内容，包括：被测电路中的电压；功率、晶体管电压放大倍数、调幅度、电路放大倍数、幅频特性曲线等电压的各种派生量；这些派生量都可以通过电压测量获得欲测结果。许多电子测量仪器或电路的状态等也主要以电压量来描述，所以电压测量是电子测量的基础。一、电流的测量一、直流电流的测量直流电流的测量是一种最基本的测量，一般用在控制系统及直流供电的设备系统中测量直流电流一般可采用模拟直流电流表、模拟万用表、数字万用表等仪表。直流电流的测量一般可采用直接测量法和间接测量法两种方法。二、交流电流的测量交流电流的测量则转换为电压后进行。二、电压测量的基本要求（一）频率范围宽：直流、交流0~几百MHZ~GHZ（二）量程宽（电压测量范围）：小到几nV，大到几百伏甚至几KV，目前有灵敏度高达1nv的数字电压表。（三）输入阻抗高：测量电压时，电压表以并联方式接入被测电路。电压表应有足够高的输入阻抗，即输入电阻应尽量大、输入电容应尽量小。对于模拟直流电压表：Ri几十MΩ—几百MΩ对于直流数字电压表：Ri几千MΩ。但随着频率的升高，输入阻抗将大大下降。（四）抗干扰能力强测量工作一般是在受各种干扰的情况下进行的。当电压表工作在高灵敏度时，干扰会引入明显的测量误差，这就要求电压表具有较强的抗干扰能力。（五）测量准确度高直流电压的测量可获得较高的测量准确度，例如：直流数字电压表一般可达10-4～10-7量级；交流电压表的测量准确度可达10-2～10-4量级。（六）被测电压波形种类多正弦波、失真的正弦波、脉冲波、调制波等。三、交流电压的表征（一）平均值（均值）正半波负半波全波（二）峰值或正峰值：或负峰值：或谷值：峰峰值：振幅值：UmUp-p交流电压的峰值、振幅值、谷值峰值一般都是从零电平开始计算，峰值是信号在一个周期内电压达到的最大值。振幅值就是幅度。一般情况下正峰值与负峰值不相等，当直流分量较大时会出现谷值。

U

U(

mU

t

PP-U

0

b）

+Uˆ

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u(t)

PP-U

0

a）

+

Uˆ

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U

Uˆ-（三）有效值U交流电压的有效值，即均方根值。数学计算式为：（四）波形因数（五）波峰因数交流电压的波峰因数定义为电压的峰值与有效值之比，即：波形因数波峰因数常见波形的波形因数与波峰因数峰值0.5UpUp三角波11UpUpUp方波1.112Up/π=0.637UpUp/=0.707UpUp正弦波KPKFŪ有效值波形名称UˆU

四、电子电压表的分类（一）模拟式电压表模拟式电压表即指针式电压表，分为:直流电压表用于测量直流电压。交流电压表测量时先将交流变直流，再按测直流电压的方法测量。直流电压表交流电压表模拟式交流电压表的三种结构（1）检波—放大式（2）放大—检波式（3）外差式表2-2三种结构形式电压表的性能比较结构名称灵敏度频带宽度电压表实例外差式（选频电压表、测量接收机）很高很宽高频微伏表检波—放大式稍低很宽超高频毫伏表放大—检波式较高较窄高频毫伏表、视频毫伏表（二）数字式电压表DVM最基本的数字电压表是直流数字电压表。交流数字电压表=直流数字电压表+交直流转换器直流数字电压表的核心是A/D转换器。数字式万用表组成直流数字电压表交流电压/直流电压（AC/DC）电流/直流电压（I/V)转换器电阻/直流电压（R/V）转换器作业P381，62.3-1模拟电压表电子测量技术与应用项目均值电压表峰值电压表有效值电压表

模拟式电压表分为一、基本原理与结构（一）均值电压表P19以均值检波器作为交直流转换器，其输出的直流电压与输入电压的平均值近似相等。（1）均值检波器电路构成a)桥式检波器b)半桥式检器c)半波整流式（2）刻度特性均值电压表通常以输入为正弦波有效值的大小来定度。当测量正弦波电压时，电压表的读数值α就等于正弦波的有效值非正弦波平均值非正弦波有效值非正弦波峰值均值电压表的定度系数各参数的含义：电压表读数值正弦波的平均值非正弦波的平均值非正弦波平均值非正弦波的峰值非正弦波的波形因数非正弦波的波峰因数电压表的定度系数例2-1P19求有效值、平均值、峰值？测量正弦波时：测量三角波时：（3）波形误差用均值电压表测量非正弦波电压时，如果将电压表的读数值当成它的有效值，将会产生测量误差。波形误差的绝对误差为：波形误差的示值相对误差为：（4）均值电压表的组成属于放大—检波式电压表，是低频电压表，又被称为视频毫伏表。(20HZ–10MHZRi为几KΩ)输入阻抗较小，灵敏度高，但频带较窄。均值电压表的特点：阻抗转换器采用射随器或源极跟随器来提高均值电压表的输入阻抗。可变量程衰减器通常是阻容分压电路，用于改变均值电压表的量程。宽带交流放大器用于信号放大，以提高均值电压表的测量灵敏度。均值电压表由于其电路结构简单，灵敏度高，波形失真小。基本公式波形因数波峰因数交流电压的平均值交流电压的有效值交流电压的峰值或均值电压表均值电压表的定度系数非正弦波峰值非正弦波有效值非正弦波平均值正弦波电压有效值即电压表的读数值实验一电子测量技术与应用项目一、实验目的1．能掌握信号发生器各个按键的功能。2．能掌握数字示波器各个按键的功能。3．能使用信号发生器输出特定要求的信号。4．会正确读取万用表和示波器显示的各种波形参数。二、实验仪器1．函数信号发生器2．数字示波器3．数字万用表信号发生器数字示波器数字示波器数字万用表三、实验内容与步骤1．信号发生器使用（1）认知函数信号发生器面板部分旋钮/按键，并记录在表1-1中。表1-1信号发生器部分旋钮/按键功能表2．数字示波器使用（1）自校准信号测试：将示波器探头接CH1端，黑夹子接示波器的地，钩子接自校准信号输出口，按示波器上的“Auto”按键，将示波器屏幕上显示的波形绘制在图1-1中。注意标出频率与幅度。（2）调整示波器旋钮或按键，认知示波器面板各旋钮，并记录表1-2中各个旋钮的功能。3．函数信号发生器和数字示波器的使用（1）正弦信号测量将函数信号发生器的波形设置为正弦，频率调至1kHz,输出电压调至2V、3V、4V，使用示波器测量相应正弦波电压，将测量值记录在表1-3中。信号发生器设置值2V3V4V示波器显示波形信号幅度信号频率（2）三角波信号测量将函数信号发生器的波形设置为三角波，频率调至1kHz，输出电压调至2V、3V、4V，使用示波器测量相应三角波电压，将测量值记录在表2-2中。信号发生器设置值2V3V4V示波器显示波形信号幅度信号频率（3）方波信号测量将函数信号发生器的波形设置为方波，频率调至1kHz，输出电压调至2V、3V、4V，使用示波器测量相应方波电压，将测量值记录在表2-3中。信号发生器设置值2V3V4V示波器显示波形信号幅度信号频率2.3-2模拟电压表电子测量技术与应用项目（二）峰值电压表（1）工作原理峰值电压表以峰值检波器作为交直流转换器。其输出的直流电压与输入交流电压的峰值近似相等。峰值电压表指针偏转角度与被测交流电压的峰值成正比。电容用于滤波、检波，无隔直流作用。它的实际响应值为交流电压实际波形的峰值。a图为串联式峰值检波器（开路式峰值检波器,又称包络检波器）它的实际响应值为交流电压的振幅b图为并联式峰值检波器（闭路式峰值检波器）c图为倍压式峰值检波器。其结构为桥式d图为倍压式峰值检波器，结构为并串式。（2）刻度特性峰值电压表也以正弦波有效值进行定度。测量正弦波电压时，电压表的读数值就等于正弦波电压有效值。峰值电压表测量非正弦波电压时，计算公式如下：峰值：有效值：平均值：峰值电压表的定度系数：例2-2P22用峰值电压表测量测量正弦波时：测量三角波时：（3）波形误差用峰值电压表测量非正弦波电压时，如果将电压表读数值当成它的有效值，也会产生波形误差。波形误差的绝对误差为：波形误差的示值相对误差为：（4）峰值电压表的组成串联式：输入阻抗分别为负载电阻R的1/2倍;并联式：输入阻抗分别为负载电阻R的1/3倍;

负载电阻R通常可取值几兆欧姆至几百兆欧姆。（三）有效值电压表p22（1）分段逼近式有效值检波器（2）热电转换式有效值检波器（3）计算式有效值检波器以正弦有效值为刻度的有效值电压表，当测量非正弦波时，其有效值可直接从表头读出而无需换算。一般认为无论交流电压是怎样的波形，也不管是那一种有效值电压表，有效值电压表的读数就是被测电压的有效值称为真有效值电压表。实验二误差测量与计算电子测量技术与应用项目一、实验目的1．练习使用常用电子测量仪器测量交、直流信号电压。2．利用误差分析方法，计算各种误差，正确处理测量数据。二、实验仪器1．直流稳压电源2．函数信号发生器3．数字万用表4.交流毫伏表四路输出直流稳压源信号发生器数字万用表三、实验内容与步骤1．直流电压的测量将直流稳压电源的输出分别调至3V、6V、9V，然后使用万用表测量各电压，连续三次测量并

将测量值记录于表1-1中。直流稳压电源3V6V9V万用表读数绝对误差2．正弦交流电压的测量将函数信号发生器的频率调至1kHz,将正弦波输出电压有效值调至2V、4V、6V，使用万用表测量相应正弦波电压，将测量值记录在表1-2中。交流毫伏表读数2V4V6V万用表读数值绝对误差示值相对误差3．三角波电压测量将函数信号发生器的频率调至1kHz,将三角波输出电压有效值调至1V、3V、5V，使用万用表测量相应三角波电压，将测量值记录在表1-3中。交流毫伏表读数1V3V5V万用表读数值绝对误差示值相对误差4．方波电压的测量将函数信号发生器的频率调至1kHz,将方波输出电压有效值调至2V、4V、6V，使用万用表测量相应方波电压，将测量值记录在表1-4中。交流毫伏表读数2V4V6V万用表读数值绝对误差示值相对误差四、完成实验报告1．将测量结果填入相应的表格，处理数据时，要写出相应的计算公式。2．画出直流稳压源的面板图。1292.3.4数字电压表双积分式A/D转换器工作原理及特点能力目标：能在理解数字电压表的原理基础上，更好地使用数字电压表

主要内容：量程、显示位数、超量程能力、分辨力、抗干扰能力；1302．4．3电压的数字化测量一、概述数字电压表（DVM）是利用变换原理，将待测的模拟量变换成数字量，并将测量结果以数字形式显示出来的一种电压表。主要了解两种A/D变换器。(1)积分式A/D变换：积分式A/D变换器是先用积分器将输入模拟电压变换成时间或频率，再将其变换为数字量。根据变换的中间量不同，它又分为V－T（电压－时间）式和V－F（电压－频率）式两种。(2)非积分式A/D变换：非积分式常分为两类：比较式（电位差计式）和斜坡电压式。131数字电压表中能显示0～9十个数码的数位称为满位，否则，称为半位或1/2位。二、DVM主要工作特性1.电压测量范围（1）量程:电压表的测量范围称量程。未经衰减器和放大器的量程称为基本量程，基本量程的测量误差最小。（2）显示位数:132最大显示数字为39.999的称为位数字电压表。最大显示数字为9.999的称为4

位数字电压表；最大显示数字为19.999的称为位数字电压表；133最大显示数字为11.999的也称为位数字电压表，虽然左边第二位在显示最大数字时只能显示为1，但在其他情况下是可以显示0～9这十个数字的，该位仍为满位，而左边第一位则可以显示0～1共2个数字，故仍称之为位数字电压表。

因为39.999的左边第一位可以显示的数字为0～3共4个数字，但可以作为有效数字的只有1、2、3共3个数字，而满位位数为4，故称之为位数字电压表。134超量程能力指的是数字电压表在一个量程上所能测量的最大电压超出量程值的能力。（3）超量程能力：135最大显示数字;对应量程;超量程能力分别为:9.999、19.999、19.999、4.999、5.999、11.99910V20V10V5V5V10V0%0%100%0%20%20%136

分辨力即灵敏度，指数字电压表能够显示出的被测电压的最小变化值，也即显示器末位跳一个字所需的最小输入电压值。不同量程的分辨力不同。最小量程的分辨力最高。通常以最小量程的分辨力作为数字电压表的分辨力。例如：4位半DVM在20V、200V、1000V量程上的分辨力分别为2.分辨力1999919999137测量速率指每秒钟对被测电压的测量次数，或完成一次测量所需的时间。数字电压表测量速度的快慢主要取决于其中A/D转换器的类型。3.测量速度1384.抗干扰能力串模干扰抑制比：共模干扰抑制比：139数字电压表的固有误差一般采用以下两种表示方法：5.测量误差数字电压表的测量误差通常以它的固有误差来衡量，固有误差是指在基准条件下测定的误差，属于允许误差。3.测量误差读数误差满度误差140

为被测电压的读数值；

为数字电压表量程满度值；称为读数误差；称为相对项系数；称为固定项系数；称为满度误差。

不同位数的DVM，不同量程时，1个字代表的最小电压值是不同的，即该量程下的分辨力。±n=满度误差/分辨力141例：一台量程为2V的5位DVM，其绝对误差△U=0.01%Ux

±1分析：5位DVM2V量程时1个字对应的电压变化值为0.0001V20V量程时1个字对应的电压变化值为0.001V

任一表示值下的相对误差为：

可见γ随Ux的增大而减小，当满量程时，Ux=Um,误差最小。在满量程使用时可获得最高的测量准确度。因此测量时应尽量在接近满量程时使用。1999919999142例题：某5位DVM在5V量程测得电压为2.5V，已知5V量程的固有误差计算式为:（±0.006%×Ux±

0.004×Um）,求DVM的固有误差、读数误差和满度误差各是多少？满度误差相当于几个字？解：因为DVM位数为5，量程为5V，故1个字对应的电压变化值为0.0001V；虽然给出计算式中的两项均带±，但固有误差应是两项绝对值之和，且带±号。计算如下：读数误差为：±0.006%×Ux=0.006%×2.5V=±0.00015V满度误差为：±0.004%×Um=0.004%×5V=±0.0002V满度误差相当于：±0.0002/0.0001=±2字固有误差：±（0.00015+

0.0002

）V=±0.00035V1436.输入电阻和输入偏置电流（输入零电流）输入偏置电流又称为零电流，是由于DVM输入电路中用到了场效应管等有源器件而使得在电压表输入端短路时所出现的电流。测量电压时该电流是始终存在的，应尽量减小输入偏置电流。数字电压表的Ri≥10MΩ(1GΩ)144数字电压表组成模拟电路、数字逻辑电路显示电路145三、非积分式DVM1.逐次逼近比较式DVM

逐次逼近比较式DVM中的A/D变换属于比较式A/D变换，其基本原理是用被测电压和基准电压进行比较，方法是将基准电压分成若干基准码，未知电压按指令与最大的一个码（通过D/A变换）比较，逐次进行，比较时大者弃，小者留，直至逼近被测电压。逐次逼近比较式DVM的组成框图如图2-40所示。146

图中的逐次逼近寄存器SAR由移位寄存器和数码寄存器以及一些门电路组成，它在时钟脉冲作用下逐次提供代表不同基准电压的基准码，并通过D/A变换器输出量化的基准电压，后者加到比较器与待测电压相比较。147

设被测电压为1315mV,逐次逼近寄存器D/A转换器为8位，参考电压为5000mV。

2-1×5000=2500mV，2-2×5000=1250mV，2-3×5000=625mV，2-4×5000=312.5mV，2-5×5000=156.25mV，2-6×5000=76.125mV2-7×5000=38.0625mV，2-8×5000=19.03125mV最终结果：01000011最终显示结果：1308mV.1482.斜坡电压式DVM

斜坡电压式DVM测量的第一步是用一个线性斜坡电压将模拟直流电压变换成容易数字化的时间间隔，而该时间间隔与被测量成正比。测量的第二步是用计数法对这个时间间隔进行数字编码，以便把被测量用数字形式显示出来。实验三交流电压测量电子测量技术与应用项目一、实验目的练习使用常用电子测量仪器测量交流信号电压。（数字示波器、数字万用表）2.掌握测量各种交流信号（正弦波、三角波、方波）电压参数的方法。二、实验仪器1．函数信号发生器2．数字万用表3．数字示波器信号发生器数字示波器数字示波器数字万用表三、实验内容与步骤1．正弦交流电压的测量将函数信号发生器的频率调至1kHz、将正弦波输出电压分别调至2.2V、4.3V、6V，然后使用数字万用表、示波器分别测量出相应正弦波电压，将测量值记录在表3-1中。根据测量结果计算正弦信号的波形因数和波峰因数。信号发生器设置值2.2V4.3V6V万用表测量数据峰峰值UP－P

有效值U

平均值

示波器测量数据峰峰值UP－P

有效值U

平均值

表3-1正弦交流电压的测量数据2．三角波电压的测量

将函数信号发生器的频率调至1kHz、将三角波输出电压分别调至1.5V、3.4V、5V，然后使用数字万用表、示波器分别测量出相应三角波的电压，将测量值记录在表3-2中。根据测量结果计算被测三角波的波形因数和波峰因数。信号发生器设置值1.5V3.4V5V万用表测量数据平均值

有效值U

峰值UP

示波器测量数据平均值

有效值U

峰值UP

表3-2三角波电压的测量数据3．方波电压的测量将函数信号发生器的频率调至1kHz、将方波输出电压分别调至2.4V、4.5V、6V，然后使用数字万用表、示波器分别测量出相应方波的电压，将测量值记录在表3-3中。根据测量结果计算方波的波形因数和波峰因数。信号发生器设置值2.4V4.5V6V万用表测量数据平均值

有效值U

峰值UP

示波器测量数据平均值

有效值U

峰值UP

表3-3方波电压的测量数据四、实验报告要求1．写明本实验的基本内容，在处理数据时，写出相应的计算公式。2．根据所学知识，判断本次实验中存在哪些误差。3．简述实验中出现的问题和解决的办法。4.收获体会。习题课1-2章电子测量技术与应用项目一、误差的基本概念真值：实际值：示值：绝对误差：修正值：相对误差：二、误差的计算例1：

若测量值为1000mV，真值为997mV，则测量绝对误差和修正值各为多少？若测量值为998mV，修正值为3mV，则真值和测量绝对误差又各为多少,该次测量的实际相对误差是多少？答案：

3mV,-3mV;1001mV,-3mV例2：测量两个电压，分别得到它们的测量值为U1=103V，U2=12V，实际值为U1=102V，U2=12.5V，求两次测量的绝对误差以及实际相对误差和示值相对误差。答案：1V，-0.5V，0.98%，-4%，0.97%，-4.12%三、有效数字的处理原则删略多余的有效数字应按“四舍五入”的原则进行。即：大于5的数，向前入1；小于5的数，舍去；等于5的数，有两种情况：（1）5后面有数字，则舍5入1。（2）5后面没有数字或为0，当5之前是奇数则舍5入1，是偶数则舍去5。将下列数字保留3位有效数字：12.25076.25143.44998.0547.15答案：12.2（5后为0,5前是偶，舍5）76.3（5后有数字，舍5入1）43.4(9入变5,5后无数，5前为偶，舍5）98.0（5后无数，5前为偶，舍5）47.2（5后无数，5前为奇，入1）第二章电压测量与电压表

基本公式波形因数波峰因数交流电压的平均值交流电压的有效值交流电压的峰值或均值电压表均值电压表的定度系数非正弦波峰值非正弦波有效值非正弦波平均值正弦波电压有效值即电压表的读数值峰值电压表峰值电压表测量非正弦波电压时，计算公式如下：峰值：有效值：平均值：峰值电压表的定度系数：有效值电压表以正弦有效值为刻度的有效值电压表，当测量非正弦波时，其有效值可直接从表头读出而无需换算。一般认为无论交流电压是怎样的波形，也不管是那一种有效值电压表，有效值电压表的读数就是被测电压的有效值称为真有效值电压表。177

常见波形的波形因数与波峰因数峰值0.5UpUp三角波11UpUpUp方波1.112Up/π=0.637UpUp/=0.707UpUp正弦波KPKFŪ有效值波形名称UˆU

平均值178P386题答案1.5V，3V，-1V，4V，1.732VP387题答案P389题答案P3811题答案1、测量1.8V时绝对误差:ΔU=±(0.001%读数+0.002%满度)=±(0.001%*1.8V+0.002%*2V)=0.000058V。相对误差:δ=ΔU/U=0.000058V/1.8≈0.000032=0.0032%P3811题答案2、测量0.18V时绝对误差:ΔU=±(0.001%读数+0.002%满度)=±(0.001%*0.18V+0.002%*2V)=0.0000418V。相对误差:δ=ΔU/U=0.0000418V/0.18≈0.00023=0.023%实验四示波器应用电子测量技术与应用项目一、实验目的1.了解示波器组成及工作原理，熟练使用示波器2.了解示波器的特性及测量功能。3.了解示波器测量相位的基本方法。二、实验仪器1．函数信号发生器1台；2．数字（双综）示波器1台；3．RC移相电路板1块；4．测试线若干。三、实验内容与步骤1．用示波器进行二阶RC移相网络的测量（1）按给出的实验测量电路：us为函数信号发生器输出1KHZ，2V的正弦波信号。图中V用示波器测量，1-2两端连接示波器的Y1通道，3-4两端连接示波器的Y2通道，用来观测us与u0的波形。(2)先将函数信号发生器的频率调至1kHz，输入电压US调至2V，再将万用表连接到输出端。（3）用示波器观测输入、输出波形。（4）将测试的数值填入表4-1。输入端输出端二阶RC移相网络usu0Txut0相位的测量

幅度频率相位波形输入信号

输出信号

结论

2.用示波器观察两同频率信号的李沙育图形设us的初相为零，φ为u0与us的相位差，调节信号源频率f，使输出信号与输入信号的相位差分别为：45º、90º、-60º、180º（负号代表输出u0比输入us滞后）；在表4-2、4-3、4-4和4-5中记录相应的信号源频率f和输出电压大小u0。将输入和输出两组信号源分别输入示波器X、Y端，适当设置示波器得到李沙育图形。197

不同频率比的李沙育图形四、实验报告要求1.根据实验内容与步骤画出实验电路图。2.根据实验现象及实验结果，填写数据表格。3.简述实验中出现的问题和解决的办法。4.思考题：显示李沙育图形的条件是什么？第三章示波测试技术电子测量与产品检验3.2.1模拟示波器的组成及技术指标一、通用示波器基本组成通用示波器组成：（1）X通道（水平系统）（2）Y通道（垂直系统）（3）主机部分(Z轴系统)（1）X通道（水平系统）主要作用在内触发信号的作用下，输出大小合适、极性相反的双端对称扫描电压，以驱动电子束进行水平扫描。

X通道组成：触发电路扫描电路

X放大器（2）Y通道（垂直系统）主要作用对单端输入的被测信号进行变换，处理成为大小合适极性相反的双端对称输出信号加到Y偏转板上，使电子束在垂直方向上产生偏转。

Y通道组成：衰减器前置放大器延迟级输出放大器（3）主机部分主机部分主要包括：标准信号源增辉电路电源示波管增辉电路的主要作用是：在扫描正程使波形增辉，而在扫描逆程、扫描休止期使回扫线和休止线消隐；或在外加输入信号作用下，对显示的波形进行亮度调制。二、示波器的主要技术指标（1）频带宽度BW和上升时间tr（2）扫描速度（3）偏转灵敏度（4）输入阻抗（5）输入方式（6）触发源选择方式三、通用示波器Y通道（垂直系统）Y通道主要作用：（1）对输入的被测信号进行处理变换，成为大小合适的双极性对称信号，使显示的波形适于观测；（2）向X通道提供内触发信号源；（3）补偿X通道的时间延迟，以观测到诸如脉冲等信号的完整波形。Y通道组成：输入电路前置放大器延迟级输出放大器（一）输入电路主要包括：

探极

耦合方式转换开关

衰减器

阻抗变换及倒相放大器2111.探极：

有源探极

无源探极（常用）高频特性良好、抗干扰能力强、高输入阻抗（10MΩ，十几pF)。探极中通常设置有衰减器。有源探极具有良好的高频特性，衰减比为1:1，适于测试高频小信号,但需要示波器提供专用电源，应用较少。无源探极则被广泛应用，衰减比（输入:输出）分别为1:1、10:1和100:1三种，普遍使用前两种（后者用于高频测量）。2122.耦合方式选择开关:DC、AC、GND3.衰减器：阻容步进衰减器衰减器采用的同样是RC分压电路，以保证输入波形不致过大而出现失真。改变分压比可改变示波器的偏转灵敏度。这个改变分压比的开关即为示波器灵敏度粗调开关，在面板上常用Ｖ/cm标记。4.阻抗变换及倒相放大器：单端输入转双端输出：①克服放大器零点漂移的影响，②提高了放大器输入阻抗，③隔离前后级的影响，④满足了Y偏转板对称信号输入的要求。213（二）前置放大器

前置放大器的作用是：放大、补偿。对前级输出信号进行放大，补偿延迟级对信号的衰减损耗；为X通道的触发电路提供大小合适的内触发信号，以得到稳定可靠的内触发脉冲。214

设置延迟级的目的是把加到垂直偏转板的脉冲信号也延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间，以保证观察包括脉冲前沿在内的脉冲全过程。延迟线只起延迟时间的作用，信号通过它时不能产生失真。(三）延迟级215a)被测信号b)触发脉冲c)扫描电压d)被测信号延迟前后

延迟后延迟前延迟级电路原理示意图216简述示波器Y通道内采用延迟级电路的原因被测信号从Y系统输入，经过前置放大器和延迟级电路送往Y偏转板。其中从前置放大器输出一路被测信号至X系统的触发电路作为内触发信号。只有当被测信号达到触发电路的触发电平时，触发电路才能产生触发脉冲并激励扫描电路形成扫描电压。延迟前延迟后被测信号从0开始上升到一定的触发电平需要经历一定的时间，这表明扫描电压比被测信号晚出现一段时间到达偏转板，从而使被测信号的前沿无法完整显示。为了完整显示被测信号波形，在Y通道中设置延迟级电路，对被测信号进行延时,使之晚一点到达Y偏转板，延迟时间一般为60～200ns，常在100ns左右。而内触发信号并不延迟，正常产生扫描信号。217如图所示，图a、b、c、d分别为被测信号、触发脉冲、扫描电压的波形和被测信号的显示波形，ut为触发电平。由此可见，经过延迟级适当延迟后即可看到完整的被测信号波形，但观测正弦信号时，延迟级的作用则不显著，所以简易示波器中一般不设置延迟级。延迟前延迟后218（四）输出放大器输出放大器一般采用差分放大器。作用

1.示波器偏转板要求对称供电；

2.克服直流放大器的零点漂移。作业：P701,33.3取样示波器电子测量技术与应用项目2221.取样技术

2.取样示波器的组成

3.Y通道的组成和作用

4.X通道的组成和作用

5.取样示波器的参数主要内容223一、取样示波器的工作原理

取样示波器与普通示波器的主要区别在于取样示波器运用了取样技术。取样技术实质上是一种频率变换技术。取样方式实时取样非实时取样224（一）实时取样与非实时取样225实时取样原理:

若:输入信号的周期为T，取样脉冲的周期为T0

，且:T0＜＜T

并且取样持续的时间等于输入信号的一个周期或输入信号实际经历的时间。226实时取样

8

0

t

Ui

7

6

5

4

3

2

1

τ

T0

t

P(t)

0

8

7

6

5

4

3

2

1

0

8

7

6

5

4

3

2

1

t

Us

7

6

5

4

3

2

1

Ta图输入信号b图取样脉冲信号C图取样信号227非实时取样原理：取样点来自输入信号若干周期的方式称非实时取样。228分析：如果输入信号ui(t)的周期为T

取样脉冲的周期为T′非实时取样的工作过程如下：

t1时刻，进行第一次取样，对应于信号波形上的点1；

t2时刻，经过T+Δt后，进行第二次取样，取样点为波形上的点2，但取样脉冲相对于信号周期延迟Δt；第三次则延迟2Δt……，以此类推，

229分析：每间隔mT+Δt在信号波形上取一个样点，且取样信号的幅度等于输入信号的瞬时值，宽度等于τ，取样后的信号波形虽然是一串脉冲序列，但取样信号的包络线同样重现了原信号的波形。

将取样信号送延长电路展宽，最后送示波器显示的波形为一阶梯波uY(t)。当取m＞＞1时，就可以利用非实时取样将很高频率的输入信号变成低频信号后，用通用示波器来进行显示。

230（二）取样示波器的波形合成

t

ux(t)

t

uy(t)

6

6

5

5

5

4

4

4

3

3

3

2

2

2

1

1

1

0

0

0

231把放大展宽后的阶梯波uY(t)加到示波管Y偏转板上，把每取样一次阶梯上升一级且每一级持续时间为mT+Δt的阶梯扫描电压ux(t)信号加到示波管X偏转板上，荧光屏上亮点的位置即由uY(t)和ux(t)决定。

图中各点的高度反映了取样信号的幅度。由于展宽后的信号呈阶梯状，故亮点从一个位置跳到另一个位置，由这样断续的亮点就合成了被测信号的波形。232二、取样示波器的组成

主机、垂直系统、水平系统主机部分与通用示波器相同233取样示波器组成方框图如图所示，主要由主机、垂直系统和水平系统三大部分组成。与通用示波器相比，主机部分与通用示波器的相同，区别是增加了取样电路和步进脉冲发生器。另外，为了观测信号前沿，必须把延迟线电路放在取样示波器的输入端。234Y通道组成

取样电路取样门取样脉冲信号源放大电路延长电路延长门延长脉冲信号源

235Y通道的作用

在取样脉冲的作用下，把高频、快速的信号变换成低频信号，取样门在取样脉冲的控制下或开或闭以获得取样信号，取样信号通过放大器将幅度放大后，送入延长电路进行脉冲展宽，并将其保持在相应的电平上，直到下一个取样脉冲到来时再增减数值。236X通道的组成：

触发放大器高频同步电路锁相分频电路快斜波发生器比较器阶梯波发生器237X通道的主要作用是：

产生时基扫描信号，同时产生步进延迟脉冲送Y通道，控制取样脉冲发生器和延长门脉冲发生器的工作，即配合整个示波器的工作。利用同步分频的方法可以改变的大小，从而扩展测量的频率上限。238取样示波器与通用示波器的区别主要有：1）取样示波器延迟级放在取样门前，

2）X通道利用步进延迟脉冲去触发阶梯波形成电路产生时基扫描信号。

3）取样示波器中，每触发一次，只能获得一个样点。

4）取样示波器显示的波形由许多点组成。239三、取样示波器的参数（1）取样密度:表示屏幕在水平方向上单位长度内的亮点个数，取样密度太低，显示波形会有闪烁现象。（2）取样频率:

即取样脉冲的重复频率，取样频率越高,越能反映被测信号特性。240（3）等效扫描速度：假设信号波形由n个取样点组成，则信号实际经历的时间为n△t。等效扫描速度表示为：L表示扫描线长度，由于电子束扫完整个屏幕的时间与显示波形代表的时间不同，所以用“等效”来表示区别。实验五通频带测试电子测量技术与应用项目一、实验目的1．熟练运用各种常用测量仪器。2．掌握测量电路频率特性的基本方法。二、实验仪器1．函数信号发生器（带频率计功能）。2．数字示波器。3．带通滤波器电路板。1K2.2K20K三、实验内容与步骤1．使用函数信号发生器、示波器测量给定的3个带通滤波器的中心频率和通频带宽度。2．具体测试步骤:（1）函数信号发生器提供信号3V正弦信号给滤波器,同时示波器通道1测量该输入信号,示波器通道2接滤波器的输出端，测量经过滤波器之后的输出信号。画出连接框图。U0.707=0.707xUm调节频率旋钮，观察示波器幅度值的变化，找到上下限频率值（0.707Um

）。

0.707Um

Umf0fHfLf（2）保持输入信号幅度为3V不变，连续小间隔的调节信号发生器的频率，观察示波器通道2所测的经过输出信号的幅度变化情况，当输出信号幅度最大时，记录此时的输出信号幅度为Um，此时的输入信号的频率f0即为该滤波器的中心频率。（3）计算0.707乘以Um的数值为U0，并记录。继续调节信号发生器的频率，观察示波器通道2所测信号的幅度，当输出信号幅度为U0时，记录此时信号发生器的频率值，若改值大于中心频率，则为上限频率。若该值小于中心频率，则为下限频率。（4）上限频率减去下限频率即为该滤波器的中心频率。（5）分别测量滤波器A、B、C、记录下表5-1。

滤波器A

滤波器B

滤波器C

中心频率f0

通频带宽度fBW0.7

下限频率fL

上限频率fH

四、实验报告要求1．画出测量电路图。2．简要说明测量方法与步骤。3．简述实验中出现的问题和解决的办法。4.收获体会。3.4数字示波器电子测量技术与应用项目Keywords:1.智能仪器的特点2.基本构成:硬件部分、软件部分3.智能型数字存储示波器特点252数字示波器一、智能仪器的特点

（一）强大的控制能力采用计算机技术，简化硬件结构，缩小仪器的体积及功耗，提高可靠性、灵活性，使仪器的自动化程度更高。智能仪器用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关，从而使仪器面板及功能部件可以完全独立进行,提高仪器的技术指标,方便仪器的操作使用。253智能仪器具有友好的人机界面，使用时只需通过键盘输入命令，仪器就能实现等多种功能，如：254测量自检数据处理显示打印（二）强大的数据处理功能

改善测量的精确度

对测量结果的处理255智能仪器采用软件对测量结果进行及时的在线的处理，对各种误差进行计算和补偿，精度和数据处理的质量都大为提高。

例如：传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型数字万用表不仅能进行上述测量，而且还能对测量结果进行计算和分析和处理：

256对测量结果的处理一般包括：百分误差，绝对误差峰-峰值，平均值有效值，最大值及最小值方差，标准差零点平移，统计分析…257（三）实现仪器功能多样化对于测量的数据，可以进行多种运算、比较、逻辑判断等数据处理，然后再按要求输出显示。微处理器的使用使智能仪器的测量过程、软件控制及数据处理等更多方面的功能易于实现。智能仪器一般都配有GPIB或RS-232等标准接口，使其具有可程控的能力。

258智能型万用表除可测—直流、交流电压，电阻外，

还具有以下功能：其测量频率范围提高到10HZ-1MHZ；可有极性显示，输入过载保护；自检；可对测量结果做简单的误差计算；在数字显示器下面加光条显示器，提高对被测信号波动变化倾向的判断；259智能型万用表功能：有的具有示波功能；可进行可程控的自动化数字校准；用电平表示电压和功率；时钟、日历、打印、报警、自动记录;位数可提高到,；可进行统计计算…..260二、智能仪器的基本构成(重点)组成：硬件和软件硬件部分包括：

CPU

存储器总线BUS

各种I/O接口输入/输出通道仪器面板

（键盘、开关、按钮、显示器）

261智能仪器以微处理器为核心，通过总线及接口与输入通道、输出通道、仪器键盘及仪器内存相连。

262BUS

被测电压

CPU

输入电路

A/D转换

I/O

键盘

显示

I/O

标准仪器接口

存储器

I/O

I/O

仪器总线

智能仪器通用结构框图

D/A

A/D

软件部分主要包括

监控程序

接口管理程序263监控程序—面向仪器面板和显示器，主要内容有：1.通过键盘操作