《电子测量仪器》教学指南及习题答案

中等职业 教育国家规划 教材 电子测量仪器 电子教学资料 肖晓萍 主编 京 前 言 为了配合 电子测量仪器 课程的教学，体现教材的编写特色，更好地为读者服务，编写了此教学资料。教学资料内容有三个部分： 第一部分是教学指南，包括了课程性质与任务、课程内容和要求、教学建议、教学时间分配 、 实验项目参考 。 第二部分是电子教案，采用 件形式。教 师可以根据不同的教学要求按需选取和重新组合。 第三部分是习题答案，给出了 相关 习题的 答案 。 限于编著者水平，教学资料中有错误或不妥之处，请读者给予批评指正。 编 者 2005 年 1 月 电子测量仪器 教学指南 一、课程的性质与任务 本课程是 电子技术应用 专业学习 电子测量技术和电子仪器 的专用教材。本课程注意对学生职业能力 、 创新精神 和 实践 应用 能力的培养。在保证课程内容体系的相对完整 性 和系统 性 的基础上，按 照 掌握知识的思维规律，对原理性内容的叙述作 简要 的理论介绍，将重点放在应用知 识的介绍上，教学内容经实践教学的方式引出。 通过本课程的学习，使学生掌握 电子测量和电子仪器的基本概念 、电子测量仪器的 基本原理及 应用 。着重体现会使用 各种电子测量仪器测量各种电量参数、器件特性 ，利用 电子测量基本知识进行测量结果的简单 分析，以提高 电子仪器的应用 的水平和能力。 二、教学提要、课程内容、教学要求 第 1 章 电子测量与仪器的基本知识 本章教学提要 教学重点： 电子测量 的概念； 测量误差的 基本 概念和分类 ； 测量误差的表示方法 ； 测量结果的数据处理 ； 电子测量仪器 的 概念 ； 教学难点： 测量误差的表示方法、测量 数据的处理 。 本章教学内容 电子测量是一门与现代科学技术紧密相关、发展迅速、应用广泛、对现代科学技术的发展起着重大推动作用的独立科学。 本章介绍了 电子测量 、测量误差的基本概念和测量结果的处理方法。 子测量的特点、内容和基本方法 测量是人类认识自然和改造自然的重要手段，是为了确定被测对象的量值或量值的依从关系而进行的实验过程。电子测量是泛指以电子技术为手段而进行的测量。 电子测量具有几个明显的特点： 测量频率范围宽、量程范围广、测量准确度高、测量速度快、易于实现遥测和实现测量过程的自动化和测量仪器微机化 。 电子测量的内容主要包括： 电能量的测量 、 电路元器件参数的测量 、 电信号特征的测量 、 电路参数的测量 、 特性曲线的显示 。 电子测量按测量手段分为直接测量、间接测量和组合测量；按被测量性质分为时域测量、频域测量、数据域测量和随机测量。 量误差的基本概念 测量误差有 绝对误差和相对误差两种表示方法。绝对误差是误差的代数值，只能说明测量结果偏离实际值的情况，但不能确切反映测量的准确程度。 相对 误差是误差的 相对 数值 ，可以 确切反映测量的准确程度。 测量误差来源于 仪器误差、影响误差、方法 误差和理论误差、 人身误差和测量对象变化误差。 测量误差 根据性质 可分为系统误差、随机误差、疏失误差三类。 测量结果的数据处理 测量结果的数据处理，就是从测量所得到的原始数据中求出被测量的最佳估计值，并计算其准确程度。 电子测量仪器的基本知识 电子测量仪器一般分为专用仪器和通用仪器两大类。专用仪器是指各个专业领域中测量特殊参量的仪器。通用仪器是为了测量一个或某一些基本电参数而设计的，它能用于各种电子测量 。 按照我国标准电子测量仪器误差的一般规定 592规定：常用 工作误差 、 固有误差、影响误差和稳定误差 来描述测量仪器误差。 第 2 章 电压表 本章教学提要 教学重点： 电 压 测量 仪器 的 类型 ； 交流电压的基本参数 ； 模拟式交流电压表的类型； 峰值电压表的检波原理 ； 均值电压表的检波原理 ； 有效值电压表 的检波原理 ； 数字式电压表（ 技术指标； 数字式电压表（ 工作原理； 数字式多用表（ 组成原理； 电压表的使用。 教学难点： 峰值 、 均值 和 有效值电压表 的 检波原理 、 数字式电压表（ 技术指标 本章教学内 容 电压测量是电子测量中最基本、最常用和最重要的内容之一 ，可以采用模拟式交流电压表和数字式电压表（ 行电压测量。本章重点讨论模拟和数字式两种电压表的结构、原理和使用。 概述 电压测量对仪表的基本要求 ：频率范围宽、测量电压范围广、测量信号波形类型多样、输入阻抗高、测量准确度要求高和具有高的抗干扰能力。 交流电压的基本参数 ：峰值、幅值、平均值、有效值。 模拟式交流电压表 峰值电压表 采用 峰值 检波器，输出电压与被测电压的 峰值 成正比。 均值电压表 采用 均值 检波器，输出电压与被测电压的平 均值 成 正比。 有效值电压表 采用 有效值 检波器，输出电压与被测电压的 有效值 成正比。 数字式电压表（ 主要技术指标 有：测量范围（显示位数、量程和超量程能力）、分辨率、 测量速度、 输入阻抗、固有误差和工作误差、抗干扰能力、输入零电流。 组成 包括：模拟部分和数字部分。 模拟部分包括输入电路和 A/D 转换器。数字部分完成逻辑控制、译码（将二进制数字转换成十进制）和显示功能。 常用的 A/D 转换器有：逐次逼近比较式、双积分式。 数字式多用表（ 数字式多用表 在 数字电压表的基础上再增加一些参量变换器，把被测量转换为直流电压信号而构成的。 它的 测量功能较多，不但能测量直流电压、交流电压、直流电流、交流电流和电阻等参数，而且能测量信号频率、电容器容量及电路的通断等。 此外， 还有自动校零，自动显示极性，过载指示，读数保持，显示被测量单位的符号等功能。 压表的使用方法 模拟交流电压表的技术指标和使用； 数字万用表的 技术指标和使用 。 第 3 章 信号源 本章教学提要 教学重点： 正弦信号发生器的主要性能指标 ； 低频信号发生器的基本组成 ； 通用 荡器的工作原理 ； 高频信号发生器的基本组成和工作原理 ； 函数发生器的基本组成 和 工作原理 ； 信号发生器的 正确使用。 教学难点： 通用 荡器的工作原理 、 高频信号发生器的工作原理 。 本章教学内容 正弦信号发生器的主要性能指标 正弦信号发生器的 三大指标：频率特性、输出特性和调制特性。 低频信号发生器 低频信号发生器的基本组成； 通用 荡器的工作原理； 高频信号发生器 高频信号发生器的基本组成和分类 ； 高频信号发生器的基本工作原理 ； 函数发生器 由方波产生三角波、正弦波的电路 ； 由正 弦波产生方波、三角波的电路 ； 由三角波产生方波、正弦波的电路 ； 信号发生器的选择和使用 信号发生器 的 选择 ； 信号发生器的正确使用 ； 第 4 章 示波器 本章教学提要 教学重点： 阴极射线示波管； 图形显示的基本原理 ； 通用示波器的组成 、工作原理 及主要技术性能； 示波器的正确使用； 示波器的基本测量方法； 教学难点： 图形显示的基本原理 、 通用示波器的 工作原理 本章教学内容 示波器是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。示波器既是典型的时域测量仪器，也是构成其他屏幕显示仪器的基 础。 本章讨论 示波器 显示图形的原理、 示波器 的基本组成、工作原理、测量技术及使用方法。 概述 示波器可以把人眼看不见的电信号转换成具体的可见图像显示在示波器屏幕上。示波器既可用于直接测量被测信号的电压、频率、周期、时间、相位、调幅系数等参数，亦可间接观测电路的有关参数及元器件的伏安特性；利用传感器、示波器还可测量各种非电量甚至人体的某些生理现象，所以广泛应用在科学研究、航空航天、工农业生产、医疗卫生、地质勘探等方面。 阴极射线示波管 示波管是示波器用来显示测量 结果的指示器，它能将被测 信号转换为光信号，用荧光屏来显示被测信号的图形。示波管内部结构包括电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分。 电子枪用于产生并形成高速、聚束的电子流，去轰击荧光屏使之发光。 偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，两对偏转板分别控制电子束在垂直方向和水平方向的运动。若偏转板上加偏转电压，则偏转板之间有电场，当电子在偏转板之间运动时，电子会在偏转电场的作用下射向荧光屏的指定位置。 荧光屏是示波器的显示部分，它能把电子的动能转化为光能，把电子束按一定的规律逐点描绘的轨迹转化为可见的光迹。 图形显示的基本原理 如果在示波管的 Y 轴偏转板上加被测信号，在 X 轴偏转板上加随时间作线性变化的锯齿波电压，两个信号周期同步，就可将被测信号随时间的变化规律展现在屏幕上，称为波形显示； 将任意两个信号同时分别加在 X 和 Y 两个偏转板，屏幕显示任意两个变量 x 与 y 的关系，称为 示。 通用示波器 通用示波器由垂直系统（ Y 通道）、水平系统（ X 通道）和主机系统（ Z 通道）组成。 垂直系统（ Y 通道）垂直系统又称垂直通路或 Y 通道，它是被测信号的通道。它将输入的各种不同频率和幅度的被测信号电压加以放大，然后送到示波管的 Y 轴偏转板，使电子 束在垂直方向发生偏移，从而在荧光屏上产生上、下移动的光点。并能向 X 通道提供内触发信号。 水平系统（ X 通道）又称 水平 通路或 X 通道，在显示时变信号时，水平系 统用于产生并放大一个与时间呈线性关系的锯齿形电压，控制电子束在水平方向的线性偏移，形成时间基线； 在 作方式时放大 x 信号并送至水平偏转板，作为水平扫描信号。 主机系统（ Z 通道）包括高低压电源、阴极射线示波管及其显示电路、 Z 轴电路和校准信号发生器等。 它是 为使示波管和其他电路正常工作提供所需的各种直流电源电压及某些附加功能的电路。 示波器的选择和 使用 示波器的选择可从被测信号特性和示波器的性能指标方面考虑。 示波器的主要性能指标 主要考虑：频带宽度和上升时间、垂直灵敏度（垂直偏转因数）和扫描速度。 以 波器为类掌握示波器的正确使用方法。 示波器的基本测量方法 示波器的基本测量技术是利用它显示被测信号的时域波形，并对信号的基本参数如电压、周期、频率、相位、时间等时域特性的测量。 第 5 章 电子计数器 本章教学提要 教学重点： 通用电子计数器的基本组成 ； 电子计数器的基本测量功能 ； 电子计数器的测量误差分析 ； 电子计 数器的使用 ； 教学难点： 电子计数器的基本测量功能、测量误差分析 。 本章教学内容 电子计数器是一种多功能的电子测量仪器，它是利用电子计数法原理，在一定的时间间隔内对输入信号脉冲进行累加计数，以完成各种测量，并将测量结果以数字形式显示出来。 本章介绍 电子计数器 的组成、基本测量功能、测量误差分析和使用。 概述 电子计数器可以用来测量信号的频率、频率比、周期、时间间隔和累加计数等。用电子计数器测量信号的频率、周期和时间等参量，具有准确度高，测量范围宽，读取速度快，便于实现测量过程的自动化等一系列优点，它已成 为测量频率、周期和时间间隔等参量的主要仪器。若配适当的传感器，还可以进行多种非电量的测量。 电子计数器 通用电子计数器的主要技术性能 ：测量功能、测量范围、输入特性、闸门时间和时标、周期和比值倍率、显示位数、石英晶振器特性和输出信号等。 通用电子计数器 一般由输入通道、计数电路、显示电路、时基形成电路、控制电路及电源电路等部分组成。 电子计数器的基本测量功能 通用电子计数器具有多种测量功能如： 累加计数 、 频率测量 、 频率比测量 、周期测量 、 时间间隔测量 和 自校准 。 电子计数器的测量误差 由 电子计数器的测量原理可知，测量结果的准确度主要取决于计数和闸门开启时间的准确度，它们的误差主要来源于两个方面，即系统固有误差和噪声干扰误差。系统固有误差主要包括有量化误差和时基误差，噪声干扰误差主要包括计数误差和触发误差。 电子计数器的使用 通用电子计数器的电路组成 、主要技术指标、面板布置和使用。 第 6 章 频域测量仪器 本章教学提要 教学重点： 扫频仪的工作原理 ； 扫频仪的应用 ； 频谱分析仪的组成和工作原理 ； 频谱分析仪的使用 ； 教学难点： 频谱分析仪工作原理 本章 教学内容 信号中含的各种频率分量常利用频谱分析仪来分析，称为频域测量。扫频仪是一种线性系统频率特性的测量仪器，常用于电路的特性分析中。本章主要讨论信号的频谱分析原理、频率特性测试仪和频谱分析仪的组成原理和使用方法。 概述 电路的响应特性包括时域和频域两个方面。 电路的时域特性测量常用示波器观察电路输出信号波形，以发现信号通过电路后变大、变小或畸变的现象。 频域响应特性的测量是用频率特性测试仪（简称扫频仪）观测电路输出电压或电平以及相位随输入信号频率变化的特性。 任意非正弦波可分解为频率不同的正弦波 ，将所有的正弦波按频率的高低依次排列，如将其幅度与频率对应排列就得到信号振幅频谱，通常称为频谱。对信号的频谱进行分析、研究称为频谱分析。 频率特性测量仪 扫频测量法 是在一定的扫频速度下，观察被测电路的实际幅频特性，即动态特性。扫频法测量简单、速度快，可实现频率特性测量的自动化或半自动化。 扫频仪又称频率特性测试仪，是将扫频信号源及示波器的 示功能结合为一体，并增加了某些附属电路而构成的一种通用电子仪器，用于测量网络的幅频特性。扫频仪电路可分为三部分：扫频信号和频标信号的产生电路；扫描信号发生 器及示波器；电源供给电路。另外，配有带检波器的探头和同轴电缆连线等。 扫频仪 包括扫频信号、频标、探头、示波器等主要技术指标。 频仪的 使用和扫频仪 在 电路的频率特性测试或鉴频器特性测试 方面 的应用。 频谱分析仪 扫频外差式 频谱分析仪的主要技术性能 包括：频率范围 、扫频宽度、分析时间、频率分辨率、灵敏度、动态范围等。 频谱分析仪 主要由外差式接收机和示波器组成。 扫频外差式频谱仪是按外差方法来选择所需频率分量，改变本机振荡器频率 即能达到选频目的。扫频振荡器受锯齿波扫描电压调制，当扫频振荡器的频率 入信号中的各频率分量与扫描振荡器的频率 混频器中产生差频信号（ fx并依次落入中放通带内获得中频增益，经检波后加到 Y 放大器，使亮点在屏上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。 由于扫描电压在调制扫频振荡器的同时，又驱动 X 放大器，从而可以在屏幕上显示出被测信号的线性频谱图。 4031 型频谱分析仪 的 测试实例。 第 7 章 电子元器件测量仪器 本章教学提要 教学重点： 万用电桥 的 组成和工作原理 ； 万用电桥 的使用 ； 高频 Q 表 的组成和工作原理； 高频 Q 表 的 使用； 晶体管特 性图示仪 的组成和工作原理； 晶体管特性图示仪 的 应用。 教学难点： 晶体管特性图示仪 的工作原理 。 本章教学内容 集总参数元件 的测量常用 万用电桥、高频 Q 表 ； 晶体管参数测量 常用 晶体管特性图示仪 ，本章 以 万用电桥、 高频 Q 表和 晶体管特性图示仪为例，介绍 元器件测量仪器 的基本原理、主要技术指标和使用方法 。 概述 电子元器件有电阻器、电容器、电感器为基本电路元件；晶体二极管、三极管、场效应管、单结管、晶闸管等为半导体器件；运算放大器、数字逻辑电路、半导体存储 器、微处理器等为集成电路器件。不同类型的电子元器件，需要使用不同的仪器进行测量。 集总参数元件特性 实际电阻器存在引线电感和分布电容，并不是纯电阻，当电阻器工作在低频时，主要为电阻性质，电抗性质可忽略，但工作在高频时就必须考虑其影响。 实际电容器除极板间的电介质存在漏电阻外，还存在引线电感，当电容器工作在低频时，引线电感可忽略，但工作在高频时就必须考虑其影响。 实际电感器除由于线圈存在直流电阻外，还存在分布电容，当电感器工作在低频时，分布电容可忽略，但工作在高频时就必须考虑其影响。 万用 电桥 电桥法是一种比较测量法，它是把被测量与同类性质的标准量进行比较，从而确定被测量大小的方法。 电桥分为直流电桥和交流电桥。 万用电桥就是一种在低频条件下测量电阻、电容和电感参数的交流阻抗电桥。 电桥由四个桥臂组成，在两个对角线接点 a， b 间加电源，另两个对角线接点 c， d 间接平衡指示表（检流计）， 当电桥平衡时，检流计指示为零。 万用电桥的使用。 高频 Q 表 高频 Q 表就是一种利用谐振法，在高频条件下测量电容量及损耗因数（ 电感量及品质因数（ Q 值），电感线圈的分布电容、高频回路的等效电阻及传 输线的阻抗特性等参数的多用途仪器。高频 Q 表一般由高频振荡电路、频率指示器、测量回路、 Q 值指示电路和电源电路几部分组成。 高频 Q 表的 使用。 晶体管特性图示仪 138 晶体管特性图示仪是一种采用图示法直接在示波管上显示各种晶体管特性曲线的多用途测试仪器，通过仪器的标尺刻度可直接读出晶体管的各项参数。例如测量 极管的输入特性、输出特性、电流放大特性等特性参数。 晶体管特性图示仪由集电极扫描电压发生器、基极阶梯信号发生器、同步脉冲发生器、 X 放大器和 Y 放大器、示波管及控制电路、 电源电路几部分组成 。 晶体管特性图示仪的使用。 第 8 章 逻辑分析仪 本章教学提要 教学重点： 数据域测量 的基本概念 ； 逻辑分析仪 的组成和工作原理； 逻辑分析仪 的 应 用 ； 教学难点： 逻辑分析仪 的工作原理 。 本章教学内容 判断电路的逻辑功能、性质和质量常采用一种数据域测量仪器 逻辑分析仪。本章介绍数据域测量的基本概念、数据域测量的方法，以及逻辑分析仪的基本组成、原理和应用。 数据域测量 数据域测量面向的对象是数字逻辑电路（以二进制数字的方式来表示信息）。通过判断数字系 统的数据流检查数字系统或设备运行正常或故障。数据域测试设备常用逻辑分析仪 数字信号具有多路、按时序传递、串行和并行两种传递方式、非周期性、频率范围宽、脉冲信号等特征。 逻辑分析仪 逻辑分析仪是研究和测试数字电路，对数字系统进行逻辑分析的重要工具，它通过 观察 和 显示数字系统的运行情况；对数字系统进行分析、调试和故障判断。 逻辑分析仪由比较、采样、触发、显示和控制电路部分组成。 逻辑分析仪 常用于数字集成电路测试、微处理器系统测试、诊断数字系统故障等数字系统的测试中。 第 9 章 数字存储示波器 本章教学提要 教学重点： 数字存储示波器的组成 ； 数字存储示波器的工作原理 ； 数字存储示波器的 显示方式 ； 字存储示波器的 使用； 教学难点： 数字存储示波器的工作原理 、 显示方式。 本章教学内容 数字存储示波器的主要技术指标、性能特点、基本组成和工作原理 和使用 。 概述 具有波形存储功能 且能 将信号以数字形式存储于半导体存储器中的示波器，称为数字存储示波器。 数字存储示波器的技术性能 数字存储示波器的技术指标 包括取样速率、存储带宽、显示分辨率、存储容量等一系列与通用示波器不同的技术指标和可长期存 储波形、 进行负延时触发进行 数据分析和处理、直接显示测量结果等 性能特点 。 数字存储示波器的组成 数字存储示波器由系统控制、取样存储和读出显示三大部分组成，三部分之间通过数据总线、地址总线和控制总线相互联系和交换信息，以完成各种测试功能。 数字存储示波器的工作原理 数字存储示波器实现数字存储工作方式的基础是取样保持（ S/H）和 A/D 转换。 数字存储示波器的随机存储器（ 为四种：信号数据存储器、参考波形存储器、测量数据存储器和显示缓冲存储器。 数字存储示波器的触发有常态 触发和预置触发（延时触发）。 数字存储示波器的显示方式 智能化数字存储示波器利用内部微计算机的控制功能和不同的存储方法，可实现多种灵活的波形显示方式，以适应不同波形的观测需要。通常有以下几种显示方式：存储显示方式、抹迹显示方式、卷动显示方式、放大显示方式和 字存储示波器的使用 术指标 和 使用 方法及各种 应用实例 。 第 10 章 智能仪器和自动测试系统 本章教学提要 教学重点： 智能仪器 的组成； 智能仪器 的工作原理 ； 虚拟仪器 的概念； 虚拟仪器 的组成 原理。 教学难点： 虚拟仪器 的组成原理 本章教学内容 在实际测量中，使用各种自动化测量仪器 ， 如微计算机化仪器，智能仪器，个人仪器，虚拟仪器和各种自动测试系统实现连续实时显示和实时处理大量的测 试数据。本章主要以智能化 例介绍智能仪器基本组成、工作原理和使用方法，并对自动测试系统、虚拟仪器的概念有一定介绍。 概述 微计算机和大规模集成电路的迅速发展，使得电子测量仪器与微计算机结合，依次形成了微计算机化仪器、以微处理机为基础的智能仪器、个人仪器，近年来，又出现了虚拟仪器，总之， 电子仪器和测试领域正朝着智能化、自动化、小型化、模块化和开放式系统的方向发展。 智能仪器 智能仪器是指由电子测量仪器和计算机技术相结合而形成的一种全新的微机化仪器，与传统的电子仪器相比，智能仪器具有以下特点：操作使用方便、测量准确度高、自动化程度高、测量功能强大、具有人机对话能力和远程操作功能。 智能仪器由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入 /输出通道、人机接口、标准通信接口等。软件部分主要包括监控程序、运算处理程序和接口管理程序几部分。 智能化 仅具有普通 测 量功能，而且具有很强的数据处理的能力，它可以通过按不同的功能键，输入相应的常数和命令，调用相应的处理程序来实现数据处理功能，同时还具有自动量程转换、自动调零、自动校准、自动诊断等功能。 自动测试系统 自动测试系统是在计算机的控制和管理下，很少需要人工参与，由各种测量仪器对电量、非电量进行自动测量、数据处理，并以显示、打印等适当的方式给出测量结果。 自动测试系统的发展经历了三个阶段：根据测量任务的需要，自行设计专用的接口控制电路的第一代自动测试系统、采用标准化的接口总线的第二代自动测试系统、以计算 机为核心，用软件代替硬件产生激励信号和完成各种测试功能，系统中各仪器的功能设置和测量操作都由计算机完成的第三代自动测试系统。又称为虚拟仪器系统。 虚拟仪器是将数据的采集、数据的分析与处理和存储、数据的显示或输出等一种或多种功能的通用模块组合起来，通过编制不同的测试软件来构成任何一种仪器。 虚拟仪器是由计算机、通用或专用硬件资源和应用软件共同组成的。 三、教学建议 教学中应尽量多搜集仪器的应用实例，向学生展示，帮助学生加深理解，同时应指导学生加强对电子仪器的 认识， 教学中可以通过习题练习帮助学生掌握基本 电子测量技术理论知识的要求。 教学中可以结合书上的习题编制相应的实验项目对学生进行实践训练，训练中要注意电