电子测量与智能仪1

1、授课教师：林志源2010年3月温州大学瓯江学院信息系电子测量与智能仪器第一章 绪论第一章 绪论v1.1 测量与计量的基本概念v1.2 电子测量的内容与特点v1.3 电子测量仪器的分类v1.4 电子测量方法v1.5 计量的基本内容v作业布置第一章 绪论v电子测量与智能仪器主要讲授常用的电子测量原理和方法，常用的典型电子智能仪器的原理、性能和使用，电子测量中误差分析和处理的方法，以及智能仪器的基本原理、设计方法和最新发展动态。1.1 测量与计量的基本概念v 测量是人类对客观事物取得数量概念的认识过程，是人们认识和改造自然的一种不可缺少的手段。 生活中的例子生活中的例子重量，长度，温度，湿度，三表（

2、电，水，气）重量，长度，温度，湿度，三表（电，水，气）汽车监测点：汽车监测点：50100 50100 飞机监测点：飞机监测点：3000 3000 航天飞行器监测点：航天飞行器监测点：5000 5000 电子技术人员的工作台电子技术人员的工作台没有测量就没有科学没有测量就没有科学门捷列夫门捷列夫 诺贝尔物理奖，化学奖中诺贝尔物理奖，化学奖中1/41/4属于测试方法和测试仪器属于测试方法和测试仪器的创新。的创新。“两弹一星两弹一星”的成功，没有测试仪器是不可能的。的成功，没有测试仪器是不可能的。生产中生产中“没有测试，就没有新产品没有测试，就没有新产品”。大规模集成电路的生产成本中，测量成本已超过

3、大规模集成电路的生产成本中，测量成本已超过50%50%v测量技术主要研究测量原理、方法和仪器等方面的内容。 在当今信息时代在当今信息时代 测量技术测量技术获取信息获取信息通信技术通信技术传递信息传递信息 计算技术计算技术处理信息处理信息被称为信息社会三大支柱被称为信息社会三大支柱测量是信息的源头技术测量是信息的源头技术 （测控技术，先要测，才能控）（测控技术，先要测，才能控） 测量水平的高低可以反映出一个国家科学技术发展的测量水平的高低可以反映出一个国家科学技术发展的状况。状况。 提高测量水平，实现测量手段的现代化，是实现科学提高测量水平，实现测量手段的现代化，是实现科学技术和生产现代化的重要

4、条件和明显标志。技术和生产现代化的重要条件和明显标志。( (电子信息怎么获取？靠测量电子信息怎么获取？靠测量) )信息化三要素信息化三要素 两弹一星元勋王大珩两弹一星元勋王大珩 中国科学院院士，中国工程院院士。我国现代光学技中国科学院院士，中国工程院院士。我国现代光学技术及光学工程的开拓者和奠基人之一。术及光学工程的开拓者和奠基人之一。19991999年荣获年荣获“两弹一星功勋奖章两弹一星功勋奖章”。v测量：为确定被测对象的量值而进行的实验过程。 通常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。有时测量的结果也可以用一组数据、曲线或图形等方式表示出来，但它们同样包含着具体的

5、数值与单位。没有单位，量值是没有物理意义的。v量值：由数值与计量单位的乘积表示量的大小。如5mV等。v被测量：被测量的量。它可以是待测量的量，也可以是已测量的量。v影响量：不是被测量，但影响被测量的量值或计量器具示值的量，例如环境温度等。v量的真值：某量在所处的条件下被完美地确定或严格定义的量值。 量的真值是一个理想的概念，实际上不可能确切得知 近年来，在测量不确定度的表述中，鉴于量的真值是一个理想的概念，已不再使用它，而代之以“量的值”或“被测量的值”。v约定真值：为约定目的而取的可以代替真值的量值。 一般说来，约定真值与真值的差值可以忽略不计。v准值：一个明确规定的值，以它为基准定义准值误

6、差。v示值：对于测量仪器，是指示值或记录值；对于标准仪器是标称值或名义值；对于供给量仪器是设置值或标称值。v额定值：由制造者为设备或仪器在规定工作条件下指定的量值。v读数：是仪器刻度盘，或显示器上直接读到的数字。 有时为了避免差错和便于查对，在记录测量的示值时应同时记下读数。v实际值：满足规定精确度的用来代替真值的量值。 在计量检定中，通常将上级计量标准所复现的量值称为下级计量器具的实际值。v测得值（测量值）：由测量得出的量值。1.2 电子测量的内容与特点v1、电子测量的内容 电子测量是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。 电子测量的内容包括：

7、电能量的测量（各种频率和波形的电压、电流、电功率等）；电信号特性的测量（信号波形、频率、相位、噪声及逻辑状态等）；电路参数的测量（阻抗、品质因数、电子器件的参数等）；导出量的测量（增益、失真度、调幅度等）；特性曲线的显示（幅频特性、相频特性及器件的参数等）。v2、电子测量的特点 与其他测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点：（1）频率范围宽 除测量直流电量外，还可以测量交流电量，其频率范围低至10-4Hz，高至THz（1THz=1012Hz）。（2）量程范围广 量程是仪器测量范围上限值与下限值之差。例一台数字电压表要求能测出从nV级至kV级的电压。（3）测量准确度高 电子测量的准确度比其他测

8、量方法高得多。例如用电子测量方法对频率和时间进行的测量，可以使测量准确度达到10-15的量级。（4）测量速度快 电子测量是通过电子技术实现的，因而测量速度很快。（5）易于实现遥测和测量过程的自动化 对于人体不便于接触和无法达到的区域，如深海、地下、高温炉等，可以通过传感器或通过电磁波、光、辐射等方式进行测量。（6）易于实现仪器的小型化 随着微电子器件集成度的不断提高，可编程器件和微处理器及ASIC电路的采用，使电子仪器正向着小型化发展。1.3 电子测量仪器的分类v 测量仪器是指用于检测或测量一个量，或为达到测量目的而提供的测量器具。v 电子测量仪器指利用电子技术构成的测量仪器。v 电子测量仪器

9、的种类很多，一般分为专用仪器和通用仪器两大类，如电视彩色信号发生器，电子示波器等。v通用电子仪器按其功能可分为：（1）信号发生器 用于提供测量的各种波形信号。例如，低频、高频、脉冲、函数、扫频及噪声信号发生器等。（2）信号分析仪 用于观测、分析和记录各种电量的变化，包括时域、频域和数据域分析仪。例如各种示波器、波形分析仪、频谱分析仪和逻辑分析仪等。（3）频率、时间及相位测量仪器 包括各种频率计（常用电子计数器式）、相位计，以及各种时间、频率标准等。（4）网络特性测量仪 包括频率特性测试仪（扫频仪）、阻抗测量仪及网络分析仪等，主要用于测量频率特性、阻抗特性及噪声特性等。（5）电子元器件测试仪 用

10、于测量各种电子元器件的电参数及显示特性曲线等。例如，RLC测试仪，晶体管参数测试仪、晶体管特性图示仪、模拟或数字集成电路测试仪等。（6）电波特性测试仪 用于测量电波传播、电磁场强度及干扰强度等。例：场强仪、测试接收机、干扰测量仪等。（7）辅助仪器 与上述各种仪器配合使用的仪器。例如，各种放大器、衰减器、检波器、滤波器、记录器，以及各种交直流稳压电源等。v 按显示方式分，电子测量仪器有模拟式和数字式两大类。 按照被测量的特性，电子测量仪器可分为以下几按照被测量的特性，电子测量仪器可分为以下几类：类：1.1.电信号的电信号的“三域三域”： 调制域（调制域分析仪）调制域（调制域分析仪）ff0tf频域

11、（频谱仪）频域（频谱仪）f0utu时域（示波器）时域（示波器）频率频率频域频域电压电压时域时域时间时间调制域调制域频率频率频域频域电压电压时域时域时间时间调制域调制域2 2 数据域数据域-二进制数据流二进制数据流 逻辑分析仪逻辑分析仪 逻辑定时分析仪逻辑定时分析仪 逻辑状态分析仪逻辑状态分析仪 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 3 3 随机域随机域-噪声、干扰噪声、干扰 4 4 元器件、网络元器件、网络 元件（无源）元件（无源）-R-R、L L、C C、Y Y、Q Q 器件（有源）器件（有源）-半导体器件半导体器件 网络（有网络（有/ /无源）无源）-传输特性、频

12、率特性等传输特性、频率特性等 1.4 电子测量方法v1、电子测量方法的分类（1）按测量方法分类直接测量 无需通过被测量与其他实际测得量之间的函数关系进行计算，而得出被测量值的一种测量方法。间接测量 利用直接测量的量与被测量之间已知的函数关系，得出该被测量值的测量方法叫间接测量。组合测量 兼用直接测量与间接测量的方法（2）直读测量法与比较测量法直读测量法 直接从仪器仪表的刻度线上读出测量结果的方法叫直读测量法。这种方法是根据仪器仪表的计数来判断被测量的大小的，作为计量标准的实物并不直接参与测量。比较测量法 在测量过程中，被测量与标准量直接进行比较而获得测量结果的方法叫比较测量法，如电阻桥测电阻v

13、 测量方法还可以根据测量的方式分为自动测量和非自动测量，原位测量和远距离测量等。v 根据测量精度来分，有精密测量与工程测量两类。（3）按测量性质分类时域测量 例：测量电压、电流等，它们有稳态量、瞬态量。频域测量 例：测量增益、相移等，可通过分析电路的幅频特性或相频特性进行测量。数据域测量 用逻辑分析仪对数字量进行测量的方法，它具有多个输入通道，可以同时观测许多单次并行的数据。随机量测量 例如，各类噪声、干扰信号等，可利用噪声信号源等进行动态测量，这是一种比较新的测量技术。v2、电子测量仪器的发展 电子测量仪器的发展大体经历了如下四个阶段：模拟仪器：基本结构是电磁机械式的。数字仪器：将模拟信号的

14、测量转换为数字信号的测量，并以数字方式输出测量结果。智能仪器：内置微处理器和GPIB接口，既能进行自动测量又具有一定的数据处理能力。虚拟仪器：它是一种功能意义上的仪器，在微计算机上添加强大的测试应用软件和一些硬件模块，具有虚拟仪器面板和测量信息处理系统，使用户操作微机就像操作真实仪器一样。模拟仪器模拟仪器 数字化仪器数字化仪器 指针式三用表指针式三用表 示波器示波器 数码显示仪表数码显示仪表 软硬兼施软硬兼施 多功能多功能 高精度高精度自动化自动化 改进方向改进方向 特点特点 全由硬件组成全由硬件组成 功能单一固定功能单一固定 精度较低精度较低 人工操作人工操作 智能仪器智能仪器 ( (计算机

15、嵌入仪器计算机嵌入仪器) )通常人们把内含微处理器和通常人们把内含微处理器和GPIBGPIB接口的仪器称为智能仪器接口的仪器称为智能仪器 测试模块测试模块或信号源或信号源智能仪器智能仪器自动测试系统自动测试系统 虚拟仪器虚拟仪器（仪器融入计算机仪器融入计算机） VIVI，Virtual InstrumentsVirtual Instruments是检测技术与计算机技术和通是检测技术与计算机技术和通信技术有机结合的产物。它是信技术有机结合的产物。它是美国国家仪器（美国国家仪器（NINI，National InstrumentsNational Instruments）公司于）公司于1981198

16、1年提出的个人仪器（年提出的个人仪器（Personal Computer InstrumentPersonal Computer Instrument）的）的基础上发展起来的。虚拟仪器基础上发展起来的。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作操作这台通用计算机就像操作一台真实的仪器一样。虚拟仪一台真实的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出器技术强调软件的作用，提出了了“软件就是仪器软件就是仪器”的概念。的概念。 D/A-D/A-由软件产生测试信号由软件产生测试信号 A/D-A/D-采集测量数

17、据采集测量数据 1 1 数字电压表数字电压表 峰值峰值-搜索正负最大值搜索正负最大值 均值均值 有效值有效值-2 2 存储示波器存储示波器3 3 频谱仪频谱仪112)(1niituNU10)(1niituNU虚拟仪器虚拟仪器 举例举例u时域（示波器）时域（示波器）频域（频谱仪）频域（频谱仪）f0ut插卡（模块）插卡（模块）D/AD/AA/DA/D滤波滤波取样取样PCPCDSPDSP被测对象被测对象v3、电子仪器 电子仪器以电子技术为基础，融合电子测量技术、计算机技术、通信技术、数字、软件技术、总线技术等组成单机或自动测试系统。 电子仪器全方位应用于国民经济各个领域，是实现科技进步和原创核心技术

18、必不可少的条件。 电子仪器应同步或超前其他各种高新技术的发展，它是各种高新技术的融合并引导各种高新技术的发展。 电子仪器是关联经济和战略性产业，是一个国家综合技术水平的体现，国防实力的重要标志，国民经济持续发展的重要保障。v4、选择测量方法的原则 在选择测量方法时，应首先研究被测量本身的特性，所需要的精确程度、环境条件，以及所具有的测量设备等因素，综合考虑后，再确定采用哪种测量方法和选择哪些测量设备。 例1：用万用表的R1挡测晶体三极管的发射结电阻或用图示仪显示输入特性曲线时，由于限流电阻较小而使基极电流过大，结果使晶体管尚未工作就在测试过程中被损坏了。 欲使测量准确，必须使测量方法与测量仪器

19、相配合。所以正确地选择测量方法、仪器设备及编制测试程序是十分重要的。 例题：用数字频率计测量一振荡电路的谐振频率。 此仪器的测量范围为10Hz200MHz，当被测频率约为1MHz，取样时间为1s时，其准确度可达10-6量级。可见，可以测得相当准确。 但此频率计的输入电阻很低（50），与谐振回路并联后，将严重影响振荡频率，甚至会使其停振而无法测量。这时用准确度较低的示波器（先进行校准）进行测量，其效果会更好些。1.5 计量的基本内容v 计量是为了保证量值的统一和准确一致的一种测量。它的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。v 计量学是研究测量、保证测量统一和准确的科学。v 计量是国民经济的一项重

20、要的技术基础。计量科学技术的水平一般也可以标志着一个国家科学技术发展的水平。v 计量工作对电子产品的质量管理尤为重要。v 计量与测量不同，但二者又有密切的关系。测量是用已知的标准单位量与同类物质进行比较，以获得该物质数量的过程，这时认为被测量的真实数值是客观存在的，其误差是由测量仪器和测量方法等引起的。而计量则认为使用的仪器是标准的，误差是由受检仪器引起的，它的任务是确定测量结果的可靠性。v1、计量基准、计量基准 计量基准，是计量基准器具的简称，是在特定计量领域内复现和保存计量单位（或其倍数或分数）并且有最高计量特性的计量器具，是统一量值的最高依据。 国家基准：经国家正式确认，具有当代或本国科

21、学技术所能达到的最高计量特性的计量基准。是给定量的所有其他计量器具在本国内定度的最高依据。 国际基准：经国际协议公认，具有当代科学技术所能达到的最高计量特性的计量基准。是给定量的所有其他计量器具在国际上定度的最高依据。v2、计量基准的基本条件、计量基准的基本条件符合或最接近计量单位定义所依据的基本原理；具有良好的复现性，并且所复现和保存的计量单位（或其倍数或分数）具有当代（或本国）的最高精确度。性能稳定，计量特性长期不变。能将所复现和保存的计量单位（或其倍数或分数）通过一定的方法或手段传递下去。v3、计量基准的划分、计量基准的划分 计量基准通常可分为主基准、副基准和工作基准。（1）国家基准（主

22、基准） 是用来复现和保存的计量单位，具有现代科学技术所能达到的最高精确度的计量器具，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。（2）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。副基准主要是为了维护主基准而设的，一般亦不用于日常计量。（3）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。设立工作基准的目的是不使国家基准由于使用频繁而丧失其应有的精确度或遭到破坏。 另外，有时也可设“作证基准”，其计量特性相当于主基准，主要是用以验证主基准的计量特性，必要时代替主基准工作。v4、量具、量具 以固定形式复现量值的计量器具称为量具。量具分为单值量具（例如，砝码、标准电池、固定电容器等）、多值量具和成套量具。 应当指出，量具本身的数值并不一定刚好等于一个计量单位，如标准电池复现的是1.0186V，而不是1V。v5、单位制、单位制 单位制是经过国际或国家计量部门以法律形式规定的。在国际单位制（SI）中包括了整个自然科学的各种物理量的单位。我国于1984年3月4日公布了中华人民共和国法定计量单位。v6、计量器具的特征、计量器具的特征计量器具的特征主要有以下几个方面：（1）标称范围 计量器具所标定的测量范围称为标称范围，系在给定的误差范围内可测量的最低与最高量值区间。标称