电子测量仪器绪论

1、第一章 绪论（1 1）市场调查）市场调查（2 2）发展现状）发展现状（3 3）国产测量仪器发展方向）国产测量仪器发展方向（4 4）中国工程师面临的问题）中国工程师面临的问题（1 1）课程学习目的）课程学习目的（2 2）电子信息专业对电子测量与仪器的应用）电子信息专业对电子测量与仪器的应用（1 1）测量的基本定义）测量的基本定义（2 2）电子测量仪器）电子测量仪器（一）（一）（二）（二）（三）（三）（四）计量（四）计量电子测量仪器属于高新技术领域，是现代工业产品中新技术应用最多、最快的产品门类之一，最先进的电子测量技术基本上被欧美日等发达国家掌控。徐春龄秘书长介绍:中国电子仪器市场销售额的基本情

2、况。“在中国市场上，国产电子仪器的销售额仅为100亿元左右，进口的电子仪器销售额为100亿美元左右。这样算来，国产电子仪器只占到市场销售额的14%左右”。20092009中国电子元器行业发展高中国电子元器行业发展高峰论坛峰论坛一、（一、（1 1）市场调查）市场调查徐春龄秘书长忧心重重，“现在中国仪器技术水平比任何时候的国际仪器技术水平，差距都大”。美国已规定330兆赫以上的安洁伦信号分析仪，不允许卖给中国中国本土中国本土测量仪器测量仪器设备行业的发展现状设备行业的发展现状 中国电子信息产业电子信息产业统计统计年鉴年鉴得出：得出：中国的测试测量仪器每年都以超过中国的测试测量仪器每年都以超过30%

3、30%以上以上的速度在快速增长。的速度在快速增长。在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。 一、（一、（2 2）发展现状）发展现状中国该领域唯一重点实验室的中国电子中国电子集团公司第集团公司第4141研究所研究所 青岛兴仪电子设备有限公司青岛兴仪电子设备有限公司高纯微波合成信号发生器信号发生器微波微波噪声系数噪声系数分析仪分析仪便携式便携式射频射频频谱分析仪频谱分析仪2.5G2.5Gb/sSDH/PDHb/sSDH/PDH数字传输分析仪、数

4、字传输分析仪、高性能的高性能的光通光通讯设备：讯设备：包括包括光谱分析仪光谱分析仪和高性能微型光和高性能微型光时域时域反射计，反射计，高速高速数字示波器数字示波器等等 天津德力公司天津德力公司 DS8821Q数字电视频谱分析仪频谱分析仪DS1191DS1191数字电视综合分析仪数字电视综合分析仪DS1883QDS1883Q数字电视数字电视场强仪场强仪DS9000DS9000码流码流分析仪等产品分析仪等产品还有还有DS768DS768这类的这类的机顶盒机顶盒专用测试设专用测试设 北京普源精电科技有限公司北京普源精电科技有限公司 从最常规的数字万用表数字万用表，任意，任意波形波形发生器，到高性能的

5、发生器，到高性能的数字示波器数字示波器 DS3000系列任意波形波形发生器，是一款带有数字逻辑输出功能发生器，是一款带有数字逻辑输出功能(16(16路数据通道和路数据通道和2 2路时钟通道路时钟通道) )的混合的混合信号发生器信号发生器(MSG)(MSG)。该设备该设备采样率采样率达到达到300MSa/s300MSa/s，垂直分辨率为，垂直分辨率为14bits14bits，还有还有1M1M采样点存储深度。可以提供十种标准采样点存储深度。可以提供十种标准波形波形，还可以提供用户自定义的任意波形，其中包括各种丰富的调制波形，还可以提供用户自定义的任意波形，其中包括各种丰富的调制波形，满足了很多领域

6、的应用；还有满足了很多领域的应用；还有DS1000DS1000系列混合系列混合数字示波器数字示波器，目前目前示波器示波器的带宽已经达到的带宽已经达到500MHz500MHz，并具有很丰富的高级触发方式，并具有很丰富的高级触发方式，特别是码形触发和持续时间触发，解决了各种异特别是码形触发和持续时间触发，解决了各种异常波常波形的触发问题。形的触发问题。示波器示波器中还集成了逻辑分析功能，保证了使用上的方便。中还集成了逻辑分析功能，保证了使用上的方便。 一、（一、（3 3）国产电子测量仪器行业发展方向）国产电子测量仪器行业发展方向第一，第一，数字化数字化电子测量仪器的普及率必须提升。电子测量仪器的普

7、及率必须提升。 第二，总线技术必须跟踪国际发展水平。第二，总线技术必须跟踪国际发展水平。 VXI、PXI、LXI、USB接口、总线技术在电子测量仪器领域国外已经发展到一个很高的水平。目前，有三个趋势在推动测试测量行业的发展：首先，要有系统就绪的硬件，即模块化的产品，可以很快构建一个系统。其次，要有基于标准的与PC兼容的输入输出接口，以及输入、输出驱动程序，可以基于局域网，也可以基于互联网。最后，要有灵活的软件解决方案，不论客户需要的是Excel界面还是文字界面，都可以给客户灵活的选择。 国际电子测量仪器LXI(LANeXtensionforIn-strument)联盟的产生，就是为了迎合这个变

8、化。 第三，软件技术必须尽快提上日程。第三，软件技术必须尽快提上日程。 电子测量仪器“软件”是电子测量仪器智能化的核心技术，而且“软件修正测量误差”是目前修正测量误差既经济又最有效的办法；此外，特别是软件定义的无线电测量仪器，在国外得到了特别的重视和发展。自从无线接收系统从超外差变频结构，转变成无外差变频的零中频结构之后，无线电发射接收系统简化成为数字变频、基带放大器、基带滤波器、数模转换器、模数转换器、数字信号处理器等数字部件，使软件定义无线电(SDR)测量仪器得以实现。第四，模块化技术必须加紧跟上第四，模块化技术必须加紧跟上 这是国际电子测量仪器发展的方向，实际上模块化技术与总线技术(接口

9、技术)、软件技术是三位一体，我们必须尽快把三者有机地接合起来，形成有竞争力的电子测量仪器产品。 第五，合成仪器必须尽快实施。第五，合成仪器必须尽快实施。 合成仪器采用可互换的标准模块、标准电路、标准接口，实现从单元电路至系统的积木化结构。由于美国国防部门是全球电子测量仪器的最大采购商，合成仪器将推动美国、欧洲、日本投入更多人力物力，开发从器件、模块、子系统至完整的自动测量系统，成为电子测量仪器技术创新的新动力。 中国的工程师真正面临的问题在于如何选择与应用相适应的仪器设备以及如何使用仪器以及如何有效利用仪器的延伸性能，从而使设备的效能得到真正发挥， 赛宝计量检测中心的技术专家王勇王勇 ：一、（

10、一、（4 4）中国工程师面临的问题：）中国工程师面临的问题：泰克泰克公司中国区市场总经理公司中国区市场总经理张权张权则认为：则认为：工程师真正面临的挑战工程师真正面临的挑战体现在采用多种技术和混合信号的嵌入式设计方面。体现在采用多种技术和混合信号的嵌入式设计方面。 挑战主要是如何顺应新的标准和新的应用来制定最完整和最恰当的测试方案，还有自定义产品和系统的测试等。 罗德与施瓦茨施瓦茨中国有限公司产品支持经理安毅博士：中国有限公司产品支持经理安毅博士： 安立公司的观点更直接，安立公司的观点更直接，那就是在测试领域里，中国面临的最大挑战就是缺乏具有微波背景和相关经验的工程人才，以及优秀的测试与计量人

11、才。 二、（二、（1 1）目的）目的： 是使学生掌握近代电子测量的基础理论 和电子测量仪器的原理与应用， 在科学实验或生产实践中能制定先进的测试方案， 能合理选用测量仪器，能正确处理测量数据， 以获得最佳的测试结果。 二、（2）应用主要研究信息的获取与处理，电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成 电子测量技术在电子测量技术在通信通信中中的应用的应用n发射功率、频率稳定度发射功率、频率稳定度n接收灵敏度、通频带、信号频谱接收灵敏度、通频带、信号频谱n传输特性、衰减特性传输特性、衰减特性n误码率误码率n通信协议通信协议n放大器、滤波器放大器、滤波器三、（三、（1 1）电子测量概述）电子测量概述

12、测量测量 是人类认识和改造世界的一种重要手段。是人类认识和改造世界的一种重要手段。 对客观事物的认识过程中，需要进行对客观事物的认识过程中，需要进行定性、定位分析定性、定位分析 定量研究，定量就需要进行测量。定量研究，定量就需要进行测量。 测量测量 是通过实验方法对客观事物取得定量数据是通过实验方法对客观事物取得定量数据 的过程。的过程。 图11 测量的比较原理(a) 天平直接比较（b）弹簧称间接比较被测物体的重量等于标被测物体的重量等于标准砝码的重量准砝码的重量被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。上的刻

13、度是事先与标准量进行比较的结果。 测量的定义 测量的定义n广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。n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。n而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。 n广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息的感知和信息识别两个环节。 测量的基本要素被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境 被测对象测量人员测试仪器系统信 息显 示感知和识别 生活中的例子生活中的例子重量，长度，温度，湿度，三

14、表（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

15、过大规模集成电路的生产成本中，测量成本已超过50%50% 电电 子子 测测 量量 电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。电子测量是测量领域的主要组成部分。电子测量是测量领域的主要组成部分。( (二次表二次表) ) 电子测量仪器传感器电电 量量非电量非电量( (一次表一次表) )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

16、，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状况。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。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条件和明显标志。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

17、一星功勋奖章两弹一星功勋奖章”。三、（三、（2) 2) 电子测量仪器电子测量仪器 利用电子技术实现测量的仪表设备，统称为电子测量利用电子技术实现测量的仪表设备，统称为电子测量仪器。仪器。 电子测量仪器的电子测量仪器的功能功能： 2.2.信号处理与传输信号处理与传输功能：信号调理、模功能：信号调理、模/ /数、抗干扰、压缩、有数、抗干扰、压缩、有 线或无线传输线或无线传输3.3.显示显示功能：指针式仪表度盘；数码管、液晶或阴极射线管显示功能：指针式仪表度盘；数码管、液晶或阴极射线管显示 测量结果。测量结果。1.1.转换转换功能：电量功能：电量( (功率、电流、电阻功率、电流、电阻)电压；非电量电

18、压；非电量电量电量 （电压）（电压） 此外，一些先进的仪器，如智能仪器等，还具有数据记录、此外，一些先进的仪器，如智能仪器等，还具有数据记录、处理处理 及自检、自校、报警提示等功能。及自检、自校、报警提示等功能。 电子测量仪器的分类电子测量仪器的分类 按照被测量的特性，电子测量仪器可分为以下几类：按照被测量的特性，电子测量仪器可分为以下几类：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（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

19、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 01 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、频率特性等传输特性、频率特性等 电子测量仪器的分类电子测量仪器的分类 现代科学仪器的体系结构：现代科学仪器的体系结构：（1 1）发展历程）发展历程（2 2）体系结

20、构）体系结构对象对象硬件硬件软件软件信号调理信号调理- -数据采集卡数据采集卡DAQDAQGPBGPB接口仪器接口仪器-GPB-GPB接口卡接口卡串行口仪器串行口仪器PLCPLCVXIVXI仪器仪器图像采集卡图像采集卡DSPDSP现场总线系统现场总线系统工业自动化软件工业自动化软件测量与分析软件测量与分析软件传统编程语言传统编程语言PCPC机机/ /工作站工作站 电子测量仪器的发展电子测量仪器的发展 1 1 传统仪器传统仪器 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

21、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 1984 1984年年1111月月电子工业部电子测量仪器情报网（戚继明老师主办）在厦门市召开第三届全网大会，会上电子部科技情报所赵玉惠同志送给我们一套油印的资料。美国西北仪器公司总裁D.伯克（D.Birck）于19821982年提出： 用个人计算机构成仪器是一条合乎逻辑的用个人计算机构成仪器是一条合乎逻辑的捷径。首先提出捷径。首先提出“个人仪器个人仪器”的概念。的概念。因为个人计算机系统中的硬、软件资源丰富，是测试仪器理想的开发平台。 当时称为个人仪器 Personal Compute

22、r Instrument该公司开发了一批基于苹果（该公司开发了一批基于苹果（AppleApple）型计算）型计算机机的插卡式仪器的插卡式仪器 虚拟仪器虚拟仪器（仪器融入计算机仪器融入计算机） 定义定义：虚拟仪器（：虚拟仪器（ Virtual Instrument，VI ）是指以通）是指以通用计算机作为系统控制器、由软件来实现人机交互和用计算机作为系统控制器、由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。通常的概念通常的概念是用通用计算机（个人计算机、PC机）开发的测试仪器与系统都可归属于“虚拟仪器虚拟仪器”。 测控测控对象对象数据采集、控制、数据

23、采集、控制、总线接口总线接口通用计算机通用计算机PC机、工作站机、工作站虚拟仪器系统由软件硬件两部分构成，故分别叙述：件-仪器功能 应用软件-虚拟面板应用软件-仪器功能、虚拟面板仪器驱动软件操作系统（Windows等）通用计算机（PC）外围硬件（接口、仪器模块）设备被测系统用户硬 件软 件虚拟仪器虚拟仪器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

24、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PCPCD SD SP P被测对象被测对象现代仪器现代仪器 智能化智能化 模块化模块化 虚拟化虚拟化网络化网络化 发展方向发展方向 性能优异功能多性能优异功能多 仪器与计算机融合仪器与计算机融合 硬件与软件结合硬件与软件结合 特点特点 智能仪器智能仪器 程控仪器程控仪器-自动测试系统自动测试系统虚拟仪器虚拟仪器 主要形式主要形式未来自动测试系统结构未来自动测试系统结构图10.22 LXI与现有仪器组成混合系统总之，虚拟仪器有很广阔的发展空间，虚拟仪器技术将通过自总之，虚拟仪器有很广阔的发展空间，虚拟仪器技术将通过自身不断的革新，来满足测量测试与自动化不断涌现的新的需求！身不断的革新，来满足测量测试与自动化不断涌现的新的需求！必将逐步取代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为必将逐步取代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为测量、分析、控制、自动化仪表的核心。测量、分析、控制、自动化仪表的核心。 随着计算机软硬件技术、通信技术及网络技术的发展，给虚拟仪器的发展提供了广阔的天地，国内外仪器界都看中了这块大市场。测控仪器将会向高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、