电子测量原理重点内容

1、电子测量原理重点考察内容突出：学以致用，基本技能，综合应用一、基本概念、原则；狭义测量的定义：测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。测量的基本原理是通过比较来识别被测对象，测量就是比较。比较可采用直接或间接的方法 进行，比较通常需要用专门的设备（测量仪器）才能实现。广义测量的定义: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。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。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。测量的基本要素：从测量

2、的定义可知，测量要有对象（测量的客体），测量要由人（测量主体）来实施，测量 需要专门的仪器设备（硬件）作工具，测量要有理论和方法（软件）作指导，测量总是在一 个特定的环境中进行的，因此构成测.的基本要素是：被测对氤测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境。测环境测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总 和。它包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工 作电压、电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。忽视测量环境，常会导致测量误差过大，甚至产生差错，有时甚至可能对人员、测量对象或 仪器系统造成损伤或破坏。环境对

3、测量的影响表现在下列三个方面:（1）环境对被测对象的影响；（2）环境对仪器系统的影响；（3）环境对测量人员的影响；测误差的定义测量的目的：获得被测量的真值。真值：在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。测量误差:所有测量结果都带有误差。研究误差的目的，就是要正确认识误差的性质，分析误差产生的原因及其发生规律，寻求减 小或消除测量误差的方法识别出测量结果中存在的各种性质的误差学会数据处理的方法， 使测量结果更接近于真值。测误差的来源（1）仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程 中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。（2）影响误差：由于各

4、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。（3）理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。（4）人身误差：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，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。（5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确，如引起动态 误差等。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y表示Y =竺 x 100%A0相对误差只有大小圈符号，没有单位，在使用仪表测量时，应选择适当的程，使示值尽可 能接近于

5、满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。电子测量的优势与特点1具有极快的速度2具有极精细的分辨能力和很宽的作用范围例如电压分辨力达纳伏、时间分辨力达皮秒，功率、时间的有效处理范围（能处理的最 大值与最小值之比）可达1015 1018。极有利于信息传递由于电磁波的光速和数据的海量存储能力，无论是信息在空间中的传递（通信）或是信 息在时间上的传递（存储），都十分快速、方便、可靠。可实现远距离测量，即遥测。极为灵活的变换技术利用电子技术灵活变换的手段，可以使用测其他物理量的方法来测量。雷达就是用了相 当于钟表测时间的方法去测量出了飞机的距离。巨大的信息处理能力，表现为以下几点：测量频率

6、范围宽被测信号的频率范围除测量直流外，测量交流信号的频率范围低至10-6HZ以下，高至 THz（1THz=1012Hz）。量程范围宽测量范围的上限值与下限值之间相差很大，仪器具有足够宽的量程。如数字万用表对电 阻测量小到10-5。，大到108。，量程达到13个数量级；电压测量由纳伏(nV)级至千 伏(kV)级电压，量程达12个数量级；而数字式频率计，其量程可达17个数量级。测准确度高电子测量的准确度比其他测量方法高得多。例如，用电子测量方法对频率和时间进行测 量时，可以使测量准确度达到10-13 10-14的数量级。这是目前在测量准确度方面达到的 最高指标。采用电子测量技术，长度测量和力学测量

7、的最高精度均达10-9量级。测量速度快由于电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作的具有其他测量方法通常无法类 比的高速度。这也是它广泛地用于各个领域的重要原因。易于实现遥测电子测量可以通过电磁波进行信息传递，很容易实现遥测、遥控。6易于实现测过程的自动化和测仪器智能化由于大规模集成电路和微型计算机的应用，使电子测量出现了崭新的局面。例如在测量 过程中能够实现程控、遥控、自动转换量程、自动调节、自动校准、自动诊断故障和自动恢 复，对于测量结果可进行自动记录、自动进行数据运算、分析和处理。电子测量的内容是：按具体的被测物理量来分类，电子测量包括下列电参数的测量：电能量的测量 包括各种频率及波形

8、下的电压、电流、功率、电场强度等的测量。电路参数的测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的 测量。电信号特征的测量 包括信号、频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、 失真度、噪音以及数字信号的逻辑状态等的测量。电子设备性能的测量包括放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声 系数的测量。特性曲线的测量 包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。二、测量误差及数据处理随机误差具有以下规律：对称性：绝对值相等的正误差与负误差出现的概率相同。单峰性： 绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的概率大。有界性： 绝对值很大的误差出现的概率接近于零，即随机误差的绝对值不会超过一

9、定界限。抵偿性：当测量次数n时，全部误差的代数和趋于零。标准偏差。的意义：代表测量数据和测量误差分布离散程度的特征数。b值越小，则 曲线形状尖锐，说明数据越集中；。越大，则曲线形状越平坦，说明数据越分散。对测量值进行系统误差修正，将数据依次列成表格；求出算术平均值无=1 ILx ；n i =1列出残差v = x x，并验证Ev =0 ；i=1按贝塞尔公式：S =:号Ev2计算标准偏差的估计值；i=1按莱特准则，或格拉布斯准则检查和剔除粗大误差（查阅教材第三章节）；判断有无系统误差。如有系统误差，应查明原因，修正或消除系统误差后重新测量；计算算术平均值的标准偏差七=二；写出最后结果的表达式，即A

10、 = x 土 k - 5-（单位）。核心电量的测量（考察重点）周期与频率的测量重点掌握：利用电子计数器进行周期测量频率测量的基本信号链路结构、典型逻辑结构和 时序波形，相应计算公式和误差表达式的推导。（详见课件）;基本设计原则：1、尽增大计数器计数值（2/3原则）减小电子计数器的测误差1/N;2、合理利用二进制数的累加平均技巧，获得平稳测量结果；周期的测量：关键信号路径（链路环节）: 放大3整形3脉冲同步3测量结果的处理；放大：目的是将较微弱的信号放大到足够的摆幅，便于后继逻辑电路处理；一般采用集成运 放构造电路；整形：目的是将摆幅足够的信号，进行变化沿的陡峭”化处理，使其变成脉冲（数字）信号

11、 特征，满足现代数字电路对信号变化沿的要求;一般采用施密特触发器;例如HC14、HC132 等通用半导体器件；脉冲同步：信号变化沿与计数参考时钟之间没有固定的相位关系，需要同步逻辑的处理，使其变化 沿与参考时钟同相，才能使得计数器准确的测量两次上升沿或下降沿之间的时间间隔。脉冲同步式是提取被测信号周期信息的关键环节，一般由数字去抖逻辑完成：只有当连续4个取样周期后，取样值为111T或0000时，在第5个时钟上升沿后，jk触发器输出”1”或0”，否则，输出保持不变；典型的逻辑时序如下图：经脉冲同步后，才能正确提取被测信号的周期信息，通常提取上升沿或下降沿，典型逻辑结构和仿真结果如下:由于D触发器

12、的输出与输入之间延迟了一个时钟周期，当D触发器的输入端信号变化时， 异或门就会输出一个正脉冲，如果输入信号经过了统一参考时钟的滤波(同步)，则正脉冲 宽度恰为十个时钟周期长度，上升沿来时，异或门脉冲从上面的与门通过，下降沿时从下面 的与门通过。从而完成信号沿的检测与分离。为后继逻辑测量周期提供基准脉冲。详尽的测量逻辑结构，详见课件和参考设计(cycle_measure)常见的测量思想：1、将代表周期信息的脉冲沿进行同步二分频，然后测量高电平的长度，通过测量技术其在高电平期间的计数值，获得被测信号的周期长度；典型逻辑结构为：图中，带使能端的D触发器inst10和非门instil构成同步二分频电路

13、，将脉冲信号处理成电平信号，并在高电平期间使得计数器inst12进行计数，其基本时序结构如下图：在图中，被测信号signal_in经同步滤波后，其中的随机信号干扰被滤除，并且获得与本地 参考时钟sync_clk相位一致的输出信号signal_out ；再经过脉冲沿检测与分离电路后，得到 被测信号的上升沿脉冲rising_pulse ；此信号经同步二分频之后，得到电平信号 div2_cyc， 其高电平或低电平的宽度代表了被测信号的周期长度；图中，测量计数器在高电平期间的技 术值代表了被测信号的周期长度：T广 T x N其中：T疽代表被测信号的周期长度；Tc :代表本地参考时钟的周期长度；N :代

14、表高电平期间，测量计数器的计数值； m对应于图中的仿真结果，被测信号的周期=190nS ；2、连续测.2AN次结果，并将每次的测结果累加，最后去高有效位，获得测的平均值, 提高测.的精度；典型逻辑结构为：（比较复杂，详见课件19-20页，和逻辑设计文件）频率的测量:关键信号路径（链路环节）：放大9整形9基准时间片9测量结果的处理；整理思路与周期测量相同，详尽的测量逻辑结构，详见课件和参考设计（frequ_measure）示例：放大:目的是将较微弱的信号放大到足够的摆幅，便于后继逻辑电路处理；一般采用集成运 放构造电路，但是为了防止严重波形失真，放大器之间通常采用交流耦合方式，并对放大器 带宽进

15、行适当的限制，防止带外电磁干扰引起伪品率信号的出现；整形：目的是将摆幅足够的信号，进行变化沿的陡峭”化处理，使其变成脉冲（数字）信号 特征，满足现代数字电路对信号变化沿的要求；对于被测频率低于25MHz时，一般采用施 密特触发器，例如HC14、HC132等通用半导体器件；更高的频率要采用高速比较器来实 现；基准时间片采用计数器与比较器构成，其逻辑结构如下图：OUTPUTref_clkINPUTVCCbasicsectioncOUTPUTref_clkINPUTVCCbasicsectioncntinstsimu_cnt9.0up counter clock modulus 1000basicsectioncompareq9.0dataa9.0datab=999 aeb clockompOutputbasic_triginst1计数器在本地参考时钟驱动下，以1000为模值进行工作，其计数范围是0-999，每当计数到999后，计数器自动回到0，同时比较器输出一个时钟周期宽度