第一节电参量的测量演示文稿

现在是1页\一共有89页\编辑于星期一优选第一节电参量的测量现在是2页\一共有89页\编辑于星期一电流I温度物质的量N发光强度J时间T质量M长度L现在是3页\一共有89页\编辑于星期一2、物性参量的测试1、基本物理量的测试：SI制中的七个基本量：长度（L）、质量（M）、时间（T）、电流（I）、温度（Q）、物质的量（N）、发光强度（J）机械类：粗糙度、平面度、同轴度、垂直度、硬度、刚度、强度等；物理类：浓度、湿度、黏度、密度、浊度、溶解度、透光度、速度、转速、压力/压强、寿命、真空度、电离度、酸度、灵敏度、比热、扩散、辐射强度电压、电阻/电导、功率、转换效率、失真系数等；3、成分参量测试

化学元素测定、有机成分测定、化学结构分析水分测定、碳水化合物测定、有毒/爆炸物/污染测定地质勘探、能源探测生命迹象探测、生物生理参数测定现在是4页\一共有89页\编辑于星期一一维参量机械量位移、长度、间距、直径、厚度、粗糙度、角度、弧度线/角速度、线/角加速度、刚度、硬度二维参量面积、平面度、曲度、垂直度、力、应力、应变、力矩、质量、振动、三维参量物理/热工量力学参量体积、容量、锥度、热力参量气/液态参量电工量物性及成分量温度、压力、比热、热容量、传导系数流速、流量、真空度、电离度、基本参量电压、电流、电阻、电容、电感、功率、效率信号参量频率、相位、波形、频谱、功率谱、相关系数电磁参量

电场强度、磁场强度、导磁率、磁阻、磁通量、电介常数物性参量

浓度、黏度、密度、湿度、导热系数、溶解度、PH度成分参量

元素组成、化学成分、化学活性、化学极性生物参量

生物活性、生理参数、DNA序列、现在是5页\一共有89页\编辑于星期一测试方法的分类：电测法与非电测法直接测量与间接测量单次测量与多次测量等精度测量与不等精度测量偏差测量与零位测量模拟测量与数字测量手动测量与自动测量现在是6页\一共有89页\编辑于星期一第一节电参量的测量一、直流电压测量二、交流电压测量三、直流电流的测量四、交流电流的测量五、电阻、电容和电感的测量六、功率的测量七、频率的测量八、相位的测量*现在是7页\一共有89页\编辑于星期一数字万用表台式高精度数字多用表卡钳式万用表模/数字万用表现在是8页\一共有89页\编辑于星期一兆欧表高压数字电压表微电流计数字功率表模拟示波器数字示波器现在是9页\一共有89页\编辑于星期一一、直流电压的测量 1、直流电压的测量原理与方法图1.直流电压表测量电路

由图1可知，当直流电压表并接于被测电路两端时，由于R0的存在，电压表所测得的电压由原来的Ux改变为：现在是10页\一共有89页\编辑于星期一 2、数字式万用表

数字万用表均有电流电压测量挡。与模拟式万用表相比，主要优点是：

(1)输入阻抗高，一般直流输入阻抗可达20MΩ以上。

(2)分辨力高，可精确到百分之一，即在10V挡，可分辨到0.1V，而指针式的模拟万用表的分辨力为最小刻度间隔所代表的电压值的一半，量程越大，分辨力越低。现在是11页\一共有89页\编辑于星期一图2.数字直流电压表测量电路框图

数字电压表一般由信号调理、模-数转换、计数电路及控制电路几大部分组成。现在是12页\一共有89页\编辑于星期一二、交流电压的测量

1、交流电压的特征与量值表示图3常见电压的波形现在是13页\一共有89页\编辑于星期一

交流电压的表示量值 交流电压幅度值的相对大小常用峰-峰值、平均值和有效值来表示。

1)峰-峰值UP-P

峰-峰值表示信号的最大值与最小值的差。对于对称的正弦信号来说，更常用的是峰值UP，其等于1/2的UP-P。如U(t)=Acosωct，则有UP-P=2A，UP=1A。现在是14页\一共有89页\编辑于星期一

2)平均值 设电压信号为U（t），其周期为T，则平均值为：

这时平均值的意义为：现在是15页\一共有89页\编辑于星期一 3)有效值URMS

有效值指的是信号的均方根值（RMS）。电压信号的有效值用URMS表示，其数学表达式为 对于正弦波U(t)=Umcosωct来说： （3-5） （3-4）现在是16页\一共有89页\编辑于星期一

工程上定义如下两个参数：

（1）波形因数KF:

表示电压的有效值与平均值之比，即

（2）波峰因数KP:

表示交流电压的峰值与有效值之比，即 现在是17页\一共有89页\编辑于星期一 2、交流电压的测量原理与方法

（1）测量方法

交流电压测量最主要的方法是用交-直转换器将交流电压变换为直流电压，然后再对直流电压测量。根据转换器的性质不同，可分为下列三种：Ⅰ、峰值响应—峰值交流电压表Ⅱ、平均值响应—平均值交流电压表Ⅲ、有效值响应—有效值交流电压表现在是18页\一共有89页\编辑于星期一（2）测量原理

A、交流电压的模拟测量

用模拟电路的技术和方法测量交流电压，最常用的转换器有峰值检波器、平均值检波器和有效值—直流变换电路工作原理如图5（a）、（b）、（c）所示。（a）峰值检波电路；（b）平均值检波器；（c）有效值热电偶式变换电路

以峰值电压表为例，其显示值是将峰值检波器检测到的电压值除以波峰因数KP得到的，若显示读数为α，则现在是19页\一共有89页\编辑于星期一解：峰值检波器的输出为被测信号的最大幅度，由仪表的刻度关系知，被测方波的幅度为。由于方波的有效值与峰值相当，故方波的有效值为14.1V。而对于有效值转换器，其特性符合如下公式：由于不同频率的谐波的乘积在（0，T）上积分为0，公式可以简化为：例：用一峰值电压表去测量一个方波电压，读数为10V，问该方波电压的有效值是多少？现在是20页\一共有89页\编辑于星期一 1.检波-放大式电压表（峰值响应法）

检波-放大式电压表直接对被测电压信号进行检波，然后对转化成的直流信号进行处理并显示，具有结构简单，输入阻抗高，适用于高频测量（几百MHz）的特点。缺点是起始测量信号较大，非线性误差亦大。目前多采用斩波式直流放大器，最高灵敏度可为几十微伏，。其工作原理如图6所示。

图6检波-放大式电压表原理框图（3）交流电压的数字化测量

A、交流模拟电压表峰值检波器步进分压器

斩波式直流放大器微安表现在是21页\一共有89页\编辑于星期一

2、放大-检波式电压表（平均值响应法）

放大-检波式电压表的工作原理如图7（a）所示，这种电压表的频率范围主要受放大器的带宽限制，一般为20Hz-10MHz，而灵敏度受放大器内部噪声限制，一般为毫伏级。

各个组成单元的基本特性如下：

1）阻抗变换器

阻抗变换器的作用是对外（输入）呈现高阻抗，对内（输出）呈现低阻抗，典型的电路如图7（b）所示。其中，V1是高频场效应管，输入电阻极大，输入电容小于2pF；

V2为高频晶体三极管，输出电阻为R4，一般为100Ω，该电路传输衰减系数较小，且能驱动75Ω电缆。现在是22页\一共有89页\编辑于星期一

图7放大-检波式模拟电压表原理框图（a）放大-检波式电压表组成原理；（b）阻抗变换器；（c）衰减器；(d)检波器现在是23页\一共有89页\编辑于星期一

2）衰减器 衰减器的作用是在测量大信号时对输入信号进行衰减以扩大测量量程。衰减器亦要求有宽带的特性，在高频时要考虑电路与元件的分布电容效应，采用复合阻容结构，典型的衰减器如图7（c）所示。当R1C1=R2C2时，衰减比与频率无关。

3）宽带放大器 宽带放大器一般选用宽带线性集成放大器，如LM733，可工作在直流到50MHz的频率范围。

4）检波器 常用的检波器有峰值检波器和倍压检波器，如图6 （d）所示。现在是24页\一共有89页\编辑于星期一 3．热电偶式电压表（有效值响应法）

热电偶不仅可以用于电流测量，而且可以作为电压测量的核心部件。

4．外差式电压表

由于频响和灵敏度的限制，放大-检波式电压表、检波-放大式电压表和热偶式电压表均不可以用于高频微伏级电压检测。这时可采用外差式电压表，它的测量频率可达几百兆赫，灵敏度一般都是微伏级。其工作原理如图8所示。图8外差式电压表原理框图微安表现在是25页\一共有89页\编辑于星期一B、交流数字电压表

低频数字电压表一般是在直流数字电压表的基础上增加放大器、交直流变换器而组成的，如图9所示。 高频数字电压表的一般组成如图9（b）所示。 它的检波器探头高频特性较好。 宽带数字电压表的一般组成如图9（c）所示。现在是26页\一共有89页\编辑于星期一

图9交流数字电压表组成框图 （a）低频数字电压表组成框图； （b）高频数字电压表组成框图； （c）宽带数字电压表组成框图；

(d)智能型电子电压表组成框图现在是27页\一共有89页\编辑于星期一 C、交流电压测量的其他应用

1.脉冲电压测量 脉冲电压的特点是幅度较大，持续时间短。 如果用峰值检波器检测已知占空比的脉冲电压，可以由数学的方法或根据经验对测量结果进行合适的修正。

2.噪声电压测量 在电子学领域，噪声电压是一种普遍存在的随机信号。典型的有电阻的热噪声、晶体三极管的内部噪声、电子放大器的输出噪声等等。在设计电子电路时，免不了要对噪声，特别是高斯白噪声进行测量。现在是28页\一共有89页\编辑于星期一三、直流电流的测量1、直流电流测量的原理与方法

图10直流电流测量设电流表的内阻为r，在图10(a)所示测量电路中，原电路中电流I=E/R，而在图10(b)所示的电路中，电流改变为I′=E/(R+r)，两者的误差为：（一）直接测量法现在是29页\一共有89页\编辑于星期一（二）间接测量法（1）欧姆定律法当运算放大器AV很大时，可以近似得到：一般电流小电流利用欧姆定律可以得到：现在是30页\一共有89页\编辑于星期一（2）霍尔效应法图11(a)霍尔效应直接测量直流电流图11(b)霍尔检零式直流电流测量KH

霍尔元件的灵敏度大电流小电流现在是31页\一共有89页\编辑于星期一

2、模拟直流电流表的工作原理

直流电流表多数为磁电式仪表，磁电式仪表一般由可动线圈、游丝和永久磁铁组成。线圈框架的转轴上固定一个读数指针，当线圈流过电流时，在磁场的作用下，可动线圈发生偏转，带动上面固定的读数指针偏转，偏转的角度与通过可动线圈的电流成正比。模拟直流电流表具有不需电池驱动、显示稳定等优点，同时亦存在非线性误差大、容易损坏等缺点。

3、数字万用表测量直流电流的原理

数字万用表是用电子技术来检测直流电流的。通常在直流电流档，对外电路来说，数字万用表仅相当于一个取样电阻RN（不同的量程RN的值不同），测量时RN上有电压信号Ui=IRN，其测量过程如图所示。

现在是32页\一共有89页\编辑于星期一图11交-直流转换电路四、交流电流的测量

（一）低频交流电流的测量原理

图11所示的交直流转换电路。1、交流电流检测原理现在是33页\一共有89页\编辑于星期一（二）高频交流电流的测量原理

我们可以通过测量这种与高频电流密切相关的直流电流的大小，间接地检测出高频电流的大小，具体原理如图12所示。图12热电偶电表原理现在是34页\一共有89页\编辑于星期一2、交流电流检测方法（一）真有效值交-直流转换器

图13真有效值交-直流转换器原理图

现在是35页\一共有89页\编辑于星期一真有效值数字万用表

★★现在是36页\一共有89页\编辑于星期一（二）平均值交-直流转换器

图14平均值交-直流转换器原理图

现在是37页\一共有89页\编辑于星期一微弱电信号的检测微弱电信号是指电流/电压<10-6A/V的信号.

微电流放大器适用于直流或低频弱电流信号的检测.

前置放大器适用于微弱音频、微波、或短脉冲电信号的放大检测.现在是38页\一共有89页\编辑于星期一五、电阻、电容和电感的测量1、电阻的测量（一）恒流源式测量电阻（二）恒流源式测量电阻现在是39页\一共有89页\编辑于星期一利用电阻变化进行参量测量的敏感元件有:压敏电阻——电阻应变片热敏电阻——金属/半导体热敏元件光敏电阻——光导管磁敏电阻——半导体磁阻元件现在是40页\一共有89页\编辑于星期一2、电容的测量图17新型不平衡电桥测量电容电路

现在是41页\一共有89页\编辑于星期一3、电感的测量图18新型不平衡电桥测量电感电路

现在是42页\一共有89页\编辑于星期一六、功率测量

一、直流低频功率的测量

由电工学可知，功率即为单位时间内所做的功。具体表达式为： 在电阻电路中，还可导出：现在是43页\一共有89页\编辑于星期一2、交流电路功率的测量 对于纯电感电路，电流滞后电压90°，如图19（a）所示；对于纯电容电路，电流超前于电压90°，如图12（b）所示。

图19U与I的相位关系现在是44页\一共有89页\编辑于星期一

设，则平均功率为： 视在功率、无功功率与有效平均功率的关系为：

现在是45页\一共有89页\编辑于星期一

图20为交直流功率表的工作原理与电路中单个负载的连接情况。图20功率测量原理现在是46页\一共有89页\编辑于星期一

图21中，两个电压线圈互相垂直安装，一个与无感电阻相串联，一个与电感器相串联，所以可以近似地认为两线圈中的电流相位之差为90°。电流线圈是与电路相串联的，与被测线路电流同相。图21功率因数连接电路现在是47页\一共有89页\编辑于星期一

图22经典型电度表的结构

感应式电度表是利用电压和电流线圈在铝盘上产生的涡流与交变磁通相互作用产生电磁力，使铝盘转动，同时引入制动力矩，使铝盘转速与负载功率成正比，通过轴向齿轮传动，由计度器积算出转盘转数而测定出电能。故电度表主要结构是由电压线圈、电流线圈、转盘、转轴、制动磁铁、齿轮、计度器等组成。现在是48页\一共有89页\编辑于星期一3、高频和微波功率的测量

在高频和微波频段的各项电子测量项目中，功率测量是主要项目之一。接收机的灵敏度是以能接收的最小功率来表征的。

高频和微波频段的功率测量都是基于将高频和微波的能量转换成热、力、直流或低频电量等能量形式来测量的。

按照测量的原理可以分为：

（1）测辐射热器功率计受热元件有热敏电阻、镇流电阻和薄膜测热电阻等 （2）热电偶式功率计 （3）量热式功率计现在是49页\一共有89页\编辑于星期一微波功率计现在是50页\一共有89页\编辑于星期一4、功率测量与电压测量的电平表示

（1）绝对功率电平LP。以600Ω电阻上消耗1mW的功率作为基准功率，任意功率与之相比的对数称为绝对功率电平，其值为

（2）相对功率电平L现在是51页\一共有89页\编辑于星期一

由于600Ω电阻上消耗的功率为1mW，其上的电压为0.775V，以此作为基准电压，可以确定电压的绝对电平Lu和相对电平L′u分别为

要注意的是量程问题。电压表的量程是乘数关系，电平表则是加法关系。因此在扩大N倍量程的情况下，有现在是52页\一共有89页\编辑于星期一

例：用MF-20电子多用表的30V量程测量电压，当该量程的读数为27.5V时，问该电压信号对应的分贝值是多少？ 解：因为MF-20多用表将1.5V量程刻度线上的0.775V定义为0dB，30V量程是1.5V的20倍扩展，27.5V示值位置对应在1.5V量程上的读数为1.38V，所以有现在是53页\一共有89页\编辑于星期一六、频率与时间测量★

（一）频率与时间测量的特点 与其他各种物理测量相比，频率与时间测量具有如下特点：（1）时频测量具有动态性质。 （2）测量精度高。 （3）测量范围广。 （4）频率信息的传输和处理比较容易。现在是54页\一共有89页\编辑于星期一频率计

现在是55页\一共有89页\编辑于星期一

1、频率测量的方法 出现并得到过应用的测频方法与仪器主要有以下几种：

（1）谐振法：

利用LC回路的谐振特性进行测频(如谐振式波长表可测无源LC回路的固有谐振频率）,测频范围为0.5~1500MHz。

（2）外差法：改变标准信号频率，使它与被测信号混合，取其差频，当差频为零时读取频率。这种外差式频率计可测高达3000MHz的微弱信号的频率，测频精确度为10-6左右。 现在是56页\一共有89页\编辑于星期一

（3）示波法：在示波器上根据李沙育图形或信号波形的周期个数进行测频。这种方法的测量频率范围从音频到高频信号皆可。

（4）电子计数器法：直接计数单位时间内被测信号的脉冲数，然后以数字形式显示频率值。这种方法测量精确度高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要。现在是57页\一共有89页\编辑于星期一

2、电子计数器测频法原理 计数是电子计数器最基本的功能。因此，尽管电子计数器的种类很多，但其基本的工作原理可用图22所示的简化方框图加以说明。图22电子计数器简化方框图被测信号标准脉冲信号现在是58页\一共有89页\编辑于星期一

当把周期为TA的脉冲信号由“1”端加入后，假设在闸门信号的上升沿主门打开，计数器对输入脉冲信号进行累加计数，在闸门信号的下降沿主门关闭，计数器停止计数，显然计数器所计之数N为：现在是59页\一共有89页\编辑于星期一（二）通用电子计数器

1、通用电子计数器的主要技术性能 用于测频的通用电子计数器其主要技术性能包括：

（1）测试性能：仪器所具备的测试功能，如测量频率、周期、频率比等。

（2）测量范围：仪器的有效测量范围。在测频和测周期时，测量范围不同。测频时要指明频率的上限和下限；测周期时要指明周期的最大值和最小值。现在是60页\一共有89页\编辑于星期一

（3）输入特性：通用电子计数器一般由2~3个输入通道组成，需分别指出各个通道的特性，包括：输入耦合方式：有AC和DC两种耦合方式。在低频和脉冲信号计数时宜采用DC耦合方式。

（4）测量准确度：常用测量误差来表示，主要由时基误差和计数误差决定，时基误差由内部晶体振荡器的稳定度确定。 表1概括了以上三类振荡器的频率稳定度。现在是61页\一共有89页\编辑于星期一

（5）闸门时间和时标：由机内时标信号源所能提供的时间标准信号决定。根据测频和测周期的范围不同，可提供的闸门时间和时标信号有多种供选择，如通常的0.01s、0.1s、1s、10s等。

（6）显示及工作方式：

包括显示位数、显示时间、显示方式等。显示位数：可显示的数字位数，如常见的8位。显示时间：两次测量之间显示结果的时间，一般是可调的。 现在是62页\一共有89页\编辑于星期一

显示方式：有记忆和不记忆两种显示方式。记忆显示方式只显示最终计数的结果，不显示正在计数的过程。实际上显示的数字是刚结束的一次测量结果，显示的数字保留至下一次计数过程结束时再刷新。不记忆显示方式可显示正在计数的过程。但多数计数器没有这种显示方式。（7）输出：包括仪器可输出的时标信号种类、输出数据的编码方式及输出电平等。

2、通用电子计数器的测量功能

Ⅰ、频率测量

频率的测量实际上就是在单位时间内对被测信号的变化次数进行累加计数。其原理框图如图23所示。现在是63页\一共有89页\编辑于星期一图23频率测量的原理框图N现在是64页\一共有89页\编辑于星期一图24周期测量的原理框图

Ⅱ.周期测量 周期是频率的倒数，因此周期的测量和频率的测量正好相反。其原理框图如图24所示。现在是65页\一共有89页\编辑于星期一

3.时间间隔测量 时间间隔测量和周期的测量都是测量信号的时间，因此测量电路大体相同，所不同的是测量时间间隔需要B、C两个通道分别送出起始和停止信号去控制门控双稳电路以形成闸门信号，其工作原理如图25所示。图25时间间隔测量的原理框图

现在是66页\一共有89页\编辑于星期一图25输入信号任意两点间的时间间隔测量示意图现在是67页\一共有89页\编辑于星期一

4.相位差测量 相位差测量通常是指两个同频率的信号之间的相位差的测量。相位差测量的主要方法有示波器法、比较器法、直读法等。利用电子计数器也可进行相位差的测量，它是时间间隔测量的一个应用。瞬时值数字相位差测量原理框图如图26所示，通过测量两个正弦波上两个相应点之间的时间间隔，可换算出它们之间的相位差。图26瞬时值数字相位差测量原理框图现在是68页\一共有89页\编辑于星期一图27瞬时值数字相位差测量工作波形现在是69页\一共有89页\编辑于星期一

设被测信号周期为Tx，门控信号u3的宽度，亦即两个信号相位差Δφ对应的时间为tφ，则

式中，Ts为时标信号周期。 由以上两式可得：现在是70页\一共有89页\编辑于星期一

两次测量结果取平均值： 再利用式（6-7）可得相位差。

5.频率比fB/fA测量 频率比是指两路信号源的频率的比值。其测量原理与频率、周期测量的原理类似，如图28所示。图28频率比测量原理框图现在是71页\一共有89页\编辑于星期一图29累加计数和计时的原理框图6.累加计数和计时 累加计数是电子计数器最基本的功能，是指在一段较长时间内累加被测信号的脉冲个数，测量原理框图如图29所示。现在是72页\一共有89页\编辑于星期一图30电子计数器的自校原理框图

7.自校 在使用电子计数器测量之前，应对电子计数器进行自校，一是检验电子计数器的逻辑关系是否正常，二是检验电子计数器能否准确地进行定量测量。自校的原理框图如图30所示。现在是73页\一共有89页\编辑于星期一图31通用电子计数器的基本组成框图

（三）通用电子计数器的基本组成 通用电子计数器一般由六大部分组成，如图31所示现在是74页\一共有89页\编辑于星期一

1.输入通道部分 通用计数器的输入电路一般包含A、B、C三个输入通道（图6.11中只画出A、B两个通道，因此在测量时间间隔时需配时间间隔测量插件——通道C），其中A为主通道，频带较宽；B、C主要在测量周期、频率比以及时间间隔时使用，称为辅助通道。三个输入通道都由放大器、衰减器及整形电路等组成。

2.计数器 计数器由触发器构成,对来自主门的脉冲信号进行计数。在数字仪表中，最常用的是按8421码进行编码的十进制计数器。计数器的最高工作频率决定了仪器的最高测量频率。目前计数器都已集成化，在使用时可当做一个逻辑部件使用。现在是75页\一共有89页\编辑于星期一

3.显示部分 显示部分将累计的结果以十进制数字的形式显示出来。它包括译码和显示电路。 电子计数器以数字方式显示出被测量，目前常用的有LED显示器和LCD显示器。LED为数码显示，其优点是工作电压低，能与COMS/TTL电路兼容，发光亮度高，响应快，寿命长。

LCD为液晶显示，其突出优点是供电电压低和微功耗，它是各类显示器中功耗最低的。同时，LCD制造工艺简单，体积小而薄，特别适用于小型数字仪表。特别是近年来图形点阵LCD的大量应用，为仪器带来了更加丰富、直观、智能的操作界面。现在是76页\一共有89页\编辑于星期一

4.时间基准部分 时间基准电路包括晶体振荡器、分频器、倍频器以及时基选择电路。

5.主门及控制部分 控制电路一般由双稳电路、单稳电路等构成，它包括门控电路，工作方式选择电路，记忆、显示时间和复原控制电路等。控制电路的作用是产生各种指令信号，如闸门脉冲、闭锁脉冲、显示脉冲、复零脉冲、记忆脉冲等，控制和协调各单元电路的工作，使整机按一定的工作程序完成测量任务。

6.电源部分 这部分电路包括整机电源电路、晶体振荡器和恒温槽电源电路。

现在是77页\一共有89页\编辑于星期一图32量化误差的形成

（四）通用电子计数器的测量误差分析

1.测量误差的来源

1）量化误差 如图32所示，虽然闸门开启时间都为T，但因为闸门开启时刻不一样，计数值一个为9，另一个却为8，两个计数值相差1。现在是78页\一共有89页\编辑于星期一图33噪声和干扰产生的触发误差

量化误差的相对误差为：

2）触发误差 施密特电路输出规则的矩形波，如图33(a)所示。现在是79页\一共有89页\编辑于星期一

3）标准