项目一电子测量基础知识

项目一电子测量基础知识

1、电子测量概述

(1)电子测量的意义

①概念

测量定义：测量是为了获取被测量对象而进行的实验过程。

测量结果=数值+相应的单位

注意：无单位的量值无意义。

测量意义：测量是发现新问题、提出新理论的依据；科学的进步

和生产的发展与测量技术手段的发展和进步是相互依赖、相互促进的。

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。

②电子测量

电子测量：即以电子技术为手段的测量。它是衡量一个国家科学

技术发展的标志。

③电子测量的意义

电子测量已成为一门发展迅速、应用广泛、精确度越来越高、对

现代科学技术的发展起着巨大推动作用的独立学科。电子测量不仅应

用于电学各专业，也广泛应用于物理学、化学、光学、机械学、生物

学、医学等科学领域以及生产、国防、交通、信息技术、贸易、环保

乃至日常生活领域等各个方面。

(2)电子测量的内容

电子测量的范围十分宽广，从狭义上来看，是电子学中测量有关

电的量值，其内容主要有以下儿个方面：

①电能量的测量，如测量I、U、P、电场强度等。

②电子元器件参数的测量,如测量R、L、C、Q、电子器件的参数D等。

③电信号的特性和质量的测量如测量信号的波形、频谱、F、T、时

间、相位、失真度、调制度、信噪比及逻辑状态等。

④电子电路性能的测量如测量放大倍数、衰减量、灵敏度、通频带、

噪声系数等。

⑤特性曲线的测量，如测量放大器的幅频特性曲线与相频特性曲线等。

(3)电子测量的特点

同其他的测量相比，电子测量具有以下几个突出的特点：

①测量频率范围宽；

②测量量程宽；

③测量准确度高；

④测量速度快；

⑤可以实现遥测并实现测试过程的自动化；

2、电子测量的方法及仪器的分类

(1)测量方法

①按测量手段不同分类

>直接测量法：用预先按已知标准量定度好的测量仪器，对某一未

知量直接进行测量，从而得到被测量值的测量方法称为直接测量。

>间接测量：对一个与被测量有确切函数关系的物理量进行直接测

量，然后通过代表该函数关系的公式、曲线或表格，求出被测量

值的方法，

②按测量的性质分类

>时域测量：时域测量是测量被测对象在不同时间的特性。这时把

被测量对象看成时间的函数；

>频域测量：频域测量是测量被测对象在不同频率时的特性。这时

把被测量对象看成频率的函数；

>数据域测量：数据域测量是指对数字系统逻辑状态进行的测量，

即测量数字信号是“1”还是“0"，又称数字测量技术。

>随机测量：主要是对各类噪声信号、干扰信号进行动态测量和统

计分析。最普遍存在、最有用的随机信号是各类噪声。所以随机

测量技术又称为噪声测试技术。

（2）测量方法的选择原则

在选择测量方法时，主要考虑以下几个因素：

①被测量本身的特性；

②所要求的测量准确度；

③测量环境；

④现有测量设备。

（3）电子测量仪器的分类

电子测量仪器按功能分为：

①电平测量仪器类：如电压表，毫伏表等。

②电路参数测量仪器类：如Q表，晶体管图形测试仪等。

③频率、时间、相位测量仪器：如频率计，相位计等。

④波形测量仪器：主要指各类示波器。

⑤信号分析仪器：如频谱分析等。

⑥模拟电路特性测试仪器：如扫频仪等。

⑦数字电路特性测试仪器：如逻辑分析仪等。

⑧测试用信号源：如高、低频信号发生器等。

3、测量误差及处理

（1）电子测量误差的表示方法

①相关概念

真实值：在一定的时间和环境下，被测量本身具有的客观大小或

真实数值。（实际中不可知）

>实际值：在实际测量中，用高•级标准仪器的测量值来代替的真

实值。也叫相对真实值。（实际应用中可代替真值）

>标称值：被测对象上标定的数值。

>示值：指仪器的测量值。

例：用一电流表测量某电流值，量程选择10mA档。刻度盘指示如下图

所示：

其读数为：8；

示值为：8mA

②误差的表示方法

测量误差的表示方法

测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。

1.绝对误差

（1）定义：山测量所得到的被测量值x与其真值4之差，称为绝

对误差，即

=（1-1）

式中，—为绝对误差。因此Av既有大小，又有符号和量纲。

式（1—1）中的真值4是一个理想的概念，一般来说是无法得到

的，所以实际应用中通常用十分接近被测量真值的实际值A来代替真

值4。实际值也称为约定真值，它是根据测量误差的要求，用高一级

以上的测量仪器或计量器具测量所得之值作为约定真值，即实际值4。

因而绝对误差更有实际意义的定义是：

Ax=x-A(1—2)

绝对误差表明了被测量的测量值与被测量的实际值间的偏离程度

和方向。

(2)修正值

与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值，

用C表示为C=-Ar=A-x(1—3)

测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以

是数值表格、曲线或函数表达式等形式。在日常测量中，利用其仪器

的修正值C和该已检仪器的示值x,可求得被测量的实际值

A=x+C(1—4)

例如：某电流表测得的电流示值为0.83mA,查该电流表的检

定证书，得知该电流表在0.8mA及其附近的修正值都为

-0.02mA,则被测电流的实际值为A/=x+C

=[0.83+(-0.02)]mA=0.81mA

2.相对误差

绝对误差虽然可以说明测量结果偏离实际值的情况，但不能完全

科学地说明测量的质量(测量结果的准确程度)，不能评估整个测量结

果的影响。因为一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而

且与这个量本身的大小有关。当绝对误差相同时，这个量本身的绝对

值越大，则准确程度相对地越高，因此测量的准确程度需用误差的相

对值来说明。

(1)相对误差,、实际相对误差〃、示值相对误差九

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/表示

Ar

z=_xlOO%

4(1-5)

相对误差只有大小和符号，没有单位。由于真值是不能确切得到

的，通常用实际值4代替真值4来表示相对误差，用心表示为

式中，〃为实际相对误差

在误差较小、要求不太严格的场合，也可以用测量值X代替实际值A,

称为示值相对误差九

Ar

y*=一xlOO%

x(1-7)

当Ar很小时，x=A,有心"力。

［例1—1］多级弹导火箭的射程为10000km时，其射击偏离预定点

不超过0.1km,优秀射手能在距离50m远处准确地射击，偏离靶心不

超过2cm,试问哪个射击精度高？

*100%=0.001%

解火箭的命中目标的相对误差为10000km

=2cm*100%=0.04%

射手的命中目标的相对误差为50xl02cm

火箭的射击精度（十万分之一）比射手的射击精度（万分之四）

高。

（2）满度相对误差（引用相对误差）九"

实际中，也常用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差

与该量程的满刻度值（该量程的上限值与下限值之差）4之比来

表示的相对误差,称为满度相对误差（或称引用相对误差），用％，，表

Ax

ym=-^x100%

示为%(1-8)

由式（1—8）可知，通过满度误差实际上给出了仪表各量程内绝

对误差的最大值

7=,4,,(1-9)

电工仪表就是按引用误差%之值进行分级的。4是仪表在工作条

件下不应超过的最大引用相对误差，它反映了该仪表的综合误差大小。

我国电工仪表共分七级：0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5及5.0。如果仪

表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%,即I%"4S%则

九=&%

电表在该测量点的最大相对误差心可表示为x（1-10）

因故当x越接近于时，九越接近S%,其测量准确度

越高。因此，在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽

可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。

［例1-2］某待测电流约为100mA,现有0.5级量程为0~400mA和

1.5级量程为0~100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？

解用0.5级量程为0~400mA电流表测100mA时，最大相对误差为

九=^-5%=—x0.5%=2%

x100

用1.5级量程为0~100mA电流表测量100mA时的最大相对误差为

③允许误差（容许误差）：仪器在规定的条件下，可能产生的最大

误差范围。

（2）误差的分类

1.系统误差

定义：相同条件下多次测量同一量，误差的绝对值和符号保持恒

定，或在条件改变时按一定规律变化的误差，叫系统误差。系统误差

简称“系差”，用e来表示。

产生原因：测量仪器设备在设计和制作上有缺陷，测量时环境条

件与仪器要求不一致，测量方法不完善，测量设备的安装、放置和

使用不当，测量人员的不良习惯及生理上的限制。

特点：

恒差系：就是当测量条件一经确定，系统误差就是一个客观上恒

定的值，多次测量取平均值并不能改变其大小。

变系差：就是在测量条件改变时，一般来说系统误差是变化的，其

规律有累进性的，也有周期性的，还有复杂规律变化的。

处理方法：采用一定的技术措施来削弱或消除。（由特点决定的）

2.随机误差

定义：相同条件下多次测量同一。量，误差的绝对值和符号均以不

可预定方式变化的误差，叫随机误差。随机误差简称“随差”，用;

表示，一般是绝对误差形式。

产生原因：主要是那些对测量影响微小而又互不相关的多种因素共

同造成的，也就是随机因素的影响。

就一次测量而言，随差没有规律、不可预定、不能控制，也不能

用实验的方法加以消除。但当测量次数足够多时，随差总体服从统计

规律，多数情况下接近正态分布，部分属均匀分布或其它分布。

特点:在多次测量中，随机误差的绝对值不会超过一定的界限，即

有界性；绝对值相等的正负误差出现的机会相同，即对称性；随机误

差的算术平均值随着测量次数的无限增加而趋于零，也就是说多次测

量中随机误差有相互抵消的特性，即抵偿性。

处理方法：多次测量取平均值来削弱，即数据处理，而非测量技术。

3.粗大误差

定义：在一定测量条件下，测量示值明显偏离被测实际值所形成的

误差。粗大误差又叫疏失误差。

产生原因：有测量条件突然变化的客观原因，如测量过程中供电电

源的瞬时跳变；也有测量人员疏忽的原因，如测错、读错、记错等。（就

其性质而言，粗大误差可能是过分大的系差，也可能是过分大的随差,

因其误差值太大分类时被单独划分为一类误差。）

处理方法：粗大误差对应的测量值称为坏值，在测量结果中应予以

剔除。

产生测量误差的原因有以下方面：

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。

（4）测量结果的表示及有效数字

①测量结果的表示

这里只讨论测量结果的数字式表示，它包括一定的数值（绝对值的大

小及符号）和相应的计量单位。

例如：7.IV、465KHz等。

有时为了说明测量结果的可信度，在测量结果中还要同时注明其测量

误差值或范围。

例如：4.32±0.01V,465±lKHz等。

②有效数字：组成数据的每个必要数字。

有效数字是指从最左面一位非零数字算起，到右边的最后一位数字为

止。

例如：0.0516,9.06,465,2.03等都是三位有效数字

对有效数字位数的确定应掌握以下几点。

>有效数字位数与测量误差的关系。原则上可从有效数字的位数

估计出测量误差，一般规定误差不超过有效数字末位单位的一半。

例如，1.00A,则测量误差不超过±0.005A.

>“0”在最左面为非有效数字。“0”在最右面或两个非零数字之间

均为有效数字，不得在数据的右面随意加“0”。

>有效数字不能因选用的单位变化而改变。如测量结果为2.0A,它

的有效数字为两位。如改用mA做单位，将2.0A改写成2000mA,

则有效数字变成四位，是错误的，应改写成2.0X10,mA,此忖它

的有效数字仍为两位。

>如用科学计数法,则“10”的方幕前面都是有效数字。例如：1.02X103

它的有效数字为3位。

③数据的舍入规则

超过保留位数的有效数字，应予删略。删略的原则如下：

>四舍六入。

>若大于保留数字末位数为“5”时

如“5”后为非0数，则“入”。

如“5”后为0,则“求偶数法则”，即是原为奇数则加1变为

偶数，原为偶数不变。

例1:将下列数据舍入保留三位有效数字:

16.43-16.4（0.03<0.1/2=0.05,舍去）

16.46—16.5（0.06>0.1/2=0.05,舍去且往前位增1）

16.35-16.4（0.05=0.1/2,3为奇数,舍去且往前位增1）

16.45—16.4（0.05=0.1/2,4为偶数，舍去）

16.4501-16.5（0.0501>0.1/2=0.05,舍去且往前位增1）

【例】将下列数字保留三位有效数字。

解：25.534-25.533.461-33.5

124.5-124789.5-790

④有效数字的运算

>力口、减运算，有效数字的取舍以小数点后有效数字位数最少的那

一项为准。

>乘、除运算，有效数字的取舍决定于有效数字最少的一项数据而

与小数点无关。

【例】对下列数据式子进行有效数字的计算。

6.362+2.4+2.355；24.31X0.42+2.09。

解：6.362+2.4+2.355=6.4+2.4+2.4=11

24.31X0.424-2.09=24X0.424-2.1=27

系统误差的判别

1.恒系差的判别

(1)校准用仪器仪表本身的校准装置进行自校，发现并消除之，如

磁电系仪表的“机械调零”等；用更高级别的仪表来校准所使用的仪

表，给出的修正值，如仪表的出厂鉴定和使用过程中的定期送计量部

门鉴定。

(2)比对用多台同类仪器测量同一量进行相互对比，从而发现系差

(研制仪器时常用).

(3)改变测量条件通过对不同条件下测量结果进行比较来发现系差

并消除。如，对环境磁场的影响，可将仪表位置调转180°前后测两次

来发现系差，并取平均值来消除系差。

2.变系差的判别

(1)残差观察法

当系差明显大于随差时，有规律地变化某一测量条件进行测量，求出

残差，并按先后次序列表或作图，观察各残差大小和符号的变化。再

判断是累进性的还是周期性变系差。

A匕A匕

0L►i0~

系统误差的削弱或消除方法

1.从产生系差根源上采取措施减小系差

①要从测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。

②测量仪器定期检定和校准，正确使用仪器。

③注意周围环境对测量的影响，特别是温度对电子测量的影响较大。

④尽量减少或消除测量人员主观原因造成的系统误差。应提高测量人

员业务技术水平和工作责任心，改进设备。

2.用修正方法减少系统误差

修正值=一误差=一(测量值一真值)

实际值=测量值+修正值

3.采用一些专门的测量方法

①零示法

②替代法

③交换法

④对称测量法

⑤减小周期性系统误差的半周期法

系统误差可忽略不计的准则是：

系统误差或残余系统误差代数和的绝对值不超过测量结果扩

展不确定度的最后一位有效数字的一半。

误差的分配

1.等准确度分配原则

等准确度分配是指分配给各分项的误差彼此相同。

可分配给各分项的系统误差为

可分配给各分项随差为

注意：等准确度分配通常用于各分项性质相同（量纲相同）、大小相近

的情况。

2.等作用分配原则

指各分项误差对误差总合的作用是相同的，而分配给各分项的误

差在数值上不一定相同。

可分配给各分项的系统误差误差为

可分配给各分项的随差为

此外，可据微小误差准则抓住主要误差进行分配，即忽略对综合影响

小的分项，只保证主要项误差小于总合误差即可。

注意，上述误差分配适于等精度测量，对于非等精度测量可通过加“权”

进行类似的误差分配。

等精度测量的数据处理

等精度测量的数据处理过程（步骤）

对测量数据按先后顺序排列，然后按下列步骤处理：

1.求算术平均值；

2.求各测量值的残差；

3.将残差求和，若不为零，则应重复1〜2步骤。应注意残差值很小

时，残差和是否为零应与残差比较，当比残差值小一个数量级以上就可

以认为为零；

4.按贝塞尔公式计算标准差的估计值；

5.坏值判断，对正态分布用莱特准则进行判断，若有坏值应剔除，然

后重复1〜4步骤。注意一次只能剔除•个坏值（最大误差对应的坏值）;

1、模拟式电压表

（1）主要结构

表头：磁电式直流电流表；

交直流转换器：检波器。

（2）分类

1）按检波器的位置分类

a、放大一检波式

先放大再检波，因此灵敏度很高，通频带窄。

b、检波一放大式

先检波再放大，因此通频带很宽,灵敏度较低。

c、外差式

其组成为：外差式接收机+宽频电平表。特点是：灵敏度高，通

频带宽。

2）按检波器的类型分类

a、均值电压表：检波器为均值检波器；

b、峰值电压表：检波器为峰值检波器；

c、有效值电压表：检波器为有效值检波器；

2、数字电压表（DVM）

（1）主要结构：A/D转换器。

（2）分类：

按A/D转换器的类型可将数字电压表分为：

比较式数字电压表；

积分式数字电压表；

复合式数字电压表。

三、交流电压的基本参数

1、峰值（Up）

以零电平为参考的最大电压幅值；

振幅值（Um）

以信号中直流分量为参考的最大电压幅值。

2、平均值

交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形(•般

若无特指，均为全波整流)。

3、有效值

定义：交流电压u(t)在一个周期T内，通过某纯电阻负载R所产生的

热量，与一个直流电压V在同一负载上产生的热量相等时，则该直流

电压V的数值就表示了交流电压u(t)的有效值。

4、波峰因数

波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用Kp表示，

5、波形因数

波形因数定义：有效值与平均值的比值，用KF表示，

直流功率测量

直流功率的测量方法主要有如下几种。

伏安法测功率

直流电路的功率定义为：P=UI(7-1)

可见直流功率可通过测量U、I值按式(7-1)间接求得，测量电路如

图7-1所示。

«—―0—T«—-

()HR01

0~i------

(a)(b)

(a)图的电压表接在电源端(前接)，所测电压包括负载R和电

流表A两部分的电压，负载电流越小，电流表上压降越小，引起的误

差越小，所以适于测R值大的场合。

(b)图电压表接在负载R端(后接)，电流表中的电流包括电压表

和负载两部分，R值越小，电流越大，则电压表支路占的电流比重越

小，误差就越小，所以适于测R值小的场合。

在较精密测量中，采用(b)图接线电路，再扣除电压表那部分电

流的影响。

根据欧姆定律，式(7-1)可推广为：P=FR=IJ2/R(7-2)

这样，若被测电路负载电阻R已知，则可以只测电压或只测电流来

间接测得被测功率。

功率表法测功率

用电动系功率表来测量直流功率是最为方便的，因为只需要一只

表，同时是直接测量。由于电动系功率表有电压线圈和电流线圈，所

以和上述方法一样，也有电压线圈“前接”和“后接”问题。

交流功率测量

对交流电路来讲，有视在功率、有功功率和无功功率，人们习惯

于将交流有功率简称为功率。下面分单相和三相分别予以介绍测量方

法。

单相交流有功功率的测量

单相交流电路的有功功率为：P=UICOS。

它由电压、电流和功率因数三个因数决定，对它的测量有下述几

种方法。

1.伏安法

根据式（7-6）,利用电压表和电流表测出被测电路的电压和电流,

并用功率因数表测出功率因数（或用相位表测相位），就可以计算出被

测电路的有功功率。由于功率因数表的准确度不高，此种方法很少采

用。

2.三表法

这里的三表法，是指用三电压表或三电流表来测量单相交流电路

的有功功率，如图7-5所示。

（a）图为三电压表法，（b）图为三电流表法，图中R为便于测量而串

（或并）入的纯电阻。为了不影响被测电路的工作状态，三电压表法

串入的电阻R应较小，三电流表法并入的电阻R应较大。

对三电压表法，由（a）图矢量图知：

222

UI=U2+U3-2U2U3COS（180-C）（7-7）

22

=U2+U3-2U2U3COSC

因为：U2=IR和P=U31cosc

（7-8）

可见，三表法根据三块表的示值和串入（或并入）的电阻R值，按式

(7-8)或式(7-10)直接计算出被测单相交流电路的功率。

3.功率表法

利用电动系功率表直接进行测量，这是测量功率最常用的方法。

磁电系仪表与变换器配合构成变换式功率表，它结构简单、准确

度高、抗干扰能力强，因而使用也很普遍，特别是安装式功率表较多

都采用这种结构。

4.数字化测量

与直流功率的数字测量一样，先将交流功率转换成电压，再对电

压进行数字显示。霍尔转换器不但能够将直流功率转换成成正比的电

压，而且也能将交流功率转换成成正比的电压。

三相交流有功功率的测量

实际工程中广泛采用三相交流电路，因而更多地需要测量三相交

流电路的功率和电能。测量三相电路的功率，主要采用电动系功率表。

根据三相电路负载连接方式的不同，分别用单相功率表或三相功率表

来进行测量。对于无功功率可用有功功率表来进行测量。

1.有功功率测量

(1)一表法

一表法指用一块单相功率表测量三相电路的功率。由电路理论知,

三相电路的总功率等于三相功率之和。

因此，一表法适于三相对称电路有功功率的测量。测量结果等于表的

示值乘3即:

(7-11)

式中P为单相功率表的示值。

图7-6一表法测三相功率

三相对称电路，对“Y”接来讲是三相三线(或四线)制，对“△”接

来讲是三相三线制。图7-6给出了一表法测三相交流功率的电路。对

于“Y”接电路，功率表电流支路可串于三相电路任意一相中(图示为串

于A相），而电压支路则跨接于该相与中性线之间，如（a）图所示。

对于“A”接电路，电流支路串于任意一线中，电压支路则跨接于该线

与人工中性点之间，如（b）图所示。要实现人工中性点，须使R等于

功率表的R值。

电能测量

电能的测量，在工农业生产和人们生活中几乎是不可缺少的，从

使用范围和使用频率来看都是很广泛的。当然，严格讲测量电能已属

计量的范畴。

测电能的常用方法，是用电工仪表类的电度表（俗称火表），因为

它的成本低，测量的准确度满足实用要求，固定安装也方便。所以,

目前我国各类用电的用户几乎都毫无例外地采用它。

山于电子技术的不断发展，微处器、计算机芯片、单片机等得到

了广泛应用。因此，电能的数字测量、智能测量在上世纪八十年代逐

步发展起来。在我国，如国营九江仪表厂的PS43（CB3）系列产品，

准确度达0.05级，不但可数字显示，还可以配带打印机，误差显示到

十万分之一，同时配有通信接口，便于组成大的监测系统。

尽管电能的数字（智能）测试具有高科技的优点，但造价太高，不

可能大面积使用，多作为标准在计量时使用。

一、数字多用表的主要特点

•扩展了DVM的功能，可进行直流电压、交流电压、电流、阻抗等

测量。

・测量分辨力和精度有低、中、高三个档级，位数3位半~8位半。

•一般内置有微处理器。可实现开机自检、自动校准、自动量程选择,

以及测量数据的处理（求平均、均方根值）等自动测量功能。

•一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等,易于组成自动测试

系统。

一、数字万用表的主要技术指标

・量程

基本量程:无衰减或放大时的输入电压范围，由A/D转换器动态范

围确定。

扩展量程:通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展为其它

里在。

例如：基本量程为10V的DMM,可扩展出0.1V、IV、10V、100V>

1000V等五档量程；

基本量程为2V或20V的DMM,可扩展出200mV、2V、20V、

200V、1000V等五档量程。

•显示位数

完整显示位：能够显示0~9的数字。

非完整显示位：只能显示0和1（在最高位上）称为1/2位；只能

显示0~5称为3/4显示位。

例如：（1）4位DMM

具有4位完整显示位，其最大显示数字为9999。

（2）4位半DMM

具有4位完整显示位，1位非完整显示位，其最大显示数字为

19999o

（3）43/4位口乂乂

具有4位完整显示为，1位非完整显示位，其最大显示数字为

59999。

•分辨力

定义：DMM能够分辨最小电压变化量的能力，反映了DMM灵敏

度。用每个字对应的电压值来表示，即V/字。

不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小

量程上具有最高分辨力。

例如：3位半的DMM,在200mV最小量程上，可以测量的最大输入

电压为199.9mV,其分辨力为O.lmV/字（即当输入电压变化O.lmV时,

显示的末尾数字将变化“1个字”）。

・超量程能力

定义：指数字电压表能测量的最大电压超过其量程值的能力。

DMM有无超量程能力取决于它的量程分档情况和能够显示的最大数

字情况。

可从计数脉冲角度来考虑，显示器可显示多余脉冲则有超量程能

力。

例如：1、显示位数为3位完整位的数字电压表

最大显示数字为999,其内部在进行模数转换时，若被测电压转

换成的计数脉冲数大于999,则多出的脉冲无法被计数器显示，将溢出，

既不能被测量。

2、显示位数为3位半时

最大显示数字为1999,其最高位还可容纳多出的脉冲，即可进

行超量程测量。

带有半位的DMM如按2V、2OV、200V等分档，最大显示数字

位则无超量程能力；若按IV、10V、100V等分档则具有100%的超量

程能力。

计算公式:超量程能力=［（能测量的最大电压-量程值）/量程值］X100%

例如：3位半DMM

2V量程时，最大显示数字为1999,最大测量电压为1.999V,无

超量程能力；

IV量程时，最大显示数字为1999,最大测量电压为1.999V,超

量程能力为100%。

可见，附加首位（即1/2位），在IV、10V等基本量程时具超量程能力。

・测量速度

每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。

一般低速高精度的DMM测量速度在几次/秒~几卜次/秒。逐次比较式

最高可达IO、次/秒以上，比积分式高。

•输入阻抗

输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。输入阻抗宜越大越好,

否则将影响测量精度。

对于直流DMM,输入阻抗用输入电阻表示,一般在10M0-1000M

Q之间。

（4）抗干扰能力

积分型DMM抗串模干扰能力较强，适当延长采样时间可改善抗

干扰性能。低频串模干扰大，特别是工频干扰。当取采样时间为干扰

信号周期的整数倍时，串模干扰抑制相当好。所以，常取采样时间为

20ms、40ms、80ms等。

对于交流DMM,输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容

值一般在几十~几百pF之间。

例题：1、现有三种数字电压表，其最大计数容量分别为（1）999；

（2）1999；（3）5999（4）1199。它们各属于几位表？有无超量程能

力，如有则各为多少？第二种电压表在0.2V量程的分辨率是多少？

解：1）它们分别为：3位，3位半，33/4位，3位半；

2）（1）为完整显示位数的电压表，则无超量程能力；

（2）具有半位，则在IV、10V、100V等量程上具有100%的超

量程能力；在2V、20V、200V等量程上无超量程能力；

（3）具有33/4位，则在5V、50V、500V等量程上，最大

测量电压为5.999V,59.999V,599.99V,分别具有20%的超量程能力。

（4）具有非完整位，在IV、10V、100V等量程上具有20%的

超量程能力；在2V、20V.200V等量程上无超量程能力；

3）在0.2V量程上，该电压表无超量程能力，最大测量电压为

0.1999V,则分辨力为0.0001V。

分类（据A/D工作原理）：

（1）比较型A/D转换器直接转换式，它将输入模拟电压与标

准电压进行比较来转换。

分类：反馈比较式、无反馈比较式。常用有闭环负反馈的逐次比

较式。

（2）积分型A/D转换器间接转换式，先将模拟电压通过积分

器变成时间（T）或频率（F）,再把中间量转换成数字量，主要有：

“V"”式，有双斜积分式、三斜积分式、脉宽调制式等；

“V/F，式，有脉冲反馈式和电压反馈式等；

复合型，二者的结合。

原理框图：

即由模拟电路、数字逻辑电路和显示电路三部分组成。

核心：A/D转换器。

V/T积分型DVM

DVM的灵敏度高（•般可达1uV,高的可达InV）、准确度高（直流

可达10-6量级），则干扰对准确度影响突出。而积分式DVM具有较

高的串模干扰抑制能力，因而自上世纪六十年代问世以来得到较快的

发展，在数字电压表中占有相当重要的地位。

积分式中应用最广的是V"型的双斜积分式。

原理电路：

基本原理：在一个测量周期内用同一个积分器积分两次，将被测电压

转换成与其成正比的时间间隔，用此间隔内填充的标准脉冲数来反映

被测电压，故叫V"变换型。

工作原理：设被测为负电压一Ux。

⑴准备阶段（tO〜tl）：逻辑控制电路使电子开关的K4闭合，积分

器输出为零（图中未画出C的放电电路）。

⑵采样阶段（H〜t2）：逻辑控制电路使电子开关K4断、K1合，

积分器正向积分（U01>0）,比较器输出打开主门，则时钟脉冲通过主

门进入计数器计数。

当t=t2,计数器计数满预先给定值N1（即定时积分Tl=NITO（TO

为时钟周期）），逻控电路使电子开关K1断开，第一次积分（正向积分）

结束。

（3）比较阶段（t2〜t3>在比时刻,逻控使K1断开的同时接通K2,还

使计数器清零。积分器开始反向积分，主门仍开启，计数器重新对脉

冲计数。

注意：①被测电压Ux正比于时间隔T2（或N2）,因Us、Tl（或N1）

均不变。（被测电压为+Ux,定值积分由K3接入一Us）

②采样阶段定时积分，即T1不变，当Ux小时积分斜率也小，

积满T1时的Uom也小；比较阶段定值积分，即Us不变，积分斜率不

变，当Ux小就有Uom也小，从Uom积到零所需的时间T2也就小。

③V—T型变换结果与积分参数RC无关，因为两次积分都是

同一积分器完成的，所以测量准确度高。

④被测结果取决于两个因数：一是标准电压Us的准确度与稳定

度，二是比值T2/T1。对后者，因是同•时钟脉冲决定的，则对时钟

的频率准确度不要求，但对短期稳定度则要求要高。

⑤抗干扰能力强。串模干扰：因双斜积分本质是平均值转换，对

幅值对称的交流串模干扰有很强的抑制能力。串模干扰主要是工频，

当选定时积分时间T1为工频周期的整数倍（如20ms、40ms、80ms等）

时，可将工频干扰全部消除。共模干扰：通过模拟电路与数字电路间

隔离，或采用双层屏蔽、浮地技术等，提高抗共模干扰能力。

另：双积分A/D转换器集成化，比逐次比较型集成简单，成本也

低，故而广为应用。常见的DF-6、DS-14等型号数字电压表均采用V"

型双积分转换。

高频电压测量

高频电压用峰值电压表测量。因峰值表采用“检波——放大”式，检波

器置于探头内，高频交流先变为直流再放大显示。

要求（串联式）：满足条件

Tmax>Tmin：被测电压最大、最小周期;

—

R£C、RC：电容充、放电时间常数。

可见：充电快、放电慢,电容端压的平均值近似峰值电压，即

UR=UC-UP

注意：①二极管工作在丙类（稳态下只有Ux>Uc时D才导通）。

②并联峰值检波，原理同串联式，R上的电压极性相反。优点:

具有隔直作用，只测电压的交流部分（当含直流分量时）。

③倍压检波，并联式与串联式的组合，可构成“峰—峰”值电

压表。

原理框图：

检波电路：并联式峰值检波，高频二极管置于探极内，上限频率可达

300MHz。

放大器：普遍采用斩波式直流放大器，即“交——直—交”放大，增

益很高，而噪声和零点漂移均很小，可较好地解决增益与零漂之间的

矛盾。如国产HEJ-8型超高频毫伏表。

低频电压测量

低频电压指1MHz以下的电压。用平均值电压表（平均值检波）

来测量。

1.均值检波原理

检波就是整流，有半波、全波。

图示二极管桥式（全波）整流。实际中D3、D4常用电阻代替。在理

想情况下，流过微安表表头的电流为

°T1RR

式中R为微安表的等效电阻。

注意：表头电流与输入电压平均值成正比，即有均值响应。

二极管工作在乙类，因正向偏压导通半周。

脉冲电压用脉冲电压表来测量。

脉冲电压特点：脉冲周期与脉冲宽度的比（也就是占空比）很大。

峰值表测量，难满足充电快、放电慢条件，理论误差很大。

噪声电压测量

电子电路中，噪声主要是各种元器件（晶体管、电阻等）内部带

电质点运动的不规则所造成的现象，它严重影响系统传输微弱信号的

能力。

热噪声:内部微粒不规则热运动产生的噪声。

散粒噪声:电流通过晶体管PN结时，因电荷运动的不连续产生的

晶体管噪声。

白噪声：频率能量分布均匀的噪声。

在线性频率范围内热、散粒噪声的能量分布均匀，属白噪声。

噪声电压信号是随机的，波形非周期，变化无规律。白噪声电压

瞬时值分布规律符合正态分布，其概率密度函数为高斯型

噪声用分贝来衡量，而噪声电压用电平的分贝来衡量，主要用在

通信系统测试中。

用有效值电压表测噪声电压。因为，有效值表测任意波形电压不

存在波形误差，故常用于测量噪声电压、非线性失真度测量中的谐波

电压等。

■Q表的组成和框图原理

I.Q表的组成

Q表是由频率可调的高频振荡器（信号源）、标准的可变电容器、

高阻抗的电压表（高频电压表）和谐振回路所组成的。

图9-13中1、2两点间接被测线圈LX,或2、3两点间接被测电

容CX。

（2）Q值的概念

>串联谐振回路中，线圈和电容两端的电压不仅绝对值相等，

而且是电源（信号源）电压的Q倍，这个倍数就叫Q值，即回路

的Q值。

>不严格地说，这个Q值也可以叫线圈（及电容）的Q值，即元

件的Q值。

>严格地说，元件的Q值不等于回路的Q值，因为回路本身

有其他部件的损耗，所以回路的Q值和元件的Q值之间还存

在一个修正值。

>Q值是电感线圈的一个重要参数，它的大小决定于线圈的内阻

和寄生电容（分布电容）的大小。

(3)Q表框图原理

被测电感线圈3与电容C(实际上是C〃C'C是主调，C,

是微调)串联，调C,使回路发生串联谐振(AKAs),这时电压表V：测

得信号源的电动势E,电压表V2测得电容两端的电压为“c,因为

uc=QE

若将E保持为一个恒等值(一般为10mV),则V2所指示的就是这

个恒等值的Q倍，这样V2就可以按Q值刻度，在测量时直接读出Q

值了。

Q表除了测元件的Q值外，还能测元件的其它参数。

＞测量电感时，1、2端接被测电感，2、3端接标准可变电容器,

改变信号源的频率，V2两端的电压将由小增大再变小，当V2

两端输出电压最大时，信号源的频率和电路固有频率相等发生

谐振，有，而得到电感值。

＞测量电容时，1、2端接标准电感，2、3端接被测电容用上述

同样的方法使电路发生谐振，有。

也可以得到谐振回路中的等效电阻

1.测量电容

(1)直接测量法测量电容

如图9-14CS不接入；接入标准电感LS和被测电容CX,调节信号源

的频率为川，回路发生谐振，即电压表的读数为最大，利用F面的公

式可以得到CX:

(2)并联替代法测量电容

如图9-14,先只将大于被测电容CX的标准可变电容CS接入3、4点，

并置于最大容量CA,调节信号源频率至加，使回路处于谐振状态；信

号源频率不变，再接入被测电容CX,调节CS使回路发生谐振，记下

CS的值为CB。前后两次接成的谐振回路，电感LS不变，谐振频率也

相同，所以有下式：

(3)串联替代法测量电容

如图9-14,先只将CS(CS＜CX)接入3、4点间，并调节CS为

较小值CA,再调节信号源的频率至川，使回路发生谐振；信号源频率

不变，取掉1、3点间的连线，将被测电容CX接于1、3两点间，调

节CS使回路发生谐振，记下CS的值为CB.前后两次接成的谐振回

路，电感LS不变，谐振频率也相同，所以有：

即。

串联替代法适用于测量大电容。

2.测量电感

(1)用直接测量法测量电感

如图9-15,标准电容CS及LX接入，LS不接入，调节信号

源的频率为川，回路发生谐振，即电压表的读数为最大，利用下面的

公式可以得到LX

(9-21)

式中cs、yo是已知量，故LX可以确定。

(2)用并联替代法测量电感

如图9-15,1,2点先只接入LS,LS与CS组成回路，调节

CS至较小容量CA,调节信号源的频率为70,使回路发生谐振，即电

压表的读数为最大，有下式：

,即

再把LX接入1、2点，LS、LX、CS组成回路，调节CS使

回路发生谐振，记下CS读数为CB,有

将上面两个式子化简得到下式

并联替代法适用于测量大电感、大电阻。

A电子元器件中，电阻器、电容器和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。

>基本电路元件按其在电路中的工作频率不同，采用不同的

测量方法和仪器。工作在低频电路中的元件，常采用电桥法测

量，通常使用直流电桥、交流电桥和万用电桥；工作在高频电

路中的元件，常采用谐振法测量，通常使用Q表、高频电感电

容测量仪。

>因为半导体器件需要测量的参数很多，有直流参数、低频

参数和高频参数，应根据需要测量参数的不同选择不同的测试

仪进行测量。常用的仪器有晶体管特性图示仪、晶体管直流参

数测试仪、h参数测试仪、Y参数测试仪和场效应管测试仪等。

电阻器、电容器、电感器这些基本电子元件，由于它们的特性可

由两端的电压和电流之间的关系来确切表达。

1、电阻器

实际电阻器并不是纯电阻，存在引线电感和分布电容，当电阻器

工作在低频时，主要为电阻性质，电抗性质可忽略。

由式(4.3)A可见，分布电容CO和分布电感20越小，电阻器的阻

抗则越接近其标准电阻。随着工作频率升高，电抗分量不可忽略，其

复阻抗的特性会明显呈现出来。

>另外，工作在交流电路中的电阻器，由于集肤效应的存在，其

交流等效电阻也会随频率升高而略上升，即直流电阻和交流电

阻并不相等。

>理想的电阻器不含电抗分量，流过它的电流与其两端的电压同

相。

>实际的电阻器却总存在着一定的寄生电感。考虑了寄生电感

L0之后，电阻器的等效电路如图4.3所示。

>在低频状态下，入0很小，故寄生电感乙0的影响可以忽略：

但在高频状态下，L0很大，故必须考虑L0的影响。

2、电感器

实际电感器由于线圈存在直流电阻，使电感器消耗一定的能量，

这种能量损耗称为电感器的电阻损耗。

标准电感线圈的值一般在0.0001-1H的范围。

＞实际的电感器也不是理想的纯电感，电感器的等效电路如图

4.3B所示。

＞当工作频率较低时，电感器呈现固有电感值L0,随着频率升高,

co的影响增大。

当工作频率远低于线圈的固有频率时，其固有电容才不致影响有

效电感的值。

3、电容器

实际电容器由于极间的电介质存在漏电阻，会使电容器消耗一定

的能量，这种能量损耗称为电容器的介质损耗。

电容器的主要参数有电容量及其误差、额定电压（击穿电压）、温

度系数、损耗因数等，实际应用中需要测量的是电容量和损耗因数。

＞电容器的等效电路如图4.3C所示。

＞频率较低时.，电容器呈现其静电电容值；频率很高后，引线电

感的影响大，阻抗特性愈加明显。

＞从上面分析电阻、电容、电感来看，一般电子元件的特性与工

作频率直接相关。

＞在选用元件时尽量要求其具有较高的标准性，电感器和电容器

的损耗电阻愈小愈好。

＞选择适当的工艺，减少分布参数，使电路的工作频率远离元件

的固有谐振频率，这样才有利于提高设备的性能。

＞测量电子元件时要在被测元件的实际工作条件下进行，使其能

反映在工作条件下的真实参量值。

工作在低频电路中的元件参数通常采用电桥法进行测量，电桥

法实际上是一种比较测量法，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。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。

电桥的平衡条件

>在阻抗参数测量中，应用最广泛的是电桥法。

>电桥法又称指零法，它是利用指零电路来作测量指示器的，工

作频段很宽。

>电桥法优点是能在很大程度上消除或削弱系统误差的影响，精

度较高。

>电路的基本形式由4个桥臂、一个信号源和一个零电位指示器

三部分所组成的。

1.直流电桥的平衡条件

>四臂电桥电路如图-5所示。

>当Zl、Z2、Z3、为纯电阻，其中Zl、Z2为固定电阻，Z3

为可调电阻，US为直流电源时，A为电流计，这时电桥为直

流电桥。

>在Z4位置上放置被测电阻，调节Z3当电桥平衡时，电流

计指示为零，有下面的式子：

11Z1=/4Z4

/2Z2=13Z3

/1=/2,13=14

Z4Z2=Z1Z3(9-4)

>式（9-4）即为电桥平衡条件。

一、电阻的测量

1.用惠斯登电桥测量电阻

调整RN使电流计没有电流流过，这时电桥处于平衡状态，如图

4.7所示：

2.采用不平衡电桥测量电阻

＞不平衡电桥测量集中参数元件操作简单，测量时间短，易实现

数字化测量。

＞它是通过直接测量电桥非平衡状态下加在指示器两端的电压

或流过的电流来测量集中参数元件。

通过电路的作用，反应被测电阻RX的U0送入数字电压表，经

过数字处理最后将RX显示在屏幕上。这种测试方法，测量精度高，

不需调整，测量速度快。

二、电感的测量

2.交流电桥的平衡条件

其工作原理与直流电桥基本相同，所不同的是桥臂由电阻和电抗

元件组成，采用交流电源供电，平衡指示表为交流电表，桥臂由电阻

和电抗元件组成，因此它可以用来测量交流电阻、电容和电感元件的

参数。

＞当流过指示器的电流为零时电桥达到平衡。电桥的平衡条件

为：Z4Z2=Z1Z3

＞交流电桥的平衡条件：一个是振幅平衡条件，一个是相位平衡

条件。要使电桥完全平衡，两个条件就必须同时满足。实际电

路中必须有两个可调节的元件。

＞测量用的电桥，将一个臂接入被测阻抗，其余三个臂接入已

知标称值的标准元件。

＞为了使调节方便，一般只调整一个臂中的可调元件，而在其

它两个臂安装固定值的标准元件。

＞臂比电桥：Z4为被测元件，选用Z1和Z2为已知值的标准元

件，Z1/Z2为定值，调节Z3来使电桥达到平衡。

＞臂比电桥适用于测量高阻抗元件，一般不用来测量电阻。用

于测量电容器，

＞臂乘电桥：Z1和Z3为已知值的标准元件，则Z1Z3的乘积

为定值，调节Z2来使电桥达到平衡。

＞臂乘电桥适用于测量低阻抗元件，一般不用来测量电阻。臂乘

电桥用于测量电感。

＞电桥的指示器的灵敏度越高越好。灵敏度越高，就越能反映出

被测元件值的差异。

万用电桥的组成和工作原理

为了测量使用方便，几种不同类型的电桥组合起来，使之具有测

量电阻、电容和电感元件参数的功能，这种电桥称为万用电桥，电桥

主要山测量桥体、音频振荡器、交流放大器和平衡指示表（检流计）几部

分组成，如图所示。测量桥体由惠斯登电桥、电容串联比较电桥（•种

比率电桥）、麦氏-文氏电桥（一种乘积电桥）组合而成，使用时通过转换

开关进行切换。

＞桥体的组成中三个臂所用标准元件都能公用。测量时通过开关

电路去进行转换。为简化仪器结构，采用电阻R和电容C作为

可调节元件。

A测量电感时，通过转换开关的切换，图9-6中，桥臂可等效为

Zl、Z2、Z