电子测量与仪器科学作业指导书

电子测量与仪器科学作业指导书TOC\o"1-2"\h\u23435第1章电子测量基础 3101831.1测量方法与测量误差 3322351.1.1测量方法 3244171.1.2测量误差 446211.2电子测量仪器的分类与功能指标 4114721.2.1电子测量仪器的分类 4236481.2.2电子测量仪器的功能指标 417819第2章电压测量 5317052.1直流电压测量 5138872.1.1基本原理 558512.1.2测量方法 541042.1.3注意事项 5133622.2交流电压测量 5139762.2.1基本原理 5186662.2.2测量方法 5212052.2.3注意事项 625912.3数字电压表的原理与应用 6240832.3.1基本原理 6189242.3.2主要组成部分 640192.3.3应用 684782.3.4注意事项 62187第3章电流测量 6295443.1直流电流测量 7130183.1.1基本原理 725833.1.2测量方法 7170463.1.3注意事项 786113.2交流电流测量 7249093.2.1基本原理 7267673.2.2测量方法 7107423.2.3注意事项 888173.3电流互感器的原理与应用 8318403.3.1原理 8307503.3.2应用 8115683.3.3注意事项 81611第4章电阻测量 9323764.1两端法测电阻 915714.1.1基本原理 9282824.1.2测量步骤 919544.1.3注意事项 953954.2四端法测电阻 9132384.2.1基本原理 9199304.2.2测量步骤 9318594.2.3注意事项 971764.3电阻测量仪表的原理与应用 1050864.3.1数字多用表 10242054.3.2电阻表 1015644.3.3四线电阻测试仪 10240794.3.4应用实例 10312364.3.5注意事项 1019366第5章频率与时间测量 10295505.1频率测量方法 10160035.1.1直接计数法 1032405.1.2频率电压转换法 10286635.1.3相位累加法 1123075.2时间间隔测量 11123915.2.1闸门时间法 11287555.2.2脉冲宽度测量法 1195245.2.3时间间隔计数法 1191695.3数字频率计的原理与应用 1178485.3.1数字频率计原理 1178855.3.2数字频率计的应用 1136705.3.3数字频率计的发展趋势 1227136第6章相位与功率测量 12106576.1相位测量 12160156.1.1相位概念 12248946.1.2相位测量原理 12322496.1.3相位测量仪表 12240366.1.4相位测量应用 1237076.2功率测量 12295956.2.1功率概念 12265606.2.2功率测量原理 13184886.2.3功率测量仪表 13147956.2.4功率测量应用 1338536.3相位与功率测量仪表的原理与应用 13103716.3.1相位与功率测量仪表原理 1327826.3.2相位与功率测量仪表的应用 13103126.3.3相位与功率测量仪表的选择与使用 1320619第7章数字信号分析 13113797.1信号采集与处理 13225537.1.1信号采集 1378687.1.2信号处理 1458907.2数字信号处理方法 1437947.2.1离散傅里叶变换（DFT） 14301897.2.2数字滤波器设计 14173217.2.3短时傅里叶变换（STFT） 14177267.3数字信号分析仪的原理与应用 14256777.3.1数字信号分析仪的原理 14120707.3.2数字信号分析仪的应用 1423611第8章网络特性测量 15233108.1网络参数测量 15326538.1.1网络参数概述 15219168.1.2测量方法 15218848.1.3测量步骤 15106598.2网络分析仪的原理与应用 15256098.2.1网络分析仪原理 15147748.2.2网络分析仪的应用 15281038.3网络特性测试方法 15100428.3.1阻抗测试 15233268.3.2反射系数测试 16151498.3.3传输系数测试 1647358.3.4驻波比测试 1697238.3.5网络特性测试报告 1622290第9章无线通信测量 16179209.1无线信号强度测量 16292169.1.1测量原理 16210449.1.2测量方法 16222919.1.3测量仪器 1686629.2无线信号质量测量 1770019.2.1测量原理 17121839.2.2测量方法 1715309.2.3测量仪器 17187349.3无线通信测试仪的原理与应用 17280159.3.1原理 17133779.3.2应用 1734469.3.3常用无线通信测试仪器 1724457第10章测量数据与误差分析 172359210.1测量数据的处理与表达 181073610.2误差分析 182486210.3提高测量精度的方法与措施 18第1章电子测量基础1.1测量方法与测量误差1.1.1测量方法电子测量涉及对各种电参数的定量检测。根据测量目的和测量对象的不同，可采用以下几种基本测量方法：（1）直接测量法：直接测量法是指在不改变被测量电量原有状态的前提下，直接得到电量的数值。例如，用万用表直接测量电阻、电压和电流等。（2）间接测量法：间接测量法是通过测量与被测量电量相关的其他电量，然后根据一定的关系计算出被测量电量的数值。例如，通过测量电阻和电流，计算电压值。（3）比较测量法：比较测量法是将被测量电量与已知标准电量进行比较，从而确定被测量电量的数值。例如，用比较仪测量电阻、电容等。1.1.2测量误差测量误差是指测量结果与真实值之间的偏差。测量误差主要包括以下几种：（1）系统误差：系统误差是指在相同的测量条件下，测量结果偏离真实值的固定偏差。系统误差主要由测量仪器、测量方法和操作者等因素引起。（2）随机误差：随机误差是指在相同的测量条件下，多次测量结果的无规律波动。随机误差主要由环境因素、测量仪器的稳定性等因素引起。（3）偶然误差：偶然误差是指在个别测量中出现的较大偏差，其原因不可预测。偶然误差通常可以通过多次测量取平均值的方法来减小。1.2电子测量仪器的分类与功能指标1.2.1电子测量仪器的分类电子测量仪器根据功能和应用领域，可分为以下几类：（1）通用电子测量仪器：如万用表、信号发生器、示波器等，适用于多种电子测量场合。（2）专用电子测量仪器：如频率计、功率计、网络分析仪等，针对特定电量的测量。（3）组合式电子测量仪器：将多种测量功能集成在一个仪器中，如数字存储示波器、多功能测试仪等。（4）自动测试系统：由计算机、测量仪器、传感器等组成，实现自动化、智能化的测量。1.2.2电子测量仪器的功能指标评价电子测量仪器功能的主要指标有以下几方面：（1）测量范围：指测量仪器能正常工作的电量范围。（2）分辨率：指测量仪器能分辨的最小电量变化。（3）精度：指测量结果的准确程度，通常用绝对误差或相对误差表示。（4）稳定性：指测量仪器在长时间内保持功能不变的能力。（5）重复性：指在相同测量条件下，测量仪器多次测量同一电量时的结果一致性。（6）响应时间：指测量仪器从接收到测量信号到输出稳定测量结果的时间。（7）抗干扰能力：指测量仪器在恶劣环境中，抵抗外界干扰的能力。第2章电压测量2.1直流电压测量2.1.1基本原理直流电压测量是通过电子测量仪器获取被测电压值的过程。其基本原理是利用电压表的内部阻抗与被测电压形成电压分压，从而获得与被测电压成比例的电压值。2.1.2测量方法（1）直接连接法：将电压表直接并联在待测直流电压两端，读取电压表显示的数值。（2）分压法：当被测电压超过电压表量程时，采用分压电阻与电压表串联，使电压降低至电压表量程范围内，再进行测量。2.1.3注意事项（1）保证电压表量程与被测电压匹配，避免过载损坏电压表。（2）连接电压表时，应保证接触良好，避免因接触不良造成测量误差。（3）测量过程中，避免触碰电压表及被测电路，防止触电。2.2交流电压测量2.2.1基本原理交流电压测量是通过电子测量仪器获取被测交流电压的有效值。其基本原理是利用电压表的内部阻抗与被测交流电压形成电压分压，从而获得与被测交流电压有效值成比例的电压值。2.2.2测量方法（1）直接连接法：将电压表直接并联在待测交流电压两端，读取电压表显示的数值。（2）隔离变压器法：当被测交流电压较高时，采用隔离变压器降低电压，再进行测量。2.2.3注意事项（1）保证电压表适用于交流电压测量，避免损坏电压表。（2）连接电压表时，应保证接触良好，避免测量误差。（3）避免在高温、高湿、强电磁干扰环境下进行交流电压测量。2.3数字电压表的原理与应用2.3.1基本原理数字电压表是利用数字电路对模拟电压信号进行处理、显示的测量仪器。其基本原理是采用模拟数字转换器（ADC）将被测电压转换为数字信号，然后通过数字显示电路显示电压值。2.3.2主要组成部分（1）信号输入部分：包括输入阻抗、信号放大器等，用于接收被测电压信号。（2）模拟数字转换器（ADC）：将模拟电压信号转换为数字信号。（3）数字显示部分：将转换后的数字信号进行显示。2.3.3应用数字电压表广泛应用于电子测量、实验研究、生产过程控制等领域。其主要功能包括：（1）直流电压测量。（2）交流电压测量。（3）电压波形监测。（4）电压阈值报警。2.3.4注意事项（1）根据被测电压范围选择合适的量程。（2）避免在强电磁干扰环境下使用，以免影响测量精度。（3）定期对数字电压表进行校准，保证测量准确度。第3章电流测量3.1直流电流测量3.1.1基本原理直流电流测量是电子测量与仪器科学中的基础内容。其基本原理是利用电流表对电流进行测量。电流表通常分为磁电式、电动式和电子式等类型。测量直流电流时，电流表应串联在电路中，以保证测量准确。3.1.2测量方法直流电流的测量方法主要包括以下几种：（1）电流表直接测量法：将电流表直接串联在电路中，读取电流表的示数即可得到电流值。（2）累积法：对于长时间变化的直流电流，可以通过累积法测量电流的总和。（3）比较法：通过比较待测电流与已知电流的大小，从而得到待测电流的值。3.1.3注意事项（1）电流表的量程选择：应根据被测电流的大小选择合适的电流表量程，避免过载损坏电流表。（2）电流表的精度：电流表的精度等级应符合测量要求，以保证测量结果的准确性。（3）接线正确：测量时应保证电流表的正负极接线正确，避免测量误差。3.2交流电流测量3.2.1基本原理交流电流测量是测量交流电流的有效值。交流电流表通常分为电磁式、电动式和数字式等类型。测量交流电流时，电流表应串联在电路中，以测量电流的有效值。3.2.2测量方法交流电流的测量方法主要有以下几种：（1）电流表直接测量法：将交流电流表串联在电路中，读取电流表的示数即可得到电流的有效值。（2）交流采样法：通过采样电路对待测交流电流进行采样，然后通过信号处理电路得到电流的有效值。（3）钳形电流表测量法：利用钳形电流表直接套在被测电路的导线上，读取电流表的示数即可得到电流的有效值。3.2.3注意事项（1）电流表的频率范围：应根据被测交流电流的频率选择合适的电流表，以保证测量准确。（2）电流表的量程选择：应选择合适的电流表量程，避免过载损坏电流表。（3）钳形电流表的正确使用：使用钳形电流表时，应保证钳口紧密闭合，避免测量误差。3.3电流互感器的原理与应用3.3.1原理电流互感器（CurrentTransformer,CT）是一种将高电流转换为低电流的传感器，广泛应用于电力系统中。其基本原理是电磁感应，即在高电流的导线周围产生磁场，通过互感器铁芯传递到次级线圈，从而在次级线圈中产生低电流。3.3.2应用电流互感器的应用主要包括以下方面：（1）电力系统保护：电流互感器为继电保护设备提供准确的电流信号，以保证电力系统的安全运行。（2）电能计量：电流互感器与电压互感器配合使用，为电能表提供测量信号，实现电能的准确计量。（3）实验室测试：在实验室中，电流互感器可用于对高电流进行精确测量，以验证电力设备的功能。3.3.3注意事项（1）准确度级：选择电流互感器时，应考虑其准确度级，以满足测量或保护要求。（2）变比：电流互感器的变比应与实际应用场景相符，以保证信号的准确性。（3）安装与接线：电流互感器的安装与接线应严格遵循相关规定，避免误差和安全隐患。第4章电阻测量4.1两端法测电阻4.1.1基本原理两端法测电阻是最常见的测量电阻的方法。它基于欧姆定律，通过在电阻两端施加一个已知电压，测量流过电阻的电流，从而计算得到电阻值。根据公式R=V/I，其中R表示电阻值，V表示电压，I表示电流。4.1.2测量步骤（1）将待测电阻接入电路。（2）施加一个稳定的已知电压于电阻两端。（3）测量流过电阻的电流。（4）根据欧姆定律计算电阻值。4.1.3注意事项（1）保证测量过程中电压和电流的稳定性。（2）注意电路连接的准确性，避免测量误差。（3）根据电阻的量级选择合适的电流范围，避免电阻发热影响测量精度。4.2四端法测电阻4.2.1基本原理四端法测电阻是针对两端法在测量高阻值或精确测量时存在的不足而提出的一种测量方法。四端法通过在电阻两端分别加上一对电压测量引线和一对电流测量引线，从而消除测量线路中的引线电阻和接触电阻的影响。4.2.2测量步骤（1）将待测电阻接入四端测量电路。（2）在电压测量引线上施加已知电压，在电流测量引线上测量流过电阻的电流。（3）根据公式R=V/I计算电阻值。4.2.3注意事项（1）四端法的测量精度较高，但电路连接和设备要求较为严格。（2）电压测量引线和电流测量引线应尽量短且相互独立，避免相互干扰。（3）保证测量设备的精度和稳定性。4.3电阻测量仪表的原理与应用4.3.1数字多用表数字多用表是电子测量中最常用的电阻测量仪表。它采用模数转换技术，将测量到的电阻值以数字形式显示。数字多用表具有测量精度高、读数方便、功能丰富等特点。4.3.2电阻表电阻表是一种专门用于测量电阻的仪表，可分为模拟电阻表和数字电阻表。其原理是通过测量电阻两端的电压和流过电阻的电流，计算得到电阻值。4.3.3四线电阻测试仪四线电阻测试仪是一种高精度测量电阻的设备，适用于精密电阻和线路板上的电阻测量。它采用四端法测量电阻，有效消除引线电阻和接触电阻的影响。4.3.4应用实例（1）电子元器件的电阻测量。（2）电路板上的电阻值检测。（3）科研和工业领域中的精密电阻测量。4.3.5注意事项（1）根据测量需求选择合适的电阻测量仪表。（2）使用前检查仪表的校准和功能是否正常。（3）注意测量过程中的安全，避免触电和短路等风险。第5章频率与时间测量5.1频率测量方法频率是描述信号周期性变化的物理量，频率测量在电子测量领域具有重要作用。本节主要介绍常用的频率测量方法。5.1.1直接计数法直接计数法是通过测量信号在一定时间内的周期数来计算频率的方法。其基本原理是：在一定时间间隔内，利用计数器记录信号的周期数，再根据时间间隔计算出信号的频率。5.1.2频率电压转换法频率电压转换法是将信号的频率转换为电压，再通过测量电压来计算频率的方法。该方法利用模拟电路将信号的频率转换为电压，然后通过电压表读取电压值，最后根据转换关系计算出信号的频率。5.1.3相位累加法相位累加法是利用数字信号处理技术进行频率测量的方法。该方法通过对信号相位进行累加，再根据累加值与时间间隔计算频率。相位累加法具有较高的测量精度和分辨率。5.2时间间隔测量时间间隔测量是电子测量中的重要内容，本节主要介绍时间间隔测量的方法。5.2.1闸门时间法闸门时间法是通过控制一个时间闸门，使信号在闸门开启的时间内通过，记录信号通过闸门的时间间隔来测量时间。该方法简单易实现，但精度较低。5.2.2脉冲宽度测量法脉冲宽度测量法是通过测量信号脉冲的宽度来计算时间间隔的方法。该方法适用于脉冲信号的测量，具有较高的测量精度。5.2.3时间间隔计数法时间间隔计数法是利用计数器记录信号在两个特定时刻之间的周期数，从而计算时间间隔。该方法具有较高的测量精度和分辨率。5.3数字频率计的原理与应用数字频率计是一种采用数字技术进行频率测量的仪器，具有测量精度高、操作简便等优点。5.3.1数字频率计原理数字频率计的基本原理是利用计数器对信号周期进行计数，然后根据计数结果和时间间隔计算出信号的频率。数字频率计主要由时钟源、计数器、显示单元和控制电路等组成。5.3.2数字频率计的应用数字频率计广泛应用于电子测量领域，如通信、雷达、导航等。其主要应用如下：（1）信号频率测量：测量各种信号的频率，如正弦波、方波、三角波等。（2）信号周期测量：通过测量信号的周期，可以计算出信号的频率。（3）频率比值测量：测量两个信号的频率比值，用于分析信号的关系。（4）谐波分析：通过测量信号各次谐波的频率，分析信号的谐波成分。5.3.3数字频率计的发展趋势电子技术的不断发展，数字频率计在测量精度、测量范围、功能等方面不断提高。未来发展趋势主要包括：（1）高精度、高分辨率：提高频率测量的精度和分辨率。（2）多功能：集成多种测量功能，实现一机多用。（3）智能化：采用人工智能技术，实现自动化测量。（4）网络化：实现测量数据的远程传输和共享，便于数据处理和分析。第6章相位与功率测量6.1相位测量6.1.1相位概念相位是指电磁波振动周期中的某一特定时刻，通常以角度或时间来表示。相位测量在电子测量与仪器科学中具有重要意义，它直接影响到信号分析和处理的结果。6.1.2相位测量原理相位测量原理主要基于比较待测信号与参考信号的相位差。常见的相位测量方法有：示波器法、相位计法、数字相位测量法等。6.1.3相位测量仪表常见的相位测量仪表有：模拟示波器、数字示波器、相位计、数字相位测量仪等。这些仪表具有不同的测量范围、精度和功能，适用于不同的相位测量需求。6.1.4相位测量应用相位测量在通信、雷达、电子对抗等领域具有广泛的应用。例如：在通信系统中，相位测量用于调制解调、信道估计等；在雷达系统中，相位测量用于目标距离和速度的测量。6.2功率测量6.2.1功率概念功率是指单位时间内能量转换或传输的速率。在电子测量中，功率测量主要用于评估信号强度、电路效率等方面。6.2.2功率测量原理功率测量原理主要基于热效应和电效应。热效应法利用功率引起的温度变化来测量功率值；电效应法通过测量电流和电压的乘积来计算功率。6.2.3功率测量仪表常见的功率测量仪表有：功率计、瓦特表、数字功率计等。这些仪表具有不同的测量范围、精度和功能，适用于不同类型的功率测量。6.2.4功率测量应用功率测量在电力系统、电子设备、通信系统等领域具有重要应用。例如：在电力系统中，功率测量用于评估发电厂和电网的运行状态；在通信系统中，功率测量用于评估信号传输质量和优化系统功能。6.3相位与功率测量仪表的原理与应用6.3.1相位与功率测量仪表原理相位与功率测量仪表通常结合了相位测量和功率测量的功能，采用模拟或数字技术实现。这些仪表通过对信号的采样、处理和分析，实现相位和功率的准确测量。6.3.2相位与功率测量仪表的应用相位与功率测量仪表在科研、生产、维护等领域具有广泛应用。例如：在无线通信系统中，相位与功率测量仪表用于信号调制、信道估计和系统优化；在雷达和电子对抗领域，相位与功率测量仪表用于目标检测、定位和跟踪。相位与功率测量仪表还广泛应用于电磁兼容性测试、天线测试等领域。6.3.3相位与功率测量仪表的选择与使用选择合适的相位与功率测量仪表时，应考虑测量范围、精度、分辨率、速度等因素。在使用过程中，需遵循仪表的操作规程，保证测量结果的准确性和可靠性。同时定期进行校准和保养，以保持仪表的功能。第7章数字信号分析7.1信号采集与处理7.1.1信号采集信号采集是数字信号分析的基础，主要包括模拟信号的采样、量化和编码。本节将介绍信号采集中涉及的采样定理、量化方法和编码技术，并分析不同信号采集方法对数字信号分析的影响。7.1.2信号处理信号处理是数字信号分析的核心环节，主要包括滤波、放大、线性变换等。本节将阐述信号处理的基本原理，探讨不同信号处理方法对数字信号分析结果的影响，并介绍信号处理技术在电子测量与仪器科学中的应用。7.2数字信号处理方法7.2.1离散傅里叶变换（DFT）离散傅里叶变换是数字信号处理中的一种基本算法，用于将时域信号转换为频域信号。本节将介绍DFT的基本原理、计算方法和应用，以及快速傅里叶变换（FFT）技术。7.2.2数字滤波器设计数字滤波器是数字信号处理中的一种重要工具，用于滤除信号中的噪声和干扰。本节将阐述数字滤波器的基本原理，包括低通、高通、带通和带阻滤波器的设计方法，并分析不同滤波器功能指标。7.2.3短时傅里叶变换（STFT）短时傅里叶变换是一种用于非平稳信号分析的方法，能够在时频域上对信号进行分析。本节将介绍STFT的基本原理、计算方法及其在信号处理中的应用。7.3数字信号分析仪的原理与应用7.3.1数字信号分析仪的原理数字信号分析仪是一种用于实现数字信号处理技术的设备，主要包括数据采集、信号处理、结果显示和输出等功能。本节将介绍数字信号分析仪的基本原理，包括硬件和软件方面的关键技术。7.3.2数字信号分析仪的应用数字信号分析仪在电子测量与仪器科学领域具有广泛的应用，如通信、雷达、声纳、生物医学信号处理等。本节将结合实际案例，介绍数字信号分析仪在不同领域的应用，并分析其优缺点。注意：本篇指导书未包含总结性话语，旨在为读者提供严谨、实用的数字信号分析知识体系。希望读者在学习过程中，能够深入理解各章节内容，为实际应用打下坚实基础。第8章网络特性测量8.1网络参数测量8.1.1网络参数概述网络参数测量是评估网络功能与稳定性的关键环节。本节主要介绍网络参数的基本概念，包括阻抗、反射系数、传输系数、驻波比等。8.1.2测量方法（1）网络分析仪法：通过网络分析仪进行参数测量，具有操作简便、测量精度高等优点。（2）TDR法：时域反射法，通过发送脉冲信号，分析反射信号，计算网络参数。（3）FDR法：频域反射法，基于矢量网络分析仪，测量网络参数。8.1.3测量步骤（1）选择合适的测量设备与仪器。（2）连接待测网络与测量设备，保证连接可靠。（3）设置测量参数，包括频率范围、功率等。（4）开始测量，获取网络参数数据。（5）分析数据，得出结论。8.2网络分析仪的原理与应用8.2.1网络分析仪原理网络分析仪是一种测量网络参数的仪器，主要包括矢量网络分析仪（VNA）和标量网络分析仪（SNA）。其基本原理是通过发送已知信号，接收并分析反射和传输信号，计算网络参数。8.2.2网络分析仪的应用（1）通信系统：测量天线、馈线、滤波器等设备的功能参数。（2）电子设备：评估电路板、芯片、连接器等部件的网络特性。（3）研发与生产：用于产品研发、生产过程中的质量检测。8.3网络特性测试方法8.3.1阻抗测试（1）测试目的：测量网络的输入阻抗、输出阻抗等。（2）测试方法：采用网络分析仪进行测量，根据测试结果分析阻抗特性。8.3.2反射系数测试（1）测试目的：评估网络的反射功能。（2）测试方法：使用网络分析仪，通过测量反射系数来分析网络的匹配程度。8.3.3传输系数测试（1）测试目的：测量网络的传输功能。（2）测试方法：利用网络分析仪，通过测量传输系数来评估网络的传输特性。8.3.4驻波比测试（1）测试目的：评估网络的匹配程度。（2）测试方法：使用网络分析仪，通过测量驻波比来分析网络的匹配功能。8.3.5网络特性测试报告根据测试数据，整理出网络特性测试报告，包括测试项目、测试方法、测试结果等。为后续的网络优化和故障排查提供依据。第9章无线通信测量9.1无线信号强度测量9.1.1测量原理无线信号强度是指无线电波在传播过程中的功率密度，通常以dBm为单位表示。本节主要介绍无线信号强度的测量原理，包括接收机灵敏度、天线增益、传输损耗等关键参数。9.1.2测量方法（1）线性测量法：通过测量接收到的无线信号功率，