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第1章 电子测量原理


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《电子测量原理》

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课程简介

《电子测量原理》

? 第一部分测量总论及误差理论,介绍测量的基本概念、技 术方法及系统组成,误差理论和数据处理等。

? 第二部分基本电参量测量,包括频率

、电压、阻抗等
? 第三部分时域测量,以示波器为背景介绍时域信号波形的 采集、显示及应用技术。 ? 第四部分频域测量,重点讨论频域中的信号频谱和网络性 能的测量,介绍测量激励信号源的基本工作原理。 ? 第五部分数域测量,介绍数字系统的基本测量原理和方法, 包括数字信号的产生、逻辑分析、可测性设计及数字系统 测试的典型实例。 ? 第六部分测量系统集成,阐述组建测量系统的硬件平台、 软件平台、总线标准、通信技术等。

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第1篇 电子测量总论及测量误差理论
? 第一部分电子测量总论,阐述测量学科的丰富内 涵。在介绍测量、计量的基本概念的基础上,阐 述了电子测量的意义、内容、特点及应用,重点 讨论了电子测量原理及基本技术。 ? 第二部分测量误差理论,包括测量误差、数据处 理和不确定度评定三部分内容。

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第1章 电子测量总论
? 1.1 概述 ? 1.2 电子测量原理及基本技术 ? 1.3 电子测量的分类 ? 1.4 本书的体系结构及学习要点

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1.1.1 测量的基本概念
? 1 .测量的意义
(1)日常生活中处处离不开测量 没有望远镜就没有 天文学,没有显微 镜就没有细胞学, 没有指南针就没有 航海事业

(2)离开测量就不会有真正的科学

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1.1.1 测量的基本概念
? 1 .测量的意义(续)
(3)在现代化的工业生产中,处处离不开测量
测量是精细加工的基础,没有测量也就没有现代化的制 造业。 生产水平越是高度发达,测量的规模就越大,需要的测 量技术与仪器也越先进。 (4)在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量 比如航空航天领域,医学生物领域,农业、气象、环境、 勘探等各学科
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1.1.1 测量的基本概念
? 2.测量的定义
(1)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。 – 在测量过程中,人们借助专门的设备,把被测对象直 接或间接地与同类已知单位进行比较,取得用数值和 单位共同表示的测量结果。

测量结果=测量数值.测量单位,即:

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1.1.1 测量的基本概念
? 2.测量的定义(测量内涵)
①测量对象:被测客体中的相应的量值信息 ? 测量目的:从被测对象取得一个定量的认识 ②测量过程: 通过实验去认识对象的过程 ③测量方法:比较 ? A. 直接比较 B. 间接比较;C. 需要测量仪器 ④测量标准:同类已知单位。 ⑤测量结果:最终能表示给测量主体(人)

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1.1.1 测量的基本概念
? (2)广义测量的定义
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、定级的测量。 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、时序关系、空间分布及拓朴结构等。

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1.1.1 测量的基本概念
测量是为了获取被测对象的信息而进行的实践过程。在 这个过程中,人们借助专门的设备去感知和识别有关的信息, 取得关于被测对象的属性和量值的信息,并以便于人们利用 的形式表示出来。信息获取的基本原理如图1-1所示。
信 息 显 示

被测对象

测试仪器系统 感知和识别

测量人员

图1-1 测量的基本原理图

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1.1.1 测量的基本概念
? 3.测量的组成
(1)测量的基本要素
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,构成测量的基本要素是:被测对象、测量仪器、 测量技术、测量人员和测量环境。 如下图所示:
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1.1.1 测量的基本概念
(1)测量的基本要素(续)
原理 方法 对象 属性 选择 仪器 被测信息 激励信号 影 响 影响 测量 环境 影响 仪器 系统 决定 方法 参数命令 数据状态 测量 人员 测量策 略、算法

被测 对象

图1-3

测量的基本要素
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1.1.1 测量的基本概念
? 3.测量的组成
(2)测量过程——基本要素之间的互动关系
测量过程是测量的主体(测量人员)获取测量客体(被测对 象)的量值信息的过程。 具体的整个过程如下图所示:

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1.1.1 测量的基本概念
开 始 被测对象 论 证 阶 段 测量任务要求 现有仪器设备

需 求 分 析

拟定测量方案 实 施 阶 段

设置仪器工作参 数 执行测量操 作 测试数据处 理 测量结果显 示 结 束

选用测量仪器 (测试硬件平台) 设 计 阶 段

决定测量技术 (测试软件平台)

完成仪器互连

拟定测量步骤

组建测量系统

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1.1.1 测量的基本概念
? 3.测量的组成 (3)被测对象——信息
狭义地讲,测量是量值的获取,被测对象是各种被测量, 包括物理量、化学量、生物量等;
广义地讲,测量是信息的获取,被测对象是信息,信息 反映了事物的运动状态及其变化方式。

信息具有哪些性质?

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1.1.1 测量的基本概念
? 3.测量的组成
(4)测量仪器系统——量具和仪器
测量需要借助专门的设备,这类设备包括量具、测量仪 器、测量系统及附件等。

(5)测量的主体——测量人员
手动:由测量主体(测量人员)直接参与完成 自动:测量主体交给智能设备(计算机等)完成,但测 量策略、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好。

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1.1.1 测量的基本概念
? 3.测量的组成

(6)测量技术
测量中所采用的原理、方法和技术措施,总称为测量技 术。

(7)测量环境
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、重 力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘,霉菌以及有关电 磁量(工作电流、电压、频率、源阻抗、负载阻抗、地磁 场、雷电等)的数值、范围及其变化。
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(补充)计量的基本概念
? 1.计量的定义和意义
(1)计量的定义
一个被测量是否可以测量,必须满足两个基本的前提条 件:①被测量必须有明确的定义;②测量标准必须建立, 并被大家公认。 计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动。 计量的三个主要特征是:统一性、准确性和法制性。 因此,也可以说计量学是研究测量、以实现单位统一和 量值准确可靠的科学。 计量按具体内容可分为科学计量、法制计量、工程计 量三个部分。
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(补充)计量的基本概念
? 1.计量的定义和意义
(2)计量与测量的关系
测量发展的客观需要才出现了计量,测量数据的准确可 靠,需要计量予以保证,计量是测量的基础和依据,没有计 量,也谈不上测量。 测量又是计量联系实际应用的重要途径,可以说没有测 量,计量也将失去价值。计量和测量相互配合,才能在国民 经济中发挥重要作用。 计量是测量的前提,测量是计量的延伸,两者相辅相成。
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(补充)计量的基本概念
? 1.计量的定义和意义
(3)计量的意义
计量是研究测量的科学,是所有科学赖以发展的支撑。

计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作, 它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等各个 方面起着技术保证和技术监督的作用。

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(补充)计量的基本概念
? 2.计量标准和计量器具
(1)标准(或基准)的定义
为了定义、实现、保存或复现量的单位或量值,用作参 考的计量器具(实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统), 称之为标准或基准。 具有的特性是: ①要根据严格科学理论定义,并符合或 最接近测量单位定义所依据的基本原理。 ②要用当代最先进 的科学技术、最高的加工工艺水平,并以最好的精确度和稳 定度制作成计量器具,以保持计量特性长期不变。

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(补充)计量的基本概念
? 2.计量标准和计量器具
(2)计量器具按结构特点分类
计量器具按结构和功能可划分为实物器具、计量仪器和 计量装置。

(3)计量器具按计量用途分类
按照技术特性及用途,计量器具可分为计量基准器具、 计量标准器具(包括标准物质)和计量工作器具。

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(补充)计量的基本概念
? 3.量值的传递和溯源
(1)量值传递与量值溯源的定义
①量值传递:是指通过对测量器具的检定或校准,将国 家基准所复现的单位量值,通过各等级计量标准传递到计量 工作器具,以保证对被测对象量值的准确一致。 ②量值溯源:是指通过一条具有规定不确定度的不间断 的比较链,使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标 准(通常是与国家测量标准或国际测量标准)联系起来的特性。

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(补充)计量的基本概念
? 3.量值的传递和溯源
(2)国家溯源等级图(国家计量检定系统表)
国家溯源等级图内容包括:测量设备或基准、标准的名 称、测量范围、准确度等级、测量不确定度或最大允许误差、 检定方法或手段。 检定方法(测量方法)——进行测量时所用的按类别叙述的一 组操作逻辑次序(比较方法和手段),如替代法、微差法、 零位法、直接测量法、间接测量法、组合测量法。一般按相 应的计量检定规程中规定的方法来进行。 溯源等级图如下图所示:
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(补充)计量的基本概念
? 3.量值传递与量值溯源的区别
表1-1 量值溯源与量值传递的区别
量值溯源 目的 手段 量值传递 使测量结果保持准确,使测量器具与国家测量基准的量值相联系 通过比较链 通过检定或校准

特点 性质
途径 等级要求 关注点

方式多样化,灵活 单位自愿行为
自下而上 可越级溯源 “数据”的准确性

方式单一,不灵活 政府法制行为
自上而下 强调逐级传递 “器具”的准确性
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? 1.1.2 电子测量的意义
它的优势表现在: (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
(3)极有利于信息传递 (4)极为灵活的变换技术,有利于信息的获取 (5)巨大的信息处理能力

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? 1.1.3 电子测量的特点
电子测量具有以下几个明显的特点: (1)测量频率范围宽

(2)量程范围宽
(3)测量准确度高 (4)测量速度快 (5)易于实现遥测 (6)易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化

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? 1.1.4 电子测量的定义
从广义上说,电子测量是泛指以电子科学技术为手段对 信号和系统进行的测量,即以电子科学技术理论为依据, 以电子测量仪器和设备为工具,对信号和电系统进行的测 量。 从狭义上讲,电子测量则是利用电子技术对电子学中有 关的电量和非电量所进行的测量。

电子测量的基本对象和基本工具都是电信号和电系统。

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? 1.电子测量的基本对象是未知的信号与系统

? 2.基本工具是已知的信号与系统
? 3.基本工作机理是信号与系统的相互作用 一个系统与其输入、输出之间的关系可用下图表示,三 者之间一般有如下的几种关系: ①已知系统的传递特性 和输出量 ,来推知系统的输入量。 ②已知系统的输入量 和输出量 ,求系统的传递特性 。 ③若已知输入量 和系统的传递特性 ,则可综合出系统的输 出量 。
系 统

x (t ) h(t)
输入

y( t )
输出
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1.2.1 测量的量值比较原理
狭义测量最基本的原理是比较,测量是通过量值比较来 取得一个定量的认识。在测量中进行量值比较采用的两种 基本方法:直接比较法和间接比较法。 天平和弹簧秤分别是 两种方法的典型代表, 其原理可以用左右两 图来说明
图a 天平直接比较 图b 弹簧秤间接比较
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1. 间接比较法
间接比较法是电子测量技术及仪器中最常用的一种原理 方法,它的实现原理基于两种技术:变换和比较。 (1)变换 电子测量中常常把被测的未知量经过一系列的变换后, 最后变换成人(测量主体)能直接感知的一种量值表示形式, 例如以指示器的偏转角(或位移)或显示的数码

y ? f ( x) ? ? si xi ? s0 ? s1 x ? s2 x 2 ? … ? sn x n
i ?0
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n

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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1. 间接比较法
(2)间接比较 被测量与标准量的比较,是把被测量与标准量各自单独 地通过上述的变换过程,分别变换成输出的显示量后,人们 根据各自显示的读数值进行比较。 首先,对标准量测量,以确定仪器变换系数S的刻度值, 这个过程叫做标定或校准; 然后,再对未知量测量,并从已标定的刻度上读取测量 结果。

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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1. 间接比较法
(2)比较 1)标定(输入标准量)

如果是线性的,即 y ? f ( x) ? s0 ? s1x
令x?0 令 x ? xm 故变换系数

y ? y0 ? s0
y ? ym ? s1 xm ? s0

ym ? y0 s1 ? xm

s0 ? y0
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1. 间接比较法
(2)间接比较
2)测量(输入未知量) 设被测量为 x 则,

ym ? y0 y ? yx ? s1 x ? s0 ? x ? y0 xm
或者写成

yx ? y0 x? xm ys ? y0
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 2. 电子测量中的变换技术
(1)量值变换 把量值处于难以测量的边缘状态(太小或太大)的被测量, 按某一已知比值变换为量值适中的量进行测量。 (2)频率变换 频率变换的方式很多,常用的有检波、斩波、变频、倍 频、分频、取样等。 (3)波形变换 整形、限幅、微分、波形合成等波形变换广泛用于电子 测量技术中。
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 2. 电子测量中的变换技术
(4)电参量变换

在电子测量中,常将被测参量作必要的变换以便于进行 测量,参量变换形式很多,常见的有A/V/? 变换、V/F及F/V 变换、V/T及T/V变换、A/D及D/A变换、网络参数变换等。 (5)非电参量变换
非电变换是泛指其他多种形式的非电物理量与电学量之 间的变换。

非电参数变换就是能量形式的变换,传感器就是能量变 换器,一般分为参量变换器及电势变换器两大类。
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 3. 直接比较法
(1)直接比较测量原理

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1)组成结构
被测量与标准量直接进行比较的原理,如下图所示。它 是一个双输入通道对称的差动式结构,其中包括:

①一个具有比较功能的电路,比较结果由输出状态表示。
②一个与被测量同类的可变标准量参与比较。
y 被测量 比 较 器 标准量 yH

yL 0 s x

被测量?标准量,y=yL; 被测量?标准量,y=yH; 被测量=标准量,跃变信号
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 3. 直接比较法
(1)直接比较测量原理 2)比较方式 比较功能可由运算功能来实现,有两种方式: ①差值运算比较

x?s ? y
x ?y s

若测量过程中调节标准量s,使 y ? 0 (电路平衡、指示 器为零)时,则 ;

x?s

②比例运算比较

x?s

若调节标准量s,使 y ? 1 (电路平衡,指示器为零),则
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 3. 直接比较法
(2)差值示零的平衡调节
1)零示法原理 直接比较的典型方法是在测量过程中调节可变标准s, 使 s ? x ,s与x二者的效应互相抵消,即差值比较器的输 出为0,或者测量系统达到一个平衡状态,比例比较电路的 输出为1,此时标准量的数值等于被测量的数值。天平称重和
电压测量的零示法是直接比较法的一个典型例子,如下图所示。
X S

X 被 测量

S 标准量

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1.2 电子测量原理及基本技术
? 3. 直接比较法
(2)差值示零的平衡调节
2)实现直接比较法的典型结构 双通道对称的差动结构和对称差动的桥式结构,是实现 直接比较的典型结构,其组成分别如下图所示
变换

x
K1

ux
变换
减法比较 或比例比 较

指示器

x
y=0
激励源

s
y=0

? u 或m
K3

s

变换

us
K2

r2

r1
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a)双通道对称输入结构

b)对称桥式结构

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1.2 电子测量原理及基本技术
? 3. 直接比较法
(2)差值示零的平衡调节
3)自动平衡调节的反馈比较结构 比较测量的另一个典型结构是闭环反馈的自动平衡式结 构。在测量仪器中为了实现自动比较,常采用闭环反馈比较 的平衡式结构,其基本原理如下图所示。

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1.2 电子测量原理及基本技术
? 4. 电子测量中的比较技术
(1)比较的基本概念 被测量与标准量进行比较的原理框图如下图所示:
y 被测量 比 较 器 标准量 yL 0 s x yH

a)框图

b)比较特性
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 4. 电子测量中的比较技术
(2)电子测量中的典型比较技术 1)电压比较

①电平比较 :电压比较器可进行两个模拟电压的大小 的比较,它用输出的逻辑电平表示结果,原理与上图相同。
②差值型比较:如果需要对两个电压的差值y进行测量, 应当采用能输出模拟差值电压的减法运算放大器代替电压比 较器,因为比较器输出的是逻辑电平而不是模拟差值电平值。

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1.2 电子测量原理及基本技术
? 4. 电子测量中的比较技术
(2)电子测量中的典型比较技术
1)电压比较 ③比例型比较:具有除法或比例运算功能的电路或部件, 也可完成被测量与标准量的比较。例如,双积分式A/D转换 器中,被测电压 与标准电压 之间具有如下关系:

U x T2 ? U s T1



T2 Ux ? Us T1
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式中, T1为第一次积分(取样)期时间,T2为第二次积分(比 较)期时间。

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1.2 电子测量原理及基本技术
(2)电子测量中的典型比较技术

2)阻抗比较
电桥电路具有对称差动的电路结构,可以十分方便地实 现差值检测和比例比较的功能。 Z ? Z 2 Z 或 Z ? N 2 Z
x

Z1

S

x

N1

S

Z1 Z1 D Zs Z2

Z2 N0 D U N1 U1 N2 U2 Zx + Zs D N2 N1

i1 Zs

- + Zx

N3 D

指 零 仪

Zs

Zx

Zx i2 U -

U

U

a)比例臂电桥

b)有源电桥

c)电压比较式电桥

46 d)电流比较电桥

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1.2 电子测量原理及基本技术
(2)电子测量中的典型比较技术 3)频率(时间)比较 ①时间或频率的差值比较

用R-S触发器可实现时差比较的原理如下图所示。
Q
R-S 触发器

tA tB

tA tB

S

R

Q
a)原理框图

?T
b)时间关系图
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1.2 电子测量原理及基本技术
(2)电子测量中的典型比较技术 3)频率(时间)比较 ①时间或频率的差值比较 用混频器的频率减法功能作频率比较器的实例如下图所示。
fA
混频器 混频器 零差指示

fA

F ? f A ? fB

被测频率

F ? f A ? fB

fB

标准频率

fB

a)混频器实现差频比较功能

b)差频比较法在频率测量中的应用

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1.2 电子测量原理及基本技术
(2)电子测量中的典型比较技术

3)频率(时间)比较
②时间和频率的比例比较

fA N? fB

TB 或 N?T A

用一个门电路可以实现两个脉冲信号频率(或周期)的数 字式比例运算功能。如下图所示。
fA ( TA ) fB ( TB )

闸 门

N?

fA fB
TB ) TA

fA

(N ?

fB

TB

a)原理框图

N

b)工作波形图

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1.2 电子测量原理及基本技术
(2)电子测量中的典型比较技术 4)相位比较 ①模拟鉴相器用乘法器或相敏检波器进行相位比较。

②脉冲与数字式鉴相器用触发器构成的脉冲鉴相器,或 用专用的数字式鉴相器芯片进行相位比较。
5) 数字比较

一位二进制的数B1和B2加于异或门的输入端,即可进行 比较。多位二进制数N1和N2比较,可由多个异或门构成数字 比较器。多位数字比较器已做成专用集成电路芯片。

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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1.2.2 测量的信息获取原理
1. 信息的概念 (1)信息的特性

信息又可分为自然信息和社会信息两大类。它们具有以 下一些重要性质:
1)信息是对事物运动状态和方式的描述。

2)信息可以被感知。
3)信息载体和形态可以转换。4)信息可以存储。 5)信息可以传输。6)信息可以被复制、共享。
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1.2.2 测量的信息获取原理
1. 信息的概念 (2)客体的实有的信息——客观信息

某事物客体所具有的信息,是指该客观存在的事物的运 动状态及其变化方式的自我表述或自我显示。
(3)主体认识论的信息——主观信息

主体关于某事物的认识论层次信息,是指主体所感知或 表述的关于该事物的运动状态及其变化方式,包括状态及 其变化方式的形式、含义和效用。
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1.2.2 测量的信息获取原理
1. 信息的概念 (4)全信息——语法信息、语义信息、语用信息

全信息是同时考虑了事物运动状态及其变化方式的外在形式、 内在含义和效用价值的主体认识论层次信息。
在信息科学中,从信息的性质出发,可分为语法信息、语义 信息、语用信息,它们是构成全信息的三个层次。 语法信息层次不考虑信息的含义和效用,它是最简单、 最基本、最抽象的层次;语用信息则是最复杂、最实用的 层次;语义信息居于其中。
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1.2.2 测量的信息获取原理
2. 测量信息获取的原理框图 (1)测量的信息获取过程分析

测量过程中信息运动的路径是从被测对象(信源)经测 量仪器到测量人员(信宿),信息运动过程常常包含着许 多子过程,而且在整个信息运动过程中还贯穿着各种信息 转换。此外,信息运动过程中还要受到外界和内部的环境 的影响,因此,这一信息的运动是一个复杂的过程。

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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1.2.2 测量的信息获取原理
2. 测量信息获取的原理框图 (2)信息获取的原理框图
下面从广义的测量原理,即信息获取的基本原理中来阐述测量的信 息过程。如下图所示 语用信息
激励 客体 信息 标准 处理 目标信息

测量 客体

传感

语法 信息 信号 感知

变换

规范化 信号

比较

语法 信息 量化 信息

处理

语 义 信 息

显示

测量 人员

识别

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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1.2.2 测量的信息获取原理
3. 信息的感知
(1)感知的基本原理 信息感知的技术本质是信息(事物运动状态及其变化方 式)载体转换,通常是把客体信息的形式特征变换成用某 些其它物理量的形式表现出来,这些物理量就是信号,信 息感知的原理框图如下图所示。

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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1.2.2 测量的信息获取原理
3. 信息的感知
(2)感知的基本技术——传感器与敏感器 传感器根据转换的效应可分为物理型、化学型和生物型 三大类。 按构成原理物理型传感器可分为物性型传感器和结构型 传感器。 物性型传感器:利用转换元件物理特性的变化实现信号转换, 如热敏电阻、光敏电阻等; 结构型传感器:利用其转换元件结构参数的变化实现信号转 换,如变面积型电容传感器,变气隙型电感传感器
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1.2 电子测量原理及基本技术
(2)感知的基本技术——传感器与敏感器

根据能量观点物理型传感器又可分为能量转换型和能量控制 型两类。
能量转换型:将非电能转换为电能量,不需外激励源,又称 有源传感器; 能量控制型:需要外部激励源供给能量,又称无源传感器。 按传感器与被测对象的耦合方式可分为接触式和非接触 式两种。 按输出信号表示形式又可分为模拟式和数字式两类。

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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1.2.2 测量的信息获取原理
4. 信息的识别
(1)识别的基本原理 1)识别是把感知的语法信息(信号形式)转换成人们 能够理解的语义信息。 2)识别(分类)的基本原理是形式特征的比较。 3)把能够表征这个语法信息的一组形式化参量(特征) 提取出来与相应的特征模版进行比较。 4)被测对象的信息是非常丰富的。
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1.2 电子测量原理及基本技术
? 1.2.2 测量的信息获取原理
4. 信息的识别
(2)识别的基本技术 识别的基本方法是比较,识别离不开各种变换和处理技 术,识别的结果要显示出来。因此,在识别过程中要综合 地使用信号的比较、变换、处理和显示技术。 (3)识别的基本处理举例

人工处理、自动化处理、智能化处理

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1.3 电子测量的分类
? 1.3.1 概述
本书以被测对象的几种最基本、最主要的分类方法,来 阐述测量技术和测量方法,如下图所示:

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1.3 电子测量的分类
? 1.3.2 有源量(信号)测量和无源量(系统)测量
1. 有源量和无源量 信号是有源量,有源量是指一个携带能量的物理量。

无源量是被动的,它不能主动提供出能量,无法去直接 驱动传感器和测量仪器。
信号特性参量为常见的有源量,主要包含信号的电压、 电流与功率、频率与波长、周期与时间、波形与频谱等; 系统特性参数为常见的无源量,包括集总与分布参数系统 的特性。

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1.3 电子测量的分类
? 1.3.2 有源量(信号)测量和无源量(系统)测量
2. 有源量(信号)的测量 对有源量的测量,可把被测的有源量作为一个未知的信 号,去激励一个功能已明确定义、性能已预先知道的系统 (测量系统),通过系统的响应求得被测参量的量值,所以 ,这类测量又叫信号的测量,其测量方法如下图所示。
信号
被测对象 (有源量) 测量系统 (已知系统)

响应
响应的 读出与显示

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1.3 电子测量的分类
? 1.3.2 有源量(信号)测量和无源量(系统)测量
3. 无源量(系统)的测量
对无源量的测量,要用已知的有源信号(频率、幅度、波形等已知 的测量用信号源)去激励无源的被测系统,再按照有源量的测量方法 对响应进行测量,如下图所示:
响应1
被测对象 (无源量)

响应2
测量系统 (已知系统) 响应的 读出与显示

有源量
已知信号

测试激励 (信号源)
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1.3 电子测量的分类
? 1.3.2 有源量(信号)测量和无源量(系统)测量
4. 电子测量按被测对象属性的分类 区别:在有源量的测量中,信号是未知的被测对象,系 统为已知的测量系统;在无源量的测量中,信号为已知的 测量信号,系统为未知的被测对象。 有源量测量系统(被动式测量系统)和无源量测量系统 (主动式测量系统)两者功能结构上最显著的区别在于, 前者不需要测试激励信号源,而后者必须有测试激励信号 源。

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1.3 电子测量的分类
? 1.3.3 静态、稳态和动态测量
1. 基本概念 根据被测的物理量是否随时间变化,可将它们分成静态 量和动态量。 所谓静态量是指那些不随时间变化的(静止的)或随时 间缓慢变化(准静态的)物理量,对这类物理量的测量称 之为静态测量;反之,动态量是指随时间不断变化的物理 量,对它们的测量相应地称之为动态测量。 在自然界中,有一大类随时间变化的被测量,其变换规 律是周期性的,且其性能是十分平稳的。对于这类处于稳 态下的周期性交替变化的物理量的测量,称为稳态测量。
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1.3 电子测量的分类
? 1.3.3 静态、稳态和动态测量
2. 基本方法 (1)静态(直流)测量技术 静态特性的测量是在最简单的静态或准静态下进行的, 基本测量方法是量值的比较,而测量精度也最高。 (2)稳态(交流)测量技术 稳态测量,是指被测量处于稳定的、周期性变化状态下 所进行的测量。 (3)动态(脉冲)测量技术 动态测量,是指为确定被测量的瞬时值,或被测量的值 在测量期间随时间(或其他影响量)变化所进行的测量。
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1.3 电子测量的分类
? 1.3.4 时域、频域及时频域测量
1. 频域测量技术 频域测量是以获取被测信号和被测系统在频率领域的幅 度特性和相位特性为目的,采用测量被测对象的复数频率 特性(包括幅度-频率特性和相位-频率特性)的方法,以 得到信号的频谱和系统的频率响应函数。

2. 时域测量技术
时域测量是以获取被测信号和系统在时间领域的特性为 目的,采用测量被测对象的幅度-时间响应特性的方法, 以得到信号波形和系统的瞬态响应(阶跃响应或冲激响应) 。
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1.3 电子测量的分类
? 1.3. 4 时域、频域及时频域测量
3. 频域测量和时域测量比较 频域测量和时域测量是测量信号和系统性能的两种方法 ,是从两个不同的角度去观测同一个被测对象,其结果应 该是一致的。 从时域测量观点来看,时域波形直观,对复杂信号的认 识十分快速方便。从频域测量观点来看,频谱能细致表现 信号的结构,且测量精确度高。 在频域和时域测量技术中,激励信号不同,检测响应的 仪器结构原理也大不一样,两者各有特点而又各有不足的 地方。
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1.3 电子测量的分类
? 1.3.5 直接测量、间接测量和组合测量
1. 直接测量 直接测量是指用已标定的仪器,直接地测量出某一待测 未知量的量值的方法,例如用电压表直接测量电压。 2. 间接测量 某未知量y,当不能对它进行直接测量时,可以通过对 与未知待测量y有确切函数关系的其他变量x(或n个变量 ) 进行直接测量,然后再通过函数

y ? f ( x) 或 y ? f ( x1 , x2 ,?, xn )

计算出待测量y,这种测量称为间接测量。
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1.3 电子测量的分类
? 1.3.5 直接测量、间接测量和组合测量
3. 组合测量 组合测量是在一系列直接测量的基础上,通过对多次直 接测量的组合,从获取的联立方程组求解,而获得测量结 果的一种测量方法。 根据所采用的测量方法不同,测量误差的数据处理方法 也有所不同,可以分为直接测量的数据处理、间接测量的 数据处理和组合测量的数据处理。

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1.3 电子测量的分类
? 1.3.6 模拟量测量和数字量测量
1. 模拟量和数字量 电子测量中的被测量,就其表现形式来看,可以划分为 模拟量和数字量两种。模拟量的表示形式是“连续的”, 数字量的表现形式是“不连续的”(离散的)。 模拟量和数字量之间可以相互转换,即模拟量(模拟信 号)转换成数字量(数字信号),称为模—数转换(A— D转换);或者数字量(数字信号)转换成模拟量(模拟 信号),称为数—模转换(D—A转换)。

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1.3 电子测量的分类
? 1.3.6 模拟量测量和数字量测量
2. 模拟量的测量技术 1)模拟式测量技术

模拟量的模拟式测量技术采用模拟变换技术,把输入的 一种模拟量变换成另一种模拟量,或者直接采用模拟比较 技术,即一个待测模拟量和一个已知模拟量进行比较,来 获得测量结果。
在模拟测量过程中,采集、存储、变换、传输、处理、 输出的各种量均是模拟量或模拟信号。

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1.3 电子测量的分类
? 1.3.6 模拟量测量和数字量测量
2. 模拟量的测量技术 2)数字式测量技术

数字式或数字化测量技术则是基于数字技术来完成对模 拟量的测量。如下图所示为数字测量仪器的基本框图:
模拟输入

信号调理电路

A-D转换电器

数字控制逻辑

数字显示器

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1.3 电子测量的分类
? 1.3.6 模拟量测量和数字量测量
3. 数字量测量技术 (1)数字量测量的基本概念

数字量测量技术又称数据域测量技术,它是一门研究对 数字系统进行高效故障寻迹的科学。
数据域测量的目标有两个:一是确定系统中是否存在故 障,称为合格/失效测试,或称故障诊断;二是确定故障 的位置,称为故障定位。

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《电子测量原理》

1.3 电子测量的分类
? 1.3.6 模拟量测量和数字量测量
3. 数字量测量技术 (2)数字系统测量的基本方法

对数字系统进行测量的基本方法是,在输入端加激励信 号,观察由此产生的输出响应,并与预期的正确结果进行 比较,一致则表示系统正常;不一致则表示系统有故障。 一般有穷举测量法、结构测量法、功能测量法和随机测量 法。

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1.3 电子测量的分类
? 1.3.6 模拟量测量和数字量测量
3. 数字量测量技术 (3)数字系统的测量系统

数据域测量的主要设备有:逻辑笔和逻辑夹、逻辑分析 仪、特征分析仪、激励仪器、微机及数字系统故障诊断仪 、在线仿真仪、数据图形产生器、微型计算机开发系统等 。

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1.3 电子测量的分类
? 1.3.7 随机测量技术
最普遍存在、最典型的随机信号是各类噪声。所以随机 测量技术又称为噪声测量技术。由于噪声是一种与时间因 素有关的随机变量,对噪声的研究使用概率统计方法,故 又把这类测量称为统计测量技术。它主要包括下述三个内 容: (1)噪声信号统计特性的测量;

(2)将已知特性的噪声作激励源对被测系统进行统计性测 量,研究被测系统的特性;
(3)在背景噪声信号不可忽略时对信号、特别是微弱信号 的精确测量。
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1.4 本书的体系结构及学习要点
? 1.4.1 本书的体系结构

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1.4.1 本书的体系结构
? 信号的测量:信号的特性参量为常见的有源量,主要包含 信号时频(周期与时间、频率与波长)测量、信号幅值( 电压、电流和功率)测量、信号波形(时域)测量、信号 频谱(频域)测量和数字逻辑信号测量。此外,还有信号 特征参数、噪声信号和非电量信号等测量 ? 系统的测量:系统的特性参数为常见的无源量,所以系统 测量必须用信号源。系统测量主要包括元件阻抗参数(电 阻、电感、电容、损耗、品质等)、器件(半导体分立器 件)、集成电路(模拟集成运放和数字集成逻辑)参数和 功能的测量,系统静态特性曲线及其参数的测量,电路频 率特性(稳态)测量、系统特性(动态)测量,网络参数 (稳态)测量和数字系统(数域)测量等。

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1.4 本书的体系结构及学习要点
? 1.4.2 本书的学习要点 ? 1.测量原理
? 本书涉及的各章内容中,对被测参数的测量,均采用比较 测量的原理,它们可分成间接比较和直接比较两种测量原 理, ? 例如,频率、电压、阻抗等各章的内容中,均有基于间接 比较和直接比较两种原理的测量技术及仪器。
? 建议读者可结合各章的具体内容来深入理解电子测量原理 。

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1.4.2 本书的学习要点
? 2. 测量方法

《电子测量原理》

? 根据被测信号的属性和系统在测量时所处的状态,从静态 、稳态和动态的观点,用时域、频域和时频域的方法,理 解所采用的各种测量方法的内涵。 ? 例如,电压、阻抗等参量测量中,根据激励信号的不同, 即为直流、交流(正弦)和脉冲(阶跃)信号源,分别采 用静态、稳态和动态测量方法。 ? 又如,模拟示波器和数字示波器均属时域测试仪器,但前 者适宜周期性稳态信号的测量,后者不仅适用于稳态信号 ,并且也适用于测非周期性动态信号的测量。

? 外差式频谱仪和FFT分析仪均是频域测试仪器,但前者仅 适宜对周期性的稳态信号进行非实时分析,后者则可对瞬 变的动态信号进行实时分析。

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《电子测量原理》

1.4.2 本书的学习要点
? 3.测量技术
? 各类参数早期采用模拟式测量技术,随着科学技术的发展 ,目前广泛采用了数字式测量技术,仪器实现了数字化。 例如,频率、电压、阻抗、波形等参数,全面实现了数字 化测量,并且出现了数字频率计、数字多用表、数字式阻 抗仪、数字示波器、数字合成信号源等数字化仪器,它们 的性能指标,或是性价比均优于模拟式仪器,并且有取代 传统模拟式仪器的趋势, ? 所以重点应当掌握各类参数的数字式测量技术,同时,书 中也介绍了各种传统的模拟式测量技术,使读者能拓宽思 路,对各类参数的测量技术有全面系统的了解。


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