电子测量原理课程总结

Harbin Institute of Technology

《电子测量原理》

知识点总结

0901102班

第一章、测量总述

1.1 测量的基本概念 1.1.1 测量的基本概念

狭义：为确定被测对象量值进行的实验，借助专门设备，直接或间接与同类已知单位量比较，用数值+单位表示结果

广义：为获取被测对象信息进行的实践，借助专门设备，通过感知和识别取得被测对象的属性和量值信息，以便于利用的形式表示结果 测量的基本要素

五大基本要素：测量对象、测量仪器、测量人员、测量技术、测量环境。

测量五大基本要素之间的关系

测量的分类

测量可以分为三类：定量测量、定性测量和定级测量。

定量测量：追求的是精准，通常要对测量结果进行误差分析，并给出不确定度。

定性测量：是判断被测对象属性的一种定性测量，对量值的精确度要求不高，是一种粗略的测量，一般不要求进行误差分析，即不要求给出误差数值。

定级测量：是以技术标准，规范或者检定规程为依据，分辨出被测量所属某一范围带，以此来判断被测量是否合格（符合某种级别）的一种定级测量。 测试和检验

测试：是测量和试验的总称。

试验---为了察看某事结果或某物性能所从事的实践活动。 检测：是检验和测量的总称。

检验---检查被测量量值是否处于某范围内，验证被测量是否合格或某现象是否存在。 1.1.2 电子测量的基本概念

电子测量：以电子技术理论为依据，以电子测量仪器设备为手段，以电量和非电量为测量对象。

电子测量的特点： （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）易于实现测量自动化和智能化

1.2 计量的基本概念

1.2.1 计量的定义、特征、分类

计量：是实现单位统一、量值准确可靠的活动。是利用技术和法制手段实施的一种特殊

形式的测量。

计量的三个主要特征是：法制性、统一性和准确性。

计量按具体内容可分为：科学计量、工程计量和法制计量。 特点 法制计量 工程计量 科学计量

依法强制、政府行为、关系国计民生 源于需求，满足需求 基础性、探索性、先行性 测量与计量的比较

联系：①计量是一种特殊的测量②计量是测量的基础和依据 区别：①比较对象不同，②测量误差不同，③误差来源不同，④目的不同，⑤内容不同，⑥对象不同，⑦存在范围不同

1.2.2 比对、检定和校准

对比: 在规定条件下，对相同准确度等级的同种测量标准或者测量器具之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。

检定：由法定计量机构确定并证实计量器具是否完全满足要求而做的全部工作。

校准：在规定条件下，为确定测量仪器、实物量具、标准物质所表量值，与对应测量标准所复现量值之间关系的一组操作。 检定与校准的区别

1.2.3 基准和标准

基准：定义、实现、保存、复现某基本测量单位的量值、只用于检定其他量具的精度、不直接参加测量。

基准分为：主基准、副基准和工作基准。 主基准最高水平精度 副基准精度由主基准确定 工作基准精度由副基准确定

标准：根据工作基准复现的、不同等级的、便于经常使用的标准量具。 1.2.4 测量标准的传递

量值传递：自上而下的检定计量标准。 量值溯源：自下而上追踪计量标准的过程。

1. 3 测量误差

1.3.1 测量误差及其表示方法

绝对误差：测量值—真值（或约定真值）?x=x???0 相对误差γ：绝对误差与被测量真值之比。γ=???/??

实际相对误差????:绝对误差与被测量的约定值之比。????=??? ??

°

示值相对误差????: 绝对误差与示值误差之比。????=

?????

满度相对误差????: 绝对误差与量程满度值之比。 1.3.2 测量误差分类

测量误差可以分为：随机误差、系统误差和粗大误差。

随机误差：在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时，每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差。

特点：①测量结果以平均值为中心呈现随机离散性，但服从统计规律

②由无规律、不相关的因素造成 ③只能减小、无法消除

④多次测量求平均-----随机误差的“抵偿性”

系统误差：在同一测量条件下，多次测量，误差大小、符号保持不变，或测量条件改变时按规律变化。

特点：①误差呈现规律性

②由固定不变的或按确定规律变化的因素造成 ③不但可以减小、还可以消除

④消除误差来源、补偿法、引入修正值? 粗大误差：一种明显与实际值不同的误差。 精确度：包括精密度与准确度。

精密度：测量值重复一致的程度，反映测量受随即误差的影响。 准确度：测量值与真值的接近程度，反映测量受系统误差的影响。 1.4 测量方法

1.4.1 直接测量和间接测量 1.4.2 有源量测量和无源量测量 有源量----能携带和传递能量 无源量----不能主动提供能量 有源量测量----信号测量

无源量测量----系统测量或参数测量 4、静态、稳态和动态测量 被测量 静态测量 稳态测量 动态测量

恒定 稳定或周期性变化 随时间变化 例子 直流信号 正弦交流信号 非周期信号、脉冲信号

第二章、时域测量

2.1 概述

时间和频率测量的特点：①测量精度高，②应用范围广，③自动化程度高，④测量速度快。 频率的定义：信号在????秒内重复变化N次，则信号的频率????=?? ??.

??

计数器严格按照频率定义实现频率测量。 频率测量的方法分类

2.2 电子计数法测量频率 2.2.1 测频原理

计数法测频电路主要包括：时基电路、输入电路、闸门电路、计数显示电路和控制电路

时基电路：产生电路用来产生所使用的标准频率或时间间隔。 2.2.2 误差分析

测频的误差：包括量化误差和标准频率误差 量化误差（±1误差）：标准频率误差：

???????

?????

=± 1??

=±

1?????????

=?

?????????

计数器直接测频的总误差????=±

??

????????

???=±(??

??

???1

??×????

+|

?????????

|)

TS越长、fx越高、标频精度越高，误差越小

减小直接测频的误差的方法：①TS越长、fx越高，测量误差越小。 ②标准频率误差越小，测量误差越小。 2.3 电子计数法测量时间 2.3.1 测量周期原理

2.3.2计数器直接测周的误差

测周的误差主要包括：量化误差、标准频率误差和触发误差。 量化误差（±1误差）：??=±??=±??标准频率误差：

???

??

???11

???????

???????

=?

?????

?????????

1

合成误差：????=±???=±(??

??

???

??×????

+|

?????????

|)

????越长、????越高、标频精度越高，误差越小;

触发误差：是指在门控脉冲受到干扰时，由于干扰信号的作用，使触发提前或者滞后所带来的误差。是一种随机误差。

消除触发误差的方法：①提高被测信号信噪比

②多周期测量求平均可减小触发误差

减小测周误差的方法：①????越长、????越高，误差越小。

②标频精度越高，测量误差越小；

③提高被测信号信噪比，可以减小触发误差，进而减小测量误差；

④多周期测量求平均可减小触发误差和量化误差，进而减小测量误差。 中界频率????

当直接测量频率和直接测量周期的量化误差相等时，就确定了一个测频和测周的分界点，这个分界点称为中界频率。

????

????= = ?????????

????

当????>????时，宜采用测频法。 当????

2.4 高分辨力时间测量 2.4.1 内插法测时间原理

??1???2

)??0 ???使用内插法能够使测时的测量误差缩小到原有的1/k，测时分辨力提高。 内插法分为模拟内插法和数字内插法。 2.4.2 模拟内插法

2.4.3 数字内插法—游标法计数器

原理：用两个量化单位量形成差值，使被测量被差值量化，当差值很小时测量分辨力很高。 2.5 调制域测量

????=(??°+

调制域测量的根本目的是显示出频率随时间变化的动态特性。因此如何获得某一个时刻所对应的频率值（瞬时频率值）是调制域测量的最基本的一个任务。 所谓的瞬时频率也不是严格地处在某一个时刻所对应的频率值，而是一个相对较短的时间段里的平均频率。

第三章、电压测量

3.1交流电压测量

3.1.1 表征交流电压的5个基本参量

峰值????：以零电平为参考的最大电压幅值。 ：?? =1 ????(??)???? , 是信号的直流分量。 均值??0

??

振幅????：以直流分量为参考的最大电压幅值。

有效值U：一个周期T内，交流电压和某直流电压在纯阻上产生的热量相等，则用该直流电

压值代表交流电压的有效值。U= ?? 0??2(??)????

波峰因数????: ????=

峰值有效值

1

??

反映同一交流电压峰值和有效值的比例关系

波形因数????=

有效值均值

反映同一交流有效值和平均值的比例关系

3.1.2 交流电压测量

交流电压 检波器 微安表

交流/直流（AC/DC）电压转换原理

检波器有：①峰值检波、②均值检波和③有效值检波。 ①峰值检波： 基本原理：通过二极管正向快速充电达到输入电压峰值，而二极管反向截止时保持该峰值（快速充电+慢速放电）。峰值检波器又分为串联式检波器和并联式检波器。 峰值检波电路的输出实际上存在较小的波动，其平均值略小于实际峰值。 ②均值检波

基本原理：均值检波电路可由整流电路得到。经检波电路之后，输出的直流电流与输入的交流电压的均值成正比，而与输入交流电压的波形无关。 1、峰值电压表原理、刻度特性和误差分析 原理：峰值电压表对被测电压的峰值作出响应 刻度特性：表头按正弦交流电压有效值刻度

依据：若峰值相等，则表头读数α相等，反之亦然。

????任意=????~= 2?? ??任意=

????任意????任意

= 2?? ????任意

波形误差γ：将表头读数α直接作为实际被测交流电压有效值产生的误差。

γ=

?????任意??任意

均值电压表原理、刻度特性和误差分析

原理：均值电压表对被测电压的均值作出响应 刻度特性：表头按正弦交流电压有效值刻度

依据：若均值相等，则表头读数α相等，反之亦然。 任意波的均值：??任意=0.9α

任意波的有效值：??任意=????任意×0.9??

波形误差γ：将表头读数α直接作为实际被测波形有效值产生的误差

γ=

?????任意??任意

模拟式交流电压表的组成方案

两种组成方案：先检波后放大，称为检波-放大式 先放大后检波，称为放大-检波式 两个重要指标：带宽：工作频率范围

灵敏度：测量微弱信号的能力

①检波-放大式： u(t) 峰值检波 分压器 直流放大器 微安表

带宽、灵敏度、可测电压上限、输入阻抗由峰值检波器决定。 特点：a峰值电压表的常用形式

b主要用于高频电压信号的测量

提高指标的措施：a超高频检波二极管b检波器直接设计在探头中

c高增益低漂移的直流放大器

②放大-检波式： u(t) 分压器 交流放大器 均值检波器 微安表

带宽、灵敏度由交流放大器决定。

特点：a均值电压表的常用形式b灵敏度很高。 3.1.3 分贝测量 分贝（dB）：被测量与同类标准量之比的对数 以分贝为单位表示的功率比：10lg??1 [dB]

2

??

以分贝为单位表示的电压比：20lg1[dB]

??2

??

绝对电平:

功率电平dBm,取P0=1mW，则PX的功率电平

???? ?????? =10????

????

=10???????? ??0

电压电平dBV,取V0=0.775V，则VX的电压电平

????????

???? ?????? =20????=20????

??00.775分贝测量:表盘按dB刻度的电压测量或功率测量.

3.1.4 电压表的使用* 1、峰值电压表 检波-放大式

峰值响应、频率范围较宽（达1000MHz）但灵敏度低（mV级） 读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值（或峰值） 2、均值电压表 放大-检波式

均值响应、灵敏度比峰值表有所提高，主要用于视频场合 读数的换算：根据波形因数，将读数换算成有效值（或均值） 3、有效值电压表

可以直接读出有效值，非常方便

由于削波和带宽限制，将可能损失一部分被测信号的有效值，带来负的测量误差 较为复杂，价格较贵

3.2数字电压表组成原理及性能指标

核心部件：A/D转换器。决定了DVM的主要性能指标。 DVM主要性能指标：

⑴显示位数：完整显示位：0~9；非完整显示位(半位)：0和1，最高位。 ⑵量程：

基本量程：无衰减放大时输入电压范围，由A/D转换器动态范围决定。 扩展量程：基本量程按10倍放大或衰减扩展

⑶分辨力：分辨最小电压变化量的能力，反映DVM灵敏度 每跳变一个字对应的输入电压变化量，V/字：

量程总字数

。

不同量程上分辨力不同，最小量程上具有最高分辨力。 ⑷分辨率：

等于分辨力与量程之比：

分辨力量程

=

1

总字数

⑸测量速度：每秒完成的测量次数。

主要取决于A/D的转换速度。

⑹测量精度：DVM的测量精度常用固有误差表示，即

?U=±(α%?????+β%?????)

±α%?????为读数误差，与读数有关。

±β%?????为满度误差，与读数无关，只与选用的量程有关。 示值（读数）相对误差：γ=

???????

=±(α%+β%?

????????

)

被测量大时读数误差起主要作用，被测量小时满度误差起主要作用。

合理选择量程，使被测量大于满量程2/3以上。被测电压接近量程满度，测量相对误差小. ⑺输入阻抗:取决于输入电路，与量程有关。输入阻抗越大越好。 3.3电压测量的干扰及抑制技术 3.3.1 干扰来源及分类

串摸干扰：以串联叠加形式对被测信号产生的干扰。 串摸干扰的起因：①来自于被测信号本身

②测量引线受外界电磁场感应（50Hz工频信号、雷电、无线电信号引起的电磁干扰）。

特点：干扰信号频率从直流、低频到超高频

干扰信号波形可以是周期性的或非周期性 可以是正弦波、非正弦波，也可是随机的 50Hz工频干扰是最常见的干扰源

共摸干扰：干扰信号同时作用于DVM的两个输入端。

共摸干扰的起因：①被测电压本身就存在共模电压（被测电压是一个浮置电压）

②被测电压与DVM相距较远，两者的参考地电位不相等

特点：共模干扰电压可能是直流、工频、高频交流

共模干扰电压可以上百伏，甚至上千伏 3.3.2 串模干扰的抑制

抑制串摸干扰的基本方法：

直流串模：软件校准和数据处理方法

周期性串模干扰：滤波或积分式A/D的平均作用 尖峰脉冲干扰抑制：输入端限幅 + 滤波 串摸干扰的误差分析 串模抑制比：NMR=20lg

??????????????

[dB] 其中：????-----串模干扰电压幅值 ?? ????????-----干扰引起最大测量误差

NMR越大，串模干扰抑制能力越强，抗干扰能力越强 串模干扰的误差分析（以积分式DVM为例）

分析可知，完全一致串模干扰（NMR=∞）的方法是:

①设定第一积分时间为干扰信号周期的整数倍 ②适当选择第一次积分的开始时间

当第一次积分时间T1一定时，干扰信号频率fn愈高，则NMR愈大，即串模干扰最大危险在低频，尤其50Hz的工频干扰。

串模抑制比越大，误差越小 积分式DVM的串模干扰抑制措施

依据：①设定第一积分时间为干扰信号周期的整数倍

②适当选择第一次积分的开始时间

措施：50Hz工频干扰周期Tn=20ms，积分时间=20ms、40ms、80ms、100ms 50Hz工频干扰受电网波动：50Hz±1Hz，积分时间自动调整。 3.3.3 共模干扰的抑制

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j9mg.html