电子教案第二章.

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1、2-12-1 电子测量的基本知识电子测量的基本知识一、电子测量一、电子测量测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。电子测量是测量学的一个重要分支。从广义上，凡是利用电子技术进行的测量都可以说是电子测量；从狭义上来说，电子测量是指在电子学中测量有关电的量值。它包括的内容主要是：1 电能量的测量 2 元件和电路参数的测量 3 电信号的特性的测量 4 电子电路性能的测量 5 特性曲线显示 与其他测量相比，电子测量具有以下几个明显特点：（1） 测量频率范围极宽；（2） 电子测量仪器的量程很广；（3） 电子测量准确度高；（4） 测量速度快；（5） 易于实现遥测和长期不间断的测量；（6） 易于实现测量

2、过程的自动化和测量仪器的微机化。二、电子测量仪器二、电子测量仪器用于检测或测量一个量或为测量目的供给一个量的器具称为测量仪器。利用电子技术测量电或非电量的测量仪器称为电子测量仪器。电子测量仪器种类繁多，一般可分为专用仪器和通用仪器两大类。前者是指为某一个或几个专门目的而设计的电子测量仪器，如电视彩色信号发生器。后者是指为测量某一个或几个电参数而设计的电子测量仪器，它们能用于多种电子测量，如电子示波器。通用电子测量仪器按其功能可分为以下几类：1信号发生器 2信号分析仪器3频率、时间和相位测量仪器 4网络特性测量仪器5电子元器件测试仪器 6电波特性测试仪器7辅助仪器通用仪器按显示方式分，又可分为模

3、拟式和数字式两大类。前者主要是用指针方式直接将测量结果在标度尺上指示出来，如各种模拟式万用表和电子电压表等。后者是将被测的连续变化的模拟量转换成数字量之后，以数字方式显示测量结果，以达到直观、准确、快速的效果，如各种数字电压表、数字频率计等。电子测量仪器的种类是繁多的，用途也各不相同，在测量中应合理选择使用。若想更深入了解电子测量仪器的有关内容，请参阅本教学辅助系统的仪器使用部分。三、电子测量的方法三、电子测量的方法为实现测量目的，正确选择测量方法是极其重要的，它直接关系到测量工作能否正常进行和测量结果的有效性。测量方法的分类方法大致有以下几种。(1) 按测量性质分类，有以下四种：时域测量：测

4、量与时间有函数关系的量。 频域测量：测量与频率有函数关系的量。 数字域测量：对数字逻辑量进行测量。 随机测量：主要是指对各种噪声、干扰信号等随机量的测量。 （2）按测量手段分类，有以下三种： 直接测量：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。 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。 组合测量：在某些测量中，被测量与多个未知量有关，测量一次无法得出完整的结果，则可改变测量条件进行多次测量，然后按照被测量与未知量之间的函数关系，组成联立方程，最后求解，得出各未知量。

5、（3）按测量方式分类，有替代法、指零法、差值法等。（4）按与被测量的距离分类，有原位测量和远距离测量。测量方法是多种多样的，测量者应根据测量任务的要求，进行认真分析,确定切实可行的测量方法，然后选择合适的测量仪器组成测量系统，进行实际测量。四、测量方法和测量仪器的正确选择四、测量方法和测量仪器的正确选择进行测量之前，应根据被测量的特点、所需要的测量准确度、环境条件以及具有的测量设备等进行综合考虑后，确定采用哪种测量方法及选择哪些测量设备。只有这样才能保证不损坏被测对象和所用仪器，减小测量误差。如果测量方法或测量仪器选择不当，可能出现以下几种不希望的情况：1.测量数据不准确，误差大，测得结果不可

6、信 例如例如，测量如如图图 1 1 所示有源二端网络的等效电动势，如果用内阻为 RV =100k 的模拟电压表，采用直接 测量法进行测量，如图如图 1 1 所示，测量结果为 4V，实 际等效电动势为 Eo6V，测量结果的误差很大，相对误差达 33%，原因是所用 电压表的内阻太小，与被测网 络内阻可比拟，测量结果得到的是电压表内阻 RV上分到的电压，而不是等效电动势 Eo .此时应改用内阻高的电子电压表，如 果只有内阻不高的普通电压表，就应来用零示法或其他方法进行测量，而不能 用直接测量法。再比如，用直流电压灵敏度为 10k/V 的万用表的 2.5V 档去测量如图如图 2 2 所 示放大器中晶体

7、管的发射结电压 UBE，如果不用直接测量法测 UBE， 而是分别测 得 UB0.88V,UE0.92V，然后计算得 UBEUBUE0.04V，根据这个测量 结果，放大器必然处于截止状态，而实际上放大器却工作在放大状态且 UBE0.32V。造成 这个错误结论的原因是万用表 2.5V 档的内阻为 25k，这 个电阻并联在基极与地之间，减小了下偏置电阻，因而测出的 UB值比实际值小 得多，而测得的 UE值由于发射极输出 阻抗低，仪器内阻的影响小而接近其实 际值，可见,上述误差是由于测试方法不当引起的。应直接测量基极与发射极之 间的电压 UBE。 图图 1 1 直接测量法测量二端网络等效电直接测量法测

8、量二端网络等效电 动势动势图图 2 2 单级放大器电路单级放大器电路2.损坏测量仪器 若被测量的大小超出测量仪器的量程，就容易损坏测量仪 器。例如，测量有源二端网络的等效电阻可以用开路电压 短路电流法，但当有源二端网的内阻很小时，就不宜采用 此法，因为在测短路电流时很容易损坏电流表。如图如图 3 3 所 示有源二端网络，用内阻 RA1.5 的电流表测其短路电 流 I4A，而一般电流表的量程都是毫安级的，如果测量 者在实际测量时不加考虑就测短路电流，很容易因超量程 而损坏电流表。图图 3 3 测量有源二端测量有源二端 网络的短路电路网络的短路电路3.损坏被测对象 例如：例如：在测量电路参数时，若

9、不考虑测量仪器接入电路后对电路的影响，就可能因产生过大的电流或电压，而引起被测对象的损坏。例如，微安表表头所允许流过的电流很小，一般都在微安级，如果用万用表的欧姆档直接测量微安表的表头内阻，流过被测表头的电流就可能超过其所能承受的最大电流，从而损坏被测表头。合理选择测量方法和测量仪器是电子测量的基本问题。2-2 测量误差的基本知识测量误差的基本知识一、几个术语一、几个术语1. 真值被测量本身所具有的真实大小。在不同的时间、空间真值往往是不同的，但在一定的时空条件下，真值是客观存在的，但又是难以准确测量出来的。 2.约定真值指足够接近一个量的真值的量，从使用它的目的来考虑，它与真值的差可以忽略不

10、计。经常用理论值作为约定真值，简称真值。 3.测量误差测量结果与真值的差别。 二、误差的表示方法二、误差的表示方法1. 绝对误差 测量结果 X 与被测量的真值 A 之差称为绝对误差。XA 是一个具有大小、符号和单位的值，反映的是测量结果与真值的偏差程度，但不能反映测量的准确程度。 2.相对误差 绝对误差 与真值 A 之比的百分数。相对误差反映了测量的准确度。 三、误差的分类三、误差的分类按性质分可分为三类：1.系统误差：在相同条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定或遵循一定规律变化的误差。产生系统误差的主要原因有仪器误差、使用误差、影响误差、方法和理论误差，消除系统误差主要应从消

11、除产生误差的来源着手，多用零示法、替代法等，用修正值是减小系统误差的一种好方法。2.随机误差：在相同条件下进行多次测量，每次测量结果出现无规则的随机性变化的误差。随机误差主要由外界干扰等原因引起，可以采用多次测量取算术平均值的方法来消除随机误差。 3.粗大误差：在一定条件下，测量结果明显偏离真值时所对应的误差，称为粗大误差。产生粗大误差的原因有读错数、测量方法错误、测量仪器有缺陷等等，其中人身误差是主要的，这可通过提高测量者的责任心和加强测量者的培训等方法来解决。 四、误差的来源四、误差的来源1.仪表误差由于仪器本身及附件的电气和机械性能不完善而引入的误差。如仪器零件位置安装不正确，刻度不完善

12、等，这是仪器固有的误差。 2.使用误差由于仪器的安装、布置、调节和使用不当等所造成的误差。如把要求水平放置的仪器垂直放置、接线太长、未按阻抗匹配连接、接地不当等都会产生使用误差。减小这种误差的方法是严格按照技术规程操作，提高实验技巧和对各种现象的分析能力。 3.影响误差由于受外界温度、湿度、电磁场、机械振动、光照、放射性等影响而造成的误差。 4.人身误差由于测量者的分辨能力，工作习惯等原因引起的误差。对于某些借助人耳、人眼来判断结果的测量以及需要进行人工调谐等的测量工作，均会产生人身误差。 5. 方法和理论误差由于测量方法或仪器仪表不当所造成的误差称为方法误差；测量时，依据的理论不严格或用近似

13、公式、近似值计算等造成的误差称为理论误差。 2-3 测量数据的处理测量数据的处理一、有效数字的处理一、有效数字的处理有效数字 有效数字是指从左边第一个非 0 数字算起，直到右边最后一位数字为止的所有各位数字。例如，0.0516kV，9.06V，465kHz，2.30mA 等都是有效数字。在确定有效数字的位数时应注意：（1）在第一位非 0 数字左边的“0”不是有效数字，而在非 0 数字中间的“0”和右边的“0”是有效数字。（2）有效数字与测量误差的关系：一般规定误差不超过有效数字末位单位数字的一半。因此有效数字的末位数字位为“0”时，不能随意删除。（3）若用“10”的方幂来表示数据，则“10”的

14、方幂前面的数字都是有效数字。（4）有效数字不能因选用的单位变化而改变。 数据的舍入规则当只需要 N 位有效数字时，对第 N1 位及其后面的各位数字就要根据舍入规则进行处理，现在普遍采用的舍入规则是：（1）四舍六入：当第 N1 位为小于 5 的数时，舍掉第 N1 位及其后面的所有数字；若第 N1 位为大于 5 的数时，舍掉第 N1 位及其后面的所有数字的同时第 N 位加 1。（2）当第 N1 位恰为“5”时，若“5”之后有非零数字，则在舍 5 的同时第 N 为加 1；若“5”之后无数字或为 0 时，则由“5”之前的数的奇偶性来决定舍入，如果“5”之前为奇数则舍“5”且第 N 为加 1，如果“5”

15、之前为偶数则舍“5”，第 N 位不变。根据上面的舍入规则，将下列数字保留三位有效数字345.6346 1.20541.219.3769.38 124.51240.52340.523 789.5790 有效数字的运算 当需要对 N 个测量结果进行运算时，有效数字的保留原则上取决于误差最大即小数点后有效数字位数最少的那一项。（1）加、减运算. 先将各数据小数点后的位数处理成与小数点后有效数字位数最少的数据相同后再进行计算。要尽量避免两个相近数的相减，以免对计算结果产生很大的影响，非减不可时，应多取几位有效数字。 （2）乘、除运算. 先将各数据处理成与有效数字位数最少的数据相同或多一位后再进行计算，

16、运算结果的有效数字位数也应处理成与有效数字位数最少的数据相同。注意：在乘、除运算中，有效数字的取舍与小数点无关。 （3）乘方与开方运算.运算结果应比原数据多保留一位有效数字。 （4）对数运算. 取对数前后的有效数字位数应相等。二、图解分析数据二、图解分析数据 要作出一条符合客观规律，反映真实情况的曲线应按以下步骤操作：（1）合理选用坐标系最常用的是直角坐标系，也有用极坐标或其他坐标系的。（2）合理选择坐标分度，标明坐标名称和单位合理选择坐标分度，标明坐标名称和单位：坐标分度不合适，比如坐标分度过合理选择坐标分度，标明坐标名称和单位：坐标分度不合适，比如坐标分度过 大就可能反映不出曲线变化的细微特征；纵、横坐标之间的比例不一定取得一大就可能反映不出曲线变化的细微特征；纵、横坐标之间的比例不一定取得一 样，应根据具体情况选择，以便于分析且不至于产生错觉为原则。样，应根据具体情况选择，以便于分析且不至于产生错觉为原则