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1、计量学计量学基础基础教学课件教学课件精思国计，细量民生第十三章第十三章 电子学计量电子学计量 电子学计量是由电磁学计量发展派生出来的。电子学计量是由电磁学计量发展派生出来的。2020世纪世纪9090年代以来，伴随着光纤通信、移动通信和年代以来，伴随着光纤通信、移动通信和数字通信技术的快速发展，电子学计量无论是研究数字通信技术的快速发展，电子学计量无论是研究对象的数量还是研究频率的范围的变得越来越宽。对象的数量还是研究频率的范围的变得越来越宽。电子学计量对象的频带，通常是指从高频倒超电子学计量对象的频带，通常是指从高频倒超高频的频率范围，低频和直流归于电磁学计量。高频的频率范围，低频和直流归于电

2、磁学计量。一、高频电压一、高频电压 高频电压是电子学计量中一个基本参量，又是高频电压是电子学计量中一个基本参量，又是电信号的主要描述参量，是模拟信号的重要表现形电信号的主要描述参量，是模拟信号的重要表现形式。式。表达式：表达式：babaUEdl精思国计，细量民生第一节第一节 电子学计量的基本名称与概念电子学计量的基本名称与概念二、高频（微波）功率二、高频（微波）功率 高频功率高频功率（又称为微波功率）是一个描述高（又称为微波功率）是一个描述高频信号的大小及信号通过系统时传输能量特性的频信号的大小及信号通过系统时传输能量特性的物理量，是电子学计量中最重要的基本参量。单物理量，是电子学计量中最重要

3、的基本参量。单位：瓦特（位：瓦特（W）按计量范围分类：小功率（按计量范围分类：小功率（10mW以下）、以下）、中功率中功率(10mW10W)和大功率和大功率(10W以上以上)一个功率计量装置由一个功率计量装置由能量转换器能量转换器和和相应的指相应的指示示器器组成组成精思国计，细量民生第一节第一节 电子学计量的基本名称与概念电子学计量的基本名称与概念三、衰减三、衰减 衰减衰减是电子学计量中的一个重要参量，它描是电子学计量中的一个重要参量，它描述的是无线电信号在传输过程中能量的损耗和减述的是无线电信号在传输过程中能量的损耗和减弱的程度弱的程度.衰减的量度通常是由电压或功率的比确衰减的量度通常是由电

4、压或功率的比确定的定的,描述了两个同名量值之间的相对差。描述了两个同名量值之间的相对差。单位：分贝单位：分贝(dB)计量的主要对象：各种高频器件计量的主要对象：各种高频器件 主要内容：器件的信号幅度传输特性主要内容：器件的信号幅度传输特性精思国计，细量民生第一节第一节 电子学计量的基本名称与概念电子学计量的基本名称与概念一、高频电压标准一、高频电压标准 高频电压种类很多高频电压种类很多,按转换器件可以分为按转换器件可以分为功率敏功率敏感感和和电压敏感电压敏感两种。两种。1 1、高频中电压标准、高频中电压标准 （1 1）功率计法）功率计法 高频中电压是指测量电压从高频中电压是指测量电压从0.10

5、.110V10V的高频电压的高频电压 iVPZ精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准 （2 2）测辐射器电桥法）测辐射器电桥法 该电压标准主要由测辐射热器座和显示读数该电压标准主要由测辐射热器座和显示读数的直流平衡电桥组成。原理如图所示。的直流平衡电桥组成。原理如图所示。一般用双测热电阻电桥以抵消环境温度变化所引入的误差。一般用双测热电阻电桥以抵消环境温度变化所引入的误差。被校表高频信号源直流平衡电桥测辐射热器座精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准2 2、高频小电压标准、高频小电压标准 高频小电压标准是指测量电压低于高频小电

6、压标准是指测量电压低于0.1V以下以下的高频电压标准，主要有两种，即的高频电压标准，主要有两种，即校准接收机和校准接收机和高频微伏标准。高频微伏标准。（1）校准接收机）校准接收机 是专门用来校准高频信号发生器是专门用来校准高频信号发生器的输出电压的装置。的输出电压的装置。组成：高频电压源、高灵敏度接收器。组成：高频电压源、高灵敏度接收器。测量不确定度来自整机的非线性误差；进行测量不确定度来自整机的非线性误差；进行绝对计量时还要考虑标准电压测量的不确定度。绝对计量时还要考虑标准电压测量的不确定度。精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准（2）高频微伏标准）高频微伏

7、标准 可以直接可以直接校准电压表，也可以通过电校准电压表，也可以通过电压测量仪校准高频电压源。压测量仪校准高频电压源。特点：结构简单、性能稳定、特点：结构简单、性能稳定、输出电阻小输出电阻小 原理如图原理如图精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准二、高频功率标准二、高频功率标准1 1、量热式功率计、量热式功率计 量热式功率计是将被测功率转化为热能来进量热式功率计是将被测功率转化为热能来进行测量的，其功率敏感元件就是量热体（通常是行测量的，其功率敏感元件就是量热体（通常是微波金属膜电阻负载）。微波金属膜电阻负载）。P P=mcTmcTtt 在实际应用中通常用替代

8、法来提高测量的敏在实际应用中通常用替代法来提高测量的敏捷性，即使用已知的直流或低频功率去替代产生捷性，即使用已知的直流或低频功率去替代产生同样热效应的高频功率。同样热效应的高频功率。精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准 双负载量热式功率计双负载量热式功率计（又称为对偶式或双干量（又称为对偶式或双干量热式功率记）可以进一步热式功率记）可以进一步消除环境温度对测量的影消除环境温度对测量的影响，原理如图所示：响，原理如图所示：精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准2 2、测辐射热器式功率计、测辐射热器式功率计 测辐射热器式功率计测

9、辐射热器式功率计是利用温度敏感电阻元件是利用温度敏感电阻元件（测辐射热器）在吸收电（测辐射热器）在吸收电磁波能量前后阻值发生的磁波能量前后阻值发生的变化来计量功率的。原理变化来计量功率的。原理如图如图精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准 测辐射热器功率计使用直流替代测试方法属于绝测辐射热器功率计使用直流替代测试方法属于绝对测量，常年性稳定、相应时间快，量程通常小于对测量，常年性稳定、相应时间快，量程通常小于100mW100mW。2212()4TRPII精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准 3 3、微量热计、微量热计 微量热

10、计借助于测辐射热器座为量热体，使用量热计微量热计借助于测辐射热器座为量热体，使用量热计方法确定测辐射热器座的有效效率，从而获得功率标方法确定测辐射热器座的有效效率，从而获得功率标准。准。组成：测辐射热器功率计、量热计组成：测辐射热器功率计、量热计 原理如图所示：原理如图所示：精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准三、衰减标准三、衰减标准1 1、波导截止衰减器、波导截止衰减器 波导截止衰减器利用波导截止衰减器利用了电磁波在截止状态下的了电磁波在截止状态下的传输特性，即当电磁波的传输特性，即当

11、电磁波的波长大于波导的截止波长波长大于波导的截止波长时，衰减量大小正比于截时，衰减量大小正比于截至波导的长度，又称活塞至波导的长度，又称活塞式衰减器。原理如图所示：式衰减器。原理如图所示：精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准2 2、回转衰减器、回转衰减器 回转衰减器是通过回转角度来精密确定的，其原理如图回转衰减器是通过回转角度来精密确定的，其原理如图所示：所示：精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准 当中心三段圆形波导中的衰减片在同一平面时，当中心三段圆形波导中的衰减片在同一平面时，电场与衰减片相重合，此时信号的衰减最小；在

12、将电场与衰减片相重合，此时信号的衰减最小；在将中间的圆形波导回转中间的圆形波导回转 角，信号的衰减量随之增大，角，信号的衰减量随之增大，该衰减的变化量该衰减的变化量A（单位为（单位为dB）,可由下式求得：可由下式求得：40lgsecA精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准 3 3、电感衰减器、电感衰减器 电感衰减器亦称感应分压器，是在音频范围内准确度电感衰减器亦称感应分压器，是在音频范围内准确度很高的可变衰减器。很高的可变衰减器。电感衰减器从结构上说实际上就是感应线圈分压装置，电感衰减器从结构上说实际上就是感应线圈分压装置，只能用于低频（一般为只能用于低频（一

13、般为1 110kHz10kHz）,但准确度可达到但准确度可达到 量级，随着工作频率增高，测量不确定度增加很快。量级，随着工作频率增高，测量不确定度增加很快。810精思国计，细量民生第二节第二节 电子学计量单位的标准电子学计量单位的标准一、高频电压的校准方法一、高频电压的校准方法 1 1、检波法、检波法 检波法测量电压的基本原理是将被测的高频电检波法测量电压的基本原理是将被测的高频电压通过检波器转换为与其成比例的直流电压或电压通过检波器转换为与其成比例的直流电压或电流，然后使用高准确度的直流电表对其进行测量。流，然后使用高准确度的直流电表对其进行测量。分类：分类：检波放大型检波放大型 放大检波型

14、放大检波型 精思国计，细量民生第三节第三节 电子学计量的传递和标准电子学计量的传递和标准2 2、补偿法、补偿法 补偿法电压表实际上是一种特殊形式的检波补偿法电压表实际上是一种特殊形式的检波式电压表。使用检波器将被测的高频电压转换为式电压表。使用检波器将被测的高频电压转换为直流电压，再与已知的直流补偿电压相比较，由直流电压，再与已知的直流补偿电压相比较，由直流补偿电压的大小来确定被测电压的大小。直流补偿电压的大小来确定被测电压的大小。精思国计，细量民生第三节第三节 电子学计量的传递和标准电子学计量的传递和标准3 3、热偶法、热偶法 热偶法是利用直流和高频在同一负载上产生相同热偶法是利用直流和高频

15、在同一负载上产生相同热效应的原理工作的。热效应的原理工作的。优点：精度高、稳定性好、结构简单、价格低优点：精度高、稳定性好、结构简单、价格低廉廉 缺点：灵敏度低、输入阻抗不高缺点：灵敏度低、输入阻抗不高精思国计，细量民生第三节第三节 电子学计量的传递和标准电子学计量的传递和标准二、高频功率的校准方法二、高频功率的校准方法1 1、交替比较法、交替比较法 交替比较法是将标准功率座和被校准功率座交交替比较法是将标准功率座和被校准功率座交替连接到频率、幅度稳定的信号输出端，可以得替连接到频率、幅度稳定的信号输出端，可以得到标准座和被校准功率座之间的关系，确定出被到标准座和被校准功率座之间的关系，确定出

16、被校准功率座有效效率和校准因子，从而达到校准校准功率座有效效率和校准因子，从而达到校准目的。目的。优点：设备简单、操作简单方便优点：设备简单、操作简单方便 缺点：引入的测量不确定度较大缺点：引入的测量不确定度较大精思国计，细量民生第三节第三节 电子学计量的传递和标准电子学计量的传递和标准2 2、定向耦合法、定向耦合法 定向耦合法可分为定向耦合法可分为单定向耦合器法单定向耦合器法和和级联定向耦合器级联定向耦合器法法。单定向耦合器法主要应用于对中、小功率的量值传递；单定向耦合器法主要应用于对中、小功率的量值传递；级联定向耦合器法主要应用于中、大功率的量值传递。级联定向耦合器法主要应用于中、大功率的

17、量值传递。精思国计，细量民生第三节第三节 电子学计量的传递和标准电子学计量的传递和标准3 3、调配反射计法、调配反射计法 在功率测量量值传递的过程中，阻抗失配引起的校在功率测量量值传递的过程中，阻抗失配引起的校准不确定度相当大，借助调配反射计技术能够将高频准不确定度相当大，借助调配反射计技术能够将高频信号的等效输出反射系数调配到信号的等效输出反射系数调配到 量级，并能计量级，并能计算出负载吸收的净功率，使阻抗失配引起的校准不确算出负载吸收的净功率，使阻抗失配引起的校准不确定度减少定度减少1212个数量级。个数量级。特点：技术复杂，只能用于精密测量领域特点：技术复杂，只能用于精密测量领域 精思国

18、计，细量民生第三节第三节 电子学计量的传递和标准电子学计量的传递和标准4 4、功率方程法、功率方程法 功率方程法就是基于端面不变参量来描述和计算高功率方程法就是基于端面不变参量来描述和计算高频系统的一种方法。频系统的一种方法。特点：技术复杂，只能用于精密测量领域特点：技术复杂，只能用于精密测量领域 精思国计，细量民生第三节第三节 电子学计量的传递和标准电子学计量的传递和标准三、衰减计量方法三、衰减计量方法衰减计量方法很多，最常用的是替代法。衰减计量方法很多，最常用的是替代法。替代法可分为：直流替代、音频替代、高频替代、替代法可分为：直流替代、音频替代、高频替代、中频替代中频替代1 1、高频替代

19、法、高频替代法 高频替代法又称直接替代法，是将被测衰减器的高频替代法又称直接替代法，是将被测衰减器的衰减量与工作在同一频率的标准衰减器比较。衰减量与工作在同一频率的标准衰减器比较。优点：设备简单、量程大、准确度高、工作简便优点：设备简单、量程大、准确度高、工作简便 缺点：只能用于频率传递，局限性大缺点：只能用于频率传递，局限性大精思国计，细量民生第三节第三节 电子学计量的传递和标准电子学计量的传递和标准2 2、中频替代法、中频替代法 中频替代法的原理是使用变频的方法将高频信号线中频替代法的原理是使用变频的方法将高频信号线性转换为中频信号，然后再用精密的中频衰减器对被性转换为中频信号，然后再用精

20、密的中频衰减器对被测衰减器进行替代。测衰减器进行替代。中频替代法分为串联和并联两种方法中频替代法分为串联和并联两种方法 串联：设备简单、操作方便、量程小、系统的任串联：设备简单、操作方便、量程小、系统的任何部分都会导致很大的误差。何部分都会导致很大的误差。并联：系统复杂、操作难度大、量程较大、准确并联：系统复杂、操作难度大、量程较大、准确度较高度较高精思国计，细量民生第三节第三节 电子学计量的传递和标准电子学计量的传递和标准3 3、调制副载波法、调制副载波法 调制副载波法是将高频信号线性地转换为音频信号，调制副载波法是将高频信号线性地转换为音频信号，使用高准确度的音频衰减标准替代被测的高频衰减

21、。使用高准确度的音频衰减标准替代被测的高频衰减。过程：高频信号被耦合器分成两路，一路平衡调制过程：高频信号被耦合器分成两路，一路平衡调制器和被衰减器后，在与另一路合成，经包络检波器现器和被衰减器后，在与另一路合成，经包络检波器现行检波成为调频信号，最后用高准确度的电感标准衰行检波成为调频信号，最后用高准确度的电感标准衰减器进行替代，实现准确的衰减计量。减器进行替代，实现准确的衰减计量。精思国计，细量民生第三节第三节 电子学计量的传递和标准电子学计量的传递和标准一、毫米波计量一、毫米波计量 近些年来，毫米波技术获得了突飞猛进的发近些年来，毫米波技术获得了突飞猛进的发展，并在通信、射电天文、生物医

22、学、地面和空展，并在通信、射电天文、生物医学、地面和空中交通管制、汽车防撞雷达、焦平面成像等领域中交通管制、汽车防撞雷达、焦平面成像等领域得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。精思国计，细量民生第四节第四节 电子学计量的发展电子学计量的发展二、时域和脉冲波形的计量二、时域和脉冲波形的计量 脉冲测量是时域测量中非常重要的项目。传脉冲测量是时域测量中非常重要的项目。传统的测量方法是使用示波器，将射频重复信号经统的测量方法是使用示波器，将射频重复信号经过取样，变成低频重复信号后进行测量。过取样，变成低频重复信号后进行测量。精思国计，细量民生第四节第四节 电子学计量的发展电子学计量的发展三、通信中的电子

23、学计量三、通信中的电子学计量 随着数字通信技术的发展，对电子学计量的对象随着数字通信技术的发展，对电子学计量的对象范围提出了新的需求。数字通信系统同模拟系统范围提出了新的需求。数字通信系统同模拟系统差别很大，其技术标准和测试方法与模拟系统有差别很大，其技术标准和测试方法与模拟系统有很大差异。很大差异。数字通信计量测试的内容丰富。测试特性包括频数字通信计量测试的内容丰富。测试特性包括频率、天线功率、调制特性、占用频率带宽、相邻率、天线功率、调制特性、占用频率带宽、相邻信道功率泄露以及寄生信号等。信道功率泄露以及寄生信号等。精思国计，细量民生第四节第四节 电子学计量的发展电子学计量的发展 我国发展最为迅速的是数字移动通信。我国发展最为迅速的是数字移动通信。GSMGSM制式标制式标准是我国目前移动通信的主流制式，准是我国目前移动通信的主流制式，CDMACDMA技术因为容技术因为容量大、抗干扰能力强、保密性好等优点，具有潜在应量大、抗干扰能力强、保密性好等优点，具有潜在应用前景。用前景。精思国计，细量民生第四节第四节 电子学计量的发展电子学计量的发展精思国计，细量民生