电子测量与仪器的培训课程(-227张)课件.ppt
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1、电子测量与仪器福建信息职业技术学院精品课程 2课程目录第1章 电子测量和仪器的基本知识 第2章 信号源第3章 示波测量技术第4章 电压测量第5章 频率、时间和相位的测量第6章 频域测量技术第7章 电子元器件参数测量3 第1章电子测量与仪器基本知识返回课程目录4内容提要本章主要介绍学习本课程必备的基本知识。本章内容主要有:电子测量的内容、特点和基本方法;测量误差的来源、分类和表示方法;有效数字的概念和测量结果的处理;电子测量仪器有关知识。5 1.1测量及其意义测量定义:测量是为了获取被测量对象而进行的实验过程。测量结果=数值+相应的单位 注意:无单位的量值无意义。测量意义:测量是发现新问题、提出
2、新理论的依据;科学的进步和生产的发展与测量技术手段的发展和进步是相互依赖、相互促进的。6 1.2 电子测量的意义和特点电子测量:即以电子技术为手段的测量。它是衡量一个国家科学技术发展的标志。内容:电能量的测量:如I、U、P等的测量;电路、元器件参数的测量:如R、L、C、Q、D等;电信号特性的测量:如f、T、波形、时间等;电路性能的测量:如放大倍数、衰减量、灵敏度等;特性曲线的测量:如幅频特性、相频特性等。7特点:1.测量频率范围宽;2.仪器量程宽;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测量仪器微机化。8 1.3电子测量方法的分类一、按测量方式分类1、直接测
3、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:测量某未知量y,必须先对与未知待测量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,然后再通过函数计算出待测量y,称为间接测量。如:电功率P的测量。3、组合测量:如有若干个待求量,把这些待求量用不同方式组合(或改变测量条件来获得这种不同的组合)进行测量(直接或间接),并把测量值与待求量之间的函数关系列成方程组,只要方程式的数量大于待求量的个数,可以求出各待求量的数值,这种方法叫组合测量或联立测量。9二、按被测信号性质分类1、时域测量:测量被测量对象在不同时刻的特性,这时把被测
4、量对象看成时间的函数;2、频域测量:测量被测量对象在不同频率时的特性,这时把被测量对象看成频率的函数;3、数据域测量:又称数字测量技术,是对数字系统逻辑特性的测量。4、随机测量:随机测试技术是认识含有不确定性的事物的重要手段。最普遍存在、最有用的随机信号是各类噪声。所以随机测量技术又称为噪声测试技术。10 1.4 测量误差的基本概念一、测量误差的定义 1、真值(A0):在一定的时间和空间环境条件下,被测量本身所具有的真实数值。(实际中不可知)2、实际值(A):根据测量误差的要求,用高一级或数级的标准仪器或计量器具测量所得之值。(实际应用中可代替真值)例:微安电流表相比毫安电流表就是高一级测量仪
5、器。3、示值(X):被测量的量值。读数:从仪器刻度盘、显示器等读数装置上直接读来的数字。例:用一电流表测量某电流值,量程选择10mA档。刻度盘指示如下图所示:其读数为:8;示值为:8mA4、标称值:被测量上标示的数值。例:电阻器的色环标示其阻值;010811二、测量误差的表示方法 式中的真值A0是一个理想概念,无法得到,实际应用中通常用实际值A来代替真值A0。实际值也称为约定真值。AA1绝对误差1)定义:由测量所得到的被测量值x与其真值A0之差,称为绝对误差,即测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。特点:绝对误差既有大小,又有符号和量纲。122)修正值 与绝对误差的绝对值大小相等,但符号相
6、反的量值,称为修正值,用C表示为 C=Ax=x 测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出,修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。在日常测量中,利用其仪器的修正值C和该已检仪器的示值,可求得被测量的实际值 A=xC。例:某台电流表的修正值由以下表格给出,求示值分别为0.4mA和0.8mA时的实际值各为多少?X/mA0.02-0.04C/mA00.40.8解:A1=X1+C1=0.4+0.02=0.42mA;A2=X2+C2=0.8-0.04=0.76mA132、相对误差意义:相对误差可以更准确地说明测量的准确度。例:测量两个频率值:f 1=1000Hz,f 2=100000Hz,得绝
7、对误差分别为 f 1=1Hz,f 2=10Hz,问那次测量的准确度更高?解:比较绝对误差可得:f 1 f 2,第一次测量误差较小;但:%01.0%10010000010%100%1.0%10010001%1002211ffff 可见:第二次的误差与实际值相比所占比例比第一次的小,第二次的测量准确度高些。14绝对误差与被测量的真值之比,称为相对误差,用表示。分类:1)相对真误差:001000 特点:只有大小和符号,没有单位。真值是不能确切得到的,通常用实际值A代替真值来表示相对误差 00100AxA2)实际相对误差 误差较小、要求不太严格的场合,也可以用测量值X代替实际值A 001003)示值相
8、对误差 15 实际中,也常用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差xm与该量程的满刻度值(该量程的上限值与下限值之差)Xm之比来表示的相对误差。00100mmm4)满度相对误差(引用相对误差)由上式可知,通过满度误差实际上给出了仪表各量程内绝对误差的最大值。电工仪表就是按引用误差mm之值进行分级的。我国电工仪表共分七级:0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5及5.0。如果仪表为S级,则说明该仪表的最大引用误差不超过S%。因此,在使用这类仪表测量时,应选择适当的量程,使示值尽可能接近于满度值,指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。165)相对误差的对数表达形式)1lg(20)
9、1lg(20)1lg(20lg20)1lg(20lg20)1(lg20)lg(20 xAdBAdBdBdBdBAAxAAxAxAxAx17例1:鉴定一个1.5及100mA的电流表,发现在50mA处的误差最大,为1.4mA,其它刻度处的误差均小于1.4mA,问这块电流表是否合格?解:%)5.1%(4.1%1001004.1%100mmmmxx所以:该电流表合格。18例2:某待测电流约为100mA,现有0.5级量程为400mA和1.5级量程为100mA的两个电流表,问用哪一个电流表测量较好?解:用400mA、0.5级电流表,可求得测量的最大误差和相对误差为:用100mA、1.5级电流表,可求得测量
10、的最大误差和相对误差为:0020010010021005.1001001005.12可见.应选1.5级100 mA电流表。mAmAm2400005.01mAmAm5.1100005.12191.4.2 测量误差的来源1、仪器误差:由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善,以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。2、影响误差:由于各种环境因素(温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等)与测量要求的条件不一致而引起的误差。3、理论误差和方法误差:由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。4、人身误差:由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任
11、心等原因,而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。201.4.4测量误差的分类 1、系统误差:系统误差的定义:在同一测量条件下,多次测量重复同一量时,测量误差的绝对值和符号都保持不变,或在测量条件改变时按一定规律变化的误差,称为系统误差。2、随机误差:随机误差的定义:在同一测量条件下(指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下),多次重复测量同一量值时(等精度测量),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,称为随机误差。3、粗大误差:粗大误差是一种显然与实际值不符的误差,又称疏失误差。含有粗差的测量值称为坏值或异常值,在数据处理时,应剔除
12、掉。21 15 测量结果的表示及有效数字一、测量结果的表示测量结果表示为:一定的数值和相应的计量单位。例:40KV、465KHz等。二、有效数字和有效数字位1、定义:对于包含的误差不大于末位单位数字的一半的数,从它最左端一位非零数字起,到最末一位所有数字都称为有效数字。2、知识点:1)可以从有效数字的位数估计出测量误差,一般规定误差不超过有效数字末位单位的一半。2)“0”在最左面为非有效数字:3)有效数字不能因选用单位的变化而变化。例:0.1030A 表示含有误差:0.0001/2=0.00005A;有效数字位:1、0、3、0(最左端的0非有效数字);用mA单位表示:103.0 mA;而不是1
13、03 mA,末位的0不能去掉。22 若保留N位有效数字,N位以后的数字,若大于保留数字末位单位的一半,则舍去的同时第N位加1;若小于保留数字末位单位的一半,则舍去的同时第N位不变;若等于保留数字末位单位的一半,如第N位原为奇数则加1变为偶数,原为偶数不变。即:1)小于5舍去,末位不变;2)大于5进1,在末位增1;3)等于5时,取偶数,则当末位是偶数,末位不变;末位是奇数,在末位增1。例1:将下列数据舍入保留三位有效数字:16.43 16.4 (0.030.1/2=0.05,舍去且往前位增1)16.35 16.4 (0.05=0.1/2,3为奇数,舍去且往前位增1)16.45 16.4 (0.0
14、5=0.1/2,4为偶数,舍去)16.4501 16.5(0.05010.1/2=0.05,舍去且往前位增1)38050 (50=100/2,0为偶数,舍去)三、数字的舍入规则41080.323四、数字近似运算规则保留的位数原则上取决于各数中准确度最差的那一项。1、加减规则:以小数点后位数最少的为准(各项无小数点则 以有效位数最少者为准),其余各数可多取一位。2、乘除规则:以有效数字位数最少的数为准,其余参与运算的数字及结果中的有效数字位数与之相等或多保留一位有效数字。例2:进行下列运算:1)2)481.4801.432.0603011.432.021.603原式38.438.424.620.
15、3813.444.620.38213.44原式24第2章 信号源 返回课程目录25内容提要本章主要介绍了信号源在电子测量中的作用、组成原理和种类。本章内容主要有:正弦信号源的性能指标及基本原理;合成信号源的性能指标及基本原理;函数发生器的组成方案及基本原理;脉冲发生器的原理与组成结构;任意波形发生器简单介绍。2621概述1作用信号源的用途主要有以下三方面:(1)激励源;(2)信号仿真;(3)标准信号源。2、分类(按照输出信号的频率分)超低频信号发生器,频率范围为0.0001Hz1000Hz;低频信号发生器,频率范围为1Hz1MHz;视频信号发生器,频率范围为20Hz10MHz;高频信号发生器,
16、频率范围为100KHz30MHz;甚高频信号发生器,频率在30MHz300MHz;超高频信号发生器,频率在300MHz以上。2722 正弦信号源 一、正弦信号源的性能指标1频率特性(用以下几项指标来表征)(1)频率范围;(2)频率准确度;(3)频率稳定度 2输出特性(1)输出电平范围;(3)输出电平准确度;(3)输出阻抗。3调制特性 主要包括调制频率,调幅系数等。28222 正弦信号源一、低频信号发生器 低频信号发生器频率范围一般为20Hz20KHz,故又称音频信号发生器。功率输出12主振器电压放大器输出衰减器功率放大器阻抗变换器电压输出监测电压表电平调节29主振级 作用是产生低频的正弦波信号
17、,一般采用RC振荡 器。是低频信号发生器的主要部件。电压放大级和功率放大级作用:放大隔离。衰减器和匹配器:衰减器:其作用是调节输出电压使之达到所需的值。匹配器:实际为变压器,其作用是使输出端连接不同负载时都能得到最大的输出功率。监测电压表用于监测信号源输出电压或输出功率的大小。30二、高频信号发生器 高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz,输出电压在0.1V1V左右,输出阻抗为标准的50(或75)。信号调制方式为:30MHz以下采用调幅方式,30MHz以上采用调频方式。主振级缓冲级调制级可变电抗器输出级监测器内调制振荡器电源外内FMAM输出 31(1)主振级:产生频率可调的高频正
18、弦信号,一般采用LC振荡电路,信号发生器的频率特性主要有主振级决定。(2)缓冲级:放大主振级输出的高频信号;隔离主振级与后续电路,提高振荡频率的稳定性。(3)调制级:对主振信号调幅,输出调幅信号,满足某些测量需要。(4)内调制信号发生器;输出内调制信号,频率为400HZ或1000HZ。(5)输出级:放大、衰减调制级的输出信号,使信号发生器有足够的电平调节范围;滤除不需要的频率分量;保证输出端有固定的输出阻抗。(6)可变电抗器:可变电抗器与主振级的谐振电路耦合,使主振级产生调频信号,多采用二极管调频电路。3224 函数发生器 函数信号发生器的三种组成方案:第一种是施密特电路产生方波,然后经变换得
19、到三角波和正弦波;第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波;第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波。函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形的信号发生器。一、由方波产生三角波、正弦波的方案33如图所示:双稳态触发器频率控制积分器电压比较器1电压比较器2二极管整形网络放大放大放大+方波三角波正弦波参考电位341、方波三角波的变换原理变换电路如图所示:双稳态触发器密勒积分器电压 比较器1电压 比较器2+CRRP三角波输出 可见电路主要有双稳态触发器、密勒积分器和两个电压比较器组成。35工作原理如下:若双稳态触发器输出端的电压u1为正,则积分器的输出电压u2将线性下降,当u2下降到等于
20、参考电动势Er2时,电压比较器2使双稳态触发器翻转,输出电压u1由正变负,积分器的输出电压u2将线性上升。当上升到等于参考电动势Er1时,电压比较 器1使双稳态触发器又翻回到原来状态,完成一个循环周期。从双稳态触发器输出端可得到方波信号;从积分器的输出端可得到三角波信号,u10Er1Er2u2t0t362、三角波正弦波变换原理 上图为实际的正弦波形成网络。电路中使用了6对二极管。正、负直流电源和电阻为二用管提供适当的偏压,以控制三角波逼近正弦波时转折点的位置。直流稳压电源uiuoR0R1R2R3R4R5R6R7R1R2R3R4R5R6R7VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7VD8VD9V
21、D10VD11VD12+-37第3章示波测量技术返回课程目录38内容提要本章内容主要有:CRT显示原理 通用示波器 取样示波器 波形存储及显示技术 示波器的基本测试技术393.1概述一、示波器的分类 从示波器对信号的处理方式出发分为:模拟示波器 数字示波器进一步可分为:通用示波器 取样示波器 存储示波器 专用示波器40二、主要技术指标1频带宽度BW和上升时间tr BW=fH-fL 2扫描速度 指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离,单位为“cm/s”。3偏转因数偏转因数 指在输入信号作用下,光点在荧光屏上的垂直(Y)方向移动 1cm(即1格)所需的电压值,单位为“V/cm”、“mV/cm”。4
22、输入阻抗 当输入直流信号时,输入阻抗用输入电阻Ri表示;当输入交流信号时,输入阻抗用输入电阻Ri和输入电容Ci的并联表示。上升时间tr与BW有关,它表示由于示波器Y通道的频带宽度的限制,当输入一个理想阶跃信号(上升时间为零)时,显示波形的上升沿的幅度从10%上升到90%所需的时间。它反映了示波器Y通道跟随输入信号快速变化的能力。频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为0.350.35,rrtst nsBW MHzBW GHz或413.2 CRT显示原理一、阴极射线示波管(CRT)CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。其工作原理是:由电子枪产生的高速电子束轰击荧光屏的相应部位产生荧
23、光,而偏转系统则能使电子束产生偏转,从而改变荧光屏上光点的位置。CRT内部结构如下图所示:42E 辉度 聚焦 辅助聚焦 +EFGKA1A2Y偏转板X偏转板荧光屏电子枪偏转系统荧光屏431电子枪(1)作用:发射电子并形成很细的高速电子束。(2)工作原理:电子聚焦原理 G1、G2、A1、A2的电位关系为:VG1VG1、VA1VA1,因此,电子从G1至G2、A1至A2将得到汇聚并加速,而从G2至A1将发散。V1V2EV2V11221聚拢并加速V1V2E12发散并减速21V2RCRiCiUc(t),D导通,向C充电,UR(t)=Uc(t),RDCTmin;Ui(t)Tmax;(RD为二极管内阻,RDC
24、为充电常数;RC为放电常数)所以:UR=Uc UP+Uc0tUR422 峰值电压表125CDR+Ui(t)+URUcb)并联式 b)并联式:判断二极管的导通及截止情况;Ui(t)Uc(t),D导通,向C充电,UR(t)=0,RDCTmin;Ui(t)Tmax;(RD为二极管内阻,RDC为充电常数;RC为放电常数)所以:UR(t)=Ui(t)Uc(t)UR=Ui Uc Ui UP+=U0 UP+=Um+Uc0tUCUx总结:串联式峰值检波器:UR=UP+,电路中的电容C起滤波 作用;并联式峰值检波器:UR=Um+,电路中的电容C有隔直 流和滤波作用。126例1:用一只串联式峰值电压表和一只并联式
25、峰值电压表分别测量电压Ux(t)=(10+5sint)V,试判断两只电表内检波器的输出是多少。127解:Ux(t)=(10+5sint)V Uxm+=5V,Uxp+=10+5=15V所以:串联式检波器输出对应Uxp+=15V;并联式检波器输出对应Uxm+=5V。128二、定度系数 表头刻度按(纯)正弦波有效值定度。当输入u(t)为正弦波时,读数即为u(t)的有效值V(而不是该纯正弦波的峰值Vp)。对于非正弦波的任意波形,读数没有直接意义(既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V)。但可由读数换算出峰值和有效值。即:=KUp 为峰值电压表的示值,Up为被测电压的峰值,K为定度系数。对与正弦波,U=K
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