《电子测量设备与技术》课件

电子测量设备与技术本课程系统介绍电子测量的基本原理、现代测量技术以及各种测量设备的使用方法通过理论学习与实践相结合的方式，培养学生掌握电子测量的核心技能，为后续专业课程学习和工程实践奠定坚实基础课程介绍课程性质教学目标本课程探讨电子测量的基本原通过系统学习，使学生掌握测理与现代技术，是电子信息类量仪器使用方法与测量误差分专业的重要基础课程课程内析技能培养学生在实际工程容涵盖测量理论、仪器使用和中选择合适测量方案的能力，误差分析等核心知识点提高解决复杂测量问题的综合素质适用对象适合电子信息类专业学生学习，配套教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会规划教材为学生后续专业课程学习提供必要的测量技术基础学习目标掌握基本概念深入理解电子测量的基本概念和原理，建立完整的测量理论体系掌握测量系统的组成结构和工作机制，为后续学习奠定理论基础熟悉仪器设备全面了解常用电子测量设备的结构原理和使用方法通过理论学习与实践操作相结合，培养学生熟练使用各种测量仪器的实际技能掌握误差分析系统学习测量误差的分析和处理方法，包括系统误差、随机误差的识别与修正培养学生科学严谨的测量数据处理能力解决实际问题能够针对具体测量任务选择适当的测量方法和仪器设备培养学生分析问题、解决问题的综合能力，提高工程实践水平课程内容概述基础理论电子测量基本概念、测量方法分类、测量单位与标准等基础知识建立完整的测量理论框架，为后续专业内容学习做好准备误差处理测量误差与数据处理技术，包括误差分析、不确定度评定、数据统计处理等内容培养学生科学的数据分析能力测量技术常见物理量的测量原理与方法，涵盖频率、时间、电压、波形等多种参量的测量技术系统掌握各类测量方法的应用现代仪器现代电子测量仪器工作原理、测量系统与自动化测量技术了解测量技术的最新发展趋势和应用前景第一章电子测量基础基本概念电子测量的定义、目的和基本特征测量过程的本质和测量结果的科学表达方式单位标准国际单位制的建立和电学基本单位测量标准的分类、等级和传递溯源体系测量方法各种测量方法的分类和特点直接间接测量、接触非接触测量等方法的选择原则电子测量的基本概念测量定义系统组成测量特征测量是通过实验获得并典型测量系统由传感测量过程具有客观性、可合理赋予某量的值的器、信号调理、数据采相对性和近似性等基本过程测量的根本目的集、显示记录等部分组特征任何测量都存在是获取被测对象的定量成各组成部分协调工一定的误差和不确定信息，为科学研究和工作，共同完成从物理量度，需要通过科学的方程应用提供可靠的数据到数字信号的转换过法进行分析和处理基础程结果表达测量结果应包括数值、单位和不确定度三个基本要素科学合理的结果表达是测量工作质量的重要体现，直接影响测量数据的可信度和应用价值测量单位与标准国际标准国际单位制的统一性和权威性电学单位基本单位与导出单位的定义关系标准分级国际、国家、地方标准的层次结构量值传递标准传递与溯源的技术路径国际单位制为全球科技交流提供了统一的量值基础电学基本单位包括安培、伏特、欧姆等，通过严格的物理定义确保了测量结果的一致性和可比性测量方法分类按测量方式分类按接触方式分类按信号处理方式直接测量是通过测量仪器直接读取被测接触式测量需要传感器与被测对象直接模拟测量基于连续信号处理，响应快但量的数值，如用电压表测电压间接测接触，测量精度高但可能影响被测系精度有限数字测量通过量化处理，精量需要先测量其他相关量，再通过计算统非接触式测量通过光学、电磁等方度高、抗干扰能力强，是现代测量技术获得被测量的值式远程测量的主流方向•直接测量简单快速，精度受限•接触式精度高，有负载效应•模拟测量实时性好，精度一般•间接测量灵活多样，误差传播•非接触式不扰动，受环境影响•数字测量精度高，处理灵活第二章测量误差与数据处理误差识别数据分析分析误差来源，识别系统误差和随机误运用统计学方法分析测量数据，评估数差的特征表现，建立科学的误差分类体据质量，发现数据中的规律和异常系质量评估误差修正通过不确定度评定等手段，全面评估测采用适当的数学方法和技术手段，对已量结果的可靠性和准确性水平知的系统误差进行修正和补偿测量误差的基本概念误差定义测量结果与真值之间的差异误差分类系统误差与随机误差的区别表示方法绝对误差与相对误差的应用测量误差是测量科学的核心概念之一系统误差具有确定性规律，可以通过校准等方法进行修正随机误差遵循统计规律，只能通过多次测量和统计处理来减小其影响绝对误差反映误差的实际大小，相对误差则反映误差相对于被测量的比例关系系统误差分析仪器误差方法误差25%误差来源30%误差来源•校准偏差•理论近似2•非线性误差•模型简化•温度漂移•算法局限人为误差环境误差20%误差来源25%误差来源•读数偏差•温度变化•操作失误•电磁干扰•习惯性偏差•振动影响随机误差分析

68.3%

95.4%

99.7%一倍标准差二倍标准差三倍标准差正态分布中数据落在均值±1σ范围内的概数据落在均值±2σ范围内的概率，常用于工数据落在均值±3σ范围内的概率，用于识别率，反映随机误差的基本分布特征程应用中的置信区间估计异常数据和设定控制限随机误差遵循正态分布规律，具有零均值、有界性和单峰性等统计特性通过大量重复测量可以减小随机误差的影响，提高测量结果的可靠性标准偏差是衡量随机误差大小的重要指标测量不确定度A类评定基于统计分析的不确定度评定方法，通过重复测量获得标准偏差B类评定基于经验和其他信息的评定方法，利用仪器精度、校准证书等信息合成评定将各个不确定度分量按照一定规则合成，得到合成标准不确定度扩展表示通过包含因子得到扩展不确定度，提供置信水平下的不确定度区间测量数据处理方法数据预处理回归分析相关分析对原始测量数据进行清洗运用最小二乘法等数学方分析不同变量之间的相关和预处理，包括异常值检法建立变量间的函数关程度和相关性质，计算相测、缺失值填补和数据格系，进行曲线拟合和参数关系数，判断变量间的线式转换这是后续数据分估计帮助发现数据中的性关系强度和方向性析的重要基础步骤内在规律和趋势滤波平滑采用数字滤波和平滑算法处理测量数据中的噪声和干扰，提高数据的信噪比和测量精度第三章频率与时间测量基础概念深入理解频率、周期、相位等基本概念的物理意义和数学关系掌握时间标准和频率标准的建立原理，为后续测量技术学习奠定理论基础测量原理系统学习各种频率测量方法的工作原理，包括直接计数法、异频转换法等理解不同方法的适用范围和精度特点技术应用掌握现代频率计和时间间隔测量仪的使用方法，了解提高测量精度的各种技术手段，培养解决实际测量问题的能力频率与时间基本概念基本定义标准体系性能指标频率是单位时间内周期性事件发生的次时间标准基于原子钟的超精细跃迁频频率稳定度描述频率在一定时间内的变数，单位为赫兹周期是完成一次振动率，提供极高的稳定性和准确性频率化程度，准确度反映频率值与标准值的所需的时间，与频率互为倒数关系相标准与时间标准密切相关，共同构成现接近程度这两个指标是评价频率源和位反映振动状态在时间上的位置代精密测量的基础测量系统性能的关键参数•频率f=1/T，单位Hz•铯原子钟9,192,631,770Hz•短期稳定度秒级时间内变化•周期T=1/f，单位s•氢原子钟1,420,405,751Hz•长期稳定度天级时间内漂移•相位φ=2πft+φ₀•GPS时间基准10⁻¹²级稳定度•绝对准确度与标准值的偏差频率计原理与结构直接计数式异频转换式在固定时间窗口内对输入信号脉冲进行将高频信号与本振信号混频后得到低频计数，计数值即为频率适用于中低频差频信号，再对差频信号进行计数测信号测量，具有结构简单、成本低廉的量扩展了频率测量的上限，广泛应用优点于射频测量•测量范围1Hz-100MHz•测量范围100MHz-40GHz•精度取决于时基稳定度•工作原理f_x=f_LO±f_IF•分辨率1/T（T为门控时间）•优点测量频率上限高倒数式频率计测量信号周期的倒数来获得频率值，特别适合低频信号测量在低频段具有更高的分辨率和测量精度•适用范围

0.1Hz-10MHz•测量原理f=1/T=N_clk/T_x•优势低频测量精度高时间间隔测量基本原理时间间隔测量是确定两个事件之间时间差的过程，广泛应用于雷达、通信和导航系统中计数法测量在待测时间间隔内对高频时钟脉冲进行计数，计数值乘以时钟周期即为时间间隔数字延迟法利用数字延迟线产生精确的延时，通过比较和校准实现高精度时间间隔测量内插法提高在计数法基础上增加内插技术，测量不足一个时钟周期的时间部分，显著提高分辨率第四章电压测量技术电压测量基础直流电压交流电压35%测量需求40%测量需求•基准电压测量•有效值测量•电源电压监测•峰值测量•传感器信号测量•波形分析微弱信号脉冲电压10%测量需求15%测量需求•低噪声放大•脉冲幅度测量•屏蔽技术•上升时间测量•差分测量•占空比分析数字电压表原理信号调理输入信号经过衰减器、放大器等电路进行幅度调整和阻抗变换，确保信号适合后续A/D转换处理A/D转换采用积分型、逐次逼近型或Σ-Δ型A/D转换器将模拟电压转换为数字信号，转换精度决定测量精度数字处理微处理器对数字化数据进行校正、滤波和计算处理，实现自动量程切换和误差补偿功能显示输出处理后的测量结果通过液晶显示器显示，并可通过通信接口输出到上位机或数据采集系统高精度电压测量基准源技术采用约瑟夫森电压基准或齐纳基准补偿技术零点补偿和温度补偿算法抑制干扰积分法抑制工频和共模干扰多次测量统计平均法提高测量精度高精度电压测量需要综合运用多种技术手段约瑟夫森电压基准可提供10⁻⁸级的电压准确度，配合精密的补偿和滤波技术，现代高精度电压测量系统可达到ppm级的测量不确定度微弱电压测量信号特点低噪声放大锁相放大微弱电压信号通常在微伏到采用低噪声运算放大器和仪利用相关检测原理，从强噪毫伏量级，信噪比低，容易表放大器，优化电路布局和声背景中提取微弱的同频信受环境干扰影响测量过程接地设计选择合适的增益号通过参考信号的相位锁中需要特别注意噪声抑制和和带宽，在放大有用信号的定，实现极高的信噪比改信号完整性保护同时抑制噪声善屏蔽技术采用法拉第笼屏蔽、差分测量和双绞线传输等技术，有效抑制外界电磁干扰对微弱信号测量的影响第五章波形测量与分析传统示波器数字示波器混合信号模拟示波器基于阴极射线管显示原理，通过A/D转换将模拟信号数字化后进行存集成了逻辑分析功能的示波器，能够同能够实时显示信号波形具有无采样误储和处理，具有强大的波形分析和测量时显示模拟信号和数字信号特别适合差、显示自然等优点，但存储和处理功功能现代数字示波器已成为波形测量混合信号电路的调试和分析工作能有限的主流设备•模拟数字一体化•实时显示，无延迟•存储回放功能•时序关系分析•带宽可达数GHz•自动测量参数•协议解码功能•适合观察快变信号•数学运算处理示波器基本原理信号输入多通道输入和阻抗匹配触发系统稳定波形显示的关键时基电路控制扫描速度和时间分辨率显示系统波形重现和参数测量示波器通过电子束在荧光屏上的偏转来显示电压随时间变化的波形垂直偏转系统控制信号幅度显示，水平偏转系统控制时间基准，触发系统确保波形稳定显示现代数字示波器在保持基本原理的同时，增加了强大的数字信号处理功能数字存储示波器1GS/s10M采样率存储深度每秒采样次数，决定能够准确捕获的最高频率信号，满足奈奎斯特采样定理要求存储器容量决定能够记录的波形长度，影响长时间信号的观测和分析能力500MHz8bit模拟带宽垂直分辨率前端放大器的频率响应范围，决定能够准确测量的信号频率上限A/D转换器的位数，决定幅度测量的精度和动态范围数字存储示波器通过高速A/D转换器将模拟信号数字化，存储在内存中供后续分析处理其性能指标直接影响测量精度和适用范围特种示波器混合信号示波器数字荧光示波器采样示波器同时具备模拟通道和数字通道，能够显示采用特殊的显示技术，能够以不同亮度显通过等效时间采样技术实现超高带宽测模拟信号和逻辑信号的时序关系适合现示信号出现的概率，直观显示信号的统计量，适合高速数字信号和射频信号的分代数字电路系统的调试和分析特性和异常事件析带宽可达100GHz以上•模拟通道2-4路•波形强度分级显示•超高带宽测量•数字通道16-32路•异常事件捕获•等效采样技术•触发关联功能•统计分析功能•眼图分析功能波形参数测量幅值测量频率测量包括峰峰值、有效值、平均值等幅度参测量信号的基频、谐波频率，分析频谱数，反映信号的强度特征和能量分布成分和频率稳定性相位关系时间参数多通道信号间的相位差、时延，以及波上升时间、下降时间、脉宽、周期等时形失真和畸变分析域特征参数第六章信号发生器1基础信号源提供标准正弦波、方波、三角波等基本波形，频率范围从几Hz到几MHz2函数发生器集成多种波形输出功能，支持调制和扫频，广泛应用于电路测试3任意波形发生器可产生用户自定义的任意波形，通过DAC技术实现高精度波形合成4专用信号源针对特定应用设计的信号源，如射频信号源、脉冲发生器等信号源的基本概念波形分类技术指标稳定性能正弦波是最基本的周期性信频率范围决定信号源的应用频率稳定度包括短期稳定度号，具有单一频率成分方领域，频率精度影响测量准和长期稳定度，影响精密测波由基频和奇次谐波组成，确性输出幅度范围和精度量的可靠性幅度稳定性确适合数字电路测试三角波关系到激励信号的适配性，保输出信号的一致性，相位频谱成分丰富，常用于线性谐波失真反映信号纯度噪声影响信号质量电路分析应用场景信号源广泛应用于电路设计验证、器件特性测试、系统校准等领域不同类型的信号源适合不同的测试需求和应用环境函数信号发生器时钟基准采用高稳定度晶体振荡器或原子钟作为时钟基准，为DDS系统提供精确的采样时钟，确保输出频率的准确性和稳定性波形存储将标准波形的数字化采样值存储在ROM中，通过相位累加器产生地址序列，从ROM中读取相应的幅度值数模转换高速DAC将数字波形数据转换为模拟信号，转换速率和分辨率决定输出信号的质量和频率上限滤波整形通过低通滤波器消除DAC输出中的高频分量和量化噪声，得到纯净的模拟波形信号脉冲信号发生器基本参数可编程控制应用实例脉冲发生器的核心参数包括脉冲宽度、现代脉冲发生器采用数字控制技术，可脉冲发生器广泛应用于数字电路测试、重复频率、上升时间和下降时间这些精确设置各种时序参数支持复杂的脉激光器驱动、雷达系统测试等领域不参数决定了脉冲信号的时域特征和频域冲序列编程，满足不同测试需求同应用对脉冲参数有特定要求特性•多通道独立控制•逻辑电路测试•脉宽纳秒到秒级可调•延时精度达皮秒级•时序分析•重复频率单次到GHz级•序列模式编程•器件特性测试•边沿时间皮秒到微秒任意波形发生器波形编辑图形化编辑界面和数学函数定义波形存储大容量存储器和波形库管理波形重放高速DAC和精确时序控制信号合成多波形叠加和调制功能任意波形发生器能够产生用户完全自定义的复杂波形，通过波形编辑软件可以创建各种特殊信号支持从简单的几何波形到复杂的调制信号，为现代电子系统测试提供了极大的灵活性第七章阻抗测量技术阻抗测量基础电阻测量电容测量30%应用需求35%应用需求•直流电阻•静态电容•接触电阻•动态电容•表面电阻•介质损耗复阻抗电感测量10%应用需求25%应用需求•阻抗模值•线圈电感•相位角•互感系数•等效电路•品质因数电桥测量法直流电桥原理基于惠斯登电桥的平衡原理，当电桥平衡时，检流计中无电流流过通过调节已知电阻使电桥平衡，从而精确测量未知电阻值适合高精度直流电阻测量交流电桥扩展将直流电桥原理扩展到交流领域，可以测量电感、电容等无功元件需要同时满足幅度平衡和相位平衡两个条件，通常需要调节两个独立参数自平衡技术采用伺服系统自动调节平衡条件，提高测量速度和精度通过数字控制实现快速自动平衡，消除人为读数误差，适合自动化测试系统谐振法测量基本原理Q值测量利用LC谐振电路的谐振特性进行测品质因数Q反映谐振电路的选择性和损量在谐振频率点，电路呈纯阻性，通耗通过测量谐振曲线的3dB带宽可计过测量谐振频率可计算电感或电容值算Q值，Q=f₀/Δf₃dB•高Q值损耗小，选择性好•串联谐振阻抗最小•测量方法扫频或调谐•并联谐振阻抗最大•应用滤波器、振荡器•频率关系f₀=1/2π√LC精度分析谐振法测量精度主要受频率测量精度和寄生参数影响需要考虑分布电容、引线电感等因素对测量结果的影响•频率精度10⁻⁶级•寄生效应需要修正•适用范围μH到mH级电感矢量网络分析仪网络参数测量散射参数S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂，全面表征二端口网络的传输和反射特性校准技术通过开路、短路、负载标准进行系统误差校准，消除仪器和测试夹具的影响误差修正建立误差模型，修正方向性、源匹配、负载匹配等系统误差，提高测量准确度高频应用适用于射频和微波频段的阻抗测量，支持史密斯圆图显示和传输线分析。