(精选)电子测量原理课件第四章
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电子测量与仪器的培训课程(PPT 227页)_
原式 13.44 20.38 4.6 38.42 38.4
2）
603.21 0.32 4.011 603 0.32 原式 48.1 48 4.01
第2章
信号源
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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；
低频信号发生器，频率范围为1Hz～1MHz；
视频信号发生器，频率范围为20Hz～10MHz； 高频信号发生器，频率范围为100KHz～30MHz； 甚高频信号发生器，频率在30MHz～300MHz； 超高频信号发生器，频率在300MHz以上。
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：
0 8 10
其读数为：8； 示值为：8mA
4、标称值：被测量上标示的数值。 例：电阻器的色环标示其阻值；
二、测量误差的表示方法 测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。 1．绝对误差
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 (0.03<0.1/2=0.05,舍去) 16.46 →16.5 (0.06>0.1/2=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 (0.05=0.1/2,4为偶数，舍去) 16.4501 →16.5(0.0501>0.1/2=0.05,舍去且往前位增1) 38050 →3.8010
电子测量_第四章_信号源ppt课件
频率稳定度的表征
2〕长期频率稳定度的表征 长期稳定度是指石英谐振器老化而引起的振荡
频率在其平均值上的缓慢变化，即频率的老 化漂移。 多数高稳定的石英振荡器，经过足够时间的预 热后，其频率的老化漂移往往呈现良好的线 性(添加或减少)。如以下图。
图中表示了实践频率 随时间的变化，由图Kf2f 0f1f2 f0f0f1 f0f0 ff0 2 ff0 1 可得频率稳定度K：
R0
R6 R5
R4
R3
R2
R1
Vi Vo
R7 R6
R5
R4
R3
R2 R1
+E A
A D6
AD5
AD4
AD3
DA2
A D1
-E
DA6
DA5
DA4 DA3
AD2
AD1
R7 BR6 BR5
BR4 BR3
BR2
RB1
B
B 分段B逼近波形B综合电路B
B
B
⑶ 锯齿波构成电路
锯齿波可以经过方波与三角波而获得，将以下图中〔a〕 所示三角波与图〔b〕所示方波直接叠加就可得到图〔c〕 所示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图〔d〕 所示的锯齿波。
2. 输出特性
〔1〕输出电平范围。
〔2〕输出电平的频响〔输出电平的平坦度〕
〔3〕输出电平准确度
〔4〕输出阻抗
〔5〕输出信号的非线性失真系数〔<1%〕和 3.频调谱制纯特度性。 调制特性的恒量目的主要包括调制频率，调幅 系数，最大频偏，调制线性等。
4.2 正弦、脉冲及函数发生器
4.2.1 正弦信号发生器
那么或不规那么波形的信号发生器。 信号源的用途主要有以下三方面： ☆ 鼓励源。 ☆ 信号仿真。 ☆ 规范信号源。
电子测量基本知识ppt课件
第8页
电子测量原理
1.2 电子测量仪器
网络参数测量仪器 用途：测量网络的频率特性、相位特性、噪声特性 典型仪器：网络分析仪、扫频仪 数据域测试仪器 用途：研究以离散时间或者事件为自变量的数据流 典型仪器：逻辑分析仪 计算机仿真测量 用途：可以避免受实验时间和设备的限制，方便设计电路 典型仪器：Multisim10
1.1.3电子测量的内容
第4页
电子测量原理
1.1.4 电子测量的基本方法（按被测性质）
（1）频域测量技术：幅值和相位随频率的变化
（1）正弦波点频法 （2）正弦波扫频法
（2）时域测量技术： ——幅值随时间的变化
测试信号是脉冲、方波及阶跃信号
（3）频域测量和时域测量比较 频域测量和时域测量是测量线性系统性能的两种方法，是 从两个不同的角度去观测同一个被测对象，其结果应 该是一致的。 从理论上讲，时域函数的付里叶变换就是频域函数，而频 域函数的付里叶逆变换也就是时域函数。
A
用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与 该量程值（上限值－下限值）之比来表示的相对误差， 称为满度相对误差（或称引用相对误差）
xm m 1 0 0 % xm
仪表各量程内绝对误差的最大值
第18页
x x m m m
电子测量原理
1.4.4 测量误差的表示方法
第5页
电子测量原理
1.1.4 电子测量的基本方法
（4）随机测量技术：测量噪声信号和使用随机信号 源
噪声是一种与时间因素有关的随机变量，对噪声的研究使 用概率统计方法 主要包括下述三个内容： （1）噪声信号统计特性的测量，如时域中的均值、均方 根性，频域中的频谱密度函数、功率谱密度函数等； （2）将已知特性的噪声作激励源对被测系统进行统计性 测量，研究被测系统的特性；
电子测量原理
1.2 电子测量仪器
网络参数测量仪器 用途：测量网络的频率特性、相位特性、噪声特性 典型仪器：网络分析仪、扫频仪 数据域测试仪器 用途：研究以离散时间或者事件为自变量的数据流 典型仪器：逻辑分析仪 计算机仿真测量 用途：可以避免受实验时间和设备的限制，方便设计电路 典型仪器：Multisim10
1.1.3电子测量的内容
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电子测量原理
1.1.4 电子测量的基本方法（按被测性质）
（1）频域测量技术：幅值和相位随频率的变化
（1）正弦波点频法 （2）正弦波扫频法
（2）时域测量技术： ——幅值随时间的变化
测试信号是脉冲、方波及阶跃信号
（3）频域测量和时域测量比较 频域测量和时域测量是测量线性系统性能的两种方法，是 从两个不同的角度去观测同一个被测对象，其结果应 该是一致的。 从理论上讲，时域函数的付里叶变换就是频域函数，而频 域函数的付里叶逆变换也就是时域函数。
A
用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与 该量程值（上限值－下限值）之比来表示的相对误差， 称为满度相对误差（或称引用相对误差）
xm m 1 0 0 % xm
仪表各量程内绝对误差的最大值
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x x m m m
电子测量原理
1.4.4 测量误差的表示方法
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电子测量原理
1.1.4 电子测量的基本方法
（4）随机测量技术：测量噪声信号和使用随机信号 源
噪声是一种与时间因素有关的随机变量，对噪声的研究使 用概率统计方法 主要包括下述三个内容： （1）噪声信号统计特性的测量，如时域中的均值、均方 根性，频域中的频谱密度函数、功率谱密度函数等； （2）将已知特性的噪声作激励源对被测系统进行统计性 测量，研究被测系统的特性；
电子测量PPT教学课件
电子测量仪器的分类 计量的基本内容 计量基准的划分：国家基准（主基 准）、 副基准、工作、基准。 计量器具的特征 计量的分类 二、习题答案 题1.1 （1）不属于电子测量
（2）属于电子测量 题1.2、1.3 参阅本章内容
第2章 测量误差分析与数据处理
学习辅导内容
误差理论是专门从事研究有关测量误 差的科学理论，数据处理则是应用数学方 法和计算工具对测量数据进行科学的分析、
四、参考资料
1．电路分析 2．模拟电路 3．高频电路
第4章 数字测量方法
学习辅导内容
数字量是信号幅度随时间做离散型变化的 物理量。目前，电子测量仪器正向量程扩大化， 集成化模块化、智能化、虚拟化、网络化、跨 专业多功能化、数字化趋势发展。而这些发展 趋势的核心是数字化。因此，必须学习和掌握 数字化测量方法。无论高档还是低档仪器，数 字化越来越普及。
r A 5 5% A0 100
分贝误差为 r[dB]=20Lg(1+r)dB =20Lg(1-0.05)dB =-0.446dB 题2.8解 （1）200KΩ （2）250KΩ
（3）20% 题2.9解 （1）200KΩ （2）199.973KΩ
（3）0.014% 题2.10解 可采用多次测量的方法，设测 量次数为n
题3.5解 根据电压表的刻度特性，可以确定其检 波方式，举例如下
（1）用方波作为测试信号，已知方波的
UP U U U，0 用被检电压表测量这个电压。
①若读数≈ U0 2 0.707U0 则该表为峰值表。
②若读数≈ 1.11U0 则该表为均值表。 ③若读数≈ U0 则该表为有效值表。 （2）分别取峰值相等的一个正弦电压和一个方波
（2）均值表的读数
均值表以正弦波有效值刻度时,其读数 U a K F正 U ，
电子测量原理
Ø 中断方式：将转换状态信号用作中断信号。
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电子测量原理
2. A/D转换接口电路设计
u 参考（基准）电压：根据双积分A/D转换原理，需要
一个参考电压，对于没有内部基准的ADC，需外部提供。 需注意基准电压源的温度系数。如对于16bit ADC， 1LSB=1/216=1/65536=15ppm，即基准电压源的温度系数 应好于15ppm。
u 仪用放大器（IA，Instrument Amplifier） u 基本结构：
u 增益公式
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电子测量原理
3. 放大电路设计
u 特点：
Ø 三运放结构； Ø 高共模抑制比； Ø 双端差分输入单端输出； Ø 通常改变电阻R1，可改变增益；
u 设计选型
Ø 采用三运放构成，如OP07； Ø 采用集成IA，如AD620、PGA系列； Ø 对于小信号放大，通常采用两级放大。
电子测量原理
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2020/11/28
电子测量原理
1. 方案选择
u 全硬件实现； u 基于单片机实现；
1.1 全硬件实现
u 选择具有直接驱动LED或LCD显示的A/D转换器， 其 工 作 过 程 完 全 由 硬 件 控 制 。 该 类 ADC 如 ICL7106。
u 原理框图
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电子测量原理
5. 自检与自动校准、自动量程 转换电路设计
校准过程：
（1）零点校准： （2）参考电压校准：
（3）接入被测电压： 校准后结果：
PP自动校准、自动量程 转换电路设计
u 自动量程转换
Ø 当被测电压变化时，选择合适的输入放大器增益，充 分利用A/D转换器的动态范围，有利于提高测量分辨力。
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电子测量原理
2. A/D转换接口电路设计
u 参考（基准）电压：根据双积分A/D转换原理，需要
一个参考电压，对于没有内部基准的ADC，需外部提供。 需注意基准电压源的温度系数。如对于16bit ADC， 1LSB=1/216=1/65536=15ppm，即基准电压源的温度系数 应好于15ppm。
u 仪用放大器（IA，Instrument Amplifier） u 基本结构：
u 增益公式
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电子测量原理
3. 放大电路设计
u 特点：
Ø 三运放结构； Ø 高共模抑制比； Ø 双端差分输入单端输出； Ø 通常改变电阻R1，可改变增益；
u 设计选型
Ø 采用三运放构成，如OP07； Ø 采用集成IA，如AD620、PGA系列； Ø 对于小信号放大，通常采用两级放大。
电子测量原理
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电子测量原理
1. 方案选择
u 全硬件实现； u 基于单片机实现；
1.1 全硬件实现
u 选择具有直接驱动LED或LCD显示的A/D转换器， 其 工 作 过 程 完 全 由 硬 件 控 制 。 该 类 ADC 如 ICL7106。
u 原理框图
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电子测量原理
5. 自检与自动校准、自动量程 转换电路设计
校准过程：
（1）零点校准： （2）参考电压校准：
（3）接入被测电压： 校准后结果：
PP自动校准、自动量程 转换电路设计
u 自动量程转换
Ø 当被测电压变化时，选择合适的输入放大器增益，充 分利用A/D转换器的动态范围，有利于提高测量分辨力。
电子测量技术 第4章_数字测量方法
示值误差
电子测量原理
图4.1.2/3
被测 电压 Ux
H
ux
Usm
DV M L
干扰信号
RSM越大）。 越大越好，通常比值在10∼ 越大越好 倍 ∼ ）。 第11页
设被测电压U 上叠加串模干扰U 设被测电压Ux上叠加串模干扰Usm，即ux=Ux+Usmpsinωt, 积分式DVM为例 为例。 定时( 积分后的输出为： 若以积分式DVM为例。对ux定时(T1)积分后的输出为： 误差∆ 其平均值为： 其平均值对测量结果产生误差 其平均值对测量结果产生误差∆Usm。其平均值为：
第9页
4.1.1 DVM的特点 DVM的特点
电子测量原理
7、抗干扰能力强 干扰是对有用被测信号的扰动，当被测信号微弱时, 干扰是对有用被测信号的扰动，当被测信号微弱时, 其影响尤为严重。 其影响尤为严重。提高抗干扰能力对于高分辨力的 DVM更为重要 通常存在串模干扰和共模干扰。 DVM更为重要。通常存在串模干扰和共模干扰。对 更为重要。 这两种干扰的抑制是复杂的。 这两种干扰的抑制是复杂的。
电子测量原理
第4章 数字测量方法 章
用数字显示测量结果优点很多 用数字显示测量结果优点很多 4.1 电压测量的数字化方法 4.2 直流数字电压表 4.3 多用型数字电压表 4.4 频率的测量 4.5 时间的测量 4.6 相位的测量
第1页
4.1 电压测量的数字化方法
Vx
输入电路 A/D转换器
第4章数字测量方法 章数字测量方法
4.1.1 DVM的特点 DVM的特点
电子测量原理
第10页
4.1.1 DVM的特点 DVM的特点 （1）串摸干扰 指干扰U 串接在测量回路中 测量回路中（ 4.1.2）。 指干扰Usm串接在测量回路中（图4.1.2）。 起因：可能来自于被测信号源本身， 起因：可能来自于被测信号源本身，如直流稳压电源 输出就存在纹波干扰（ 4.1.3）； ）；也可能从测量引线 输出就存在纹波干扰（图4.1.3）；也可能从测量引线 感应进来的50Hz工频干扰 主要的）或高频干扰。 工频干扰（ 感应进来的50Hz工频干扰（主要的）或高频干扰。 干扰源的频率：可从直流∼低频∼超高频； 干扰源的频率：可从直流∼低频∼超高频； 干扰信号的波形：周期性的或非周期性的（雷电）； 干扰信号的波形：周期性的或非周期性的（雷电）； 正弦波或非正弦波；甚至是随机的。 正弦波或非正弦波；甚至是随机的。 抑制串模干扰的能力用串模抑 制比表示： 制比表示： 干扰峰值 Usmp SMR = 20log (dB) (4.1.1) ∆Umax
电子测量原理
图4.1.2/3
被测 电压 Ux
H
ux
Usm
DV M L
干扰信号
RSM越大）。 越大越好，通常比值在10∼ 越大越好 倍 ∼ ）。 第11页
设被测电压U 上叠加串模干扰U 设被测电压Ux上叠加串模干扰Usm，即ux=Ux+Usmpsinωt, 积分式DVM为例 为例。 定时( 积分后的输出为： 若以积分式DVM为例。对ux定时(T1)积分后的输出为： 误差∆ 其平均值为： 其平均值对测量结果产生误差 其平均值对测量结果产生误差∆Usm。其平均值为：
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4.1.1 DVM的特点 DVM的特点
电子测量原理
7、抗干扰能力强 干扰是对有用被测信号的扰动，当被测信号微弱时, 干扰是对有用被测信号的扰动，当被测信号微弱时, 其影响尤为严重。 其影响尤为严重。提高抗干扰能力对于高分辨力的 DVM更为重要 通常存在串模干扰和共模干扰。 DVM更为重要。通常存在串模干扰和共模干扰。对 更为重要。 这两种干扰的抑制是复杂的。 这两种干扰的抑制是复杂的。
电子测量原理
第4章 数字测量方法 章
用数字显示测量结果优点很多 用数字显示测量结果优点很多 4.1 电压测量的数字化方法 4.2 直流数字电压表 4.3 多用型数字电压表 4.4 频率的测量 4.5 时间的测量 4.6 相位的测量
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4.1 电压测量的数字化方法
Vx
输入电路 A/D转换器
第4章数字测量方法 章数字测量方法
4.1.1 DVM的特点 DVM的特点
电子测量原理
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4.1.1 DVM的特点 DVM的特点 （1）串摸干扰 指干扰U 串接在测量回路中 测量回路中（ 4.1.2）。 指干扰Usm串接在测量回路中（图4.1.2）。 起因：可能来自于被测信号源本身， 起因：可能来自于被测信号源本身，如直流稳压电源 输出就存在纹波干扰（ 4.1.3）； ）；也可能从测量引线 输出就存在纹波干扰（图4.1.3）；也可能从测量引线 感应进来的50Hz工频干扰 主要的）或高频干扰。 工频干扰（ 感应进来的50Hz工频干扰（主要的）或高频干扰。 干扰源的频率：可从直流∼低频∼超高频； 干扰源的频率：可从直流∼低频∼超高频； 干扰信号的波形：周期性的或非周期性的（雷电）； 干扰信号的波形：周期性的或非周期性的（雷电）； 正弦波或非正弦波；甚至是随机的。 正弦波或非正弦波；甚至是随机的。 抑制串模干扰的能力用串模抑 制比表示： 制比表示： 干扰峰值 Usmp SMR = 20log (dB) (4.1.1) ∆Umax
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➢ 零类世界时（UT0 ）：以平太阳的子夜0时为参考。 ➢ 第一类世界时（UT1）：对地球自转的极移效应（自转
轴微小位移）作修正得到。
➢ 第二类世界时（UT2）：对地球自转的季节性变化（影 响自转速率）作修正得到。准确度为3×10－8 。
➢ 历书时（ET）：以地球绕太阳公转为标准，即公转周
期（1年）的31 556 925.9747分之一为1秒。参考点
（4）输入特性：包括耦合方式（DC、AC）、触发电平
（可调）、灵//25pF高阻）等。
（5）闸门时间(测频)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。
（6）时标(测周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。
（7）显示：包括显示位数及显示方式等。
第12页
4.2.2 石英晶体振荡器
电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振 荡器（简称“晶振”）为基准信号源。
基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频 率易受温度影响（其频率-温度特性曲线有拐点， 在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为10-5。
采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度） 可得到高稳定、高准确的频率输出。
数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方 法，是本章的重点。
第5页
4.1.2 电子计数器概述
一、电子计数器的分类 按功能可以分为如下四类： （1）通用计数器：可测量频率、频率比、周期、时间间
隔、累加计数等。其测量功能可扩展。
（2）频率计数器：其功能限于测频和计数。但测频范围
往往很宽。
（3）时间计数器：以时间测量为基础，可测量周期、脉
为1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度
达1×10－9 。于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的
标准。
第10页
2）原子时标
◆ 基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足
➢ 设备庞大、操作麻烦； ➢ 观测时间长； ➢ 准确度有限。
◆原子时标（AT）的量子电子学基础 原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能 级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是 恒定的。 hfn-m=En-Em 式为波中受频， 激 率态 。h=的6两.62个5能2×级1，0-f2n7-为m为普吸朗收克或常辐数射，的En电、磁Em
第四章 时间与频率的测量
4.1 概述 4.2 时间与频率的原始基准 4.3 频率和时间的测量原理 4.4 电子计数器的组成原理和测量功能 4.5 电子计数器的测量误差 4.6 高分辨时间和频率测量技术 4.7 微波频率测量技术 4.8 频率稳定度测量和频率比对 4.9 调制域测量技术
第1页
4.1 概述
第7页
三、电子计数器的发展
◆测量方法的不断发展：模拟数字技术智能化。 ◆测量准确度和频率上限是电子计数器的两个重要指
标，电子计数器的发展体现了这两个指标的不断 提高及功能的扩展和完善。 ◆ 例子：
●通道：两个225MHz通道，也可 选择第三个12.4GHz通道。
●每秒12位的频率分辨率、150ps的时间间隔分辨率。 ●测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下
冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。
（4）特种计数器:具有特殊功能的计数器。包括可逆计数
器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。
第6页
二、主要技术指标
（1）测量范围：毫赫~几十GHz。
（2）准确度：可达10-9以上。
（3）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内
部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级 （10倍）。输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz 等，普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达10-7~10-9。
◆自动化程度高
◆测量速度快
第3页
3）测量方法概述
频率的测量方法可以分为：
模拟法
直读法
电桥法 谐振法 拍频法
频率测量方法
比较法 差频法 李沙育图形法
示波法
电容充放电法
测周期法
数字法 电子计数器法
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各种测量方法有着不同的实现原理，其复杂程度 不同。
各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频 率范围。
宏观标准：基于天文观测； 微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。
◆世界时（UT,Universal Time）:以地球自转周期
(1天)确定的时间，即1/(24×60×60)=1/86400 为1秒。其误差约为10－7量级。
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1）天文时标
◆为世界时确定时间观测的参考点，得到
➢ 平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想 的平太阳作为基本参考点。
第11页
原子时标的定义
1967年10月，第13届国际计量大会正式通过 了秒的新定义：“秒是Cs133原子基态的两个超精 细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续 9,192,631,770个周期的时间”。
1972年起实行，为全世界所接受。秒的定义 由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提 高了4-5个量级，达5×10-14(相当于62万年±1 秒)，并仍在提高。
第2页
2) 时频测量的特点
◆最常见和最重要的测量
时间是7个基本国际单位之一，时间、频率是极 为重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科 学试验、医疗、工业自动化等民用和军事方面都存在 时频测量。
◆测量准确度高
时间频率基准具有最高准确度（可达10-14），校 准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的 准确度。因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。
降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、 峰电压、时间间隔平均和时间间隔延迟。 ●处理功能：平均值、最小值、最大值和标准偏差。
第8页
4.2 时间与频率标准
4.2.1 时间与频率的原始标准
1）天文时标 ◆原始标准应具有恒定不变性。 ◆频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。 ◆宏观标准和微观标准
4.1.1 时间、频率的基本概念
1）时间和频率的定义 时间有两个含义：
“时刻”：即某个事件何时发生； “时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续 了多久。 频率的定义：周期信号在单位时间（1s）内的变化次 数（周期数）。如果在一定时间间隔T内周期信号 重复变化了N次，则频率可表达为：
f＝N/T 时间与频率的关系：可以互相转换。