现代电子测量技术_2

频限信号是指在频率域内只占据有限的带宽
（f1～f2）、在这一带宽之外信号值恒等于零的
信号，称为频域有限信号。
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2.2.2 信号的分类（续）
（5）信号的时间特性和频率特性
时间特性：反映在信号随时间变化的波形上，包括信号出 现时间的先后、持续时间的长短、重复周期的大小、随时 间变化速率的快慢、幅度的大小等等。
2.1.2 电子测量的特点
（1）测量频率范围宽。被测信号的频率范围除测量直流 外，测量交流信号的频率范围低至10-6Hz以下，高至 THz（1THz=1012Hz）
（2）量程范围宽。如数字万用表对电压测量由纳伏（nV） 级至千伏（kV）级电压，量程达12个数量级
（3）测量准确度高。例如，用电子测量方法对频率和时 间进行测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准， 可以使测量准确度达到10-13～10-14的数量级。
➢ 电压表、电流表、功率计、频率计、示波器、频谱仪、逻辑 分析仪等仪器不含激励信号源
系统特性参数为常见的无源量，包括集总与分布参数系统 的特性，例如，电阻、电感、电容、品质因数、阻抗、导 纳、介电常数、导磁率、驻波比、反射系数、散射系数、 衰减以及单位阶跃响应或单位冲激（脉冲）响应与传递函 数等。
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2.2.3 系统的基本概念
信号的产生、传输、处理、存储和再现都需要一定 的物理装置，这种装置通常就称为系统。
➢ 从一般意义讲，系统是由若干相互依赖、相互作用的 事物组合而成的具有特定功能的整体。
1.系统的外部特性 即系统的输入与输出之间的关系或系统的功能。
x( t ) 激励
➢ ③电信号特征的测量 包括信号、频率、周期、时间、 相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数字信号 的逻辑状态等的测量。
➢ ④电子设备性能的测量 包括放大倍数、衰减、灵敏度、 频率特性、通频带、噪声系数的测量。
➢ ⑤特性曲线的测量 包括幅频特性曲线、晶体管特性曲 线等的测量和显示。
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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。
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2.3.4 频域、时域、数域及随机域测量（续）
系统 h(t)
y(t ) 响应
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2.2.3 系统的基本概念（续）
2.系统的内部结构
➢ 测量系统的外部特性是由其内部参数也即系统本身的 固有属性决定。
➢ 系统模型指系统物理特性的数学抽象，即以数学表达 式或具有理想特性的符号组合图形来表征系统的输入输出特性
LCd2d utc2(t)RCdudct(t)uc(t)e(t)
多路测量 设备
数据 采集站
传 感 器
传 感 器
传 感 器
信信
信
息息
息
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发送端
接收机 载波调制 分路设备
记录处理 或计算机
接收端
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2.3.4 频域、时域、数域及随机域测量
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
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2.2 电子测量的对象——信号与系统
2.2.1 信号的基本概念 测量的目的是获取被测对象的信息，信息描述
了被测对象的状态及其变化方式。
信号就是信息的某种物理表现方式，信号是信 息的载体，是物质，具备能量。
同一个信息可以用不同的信号来运载，反之， 同一种信号也可以运载不同的信息。
（3）组合测量
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2.3.2 有源参量与无源参量的测量
被测对象可按有源量或无源量划分为两大类 1. 有源量的测量
被 测 对 象 信 号测 量 系 统响 应响 应 的 读 （ 有 源 量 ） （ 已 知 系 统 ） 出 与 显 示
2. 无源量的测量
被测对象 响应1 （无源量）
➢ 从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中 有关的电量所进行的测量。
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2.1.3 电子测量的内容（续）
电子测量的内容是：
（1）按具体的测量对象来分类，包括下列电参数的测量
➢ ①电能量的测量 包括各种频率及波形下的电压、电流、 功率、电场强度等的测量。
➢ ②电路参数的测量 包括电阻、电感、电容、阻抗、品 质因数、电子器件参数等的测量。
➢ 动态系统（存储系统或有记忆系统）：在时刻t的输 出不仅与该时刻的输入有关，而且还与该时刻以前 或以后的输入有关。记忆系统的输入输出关系是一 般是微分或差分方程 。
4.模拟系统与数字系统
➢ 模拟系统是分析和处理模拟信号的系统， ➢ 数字系统是分析和处理脉冲与数字信号的系统。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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2.2.2 信号的分类
1.确定性信号和非确定性信号
电子测量中被测信号大多是时间的函数x(t)，按其
性质不同可分类如下：
➢ ①确定性信号：在相同试验条件下，能够重复实现的 信号。确定性信号又分为：恒定（直流）信号；周期 信号（简谐周期信号和复杂周期信号）；非周期信号 （准周期信号和瞬变冲激信号）；
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2.2.5 系统的可测性与可控性
系统可观测——系统的属性（事物内部自身运动 的表现）能通过周围环境表现出来，也就是说， 能通过外部世界观测到。
系统是可控——系统（事物内部运动）能接收周 围环境的影响，变更系统的运动状态。
v1 v2
ve
x1 x2
系统内部状态
y1 y2
xn
s1、s2、…、sr
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2.2.1 被测对象—信号与系统的特点及分类
信号的特点是：
①信号是用变化着的物理量来表示信息的一种函 数；
②信号中包含着信息，它是信息的载体，具有能 量（有能源）。被测对象的信息感知阶段的任务， 是要把信息变换成信号；
③信号不是信息本身，必须对信号进行测量后， 才能从信号中提取出信息，这是电子测量的根本 目的。
器
xn
yn
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2.3.3 集中式与分布式的多路测量（续）
2.分布式多路测量系统
（a）网络化测量系统 （b）无线电遥测系统
PLC 前 端 机 计 算 机
标准 总线
智能 传感器
压温 力度
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模拟 开关
I/O
I/O
电阻 报 状 压抗 答 态
显示器
发射机 载波调制
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赵志斌 电力系电信教研室
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第2章 测量方法与测量系统
2．1 电子测量的基本原理 2．2 电子测量的对象——信号与系统 2. 3 测量方法的分类概述 2．4 测量系统的静态特性 2. 5 测量系统的动态特性
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2.1 电子测量的基本概念
（3）在背景噪声信号不可忽略时对信号、特别是微弱信 号的精确测量。
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2.3.4 频域、时域、数域及随机域测量（续）
5.数字测量技术：测量数字系统的功能和故障诊断
对数字系统进行测量的基本方法是：
在输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与 预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；不一 致则表示系统有故障。
➢ 输出信号的频谱函数为 Y()K()X()
线性系统具有频率保持性。测量、分析或比较线性系统 在正弦信号激励下的响应，就可以对系统的各种电气特
性作出全面的评价
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2.2.4 被测系统的分类（续）
3.即时系统与动态系统
➢ 即时系统（瞬时系统或无记忆系统）：系统在任何 时刻t的输出都只与该时刻的输入有关；
ym
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2.3 测量方法的分类概述
2.3.1 直接测量与间接测量
（1）直接测量——用已标定的仪器，直接地测量出某一待测 未知量的量值。
（2）间接测量——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 y f(x )或 y f，(x 计1 ,x 算2 ,L 出待,x n 测)量y。
（4）测量速度快。因为电子测量是通过电子运动和电磁 波传播进行工作
（5）易于实现遥测
（6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化
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2.1.3 电子测量的内容
➢ 从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段 而进行的测量，即以电子科技理论为依据，以电子测 量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。
测量系统 响应2 响应的读
（已知系统）
出与显示
已知信号
测试激励 （信号源）
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2.3.2 有源参量与无源参量的测量（续）
3. 电子测量仪器的功能结构
被测对象的有源与无源特性决定了测量系统的组成方法和 功能结构
信号特性参量为常见的有源量，主要包含信号的电压与功 率、频率与波长、周期与时间、波形与频谱等；
离散
连续 离散时间信号
离散
信号分类 模拟信号 量化信号 采样信号 数字信号
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2.2.2 信号的分类（续）
4.时限信号和频限信号 时限信号是指信号在时间的有限区间（t1，t2）
内有定义、在区间之外信号值恒等于零的信号， 称为时域有限信号。
➢ 例如，矩形脉冲、正弦脉冲等。而周期信号、指数信 号、随机信号等，则为时域无限信号。
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2.1.3 电子测量的内容（续）
（2）按基本的测量对象来看，电子测量是对 电信号和电系统的测量：
①电子测量的基本对象是未知的信号与系统
②电子测量的基本工具是已知的信号与系统
③电子测量的基本工作机理是信号与系统的相 互作用
x(t) 输入
系统 h(t )
y( t ) 输出
测试系统框图
0, e(t) u,
t 0 t 0
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2.2.4 被测系统的分类
➢ 1.单输入/输出与多输入/输出系统 ➢ 2.线性系统与非线性系统
线性系统满足两个基本条件：
①叠加原理。 ②系统的响应与输入信号的作用无关。 ➢ 线性系统对任意输入的响应都可用傅氏变换表示。
X( ) ejtx(t)dt
频率特性：一个复杂信号可以分解成许多不同频率的正弦 分量，即具有一定的频率成分。将各个正弦分量的幅度和 相位分别按频率高低依次排列就成为频谱。信号的频谱包 含了信号的全部信息。
（6）信号的空间分布结构 许多信号，既具有时间特性、也还具有空间特性
➢ 例如描述大气压随海拔高度变化的信号，其自变量表示 海拔高度；描述飞机机翼上应变分布的信号，其自变量 表示结构尺寸；
➢ RLC测试仪、阻抗分析仪、网络分析仪、频率特性测试仪 （扫频仪）、晶体管特性图示仪等仪器，均包含有激励信号 源。
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2.3.3 集中式与分布式的多路测量
1.集中式多路测试系统
执行机构 或显示器
x1
模
模
y1
x2
拟 多
路 复
拟
A/D 处理器
多
D/A
路
y2
分
用
路
器
2.1.1 电子测量的意义
➢ 20世纪30年代，便开始了测量科学与电子科学的结 合，产生了电子测量技术
处理信息最有效、最成功的是电子科学技术
①具有极快的速度 ②具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。 ③极有利于信息传递 ④极为灵活的变换技术。 ⑤巨大的信息处理能力
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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；
➢ ②非确定性（随机）信号：在相同试验条件下，不能 够重复实现的信号。随机信号又分为：平稳随机信号； 非平稳随机信号。
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2.2.2 信号的分类（续）
2.周期性信号与非周期性信号 3.连续信号与离散信号
表 2-1 信号的分类
自变量 t
函数值 f(t)
连续 连续时间信号
LSI测试系统的简化框图
时钟发生器
驱动器 波形合成器 图形发生器 被测电路