测量原理的研究及应用(2)

2019-01-12 15:17

字式频率计,其量程可达17个数量级。

(3)测量准确度高 ,电子测量的准确度比其他测量方法高得多。例如,用电子测量方法对频率和时间进行测 量时,可以使测量准确度达到10-13 ~ 10-14 的数量级。这是目前在测量准确度方面达到的最 高指标。采用电子测量技术,长度测量和力学测量的最高精度均达10-9 量级。

(4)测量速度快 ,由于电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作的,具有其他测量方法通常无法类比的高速度。这也是它广泛地用于各个领域的重要原因。

(5)易于实现遥测 ,电子测量可以通过电磁波进行信息传递,很容易实现遥测、遥控。

(6)易于实现测量自动化和智能化,由于大规模集成电路和微型计算机的应用,使电子测量出现了崭新的局面。例如在测量过程中能够实现程控、遥控、自动转换量程、自动调节、自动校准、自动诊断故障和自动恢复,对于测量结果可进行自动记录、自动进行数据运算、分析和处理。

二、 测量方法和测量误差概述

(一) 测量方法的分类

测量可以分为三类:定量测量、定性测量和定级测量。

定量测量:追求的是精准,通常要对测量结果进行误差分析,并给出不确定度。 定性测量:是判断被测对象属性的一种定性测量,对量值的精确度要求不高,是一种粗略的测量,一般不要求进行误差分析,即不要求给出误差数值。

定级测量:是以技术标准,规范或者检定规程为依据,分辨出被测量所属某一范围带,以此来判断被测量是否合格(符合某种级别)的一种定级测量。

由信号与系统的特性可知,各种被测量必定要以一定的特征表现出来,既可以表现成时间函数,也可以表现为频率的函数。在电子测量中,相应的可将测量技术划分为时域测量技术和频域测量技术两大类。时域测量和频域测量是从不同的方面反映信号特征。

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时域测量和频域测量是两种不同的方法对同一信号加以测量,所以时域测量和频域测量是相互关联的。对于非周期性电信号,它们是用傅里叶积分相互联系和转换的,而对于周期性电信号,它们是用傅里叶级数相互联系和转换的。虽然一个信号可用示波器观察波形,进行时域测量,又可用频谱仪观察频谱,进行频域测量。但在实际工作中,用哪种测量方法要视具体情况而定。一般频谱仪主要用来观察各种调制信号(调幅、调频及脉冲调制等)的频谱,检查调制度及调制质量;测量各种信号源的单边带相位噪声;检查信号的谐波失真,寄生调制及非相干寄生调制;监视某一频率范围内无线电信号分布情况等。在这些应用方面,若用示波器进行时域观测,会遇到困难。例如,用示波器观察正弦波形,很难确定该信号的谐波失真。

对同一信号的时域和频域观测

(二) 测量误差的基本概念

测量的目的:获得被测量的真值。

真值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。 测量误差:所有测量结果都带有误差 。

研究误差的目的,就是要正确认识误差的性质,分析误差产生的原因及其发生规 律,寻求减小或消除测量误差的方法,识别出测量结果中存在的各种性质的误差,学会数据处理的方法,使测量结果更接近于真值。

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第二章 时域测量技术

一、时域测量原理和示波器应用

(一)时域测量的基本原理

时域测量是以获取被测信号和系统在时间领域的特性为目的,采用测量被测对象的幅度—时间特性的方法,以得到信号波形和系统的瞬态响应(跃阶响应或冲激响应)。 在时域测量中,信号波形的采集和分析、系统瞬态特性的测量和分析是最根本的任务。常用的测试信号和待测信号是脉冲、方波及阶跃信号,因而也把时域测量称为脉冲测量。时域测量技术是研究信号随时间变化和分析一个系统的瞬态过程的重要手段。

时域测量的优点在于,通过观察时域特性来调整被测系统时,能比频域测量更直接、更快速地获得瞬态响应。

(二)示波器介绍

1. 示波器的功用

1). 示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。

2). 是一种全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌,能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量,能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升(下降)时间、上冲、振铃等参数,还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。

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3). 示波器从早期的定性观测,已发展到可以进行精确测量。

4). 示波器是其它图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪以及医用B超等各种图示仪器就容易理解了。

2. 示波器的分类

从1947年世界上第一台示波器诞生至今经历了数十年的发展进步,已出现了多种多样的示波器。大致情况如下:

技术原理上分为:模拟示波器和数字示波器。也有厂家将模拟示波器称第一代示波器,而数字示波器按技术进步情况已分为二、三、四代了。

按显示屏可分为:阴极射线示波管(CRT)、液品屏(TFT)及荧光屏(VFD)。 按显示原理分为:光点扫描、光栅扫描和矩阵像素点显示等。

按带宽分档情况:模拟示波器60MHz以下为低档,300MHz以上算高档,最高带宽只做到1~2GHz水平。数字示波器500MHz以下为低档,500~2GHz为中档,2GHz以上为高档。

3. 示波器的组成

Y(垂直)通道:由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和输出放大器组成,实质上是个多级宽频带、高增益放大器,主要对被测信号进行不失真的线性放大,以保证示波器的测量灵敏度。

X(水平)通道:由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成,主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。

显示屏:主要由阴极射线管组成,常以CRT (Cathode Ray Tube)表示,通常称为示波管。当前以光点和光栅方式作显示屏的主要采用示波管。另外,平板显示屏是后起之秀,发展很快,尤其是液晶显示屏(LCD)已经应用于示波器了。

(三)示波器在时域测量中的应用

1. 模拟示波器

模拟示波器可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示波器和专用示波器等。通用示波器采用单束示波管,又可分为单踪、双踪、多踪示波器。多束示波器采用多束示波管,荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生。取样示波器可以

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用较低频率的示波器测量高频信号。记忆示波器采用有记忆功能的示波管,实现模拟信号的存储、记忆和反复显示。专用示波器是能够满足特殊用途的示波器,又称特种示波器。

2. 数字示波器

数字示波器将输入信号数字化(时域取样和幅度量化)后,经由D/A转换器再重建波形。数字示波器具有记忆、存贮被观察信号功能,又称为数字存贮示波器。根据取样方式不同,数字示波器又可分为实时取样、随机取样和顺序取样三大类。

3. 示波器的主要技术指标 1. 频带宽度BW和上升时间tr

示波器的频带宽度BW一般指Y通道的频带宽度。上升时间tr是一个与频带宽度BW相关的参数,表示由于示波器Y通道的频带宽度的限制,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:

tr[?s]?0.350.35,或tr[ns]??103BW[MHz]BW[MHz]

2.扫描速度

扫描速度是指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离,单位为“cm/s”。荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线,因此扫描速度的单位也可表示为“cm/div”。扫描速度的倒数称为“时基因素”,它表示单位距离代表的时间,单位为“t/cm”或“t/div”,时间t可为μs、ms或s,在示波器的面板上,通常按“1、2、5”的顺序分成很多档。

3.偏转因素

偏转因素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”(或“V/div”、“mV/div”)。偏转因素表示了示波器Y通道的放大/衰减能力。偏转因素的倒数称为“(偏转)灵敏度”。

4.输入阻抗

当被测信号接入示波器时,输入阻抗Zi形成被测信号的等效负载。 5.输入方式

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