电子测量的基本概念

一、电子测量

测量是通过实验方法对客观事物取得定量信息即数量概念的过程。人们通过对客观事物大量的观察和测量，形成定性和定量的认识，归纳、建立起各种定理和定律，而后又要通过测量来验证这些认识、定理和定律是否符合实验情况，经过如此反复实践，逐步认识事物的客观规律，并用以解释和改造世界。

电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。它是测量学和电子学结合的产物。电子测量除具体运用电子科学的原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特性和参数进行测量外，还可通过各种敏感器件和传感装置对非电量进行测量，而且往往更加方便、快捷、准确，有时是用其他测量方法所不能替代的。因此，电子测量不仅用于电学各专业，也广泛用于物理学、化学、光学、机械学、材料学、生物学、医学等科学领域及生产、国防、交通、通信、商业贸易、生态环境保护乃至日常生活的各个方面。近几十年来计算机技术和微电子技术的迅猛发展，为电子测量和测量仪器增添了巨大的活力。微型计算机与电子测量仪器相结合，构成了一代崭新的“智能仪器”和“自动测试系统”,它们具有对若干电参数进行自动测量、自动量程选择、数据记录和处理、数据传输、误差修正、自检自校、故障诊断及在线测试等功能，不仅改变了若干传统测量概念，更对整个电子技术和其他科学技术产生了巨大推动作用。现在，电子测量技术(包括测量理论、方法、测量仪器等)已形成电子科学领域重要而发展迅速的分支。

二、测量方法分类

一个物理量的测量，可以通过不同的方法实现。测量方法的选择正确与否，直接关系到测量结果的可信赖程度，也关系到测量工作的经济性和可行性。不当和错误的测量方法，除了得不到正确的测量结果外，甚至会损坏测量仪器和被测量设备。有了先进精密的测量仪器设备，并不等于就一定能获得准确的测量结果。必须根据不同的测量对象、测量要求和测量条件、选择正确的测量方法.合适的测量仪器，构成实验的测量系统，进行细心的操作，才能得到理想的测量结果。

测量方法的分类形成有多种，下面介绍几种常见的分类方法。1.按测量方法分类

(1)直接测量法

直接测量一般是指借助测量工具直接从被测量量上测出所需要的数据。例如用电压表测量放大电路的工作电压，用欧姆表测量电阻等。直接测量的特点是不需要对被测量与其他实验的量进行函数关系的辅助运算，因此测量过程简单迅速，是工程测量中广泛应用的测量方法。

(2)间接测量

间接测量是指利用直接测量的影与被测量之间的函数关系(可以是公式、曲线或表格等),间接得到被测量量值的测量方法。例如测量电阻上的功率P=U×1==U²/R、可以通过直接测量电阻上的电压降，电阻的方法，计算其功率。间接测量费时费事，常在直接测量不方便或间接测量的结果较直接测量更为准确等情况下使用。

(3)组合测量

组合测量是兼用直接与间接测量方法。在某些测量中，被测量与几个未知量有关，需要通过改变测量条件进行多次测量，根据测量量与未知参数间的函数关系联立求解。例如为了测量电阻的温度系数，可利用以下公式：

R,=Ra(t-20)+β-20)(1--1)式中，α、β为电阻的温度系数，R为电阻在20℃时的电阻值。我们可以在两个不同的温度1:、t₂下，测量相应的两个阻值R₁和R联立方程求解。

2.按被测量性质分类

按被测量的性质，测量可以作如下分类。

(1)时域测量

时域测量主要测量被测量随时间变化的规律，被测量是时间的函数。例如电流和电压等，它们有稳态量和瞬态量，对于瞬态量可以用示波器观察其波形，以便显示其波形的变化规律，而稳态量则用仪表测量其有效值。

(2)频域测量

频域测量主要测量被测量的频率特性和相位特性，被测量是频率的函数。例如用频率分析仪分析信号的频谱，测量放大器的幅频特性、相频特性等。

(3)数据域测量

数据域测量是指用逻辑分析仪等设备对数字量或电路的逻辑状态进行测量。数据测量可以同时观察多条数据通道上的逻辑状态，或者显示某条数据线上的时序波形，还可以借助计算机分析大规模集成电路芯片的逻辑功能等。

(4)随机测量

随机测量又叫做统计测量，主要对各类哚声信号进行动态测量和统计分析。这是一类较新的测量技术，尤其在通信领域有着广泛应用。

三、测量误差

在实际测量中，由于测地器具不准确，测量手段不完善，环境影响，城操作不熟练及工作疏忽等因素，都会导致测量结果与被测量真值不同。测量仪器仪表的测得值与被测地真值之间的差异，称为测量误差。测量误差的存在具有必然性和普遍性，人们只能根据需要和可能，将其限制在--定范围内而不可能完全消除。人们进行测量的目的。通常是为了获得尽可能接近真值的测量结果，如果测量误差超出一定限度，测量工作及由测量结果所得出的结论就失去了意义。在科学研究和现代生产中，错误的测量结果有时还会使研究工作误人歧途甚至带来灾难性后果。因此我们不得不认真对待测量误差，研究误差产生的原因，误差的性质，合理选择测量仪器和测量方法，力求减少测量误差。

按测量误差出现的规律可以将误差分为三类：1.系统误差

对同一个量重复进行多次测量时，其误差的大小保持不变或者按--定的规律出现。这种误差主要是由于测量设备、环境条件、人的因素等造成，通过分析研究可以将误差消除。

2.随机误差

随机误差一般是不确定的，随机出现的，具有偶然性，其发生时无规律可循。从统计学观点来看，这种误差的出现符合正态分布。所以这种误差是不可消除的。

3.粗心误差

这种误差主要由于操作者操作不当引起的，所以这种误差完全可以避免，并且完全可以消除。

四、误差的表示方法

1.绝对误差

绝对误差定义为

△x=一A.(1-2)式中，△x为绝对误差，x为测敏值，A、为被测量真值。真值是客观存在，但无法求得。所以通常将高一级的仪器测量的数据作为标准值即所谓的真值A。因而绝对误差更有实际意义的定义是r=r--.1(1-3)对于绝对误差.应注意下面几个特点：

(1)绝对误差是有单位的量，其单位与测得值和实际值相同。

(2)绝对误差是有符号的量，其符号表示出测量值与实际值的大小关系，若测得值较实际值大，则绝对误差为正值，反之为负值。

(3)测量值与被测量实际值间的偏离程度和方向通过绝对误差来体现。但仅用绝对误差，并不能说明测量的质量。例如，人体温度在37C左右，若测量绝对误差为△x=±1C,这样的测量质量是我们不能容忍的，而如果测量炉窑在1400C左右的炉温，绝对误差为±1℃,那这样的测量精度就相当令人满意了，因此为了表明测量结果的准确程度，可将测得值与绝对误差一起列出。如上面例子可写成37C±1C和1400℃±1C。另-种方法就是用相对误差表示。

(4)对于信号源、稳压电源等供给量仪器，绝对误差定义为

△x=A-x(1--4)

式中，A为实际值，x为供给量的指示值(标称值)。

与绝对误差绝对值相等但符号相反的值称为修正值，一般用符号c表示

c一△r=A-x(1-5)

测量仪器的修正值，可通过检定，由上一级标准给出，它可以是表格、曲线或函数表达式等形式。利用修正值和仪器示值，可得被测量的实际值

A=x+c(1-6)

2.相对误差

相对误差用来说明测量精度的高低。相对误差是绝对误差与真值之比的百分数，通常表示为： 

而被测量的真值往往用实际值代替，所以，实际相对误差为 

3.引用误差

引用误差是绝对误差与仪器的量程之比 式中，y。为引用相对误差，xm为仪器的量程，△x为绝对误差。最大引用误差为：从上式可知： 

所以最大可能的相对误差为： 

第三节电压测量方法

电压是一个基本物理量，是电路中表征电信号能量的三个基本参数(电压、电流、功率)之一，电压测量是电子测量中的基本内容。在电子电路中，电路的工作状态如放大、饱和、截止、谐振以及工作点的动态范围，通常以电压的形式表现出来。电子设备的控制信号、反馈信号及其他信息，主要表现为电压量。在非电量的测量中，也多利用各类传感器件装置，将非电参数转换成电压参数。电路中其他参数，包括电流和功率，以及如信号的调幅度、波形的非线性失真系数、元件的Q值、网络的频率特性和通频带、设备的灵敏度等等，都可以视作电压的派生量，通过电压测量获得其量值。最重要的是，电压测量直接、方便，将电压表并接在被测电路上，只要电压表的输人阻抗足够大，就可以在几乎不对原电路工作状态有所影响的前提下获得较满意的测量结果。而电流测量就不具备这些优点，电流测量必须把电流表串接在

被测电路中，很不方便，其次，电流表的接入改变电路原来的工作状态，测得值不能真实地反映实际电流值。所以，电压测量是电子测量的基础，在电子电路和电子设备的测量调试中，电压测量不可缺少的基本测量。

在电压测量中，可根据被测电压的性质、工作频率、波形、被测电路阻抗、测量精度等选择测量仪表。交、直流电压的测量方法有直接测量法和比较测量法。

一、直接测量法

用数字万用表可直接测量交、直流电压的各主要参数。测量时尽可能使电压表的量程与被测的电压接近，以提高数据的有效位数。

如果用毫伏表测信号电压时，应尽量使被测电压的指示值与选择适合的量程使指示值超过满刻度的三分之二，以便减小测量误差。

二、比较测量法

1.示波器测直流电压

将示波器的通道灵敏度的微调置校准位置，同时将

输人耦合方式AC-GND-DC开关置GND,并将时基

线与屏幕的某刻度线重合作为参考零电压值，然后将开关置于DC,这时时基线即上移或下移，根据偏离值就可算出直流电压值，即

图1-1示波器测交流电压

直流电压值=偏离值(div)×V/div

式中，V/div为示波器面板上通道灵敏度的值。时基线上移测出电压为正值，否则为负电压值。

2.示波器测交流电压

将示波器的微调置校准位置，这时屏幕上出现如图1-1的波形，这时其被测电压的幅值为：

被测电压的幅值=通道灵敏度×垂直距离(div)