006常用電子儀器測(cè)量

1、第六章信號(hào)測(cè)量的基本方法 1學(xué)習(xí)目的：1、掌握對(duì)信號(hào)直流、交流成分的測(cè)量方法。2、掌握信號(hào)幅值、頻率的測(cè)量方法。3、掌握對(duì)脈沖信號(hào)的上升、下降時(shí)間及脈沖寬度的測(cè)量方法。4、掌握相位差的測(cè)量方法：5、用單蹤或雙蹤測(cè)量正弦信號(hào)的相位差的方法。 2學(xué)習(xí)內(nèi)容：6.1 信號(hào)的測(cè)量6.2 直流、交流成分的測(cè)量方法6.3 信號(hào)幅值的測(cè)量方法6.4 信號(hào)頻率的測(cè)量方法6.5 脈沖信號(hào)的測(cè)量方法6.6 相位差的測(cè)量方法36.1信號(hào)的測(cè)量1、時(shí)域的測(cè)量2、頻域的測(cè)量46.2 交流電壓的測(cè)量1、表征交流成分的參數(shù)檢波電路的分類：1）平均值檢波：響應(yīng)是輸入交流的平均值2）峰值檢波：響應(yīng)是輸入交流的峰值3）有效值檢波：

2、響應(yīng)是輸入交流的有效值51、表征交流成分的參數(shù)1）峰值周期交流電壓在一周期內(nèi)出現(xiàn)的最大瞬時(shí)值。61、表征交流成分的參數(shù)2）平均值任意電壓在一段時(shí)間內(nèi)隨時(shí)間逐點(diǎn)測(cè)得的電壓值的平均。72）平均值半波平均值正向半波平均值定義為：負(fù)向半波平均值定義為：全波平均值全波平均值定義為：如果不特別說明，所謂平均值都是指全波平均值。81、表征交流成分的參數(shù)3）有效值有效值，又稱為均方根值，是表征交流電壓大小的應(yīng)用最普遍的量值。交流電量的有效值，是與它的熱效應(yīng)相等的直流值。有效值定義為：有效值和峰值的關(guān)系是：91、表征交流成分的參數(shù)4）波形因數(shù)交流電壓的波形因數(shù)定義為：5）波峰因數(shù)交流電壓的波形因數(shù)定義為：10波

3、形因數(shù)與波峰因數(shù)11例如：已知被測(cè)的交流電壓波形是三角波，用峰值響應(yīng)的電壓表測(cè)量時(shí)讀數(shù)為10V（有小至刻度），根據(jù)峰值響應(yīng)電壓表按正弦交流電壓的定度規(guī)律可知，被測(cè)交流電壓的峰值為V=VKp=101.414=14.14V，這里的Kp是指正弦波的波峰因數(shù)1.414，然后根據(jù)三角波的波峰因數(shù)KFd為1.732可求出被測(cè)交流電壓的有效值V：可見，原來測(cè)出的讀數(shù)10V是偏大的，其實(shí)際相對(duì)誤差為：其指示值相對(duì)誤差為：126.3 信號(hào)幅度的測(cè)量1、直流、交流成分的測(cè)量方法1）地電平的確定131、直流、交流成分的測(cè)量方法2）直流成分的測(cè)量141、直流、交流成分的測(cè)量方法3）交流成分的測(cè)量15例如：信號(hào)源內(nèi)阻為

4、0.02M，示波器輸入阻抗為1M ，信號(hào)源電壓1V，測(cè)量電壓為：則誤差為0.02V，約為2%。2、測(cè)量誤差的計(jì)算166.4 信號(hào)周期和頻率的測(cè)量176.5 脈沖信號(hào)的測(cè)量方法1、脈沖信號(hào)寬度的測(cè)量182、脈沖上升沿和下降沿的測(cè)量192、脈沖上升沿和下降沿的測(cè)量203、兩信號(hào)時(shí)間差的測(cè)量214、延遲特性對(duì)測(cè)量的影響示波器上升時(shí)間的計(jì)算：224、延遲特性對(duì)測(cè)量的影響示波器延遲特性對(duì)測(cè)量脈沖的影響如圖所示，這是一脈沖上升沿測(cè)量的實(shí)例。輸入脈沖信號(hào)本身的上升沿為100ns，示波器本身的上升時(shí)間為35ns，在示波管上的波形這就是說示波器有6%的測(cè)量誤差。234、延遲特性對(duì)測(cè)量的影響246.6 相位差的測(cè)

5、量方法1、用單蹤示波器測(cè)量正弦信號(hào)相位差251、用單蹤示波器測(cè)量正弦信號(hào)相位差262、用雙蹤示波器測(cè)量正弦信號(hào)相位差273、用X-Y功能測(cè)量頻率和相位283、用X-Y功能測(cè)量頻率和相位293、用X-Y功能測(cè)量頻率和相位303、用X-Y功能測(cè)量頻率和相位313、用X-Y功能測(cè)量頻率和相位326.7 示波器的誤差及消除方法1、用示波器測(cè)量電壓的誤差336.7 示波器的誤差及消除方法1、用示波器測(cè)量電壓的誤差示波器的誤差對(duì)測(cè)量的影響如前圖所示。圖中為一個(gè)實(shí)際測(cè)量情況，將兩個(gè)信號(hào)相位一致、幅度不同的信號(hào)分別送到CH-1（2.1V）和CH-2（1.9V）。如果兩信道的誤差分別為+1%和-1%，各自的幅度

6、誤差為：上述兩信號(hào)的差電壓應(yīng)為：兩個(gè)信號(hào)之差的電壓值也會(huì)有誤差，其誤差為：0.021-（-0.019）=0.04DIV。實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過這種計(jì)算可知，用示波器測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的差值會(huì)有20%的誤差。341、用示波器測(cè)量電壓的誤差352、探頭對(duì)脈沖波形的影響362、探頭對(duì)脈沖波形的影響示波器的輸入耦合方式采用交流（AC）方式。觀測(cè)低頻方波信號(hào)，方伯波形會(huì)下降，方伯波形的下降量如圖所示，如果采用直流（DC）耦合方式，就不會(huì)有圖中的下降情況。示波器的下將量D可用波形的下降幅度與波形的上升沿幅度之比來表示。這種下降量是與頻率有關(guān)的。當(dāng)用示波器的交流耦合方式進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如低頻截至頻率為fc，所測(cè)量的方波信

7、號(hào)的頻率為fs，其下降量可由下式計(jì)算：此公式適用于對(duì)稱方波的監(jiān)測(cè)。372、探頭對(duì)脈沖波形的影響如果示波器的示波器的低頻截止頻率為fc=5Hz，方波信號(hào)頻率為fs=50Hz，測(cè)量時(shí)的下降量為：從計(jì)算可知，其波形的下降量是很大的。如果使用衰減型探頭（衰減量為10：1），則會(huì)有明顯改善。此時(shí)靈敏度變?yōu)樵瓉淼?/10，fc也變?yōu)?/10，則fc=5/10=0.5Hz重新計(jì)算：由此可見，所觀測(cè)的波形下降量有明顯減小。383、測(cè)量高頻信號(hào)的方法393、測(cè)量高頻信號(hào)的方法403、測(cè)量高頻信號(hào)的方法414、差動(dòng)放大器輸出信號(hào)的檢測(cè)方法425、頻率特性的測(cè)量1）測(cè)量方法：435、頻率特性的測(cè)量2）測(cè)量原理：式中

8、：A-增益；Uo-輸出電壓；Ui-輸入電壓增益通常用dB表示，如果Ui=10mV Uo=1000mV，則：如果使用單蹤示波器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可先測(cè)量輸入電壓。然后測(cè)量輸出電壓，再求出增益值。445、頻率特性的測(cè)量使用掃頻儀可以方便的產(chǎn)生連續(xù)變化頻率的信號(hào)。455、頻率特性的測(cè)量46根據(jù)方波的形狀評(píng)價(jià)頻率特性的方法476、最大不失真功率的測(cè)量486、最大不失真功率的測(cè)量497、最佳偏置電阻的測(cè)量50518、立體聲雙通道相位差的測(cè)量立體聲錄放機(jī)磁頭的方位角會(huì)影響雙通道信號(hào)的相位差，硬是磁頭輸出的相位一致，可以利用示波器測(cè)量?jī)赏ǖ佬盘?hào)的相位差。528、立體聲雙通道相位差的測(cè)量立體聲錄放機(jī)磁頭的方位角會(huì)影

9、響雙通道信號(hào)的相位差，硬是磁頭輸出的相位一致，可以利用示波器測(cè)量?jī)赏ǖ佬盘?hào)的相位差。536.8 非電量的測(cè)量 1、非電量檢測(cè)技術(shù)概論1）問題的提出在信息時(shí)代中，人們從事社會(huì)活動(dòng)、生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要依靠對(duì)信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸和處理。傳感器將一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程中要獲取的非電量信息，轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量、傳輸和處理的電信號(hào)。因此，傳感器是處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，其地位和作用特別重要，是感知、獲取與檢測(cè)各類非電量信息的窗口。54一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)過程，尤其是檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)要獲取的信息，都是通過傳感器將其轉(zhuǎn)換成便于傳輸和處理的電信號(hào)。非電量信息是傳感器感知、獲取和轉(zhuǎn)換的對(duì)象。非電

10、量信息的類型十分廣泛，如光、磁、熱、聲、力、壓力、加速度、速度、位移、濕度、濃度、顏色、氣味等。非電量檢測(cè)技術(shù)的任務(wù)是通過傳感器準(zhǔn)確地、及時(shí)地掌握各種信息，一般情況下是要獲取被測(cè)非電量的大小。因此，非電量檢測(cè)技術(shù)的主要含義就是測(cè)量，取得測(cè)量數(shù)據(jù)。552）測(cè)控系統(tǒng)非電量的測(cè)量系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為測(cè)控系統(tǒng)，主要由傳感器、測(cè)量控制電路(簡(jiǎn)稱測(cè)控電路)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成。傳感器作為非電量的敏感元件，其功能是探測(cè)被測(cè)對(duì)象的變化并轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量和控制的電信號(hào)。傳感器的輸出信號(hào)一般很微弱，而且常伴隨著各種噪聲，需要通過測(cè)控電路將它放大，剔除噪聲，選取有用信號(hào)，按照測(cè)量與控制功能要求，進(jìn)行所需演算、處理與

11、轉(zhuǎn)換，輸出能控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的信號(hào)。562）測(cè)控系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中，測(cè)控電路是最靈活的部分，起著十分關(guān)鍵的作用，它具有便于放大、轉(zhuǎn)換、傳輸，以及適應(yīng)各種使用要求的功能。 一旦傳感器確定后，整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)，乃至整個(gè)機(jī)器和生產(chǎn)系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于測(cè)控電路。57 2、傳感器概論1）傳感器的定義根據(jù)我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB766587)，傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。定義中的被測(cè)量就是各類非電量，包括物理量、化學(xué)量、生物量等；可用輸出信號(hào)實(shí)際上就是便于處理和傳輸?shù)碾娏浚措妷毫?、電流?8 2、傳感器概論2）傳感器的作用在信息化時(shí)代中，人類一切社會(huì)

12、活動(dòng)將主要依靠對(duì)信息資源的開發(fā)和利用，而傳感器正是處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首，是感知、獲取和檢測(cè)信息的窗口；傳感器處于研究對(duì)象和測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，在計(jì)算機(jī)廣為普及的今天，如果沒有各類傳感器提供可靠、準(zhǔn)確的信息，“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的說法越來越廣泛了。正因?yàn)閭鞲衅鞯淖饔煤偷匚蝗绱酥匾?，各?guó)都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)，已經(jīng)成為各國(guó)相互競(jìng)爭(zhēng)的核心技術(shù)之一。592）傳感器的組成敏感元件轉(zhuǎn)換元件測(cè)量電路602）傳感器的組成敏感元件(sensing element)，又叫預(yù)變換器，是指?jìng)鞲衅髦心軌蛑苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量(輸入的非電量)的部分，往往是將被測(cè)非電量預(yù)先變換成另一種易于變換

13、成電量的非電量，然后再變換成電量。轉(zhuǎn)換元件(transduction element)是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵龅姆请娏哭D(zhuǎn)換成適于傳輸和測(cè)量的電量信號(hào)的部分。需要指出的是，并不是所有的傳感器都能明顯地分清敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分。測(cè)量電路是指將傳感器輸出的電量變成便于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號(hào)的電路。測(cè)量電路本身并不是傳感器。測(cè)量電路的類型視傳感器的分類而定。常用的測(cè)量電路有交、直流電橋及其他特殊的電路，如高阻抗輸入電路、脈沖寬度調(diào)制電路、振蕩回路等。613、檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)傳感器輸入信號(hào)的不同，檢測(cè)系統(tǒng)分直流檢測(cè)系統(tǒng)和交流檢測(cè)系統(tǒng)兩大類。623、檢測(cè)系統(tǒng)電橋主要把被測(cè)的非電量(或電量)

14、轉(zhuǎn)換成電阻、電感、電容的變化，再變成電流或電壓的變化。根據(jù)供電電源的不同，可分為直流電橋和交流電橋兩種。1）直流電橋直流電橋主要用于應(yīng)變式傳感器。2）交流電橋交流電橋主要測(cè)量電感和電容的變化。633、檢測(cè)系統(tǒng)1）直流電橋64 1）直流電橋電橋靈敏度KV：?jiǎn)坞姌颍?0.25x雙電橋：-0.5x全電橋：-x65 1）直流電橋電橋靈敏度KV：?jiǎn)坞姌颍?0.25x雙電橋：-0.5x全電橋：-x662）交流電橋交流電橋輸出負(fù)阻抗用指數(shù)形式表示，即Z=|Z|ej平,則可得|Z2|Z4|ej（2+ 4）= |Z2|Z4|ej（1+ 3）可知，交流電橋必須滿足幅位平衡和相位平衡，缺一不可。 672）交流電橋交

15、流電橋基本上分電容電橋和電感電橋兩大類，它們廣泛用于電容式傳感器和電感式傳感器的測(cè)量電路中。與直流電橋相比，應(yīng)用交流電橋時(shí)應(yīng)注意以下方面的問題：交流電橋的電源通常為純凈的正弦波電源。在分析、計(jì)算時(shí)僅對(duì)基波而言，而在誤差分析中需考慮高次諧波的影響；可以用線性電路的方法分析交流電橋，但對(duì)非線性元件需在規(guī)定的條件下(如規(guī)定工作頻率、工作電壓、工作電流等)進(jìn)行線性化處理；交流電橋中至少需要兩個(gè)可調(diào)參數(shù)，才能保證電橋平衡，調(diào)整參數(shù)時(shí)必須滿足。 684、非電量測(cè)量的數(shù)據(jù)處理1）問題的引入在智能化儀表及微型機(jī)控制系統(tǒng)中，非電量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成模擬量，經(jīng)過放大、硬件濾波和信號(hào)變換等處理后，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)

16、字量送人PC、MCU或DSP中，此數(shù)字量在進(jìn)行顯示、打印、報(bào)警及控制計(jì)算之前，還必須根據(jù)需要進(jìn)行一些加工處理，如數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷以及非線性補(bǔ)償?shù)?，以滿足測(cè)量控制的需要。694、非電量測(cè)量的數(shù)據(jù)處理1）問題的引入有些非電量測(cè)量比較簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)只與一個(gè)變量有關(guān)，如溫度測(cè)量，溫度只與熱電偶的電流值近似成線性關(guān)系，這種測(cè)量結(jié)果處理起來比較容易實(shí)現(xiàn)。有些非電量測(cè)量較為復(fù)雜，需若干幾個(gè)變量，必須把它們經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算才能得到被測(cè)的非電量大小。另外，實(shí)際的測(cè)量中有些參數(shù)不但與幾個(gè)被測(cè)非電量有關(guān)，而且是非線性關(guān)系，涉及到復(fù)雜的運(yùn)算，若用硬件電路完成十分困難。顯然，在非電量進(jìn)行測(cè)量與控

17、制過程中，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是一種十分方便而有效的方法，在傳感器應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。704、非電量測(cè)量的數(shù)據(jù)處理2）軟件數(shù)據(jù)處理優(yōu)點(diǎn)可用不同的程序代替硬件電路，甚至完全不需要硬件電路做數(shù)據(jù)處理；可增加或改變相應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)，無須增加新的硬件開銷，降低了成本；計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理精度高，不受環(huán)境條件變化的影響，穩(wěn)定可靠；不僅可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種復(fù)雜運(yùn)算，而且具有智能判斷功能。714、非電量測(cè)量的數(shù)據(jù)處理3）數(shù)字濾波（1）數(shù)字濾波的作用由于被測(cè)非電量的環(huán)境比較惡劣，干擾源比較多(如溫度、濕度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等)，除在模擬系統(tǒng)中采用必要的各種硬件濾波電路外，在用計(jì)算機(jī)組成的非電量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和智能化儀器中，為了減小對(duì)采樣值的干擾，提高系統(tǒng)可靠性，還常常采用數(shù)字濾波的方法。數(shù)字濾波是通過一定的