[信息与通信]第2章 测量方法与测量系统2.ppt
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1、第2章 测量方法与测量系统,21 电子测量的基本原理 22 电子测量的对象信号与系统 2. 3 测量方法的分类概述 24 测量系统的静态特性 2. 5 测量系统的动态特性,2.1 电子测量的基本概念,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、最成熟的是电子科学技术。 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,哈勃望远镜,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
2、10-6Hz以下,高至THz(1THz=1012Hz)。在不同频率 范围内,所采用的测量方法和使用的测量仪器是不同的。 2.量程范围宽。 量程是指测量范围的上限值与下限值之差或上、下限值之 比。电子测量的另一个特点是被测对象量值大小相差悬殊。相 差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;而数字频率计量程可达17个数量级。,电子测量是测量学与电子学的结晶。,2.1.2 电子测量的特点,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10-1310-14的数量级。采用电子测量技术,长
3、度测量和 力学测量的最高精度均可达10-9量级。 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 的,具有其他测量方法通常无法类比的高速度。 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,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。 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。,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 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
4、测量。 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。 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。 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。 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。,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: 电子测量的基本对象是未知的信号与系统 电子测量的基本工具是已知的信号与系统 电子测量的基本工作机理是信号与系统的相互作用,2.3 测量方法的分类概述,(1)直接测量用已标定的仪器,直接地
5、测量出某一待测未知量的量值。例如用电压表直接测量电压。或者是将未知量与同类标准的量在仪器中进行比较,从而直接获得未知量的数值的方法,例如,用电位差计测量电压。 (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(x1,x2, xn),计算出待测量y。例如,直流电路中的电功率P的测量,伏安法测电阻等,,2.3.1 直接测量与间接测量,(3)组合测量 如果被测的未知参数与某个中间量的函数关系式中还有其他未知量时,那么对中间量的一次测量无法求得被测量的值,可通过改变测量条件进行多次测量,根据被测量与未知参数间的函数关系列出方程
6、组并求解,进而得到被测量,这种测量方法称为组合测量。例如测量电阻器电阻温度系数,必须在不同温度条件下,分别测出20、t1、t2三种不同温度时的电阻值R20、Rt1、Rt2,然后通过解联立方程,求得、:,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 2. 无源量的测量,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;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
7、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。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。,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,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,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 测试信
8、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。,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; (3)在背景噪声信号不可忽略时对信号、
9、特别是微弱信 号的精确测量。,4.随机测量技术,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。,LSI测试系统的简化框图,5.数字测量技术,2.3.5 静态、稳态和动态测量,1.静态测量与动态测量的基本概念 静态测量:对不随时间变化的(静止的)物理量进行的测量 动态测量:对随时间不断变化的物理量进行的测量。 在电子测量中常见的动态信号有两种: 幅值随时间变化的信号: 指非周期性信号、幅值瞬变或跃变信号 ; 频率随时间变化的信号: 指正弦波扫频信号或频率瞬变的周
10、期性信号 。,2.静态、稳态和动态测量的基本方法 静态(直流)测试技术 测量原理、方法、手段最简单,测量过程不受时间限制, 测量系统的输出与输入二者之间有着简单的一一对应的关系和 理想的特性,而测量精度也最高。 稳态(交流)测试技术:正弦测试技术 用幅值随时间按正弦规律变化的电信号(最简单的周期性 信号)作被测系统的激励,然后观测在此激励下的输出响应, 以频率为变量对被测线性系统进行测量。 正弦测试技术可以测线性系统的稳态参数,线性系统的稳 态参量是指系统的阻抗、增益或损耗、相移、群延迟和非线性 失真度,以及这些参量随频率变化的情况。,动态(脉冲)测试技术, 自然界存在大量瞬变冲激的物理现象,
11、如力学中的爆炸、冲击、碰撞等,电学中的放电、闪电、雷击等,对这类随时间瞬变对象进行测量,称为动态测量和瞬态测量。 瞬态测试技术有两种方式: 一种是测量有源量,测量幅值随时间呈非周期形变化(突变、瞬变)的电信号; 另一种是测量无源量,是以最典型的脉冲或阶跃信号作被测系统的激励,观察系统的输出响应(随时间的变化关系),即研究被测系统的瞬态特性。,2.4 测试系统的静态特性,测量系统(广义)既可指单台的测量仪器,又可指由多台仪器及设备等组成的完整测试系统,也可指组成测量系统中的某一环节或单元,甚至可以是测量仪器中更简单的单元电路。 测量系统的基本特性可由其输入、输出的关系来表征,它是测量系统所呈现出
12、的外部特性,并由其内部参数也即系统本身的固有属性所决定。,2.4.1 测试系统的静态特性和动态特性概述,测量系统的基本特性可分为两类: 一类被测量是静止不变或变化极缓慢的情况,此时工作在静止状态下的测量系统,其输入与输出量间的函数关系,称为测量系统的静态特性; 另一类是被测量不断变化的情况,此时,工作在动态下的测量系统其输入量与输出量间的函数关系称为测量系统的动态特性。,在选用测量仪器或系统时,要综合考虑多种因素,其中一个重要因素就是测量系统对被测量变化的响应特性,即测量系统的基本特性是否能在精度要求范围内真实地反映输入的被测量。这样,该测量系统才具备完成预定测量任务的基本条件。,2.4.2
13、测量系统的静态特性指标,1.静态特性的数学模型,获得静态特性的方法: 通过对一个测量系统进行静态标定或静态校准的过程获得的。,非线性,非线性时:,理想的定常线性测量系统的静态特性的表达式:,静态标定就是在一定的标准条件下,利用一定等级的标定设备对测量系统进行多次往复测量的过程。,即在规定的标准工作条件下(规定的温度范围、大气压力、湿度等),由高精度的标准发生器给出一系列数值已知的、准确的、不随时间变化的输入量xj,用高精度测量仪器测定被校测量系统对应输出量yj,得到 由(xj,yj)数值列出的数表、绘制曲线 或求得数学表达式,即为被校准的测 量系统的输出与输入的关系,亦称之 为静态特性。,2.
14、静态特性的基本参数 (1)测量范围、量程 测量范围:测量系统所能测量到的最小被测输入量xmin与 最大被测输入量xmax之间的范围,即(xmin, xmax)。 量程:测量系统测量范围的上限值xmax与下限值xmin之差 的模,即R =|xmaxxmin|,称为量程。量程表征测量系统能 够承受最大输入量的能力。 (2)零位(零点) 当输入量为零x=0时,测量系统的输出量不为零的数值,零位值应设法从测量结果中消除。例如可以通过测量系统的调零机构或者由软件扣除。,(3)灵敏度 灵敏度是描述测量系统对输入量变化反应的能力。通常 由测量系统的输出变化量y与引起该变化量的输入变化量 x之比S来表征:,灵
15、敏度是刻度特性的导数,它是 一个有量纲的量。当讨论某一测量仪 表的灵敏度时,必须确切地说明它的 量纲。例如示波器的垂直偏转灵敏度 Sy的量纲是mm/V,即每伏输入引起多 少毫米的射线偏转;如果输入量与输出量的量纲相同,则灵敏 度无量纲,常用“刻度系数”一词代替绝对灵敏度。,当静态特性为一直线时,直线的斜率即为灵敏度,且为一常数;当静态特性是非线性时,灵敏度不是常数。,若测量系统是由灵敏度分别为S1,S2,S3等多个相互独立 的环节组成时,测量系统的总灵敏度S为,(4)分辨力与分辨率 又称灵敏度阈,它表征测量系统 有效辨别输入量最小变化量的能力。测量系统的输入输出关 系在整个测量范围内不可能做到
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