具體描述
基本信息
書名：電子測量實用教程/高等院校“十二五”規劃教材
定價：30.00元
作者：黃,錢宇紅,梁強 等,儲飛黃
齣版社：閤肥工業大學齣版社
齣版日期：2014-04-01
ISBN：9787565017889
字數：
頁碼：233
版次：1
裝幀：平裝
開本：16開
商品重量：0.4kg
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內容提要
《電子測量實用教程/高等院校“十二五”規劃教材》共分8章。章緒論，介紹瞭電子測量與無綫電計量的基礎知識；第2章測量誤差與數據處理，主要從如何提高測量精度和可靠性的角度齣發，對測量誤差的概念、誤差分析、測量數據處理等內容進行分析和討論；第3章信號發生器，介紹瞭信號發生器的功能、分類、基本構成和性能，重點對函數發生器、脈衝信號發生器與閤成信號發生器的組成、工作原理、特點和應用進行分析和討論；第4章頻率與時間測量，介紹瞭頻率與時間測量的基本原理和方法，重點是電子計數器法測量頻率與時間的方法，也包括電子計數器的組成與工作原理。第5章波形測量，介紹瞭示波器的功能、分類、基本構成和性能，重點對數字存儲示波器的組成、工作原理、特點和應用進行瞭分析和討論。第6章頻譜測量，重點介紹瞭頻譜分析儀原理、概念以及測量應用；第7章功率測量，介紹瞭微波功率測量的基本方法，並對微波功率計性能指標進行描述，分析瞭常見微波功率探頭和功率計的工作原理；第8章網絡參數測量，講述瞭矢量網絡分析儀的工作原理、誤差修正原理、校準件與校準方法，介紹瞭矢量網絡分析儀典型産品，並給齣網絡分析儀的應用及操作方法。
目錄
章 緒論
1.1 測量與計量
1.1.1 測量
1.1.2 計量
1.2 電子測量基礎知識
1.2.1 電子測量的內容和特點
1.2.2 電子測量方法
1.2.3 電子測量儀器
1.3 無綫電計量基礎知識
1.3.1 無綫電計量的內容和特點
1.3.2 無綫電計量方法
1.3.3 無綫電計量實驗室的技術要求
1.3.4 計量法規體係
1.3.5 計量管理體係
1.3.6 計量基準與標準
1.3.7 量值傳遞與溯源
1.4 武器裝備的計量保障
思考題
第2章 測量誤差與數據處理
2.1 測量誤差基礎知識
2.1.1 有關物理量的基本定義
2.1.2 測量誤差的錶示方法
2.1.3 測量誤差的分類
2.1.4 測量誤差的來源
2.1.5 測量結果的評價
2.1.6 測量結果的錶示
2.2 誤差
2.2.1 誤差的概念
2.2.2 誤差的特性
2.2.3 誤差的估計
2.3 係統誤差
2.3.1 係統誤差的産生原因
2.3.2 係統誤差的分類與特徵
2.3.3 係統誤差的發現方法
2.3.4 係統誤差的減小和消除
2.4 粗大誤差
2.5 測量結果的數據處理
2.5.1 有效數字的取捨規則和運算規則
2.5.2 測量數據的分析處理
思考題
第3章 信號發生器
3.1 概述
3.1.1 信號發生器的功能與分類
3.1.2 信號發生器的組成與工作原理
3.1.3 信號發生器的主要技術指標
3.2 函數/任意波信號發生器
3.2.1 概述
3.2.2 函數/任意波信號發生器的基本結構與工作原理
3.2.3 YB33200係列函數/任意波信號發生器
3.2.4 AWG5000任意波形發生器
3.3 閤成信號發生器
3.3.1 概述
3.3.2 閤成信號發生器的基本結構與工作原理
3.3.3 AVl485/1486閤成信號發生器
3.3.4 SMFlOOA微波信號發生器
3.4 脈衝信號發生器
3.4.1 概述
3.4.2 脈衝信號發生器的基本結構與工作原理
3.4.3 81100係列脈衝信號發生器
3.5 信號發生器的選擇與使用要點
3.5.1 信號發生器的選擇
3.5.2 信號發生器的使用要點
思考題
第4章 時間頻率測量
4.1 概述
4.1.1 時間的基本概念
4.1.2 頻率的基本概念
4.1.3 時間同步與時間編碼
4.1.4 時間頻率測量的特點
4.2 模擬式頻率測量方法
4.2.1 諧振法測頻
4.2.2 電橋法測頻
4.2.3 拍頻法測頻
4.2.4 示波法測頻
4.2.5 外差法測頻
4.3 數字式時間頻率測量
4.3.1 計數法測量頻率
4.3.2 計數法測量周期
4.3.3 計數法測量時間間隔
4.3.4 計數法測量時間頻率的誤差分析
4.3.5 數字式頻率計的主要技術指標
4.4 典型數字式頻率計介紹
4.4.1 SP3382A智能微波頻率計
4.4.2 53200A係列頻率計數器
思考題
第5章 波形測量
5.1 概述
5.1.1 示波器的主要特點
5.1.2 示波器的功能與分類
5.2 模擬示波器
5.2.1 模擬示波器的基本結構與工作原理
5.2.2 模擬示波器的主要技術指標
5.3 數字示波器
5.3.1 概述
5.3.2 數字示波器的主要特點
5.3.3 數字示波器的基本結構與工作原理
5.3.4 數字示波器的主要技術指標
5.4 典型數字示波器介紹
5.4.1 YB44200型數字存儲示波錶
5.4.2 DPO7000C係列數字熒光示波器
5.5 數字示波器的正確使用
思考題
第6章 頻譜測量
6.1 概述
6.1.1 時域與頻域的關係
6.1.2 離散傅立葉變換
6.1.3 頻譜分析儀的功能與分類
6.1.4 頻譜分析儀的主要技術指標
6.2 頻譜分析儀的結構原理
6.2.1 模擬式頻譜分析儀的基本原理
6.2.2 數字武頻譜分析儀的基本原理
6.2.3 外差式頻譜分析儀的基本原理
6.3 頻譜分析儀的應用
6.3.1 調幅信號的測量
6.3.2 調頻信號的測量
6.3.3 脈衝調製信號的測量
6.3.4 信號失真測量
6.3.5 相位噪聲測量
6.4 典型頻譜分析儀介紹
6.4.1 AV4033係列頻譜分析儀
6.4.2 AV4022型便攜式射頻頻譜分析儀
6.4.3 ESA係列頻譜分析儀
思考題
第7章 功率測量
7.1 概述
7.1.1 功率的基本定義
7.1.2 功率的度量單位
7.1.3 功率計的功能與分類
7.1.4 微波功率計的主要技術指標
7.2 微波功率計的結構原理
7.2.1 熱敏電阻功率探頭及其功率計
7.2.2 熱電偶功率探頭及其功率計
7.2.3 二極管功率探頭及其功率計
7.3 微波功率計的應用
7.3.1 峰值功率測量
7.3.2 大功率測量
7.4 典型微波功率計介紹
7.4.1 AV2432微波功率計
7.4.2 N191l/12A功率計
7.5 微波功率計的正確使用
7.5.1 微波功率計的使用方法
7.5.2 微波功率計的注意事項
思考題
第8章 網絡參數測量
8.1 概述
8.1.1 二端口網絡的S參數錶示
8.1.2 網絡分析儀的功能和分類
8.2 矢量網絡分析儀的組成與工作原理
8.2.1 矢量網絡分析儀的基本組成
8.2.2 矢量網絡分析儀的工作原理
8.3 矢量網絡分析儀的誤差校正
8.3.1 係統誤差與誤差修正
8.3.2 誤差修正的基本原理
8.3.3 機械校準件與校準方法
8.3.4 電子校準件與校準方法
8.4 矢量網絡分析儀的主要性能指標
8.4.1 係統誤差特性
8.4.2 端口特性指標
8.4.3 校驗
8.5 矢量網絡分析儀的應用
8.5.1 濾波器參數測量
8.5.2 放大器非綫性測量
8.5.3 脈衝S參數測量
8.5.4 天綫參數測量
8.6 典型産品介紹
8.6.1 典型産品介紹
8.6.2 矢量網絡分析儀的操作
8.7 網絡分析儀的安全使用
8.7.1 靜電防護
8.7.2 供電安全
思考題
第9章 專題實驗
實驗1 信號發生器與時間頻率參數測量
實驗2 波形參數測量
實驗3 頻譜參數測量
實驗4 功率參數測量
實驗5 網絡參數測量
附錄
附錄1 無綫電頻段劃分錶
附錄2 中國無綫電資源分配錶
附錄3 部分電子測量儀器國傢標準
附錄4 駐波比與傳輸參數換算關係
附錄5 常用射頻連接器及其特性
附錄6 電阻電容電感元件係列錶
附錄7 GPIB接口定義
附錄8 RS232接口定義
附錄9 ASCII字符錶
參考文獻
作者介紹
文摘
序言
現代電子測量技術：原理、實踐與創新 摘要 本書旨在係統介紹現代電子測量學的基本原理、核心技術、實用方法以及前沿發展。涵蓋瞭從基礎的信號特性到復雜的測量儀器，從經典誤差分析到先進的信號處理技術，力求為讀者構建一個全麵、深入且具有實踐指導意義的電子測量知識體係。本書內容聚焦於原理的透徹講解、方法的精細剖析以及應用的廣泛拓展，特彆強調瞭在當前數字化、智能化浪潮下，電子測量技術所麵臨的機遇與挑戰。通過理論與實踐相結閤的方式，本書期望培養讀者嚴謹的科學思維、紮實的實驗技能以及解決復雜工程問題的能力，使其能夠更好地適應電子信息、自動控製、儀器儀錶等相關領域的學習與工作需求。 第一章 緒論 電子測量是連接理論與實踐的橋梁，是科學研究和工程應用不可或缺的基礎。本章將闡述電子測量的基本概念、重要性及其在各個領域的應用。我們將深入探討測量的基本要素，包括被測量、測量儀器、測量過程和測量結果。此外，本章還將介紹電子測量的發展曆程，從早期的機械式儀錶到現代的數字化、智能化測量係統，揭示其演進的驅動力與技術突破。讀者將瞭解電子測量在現代科技發展中所扮演的關鍵角色，以及掌握電子測量技術對個人職業發展的重要意義。 1.1 電子測量的基本概念 定義與目的： 電子測量是指利用電子學原理和技術，通過電子測量儀器，對物理量或電量進行量化、記錄和分析的過程。其核心目的是獲取準確、可靠的測量數據，為決策、控製、優化和創新提供依據。 基本要素： 被測量 (Measurand)： 需要測量的物理量或電量，如電壓、電流、頻率、溫度、壓力、位移等。 測量儀器 (Measuring Instrument)： 用於將被測量轉換為可讀或可記錄的信號的設備。 測量過程 (Measuring Process)： 儀器與被測量相互作用，並將被測量信息傳遞至輸齣端的一係列步驟。 測量結果 (Measurement Result)： 經過處理和分析後得到的量化數值，通常帶有不確定度。 測量的基本類型： 直接測量： 被測量直接由測量儀器顯示。 間接測量： 被測量通過測量其他物理量，再根據已知關係計算得齣。 比較測量： 將被測量與已知標準進行比較。 自動測量： 測量過程由計算機或其他自動化設備控製。 1.2 電子測量的重要性與應用領域 科學研究： 實驗數據的獲取與驗證，探索未知現象，檢驗理論模型。 工程設計與製造： 産品性能的驗證、參數的調整、質量的控製，工藝的優化。 工業自動化： 生産過程的監測、反饋控製、故障診斷，提高生産效率和産品一緻性。 通信與信息技術： 信號的分析、傳輸質量的監測、網絡性能的評估。 醫療健康： 生理參數的監測、醫學影像的獲取、診斷設備的校準。 環境保護： 環境參數（如空氣質量、水質）的監測與分析。 日常生活： 傢用電器的性能檢測、車輛的故障診斷等。 1.3 電子測量的發展曆程 早期階段（19世紀末-20世紀初）： 模擬測量時代，以指針式儀錶為主，如電壓錶、電流錶、電阻箱等，精度和自動化程度較低。 半導體時代（20世紀中期）： 晶體管、集成電路的齣現，促使測量儀器嚮小型化、低功耗、高穩定性方嚮發展，模擬測量儀器性能大幅提升。 數字化時代（20世紀後期至今）： 模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）技術的成熟，使得測量信號可以被數字化處理，齣現瞭數字電壓錶、示波器、頻譜分析儀等。數字化帶來瞭更高的精度、更強的處理能力、更方便的數據存儲與傳輸。 智能化與網絡化時代（21世紀）： 計算機技術、微處理器、嵌入式係統、DSP（數字信號處理器）、FPGA（現場可編程門陣列）以及人工智能技術的發展，使得測量儀器智能化、網絡化趨勢日益明顯。測量係統可以進行復雜的信號處理、自校準、故障診斷，並能通過網絡進行遠程控製和數據共享。 第二章 測量誤差與不確定度分析 準確性是測量的生命綫。本章將深入探討測量過程中不可避免的誤差來源，並介紹如何對測量結果的不確定度進行科學的評估和分析。理解誤差的性質和影響，掌握誤差的減免方法，以及量化不確定度，是確保測量結果可靠性的基礎。 2.1 測量誤差的分類與來源 定義： 測量誤差是指測量值與真實值之間的差異。 係統誤差 (Systematic Error)： 定義： 具有確定大小和符號，且在相同條件下重復測量時保持不變或按一定規律變化的誤差。 來源： 儀器誤差： 測量儀器本身的固有缺陷，如製造公差、零點漂移、刻度不準確等。 方法誤差： 測量方法本身存在的不足，如忽略瞭某些影響因素，或模型不夠精確。 環境誤差： 環境因素（如溫度、濕度、氣壓、電磁乾擾）對測量過程的影響。 操作誤差： 操作人員的主觀因素，如讀數習慣、操作不當。 特點： 可通過改進儀器、優化方法、控製環境、加強培訓等措施加以減免甚至消除。 隨機誤差 (Random Error)： 定義： 在相同條件下，對同一被測量進行重復測量時，其大小和符號會發生不可預測變化的誤差。 來源： 各種未知的、瞬息萬變的影響因素，如熱噪聲、接觸不良、電源波動等。 特點： 無法消除，但可以通過多次重復測量，利用統計學方法來減小其對測量結果的影響。其分布通常符閤概率統計規律。 過失誤差 (Gross Error / Blunder)： 定義： 由於操作人員的嚴重失誤、儀器故障或外部乾擾等原因造成的、與係統誤差和隨機誤差性質截然不同的錯誤。 特點： 通常是孤立的，大小和符號都可能非常大，導緻測量結果明顯不閤理。應及時發現並剔除。 2.2 誤差的傳播與閤並 誤差的傳播律： 當測量結果由多個獨立的測量量計算得齣時，各個測量量的誤差會按照一定的規律傳播到最終結果中。 對獨立變量的誤差傳播： 如果函數 $Y = f(X_1, X_2, ..., X_n)$，且 $X_i$ 之間相互獨立，則 $Y$ 的不確定度 $u(Y)$ 可以通過以下方式計算： $$u(Y) = sqrt{sum_{i=1}^{n} left(frac{partial f}{partial X_i} u(X_i)
ight)^2}$$ 其中，$u(X_i)$ 是變量 $X_i$ 的不確定度，$frac{partial f}{partial X_i}$ 是函數 $f$ 對 $X_i$ 的偏導數。 具體示例： 加減運算： $Z = X pm Y$ 且 $X, Y$ 獨立，則 $u(Z) = sqrt{u(X)^2 + u(Y)^2}$。 乘除運算： $Z = X imes Y$ 或 $Z = X / Y$ 且 $X, Y$ 獨立，則相對不確定度 $frac{u(Z)}{|Z|} = sqrt{left(frac{u(X)}{|X|}
ight)^2 + left(frac{u(Y)}{|Y|}
ight)^2}$。 乘冪運算： $Z = X^n$ 且 $X$ 獨立，則相對不確定度 $frac{u(Z)}{|Z|} = |n| frac{u(X)}{|X|}$。 2.3 測量不確定度的評定 不確定度的概念： 不確定度是衡量測量結果散布範圍的參數，它描述瞭在給定置信概率下，被測量真實值可能存在的範圍。它包含瞭由於測量係統的不完美性而産生的對測量結果的懷疑。 不確定度的度量單位： 通常使用標準差或擴展不確定度來錶示。 評定方法 (A類與B類)： A類評定 (Type A Evaluation)： 定義： 利用對同一被測量進行一係列獨立重復測量得到的統計數據來評定不確定度。 方法： 主要基於統計分析，計算平均值、標準差、標準不確定度（測量值的標準偏差）。 標準不確定度 $u(x_i)$： 對於 $n$ 次測量值 $x_1, x_2, ..., x_n$，平均值 $ar{x} = frac{1}{n}sum_{i=1}^{n} x_i$。 樣本標準差 $s = sqrt{frac{1}{n-1}sum_{i=1}^{n} (x_i - ar{x})^2}$。 標準不確定度 $u(ar{x}) = frac{s}{sqrt{n}}$。 B類評定 (Type B Evaluation)： 定義： 利用已有的信息，如儀器規格、參考值、經驗數據、製造商提供的參數等，對不確定度進行評定。 方法： 基於非統計學的方法，例如： 儀器精度限製： 儀器規格中給齣的最大允許誤差，將其視為一個均勻分布的區間，計算標準不確定度。例如，儀器精度為 $pm delta$，則標準不確定度 $u_B = frac{delta}{sqrt{3}}$。 參考標準的不確定度： 使用的校準標準件或參考值本身存在的不確定度。 經驗判斷： 基於對測量過程的深刻理解和經驗，對潛在誤差的範圍進行估計。 閤成不確定度 (Combined Uncertainty)： 定義： 將所有獨立的A類和B類標準不確定度按照誤差傳播規律進行閤成，得到閤成標準不確定度 $u_c(y)$。 公式： $u_c(y) = sqrt{u_A(y)^2 + u_B(y)^2}$，其中 $u_A(y)$ 和 $u_B(y)$ 分彆是A類和B類評定得到的閤成標準不確定度。 擴展不確定度 (Expanded Uncertainty)： 定義： 為瞭獲得具有較高置信概率的測量結果區間，通常將閤成標準不確定度乘以一個包含因子（通常是覆蓋因子 $k$），得到擴展不確定度 $U(y)$。 公式： $U(y) = k cdot u_c(y)$。 覆蓋因子 $k$： 常用的 $k$ 值為 2，對應約 95% 的置信概率（假設誤差服從正態分布）。若已知自由度較少，則需使用 $t$-分布錶確定 $k$ 值。 測量結果的錶示： 測量結果通常錶示為 "測量值 $pm$ 擴展不確定度 (置信概率)"，例如 $10.5 pm 0.2$ V (95%)。 2.4 提高測量準確性的策略 選擇閤適的測量儀器： 根據被測量性質、測量範圍、精度要求，選擇性能匹配的儀器。 正確使用測量儀器： 遵循儀器操作規程，確保儀器處於良好工作狀態，避免誤操作。 減免係統誤差： 校準與補償： 定期校準儀器，消除儀器零點誤差和刻度誤差。對係統誤差進行修正補償。 改進測量方法： 采用更精確、更有效的測量方法，考慮和補償影響因素。 控製測量環境： 保持溫度、濕度、氣壓等環境條件穩定，采取屏蔽措施，消除電磁乾擾。 減小隨機誤差： 多次重復測量： 增加測量次數，利用統計平均值來降低隨機誤差的影響。 采用更精密的儀器： 儀器本身的隨機誤差越小，測量結果越可靠。 識彆和剔除過失誤差： 仔細檢查測量數據，利用統計學方法（如格拉布斯檢驗）剔除明顯異常值。 第三章 模擬信號測量基礎 本章將深入探討模擬信號測量的基本原理與技術。從信號的特性分析到各種基礎測量儀器的使用，再到模擬信號處理電路的設計，都將為讀者打下堅實的模擬測量基礎。 3.1 模擬信號的特性與錶示 模擬信號的定義： 隨時間連續變化的信號，其幅值、頻率、相位等參數可以取任意值。 信號參數： 幅值 (Amplitude)： 信號的最大瞬時值。包括峰值 (Peak Value)、峰峰值 (Peak-to-Peak Value)、均方根值 (RMS Value)、平均值 (Average Value) 等。 頻率 (Frequency)： 信號單位時間內完成的周期性變化的次數，單位赫茲 (Hz)。 周期 (Period)： 信號完成一次完整變化所需的時間，周期 $T = 1/f$。 相位 (Phase)： 信號在時間軸上的相對位置。 波形 (Waveform)： 信號隨時間變化的圖形錶示，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等。 信號的分類： 直流信號 (DC)： 幅值不隨時間變化的信號。 交流信號 (AC)： 幅值隨時間周期性變化的信號。 周期信號： 具有重復模式的信號。 非周期信號： 不具有重復模式的信號。 3.2 模擬信號測量儀器 電壓錶 (Voltmeter)： 原理： 基於串聯電阻的分壓原理或並聯分流原理，將被測量電壓轉換為電流或電壓，然後由錶頭指示。 分類： 磁電式電壓錶 (Moving-Coil Voltmeter)： 用於測量直流電壓，靈敏度高，但會引入較大的直流內阻。 電磁式電壓錶 (Moving-Iron Voltmeter)： 用於測量交流和直流電壓，精度較低，但能承受較大的過載。 靜電式電壓錶 (Electrostatic Voltmeter)： 用於測量高電壓，內阻極大，幾乎不消耗被測電路的能量。 電子電壓錶 (Electronic Voltmeter)： 利用電子管或晶體管放大器，具有極高的輸入阻抗，可測量較小的電壓，且對被測電路影響小。 電流錶 (Ammeter)： 原理： 基於並聯電阻的分流原理，將被測量電流轉換為一定比例的電流，然後由錶頭指示。 分類： 磁電式、電磁式、直流電流錶、交流電流錶、電子電流錶等，與電壓錶類似。 內阻： 電流錶的內阻應盡可能小，以減少對被測電路的影響。 歐姆錶 (Ohmmeter)： 原理： 內置電源，通過測量電阻上的電流或電壓降來確定電阻值。 測量方法： 串聯式、並聯式。 萬用錶 (Multimeter)： 功能： 集電壓錶、電流錶、歐姆錶等多種測量功能於一體的儀器。 類型： 模擬萬用錶和數字萬用錶。 示波器 (Oscilloscope)： 功能： 顯示電信號隨時間變化的圖形（波形），用於觀察信號的幅度、周期、頻率、波形失真等。 工作原理： 將輸入信號放大後，輸入到示波管的偏轉闆，同時用一個同步的鋸齒波信號作為水平掃描電壓，使電子束在熒光屏上掃描，形成信號的波形。 主要參數： 帶寬 (Bandwidth)、采樣率 (Sampling Rate)、垂直分辨率 (Vertical Resolution)、輸入阻抗等。 類型： 模擬示波器、數字存儲示波器 (DSO)、混閤信號示波器 (MSO) 等。 信號發生器 (Signal Generator)： 功能： 産生各種標準波形（正弦波、方波、三角波、脈衝等）的信號源，用於測試其他電路或設備。 參數： 輸齣頻率範圍、幅度可調性、輸齣阻抗、波形失真度等。 頻率計 (Frequency Counter)： 功能： 直接測量信號的頻率。 工作原理： 利用電子計數原理，將輸入信號的周期精確計數，然後計算齣頻率。 精度： 取決於內部時鍾振蕩器的穩定性和計數器的位數。 3.3 模擬信號處理與調理 放大電路 (Amplifier Circuit)： 功能： 放大微弱的模擬信號，使其達到可測量的範圍，或滿足後續電路處理的要求。 類型： 同相放大器、反相放大器、差分放大器、運算放大器 (Op-amp) 等。 關鍵參數： 增益 (Gain)、帶寬、輸入阻抗、輸齣阻抗、噪聲係數。 濾波電路 (Filter Circuit)： 功能： 濾除信號中的噪聲和不需要的頻率成分，提取目標信號。 類型： 低通濾波器 (Low-Pass Filter, LPF)： 允許低頻信號通過，阻止高頻信號。 高通濾波器 (High-Pass Filter, HPF)： 允許高頻信號通過，阻止低頻信號。 帶通濾波器 (Band-Pass Filter, BPF)： 允許特定頻帶內的信號通過，阻止其他頻率的信號。 帶阻濾波器 (Band-Stop Filter, BSF)： 阻止特定頻帶內的信號通過，允許其他頻率的信號。 設計考量： 截止頻率 (Cutoff Frequency)、衰減斜率、阻帶衰減等。 衰減器 (Attenuator)： 功能： 減小信號的幅度，防止過強的信號損壞測量儀器。 類型： 阻性衰減器、感性衰減器。 隔離電路 (Isolation Circuit)： 功能： 在被測電路和測量儀器之間建立電氣隔離，保護人身安全，防止接地迴路乾擾。 實現方式： 光耦隔離、變壓器隔離。 信號調理 (Signal Conditioning)： 定義： 對原始測量信號進行一係列處理，使其適閤後續的測量、處理、顯示或傳輸。 內容： 包括放大、濾波、衰減、激勵、綫性化、轉換等。 第四章 數字信號測量與處理 隨著數字化技術的飛速發展，數字信號測量已成為現代電子測量的主流。本章將係統介紹數字信號的錶示、采樣、量化、編碼過程，以及數字信號處理的基本理論和常用技術。 4.1 數字信號的特點與錶示 數字信號的定義： 在時間和幅度上都是離散的信號。 數字信號的錶示： 二進製 (Binary)： 由 0 和 1 組成，是數字電路和計算機係統中最基本的錶示方式。 位 (Bit)： 二進製數字的最小單位。 字節 (Byte)： 通常由 8 個二進製位組成。 字 (Word)： 由計算機字長決定的二進製位組閤。 數字信號的優勢： 抗乾擾能力強： 由於隻有兩個離散的電平（0 和 1），不易受到噪聲的影響。 便於存儲和傳輸： 數字信號可以方便地存儲在數字存儲器中，並通過數字通信綫路進行傳輸。 易於處理和運算： 可以利用微處理器、DSP 等進行高效的數字信號處理和算法實現。 精度高： 通過增加位數，可以達到很高的測量精度。 4.2 模數轉換 (Analog-to-Digital Conversion, ADC) 采樣 (Sampling)： 定義： 以一定的時間間隔，從連續的模擬信號中提取瞬時值，得到離散時間點的信號。 采樣定理 (Nyquist-Shannon Sampling Theorem)： 為瞭能夠從采樣信號中無失真地恢復原始模擬信號，采樣頻率 $f_s$ 必須大於或等於被測信號最高頻率 $f_{max}$ 的兩倍，即 $f_s ge 2f_{max}$。這個最低采樣頻率稱為奈奎斯特速率 (Nyquist Rate)。 采樣保持電路 (Sample-and-Hold Circuit, S/H)： 在采樣期間，將采樣到的信號值穩定地保持一段時間，為後續的量化過程提供穩定的輸入。 量化 (Quantization)： 定義： 將采樣得到的模擬數值映射到有限個離散的量化電平上。 量化間隔 (Quantization Interval)： 相鄰兩個量化電平之間的差值。 量化誤差 (Quantization Error)： 實際采樣值與量化電平之間的差異，是數字測量引入的基本誤差。 編碼 (Encoding)： 定義： 將量化後的離散值用二進製碼錶示。 編碼方式： 順序碼、摺疊碼、格雷碼等。 ADC 的主要類型： 逐次逼近型 ADC (Successive Approximation ADC, SAR ADC)： 速度快，精度高，廣泛應用於通用數據采集。 雙積分型 ADC (Dual-Slope Integration ADC)： 精度高，抗共模乾擾能力強，常用於高精度數字錶。 Σ-Δ 調製器 (Sigma-Delta Modulator, Σ-Δ ADC)： 具有極高的分辨率，適用於音頻、精密測量等領域。 並行 ADC (Flash ADC)： 速度極快，但分辨率和成本受限。 流水綫型 ADC (Pipeline ADC)： 速度與精度兼顧，適用於高速數據采集。 ADC 的關鍵參數： 分辨率 (Resolution，位數)、采樣率 (Sampling Rate)、量化誤差、非綫性度、信噪比 (SNR) 等。 4.3 數模轉換 (Digital-to-Analog Conversion, DAC) 定義： 將數字信號轉換為模擬信號。 工作原理： 通常是將數字碼（二進製）轉換為一係列電壓或電流，然後通過組閤和濾波輸齣連續的模擬信號。 DAC 的主要類型： 電阻網絡型 DAC (Resistor Ladder DAC)： R-2R 梯形網絡是最常見的結構，具有良好的綫性和速度。 權電流型 DAC (Weighted Current DAC)： 各位權電流疊加，結構簡單，但對電阻精度要求高。 Σ-Δ DAC (Sigma-Delta DAC)： 與 Σ-Δ ADC 配閤使用，實現高分辨率和高綫性度。 DAC 的關鍵參數： 分辨率、轉換時間、非綫性度、單調性等。 4.4 數字信號處理 (Digital Signal Processing, DSP) 離散時間信號 (Discrete-Time Signal)： 采樣後得到的信號，其自變量（時間）是離散的。 離散傅裏葉變換 (Discrete Fourier Transform, DFT)： 將離散時間信號在頻域進行分析，用於分析信號的頻譜成分。 快速傅裏葉變換 (Fast Fourier Transform, FFT)： DFT 的一種高效算法，大大減少瞭計算量。 數字濾波器 (Digital Filter)： 定義： 在數字域對信號進行濾波，實現選頻或抑製特定頻率成分的功能。 類型： 無限衝激響應濾波器 (Infinite Impulse Response Filter, IIR Filter)： 結構簡單，計算量小，但可能存在非綫性相位。 有限衝激響應濾波器 (Finite Impulse Response Filter, FIR Filter)： 具有綫性相位特性，但計算量較大，濾波器階數較高。 數字信號處理技術： 捲積 (Convolution)： 兩個信號的綫性組閤，用於分析係統對信號的影響。 相關 (Correlation)： 衡量兩個信號之間的相似程度。 數字水印 (Digital Watermarking)： 在數字信號中嵌入隱藏信息，用於版權保護或身份識彆。 信號去噪 (Signal Denoising)： 利用數字信號處理技術去除信號中的噪聲。 特徵提取 (Feature Extraction)： 從信號中提取具有代錶性的特徵，用於分類、識彆等任務。 DSP 處理器： 數字信號處理器 (DSP Processor)： 專門為高速數字信號處理設計的微處理器，具有特殊的指令集和硬件結構，如 MAC (Multiply-Accumulate) 單元，用於高效執行乘加運算。 第五章 現代電子測量儀器與技術 本章將聚焦於現代電子測量領域的重要儀器設備和前沿技術，包括高性能的數字測量儀器、數據采集係統、嵌入式測量技術以及虛擬儀器等。 5.1 高性能數字測量儀器 數字示波器 (DSO)： 功能： 具有強大的信號捕獲、存儲、分析和顯示能力，能夠測量各種復雜的信號。 關鍵特性： 高帶寬、高采樣率、長存儲深度、多通道、多種觸發模式、內置分析功能（如 FFT、參數測量、波形分析）。 高級功能： 串行總綫解碼（I2C, SPI, UART, CAN 等）、協議分析、眼圖分析、抖動分析。 數字萬用錶 (DMM)： 功能： 精確測量直流/交流電壓、電流、電阻、電容、頻率、溫度等。 特性： 高分辨率、高精度、真 RMS 值測量、自動量程、數據保持、相對值測量。 邏輯分析儀 (Logic Analyzer)： 功能： 主要用於捕獲和分析數字信號，特彆是多通道的並行或串行數字信號。 應用： 數字電路設計、調試、故障診斷，驗證數字係統的邏輯行為。 關鍵參數： 通道數量、最高采樣率、觸發功能、協議分析能力。 頻譜分析儀 (Spectrum Analyzer)： 功能： 分析信號的頻率成分，顯示信號在頻域的功率分布。 應用： 無綫通信、射頻工程、電磁兼容 (EMC) 測試。 關鍵參數： 工作頻率範圍、分辨率帶寬 (RBW)、視頻帶寬 (VBW)、靈敏度、動態範圍。 矢量網絡分析儀 (Vector Network Analyzer, VNA)： 功能： 測量電子器件在射頻 (RF) 和微波頻率下的幅度和相位特性，如 S 參數 (Scattering Parameters)。 應用： 天綫、濾波器、放大器等射頻元器件的錶徵和設計。 信號源分析儀 (Signal Source Analyzer)： 功能： 綜閤測量信號源的各項性能指標，如頻率、功率、調製失真、相位噪聲等。 數字萬用電橋 (LCR Meter)： 功能： 精確測量電感 (L)、電容 (C)、電阻 (R) 等元件的參數。 應用： 器件篩選、質量控製、電路設計。 5.2 數據采集係統 (Data Acquisition System, DAS/DAQ) 定義： 用於從各種傳感器或信號源采集數據，並進行後續處理、存儲或顯示的係統。 組成： 傳感器 (Sensor)： 將物理量轉換為電信號。 信號調理電路 (Signal Conditioning Circuit)： 對傳感器信號進行放大、濾波、隔離等處理。 模數轉換器 (ADC)： 將模擬信號轉換為數字信號。 數據處理器/控製器： 對數字數據進行處理、存儲、控製。 存儲設備： 存儲采集到的數據。 通信接口： 與外部設備進行數據交換。 類型： 分布式 DAQ： 傳感器和采集設備分散布置。 集中式 DAQ： 傳感器信號集中到一個主采集設備。 PCI/PCIe DAQ 卡： 插入計算機主闆的采集卡。 USB DAQ 設備： 通過 USB 接口連接到計算機的便攜式采集設備。 獨立的 DAQ 係統： 集成度高，自帶顯示和存儲功能。 應用： 工業過程監測、環境監測、生物醫學信號采集、科學實驗數據記錄。 5.3 嵌入式測量技術 定義： 將測量功能集成到嵌入式係統中，使測量設備更加小型化、智能化、便攜化。 組成： 通常包含微處理器/微控製器、ADC、DAC、數字信號處理器 (DSP)、FPGA 以及相應的傳感器接口和通信模塊。 優勢： 集成度高： 將測量、處理、控製功能集成在一塊電路闆上。 實時性強： 能夠對信號進行快速、實時的采集和處理。 低功耗： 適用於電池供電設備。 成本效益： 隨著技術發展，嵌入式測量方案越來越具成本優勢。 應用： 智能儀器儀錶、車載電子係統、工業自動化設備、便攜式醫療設備、物聯網 (IoT) 終端。 5.4 虛擬儀器 (Virtual Instrument) 定義： 利用通用計算機和標準測量硬件，通過軟件來實現特定測量功能的儀器。 核心理念： 將儀器的硬件功能“軟件化”，通過圖形用戶界麵 (GUI) 進行人機交互。 組成： 高性能計算機： 作為數據處理、控製和用戶界麵的平颱。 數據采集硬件： 如 DAQ 卡、USB 測量設備，負責模擬信號的采集和數字信號的輸齣。 虛擬儀器軟件： 如 LabVIEW, MATLAB/Simulink, C/C++, Python 等，用於程序開發、數據處理、用戶界麵設計。 優勢： 靈活性高： 軟件可重構性強，可以根據需要快速開發齣各種功能的儀器。 成本效益： 通常比購買專用硬件儀器更經濟。 集成能力強： 易於與其他軟件和係統集成，構建復雜的測試測量係統。 數據分析強大： 可充分利用計算機的計算能力進行復雜的數據分析和可視化。 應用： 科研實驗、産品測試、自動化生産綫、教育培訓。 第六章 傳感器技術與應用 傳感器是實現測量的前提，本章將介紹各類常用傳感器的原理、特性以及在不同領域的應用。 6.1 傳感器的基本原理 定義： 能夠將被測量（如溫度、壓力、光、位移等）轉換為可測量的電信號（電壓、電流、電阻、電容等）的器件。 工作原理分類： 電阻式傳感器： 利用材料的電阻隨被測量變化而變化的特性。如應變片、熱敏電阻。 電容式傳感器： 利用電容隨被測量變化而變化的特性。如電容式麥剋風、電容式位移傳感器。 電感式傳感器： 利用電感隨被測量變化而變化的特性。如 LVDT (綫性可變差動變壓器)。 壓電式傳感器： 利用某些晶體在受力時産生電荷的壓電效應。如壓電加速度計。 半導體傳感器： 利用半導體材料的電學特性隨被測量變化的特性。如霍爾傳感器、光敏二極管、溫度傳感器。 光電式傳感器： 利用光電效應。如光敏電阻、光電二極管、光電晶體管。 熱電偶 (Thermocouple)： 利用兩種不同金屬在溫差作用下産生電動勢的塞貝剋效應。 傳感器的關鍵參數： 靈敏度 (Sensitivity)： 輸齣量變化與被測量變化之比。 測量範圍 (Measurement Range)： 傳感器能夠測量的被測量值的範圍。 綫性度 (Linearity)： 輸齣量與被測量之間綫性關係的程度。 遲滯 (Hysteresis)： 相同被測量值，在增加和減小過程中，輸齣值不同。 響應時間 (Response Time)： 傳感器對被測量變化的反應速度。 精度 (Accuracy)： 測量值與真實值之間的接近程度。 重復性 (Repeatability)： 在相同條件下，多次測量同一被測量值時，結果的一緻性。 6.2 常用傳感器及其應用 溫度傳感器： 類型： 熱敏電阻 (NTC/PTC)、熱電偶、電阻溫度檢測器 (RTD, 如 Pt100)、集成溫度傳感器（如 LM35, DS18B20）。 應用： 工業溫度控製、環境監測、食品安全、醫療設備。 壓力傳感器： 類型： 壓阻式、電容式、應變片式。 應用： 工業壓力監測、汽車胎壓監測、液位測量、醫療呼吸機。 位移傳感器： 類型： LVDT、光柵尺、激光測距傳感器、電容式位移傳感器、超聲波位移傳感器。 應用： 自動化設備的位置檢測、精密機械的尺寸測量、機器人控製。 力傳感器/稱重傳感器： 類型： 應變片式、壓電式。 應用： 工業稱重、汽車衡、精密儀器力值測量。 加速度傳感器： 類型： 壓電式、電容式、MEMS 加速度計。 應用： 汽車安全氣囊、工業設備振動監測、導航係統。 氣體傳感器： 類型： 半導體式、電化學式、紅外式。 應用： 空氣質量監測、有毒氣體泄漏檢測、工業安全。 光傳感器： 類型： 光敏電阻、光敏二極管、光電晶體管、光電倍增管。 應用： 自動照明控製、條形碼掃描、圖像采集。 流量傳感器： 類型： 電磁流量計、渦輪流量計、超聲波流量計。 應用： 工業流體測量、水錶、燃氣錶。 生物傳感器： 定義： 將生物識彆元件與物理化學換能器結閤，用於檢測生物分子或生理信號。 應用： 血糖儀、妊娠試驗、藥物檢測。 6.3 傳感器網絡與物聯網 (IoT) 傳感器網絡： 將大量傳感器連接起來，形成一個分布式的信息感知係統。 物聯網 (IoT)： 將物理世界中的各種物體通過傳感器、網絡連接起來，實現信息的交換和智能化處理。 傳感器在 IoT 中的作用： 作為信息采集的“末梢神經”，感知環境、物體狀態，並將數據上傳至雲平颱。 典型應用： 智能傢居、智慧城市、工業物聯網 (IIoT)、智慧農業。 第七章 電子測量係統設計與實現 本章將引導讀者從整體上理解如何設計和實現一個完整的電子測量係統，包括係統架構、硬件選型、軟件開發以及係統集成與調試。 7.1 測量係統設計流程 1. 需求分析： 明確測量任務、被測量、測量精度要求、測量環境、成本限製、實時性要求等。 2. 係統架構設計： 確定係統的整體框圖，包括信號采集、信號處理、數據存儲、人機交互、通信接口等模塊。 3. 硬件選型： 傳感器選擇： 根據被測量和精度要求選擇閤適的傳感器。 信號調理電路設計： 設計放大、濾波、隔離等電路。 ADC/DAC 選擇： 根據采樣率、分辨率、精度等要求選擇閤適的轉換器。 微處理器/嵌入式平颱選擇： 根據處理能力、功耗、接口需求選擇。 其他外圍器件選擇： 電源、時鍾、存儲器、通信接口芯片等。 4. 軟件開發： 驅動程序開發： 編寫與硬件接口通信的驅動。 數據采集與處理算法實現： 實現信號處理、濾波、分析等算法。 用戶界麵設計： 開發直觀易用的圖形用戶界麵。 係統控製邏輯實現： 設計測量過程的控製流程。 5. 係統集成與聯調： 將硬件和軟件集成在一起，進行逐個模塊的測試和整體係統的聯調。 6. 係統調試與優化： 找齣並解決係統中的問題，對性能進行優化。 7. 係統驗證與標定： 使用標準設備對係統進行驗證和標定，確保測量準確性。 7.2 係統架構設計 分層架構： 感知層： 傳感器，負責采集原始數據。 網絡層： 通信模塊，負責數據傳輸。 處理層： 微處理器、DSP、FPGA，負責數據處理和分析。 應用層： 用戶界麵、決策支持係統。 模塊化設計： 將係統劃分為相對獨立的模塊，便於開發、測試和維護。 總綫與接口設計： 選擇閤適的通信總綫（如 SPI, I2C, UART, USB, Ethernet）和接口標準。 7.3 硬件選型要點 信號調理： 匹配傳感器輸齣特性，抑製噪聲，防止過載。 ADC/DAC： 關鍵在於采樣率（根據奈奎斯特定理）、分辨率（決定量化精度）、精度（實際性能指標）。 處理器： 考慮計算能力、功耗、內存、外設接口、開發工具鏈。FPGA 適用於對時序要求極高的並行處理。 電源管理： 穩定可靠的電源是係統正常運行的保障。 7.4 軟件開發工具與技術 嵌入式開發： C/C++ 語言，RTOS (實時操作係統)，交叉編譯工具鏈。 PC 端應用開發： LabVIEW (圖形化編程，適閤測量控製)，MATLAB/Simulink (仿真與信號處理)，C++/C/Java (通用應用開發)。 驅動程序： 編寫符閤操作係統要求的驅動程序。 通信協議： TCP/IP, UDP, Modbus, CAN 等。 7.5 係統集成與調試 自頂嚮下 / 自底嚮上： 兩種常見的集成方式。 單元測試： 對每個模塊單獨進行測試。 集成測試： 將模塊組閤起來進行測試。 係統級測試： 對整個係統進行全麵的功能和性能測試。 調試工具： 示波器、邏輯分析儀、調試器、日誌分析。 第八章 電子測量的未來發展趨勢 電子測量技術正以前所未有的速度發展，擁抱人工智能、大數據、物聯網等新技術。本章將展望電子測量領域的未來發展方嚮，為讀者提供前瞻性的視角。 8.1 智能化與自主化 人工智能 (AI) 在測量中的應用： 智能識彆與分類： 利用機器學習識彆和分類復雜信號，自動識彆故障模式。 預測性維護： 通過對設備運行數據的分析，預測故障發生，提前進行維護。 自適應測量： 測量係統能夠根據被測量和環境變化，自動調整測量參數和策略。 智能數據分析： 自動提取關鍵信息，生成報告，輔助決策。 自主測量係統： 測量係統能夠獨立完成復雜的測量任務，無需人工乾預。 機器人測量： 機器人與測量設備結閤，實現自動化、智能化的測量。 8.2 互聯互通與雲計算 物聯網 (IoT) 與邊緣計算： 海量傳感器數據： 物聯網將産生海量的傳感器數據，對測量係統的處理能力和存儲能力提齣更高要求。 邊緣計算： 在數據源附近進行部分數據處理和分析，減輕雲端壓力，提高響應速度。 雲計算在測量中的應用： 雲存儲： 存儲海量測量數據。 雲分析： 利用強大的計算能力進行復雜的數據分析和模型訓練。 遠程監測與控製： 通過雲平颱實現對測量設備的遠程訪問和控製。 SaaS (Software as a Service) 模式： 提供基於雲的測量軟件服務。 8.3 高精度與高性能化 超高精度測量： 納米級、皮秒級甚至更高級彆的測量技術將不斷突破。 微型化與便攜化： 測量儀器將更加小型化、集成化，便於攜帶和現場使用。 寬帶化與高速化： 針對高速通信、高頻電子器件的測量需求，測量儀器將不斷提高帶寬和采樣率。 非侵入式測量： 發展能夠在不乾擾被測量的情況下進行測量的技術。 8.4 虛擬化與仿真 虛擬儀器與仿真技術的深化： 數字孿生 (Digital Twin)： 構建物理係統的虛擬模型，通過仿真模擬實際測量過程，進行預測和優化。 仿真驅動設計： 在硬件實現前，通過仿真驗證測量係統的性能。 增強現實 (AR) / 虛擬現實 (VR) 在測量中的應用： AR 輔助操作： 在實際測量場景中疊加虛擬信息，指導操作人員。 VR 沉浸式分析： 提供沉浸式的環境，用於數據可視化和係統交互。 8.5 新型測量技術與應用 量子測量： 利用量子力學原理實現超高精度測量。 光學測量： 激光雷達 (LiDAR)、光學乾涉測量等技術在精密測量中的應用。 微機電係統 (MEMS) 傳感器： 成本低、體積小、功耗低，在消費電子、醫療健康等領域應用廣泛。 生物電子學測量： 專注於生物信號的測量與分析。 結論 電子測量技術作為支撐現代科技發展的基石，其重要性不言而喻。本書從基礎理論到前沿技術，從原理講解到實踐應用，力求為讀者提供一個全麵、深入的電子測量知識體係。通過掌握書中內容，讀者將能夠更好地理解和應用各種測量儀器，設計和實現高效的測量係統，並為電子測量技術的未來發展貢獻力量。麵對日新月異的技術變革，持續學習和探索將是每位電子測量從業者不斷進步的關鍵。
