第1章 巧学巧用电子测量实用技术必备的基础知识

随着电子技术的飞速发展，电子测量技术与电子测量仪器在科学技术的各个领域和电子产品制造、维修行业的各个岗位的应用越来越广泛，从日常生活、医疗、现代化的工农业生产及天文观测到尖端的航天航空监测均离不开电子测量。由此可见，应用电子测量技术的领域越来越多，对电子测量性能的要求也越来越高。因此，电子测量已经成为一门学科，发展速度极快。

1.1 用电子测量仪器测量的电量

根据电子测量仪器对电量测量方式的不同，可分为直接测量方式与间接测量方式两大类。

1.1.1 用电子测量仪器直接测量的电量

可以用电子测量仪器直接测量的电量，根据物理量的不同分为以下几类。

1. 电路参数

电路参数可以采用电子测量仪器直接测量，内容主要有以下两个方面。

（1）元件的参数

电子测量仪器可以对元件的参数直接测量，这些元件包括电阻器、电容器、电感器等。测量的参数有电阻值、电容值、电感值等。

（2）器件的参数

电子测量仪器可以对不同器件的各种特性参数直接测量，这些器件包括双极型晶体三极管、半导体二极管（整流二极管、发光二极管、稳压二极管、双极型二极管、温度效应二极管、光电二极管等）、场效应晶体三极管、闸流三极管、双基极三极管、集成电路等。主要测量参数有正、反向电阻值、极间电流、极间电压、放大系数、集成电路的在路电阻值和开路电阻值及工作电压等。

2. 网络特性参数

电子测量仪器可以对网络特性参数直接测量，这些特性参数包括品质因数、幅频特性、电压驻波比、反射系数、传输系数、复数阻抗、电路分布参数等。

3. 电子设备性能

电子测量仪器可以对电子设备的各种性能直接测量，这些性能包括共模抑制比、衰减量、信噪比、灵敏度、放大量、响应时间、通频带等。

4. 电信号特性

电子测量仪器可以对电信号特性直接测量，其测量内容有噪声干扰、调频系数、调幅系数、频谱分析、失真系数、逻辑状态、相位、时间、周期、频率、波形等。

1.1.2 用电子测量仪器间接测量的非电量

采用电子测量仪器配合相应的敏感元件或传感器，也可以对很多非电量进行测量。

1. 可以用电子测量仪器间接测量的非电量

可以用电子测量仪器间接测量的非电量包括液位、流量、速度、加速度、力、力矩、压力、位移、热、光、声、重量等。

2. 间接测量非电量的常用方法

采用电子测量仪器对非电量间接测量，通常都是先利用各种敏感元件或传感器把非电量转变为电量，再采用电子测量仪器处理显示出来。

由于电子测量比其他测量（如气动、机械等）方法具有更多的优点，因此许多非电量的测量，也广泛地采用电子测量方式。

1.2 电子测量仪器的类型及特点

电子测量仪器是用来进行电子测量工作的仪器。凡是采用电子科学技术对各种信息进行测量的仪器，统称为电子测量仪器，简称电子仪器。

1.2.1 电子测量仪器的类型

电子测量仪器的品种繁多，其分类方法也较多。

1. 根据功能来分

根据电子测量仪器的功能，可分为通用电子测量仪器和专用电子测量仪器两大类。

（1）通用电子测量仪器

通用电子测量仪器是指仪器应用面广、功能全面、可对多个对象进行测量的仪器，例如通用示波器等。但这类仪器测量的精度不高。

（2）专用电子测量仪器

专用电子测量仪器使用面窄，但使用方便、精度高。如晶体管特性图示仪，就是一种专用的示波器。

2. 根据工作原理来分

根据电子测量仪器的工作原理可分为数字式电子仪表和模拟式电子仪表。

（1）数字式电子仪表

数字电压表、数字存储示波器、逻辑分析仪等均为数字式电子仪表。

（2）模拟式电子仪表

万用表、通用示波器、晶体管毫伏表等均为模拟式电子仪表。

3. 常用电子测量仪器的类型

在日常工作中，较常用到的电子测量仪器的类型如下。

（1）稳压电源电子测量仪器

稳压电源有交流与直流、高压与低压几种类型，日常应用较多的为测量低压直流稳压电源的电子仪器。

（2）信号源

信号源也称信号发生器，在电子测量中，较常用到的信号源有低频、高频、脉冲、函数、立体声、噪声、扫频、黑白/彩色信号发生器等。

（3）电平测量仪器

在电子测量中，较常用到的电平测量仪器有数字式万用表、数字电压表、晶体管毫伏表、电子管电压表等。

（4）波形显示测量仪器

在电子测量中，较常用到的波形显示测量仪器主要有通用示波器、双踪示波器、多踪多扫描示波器、取样示波器、高压示波器、数字存储示波器以及记忆示波器等。

（5）频率、时间、相位测量仪器

在电子测量中，较常用到的频率、时间、相位测量仪器主要有频率计、波长计、数字式相位计等。

（6）电路参数测量仪器

在电子测量中，较常用到的电路参数测量仪器主要有图示仪、集成电路测试仪、晶体管参数测试仪以及RLC测试仪等。

（7）其他测量仪器

有信号分析仪器，包括频谱分析仪、谐波分析仪、失真度仪、数字电路特性测试仪器及逻辑分析仪。还有模拟电路特性测试仪器，如扫频仪、噪声系数测试仪等。

1.2.2 电子测量仪器的特点

电子测量与其他测量方式相比，其优点突出，归纳起来主要有以下几个方面。

1. 测量量程广

电子测量仪表的量程是测量范围的上限值与下限值之差。由于被测量的电量大小差别较大，故而要求电子测量仪器要有足够的测量范围。例如，常用的MF-30型三用表电阻测量挡的范围从几欧姆到几兆欧，量程可达6个数量级；高灵敏度的数字式电压表可用来测量10 mV～1 kV的电压值，有11个数量级的量程；电子计数式频率计的量程范围更大，可达到17个以上的数量级。

2. 测量准确度高

电子测量仪器的测量准确度相当高，对于长度测量的准确度最高可达到约10-8；对于热量测量的准确度最高可达约10-5。力学测量的准确度最高约为10-9。但如采用电子测量仪器对力学方面的待测量进行测量，测量的准确度则可达到10-13～10-14。这主要是通过电子测量仪器的高精度来保证的。

3. 测量频率范围宽

采用电子测量仪器对频率进行测量时，低端除了可以测量直流量的数值外，还可以测量数值低到10～4 Hz的频率，高端可测量到可见光范围约88×1012Hz。必须注意的是并不是所有电子测量仪器的频率范围都很宽，有些电子测量仪器的工作频率仅侧重于某一频段，故应根据实际需要，选用相应的测量仪器。

4. 测量速度快

电子测量速度快，主要是由于电子测量仪器的工作是通过电子运动和电磁波的传播进行的，故在尖端科学技术中，如原子核裂变的研究、导弹发射速度的测量、超高速电子计算机工作状态的检查等，都是采用电子测量方式来完成的。

5. 容易实现无线遥控、遥测

电子测量很容易通过无线或有线系统对人体不便于接触的区域（例如有毒、污染、易爆等场所）或无法到达的区域（例如核反应堆内部、发射中的导弹、高空、海洋深处等）进行测量，这是其他测量方式无法实现的。

6. 容易实现智能化和自动化

由于电子测量仪器可与微处理器组合在一起，构成智能化的测量仪器，故可将电子测量仪做得很小，功能更多、性能更强，使它适用范围更广泛。对于具有通用标准接口的GP-1B独立仪器，还可通过与母线互连，并在计算机的控制下实现自动、智能测试，可以用来进行自动测量，自动诊断故障，自动记录，自动完成数据的运算、分析与处理等。

1.3 电子测量仪器的基本测量方法

对同一个物理量的测量，可以采用不同的方法来进行。由于电子测量仪器和测量方法的类型较多，实际测量中应选择合适的测量仪器和测量方法，否则将直接影响测量结果，甚至会得出错误的结论而造成损失，即使采用高精度的电子测量仪器，也不例外。因此，要根据测量工作的实际要求，进行仔细、认真分析，采用切实可行的测量方法。电子测量的基本测量方法，根据测量的手段、测量的性质、测量方法、测量准确度、测量方式可分为多种，具体说明如下。

1.3.1 根据测量手段分类

电子测量的基本方法根据测量手段不同分类，可分为以下几种。

1. 直接测量法

所谓直接测量法是指通过测量可以直接由电子测量仪器上的指示（或显示）值读得被测量值的一种方法。例如采用示波器测量彩色电视机的高频、伴音等电路的信号波形；采用通用电子计数器对频率进行测量等。

直接测量法的最大特点是测量手段简单、直观、迅速、方便，是一种应用十分广泛的电子测量基本方法。

2. 间接测量法

所谓间接测量法是指先对一个（或几个）与被测量值有已知函数关系的物理量进行直接的测量，然后再利用该函数关系的计算公式计算，曲线、表格的查找，求出被测量的要求值。

例如，如果需要对低频功率放大器负载电阻器RL上消耗的功率进行测量，可首先用直接测量法测出RL的电阻值以及加在其两端上的电压值UL，然后代入以下公式，即可求得RL上消耗的功率值：

PL=UL2/RL

式中 PL——放大器负载电阻器RL上消耗的功率值

UL——测得负载电阻器RL两端上的电压值

间接测量方法测量手段复杂、不直观、测量时间长，通常是在缺少直接测量仪器、直接测量不方便、直接测量误差较大等情况下才采用。

3. 组合测量法

所谓组合测量法是指利用直接测量法与间接测量法测得的数据，通过解一组联立方程来获得被测量值。这种测量方法虽然复杂，测量时间也长，但却可以获得较准确的数据，故在特殊场合以及科学实验中应用较多。加之对联立方程的求解等运算，可以采用电子计算机来进行，故组合测量法在一些要求测量精度高的场合应用也十分广泛。

1.3.2 根据测量准确度分类

电子测量的基本方法根据测量准确度要求不同分类，可分为以下几种。

1. 工程测量

工程测量是指对测量准确度要求不是十分严格的一般性测量方法。这种测量方法通常是在选用的电子仪器精度等级满足实际测量要求的情况下，一次测量即可得到结果。

2. 精密测量

精密测量是指在计量室、研究实验室里，需要进行深入研究和精密校准的测量。测量的结果要严格根据误差理论的要求进行数据处理。

1.3.3 根据测量的性质分类

电子测量的基本方法根据测量的性质分类不同，可分为以下几种。

1. 频域测量

频域测量是以频率为函数的测量。通常是指对阻抗、失真系数、调制系数、频谱分析、相频特性、幅频特性、增益等进行的测量。

2. 时域测量

时域测量是以时间为函数的测量。通常用于测量网络在时域内的瞬变过程特性，故时域测量又被称为瞬态测量。对于某些物理量，例如电流等的瞬时值，可以采用示波器等电子仪器显示其波形，由此即可观察到该电流随时间变化的规律了。

3. 数据域测量

数据域测量是指对数字信号进行的测量。这种测量方式随计算机和数字系统的迅速发展而被广泛应用。例如，采用逻辑分析仪器可以用“1”（高电平）、“0”（低电平）显示出数字系统的逻辑状态，也可以显示出时序波形。

4. 随机测量

随机测量是指对随机时间函数进行的测量。例如噪声、干扰信号是随意的，没有规律，故其不能根据某个时刻噪声的大小来计算或估计另一个时刻噪声的大小，通常可采用统计测量的方法。

5. 调制域测量

调制域测量是一种以频率随时间的变化关系来进行的测量。这种测量多应用于通信、雷达等领域。

1.3.4 根据测量方式分类

电子测量的基本方法根据测量方式分类的不同，可分为以下几种。

1. 偏差式测量

偏差式测量是采用仪表指针相对于刻度线的位移（偏差），来直接表示被测量值的测量方法。

偏差式测量过程虽简单、迅速，但测得的结果准确度不高，故仅适用于对测量结果要求不高的场合。

2. 零位式测量

零位式测量是采用仪表的零位指示来检测测量系统是否达到平衡，以基准量决定被测量的测量方法，故又称这种方法为平衡式测量法。

零位式测量法的测量准确度较高，但测量时间较长，仅适用于测量变化较缓慢的信号。

3. 微差式测量

微差式测量是兼用零位式测量与偏差式测量而形成的一种组合测量方法。这种测量方法是先采用零位式测量法把被测量与标准量进行比较，得到所需的偏差值，然后采用偏差式测量法求得被测量值。

微差式测量反应速度快，且测量准确度高，故在电子测量中应用也较广泛。

1.3.5 根据测量方法分类

电子测量的基本方法根据测量方法分类不同，可分为以下几种。

1. 直读测量法

直读测量法是指直接从电子仪器的指示（显示）值读得测量结果的一种方法。不过这种测量不仅可以采用直接测量，也可以采用间接测量。例如使用电压表、电流表对功率值进行测量，使用的虽是直读测量法，但却属于间接测量方式。

2. 比较测量法

比较测量法是指在测量过程中，被测量与标准量直接进行比较而获得测量结果的一种方法。比较测量法并不一定是间接测量法。例如采用电桥测量电阻器的阻值，是采用比较测量法，但却属于直接测量方式。

1.3.6 根据测量过程中被测量是否随时间变化分类

电子测量的基本方法根据测量过程中被测量是否随时间变化分类，可分为以下几种。

1. 静态测量

静态测量是指不外加输入信号或不外加固定电位时的一种测量方法。例如对放大器电路的静态工作点、电子电路中各点上的电压、集成逻辑门的逻辑关系等的测量。

2. 动态测量

动态测量是指外加适当频率和适当幅度输入信号时的一种测量方法。例如测量放大电路的增益和非线性失真系数，观察其饱和失真和截止失真等。

1.3.7 其他分类

除了以上介绍的各种测量方法之外，根据被测量的距离可分为本地测量与远地测量两种。根据自动化程度可分为非自动测量与自动测量两种其他分类方法。

由上述介绍可看出，电子测量方法较多，且与电子仪器是紧密相关的。电子仪器的精确度高，是电子测量在现代科学技术领域得到广泛应用的重要原因。目前，电子测量仪器及测量方法正朝着高性能、多功能、快速化、数字化、集成小型化、自动化、智能化、系统化的方向发展。