基本电子测量技术概要课件.ppt

模拟电子技术实验,主 编 谭海曙副主编 于昕梅谢海鸿李萍范 迪参 编 曹继华 谢凤英 李 晶 滕升华白培瑞 张琳琳 王琼琛主 审 章毓晋 编 李 磊 张 军,模拟电子技术实验 主 编 谭海曙,第2章 基本电子测量技术,2.1 概述2.1.1 电子测量仪器2.1.2 测量方法2.2 电压测量2.2.1 直流电压测量2.2.2 交流电压测量2.2.3 噪声电压测量2.3 电流测量2.3.1 直流电流测量2.3.2 交流电流测量2.4 电阻测量2.4.1 定电阻测量2.4.2 电位器测量2.4.3 非线性电阻测量,2.5 电容测量2.5.1 谐振法测量电容量2.5.2 交流电桥法测量电容量 和损耗因数2.5.3 万用表估测电容2.6 电感测量2.6.1 谐振法测量电感2.6.2 交流电桥法测量电感2.7 误差分析与测量数据处理2.7.1 误差来源与分类2.7.2 误差表示方法2.7.3 测量数据处理,第2章 基本电子测量技术2.1 概述2.5 电容测量,2.1 概 述,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。在这个过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较得到用数值和单位共同表示的测量结果。电子测量是测量学的一个重要分支，20世纪30年代，测量科学与电子科学的结合产生了电子测量技术。从广义上说，凡是利用电子技术进行的测量都可以称为电子测量；从狭义上说，电子测量是指在电子学中测量有关电的量值。,2.1 概 述测量是通过实验方法对客观事物取得定量信,2.1 概 述,与其他测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点。(1) 测量频率范围宽。被测信号的频率范围除直流信号外，还包括交流信号，其频率范围低至106Hz以下，高至THz(1THz=1012Hz)级。(2) 量程范围宽。如数字万用表对电压的测量范围由纳伏(nV)级至千伏(kV)级，量程达12个数量级。(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，使时间的测量误差减小到10-1410-13量级。用标准电池作为基准可使电压的测量误差减小到10-6量级。正是由于电子测量能够准确地测量频率和电压，因此，人们往往把其他参数转换成频率或电压后再进行测量。,2.1 概 述与其他测量相比，电子测量具有以下几个明,2.1.1 电子测量仪器,用于检测或测量一个量或为测量目的供给一个量的器具称为测量仪器，包括各种指示仪器、比较式仪器、记录式仪器、信号源和传感器等。利用电子技术测量电或非电量的测量仪器称为电子测量仪器。电子测量仪器种类繁多，一般可分为专用仪器和通用仪器两大类。前者是指为某一个或几个专门目的而设计的电子测量仪器，如电视彩色信号发生器。后者是指为测量某一个或几个电参数而设计的电子测量仪器，它们能用于多种电子测量，如电子示波器。,2.1.1 电子测量仪器用于检测或测量一个量或为测量目的供,2.1.1 电子测量仪器,通用电子测量仪器按其功能可分为以下几类。 (1) 信号发生器。用于产生测试用的信号，如低频、高频信号源，函数信号发生器及射频模拟与数字信号发生器等。 (2) 信号分析仪器。用来观测、分析和记录各种电量的变化，包括时域、频域和数字域分析仪，如示波器、动态信号分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪等。 (3) 频率计、相位计。用来测量电信号的频率、时间间隔和相位，如电子计数式频率计、波长计、数字式相位计等。 (4) 网络特性测量仪器。用来测量电气网络的各种特性，如频率特性测试仪(扫频仪)、阻抗测试仪、网络分析仪等。 (5) 电子元器件测试仪器。用来测量各种电子元器件参数，检测元器件工作状态(或功能)，如电桥、Q表、晶体管特性图示仪等。,2.1.1 电子测量仪器通用电子测量仪器按其功能可分为以下,2.1.1 电子测量仪器,通用仪器按显示方式，又可分为模拟式和数字式两大类。前者主要是用指针方式直接将测量结果在标度尺上指示出来，如各种模拟式万用表和电子电压表。后者是将被测的连续变化的模拟量转换成数字量之后，以数字方式显示测量结果，以达到直观、准确、快速的效果，如各种数字万用表、数字频率计等。电子测量仪器的种类繁多，用途也各不相同，在测量中应根据实际情况合理选择使用。,2.1.1 电子测量仪器通用仪器按显示方式，又可分为模拟式,2.1.2 测量方法,为实现测量目的，正确选择测量方法是极其重要的，它直接关系到测量工作能否正常进行和测量结果的有效性。测量方法按照不同的分类方法大致包括以下几种。1. 按测量性质分类按测量性质分类，有时域测量法、频域测量法、数据域测量法和随机量测量法四种。 (1) 时域测量法时域测量法用于测量与时间有函数关系的量，如电压、电流等。它们的稳态值和有效值多用仪表直接测量，而它们的瞬时值可通过示波器显示其波形，以便观察其随时间变化的规律。,2.1.2 测量方法为实现测量目的，正确选择测量方法是极其,2.1.2 测量方法,(2) 频域测量法频域测量法用于测量与频率有函数关系的量，如电路增益、相移等。可以通过分析电路的幅频特性和相频特性等进行测量。 (3) 数字域测量法数字域测量法是对数字逻辑量进行测量。如用逻辑分析仪可以同时观测许多单次并行的数据。对于计算机的地址线、数据线上的信号，既可显示其时序波形，也可用1、0显示其逻辑状态。 (4) 随机量测量法随机量测量法主要是指对各种噪声、干扰信号等随机量的测量。,2.1.2 测量方法 (2) 频域测量法,2.1.2 测量方法,2. 按测量手段分类按测量手段分类，有直接测量法、非直接式测量法、组合测量法和调零测试法四种。 (1) 直接测量法 直接测量法用于保证测量结果与校验标准一致。在直接测量方法中，测量者直接测到的量值就是它最终所需要的被测量的值。测量过程主要是一个直接的比较过程。 (2) 非直接式测量法 非直接式测量法是指直接测量的并不是实验者最终想要得到的量值，而是以这些量值作为后续计算的基础。即利用直接测的量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。间接测量的方法比较麻烦，常在直接测量法不方便或间接测量法的结果较直接测量法更为准确等情况下使用。,2.1.2 测量方法2. 按测量手段分类,2.1.2 测量方法,(3) 组合测量法 组合测量法是兼用直接测量与间接测量的方法。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，根据测量与未知参数间的函数关系联立求解。 (4) 调零测试法 调零测试法的基本过程是：将一个校对好的基准源与未知的被测量进行比较，并调节其中一个，使两个量值之差达到零值。这样，从基准源的读数便可以得知被测量的值。本章主要介绍基本电量的测量和误差分析方法。,2.1.2 测量方法 (3) 组合测量法,2.2 电 压 测 量,电压是表征电信号特性的一个重要参数。电子电路的许多参数和性能都直接与电压相关，如增益、频率特性、电流以及功率等都可视为电压的派生量，各种电路工作状态，如饱和、截止等，通常也都以电压的形式反映出来。因此，电压测量是模拟电子技术实验的重要技能之一。在模拟电子技术实验中，应针对不同的测量对象采用不同的测量方法。如：测量精度要求不高，可用示波器或普通万用表；如果希望测量精度较高，应根据现有条件，选择合适的测量仪器。,2.2 电 压 测 量电压是表征电信号特性的一个重要参数。,2.2.1 直流电压测量,放大电路的静态工作点、电路的工作电源等都是直流电压。电子电路中的直流电压一般分为两大类，一类为直流电源电压，它具有一定的直流电动势E和等效内阻Rs；另一类是直流电路中某元器件两端之间的电压差或各点对地的电位。直流电压的测量方法大体上有直接测量法和间接测量法两种。下面介绍经常使用的测量方法。,2.2.1 直流电压测量放大电路的静态工作点、电路的工作电,2.2.1 直流电压测量,1模拟式万用表测量直流电压 模拟式万用表的直流电压挡是由表头串联分压电阻和并联电阻组成的，因而其输入电阻一般不太大，而且各量程挡的内阻不同，量程越大内阻越大。要注意表的内阻与被测电路并联产生的影响，若电表的内阻不是远大于被测电路的等效电阻时，将造成测量值比实际值小得多，产生较大的测量误差，有时甚至得出错误的结论。因此测量时，要考虑电表输入阻抗、量程和频率范围，尽量使被测电压的指示值在仪表的满刻度量程的2/3以上，这样可以减小测量误差。 在测量前应对模拟式万用表进行机械调零，注意被测电量的极性，选择合适的量程挡位，同时要正确读数。 一般来说，模拟式万用表的直流电压挡测量电压只适用于被测电路等效内阻很小或信号源内阻很小的情况。,2.2.1 直流电压测量1模拟式万用表测量直流电压,2.2.1 直流电压测量,2零示法测量直流电压为了减小由于模拟式电压表内阻不够大而引起的测量误差，可用如图2.1所示的零示法。图中ES为大小可调的标准直流电源，测量时，先将标准电源ES置最小，电压表置较大量程挡，然后缓慢调节标准电源ES的大小，并逐步减小电压表的量程挡，直到电压表在最小量程挡指示为零，此时有源二端网络的电压等于ES，电压表中没有电流流过，电压表的内阻对被测电路无影响。断开电路，用电压表测量标准电源ES的大小即为被测有源二端网络的电压大小。在此由于标准直流电源的内阻很小，一般均小于1，而电压表的内阻一般在k级以上，所以用电压表直接测量标准电源的输出电压时，电压表内阻引起的误差完全可以忽略不计。,2.2.1 直流电压测量2零示法测量直流电压,2.2.1 直流电压测量,一般采用跟随器和放大器等电路提高电压表的输入阻抗和测量灵敏度，这种电子电压表可在电子电路中测量高电阻电路的电压值。,图2.1 零示法测量直流电压,2.2.1 直流电压测量图2.1 零示法测量直流电压,2.2.1 直流电压测量,3数字式万用表测量直流电压数字式万用表添加了好多新功能，如测量电容值、晶体管放大倍数、二极管压降等，还有一种会说话的数字式万用表，能把测量结果用语言播报出来。数字式万用表的基本构成部件是数字直流电压表，因此，数字式万用表均有直流电压挡。用它测量直流电压可直接显示被测直流电压的数值和极性，有效数值位数较多，精确度高。一般数字式万用表直流电压挡的输入电阻较高，至少在兆欧级，对被测电路影响很小。但极高的输出阻抗使其易受感应电压的影响，在一些电磁干扰比较强的场合测出的数据可能误差非常大。,2.2.1 直流电压测量3数字式万用表测量直流电压,2.2.1 直流电压测量,数字式万用表的直流电压挡有一定的分辨力，它所能显示的被测电压的最小变化值。实际上不同量程挡的分辨力不同，一般以最小量程挡的分辨力为数字式电压表的分辨力，如某型号数字式万用表的直流电压分辨力为100V，则表明这个万用表不能显示出比100V更小的电压变化。,2.2.1 直流电压测量数字式万用表的直流电压挡有一定的分,2.2.2 交流电压测量,由于放大电路的输入输出信号一般是交流信号，对于一些动态指标如电压增益、输入和输出电阻等也经常用加入正弦电压信号的方法进行间接测量。模拟电子技术实验中对正弦交流电压的测量，一般只测量其有效值，特殊情况下才测量峰值。由于万用表结构上的特点，虽然也能测量交流电压，但对频率仍有一定的限制。因此，测量前应根据待测量的频率范围，选择合适的测量仪器和方法。,2.2.2 交流电压测量由于放大电路的输入输出信号一般是交,2.2.2 交流电压测量,1模拟式万用表测量交流电压 用模拟式万用表的交流电压挡测量电压时，交流电压是通过检波器转换成直流电压后直接推动磁电式微安表头，由表头指针指示出被测交流电压的大小，测量时应注意其内阻对被测电路的影响。此外，模拟式万用表测量交流电压的频率范围较小，一般只能测量频率在1kHz以下的交流电压。它的优点是：由于模拟式万用表的公共端与外壳绝缘胶木无关，与被测电路无共同机壳接地(即接地)问题，因此，可以用它直接测量两点之间的交流电压。,2.2.2 交流电压测量1模拟式万用表测量交流电压,2.2.2 交流电压测量,2数字式万用表测量交流电压 数字式万用表的交流电压挡，是将交流电压检波后得到的直流电压，通过A/D转换器转换成数字量，然后用计数器计数，以十进制显示被测电压值。与模拟式万用表交流电压挡相比，数字式万用表的交流电压挡输入阻抗高，对被测电路的影响小，但同样存在测量频率范围小的缺点。,2.2.2 交流电压测量2数字式万用表测量交流电压,2.2.2 交流电压测量,3交流毫伏表测量交流电压 交流毫伏表将被测信号经过放大后再检波(或先将被测信号检波后再放大)变换成直流电压，推动微安表头，由表头指针指示出被测电压的大小。这类电压表的输入阻抗高，量程范围广，使用频率范围宽。一般交流毫伏表的金属机壳为接地端，另一端为被测信号输入端。因此，这种表一般只能测量电路中各点对地的交流电压，不能直接测量任意两点间的电压，实验中应特别注意。另外，通常表盘刻度都是按正弦波的有效值刻度的，所以，但若用它测量非正弦电压，不能直接读数，需根据表内检波器的检波方式和被测波形的性质将读数乘上一个换算系数，才能得到被测非正弦波的电压有效值。,2.2.2 交流电压测量3交流毫伏表测量交流电压,2.2.2 交流电压测量,4示波器测量交流电压 用示波器测量交流电压同测量直流电压时一样，都需要把通道灵敏度微调电位器旋至校准位置，在示波器显示出被测信号的稳定波形，调节示波器通道灵敏度“V/div”旋钮，使屏幕上的波形高度适中，记下波形在Y方向所占的格数值，则交流电压的有效值为 电压有效值=(电压峰-峰值)/ (2-1),2.2.2 交流电压测量4示波器测量交流电压,2.2.3 噪声电压测量,各种物理量(温度、加速度等)经传感器转换为电信号后输入到分析仪器(测量仪器)中去时，通常是把不必要的信号(也就是噪声)也一起测量了。噪声包括固有噪声及外部噪声，这两种基本类型的噪声均会影响电子电路的性能。外部噪声来自外部噪声源，典型例子包括数字开关、60Hz噪声、电源开关等。固有噪声由电路元器件本身生成的，最常见的例子包括宽带噪声、热噪声、闪烁噪声等。在模拟电子技术实验中关心的是对电路内部产生的噪声电压的测量。,2.2.3 噪声电压测量各种物理量(温度、加速度等)经传感,2.2.3 噪声电压测量,1用交流电压表测量噪声电压 噪声电压一般指有效值，因此用有效值电压表测量噪声电压有效值是很方便的，但是这种电压表较少且多数有效值电压表的频带较窄，所以一般都用平均值电压表进行噪声电压的测量，然后通过转换得到有效值。用平均值电压表测量噪声电压时，表针读数乘以1.13就是噪声电压的有效值。,2.2.3 噪声电压测量1用交流电压表测量噪声电压,2.2.3 噪声电压测量,2用示波器测量噪声电压 示波器的频带宽度很宽时，可以用来测量噪声电压，使用极其方便，尤其适合于测量噪声电压的峰-峰值。测量时，将被测噪声信号通过AC耦合方式送入示波器的垂直通道，垂直灵敏度置于合适挡位，扫描速度置较低挡，在荧光屏上即可看到一条水平移动的垂直亮线，这条亮线垂直方向的长度乘以示波器的垂直电压灵敏度就是被测噪声电压的峰-峰值Upp，则噪声电压的有效值为U=(1/6)Upp。,2.2.3 噪声电压测量2用示波器测量噪声电压,2.3 电 流 测 量,电流的测量也是电参数测量的基础，静态工作点、电流增益、功率等的测量，以及许多实验的调试、电路参数的测量，都离不开对电流的测量。实验中电流可分为两类：直流电流和交流电流。与电压测量类似，由于测量仪器的接入，会对测量结果带来一定的影响，也可能影响到电路的工作状态，实验中应特别注意。不同类型电流表的原理和结构不同，影响的程度也不尽相同。一般电流表的内阻越小，对测量结果影响就越小，反之就越大。因此，实验过程中应根据具体情况，选择合理的测量方法和合适的测量仪器，以确保实验的顺利进行。,2.3 电 流 测 量电流的测量也是电参数测量的基础，静态,2.3.1 直流电流测量,1模拟式万用表测量直流电流 模拟式万用表的直流电流挡，一般由磁电式微安表头并联分流电阻构成，量程的扩大通过并联不同的分流电阻实现，这种电流表的内阻随量程的大小而不同，量程越大，内阻越小。用模拟式万用表测量直流电流时，应将万用表串联在被测电路中，因为只有串联才能使流过电流表的电流与被测支路电流相同。测量时，应断开被测支路，将万用表红、黑表笔串接在被断开的两点之间。特别应注意电流表不能并联在被测电路中，这样做是很危险的，极易烧毁万用表。,2.3.1 直流电流测量1模拟式万用表测量直流电流,2.3.1 直流电流测量,2数字式万用表测量直流电流 数字式万用表直流电流挡的基础是数字式电压表，它通过电流电压转换电路，使被测电流流过标准电阻，将电流转换成电压来进行测量。如图2.2所示，由于运算放大器的输入阻抗很高，可以认为被测电流Ix全部流经标准取样电阻RN，RN上的电压与被测电流Ix成正比，经放大器放大后输出电压UoUo=(1+R3/R2)RNIx就可以作为数字式电压表的输入电压来进行测量。 数字式万用表的直流电流挡的量程切换是通过切换不同的取样电阻RN来实现的。量程越小，取样电阻越大，当数字式万用表串联在被测电路中时，取样电阻的阻值会对被测电路的工作状态产生一定的影响，在使用时应注意。,图2.2 电流电压转换电路,2.3.1 直流电流测量2数字式万用表测量直流电流图2.,2.3.1 直流电流测量,3并联法测量直流电流 将电流表串联在被测电路中测量电流是电流表的使用常识，但是作为一个特例，当被测电流是一个恒流源而电流表的内阻又远小于被测电路中某一串联电阻时，电流表可以并联在这个电阻上测量电流，此时电路中的电流绝大部分流过电阻小的电流表，而恒流源的电流是不会因外电阻的减小而改变的。如图2.3所示电路，要测量晶体管的集电极电流，若RC的值比电流表内阻大得多，且电流表的接入对集电极电流的影响很小，则电流表的测量值几乎为集电极电流。在做这种不规范的测量时，要进行正确的分析，否则会造成电路或电流表的损坏。,图2.3 并联法测量直流电流,2.3.1 直流电流测量3并联法测量直流电流图2.3,2.3.1 直流电流测量,4间接测量法测量直流电流 电流的直接测量法要求断开回路后再将电流表串联接入，往往比较麻烦，容易因疏忽而造成测量仪表的损坏。当被测支路内有一个定值电阻RN可以利用时，可以测量该电阻两端的直流电压URN，然后根据欧姆定律算出被测电流：Ix=UR/RN。这个电阻RN一般称为电流取样电阻。 当然，当被测支路无现成的电阻可利用时，也可以人为地串入一个取样电阻来进行间接测量，取样电阻的取值原则是对被测电路的影响越小越好，一般在110之间，很少超过100。,2.3.1 直流电流测量4间接测量法测量直流电流,2.3.2 交流电流测量,一般交流电流的测量都采用间接测量法，即先用交流电压表测出电压后，用欧姆定律换算成电流。用间接法测量交流电流的方法与间接法测量直流电流的方法相同，只是对取样电阻有一定的要求。 (1) 当电路工作频率在20kHz以上时，就不能选用普通线绕电阻作为取样电阻，高频时应用薄膜电阻。(2) 在测量中必须将所有的接地端连在一起，即必须共地，因此取样电阻要连接在接地端，在LC振荡电路中，要接在低阻抗端。,2.3.2 交流电流测量一般交流电流的测量都采用间接测量法,2.4 电 阻 测 量,电阻是所有电子电路中使用最多的线性元件，在电路中通常起分压分流的作用。对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。电阻都有一定的阻值，代表这个电阻对电流流动阻挡力的大小。电阻的种类很多，通常分为碳膜电阻，金属电阻、线绕电阻等，又可分为固定电阻、可调电阻、特种电阻等。在模拟电子技术实验中，经常要测量放大电路的输入电阻和输出电阻。,2.4 电 阻 测 量电阻是所有电子电路中使用最多的线性元,2.4.1 定电阻测量,定电阻阻值标法通常有色环法和数字法两种。色环法在一般的电阻上比较常见，可以根据色环直接得出其阻值大小。下面介绍用仪器测量电阻的方法。,2.4.1 定电阻测量定电阻阻值标法通常有色环法和数字法两,2.4.1 定电阻测量,1万用表测量电阻 用万用表的电阻挡测量电阻时，先根据被测电阻的大小，选择好万用表电阻挡的倍率或量程范围，再将两个输入端(表笔)短路调零，最后将万用表并联在被测电阻的两端，读出电阻值即可。 在用万用表测量电阻时应注意被测电阻所能承受的电压和电流值，以免损坏被测电阻。例如，不能用万用表直接测量微安表的表头内阻，因为这样做可能使流过表头的电流超过其承受能力(微安级)而烧坏表头。当电阻连接在电路中时，首先应将电路的电源断开，决不允许带电测量。,2.4.1 定电阻测量1万用表测量电阻,2.4.1 定电阻测量,2电桥法测量电阻 当对电阻值的测量精度要求很高时，可用电桥法进行测量。如图2.4所示，R1、R2是固定电阻，称为比率臂，比例系数K=R1/R2可通过量程开关进行调节，RN为标准电阻，称为标准臂，Rx为被测电阻，G为检流计。测量时接上被测电阻，接通电源，通过调节K和RN，使电桥平衡即检流计指示为零，读出K和RN的值，求得Rx的值。,(2-2),图2.4 电桥法测量电阻,2.4.1 定电阻测量2电桥法测量电阻 (2-2)图2,2.4.1 定电阻测量,3伏安法测量电阻 伏安法是一种间接测量法，理论依据是欧姆定律R=U/I，给被测电阻施加一定的电压，所加电压应不超出被测电阻的承受能力，然后用电压表和电流表分别测出被测电阻两端的电压和流过它的电流，即可算出被测电阻的阻值。使用伏安法时，有电压表前接法和电压表后接法两种电路，应根据被测电阻的大小，选择合适的测量电路，以使误差最小。,2.4.1 定电阻测量3伏安法测量电阻,2.4.2 电位器测量,电位器是一种机电元件，靠电刷在电阻体上的滑动，取得与电刷位移成一定关系的输出电压。一般采用万用表测量电位器的阻值。用万用表测量电位器的方法与测量固定电阻的方法相同，先测量电位器两个固定端之间的总体固定电阻，然后测量滑动端与任意一个固定端之间的电阻值，并不断改变滑动端的位置，观察电阻值的变化情况，直到滑动端调到另一端为止。在缓慢调节滑动端时，应滑动灵活，松紧适度，听不到咝咝的噪声，且阻值读数平稳变化，没有跳变现象，否则说明滑动端接触不良，或滑动端的引出机构内部存在故障。,2.4.2 电位器测量电位器是一种机电元件，靠电刷在电阻体,2.4.2 电位器测量,可以采用示波器测量电位器的噪声。给电位器两端加一适当的直流电源E，E的大小应不造成电位器超功耗，最好用电池。让一定量的电流流过电位器，缓慢调节电位器的滑动端，在示波器的荧光屏上显示出一条光滑的水平亮线，随着电位器滑动端的调节，水平亮线在垂直方向移动，若水平亮线上有不规则的毛刺出现，则表示有滑动噪声或静态噪声存在。,2.4.2 电位器测量可以采用示波器测量电位器的噪声。给电,2.4.3 非线性电阻测量,非线性电阻如热敏电阻、二极管的内阻等，它们的阻值与工作环境以及外加电压和电流的大小有关，一般采用专用设备测量其特性。当无专用设备时，可采用前面介绍的伏安法，测量一定直流电压下的直流电流值，然后改变电压的大小，逐点测量相应的电流，最后画出伏安特性曲线，所得的电阻值只表示一定电压或电流下的直流电阻值。如果电阻值与环境温度有关时还应制造出一定的外界环境。,2.4.3 非线性电阻测量非线性电阻如热敏电阻、二极管的内,2.5 电 容 测 量,除电阻外，电容是第二种最常用的元件，其主要作用是储存电能。它由两片金属中间夹绝缘介质构成。由于存在绝缘电阻(绝缘介质的损耗)和引线电感。而引线电感在工作频率较低时，可以忽略其影响。因此，电容的测量主要包括电容量值与电容器损耗(通常用损耗因数D表示)两部分内容，有时需要测量电容器的分布电感。,2.5 电 容 测 量除电阻外，电容是第二种最常用的元件，,2.5.1谐振法测量电容量,将交流信号源、交流电压表、标准电感L和被测电容Cx连成如图2.5所示的并联电路，其中Co为标准电感的分布电容。测量时，调节信号源的频率，使并联电路谐振，即交流电压表读数达到最大值，反复调节几次，确定电压表读数最大时所对应的信号源的频率，则被测电容值Cx为,图2.5 并联谐振法测量电容量,(2-3),2.5.1谐振法测量电容量将交流信号源、交流电压表、标准电,2.5.2 交流电桥法测量电容量和损耗因数,交流电桥有如图2.6(a)和图2.6(b)所示的串联和并联两种电桥。对于串联电桥，Cx为被测电容，Rx为其等效串联损耗电阻，由电桥的平衡条件可得,图2.6 交流电桥法测量电容,(a) 串联法,(b) 并联法,(2-4),(2-5),(2-6),2.5.2 交流电桥法测量电容量和损耗因数交流电桥有如图2,2.5.2 交流电桥法测量电容量和损耗因数,测量时，先根据被测电容的范围，通过改变R3选取一定的量程，然后反复调节R4和RN使电桥平衡，即检流计读数最小，从R4、RN刻度读Cx和Dx的值。这种电桥适用于测量损耗小的电容器。 对于并联电桥，Cx为被测电容，Rx为其等效并联损耗电阻，测量时，调节RN和CN使电桥平衡，此时,(2-7),(2-9),(2-8),这种电桥适于测量损耗较大的电容器。,2.5.2 交流电桥法测量电容量和损耗因数测量时，先根据被,2.5.3 万用表估测电容,电容可以用万用表欧姆挡粗略估测。将红、黑两表笔分别碰接电容的两个引脚，表内的电池就会给电容充电，指针偏转，充电结束后，指针回零。调换红、黑两表笔，电容放电后又会反向充电。电容越大，指针偏转也越大。对比被测电容和已知电容的偏转情况，就可以粗略估计被测电容的量值。在一般的电子电路中，除了调谐回路等需要容量较准确的电容以外，用得最多的隔直、旁路电容、滤波电容等，都不需要容量准确的电容。因此，用欧姆挡粗略估测电容量值是有实际意义的。但是，普通万用表欧姆挡只能估测容量值较大的电容。,2.5.3 万用表估测电容 电容可以用万用表欧姆挡粗略估测,2.6 电 感 测 量,用绝缘导线绕制的各种线圈称为电感。电感器是能够把电能转化为磁能并存储起来的元件，其结构类似于变压器，但只有一个绕组。由于它一般是用金属导线绕制而成的，所以有绕线电阻(对于磁心电感还应包括磁性材料插入的损耗电阻)和线圈匝与匝之间的分布电容。采用一些特殊的制作工艺，可减小分布电容，工作频率也较低时，分布电容可忽略不计。因此，电感的测量主要包括电感量和损耗(通常用品质因数Q表示)两部分内容。,2.6 电 感 测 量用绝缘导线绕制的各种线圈称为电感。电,2.6.1 谐振法测量电感,如图2.7所示为并联谐振法测电感的电路，其中C为标准电容，Lx为被测电感，Co为被测电感的分布电容。测量时，调节信号源频率，使电路谐振，即电压表指示最大，记下此时的信号源频率，则,(2-10),图2.7 谐振法测量电感,2.6.1 谐振法测量电感如图2.7所示为并联谐振法测电感,2.6.1 谐振法测量电感,由此可见，还需要测出分布电容Co，测量电路和图2.7类似，只是不接标准电容。调节信号源频率，使电路谐振。设此频率为f1，则,(2-11),由式(2-10)和式(2-11)可得,(2-12),将Co代入式(2-12)，即可得到被测电感值。,2.6.1 谐振法测量电感由此可见，还需要测出分布电容Co,2.6.2 交流电桥法测量电感,测量电感的交流电桥如图2.8(a)和图2.8(b)所示的马氏电桥和海氏电桥两种电桥，分别适用于测量品质因数不同的电感。,(a) 马氏电桥,(b) 海氏电桥,图2.8 交流电桥法测量电感,2.6.2 交流电桥法测量电感测量电感的交流电桥如图2.8,2.6.2 交流电桥法测量电感,马氏电桥适用于测量Q10的电感，图中Lx为被测电感，Rx为被测电感损耗电阻，由电桥平衡条件可得,一般在马氏电桥中，R3用来改变量程，R2和RN为可调元件，由R2的刻度可直读Lx值，由RN的刻度可直读Q值。 海氏电桥适用于测量Q10的电感，测量方法和结论与马氏电桥相同。,(2-13),(2-15),(2-14),2.6.2 交流电桥法测量电感马氏电桥适用于测量Q10的,2.7 误差分析与测量数据处理,在电子电路实验中，为了获取表征被研究对象特征的定量信息，必须准确地进行测量。在测量过程中，由于受到测量仪器精度、测量方法、环境条件或测量者能力等因素的影响，测量结果和待测量的客观真值之间总存在一定差别，即测量误差。因此，为分析误差产生的原因，必须了解和掌握一定的测量数据处理知识。,2.7 误差分析与测量数据处理 在电子电路实验中，为了获取,2.7.1 误差来源与分类,1. 测量误差的来源测量误差的来源主要有以下几个方面。 1) 仪器误差 仪器误差是由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的。如仪器的零点不准，仪器未调整好，外界环境(光线、温度、湿度、电磁场等)对测量仪器的影响等所产生的误差。显然，消除仪器误差的方法是配备性能优良的仪器并按规定条件对测量仪器进行校准。,2.7.1 误差来源与分类1. 测量误差的来源,2.7.1 误差来源与分类,2) 操作误差 操作误差是由于测量过程中因操作不当而引起的误差。减小使用误差的办法是测量前详细阅读仪器的使用说明书，严格遵守操作规程，提高实验技巧和对各种仪器的操作能力。例如：万用表表盘上的符号：，60，分别表示万用表垂直位置使用，水平位置使用，与水平面倾斜成60使用。使用时应按规定放置万用表，否则会带来误差，至于用欧姆挡测电阻前不调零所带来的误差，更是显而易见的。操作误差因人而异，并与观测者当时的精神状态有关。 3) 理论误差 理论误差是由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求，或者是实验方法本身不完善所带来的误差。例如伏安法测电阻时没有考虑电表内阻对实验结果的影响。即凡是在测量结果的表达式中没有得到反映的因素，而实际上这些因素在测量过程中又起到一定的作用所引起的误差都是理论误差。,2.7.1 误差来源与分类2) 操作误差,2.7.1 误差来源与分类,2. 测量误差的分类测量误差按性质和特点可分为系统误差、随机误差和粗大误差三大类。 1) 系统误差 系统误差是指在相同条件下重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定规律变化的误差。系统误差一般可通过实验或分析方法，在查明其变化规律及产生原因后可以减少或消除。电子技术实验中的系统误差通常是由于测量仪器的调整不当和使用方法不当所致。需要注意的是，系统误差总是使测量结果偏向一边，或者偏大，或者偏小，因此，用多次测量求平均值的方法并不能消除系统误差。,2.7.1 误差来源与分类2. 测量误差的分类,2.7.1 误差来源与分类,2) 随机误差 在相同条件下多次重复测量同一量时，误差大小和符号无规律的变化的误差称为随机误差。随机误差不能用实验方法消除。但从随机误差的统计规律中可了解其分布特性，并能对其大小及测量结果的可靠性做出估计，或通过多次重复测量，然后取其算术平均值来达到消除误差的目的。 3) 粗大误差 粗大误差是指在一定测量条件下，由于测量者对仪器不了解、粗心，导致读数不正确，使测量值大大偏离实际值。含有粗差的测量值称为坏值或异常值。必须根据统计检验方法的某些准则去判断哪个测量值是坏值，然后去除。 除粗差较易判断和处理外，在任何一次测量中，系统误差和随机误差一般都是同时存在的，需根据各自对测量结果的影响程度，作不同的具体处理。,2.7.1 误差来源与分类 2) 随机误差,2.7.2 误差表示方法,误差可以用绝对误差和相对误差来表示。1. 绝对误差设被测量的真值为Ao，测量仪器的示值为X，则绝对误差为 X=X-Ao (2-16)在某一时间及空间条件下，被测量的真值虽然是客观存在的，但一般无法测得，只能尽量逼近它。故常用高一级标准测量仪器的测量值A代替真值Ao。 X=X-A (2-17)在测量前，测量仪器应由高一级标准仪器进行校正，校正量常用修正值C表示。对于被测量，高一级标准仪器的示值减去测量仪器的示值所得的差值，就是修正值。实际上，修正值就是绝对误差，只是符号相反。 C=-X=A-X (2-18)利用修正值便可得该仪器所测量的实际值 A=X+C (2-19)例如，用电压表测量电压时，电压表的示值为1.1V，通过鉴定得出其修正值为-0.01V。则被测电压的真值为A=1.1+(-0.01)=1.09V。修正值给出的方式可以是曲线、公式或数表。对于自动测验仪器，修正值则预先编制成有关程序，存于仪器中，测量时对误差进行自动修正，所得结果便是实际值。,2.7.2 误差表示方法误差可以用绝对误差和相对误差来表示,2.7.2 误差表示方法,绝对误差值的大小往往不能确切地反映出被测量的准确程度。例如，测100V电压时，X1=+2V，在测10V电压时，X2=+0.5，虽然X1X2，可实际X1只占被测量量的2%，而X2却占被测量量的5%，显然，后者的误差对测量结果的影响相对较大。因此，为弥补绝对误差的不足，工程上常采用相对误差来比较测量结果的准确程度。,2.7.2 误差表示方法绝对误差值的大小往往不能确切地反映,2.7.2 误差表示方法,相对误差又分为实际相对误差、示值相对误差和引用(或满度)相对误差。 (1) 实际相对误差，是用绝对误差X与被测量的实际值A比值的百分数来表示的相对误差，记为,(2-20),（2） 示值相对误差，是用绝对误差X与仪器给出值X比值的百分数来表示的相对误差，即,(2-21),(3) 引用(或满度)相对误差，是用绝对误差X与仪器的满刻度值Xm比值的百分数来表示的相对误差，即,(2-22),2.7.2 误差表示方法相对误差又分为实际相对误差、示值相,2.7.3 测量数据处理,通过实际测量取得测量数据后，通常还要对这些数据进行计算、分析、整理，有时还要把数据归纳成一定的表达式或画成表格、曲线等，也就是要进行数据处理。1有效数字处理由于存在误差，所以测量数据总是近似值，如何用近似值恰当地表示测量结果，就涉及有效数字问题。例如，由电流表测得电流为12.6mA，这是个近似值，12是可靠数字，而末位6为欠准数字，即12.6为3位有效数字。有效数字对测量结果的科学表述极为重要。,2.7.3 测量数据处理通过实际测量取得测量数据后，通常还,2.7.3 测量数据处理,对有效数字的正确表示，应注意以下几点。 (1) 与计量单位有关的0不是有效数字，例如，0.054A与54mA这两种写法均为2位有效数字。 (2) 小数点后面的0不能随意省略，例如，18mA与18.00mA是有区别的，前者为2位有效数字，后者则是4位有效数字。 (3) 对后面带0的大数目数字，不同写法其有效数字位数是不同的，例如，3000如写成3010 2，则成为两位有效数字；若写成3103，则成为1位有效数字；如写成30001，就是4位有效数字。 (4) 如已知误差，则有效数字的位数应与误差所在位相一致，即：有效数字的最后一位数应与误差所在位对齐。如仪表误差为0.02V，测得数为3.2832V，其结果应记作3.28V。因为小数点后面第二位8所在位已经产生了误差，所以从小数点后面第三位开始后面的32已经没有意义了，在记录结果时应舍去。 (5) 当给出的误差有单位时，则测量数据的写法应与其一致。例如，频率计的测量误差为数kHz，测得某信号的频率为7100kHz，可写成7.100MHz和7100103Hz，若写成7100000Hz或7.1MHz是不行的。因为后者的有效数字与仪器的测量误差不一致。,2.7.3 测量数据处理对有效数字的正确表示，应注意以下几,2.7.3 测量数据处理,2数据舍入规则 为了使正、负舍入误差出现的机会大致相等，现已广泛采用小于5舍，大于5入，等于5时取偶数的舍入规则。3有效数字运算规则 当测量结果需要进行中间运算时，有效数字的取舍，原则上取决于参与运算的各数中精度最差的那一项。一般应遵循以下规则。 (1) 加减运算时，首先对各数进行修订，使各数所保留的小数点后的位数应与各数中小数点后位数最少者的位数相同，然后再进行运算。,2.7.3 测量数据处理2数据舍入规则,2.7.3 测量数据处理