电子测量原理
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,电子测量原理,
电子测量原理
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课程简介
? 第一部分 测量总论及误差理论, 介绍测量的基本概念,
技术方法及系统组成, 误差理论和数据处理等 。
? 第二部分 基本电参量测量, 包括频率, 电压, 阻抗等
? 第三部分 时域测量, 以示波器为背景介绍时域信号波形
的采集, 显示及应用技术 。
? 第四部分 频域测量, 重点讨论频域中的信号频谱和网络
性能的测量, 介绍测量激励信号源的基本工作原理 。
? 第五部分 数域测量, 介绍数字系统的基本测量原理和方
法, 包括数字信号的产生, 逻辑分析, 可测性设计及数
字系统测试的典型实例 。
? 第六部分 测量系统集成, 阐述组建测量系统的硬件平台,
软件平台, 总线标准, 通信技术等 。
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? 本章阐述测量了学科的丰富内涵。
? 介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内
容、特点及应用。
? 讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问
题。
? 分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概
念上，阐述测量的基本原理；
? 从实现测量原理的变换、比较、处理和显示等环
节中，阐述电子测量的基本技术 。
第 1章 测量的基本原理
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1.1 测量的基本概念
? 1.1.1 测量的意义
? 日常生活中处处离不开测量
? 科学的进步和发展离不开测量，
离开测量就不会有真正的科学。
?
没有望远镜就没有
天文学，没有显微
镜就没有细胞学，
没有指南针就没有
航海事业
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1.1.1 测量的意义 （续）
? 生产发展离不开测量
农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长
度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，
出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。
现代化的工业生产中，处处离不开测量
例如，一个大型钢铁厂需要约 2万个测量点
? 在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量
例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中
受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、
机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。
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1.1.2 测量的定义
? 1.狭义测量的定义
? 测量是为了 确定被测对象的量值 而进行的实验过程 。
? 在测量过程中, 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, 取得用数值和单位共同表示的测量结
果 。
测量结果＝测量数值,测量单位,即,0}{ xxx ??
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1.1.2 测量的基本概念 （续）
? 测量的内涵
? ① 测量对象,被测客体中的相应的量值信息；
? 测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；
? ② 测量过程, 通过实验去认识对象的过程
? ③ 测量方法,比较；
? A.直接比较 B.间接比较； C.需要测量仪器；
? ④ 测量标准,同类已知单位 。
? ⑤ 测量结果,最终能表示给测量主体 （ 人 ）
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图1 －1 测量的比较原理
( a ) 天平直接比较 （b ）弹簧称间接比较
1.1.2 测量的定义 （续）
被测物体的重量等于标
准砝码的重量
被测物体的重量从度盘上读数, 因为, 弹簧秤度盘
上的刻度是事先与标准量进行比较的结果 。
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1.1.2 测量的定义 （续）
? 2.广义测量的定义
? 广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，
而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测
量。
? 例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地
震源测定、卫星定位等。
? 而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信
息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对
象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。
? 广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息
的感知和信息识别两个环节。
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1.1.3 测量的基本要素
? 1.测量的基本要素
被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和
测量环境
被测对象 测量人员测试仪器系统
信 息 显 示
感知和识别
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1.1.3 测量的基本要素 （续）
对象
属性
影响影响
影
响
测量策
略、算法
数据状态
参数命令
被测信息
原理
方法
被测
对象
仪器
系统
测量
人员
测量
环境
激励信号
选择
仪器
决定
方法
图 1-3 测量的基本要素
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1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 2.测量过程 —— 基本要素之间的互动关系
? 论证阶段,
测量的主体（测量人员）根据测试任务的要求、被测
对象的特点、属性，及现有仪器设备状况，拟定合理
的测试方案。
设计阶段
* 选择测试仪器，组建测试系统。
* 制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序）
? 实施阶段
* 对仪器和系统实施测试操作（发控制命令），按照逻辑
和时序完成测量过程，取得测量数据 ;
* 分析测量误差并显示测量出结果。
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1.1.3 测量的基本要素 （续）
执行测量操
作
测试数据处
理
测量结果显
示
结 束
设置仪器工作参
数
实
施
阶
段
被测对象
设
计
阶
段
测量任务要求
组建测量系统
需 求 分 析
拟定测量方案
现有仪器设备
选用测量仪器
（测试硬件平台）
决定测量技术
（测试软件平台）
完成仪器互连 拟定测量步骤
开 始
论
证
阶
段
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1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 3.被测对象 —— 信息
? 广义的测量是信息的获取, 信息反映了事物的运动的状态
及其变化方式 。 信息又可分为自然信息和社会信息两大类 。
? 4.测量仪器系统 —— 量具和仪器
? 测量仪器系统包括量具, 测试仪器, 测试系统及附件等
? 5.测量的主体 —— 测量人员
? 手动：由测量主体 （ 测量人员 ） 直接参与完成
? 自动：测量主体交给智能设备 （ 计算机等 ） 完成, 但测量
策略, 软件算法, 程序编写需由测量人员事先设计好 。
? 6.测试技术
? 测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术。
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1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 7.测量环境
? 测量环境是指 测量过程中人员、对象和仪器系统所处空
间的一切物理和化学条件的总和。
? 测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学
气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、
负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。
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1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 环境对测量的影响
? A,环境对被测对象的影响,某些被测对象客体 （ 如器件,
电路或系统 ） 的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感,
因此, 原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下
进行 。
? B,环境对仪器系统的影响,环境可能直接或间接地影响到
仪器系统本身的某个工作特性, 进而影响测量结果, 造成
测量误差 。 特别是某些测量器具的量程广, 频段宽, 而内
部的元器件数目甚多, 且对外界影响相当敏感, 错综复杂
的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题 。
? C,环境对测量人员的影响,高温, 严寒, 潮湿, 闷气, 嘈
杂, 照明不适当等不良工作环境, 会对测量人员的身心产
生不良影响, 从而引起不同程度的人身误差乃至差错 。
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1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 应 采取适当的控制措施, 尽量减少由于环境影
响而产生的误差 。
? 恒温, 恒湿, 稳压和防震 。
? 抗干扰, 防噪声的措施, 如接地, 屏蔽, 隔离,
滤波等 。
? 仪器应能 尽量适应恶劣环境和大范围变化环境 。
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1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：
? I组,良好的环境条件, 温度 +10～ +35oC,相对湿度
80%（ 在 35oC上 ）, 只允许有轻微的振动 。
? II组,一般的环境条件, 温度－ 10～ +40oC,相对湿度
80%（ 在 40oC上 ）, 允许一般的振动和冲击 。
? III组,恶劣的环境条件, 温度－ 40～ +55oC,相对湿
度 90%（ 在 35oC上 ）, 允许频繁的搬动和运输中受到较
大的冲击和振动 。
? I组 —— 高精度计量用仪器
? II组 —— 通用仪器
? III组 —— 野外、机载等仪器
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1,2 计量的基本概念
? 1.2.1 计量的定义和意义
为使在不同的地方, 用不同的手段测量同一量时, 所得的
结果一致, 就要求 统一的单位, 基准, 标准和测量器具 。
? 1.计量的定义
? 计量是一种特殊形式的测量, 它把被测量与国家计量部门
作为基准或标准的同类单位量进行比较, 以确定合格与否,
并给出具有法律效力的, 检定证书, 。
? 计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠
的测量 。
? 计量的三个主要特征是 统一性, 准确性和法制性 。
? 计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动, 如
单位的统一, 基准和标准的建立, 进行量值传递, 计量监
督管理, 测量方法及其手段的研究等 。
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1.2.1 计量的定义和意义 （续）
? 2.计量与测量的关系
测量发展的客观需要才出现
了计量。
测量是计量应用的重要途径。
没有测量，计量将失去价值
为了保证测量结果的准确性，
必须定期对仪器进行检定和
校准，这个过程就是计量。
?计量的任务是确定测量结
果的可靠性。
?计量是测量的基础和依据。
?没有计量，也谈不上测量。
?计量和测量相互配合，才
能在国民经济各个领域发挥
重要作用。
?计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作,
它在工农业生产, 科学技术, 国防建设以及人民生活等
各个方面起着技术保证和技术监督的作用 。
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1,2,2 单位和单位制
? 根据定义而令系数为 1的量称为单位 。
? 单位是表征测量结果的重要组成部分,
又是对两个同类量值进行比较的基础 。 英呎 —— feet
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1,2,2 单位和单位制 （续）
? 1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际
单位制 SI。
? 1984年 2月国务院颁布了, 中华人民共和国法
定计量单位,, 决定我国法定计量单位以国际
单位制为基础 。
? SI有 7个基本单位
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1,2,2 单位和单位制 （续）
? 1.国际单位制 （ SI） 的组成
国际单位制基本单位
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1,2,2 单位和单位制 （续）
? 国际单位制 是由国际单位制单位, 国际单位制词头和国
际单位制的十进倍数单位三部分组成 。
? 国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数 。
例,5.4X10-9s=5.4ns
?
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1,2,3 基准和标准
? 1.基准
? 基准用来复现某一基本测量单位的量值, 只用于鉴
定各种量具的精度, 不直接参加测量 。
? (1)一级基准, 又称主基准和国家基准
? 具有最高水平的基准 。 一个国家只有一个 。
? (2)二级基准, 又称副基准
? 副基准的量值精度由主基准确定, 用以代替主基准
向下传递或代替主基准参加国际比对
? (3)三级基准, 又称工作基准
? 工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递,
用以检定下属计量标准量具的精确度 。
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1,2,3 基准和标准 （续）
2.标准
? 根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的
计量标准量具或仪器, 简称标准 。
? 计量标准的准确度等级在工作基准之下, 工作计
量器具之上 。
? 按精度高低又分为一级标准, 二级标准和三级标
准 。
? 通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定,
确定其量值的精确度大小 。
? 除标准器具外, 还有标准物质 。
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1,2,3 基准和标准 （续）
? 3.几个术语
? （ 1） 计量器具,凡是能用以直接或间接测出被测对象
量值的量具, 计量仪器和计量装臵都统称为计量器具 。
计量器具按作用可分为计量基准, 计量标准和工作计量
器具三类 。
? （ 2） 计量标准器具,准确度低于计量基准, 用于检
定计量标准或工作计量器具的计量器具 。
? （ 3） 工作计量器具,工作岗位上使用, 不用于进行
量值传递, 而是直接用来测量被测对象量值的计量器具 。
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1,2,3 基准和标准 （续）
? （ 4） 比对,在规定条件下, 对相同准确度等级的同
类基准, 标准或工作计量器之间的量值进行比较, 其目
的是考核量值的一致性 。
? （ 5） 检定,是用高一等级准确度的计量器具对低一
等级的计量器具进行比较, 以达到全面评定被检计量器
具的计量性能是否合格的目的 。 一般 要求计量标准的准
确度为被检者的 1/3到 1/10。
? （ 6） 校准,校准是指被校的计量器具与高一等级的计
量标准相比较, 以确定被校计量器具的示值误差 （ 有时
也包括确定被校器具的其他计量性能 ） 的全部工作 。
? （ 7） 量值的传递,指一个物理量单位通过各级基准,
标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用
的测量仪器, 量具, 以保证量值统一的全过程 。
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1.2.4 测量基准的权威性和相对性
1.基准的权威性
? 基准的理论定义最严格的, 制作工艺技术最先进 。
? 原器基准自身也会随时间, 地点, 环境条件而变化,
甚至会损坏, 会失传 。
? 从现代科学的观点来看, 最好的基准是原子基准 。
2.基准的相对性
一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平
例：以太阳为基准, 时间测量的精确度 1天内可达到 1秒钟 。
而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过 1
秒 。
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1.2.4 测量基准的权威性和相对性 （续）
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1.2.5 测量标准的传递
中国计
量院
中国测
试院
国家标
物中心
授权基准
实验室
大区国家计量中心
省级计量所
市（地）计量所
分
站
县（区）计量所
工矿企业、商店、研究院
所、医院、学校等
国
防
计
量
中
心
行
业
计
量
中
心
国
家
专
业
计
量
站
国家
标准
Ⅰ
级
Ⅱ
级
Ⅲ
级
工作
标准
自上而下逐级传递
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1,3 测量误差的基本概念
1.3.1 测量误差的定义
? 测量的目的, 获得被测量的真值。
? 真值, 在一定的时间和空间环境条件下，被测量
本身所具有的真实数值。
? 测量误差,
? 所有测量结果都带有误差 。
Axx ???
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1.3.2 测量误差的来源
? （ 1） 仪器误差,由于测量仪器及其附件的设计, 制造,
检定等不完善, 以及仪器使用过程中老化, 磨损, 疲劳
等因素而使仪器带有的误差 。
? （ 2） 影响误差,由于各种环境因素 （ 温度, 湿度, 振动,
电源电压, 电磁场等 ） 与测量要求的条件不一致而引起
的误差 。
? （ 3） 理论误差和方法误差,由于测量原理, 近似公式,
测量方法不合理而造成的误差 。
? （ 4） 人身误差,由于测量人员感官的分辨能力, 反应速
度, 视觉疲劳, 固有习惯, 缺乏责任心等原因, 而在测
量中使用操作不当, 现象判断出错或数据读取疏失等而
引起的误差 。
? （ 5） 测量对象变化误差,测量过程中由于测量对象变化
而使得测量值不准确, 如引起动态误差等 。
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1.3.3 测量误差的表示方法
测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法 。
? 1.绝对误差
? （ 1） 定义, 由测量所得到的被测量值与其真值之差,
称为绝对误差
0Axx ???
x x A? ? ?
?实际应用中常用实际值 A（高一级以上的测量仪器或计量器
具测量所得之值）来代替真值。
?绝对误差：
x? 有大小，又有符号和量纲
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1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? （ 2） 修正值
? 与绝对误差的绝对值大小相等, 但符号相反的量值, 称
为修正值
? 测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出, 修
正值可以是数值表格, 曲线或函数表达式等形式 。
? 被测量的实际值
xAxC ?????
CxA ??
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1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? 2.相对误差
? 一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而
且与这个量本身的大小有关。
? 例：测量足球场的长度和成都市到绵阳市的距离, 若绝
对误差都为 1米, 测量的准确程度是否相同？
? （ 1） 相对真误差, 实际相对误差, 示值相对误差
相对误差：绝对误差与被测量的真值之比
相对误差是两个有相同量纲的量的比值, 只有大小和符号,
没有单位 。
0
100%xA? ???
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1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
实际相对误差,用实际值 A代替真值 A0
示值相对误差,用测量值 X 代替实际值 A
100%A xA? ???
100%x xx? ???
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第 38页
1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? （ 2） 满度相对误差 （ 引用相对误差 ）
? 用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与
该量程值 （ 上限值－下限值 ） 之比来表示的相对误差,
称为满度相对误差 （ 或称引用相对误差 ）
100%mm
m
x
x
? ???
0
m
x
||
m
x??
||
m
x??
A
x
Am
xA?
?仪表各量程内绝对误差的
最大值
m mmxx?? ? ?
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第 39页
1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? 电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。是仪表在
工作条件下不应超过的最大引用相对误差
? 我国电工仪表共分七级,0.1,0.2,0.5,1.0,1.5，
2.5及 5.0。如果仪表为 S级，则说明该仪表的最大引用误
差不超过 S%
? 测量点的最大相对误差
? 在使用这类仪表测量时, 应选择适当的量程, 使示值尽
可能接近于满度值, 指针最好能偏转在 不小于满度值 2/3
以上的区域 。
m?
%mx x S
x
? ?
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1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? [例 1-3] 某待测电流约为 100mA,现有 0.5级量
程为 0～ 400mA和 1.5级量程为 0～ 100mA的两个电
流表, 问用哪一个电流表测量较好？
2
100% 1, 5 % 1, 5 %
100
m
x
x S
x
? ? ? ? ?
?用 1.5级量程为 0～ 100mA电流表测量 100mA时的最大相
对误差为
1
400% 0, 5 % 2 %
100
m
x
x s
x
? ? ? ? ?
?解：用 0.5级量程为 0～ 400mA电流表测 100mA时，最大
相对误差为
电子测量原理
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1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? （ 3） 分贝误差 —— 相对误差的对数表示
? 分贝误差是用对数形式（分贝数）表示的一种相对误差，
单位为分贝（ dB）。
电压增益的测得值为 误差为
用对数表示为增益测得值的分贝值
分贝误差
o
x
i
VA
V?
2 0 l g ( )xxG A d B?
2 0 l g ( 1 )dB A
A
? ???
AAA x ???
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1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
电子测量原理
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1.4 测量信息的获取原理
本节中将主要阐述以下基本问题：
? 信息的含义是什么？
? 为什么信息可以被获取？
? 信息获取是怎样的过程？
? 信息获取过程中采用了哪些基本方法？
? 这些方法的实现途径是什么？
? 信息获取的限制因素及其克服措施是什么？
测量是研究获取被测对象
信息的一门科学。
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1.4.1 信息的概念
1,客体的实有的信息 —— 客观信息
? 某事物客体所具有的信息，是指该客观存在的事物的运动
状态及其变化方式的自我表述或自我显示。
? 客体论的信息是一种客观的存在, 不以主体的存在与否为
转移, 或者无论是否被其主体感受到, 都丝毫不影响它的
,自我表述, 或, 自我显示, 。
? 任何事物都具有一定的内部结构，同时处在一定的环境之
中，正是这种内部结构和外部环境两者综合作用，决定了
事物的具体运动状态和状态变化方式。
? 但在有时人们很难了解事物的内部结构状况, 这时就只能
把它看作一个, 黑箱,, 并通过它的外部联系 （ 如输入 /
输出关系等外部行为 ） 的状态及其变化方式来获得信息 。
电子测量原理
第 45页
1.4.1 信息的概念 （续）
2,主体认识论的信息 —— 主观信息
? 是指主体所感知或表述的关于该事物的运动状态
及其变化方式，及有关的形式、含义和效用。
? 主体认识论层次的信息的内涵比客体论层次信息
丰富得多。这是因为作为认识的主体：
? （ 1）具有感觉的能力，能够感觉到信息的外在形式。
? （ 2）具有理解能力，能够理解信息的内在含义。
? （ 3）具有目的性，因而能够判断信息对其目的而言的
价值。
电子测量原理
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1.4.1 信息的概念 （续）
3.全信息 —— 是同时考虑了事物运动状态及其变化
方式的外在形式、内在含义和效用价值的主体认
识论层次信息。
4．实在信息、先验信息、实得信息
全信息 语义信息
语用信息
{
语法信息
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1.4.2 信息的感知
1,感知的基本原理
? 信息感知的基本机制在于要有某种组织或器官能
够灵敏地感受到被测对象运动的状态及其变化的
方式 。
? 信息感知，是感知事物运动的状态及其变化方式，
其实质是把客体论层次的信息转换为主体认识论
层次的语法信息
信 息感 知
主 体 认 识论 信 息
（ 语 法信 息 ）
客 体 层次 的 信 息
（ 信号 ）
yx
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1.4.2 信息的感知
2,感知的基本技术 —— 传感器与敏感器
? 测量的第一个环节是信息的感知 。
? 传感器是感知各种非电信息并把非电量转换为电
量输出的器件或装臵, 它是非电系统与电系统之
间的接口, 本质上是完成信息载体的转换 。
? 传感器根据转换的效应可分为物理型, 化学型和
生物型三大类 。
例：热敏电阻把被测温度的变化转换为电阻的变化 。
电子测量原理
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1.4.3 信息的识别
? 1．识别的基本原理
? （ 1） 识别是把感知的语法信息 （ 信号形式 ） 转换成人们
能够理解的语义信息 。
? （ 2） 识别 （ 分类 ） 的基本原理是形式特征的比较 。 由于
信息的类别不同, 其形式特征也不相同, 因此, 理论上
信息总是可以分辨 （ 识别 ） 的 。
? （ 3） 识别的原则是：相似而认同, 相异而拒斥 。
? （ 4） 由于识别环境存在固有干扰, 待识别的信息天然不
理想, 理论方法不完备和信息类别相似性的表达不完善,
因此, 无论怎样精巧地设计信息识别系统, 完全无差错
的识别是不现实的 （ 误差存在的绝对性 ） 。
电子测量原理
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1.4.3 信息的识别
2,识别的基本技术
为了把语法信息（信号）转换人们能够理解的语义信息，须
使用信号的比较、变换、处理和显示技术。
（ 1）比较 —— 用已知量和未知量比较。
（ 2）变换 —— 某些被测量不便于直接比较，无法直接观测而
采用了变换。为了获得更高的识别分辨力和精度、更快
的速度、更宽的量程而采用变换技术。
例如，雷达测量飞机的距离，采用了把距离变换成时间，通
过直接测量电脉冲来回传输的时间来测得距离。
（ 3）信息处理 —— 泛指为了各种目的而对信息所进行的变换
和加工。
（ 4）显示原理 —— 显示的基本功能是把人眼不可见的信息转
化成为可见的信息
电子测量原理
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1.4.3 信息的识别 （续）
测量
客体
客体
信息
比
较
标
准
处
理
显
示
规范化
信号
语法
信息
量化
信息
可见
信息
信息识别
语义
信息
处
理
语用信息
测量
人员
目标信息
激励
传
感
语法
信息
变
换
信
号
信息感知
3,测量的原理 —— 测量的信息过程
测量客体 —— 信息感知 —— 信息识别 —— 测量主体
语法信息 —— 语义信息 —— 语用信息
电子测量原理
第 52页
1.4.3 信息的识别 （续）
? （ 1）人工处理方式
例：一个模拟式的交流电压表的原理框图, 它测量交流电压
的有效值 。
工作原理是被测交流电压经峰值检波器变换成直流电压
（ AC-DC电压变换 ）, 然后经直流电压放大 （ 幅度变换 ）
和电压转换为电流输出 （ 电压 -电流变换 ）, 去驱动电
表指针偏转 （ 电压 -指针偏转换变换 ） 。
检 波
放
大
～
u
显示
被测对象 测量人员
电子测量原理
第 53页
1.4.3 信息的识别 （续）
温
度
压
力
流
量
转
速
水
位
传
感
器
1
u
1
信
号
调
理
U
1
传
感
器
2
u
2
信
号
调
理
U
2
传
感
器
3
u
3
信
号
调
理
U
3
传
感
器
4
u
4
信
号
调
理
U
4
传
感
器
5
u
5
信
号
调
理
U
5
多
功
能
切
换
开
关
S/
H
A/
D
计
算
机
数码
管
CR
T
显
示
打印
机
绘图
仪
输
出
设
备
数
字
I/
O
D / A
模拟信
号
输 出
（ 2）自动化方式
电子测量原理
第 54页
1.4.3 信息的识别 （续）
目 的
知识库
理解与分析信息选择 决 策
语法
信息 全信息
? （ 3） 智能化处理
? 机器智能 —— 人所赋予机器的一种智能。
? 智能包含信息、知识、策略和行为四个要素，具有获
取有用信息、由信息生成知识（认识）、由知识和目
的生成策略（决策）以及实施策略取得效果（施效）
等四个方面的能力。
电子测量原理
第 55页
1.5 测量的间接比较与直接比较原理
y 1 y 2 y电量变换
（测量电路） 信宿点
非电逆变换
（显示器）
被测量 x
信源点
非电变换
（传感器）
y 1 =f 1 ( x )
2 2 1
()y f y? 32 ()y f y?
? 测量最基本的原理是比较，比较是认识和区别被测对象的
一种重要方法。 测量是通过比较来取得一个定量的认识
1.5.1 基于比例变换的间接比较法 （ 偏转法 ）
1.比例变换的原理
（ 1） 三种类型的子变换：
A
? ?3 2 1[ ( ) ] ( )y f f f x f x??
电子测量原理
第 56页
1.5.1 基于比例变换的间接比较法 （续）
? 例：弹簧秤是偏转法直读式仪器的一个简单例子 。
被测重物放在弹簧秤上, 把物体的重量变成弹簧
的弹性形变 。 然后, 形变带动机械式仪表的指针
成比例的偏转, 指示出被测物体的重量 。
直读式
电压表
电子测量原理
第 57页
1.5.1 基于比例变换的间接比较法 （续）
（ 2） 实现结构
由于
故：
式中
K 1 K 3K 2x
u
2
u
3
y
u
1
y
1
y
2
y
3
信源点
信宿点
)( 111 uxKy ?? )( 2122 uyKy ?? )( 3233 uyKyy ???
3 2 1 1 2 3{ [ ( ) ] }y K K K x u u u K x u? ? ? ? ? ?
1 2 3K K K K? 32
1
1 2 3
uuuu
K K K? ? ?
电子测量原理
第 58页
1.5.1 基于比例变换的间接比较法 （续）
? （ 2）间接比较方法,
? 步骤为①校准 ②测量
（ a ) 测 零 点 值
非电－电变换
K
1
主体
电－非电变换
K
3
电－电变换
K
2
传感器 变换电路 显示器
（ b ) 测 标 准 量
非电－电变换
K
1
主体
电－非电变换
K
3
电－电变换
K
2
传感器 变换电路 显示器
（ c ) 测 未 知 量
非电－电变换
K
1
主体
电－非电变换
K
3
电－电变换
K
2
传感器 变换电路 显示器
0?x
0
y
s
y
x
y
sx ?
x
x
s
电子测量原理
第 59页
1.5.2 基于差值示零的直接比较法
1.差值检测原理,
被测量与标准量直接进行比较
① 需要一个具有 比较功能的电路, 要求比较的范围宽,
灵敏度和分辨力高；
② 需要一个 与被测量同类的可变标准量 参与比较, 要求
标准量准确且可细微调节 。
? 比较功能可由运算功能来实现
? 有两种方式：
? 差值运算比较
? 比例运算比较 x s
y
比较电路
被测量 标准量
电子测量原理
第 60页
1.5.2 基于差值示零的直接比较法
? 2,差值示零的平衡调节
? （ 1） 零示法原理, xs?
电子测量原理
第 61页
1.5.2 基于差值示零的直接比较法 （续）
（ 2） 实现平衡调节的结构 K
1
K
2
减法比较或
比例比较
K 3
变换
变换
变换
指示器
u
x
u
s
y ＝ 0
x
s
（ a ) 双 通 道 对 称 输 入 结 构
mu 或?
当 则s
k
kx
1
2?
12kk? xs?
电子测量原理
第 62页
1.5.2 基于差值示零的直接比较法 （续）
? 对称差动的桥式结构
( b ) 对 称 桥 式 结 构
sx
激励源
y=0
2
r
1
r
当 时，
1
2
r
xs
r
?
12rr?
xs?
电子测量原理
第 63页
1.5.3 减少误差的复合式比较
为了提高测量准确度，在比较中可采用各种减小测量误差
的方法，如微差法、替代法、对照法。
? （ 1） 微差法
? 在零示法中，要仔细调节标准量 S 使之与未知量 x相等，
这通常很费时间，有时甚至不可能做到，
? 微差法：标准量 S与被测量 x相差了一微小量,
再用仪器测出,即求得待测量 x ?
?
xs ???
电子测量原理
第 64页
1.5.3 减少误差的复合式比较 （续）
微差法进行测量时，测量误差公式：
测量仪器的误差 对测量的
影响被大大地削弱
优点：测量速度快和测量准确度高。
xS
x S x
??
?
? ? ???
/???
0
-v +v
x s
电子测量原理
第 65页
1.5.3 减少误差的复合式比较 （续）
电子测量原理
第 66页
1.5.3 减少误差的复合式比较 （续）
? 2.替代法
? 在测量条件不变的情况下，用一已知的标准量去替代
未知的被测量，通过调整标准量而保持替代前后仪器
的示值不变，于是 标准量的值等于被测量值。
替 代 法 的 测 量 原 理
x s
0
-v +v
2
KK
1
（ b ) 零 示 法( a ) 偏 转 法
x s
0
-v +v
2
KK
1
r
电子测量原理
第 67页
1.5.3 减少误差的复合式比较 （续）
? 3.交换法
? 通过交换被测量和标准量的位臵，从前后两次换位测
量结果的处理中，削弱或消除系统误差。
? 特别适用于平衡对称结构的测量装臵中，并通过交换
法可检查其对称性是否良好。
第一次平衡
第二次平衡
上两式相乘、开方得：
1 2 1 2
1 ()
2x
W W W W W? ? ?
1 1 2xW l W l?
2 2 1xW l W l?
( a ) 天 平 称 重
x
W
W
1
l
1
l
2
x
WW
2
l
1
l
2
电子测量原理
第 68页
1.5.3 减少误差的复合式比较 （续）
? 例：在电桥中采用交换法测电阻
1 2 1 2
1 ()
2x s s s s
R R R R R? ? ? ?
电子测量原理
第 69页
1.6 电子测量中的基本实现技术
1.6.1 电子测量中的变换技术
1.量值变换
? 量值是指电压, 电流, 功率, 阻抗, 时间等电参
量的幅值大小 。
? 量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小 。
? 把量值处于难以测量的边缘状态 （ 太小或太大 ）
的被测量, 按某一已知比值变换为量值适中的同
样参量进行测量 。
? 通过量值变换, 可增加测量范围, 提高测量分
辨力和精度 。
电子测量原理
第 70页
1.6.1 电子测量中的变换技术 (续）
（ 1） 信号放大与衰减
信号放大是为了将微弱的被测信号，放大到足以进行各种转换处理，
或能驱动指示器、记录器。
? 测量放大器 —— 是指在测量系统中用来放大微弱电压, 电流或电荷信
号的放大器 。 要求低漂移
结构原理：差动直接耦合式, 调制式 （ 斩波稳零 ） 和自动稳定式三大
类 。 还有高输入阻抗放大电路, 高共模抑制比放大器, 电桥放大器,
电荷放大器, 程控增益放大器, 隔离放大器等 。
? 衰减器 —— 用来降低测量系统中的信号电平
用途：使大的信号进入仪器的测量范围, 或者通过降低信号电平来控
制失真, 或改进阻抗匹配, 或对信号源去耦等
分类：电阻式, 感应式, 吸收式, 回转式, 截止式, 电调式等 。
电子测量原理
第 71页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? （ 2） 阻抗变换
? 电子测量中, 特别是在微波测量中, 当 将不匹配的负
载与传输线连接时, 或将特征阻抗不同的传输线进行
连接时, 信号传输中将产生强烈反射 。
? 为了保证良好的传输, 必须在传输线与负载之间或不
同特征阻抗的传输线之间接入一种阻抗变换的双口网
络, 改变阻抗的大小, 实现阻抗的匹配 。
? 在信号源的功率放大器输出电路中，也要求负载阻抗
匹配，常用变压器等进行阻抗变换，以保证最佳功率
传输。
? 电子测量仪器输入端具有很高输入阻抗,输入跟随器
则是实现了输入通道从高阻到低阻的阻抗变换。
电子测量原理
第 72页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? 2.频率变换
? （ 1） 检波,交流电压变成直流电压
常用磁电式电表, 它只能测量直流, 交流信号必
须检波成直流信号来测量
? （ 2） 斩波,把一个直流电压调制成交流电压,
经过交流放大, 然后再把交流电压通过反调制
（ 解调 ） 还原为直流电压的过程 。
斩波的作用是对微弱的直流电压进行放大
电子测量原理
第 73页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? （ 3） 变频 （ 混频 ）
? ① 进行频率的加减运算 。
? ② 获得很宽的频率覆盖范围 。
? ③ 获得高增益, 提高测量仪器的灵敏度 。
? ④ 实现中频或低频替代, 以提高测量精度 。
? ⑤ 实现频率的精密测量 。
例,f=200.020kHz～ 220kHz
f0=200kHz
则 F=f-f0=20Hz～ 20kHz
覆盖系数从 1.1扩展到 1000
LC振
荡器
f F=f-f 0
f
0
电子测量原理
第 74页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
（ 4） 倍频
? ① 倍频器是频率综合技术中的乘法器 。
? ② 差频倍增法
? ③ 用倍频法减小测量误差 。
利用电子计数进行频率测量时, ± 1误差将决定
测量误差 。 若 KHz,± 1的相对误差为 10-3,如果
先对进行 103倍的锁相倍频后测量, 则该项误差可
降为 10-6。
()x s x sm f m f m f f m f? ? ? ? ?
电子测量原理
第 75页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? （ 5） 分频
? 分频是于对信号频率进行除法运算
? （ 6） 频率合成
? 频率合成是把一个 （ 或少量几个 ） 高稳晶振频率源经
过一系列综合的加, 减, 乘, 除四则运算, 可作为随
意调节频率的高精度信号源 。
? （ 7） 取样技术
? 取样门电路将高频信号进行取样变换, 使之以低频形
式复现出来 。
? 它可以把频率上限扩展到几 GHz甚至几十 GHz。
电子测量原理
第 76页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? 3.波形变换
? （ 1） 整形 将任意形状的波形变成规则的脉冲波形,
? 例如, 用于电子计数器的输入通道中 。
? （ 2） 限幅 把信号波形幅度限制在一定范围内
? （ 3） 微分 由矩形脉冲形成一个窄脉冲 。
? 在电子计数器, 取样示波器, 广谱信号源中广泛使用 。
? （ 4） 合成 多种波形叠加成复杂波形 。
? 例如合成 CRT显示的视频信号波形 。
? （ 5） 变换 方波变成三角波或正弦波, 三角波变成正弦
波或方波, 正弦波变成方波或三角波等 。
? 波形变换技术广泛用于多波形函数发生器中 。
电子测量原理
第 77页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
4） 参量变换
? （ 1） AVΩ 变换 —— 电流, 电压, 电阻之间的变换
? 多用表中采用的 AVΩ 变换, 包括交流 /直流 （ AC/DC）,
电流 /电压 （ I/V） 和电阻 /电压 （ /V） 的转换, 实现了
交, 直流电压, 电流, 电阻等多种测量功能 。
? （ 2） V/F变换 —— 模拟直流电压转换为频率
? （ 3） V/T变换 —— 模拟直流电压转换成时间
? （ 4） 网络参数的变换
电子测量原理
第 78页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? 5.能量变换
能量变换是泛指其他多种形式的物理量与电学量之间的变换 。
传感器就是能量变换器, 即从非电量变换成电量
? 一般分为参量变换器及电势变换器两大类：
? 参量变换器是将各种物理量变换成电阻, 电感, 电容
或磁导率等 。 例如, 常用的电阻丝应变片, 电感式变
换器, 电容式变换器
? 电势变换器是将各种物理量变换成电势, 电流等电量
的变换器, 例如, 感应变换器, 光电变换器, 压电变
换器, 热电偶等 。
? 在显示器中, 把电量变换成非电量 —— 机械量, 光学量
等 。 如指针的偏转, 发光的数码, 字符和图像等 。
? 6.模 /数和数 /模变换
电子测量原理
第 79页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? 例：试说明实现弹簧称, 指针式直流电压表, 电子示波
器等三种仪器的测量功能中所采用的变换技术 。
解 （ 1） 弹簧称 —— 把物体的重量变成了弹簧长度的形变,
进行了机械量到机械量的变换；
（ 2） 指针式直流电压表 —— 电压的量值变成了电表指
针偏转角的大小, 进行了电量到机械量的变换；
（ 3） 示波器把电信号的波形无失真地变换成了在荧光屏
上光信号的波形, 进行了电到光的变换 。
电子测量原理
第 80页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? [例 ] 试以数字多用表测量交流电流为例, 阐述变换技术
在电子测量中的应用 。
? ① 交流电流 /交流电压的变换； ② 交流电压 /直流电压的
变换； ③ 直流电压的幅值变换； ④ 模拟 /数字的变换； ⑤
BCD码 /七段码的码制变换； ⑥ 显示器件的电 /光转换 。
I ~ /V ~ AC/DC 放大或 衰减 A / D B C D / 七段码 数码显示
i ~
电子测量原理
第 81页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? 例：一个工件伤痕检测系统使用的变换技术
? ①机械量信息到光信号；②光信号变换成电信号；③
电信号被放大，进行了幅度变换；④对电信号比较、
校正的处理后抽取出了有关伤痕的有用信息；⑤电信
号到光信号的变换。
伤痕
▲
比
较
校
正
显
示
工件
光
源
光
信
号
电
信
号
滤
光
片
透
镜
固体图像
传感器
放
大
标准样板
电子测量原理
第 82页
1.6.2 电子测量中的比较技术
1.比较的基本概念
? 被测量为 x、标准量为 s、比较电路输出为 y。
? 当 x<s 时,y=YL；当 x>s时,y=YH
? 当 x=s 时,y出现一个跃变信号
被测量
标准量
x
s
比
较
电
路
y
y H
y L
0
y
s x
电子测量原理
第 83页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? （ 1） 比较的基本类型 （ 按功能分 ）,
? ① 标量比较 —— 它只识别两个同类的未知量是否相等,
例如两个炉子温度是否相等,
? ② 矢量比较 —— 它识别一组同类的未知量的相对大小,
并按照由大到小 （ 或由小到大 ） 的顺序排列起来 。
? ③ 差值比较 —— 利用具有减法运算功能的比较电路, 取
出两个未知量之间的间隔大小 （ 差值 ）, 并对差值进行
比较 。
? ④ 比值比较 —— 它选择某个点作为参考点, 将每次测量
值除以参考值, 确定它们的相对大小 。 例如, 在一组测
量值中以最大测量值作参考, 得到测量值以百分数表示 。
? ⑤ 量化比较 —— 被测未知量与标准单位量比较, 确定它
是该单位的若干倍或是若干分之一 。 A/D转换器是基于量
化比较的典型部件 。
电子测量原理
第 84页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
（ 2） 电子测量中的典型比较方法
? ① 差值运算比较
? A,零示法：若测量过程中调节标准
量 s,使 y=0（ 电路平衡, 指示器为零 ）
时, 则 x=s；
? B,偏转法：若测量过程中选择接近 x
的 s,指示器测出微小差值 y,则
x=s+y（ 微差法 ）
? ② 比例运算比较 y=x/s
? A,零示法：若调节标准量 S,使 y=1
（ 电路平衡, 指示器为 1）, 则 x=s
? B,偏转法：若固定 S值, 指示器测出
y值, 则 x=y.s
0
-v +v
x s
x s
电子测量原理
第 85页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
2.电压比较
（ 1） 电平比较
? 两个模拟电压的大小的比较是用电压比较器来实现的
（ a ）差动型 （ b ）求和型 （ c ）比较特性
_
+
u x
u s
u o
_
+
u x
u s
比较器
u o
u s
u
x
0
xsuu?
1
2
xs
Ruu
R??
电子测量原理
第 86页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? （ 2） 差值型比较
采用能输出模拟差值电压的减法运算放大器 。 实现减法运
算功能的方法也有差动型比较和求和型比较两种 。
? （ 3） 比例型比较
具有除法或比例运算功能的电路或部件, 也可完成被测量
与标准量的比较 。 例如, 双积分式 A/D转换器中, 被测
电压与标准电压之间具有如下关系：
2
1
xs
TUU
T
?
电子测量原理
第 87页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
3.阻抗比较
? 电桥电路具有对称差动的电路结构, 是一种电量天平,
可以十分方便地实现差值检测和比例比较的功能 。
? 电桥电路具有灵敏度高, 测量范围宽, 温度补偿容易
实现, 测量电路的零点调节方便 。
（ a） 比例臂电桥 （ b） 有源电桥 （ c） 电压电桥 （ d） 电流电桥
31
24
ZZ
ZZ?
11
22
s
x
ZUN
U N Z??
电子测量原理
第 88页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? 例, 比例运算比较（半桥）电路
～ U
s
a R s
R x
b
U o
+
_xo
ss
RU
RU?
o
xs
s
URR
U?
电子测量原理
第 89页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? 4.频率 （ 时间 ） 比较
? ①时间差值比较：用 R-S触发器可实现时差的比较
R - S 触发器
t A
t B
Q
S R
t B
t A
T?
电子测量原理
第 90页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? ② 差频比较：
混频器可以实现两个频率的减法运算
还可利用差频比较法测量频率
③比例比较：测频率 fx=Nfs ；测周期 Tx=NTS
混频器f A
f B
F=f -f
A B
被测频率
标准频率
混频
器
F
f
x
f s
零差指示
= f x - f s
电子测量原理
第 91页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? 5,相位比较 —— 使用鉴相器
? （ 1）用乘法器或相敏检波器鉴相
c o s2x m s mo K U Uu ??
K
xy
u x
u s
u o = u x · u s
+
_
电子测量原理
第 92页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? （ 2）脉冲与数字式鉴相器
? 触发器构成的脉冲鉴相器,RS触发器或 D触发器
? 数字式鉴相器,由相位比较器 （ 9个与非门 ） 和电荷
泵组成
6,数字比较
? 二进制的数 N1和 N2加于异或门的输入端, 即可进
行比较
数
字
比
较
器
数
字
比
较
器
数
字
比
较
器
N1
N2
Q
电子测量原理
第 93页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? [例 ] 差动型电容式传感器能把位移、压力、振动、液
面位臵等物理量的变化，可高分辨地转换成两个电容值
之差值，即△ C=C1-C2（ C1 C2一般很小，为几皮法到几十
皮法），测量出△ C，即可测出其被转换的物理量。
12
0
12
()
2
CCUU
CC
??
?
交
流
放
大
器
相
敏
检
波
器
低
通
滤
波
器
交流信
号源
U
o
C
C
1
2
电子测量原理
第 94页
1.6.3 电子测量中的处理技术
? 信号运算与处理是电子测量中的基本技术
? 浅层的信息处理 基本上属于对信息的形式化关系所作的
变换或处理，仅仅利用了语法信息的因素。例如，在测
量交流电压的平均值、峰值、有效值时，需要对信号进
行加、减、乘、除、平方、开方、平均、取绝对值、峰
值等运算与处理。
? 深层信息处理 （特别是直接与优化、决策、认知等相联
系的信息处理）的目的是为了要从原始信息中获得相关
的, 知识,
? 运算电路分为 模拟运算电路和数字运算电路 两大类
电子测量原理
第 95页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
1,基本模拟运算
? 运算放大器辅之以不同的电路元件，可以组成诸如比
例、加减、微分、积分、对数、指数和乘除等电路
? （ 1）四则运算电路
A 1
u 2
R
R
_
+ A 2
R
R
_
+
R
R
R
U o
R
u 1
u 3
u 4
R
0 1 2 3 4U U U U U? ? ? ?
电子测量原理
第 96页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
? 指数和对数运算电路则是利用二极管的电流与其
端电压在一定条件下存在的指数关系来实现。
/
1 iT
UU
osU R I e?? 1
l n ( / ) l no T i s iU U U R I k U? ? ? ?
A
U i
D
R 1
_
+
R 2
A
U i
R 1
D
_
+
R 2
U o
图 2 - 2 0 指数电路和对数电路
电子测量原理
第 97页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
? 乘法运算或除法运算：
? 模拟乘法器：是新型集成器件，是利用晶体管的
非线性特性。
对数
对数
加 法
或减法
指数
U 1
U 2
U o
12oU U U?? 12oU U U??
电子测量原理
第 98页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
? （ 2） 积分和微分电路
? 运算放大器外接电感和电容等储能元件，则利用电路
在时域中的过渡过程可形成积分电路和微分电路；利
用其频域特性则可构成形形色色的滤波电路
A
u i
R
1
u c
_
+
C
i
A
u
i
_
+
R
u o
C
R 1
（ a ）基本积分电路 （ b ）基本微分电路
2
1
1
1 ()t
o i ctU u d t u tRC? ? ??
/oiu R C d u d t??
电子测量原理
第 99页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
（ 3）有源滤波器
? 按照频谱分析的观点, 任何信号都是一些不同幅度和
不同频率的正弦信号的组合 。
? 在被测信号中, 除了有用的频率成分之外, 往往不可
避免地含有一些无用噪声的频率成分 。
? 滤波器的功能就是利用其频率特性来保留有用的频率
成分, 削弱或消除无用的频率成分, 即具有信号分离
的功能 。
? 分为低通, 高通, 带通和带阻等不同滤波器 。A
f
A
f
A
f
A
f
电子测量原理
第 100页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
? [例 ] 运算与处理功能在电压测量中的应用 。
? 计算公式
? 第一级为模拟乘法器, 完成被测电压的平方运算；第
二级为积分器, 完成平均运算；第三级为开方器, 完
成开平方根的运算；最后一级为放大器, 按一定比例
放大的直流输出电压去驱动电表使电表, 按被测电压
的有效值进行线性刻度 。
模 拟
乘 法器
积分 器 开方器 放大 器
2 ()ut 2
0
1
()
T
u t d t
T ?
2
0
1
()
T
u t d t
T ?
U
o x
2
0
1 ()TU u t d t
T
? ?
电子测量原理
第 101页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
2.数字计算与数字信号处理
? 基于数字逻辑电路的硬件方式,利用现有的各种数字逻
辑门、译码器、触发器、寄存器、计数器、全加器等，
以及各种 CPLD,FPGA等可编程逻辑，组成各种数字逻辑
的运算与控制单元。
? 基于微处理器和微型计算机的嵌入式系统的软件方式：
通过软件编程，可完成各种数字与逻辑的运算。
? 它不仅能完成常用的数学运算，而且能实现统计运算、
FFT运算等。运算功能强、精度高、速度快、灵活性及
抗干扰性强。
? 再加之微机和单片机的逻辑运算与控制功能，实现现
代测试仪器系统的智能化、自动化、虚拟化和网络化。
电子测量原理
第 102页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
（ 1） 数字信号处理 （ DSP） 的基本内容
? 广义来说, 数字信号处理是研究用数字方法对信号进
行分析, 变换, 运算, 滤波, 检测, 估计, 增强, 压
缩, 调制, 解调以及快速算法的一门技术学科 。
? 狭义来说也有人认为：数字信号处理主要是研究有关
? 数字滤波技术,把信号的有效信号提取出来, 抑制
（ 削弱或滤除 ） 干扰或噪声的一种处理 。
? 离散变换快速算法,FFT
? 频谱分析方法, 主要使用频谱分析仪和信号分析仪
? 信号处理包括时域和频域处理 。 时域处理中最典型的
是波形分析, 示波器就是最常用的仪器 。 信号频域处
理主要指滤波, 主要使用频谱分析仪和信号分析仪
电子测量原理
第 103页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
（ 2） 数字信号处理的应用
? 测试信号处理
? 语音信号处理
语音的识别, 理解, 合成, 增强, 数据压缩
? 图像信号处理
图像压缩, 解压, 增强, 恢复, 分割, 识别, 编码和重建
? 振动信号处理
? 地球物理信号处理
为了探测地下深处所储藏的石油和天然气以及其他矿藏, 通常采用地
震勘探方法来探测地层结构和岩性 。 即在一选定的地点施加人为
的激震, 如用爆炸方法产生一振动波向地下传播, 遇到地层分界
面即产生反射波, 在距离振源一定远的地方放臵一列传感器, 接
收到达地面的反射波 。 从反射波的延迟时间和强度来判断地层的
深度和结构 。
? 生物医学信号处理
电子测量原理
第 104页
1.6.4 电子测量中的显示技术
? 测量结果必须通过显示器件把各种电信号转换成人们五
官可直接感知的机械运动、数字、文字、图形、图像等
形式的信号显示出来
? 1.指示式仪表
? （ 1） 指示式电工仪表的分类
用指针的偏转来表示电量的仪表称为指示式电工仪表 。
? 按工作原理分类，可分为动圈式、动铁式、电动式、热电
式、静电式、整流式和感应式等。
? 按准确度等级分类，可分为 0.1,0.2,0.5,1.0,1.5，
2.5,5.0等共 7级。
? 按用途分类，可分为电流表、电压表、功率表、电能表、
功率因数表、频率表、相位表、兆欧表、电容表等
电子测量原理
第 105页
1.6.4 电子测量中的显示技术 (续 )
（ 2）分度盘及标记符
（ 3）指示式仪表的结构原理
被测电流 I在可动线圈中流过时产生电磁力 F，使可动线圈以
轴为中心转动，由此产生 与电流 I成比例的驱动力矩 Td，
带动指针偏转，从仪表的标尺分度读数测得电流。
电子测量原理
第 106页
1.6.4 电子测量中的显示技术 (续 )
2） 电光显示器件
? （ 1） 发光二极管 （ LED）
? 利用正向偏臵 PN结中电子与空穴的幅射复合发光, 发射
出非相干光, 光谱较宽, 发散角大, 视角效果好；
? LED的发光颜色多, 辉度高, LED的单元体积小, 电压低,
驱动电流小, 寿命长 。
? ① 指示灯 ② 数字显示器
电子测量原理
第 107页
1.6.4 电子测量中的显示技术 (续 )
? （ 2） 液晶显示器 （ LCD）
? 液晶是一种具有光学双射性的液体状的晶体,
液晶显示器件在电信号驱动下，控制其对入射偏
光的反射或透射，实现 LCD的显示
? LCD具有薄型、轻量、低功耗、低工作电压等特
点
? ① 数字, 字符显示
? ② 平面显示
电子测量原理
第 108页
1.6.4 电子测量中的显示技术 (续 )
? （ 3）阴极射线管（ CRT）
CRT可分为电视用、显示终端用及仪器仪表用几种类型
电子测量原理
第 109页
本章小结
? 测量是测量主体通过比较的方法，对被测对象取得定量
信息（即量值）的实验过程，是人类获取信息的基本手
段，是认识客观世界的主要工具。
? 计量是为了保证量值的统一和准确一致的一种测量。它
具有统一性、准确性和法制性的三个主要特征。
? 测量误差的概念、来源，绝对误差和相对误差的定义和
计算。
? 测量是研究信息获取的科学，它包括信息的感知和识别。
? 测量是为了确定被测对象的量值而进行的比较，分为直
接比较、间接比较。
? 测量的基本技术有：变换、比较、处理和显示
第 1页
,电子测量原理,
电子测量原理
第 2页
课程简介
? 第一部分 测量总论及误差理论, 介绍测量的基本概念,
技术方法及系统组成, 误差理论和数据处理等 。
? 第二部分 基本电参量测量, 包括频率, 电压, 阻抗等
? 第三部分 时域测量, 以示波器为背景介绍时域信号波形
的采集, 显示及应用技术 。
? 第四部分 频域测量, 重点讨论频域中的信号频谱和网络
性能的测量, 介绍测量激励信号源的基本工作原理 。
? 第五部分 数域测量, 介绍数字系统的基本测量原理和方
法, 包括数字信号的产生, 逻辑分析, 可测性设计及数
字系统测试的典型实例 。
? 第六部分 测量系统集成, 阐述组建测量系统的硬件平台,
软件平台, 总线标准, 通信技术等 。
电子测量原理
第 3页
? 本章阐述测量了学科的丰富内涵。
? 介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内
容、特点及应用。
? 讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问
题。
? 分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概
念上，阐述测量的基本原理；
? 从实现测量原理的变换、比较、处理和显示等环
节中，阐述电子测量的基本技术 。
第 1章 测量的基本原理
电子测量原理
第 4页
1.1 测量的基本概念
? 1.1.1 测量的意义
? 日常生活中处处离不开测量
? 科学的进步和发展离不开测量，
离开测量就不会有真正的科学。
?
没有望远镜就没有
天文学，没有显微
镜就没有细胞学，
没有指南针就没有
航海事业
电子测量原理
第 5页
1.1.1 测量的意义 （续）
? 生产发展离不开测量
农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长
度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，
出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。
现代化的工业生产中，处处离不开测量
例如，一个大型钢铁厂需要约 2万个测量点
? 在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量
例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中
受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、
机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。
电子测量原理
第 6页
1.1.2 测量的定义
? 1.狭义测量的定义
? 测量是为了 确定被测对象的量值 而进行的实验过程 。
? 在测量过程中, 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, 取得用数值和单位共同表示的测量结
果 。
测量结果＝测量数值,测量单位,即,0}{ xxx ??
电子测量原理
第 7页
1.1.2 测量的基本概念 （续）
? 测量的内涵
? ① 测量对象,被测客体中的相应的量值信息；
? 测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；
? ② 测量过程, 通过实验去认识对象的过程
? ③ 测量方法,比较；
? A.直接比较 B.间接比较； C.需要测量仪器；
? ④ 测量标准,同类已知单位 。
? ⑤ 测量结果,最终能表示给测量主体 （ 人 ）
电子测量原理
第 8页
图1 －1 测量的比较原理
( a ) 天平直接比较 （b ）弹簧称间接比较
1.1.2 测量的定义 （续）
被测物体的重量等于标
准砝码的重量
被测物体的重量从度盘上读数, 因为, 弹簧秤度盘
上的刻度是事先与标准量进行比较的结果 。
电子测量原理
第 9页
1.1.2 测量的定义 （续）
? 2.广义测量的定义
? 广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，
而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测
量。
? 例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地
震源测定、卫星定位等。
? 而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信
息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对
象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。
? 广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息
的感知和信息识别两个环节。
电子测量原理
第 10页
1.1.3 测量的基本要素
? 1.测量的基本要素
被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和
测量环境
被测对象 测量人员测试仪器系统
信 息 显 示
感知和识别
电子测量原理
第 11页
1.1.3 测量的基本要素 （续）
对象
属性
影响影响
影
响
测量策
略、算法
数据状态
参数命令
被测信息
原理
方法
被测
对象
仪器
系统
测量
人员
测量
环境
激励信号
选择
仪器
决定
方法
图 1-3 测量的基本要素
电子测量原理
第 12页
1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 2.测量过程 —— 基本要素之间的互动关系
? 论证阶段,
测量的主体（测量人员）根据测试任务的要求、被测
对象的特点、属性，及现有仪器设备状况，拟定合理
的测试方案。
设计阶段
* 选择测试仪器，组建测试系统。
* 制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序）
? 实施阶段
* 对仪器和系统实施测试操作（发控制命令），按照逻辑
和时序完成测量过程，取得测量数据 ;
* 分析测量误差并显示测量出结果。
电子测量原理
第 13页
1.1.3 测量的基本要素 （续）
执行测量操
作
测试数据处
理
测量结果显
示
结 束
设置仪器工作参
数
实
施
阶
段
被测对象
设
计
阶
段
测量任务要求
组建测量系统
需 求 分 析
拟定测量方案
现有仪器设备
选用测量仪器
（测试硬件平台）
决定测量技术
（测试软件平台）
完成仪器互连 拟定测量步骤
开 始
论
证
阶
段
电子测量原理
第 14页
1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 3.被测对象 —— 信息
? 广义的测量是信息的获取, 信息反映了事物的运动的状态
及其变化方式 。 信息又可分为自然信息和社会信息两大类 。
? 4.测量仪器系统 —— 量具和仪器
? 测量仪器系统包括量具, 测试仪器, 测试系统及附件等
? 5.测量的主体 —— 测量人员
? 手动：由测量主体 （ 测量人员 ） 直接参与完成
? 自动：测量主体交给智能设备 （ 计算机等 ） 完成, 但测量
策略, 软件算法, 程序编写需由测量人员事先设计好 。
? 6.测试技术
? 测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术。
电子测量原理
第 15页
1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 7.测量环境
? 测量环境是指 测量过程中人员、对象和仪器系统所处空
间的一切物理和化学条件的总和。
? 测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学
气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、
负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。
电子测量原理
第 16页
1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 环境对测量的影响
? A,环境对被测对象的影响,某些被测对象客体 （ 如器件,
电路或系统 ） 的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感,
因此, 原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下
进行 。
? B,环境对仪器系统的影响,环境可能直接或间接地影响到
仪器系统本身的某个工作特性, 进而影响测量结果, 造成
测量误差 。 特别是某些测量器具的量程广, 频段宽, 而内
部的元器件数目甚多, 且对外界影响相当敏感, 错综复杂
的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题 。
? C,环境对测量人员的影响,高温, 严寒, 潮湿, 闷气, 嘈
杂, 照明不适当等不良工作环境, 会对测量人员的身心产
生不良影响, 从而引起不同程度的人身误差乃至差错 。
电子测量原理
第 17页
1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 应 采取适当的控制措施, 尽量减少由于环境影
响而产生的误差 。
? 恒温, 恒湿, 稳压和防震 。
? 抗干扰, 防噪声的措施, 如接地, 屏蔽, 隔离,
滤波等 。
? 仪器应能 尽量适应恶劣环境和大范围变化环境 。
电子测量原理
第 18页
1.1.3 测量的基本要素 （续）
? 仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：
? I组,良好的环境条件, 温度 +10～ +35oC,相对湿度
80%（ 在 35oC上 ）, 只允许有轻微的振动 。
? II组,一般的环境条件, 温度－ 10～ +40oC,相对湿度
80%（ 在 40oC上 ）, 允许一般的振动和冲击 。
? III组,恶劣的环境条件, 温度－ 40～ +55oC,相对湿
度 90%（ 在 35oC上 ）, 允许频繁的搬动和运输中受到较
大的冲击和振动 。
? I组 —— 高精度计量用仪器
? II组 —— 通用仪器
? III组 —— 野外、机载等仪器
电子测量原理
第 19页
1,2 计量的基本概念
? 1.2.1 计量的定义和意义
为使在不同的地方, 用不同的手段测量同一量时, 所得的
结果一致, 就要求 统一的单位, 基准, 标准和测量器具 。
? 1.计量的定义
? 计量是一种特殊形式的测量, 它把被测量与国家计量部门
作为基准或标准的同类单位量进行比较, 以确定合格与否,
并给出具有法律效力的, 检定证书, 。
? 计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠
的测量 。
? 计量的三个主要特征是 统一性, 准确性和法制性 。
? 计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动, 如
单位的统一, 基准和标准的建立, 进行量值传递, 计量监
督管理, 测量方法及其手段的研究等 。
电子测量原理
第 20页
1.2.1 计量的定义和意义 （续）
? 2.计量与测量的关系
测量发展的客观需要才出现
了计量。
测量是计量应用的重要途径。
没有测量，计量将失去价值
为了保证测量结果的准确性，
必须定期对仪器进行检定和
校准，这个过程就是计量。
?计量的任务是确定测量结
果的可靠性。
?计量是测量的基础和依据。
?没有计量，也谈不上测量。
?计量和测量相互配合，才
能在国民经济各个领域发挥
重要作用。
?计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作,
它在工农业生产, 科学技术, 国防建设以及人民生活等
各个方面起着技术保证和技术监督的作用 。
电子测量原理
第 21页
1,2,2 单位和单位制
? 根据定义而令系数为 1的量称为单位 。
? 单位是表征测量结果的重要组成部分,
又是对两个同类量值进行比较的基础 。 英呎 —— feet
电子测量原理
第 22页
1,2,2 单位和单位制 （续）
? 1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际
单位制 SI。
? 1984年 2月国务院颁布了, 中华人民共和国法
定计量单位,, 决定我国法定计量单位以国际
单位制为基础 。
? SI有 7个基本单位
电子测量原理
第 23页
1,2,2 单位和单位制 （续）
? 1.国际单位制 （ SI） 的组成
国际单位制基本单位
电子测量原理
第 24页
1,2,2 单位和单位制 （续）
? 国际单位制 是由国际单位制单位, 国际单位制词头和国
际单位制的十进倍数单位三部分组成 。
? 国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数 。
例,5.4X10-9s=5.4ns
?
电子测量原理
第 25页
1,2,3 基准和标准
? 1.基准
? 基准用来复现某一基本测量单位的量值, 只用于鉴
定各种量具的精度, 不直接参加测量 。
? (1)一级基准, 又称主基准和国家基准
? 具有最高水平的基准 。 一个国家只有一个 。
? (2)二级基准, 又称副基准
? 副基准的量值精度由主基准确定, 用以代替主基准
向下传递或代替主基准参加国际比对
? (3)三级基准, 又称工作基准
? 工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递,
用以检定下属计量标准量具的精确度 。
电子测量原理
第 26页
1,2,3 基准和标准 （续）
2.标准
? 根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的
计量标准量具或仪器, 简称标准 。
? 计量标准的准确度等级在工作基准之下, 工作计
量器具之上 。
? 按精度高低又分为一级标准, 二级标准和三级标
准 。
? 通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定,
确定其量值的精确度大小 。
? 除标准器具外, 还有标准物质 。
电子测量原理
第 27页
1,2,3 基准和标准 （续）
? 3.几个术语
? （ 1） 计量器具,凡是能用以直接或间接测出被测对象
量值的量具, 计量仪器和计量装臵都统称为计量器具 。
计量器具按作用可分为计量基准, 计量标准和工作计量
器具三类 。
? （ 2） 计量标准器具,准确度低于计量基准, 用于检
定计量标准或工作计量器具的计量器具 。
? （ 3） 工作计量器具,工作岗位上使用, 不用于进行
量值传递, 而是直接用来测量被测对象量值的计量器具 。
电子测量原理
第 28页
1,2,3 基准和标准 （续）
? （ 4） 比对,在规定条件下, 对相同准确度等级的同
类基准, 标准或工作计量器之间的量值进行比较, 其目
的是考核量值的一致性 。
? （ 5） 检定,是用高一等级准确度的计量器具对低一
等级的计量器具进行比较, 以达到全面评定被检计量器
具的计量性能是否合格的目的 。 一般 要求计量标准的准
确度为被检者的 1/3到 1/10。
? （ 6） 校准,校准是指被校的计量器具与高一等级的计
量标准相比较, 以确定被校计量器具的示值误差 （ 有时
也包括确定被校器具的其他计量性能 ） 的全部工作 。
? （ 7） 量值的传递,指一个物理量单位通过各级基准,
标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用
的测量仪器, 量具, 以保证量值统一的全过程 。
电子测量原理
第 29页
1.2.4 测量基准的权威性和相对性
1.基准的权威性
? 基准的理论定义最严格的, 制作工艺技术最先进 。
? 原器基准自身也会随时间, 地点, 环境条件而变化,
甚至会损坏, 会失传 。
? 从现代科学的观点来看, 最好的基准是原子基准 。
2.基准的相对性
一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平
例：以太阳为基准, 时间测量的精确度 1天内可达到 1秒钟 。
而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过 1
秒 。
电子测量原理
第 30页
1.2.4 测量基准的权威性和相对性 （续）
电子测量原理
第 31页
1.2.5 测量标准的传递
中国计
量院
中国测
试院
国家标
物中心
授权基准
实验室
大区国家计量中心
省级计量所
市（地）计量所
分
站
县（区）计量所
工矿企业、商店、研究院
所、医院、学校等
国
防
计
量
中
心
行
业
计
量
中
心
国
家
专
业
计
量
站
国家
标准
Ⅰ
级
Ⅱ
级
Ⅲ
级
工作
标准
自上而下逐级传递
电子测量原理
第 32页
1,3 测量误差的基本概念
1.3.1 测量误差的定义
? 测量的目的, 获得被测量的真值。
? 真值, 在一定的时间和空间环境条件下，被测量
本身所具有的真实数值。
? 测量误差,
? 所有测量结果都带有误差 。
Axx ???
电子测量原理
第 33页
1.3.2 测量误差的来源
? （ 1） 仪器误差,由于测量仪器及其附件的设计, 制造,
检定等不完善, 以及仪器使用过程中老化, 磨损, 疲劳
等因素而使仪器带有的误差 。
? （ 2） 影响误差,由于各种环境因素 （ 温度, 湿度, 振动,
电源电压, 电磁场等 ） 与测量要求的条件不一致而引起
的误差 。
? （ 3） 理论误差和方法误差,由于测量原理, 近似公式,
测量方法不合理而造成的误差 。
? （ 4） 人身误差,由于测量人员感官的分辨能力, 反应速
度, 视觉疲劳, 固有习惯, 缺乏责任心等原因, 而在测
量中使用操作不当, 现象判断出错或数据读取疏失等而
引起的误差 。
? （ 5） 测量对象变化误差,测量过程中由于测量对象变化
而使得测量值不准确, 如引起动态误差等 。
电子测量原理
第 34页
1.3.3 测量误差的表示方法
测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法 。
? 1.绝对误差
? （ 1） 定义, 由测量所得到的被测量值与其真值之差,
称为绝对误差
0Axx ???
x x A? ? ?
?实际应用中常用实际值 A（高一级以上的测量仪器或计量器
具测量所得之值）来代替真值。
?绝对误差：
x? 有大小，又有符号和量纲
电子测量原理
第 35页
1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? （ 2） 修正值
? 与绝对误差的绝对值大小相等, 但符号相反的量值, 称
为修正值
? 测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出, 修
正值可以是数值表格, 曲线或函数表达式等形式 。
? 被测量的实际值
xAxC ?????
CxA ??
电子测量原理
第 36页
1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? 2.相对误差
? 一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而
且与这个量本身的大小有关。
? 例：测量足球场的长度和成都市到绵阳市的距离, 若绝
对误差都为 1米, 测量的准确程度是否相同？
? （ 1） 相对真误差, 实际相对误差, 示值相对误差
相对误差：绝对误差与被测量的真值之比
相对误差是两个有相同量纲的量的比值, 只有大小和符号,
没有单位 。
0
100%xA? ???
电子测量原理
第 37页
1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
实际相对误差,用实际值 A代替真值 A0
示值相对误差,用测量值 X 代替实际值 A
100%A xA? ???
100%x xx? ???
电子测量原理
第 38页
1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? （ 2） 满度相对误差 （ 引用相对误差 ）
? 用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与
该量程值 （ 上限值－下限值 ） 之比来表示的相对误差,
称为满度相对误差 （ 或称引用相对误差 ）
100%mm
m
x
x
? ???
0
m
x
||
m
x??
||
m
x??
A
x
Am
xA?
?仪表各量程内绝对误差的
最大值
m mmxx?? ? ?
电子测量原理
第 39页
1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? 电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。是仪表在
工作条件下不应超过的最大引用相对误差
? 我国电工仪表共分七级,0.1,0.2,0.5,1.0,1.5，
2.5及 5.0。如果仪表为 S级，则说明该仪表的最大引用误
差不超过 S%
? 测量点的最大相对误差
? 在使用这类仪表测量时, 应选择适当的量程, 使示值尽
可能接近于满度值, 指针最好能偏转在 不小于满度值 2/3
以上的区域 。
m?
%mx x S
x
? ?
电子测量原理
第 40页
1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? [例 1-3] 某待测电流约为 100mA,现有 0.5级量
程为 0～ 400mA和 1.5级量程为 0～ 100mA的两个电
流表, 问用哪一个电流表测量较好？
2
100% 1, 5 % 1, 5 %
100
m
x
x S
x
? ? ? ? ?
?用 1.5级量程为 0～ 100mA电流表测量 100mA时的最大相
对误差为
1
400% 0, 5 % 2 %
100
m
x
x s
x
? ? ? ? ?
?解：用 0.5级量程为 0～ 400mA电流表测 100mA时，最大
相对误差为
电子测量原理
第 41页
1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
? （ 3） 分贝误差 —— 相对误差的对数表示
? 分贝误差是用对数形式（分贝数）表示的一种相对误差，
单位为分贝（ dB）。
电压增益的测得值为 误差为
用对数表示为增益测得值的分贝值
分贝误差
o
x
i
VA
V?
2 0 l g ( )xxG A d B?
2 0 l g ( 1 )dB A
A
? ???
AAA x ???
电子测量原理
第 42页
1.3.3 测量误差的表示方法 （续）
电子测量原理
第 43页
1.4 测量信息的获取原理
本节中将主要阐述以下基本问题：
? 信息的含义是什么？
? 为什么信息可以被获取？
? 信息获取是怎样的过程？
? 信息获取过程中采用了哪些基本方法？
? 这些方法的实现途径是什么？
? 信息获取的限制因素及其克服措施是什么？
测量是研究获取被测对象
信息的一门科学。
电子测量原理
第 44页
1.4.1 信息的概念
1,客体的实有的信息 —— 客观信息
? 某事物客体所具有的信息，是指该客观存在的事物的运动
状态及其变化方式的自我表述或自我显示。
? 客体论的信息是一种客观的存在, 不以主体的存在与否为
转移, 或者无论是否被其主体感受到, 都丝毫不影响它的
,自我表述, 或, 自我显示, 。
? 任何事物都具有一定的内部结构，同时处在一定的环境之
中，正是这种内部结构和外部环境两者综合作用，决定了
事物的具体运动状态和状态变化方式。
? 但在有时人们很难了解事物的内部结构状况, 这时就只能
把它看作一个, 黑箱,, 并通过它的外部联系 （ 如输入 /
输出关系等外部行为 ） 的状态及其变化方式来获得信息 。
电子测量原理
第 45页
1.4.1 信息的概念 （续）
2,主体认识论的信息 —— 主观信息
? 是指主体所感知或表述的关于该事物的运动状态
及其变化方式，及有关的形式、含义和效用。
? 主体认识论层次的信息的内涵比客体论层次信息
丰富得多。这是因为作为认识的主体：
? （ 1）具有感觉的能力，能够感觉到信息的外在形式。
? （ 2）具有理解能力，能够理解信息的内在含义。
? （ 3）具有目的性，因而能够判断信息对其目的而言的
价值。
电子测量原理
第 46页
1.4.1 信息的概念 （续）
3.全信息 —— 是同时考虑了事物运动状态及其变化
方式的外在形式、内在含义和效用价值的主体认
识论层次信息。
4．实在信息、先验信息、实得信息
全信息 语义信息
语用信息
{
语法信息
电子测量原理
第 47页
1.4.2 信息的感知
1,感知的基本原理
? 信息感知的基本机制在于要有某种组织或器官能
够灵敏地感受到被测对象运动的状态及其变化的
方式 。
? 信息感知，是感知事物运动的状态及其变化方式，
其实质是把客体论层次的信息转换为主体认识论
层次的语法信息
信 息感 知
主 体 认 识论 信 息
（ 语 法信 息 ）
客 体 层次 的 信 息
（ 信号 ）
yx
电子测量原理
第 48页
1.4.2 信息的感知
2,感知的基本技术 —— 传感器与敏感器
? 测量的第一个环节是信息的感知 。
? 传感器是感知各种非电信息并把非电量转换为电
量输出的器件或装臵, 它是非电系统与电系统之
间的接口, 本质上是完成信息载体的转换 。
? 传感器根据转换的效应可分为物理型, 化学型和
生物型三大类 。
例：热敏电阻把被测温度的变化转换为电阻的变化 。
电子测量原理
第 49页
1.4.3 信息的识别
? 1．识别的基本原理
? （ 1） 识别是把感知的语法信息 （ 信号形式 ） 转换成人们
能够理解的语义信息 。
? （ 2） 识别 （ 分类 ） 的基本原理是形式特征的比较 。 由于
信息的类别不同, 其形式特征也不相同, 因此, 理论上
信息总是可以分辨 （ 识别 ） 的 。
? （ 3） 识别的原则是：相似而认同, 相异而拒斥 。
? （ 4） 由于识别环境存在固有干扰, 待识别的信息天然不
理想, 理论方法不完备和信息类别相似性的表达不完善,
因此, 无论怎样精巧地设计信息识别系统, 完全无差错
的识别是不现实的 （ 误差存在的绝对性 ） 。
电子测量原理
第 50页
1.4.3 信息的识别
2,识别的基本技术
为了把语法信息（信号）转换人们能够理解的语义信息，须
使用信号的比较、变换、处理和显示技术。
（ 1）比较 —— 用已知量和未知量比较。
（ 2）变换 —— 某些被测量不便于直接比较，无法直接观测而
采用了变换。为了获得更高的识别分辨力和精度、更快
的速度、更宽的量程而采用变换技术。
例如，雷达测量飞机的距离，采用了把距离变换成时间，通
过直接测量电脉冲来回传输的时间来测得距离。
（ 3）信息处理 —— 泛指为了各种目的而对信息所进行的变换
和加工。
（ 4）显示原理 —— 显示的基本功能是把人眼不可见的信息转
化成为可见的信息
电子测量原理
第 51页
1.4.3 信息的识别 （续）
测量
客体
客体
信息
比
较
标
准
处
理
显
示
规范化
信号
语法
信息
量化
信息
可见
信息
信息识别
语义
信息
处
理
语用信息
测量
人员
目标信息
激励
传
感
语法
信息
变
换
信
号
信息感知
3,测量的原理 —— 测量的信息过程
测量客体 —— 信息感知 —— 信息识别 —— 测量主体
语法信息 —— 语义信息 —— 语用信息
电子测量原理
第 52页
1.4.3 信息的识别 （续）
? （ 1）人工处理方式
例：一个模拟式的交流电压表的原理框图, 它测量交流电压
的有效值 。
工作原理是被测交流电压经峰值检波器变换成直流电压
（ AC-DC电压变换 ）, 然后经直流电压放大 （ 幅度变换 ）
和电压转换为电流输出 （ 电压 -电流变换 ）, 去驱动电
表指针偏转 （ 电压 -指针偏转换变换 ） 。
检 波
放
大
～
u
显示
被测对象 测量人员
电子测量原理
第 53页
1.4.3 信息的识别 （续）
温
度
压
力
流
量
转
速
水
位
传
感
器
1
u
1
信
号
调
理
U
1
传
感
器
2
u
2
信
号
调
理
U
2
传
感
器
3
u
3
信
号
调
理
U
3
传
感
器
4
u
4
信
号
调
理
U
4
传
感
器
5
u
5
信
号
调
理
U
5
多
功
能
切
换
开
关
S/
H
A/
D
计
算
机
数码
管
CR
T
显
示
打印
机
绘图
仪
输
出
设
备
数
字
I/
O
D / A
模拟信
号
输 出
（ 2）自动化方式
电子测量原理
第 54页
1.4.3 信息的识别 （续）
目 的
知识库
理解与分析信息选择 决 策
语法
信息 全信息
? （ 3） 智能化处理
? 机器智能 —— 人所赋予机器的一种智能。
? 智能包含信息、知识、策略和行为四个要素，具有获
取有用信息、由信息生成知识（认识）、由知识和目
的生成策略（决策）以及实施策略取得效果（施效）
等四个方面的能力。
电子测量原理
第 55页
1.5 测量的间接比较与直接比较原理
y 1 y 2 y电量变换
（测量电路） 信宿点
非电逆变换
（显示器）
被测量 x
信源点
非电变换
（传感器）
y 1 =f 1 ( x )
2 2 1
()y f y? 32 ()y f y?
? 测量最基本的原理是比较，比较是认识和区别被测对象的
一种重要方法。 测量是通过比较来取得一个定量的认识
1.5.1 基于比例变换的间接比较法 （ 偏转法 ）
1.比例变换的原理
（ 1） 三种类型的子变换：
A
? ?3 2 1[ ( ) ] ( )y f f f x f x??
电子测量原理
第 56页
1.5.1 基于比例变换的间接比较法 （续）
? 例：弹簧秤是偏转法直读式仪器的一个简单例子 。
被测重物放在弹簧秤上, 把物体的重量变成弹簧
的弹性形变 。 然后, 形变带动机械式仪表的指针
成比例的偏转, 指示出被测物体的重量 。
直读式
电压表
电子测量原理
第 57页
1.5.1 基于比例变换的间接比较法 （续）
（ 2） 实现结构
由于
故：
式中
K 1 K 3K 2x
u
2
u
3
y
u
1
y
1
y
2
y
3
信源点
信宿点
)( 111 uxKy ?? )( 2122 uyKy ?? )( 3233 uyKyy ???
3 2 1 1 2 3{ [ ( ) ] }y K K K x u u u K x u? ? ? ? ? ?
1 2 3K K K K? 32
1
1 2 3
uuuu
K K K? ? ?
电子测量原理
第 58页
1.5.1 基于比例变换的间接比较法 （续）
? （ 2）间接比较方法,
? 步骤为①校准 ②测量
（ a ) 测 零 点 值
非电－电变换
K
1
主体
电－非电变换
K
3
电－电变换
K
2
传感器 变换电路 显示器
（ b ) 测 标 准 量
非电－电变换
K
1
主体
电－非电变换
K
3
电－电变换
K
2
传感器 变换电路 显示器
（ c ) 测 未 知 量
非电－电变换
K
1
主体
电－非电变换
K
3
电－电变换
K
2
传感器 变换电路 显示器
0?x
0
y
s
y
x
y
sx ?
x
x
s
电子测量原理
第 59页
1.5.2 基于差值示零的直接比较法
1.差值检测原理,
被测量与标准量直接进行比较
① 需要一个具有 比较功能的电路, 要求比较的范围宽,
灵敏度和分辨力高；
② 需要一个 与被测量同类的可变标准量 参与比较, 要求
标准量准确且可细微调节 。
? 比较功能可由运算功能来实现
? 有两种方式：
? 差值运算比较
? 比例运算比较 x s
y
比较电路
被测量 标准量
电子测量原理
第 60页
1.5.2 基于差值示零的直接比较法
? 2,差值示零的平衡调节
? （ 1） 零示法原理, xs?
电子测量原理
第 61页
1.5.2 基于差值示零的直接比较法 （续）
（ 2） 实现平衡调节的结构 K
1
K
2
减法比较或
比例比较
K 3
变换
变换
变换
指示器
u
x
u
s
y ＝ 0
x
s
（ a ) 双 通 道 对 称 输 入 结 构
mu 或?
当 则s
k
kx
1
2?
12kk? xs?
电子测量原理
第 62页
1.5.2 基于差值示零的直接比较法 （续）
? 对称差动的桥式结构
( b ) 对 称 桥 式 结 构
sx
激励源
y=0
2
r
1
r
当 时，
1
2
r
xs
r
?
12rr?
xs?
电子测量原理
第 63页
1.5.3 减少误差的复合式比较
为了提高测量准确度，在比较中可采用各种减小测量误差
的方法，如微差法、替代法、对照法。
? （ 1） 微差法
? 在零示法中，要仔细调节标准量 S 使之与未知量 x相等，
这通常很费时间，有时甚至不可能做到，
? 微差法：标准量 S与被测量 x相差了一微小量,
再用仪器测出,即求得待测量 x ?
?
xs ???
电子测量原理
第 64页
1.5.3 减少误差的复合式比较 （续）
微差法进行测量时，测量误差公式：
测量仪器的误差 对测量的
影响被大大地削弱
优点：测量速度快和测量准确度高。
xS
x S x
??
?
? ? ???
/???
0
-v +v
x s
电子测量原理
第 65页
1.5.3 减少误差的复合式比较 （续）
电子测量原理
第 66页
1.5.3 减少误差的复合式比较 （续）
? 2.替代法
? 在测量条件不变的情况下，用一已知的标准量去替代
未知的被测量，通过调整标准量而保持替代前后仪器
的示值不变，于是 标准量的值等于被测量值。
替 代 法 的 测 量 原 理
x s
0
-v +v
2
KK
1
（ b ) 零 示 法( a ) 偏 转 法
x s
0
-v +v
2
KK
1
r
电子测量原理
第 67页
1.5.3 减少误差的复合式比较 （续）
? 3.交换法
? 通过交换被测量和标准量的位臵，从前后两次换位测
量结果的处理中，削弱或消除系统误差。
? 特别适用于平衡对称结构的测量装臵中，并通过交换
法可检查其对称性是否良好。
第一次平衡
第二次平衡
上两式相乘、开方得：
1 2 1 2
1 ()
2x
W W W W W? ? ?
1 1 2xW l W l?
2 2 1xW l W l?
( a ) 天 平 称 重
x
W
W
1
l
1
l
2
x
WW
2
l
1
l
2
电子测量原理
第 68页
1.5.3 减少误差的复合式比较 （续）
? 例：在电桥中采用交换法测电阻
1 2 1 2
1 ()
2x s s s s
R R R R R? ? ? ?
电子测量原理
第 69页
1.6 电子测量中的基本实现技术
1.6.1 电子测量中的变换技术
1.量值变换
? 量值是指电压, 电流, 功率, 阻抗, 时间等电参
量的幅值大小 。
? 量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小 。
? 把量值处于难以测量的边缘状态 （ 太小或太大 ）
的被测量, 按某一已知比值变换为量值适中的同
样参量进行测量 。
? 通过量值变换, 可增加测量范围, 提高测量分
辨力和精度 。
电子测量原理
第 70页
1.6.1 电子测量中的变换技术 (续）
（ 1） 信号放大与衰减
信号放大是为了将微弱的被测信号，放大到足以进行各种转换处理，
或能驱动指示器、记录器。
? 测量放大器 —— 是指在测量系统中用来放大微弱电压, 电流或电荷信
号的放大器 。 要求低漂移
结构原理：差动直接耦合式, 调制式 （ 斩波稳零 ） 和自动稳定式三大
类 。 还有高输入阻抗放大电路, 高共模抑制比放大器, 电桥放大器,
电荷放大器, 程控增益放大器, 隔离放大器等 。
? 衰减器 —— 用来降低测量系统中的信号电平
用途：使大的信号进入仪器的测量范围, 或者通过降低信号电平来控
制失真, 或改进阻抗匹配, 或对信号源去耦等
分类：电阻式, 感应式, 吸收式, 回转式, 截止式, 电调式等 。
电子测量原理
第 71页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? （ 2） 阻抗变换
? 电子测量中, 特别是在微波测量中, 当 将不匹配的负
载与传输线连接时, 或将特征阻抗不同的传输线进行
连接时, 信号传输中将产生强烈反射 。
? 为了保证良好的传输, 必须在传输线与负载之间或不
同特征阻抗的传输线之间接入一种阻抗变换的双口网
络, 改变阻抗的大小, 实现阻抗的匹配 。
? 在信号源的功率放大器输出电路中，也要求负载阻抗
匹配，常用变压器等进行阻抗变换，以保证最佳功率
传输。
? 电子测量仪器输入端具有很高输入阻抗,输入跟随器
则是实现了输入通道从高阻到低阻的阻抗变换。
电子测量原理
第 72页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? 2.频率变换
? （ 1） 检波,交流电压变成直流电压
常用磁电式电表, 它只能测量直流, 交流信号必
须检波成直流信号来测量
? （ 2） 斩波,把一个直流电压调制成交流电压,
经过交流放大, 然后再把交流电压通过反调制
（ 解调 ） 还原为直流电压的过程 。
斩波的作用是对微弱的直流电压进行放大
电子测量原理
第 73页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? （ 3） 变频 （ 混频 ）
? ① 进行频率的加减运算 。
? ② 获得很宽的频率覆盖范围 。
? ③ 获得高增益, 提高测量仪器的灵敏度 。
? ④ 实现中频或低频替代, 以提高测量精度 。
? ⑤ 实现频率的精密测量 。
例,f=200.020kHz～ 220kHz
f0=200kHz
则 F=f-f0=20Hz～ 20kHz
覆盖系数从 1.1扩展到 1000
LC振
荡器
f F=f-f 0
f
0
电子测量原理
第 74页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
（ 4） 倍频
? ① 倍频器是频率综合技术中的乘法器 。
? ② 差频倍增法
? ③ 用倍频法减小测量误差 。
利用电子计数进行频率测量时, ± 1误差将决定
测量误差 。 若 KHz,± 1的相对误差为 10-3,如果
先对进行 103倍的锁相倍频后测量, 则该项误差可
降为 10-6。
()x s x sm f m f m f f m f? ? ? ? ?
电子测量原理
第 75页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? （ 5） 分频
? 分频是于对信号频率进行除法运算
? （ 6） 频率合成
? 频率合成是把一个 （ 或少量几个 ） 高稳晶振频率源经
过一系列综合的加, 减, 乘, 除四则运算, 可作为随
意调节频率的高精度信号源 。
? （ 7） 取样技术
? 取样门电路将高频信号进行取样变换, 使之以低频形
式复现出来 。
? 它可以把频率上限扩展到几 GHz甚至几十 GHz。
电子测量原理
第 76页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? 3.波形变换
? （ 1） 整形 将任意形状的波形变成规则的脉冲波形,
? 例如, 用于电子计数器的输入通道中 。
? （ 2） 限幅 把信号波形幅度限制在一定范围内
? （ 3） 微分 由矩形脉冲形成一个窄脉冲 。
? 在电子计数器, 取样示波器, 广谱信号源中广泛使用 。
? （ 4） 合成 多种波形叠加成复杂波形 。
? 例如合成 CRT显示的视频信号波形 。
? （ 5） 变换 方波变成三角波或正弦波, 三角波变成正弦
波或方波, 正弦波变成方波或三角波等 。
? 波形变换技术广泛用于多波形函数发生器中 。
电子测量原理
第 77页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
4） 参量变换
? （ 1） AVΩ 变换 —— 电流, 电压, 电阻之间的变换
? 多用表中采用的 AVΩ 变换, 包括交流 /直流 （ AC/DC）,
电流 /电压 （ I/V） 和电阻 /电压 （ /V） 的转换, 实现了
交, 直流电压, 电流, 电阻等多种测量功能 。
? （ 2） V/F变换 —— 模拟直流电压转换为频率
? （ 3） V/T变换 —— 模拟直流电压转换成时间
? （ 4） 网络参数的变换
电子测量原理
第 78页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? 5.能量变换
能量变换是泛指其他多种形式的物理量与电学量之间的变换 。
传感器就是能量变换器, 即从非电量变换成电量
? 一般分为参量变换器及电势变换器两大类：
? 参量变换器是将各种物理量变换成电阻, 电感, 电容
或磁导率等 。 例如, 常用的电阻丝应变片, 电感式变
换器, 电容式变换器
? 电势变换器是将各种物理量变换成电势, 电流等电量
的变换器, 例如, 感应变换器, 光电变换器, 压电变
换器, 热电偶等 。
? 在显示器中, 把电量变换成非电量 —— 机械量, 光学量
等 。 如指针的偏转, 发光的数码, 字符和图像等 。
? 6.模 /数和数 /模变换
电子测量原理
第 79页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? 例：试说明实现弹簧称, 指针式直流电压表, 电子示波
器等三种仪器的测量功能中所采用的变换技术 。
解 （ 1） 弹簧称 —— 把物体的重量变成了弹簧长度的形变,
进行了机械量到机械量的变换；
（ 2） 指针式直流电压表 —— 电压的量值变成了电表指
针偏转角的大小, 进行了电量到机械量的变换；
（ 3） 示波器把电信号的波形无失真地变换成了在荧光屏
上光信号的波形, 进行了电到光的变换 。
电子测量原理
第 80页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? [例 ] 试以数字多用表测量交流电流为例, 阐述变换技术
在电子测量中的应用 。
? ① 交流电流 /交流电压的变换； ② 交流电压 /直流电压的
变换； ③ 直流电压的幅值变换； ④ 模拟 /数字的变换； ⑤
BCD码 /七段码的码制变换； ⑥ 显示器件的电 /光转换 。
I ~ /V ~ AC/DC 放大或 衰减 A / D B C D / 七段码 数码显示
i ~
电子测量原理
第 81页
1.6.1电子测量中的变换技术 (续）
? 例：一个工件伤痕检测系统使用的变换技术
? ①机械量信息到光信号；②光信号变换成电信号；③
电信号被放大，进行了幅度变换；④对电信号比较、
校正的处理后抽取出了有关伤痕的有用信息；⑤电信
号到光信号的变换。
伤痕
▲
比
较
校
正
显
示
工件
光
源
光
信
号
电
信
号
滤
光
片
透
镜
固体图像
传感器
放
大
标准样板
电子测量原理
第 82页
1.6.2 电子测量中的比较技术
1.比较的基本概念
? 被测量为 x、标准量为 s、比较电路输出为 y。
? 当 x<s 时,y=YL；当 x>s时,y=YH
? 当 x=s 时,y出现一个跃变信号
被测量
标准量
x
s
比
较
电
路
y
y H
y L
0
y
s x
电子测量原理
第 83页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? （ 1） 比较的基本类型 （ 按功能分 ）,
? ① 标量比较 —— 它只识别两个同类的未知量是否相等,
例如两个炉子温度是否相等,
? ② 矢量比较 —— 它识别一组同类的未知量的相对大小,
并按照由大到小 （ 或由小到大 ） 的顺序排列起来 。
? ③ 差值比较 —— 利用具有减法运算功能的比较电路, 取
出两个未知量之间的间隔大小 （ 差值 ）, 并对差值进行
比较 。
? ④ 比值比较 —— 它选择某个点作为参考点, 将每次测量
值除以参考值, 确定它们的相对大小 。 例如, 在一组测
量值中以最大测量值作参考, 得到测量值以百分数表示 。
? ⑤ 量化比较 —— 被测未知量与标准单位量比较, 确定它
是该单位的若干倍或是若干分之一 。 A/D转换器是基于量
化比较的典型部件 。
电子测量原理
第 84页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
（ 2） 电子测量中的典型比较方法
? ① 差值运算比较
? A,零示法：若测量过程中调节标准
量 s,使 y=0（ 电路平衡, 指示器为零 ）
时, 则 x=s；
? B,偏转法：若测量过程中选择接近 x
的 s,指示器测出微小差值 y,则
x=s+y（ 微差法 ）
? ② 比例运算比较 y=x/s
? A,零示法：若调节标准量 S,使 y=1
（ 电路平衡, 指示器为 1）, 则 x=s
? B,偏转法：若固定 S值, 指示器测出
y值, 则 x=y.s
0
-v +v
x s
x s
电子测量原理
第 85页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
2.电压比较
（ 1） 电平比较
? 两个模拟电压的大小的比较是用电压比较器来实现的
（ a ）差动型 （ b ）求和型 （ c ）比较特性
_
+
u x
u s
u o
_
+
u x
u s
比较器
u o
u s
u
x
0
xsuu?
1
2
xs
Ruu
R??
电子测量原理
第 86页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? （ 2） 差值型比较
采用能输出模拟差值电压的减法运算放大器 。 实现减法运
算功能的方法也有差动型比较和求和型比较两种 。
? （ 3） 比例型比较
具有除法或比例运算功能的电路或部件, 也可完成被测量
与标准量的比较 。 例如, 双积分式 A/D转换器中, 被测
电压与标准电压之间具有如下关系：
2
1
xs
TUU
T
?
电子测量原理
第 87页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
3.阻抗比较
? 电桥电路具有对称差动的电路结构, 是一种电量天平,
可以十分方便地实现差值检测和比例比较的功能 。
? 电桥电路具有灵敏度高, 测量范围宽, 温度补偿容易
实现, 测量电路的零点调节方便 。
（ a） 比例臂电桥 （ b） 有源电桥 （ c） 电压电桥 （ d） 电流电桥
31
24
ZZ
ZZ?
11
22
s
x
ZUN
U N Z??
电子测量原理
第 88页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? 例, 比例运算比较（半桥）电路
～ U
s
a R s
R x
b
U o
+
_xo
ss
RU
RU?
o
xs
s
URR
U?
电子测量原理
第 89页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? 4.频率 （ 时间 ） 比较
? ①时间差值比较：用 R-S触发器可实现时差的比较
R - S 触发器
t A
t B
Q
S R
t B
t A
T?
电子测量原理
第 90页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? ② 差频比较：
混频器可以实现两个频率的减法运算
还可利用差频比较法测量频率
③比例比较：测频率 fx=Nfs ；测周期 Tx=NTS
混频器f A
f B
F=f -f
A B
被测频率
标准频率
混频
器
F
f
x
f s
零差指示
= f x - f s
电子测量原理
第 91页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? 5,相位比较 —— 使用鉴相器
? （ 1）用乘法器或相敏检波器鉴相
c o s2x m s mo K U Uu ??
K
xy
u x
u s
u o = u x · u s
+
_
电子测量原理
第 92页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? （ 2）脉冲与数字式鉴相器
? 触发器构成的脉冲鉴相器,RS触发器或 D触发器
? 数字式鉴相器,由相位比较器 （ 9个与非门 ） 和电荷
泵组成
6,数字比较
? 二进制的数 N1和 N2加于异或门的输入端, 即可进
行比较
数
字
比
较
器
数
字
比
较
器
数
字
比
较
器
N1
N2
Q
电子测量原理
第 93页
1.6.2 电子测量中的比较技术 (续 )
? [例 ] 差动型电容式传感器能把位移、压力、振动、液
面位臵等物理量的变化，可高分辨地转换成两个电容值
之差值，即△ C=C1-C2（ C1 C2一般很小，为几皮法到几十
皮法），测量出△ C，即可测出其被转换的物理量。
12
0
12
()
2
CCUU
CC
??
?
交
流
放
大
器
相
敏
检
波
器
低
通
滤
波
器
交流信
号源
U
o
C
C
1
2
电子测量原理
第 94页
1.6.3 电子测量中的处理技术
? 信号运算与处理是电子测量中的基本技术
? 浅层的信息处理 基本上属于对信息的形式化关系所作的
变换或处理，仅仅利用了语法信息的因素。例如，在测
量交流电压的平均值、峰值、有效值时，需要对信号进
行加、减、乘、除、平方、开方、平均、取绝对值、峰
值等运算与处理。
? 深层信息处理 （特别是直接与优化、决策、认知等相联
系的信息处理）的目的是为了要从原始信息中获得相关
的, 知识,
? 运算电路分为 模拟运算电路和数字运算电路 两大类
电子测量原理
第 95页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
1,基本模拟运算
? 运算放大器辅之以不同的电路元件，可以组成诸如比
例、加减、微分、积分、对数、指数和乘除等电路
? （ 1）四则运算电路
A 1
u 2
R
R
_
+ A 2
R
R
_
+
R
R
R
U o
R
u 1
u 3
u 4
R
0 1 2 3 4U U U U U? ? ? ?
电子测量原理
第 96页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
? 指数和对数运算电路则是利用二极管的电流与其
端电压在一定条件下存在的指数关系来实现。
/
1 iT
UU
osU R I e?? 1
l n ( / ) l no T i s iU U U R I k U? ? ? ?
A
U i
D
R 1
_
+
R 2
A
U i
R 1
D
_
+
R 2
U o
图 2 - 2 0 指数电路和对数电路
电子测量原理
第 97页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
? 乘法运算或除法运算：
? 模拟乘法器：是新型集成器件，是利用晶体管的
非线性特性。
对数
对数
加 法
或减法
指数
U 1
U 2
U o
12oU U U?? 12oU U U??
电子测量原理
第 98页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
? （ 2） 积分和微分电路
? 运算放大器外接电感和电容等储能元件，则利用电路
在时域中的过渡过程可形成积分电路和微分电路；利
用其频域特性则可构成形形色色的滤波电路
A
u i
R
1
u c
_
+
C
i
A
u
i
_
+
R
u o
C
R 1
（ a ）基本积分电路 （ b ）基本微分电路
2
1
1
1 ()t
o i ctU u d t u tRC? ? ??
/oiu R C d u d t??
电子测量原理
第 99页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
（ 3）有源滤波器
? 按照频谱分析的观点, 任何信号都是一些不同幅度和
不同频率的正弦信号的组合 。
? 在被测信号中, 除了有用的频率成分之外, 往往不可
避免地含有一些无用噪声的频率成分 。
? 滤波器的功能就是利用其频率特性来保留有用的频率
成分, 削弱或消除无用的频率成分, 即具有信号分离
的功能 。
? 分为低通, 高通, 带通和带阻等不同滤波器 。A
f
A
f
A
f
A
f
电子测量原理
第 100页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
? [例 ] 运算与处理功能在电压测量中的应用 。
? 计算公式
? 第一级为模拟乘法器, 完成被测电压的平方运算；第
二级为积分器, 完成平均运算；第三级为开方器, 完
成开平方根的运算；最后一级为放大器, 按一定比例
放大的直流输出电压去驱动电表使电表, 按被测电压
的有效值进行线性刻度 。
模 拟
乘 法器
积分 器 开方器 放大 器
2 ()ut 2
0
1
()
T
u t d t
T ?
2
0
1
()
T
u t d t
T ?
U
o x
2
0
1 ()TU u t d t
T
? ?
电子测量原理
第 101页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
2.数字计算与数字信号处理
? 基于数字逻辑电路的硬件方式,利用现有的各种数字逻
辑门、译码器、触发器、寄存器、计数器、全加器等，
以及各种 CPLD,FPGA等可编程逻辑，组成各种数字逻辑
的运算与控制单元。
? 基于微处理器和微型计算机的嵌入式系统的软件方式：
通过软件编程，可完成各种数字与逻辑的运算。
? 它不仅能完成常用的数学运算，而且能实现统计运算、
FFT运算等。运算功能强、精度高、速度快、灵活性及
抗干扰性强。
? 再加之微机和单片机的逻辑运算与控制功能，实现现
代测试仪器系统的智能化、自动化、虚拟化和网络化。
电子测量原理
第 102页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
（ 1） 数字信号处理 （ DSP） 的基本内容
? 广义来说, 数字信号处理是研究用数字方法对信号进
行分析, 变换, 运算, 滤波, 检测, 估计, 增强, 压
缩, 调制, 解调以及快速算法的一门技术学科 。
? 狭义来说也有人认为：数字信号处理主要是研究有关
? 数字滤波技术,把信号的有效信号提取出来, 抑制
（ 削弱或滤除 ） 干扰或噪声的一种处理 。
? 离散变换快速算法,FFT
? 频谱分析方法, 主要使用频谱分析仪和信号分析仪
? 信号处理包括时域和频域处理 。 时域处理中最典型的
是波形分析, 示波器就是最常用的仪器 。 信号频域处
理主要指滤波, 主要使用频谱分析仪和信号分析仪
电子测量原理
第 103页
1.6.3 电子测量中的处理技术 (续 )
（ 2） 数字信号处理的应用
? 测试信号处理
? 语音信号处理
语音的识别, 理解, 合成, 增强, 数据压缩
? 图像信号处理
图像压缩, 解压, 增强, 恢复, 分割, 识别, 编码和重建
? 振动信号处理
? 地球物理信号处理
为了探测地下深处所储藏的石油和天然气以及其他矿藏, 通常采用地
震勘探方法来探测地层结构和岩性 。 即在一选定的地点施加人为
的激震, 如用爆炸方法产生一振动波向地下传播, 遇到地层分界
面即产生反射波, 在距离振源一定远的地方放臵一列传感器, 接
收到达地面的反射波 。 从反射波的延迟时间和强度来判断地层的
深度和结构 。
? 生物医学信号处理
电子测量原理
第 104页
1.6.4 电子测量中的显示技术
? 测量结果必须通过显示器件把各种电信号转换成人们五
官可直接感知的机械运动、数字、文字、图形、图像等
形式的信号显示出来
? 1.指示式仪表
? （ 1） 指示式电工仪表的分类
用指针的偏转来表示电量的仪表称为指示式电工仪表 。
? 按工作原理分类，可分为动圈式、动铁式、电动式、热电
式、静电式、整流式和感应式等。
? 按准确度等级分类，可分为 0.1,0.2,0.5,1.0,1.5，
2.5,5.0等共 7级。
? 按用途分类，可分为电流表、电压表、功率表、电能表、
功率因数表、频率表、相位表、兆欧表、电容表等
电子测量原理
第 105页
1.6.4 电子测量中的显示技术 (续 )
（ 2）分度盘及标记符
（ 3）指示式仪表的结构原理
被测电流 I在可动线圈中流过时产生电磁力 F，使可动线圈以
轴为中心转动，由此产生 与电流 I成比例的驱动力矩 Td，
带动指针偏转，从仪表的标尺分度读数测得电流。
电子测量原理
第 106页
1.6.4 电子测量中的显示技术 (续 )
2） 电光显示器件
? （ 1） 发光二极管 （ LED）
? 利用正向偏臵 PN结中电子与空穴的幅射复合发光, 发射
出非相干光, 光谱较宽, 发散角大, 视角效果好；
? LED的发光颜色多, 辉度高, LED的单元体积小, 电压低,
驱动电流小, 寿命长 。
? ① 指示灯 ② 数字显示器
电子测量原理
第 107页
1.6.4 电子测量中的显示技术 (续 )
? （ 2） 液晶显示器 （ LCD）
? 液晶是一种具有光学双射性的液体状的晶体,
液晶显示器件在电信号驱动下，控制其对入射偏
光的反射或透射，实现 LCD的显示
? LCD具有薄型、轻量、低功耗、低工作电压等特
点
? ① 数字, 字符显示
? ② 平面显示
电子测量原理
第 108页
1.6.4 电子测量中的显示技术 (续 )
? （ 3）阴极射线管（ CRT）
CRT可分为电视用、显示终端用及仪器仪表用几种类型
电子测量原理
第 109页
本章小结
? 测量是测量主体通过比较的方法，对被测对象取得定量
信息（即量值）的实验过程，是人类获取信息的基本手
段，是认识客观世界的主要工具。
? 计量是为了保证量值的统一和准确一致的一种测量。它
具有统一性、准确性和法制性的三个主要特征。
? 测量误差的概念、来源，绝对误差和相对误差的定义和
计算。
? 测量是研究信息获取的科学，它包括信息的感知和识别。
? 测量是为了确定被测对象的量值而进行的比较，分为直
接比较、间接比较。
? 测量的基本技术有：变换、比较、处理和显示
