电子测量与仪器及课后答案-宋悦孝-主编

高等职业教育电子信息贯通制教材（电子技术专业）

电子测量与仪器

电子教学资料

宋悦孝主编

Publishing House of Electronics Industry

北京BEIJING

前言

为了配合《电子测量与仪器》课程的教学，体现教材的编写特色，更好地为读者服务，编写本教学资料。教学资料内容包括三个部分：

第一部分是教学指南，包括课程性质与任务、课程内容和要求、教学建议、教学时间分配。

第二部分是习题答案，给出了多数习题的详细解答过程。

第三部分是电子教案，采用PowerPoint课件形式。教师可以根据不同的教学要求按需选取和重新组合。

限于编著者水平，教学资料中有错误或不妥之处，敬请读者给予批评指正。

编者

2003年12月

《电子测量与仪器》教学指南

一、课程的性质与任务

《电子测量与仪器》是电子与信息技术类专业及相近专业的一门必修技术课。主要介绍电子测量基本概念、测量基本原理及常用电子测量仪器的基本组成与操作应用。

本课程的主要任务是使学生具备电子测量技术与测量仪器方面的基础知识和基本技能，为学生学习专业技术和职业技能奠定基础，使他们成为具有全面素质和实践能力的应用型技术人才。

主要教学目标是学习电子测量技术原理、测量仪器以及测试系统方面的专业知识和职业技能；学习分析问题、解决问题的基本方法；学习基本的科学思维方式和工作方法；培养职业道德、促进全面素质的提高。为学生今后从事电子与信息技术类等方面的工作打下良好的基础。

（1）基本概念方面：基本概念主要包括测量数据处理、电子测量仪器使用与组成，以及测量原理等方面的概念。掌握电子测量与仪器的基本概念是学习本门课程的基础，对于绝大多数基本概念，尤其对那些在工作实践中比较常用的概念应能够牢固掌握、灵活应用，并注意个别概念间的区别。

（2）测量技术方面：测量技术主要包括电压测量技术、波形显示与测量技术、频域测量技术、元器件测量技术、频率/时间测量技术、数据域测量技术等。测量技术是进行测量工作的理论指导，也是测量仪器构成与应用的理论依据。对于测量技术应能够理解掌握，并灵活应用，切忌生搬硬套，并学会用所学理论解决实际问题。

（3）测量仪器的构成与应用方面：测量仪器主要包括电压测量仪器、波形显示仪器、频域测量仪器、元器件测量仪器、频率/时间测量仪器、数据域测量仪器、智能仪器等，所有仪器的构成都是以其测量原理为依据的，只要理解掌握了测量原理，学习仪器的构成与应用就游刃有余了。

（4）测量技能方面：测量技能主要包括测量的组织进行、测量仪器的选用、测量数据的处理、测量中现象的分析和问题的解决以及查阅资料等方面的综合能力，是学习本课程的目标。需要通过实验实习来提高学生的测量技能。要求教学工作中要不失时机地增加学生动手实践的机会，并鼓励学生多动手、多观察、多分析、多思考，并养成严谨求实、讲究科学的好作风。

二、预备知识

本书从电子测量与仪器基本概念、基本原理等基本知识入手，比较全面、系统地介绍了电子测量技术及其在电子测量仪器或测量中的应用，以及测量仪器的基本操作与应用

等。读者在学习本书之前，应具备一定的模拟电子技术、脉冲与数字电路等基础知识和一定的电子实验实践的基本技能。

三、教学内容、教学重点与教学要求

第1章电子测量与仪器的基本知识

（一）教学内容

电子测量的内容与方法，测量误差的表示与分类，测量结果的表示与有效数字的处理等。

（二）教学重点

测量误差的表示与应用，测量结果的表示及测量数据的处理。

（三）教学难点

测量误差的表示与应用，测量结果的表示与有效数字处理。

（四）教学要求

明确电子测量的方法，掌握测量误差的基本计算，掌握准确度等级、允许误差的概念，明确电子测量误差的种类，了解测量结果的表示方法与测量数据的处理，了解通用电子测量仪器的主要分类。

第2章测量用信号发生器

（一）教学内容

信号发生器的分类与功能，主要技术指标，信号发生器的主要组成原理与操作使用等。

（二）教学重点

信号发生器分类与功能，主要技术指标，基本工作原理与基本操作使用。

（三）教学难点

信号发生器基本工作原理与基本操作使用。

（四）教学要求

掌握信号发生器分类与功能、主要技术指标，了解信号发生器基本工作原理，熟悉信号发生器基本操作使用，了解频率合成原理与正弦波成形电路工作原理。

第3章电压测量与电压表

（一）教学内容

交流电压的表征，交流模拟电压表分类与读数修正，数字电压表技术指标与A/D变换器。

（二）教学重点

交流电压的表征，交流模拟电压表分类与读数修正。

（三）教学难点

A/D变换器工作原理与特点分析。

（四）教学要求

掌握交流电压的表征以及均值电压表、峰值电压表读数修正，明确检波器种类及电路组成，了解均值表、峰值表、有效值电压表的结构类型，了解数字电压表基本组成以及A/D变换器工作过程。

第4章波形测试与仪器

（一）教学内容

波形测试的原理，示波器的组成，示波器多波形显示，示波器的应用，数字存储示波器和取样示波器。

（二）教学重点

波形测试原理，示波器的组成，示波器多波形显示和示波器的应用。

（三）教学难点

波形测试原理和示波器的组成及开关旋钮的作用与实现方法。

（四）教学要求

掌握示波器的基本组成，明确示波器线性偏转特性与示波器用途，掌握示波器直接测量电压、周期和双踪法测量相位差。理解示波器双踪显示原理，熟悉示波器有关开关旋钮的作用。了解示波器测量电压、周期、频率、相位差的其他方法及示波器测量调幅系数方法。

第5章频域测量与仪器

（一）教学内容

扫频仪、频谱仪工作原理，扫频仪、频谱仪技术指标与应用

（二）教学重点

扫频仪、频谱仪工作原理与技术指标

（三）教学难点

扫频仪、频谱仪操作应用

（四）教学要求

明确扫频仪、频谱仪的用途，掌握扫频仪、频谱仪的工作原理，了解扫频仪、频谱仪技术指标与操作应用。

第6章电子元器件测量与仪器

（一）教学内容

集中参数元件的等效，伏安法、电桥法与谐振法测量原理，晶体管特性图示仪组成与使用。

（二）教学重点

伏安法、电桥法与谐振法测量原理，晶体管特性图示仪组成与使用。

（三）教学难点

阻抗的数字化测量原理，不平衡电桥测量原理，谐振法测量原理，晶体管特性图示仪组成原理与使用。

（四）教学要求

掌握伏安法、电桥法、谐振法测量原理与用途，掌握晶体管特性图示仪组成原理，明确晶体管特性图示仪的用途，了解阻抗的数字化测量原理、不平衡电桥测量原理与晶体管特性图示仪的使用。

第7章频率和时间测量及仪器

（一）教学内容

测量频率的方法，电子计数器分类、组成与技术指标，电子计数器测量频率、周期、时间、累加计数等工作原理，电子计数器测量误差分析与扩频技术，数字相位计。

（二）教学重点

电子计数器测量频率、周期、时间、累加计数等工作原理，电子计数器测量误差与分析。

（三）教学难点

电子计数器测量误差与分析，数字相位计。

（四）教学要求

理解掌握电子计数器测频、测周、累加计数等工作原理，理解掌握测量误差的来源，了解测量误差减小措施，了解电子计数器整机组成、扩频技术与数字相位计工作原理。

第8章数据域测量与仪器

（一）教学内容

数据与测量基本概念与特点，数据域测量仪器设备，数据域测试技术，逻辑分析仪的组成、触发方式与显示方式。

（二）教学重点

数据域测试技术，逻辑笔组成与应用，逻辑分析仪组成、触发方式与显示方式。

（三）教学难点

数据测试技术，逻辑分析仪组成、触发方式与显示方式。

（四）教学要求

掌握逻辑笔与逻辑分析仪的组成，明确逻辑分析仪的触发方式与显示方式，了解数据域测试技术与特点点，了解逻辑分析仪的应用。

第9章智能测试仪器与系统

（一）教学内容

智能测试仪器与系统分类与组成，GPIB标准接口，智能仪器典型处理功能。

（二）教学重点

智能仪器、自动测试系统、个人仪器与虚拟仪器的组成，GPIB标准接口，智能仪器的典型处理功能。

（三）教学难点

智能仪器、自动测试系统、个人仪器与虚拟仪器的区别，智能仪器的典型处理功能。

（四）教学要求

了解智能测试仪器与系统的分类、特点与区别，了解GPIB标准接口，了解智能仪器的典型处理功能。

四、教学时间分配

注：以上课时分配仅供参考，教学中可根据教学的安排再做调整。

五、习题答案

（一）习题1答案

1.解：Δx =x -A =100V-95V=5V

C =-Δx =-5V

A =x +C =100V-10V=90V

Δx =-C =10V

2.解：Δx =x -A =40mA-38mA=2mA

%5%100mA

40mA 2A =?=?=A x γ %3.5%1008mA 3mA 2x ≈?=?=

x x γ 3.解：∵m

m m x x

?=γ

∴Δx m1=γm1x m1=±1.5%×10V=±0.15V Δx m2=γm2x m2=±1.0%×20V=±0.20V>Δx m1 ∴选用第一块表。

4.解：Δx =x -A =94.5mA-90mA=4.5mA

C =-Δx =-4.5mA

%5%100mA 90mA 5.4m =?=?=

A x γ ∵%5.4%100mA

100mA

5.4m m m =?=?=x x γ

∴被校表的准确度等级应定为5.0级。 5.解：ΔU m =±0.5%×10V=±0.5V

本次测量报告值为8V ，测量记录值为7.5V 。

6.解：54.79—54.8，86.3724—86.4，500.028—500，21000=2.1000×104—2.10×104，

0.003125—0.00312，3.175—3.18， 43.52—43.5， 58350=5.8350×104—5.84×104 7.解：有效数字为18.4V ，有效数字+1位安全数字为18.44V 。 8.解：相同数据有2.100kΩ，2100Ω，2.100×103Ω，0.2100×10k Ω

（二）习题2答案

1.答：按照输出信号波形的不同，通用信号发生器分为正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器和随机信号发生器四类。正弦信号发生器为电路或系统检修提供低频、高频等幅正弦信号或振幅调制波等已调波；函数信号发生器为电路或系统检修提供正弦波、方波、三角波等波形；脉冲信号发生器为分析研究电路或系统的瞬态特性提供矩形脉冲波或双脉冲波等波形；随机信号发生器为电路提供模拟噪声信号，为分析研究电路或系统的抗噪声性能等提供模拟噪声。

2.答：低频信号发生器一般有50Ω、150Ω、600Ω、5kΩ等各种不同输出阻抗，而高频信号发生器一般只有50Ω或75Ω一种输出阻抗。使用时，如果阻抗不匹配，会使波形失真变大、功率传输效率变小。为了避免阻抗不匹配产生的不良影响，应借助阻抗变换器等使之匹配连接。

3.答：信号发生器作为主动测试仪器其构成应该包括振荡器，而LC 振荡器、RC 振荡器等特性决定了振荡器的频率范围或频率稳定性都比较差。由于频率合成器具有自动实现频率跟踪的锁相环而使之具有很高的频率稳定度和极纯的频谱。

6.答：函数信号发生器一般能够输出正弦波、三角波、方波等三种基本波形。

7.答：函数信号发生器产生信号的方法有三种：一种是先产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波形；第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波；第三种是先产生三角波再变换为方波和正弦波。函数信号发生器的构成方式则相应地有上述三种形式。

8.答：（1）函数信号发生器的频率范围比低频信号发生器或高频信号发生器的宽，频率范围约为几毫赫至几十兆赫。（2）函数信号发生器能够提供正弦波、三角波、方波等多种波形，而正弦信号发生器只能提供正弦波或已调波。（3）脉冲式函数信号发生器的振荡器是由施密特触发器、密勒积分器、电压比较器等部分组成的组合振荡器，缺一不可；而正弦信号发生器的振荡器是单一的正弦波振荡器，是独立的振荡器。

（三）习题3答案

1.答：模拟式交流电压表按照检波器类型的不同分为均值电压表、峰值电压表和有效值电压表，分别属于放大—检波式、检波—放大式和放大—检波式。

均值电压表频带窄、测量灵敏度较低，为低频或视频毫伏表。峰值电压表频带宽、灵敏度较高，为高频或超高频毫伏表。有效值电压表种类较多，一般情况下，它的频带较窄、灵敏度较低，为低频毫伏表。

2.解：V )(3)26(4

.014.01.01

.00=+=

??dt dt U U P+=6V

U P-=-2V U P-P =8V U =

)26(4

.011.004.01.022

??+dt dt ≈3.5V 。 3.解：（1）如果用峰值表测量，∵V 402?α

==U U ， ∴测量正弦波、三角波和方波时的读数值都为

V 3.282

V 402?α≈==

U U

（2）如果用均值表测量，

测量正弦波时，∵V 402?α

~==U U ∴V 3.282

V 402

?~α≈=

=

U U

测量非正弦波时，∵P

?K U U =

∴αP

F F 9.0?U K K U K U U ===

∴P

F α9.0?K K U

U =

∴测量三角波时，V 6.293

3

29.0V

409.0?P

F α≈??=

=

K K U

U

测量方波时，V 4.441

19.0V

409.0?P F α≈??==

K K U U （3）如果用有效值电压表测量，

∵U α=U =P

?K U

∴测量正弦波时，U α=U =

V 3.282

V 40?P ≈=K U 测量三角波时，U α=U =V 1.233

V 40?P ≈=K U

测量方波时，U α=U =V 401

V

40?P ==K U 答：（略）

4.解：（1）如果峰值电压表测量，测量正弦波时：

U ~=U α=20V

V 18V 209.09.0α~=?==U U V 3.28V 2022?α

~≈?==U U 测量三角波时：

V 3.28V 2022?α

Δ≈?==U U V 3.163

8.3V

23

??

ΔP ΔΔ≈===?U K U U

V 1.14326.3V

1F ≈=

=

?

?

?K U U

测量方波时： ∵K F 方=K P 方=1

∴V 3.28V 2022?α≈?==U U 方

=U 方=方U （2）如果用均值电压表测量，测量正弦波时：

U ~=U α=20V

V

18V 209.09.0α~=?==U U V 3.28V 2022?α

~≈?==U U

测量三角波时：

V 18V 209.09.0αΔ=?==U U

V 6.1532V 18F ΔΔΔ≈?==K U U V 3633

2V 18?P Δ

Δ=??==?K U U

测量方波时： ∵K F 方=K P 方=1

∴V 81V 209.09.0α=?==U U 方=U 方=方

U

答：（略）

5.解：因为DVM 位数为2

1

4，且量程为10V ，所以电压表末尾1个单位为0.001V 。

读数误差为：±0.025%U x =±0.025%×8V=±0.002V 满度误差为：±0.01%U m =±0.01%×10V=±0.001V 满度误差相当于：字1V

001.0V

001.0±=±

固有误差：±（0.001V+0.002V ）=±0.003V 答：（略）

6.解：ΔU =±0.005%读数±0.002%满度=±0.005%×4V±0.002%×5V =±0.0003V

γx =

%0075.0V

4V

0003.0%100±=±=??x U 答：（略）

7.答：最大显示数字分别为9999，19999，3199和1999的数字电压表的位数分别是4位，2

1

4位，

433

位（或统称213位）和2

1

3位。 当小数点位置在第一位后时，第1、2位的利用率低，并且分辨力要比小数点在第1位前的低，所以小数点应在第1位前，故第二块表在0.2V 量程上的分辨力是0.00001V 。

8.答：双积分式A/D 变换器的工作过程分为定时准备、定时取样和不定时比较三个过程，其中取样是利用输入电压（有效输入为直流电压）对积分电容定时充电（正向积分），而比较是利用与输入电压极性相反的基准电压对积分电容不定时放电（反向积分）。双积分式A/D 变换器是将两个电压（输入电压和基准电压）的比较变换为取样时间（定时）和比较时间（不定时）的比较，而比较时间的大小与输入直流电压的大小成正比，所以双积分式A/D 变换器属于V-T 型积分式A/D 变换器。其依据的关系是取样时，输入电压对积分电容净充上的电荷与比较时基准电压对积分电容放去的电荷相等。

双积分式A/D 变换器显著的优点是抗干扰能力强，最大的缺点是变换速度慢。

经对工作过程的分析发现如果取样时间为干扰信号周期的整数倍，取样结束时，干扰信号（如工频干扰）对积分电容净充上的电荷为零，这对比较时电容放电时间的大小是不产生影响的，即抗干扰。

经上述分析得知，为了提高双积分式A/D 变换器的抗干扰能力，A/D 变换器的取样时间至少要取干扰信号的1个周期，并且为了提高A/D 变换器的分辨力也应使取样时间延长，这样势必使双积分式A/D 变换器的变换速度变慢。