第7章 电路参数测量仪器设计
电子式参数测量仪设计及实现
套 方 案 ， 种 结 构 的最 大特 点 了 是 简 化 了 系 统 的 软 件 设 计 ， 这
性 的 得 到 了 明显 的 提 高 。可 以 通 过 外 围 电 路 和 辅 助 软 件 设
图 １ 系统 结 构 框 图
提 高 了 电参 数 的计 算 精 度 。 同 时 ， 统 的 体 积 ， 耗 和 可 靠 ３ 系统 硬件 设计 系 功 系 统 硬 件 从 输 入 到 输 出 可 分 为 五 大 模 块 ： 号 采 集 模 信 模块 ， 电源 模 块 。
精 度 要 求 不 是 很 高但 对 造 价 要 求 严 格 控 制 的产 品 。 方 案 ， 方 案 的 硬 件 结 构 上 简 单 了 ， 增 加 了 软 件 的 任 务 该 但
另 一 种 是 采 用 普 通 型 ＭＣ Ｕ十 Ａ 结 构 。 相 对 与第 一 个 ３ １ 信 号 采 集 模 块 Ｄ ．
在信号经过传 感器测量获 得后 ， 所得 到 的电压 、 电流信
号 是 无 法 被 控 制 器 直 接 识 别 的 模 拟 量 。 并 且 这 种 模 拟 量 存
２ 系 统 总 体 设 计 及 分 析
在诸 多缺点 ， 比如Байду номын сангаас含 有一 些 噪 声信 号 量 （ 比如 告 高次 谐 波
、 数 本 系 统 是 针 对 传 统 型 电 参 数 仪 设 计 的 ， 有 控 制 面 板 等 ） 测 量 误 差 量 ， 值 过 小 导 致 ＡＤ转 换 时 不 能 有 效 利 用 带 ＡＤ转 换 器 的 满 量 程 ， 值 过 大 超 过 Ａ 转 换 器 的转 换 量 等 数 Ｄ 和 显 示 面 板 。控 制 器 采 用 了 Ａ Ｔｍｅ 公 司 推 出 的 基 于 Ｒ Ｓ ｌ ＩＣ 在 结 构 的 ＡＶＲ系 列 单 片 机 Ａｔ ｇ ２ 负 责 数 据 的 采 集 和 处 理 等 。针 对 上 述 问 题 ， 电子 式 电 参 数 测 量 仪 的设 计 过 程 中 ， ｍａ ３ ， 还 有 人 机 交 互 的 管 理 。 电压 信 号 传 感 器 选 用 美 国 贝 尔 技 术 加 入 适 当 的 调 理 电 路 和 ＡＤ转 换 器 就 显 得 十 分 重 要 。
电路参数测量实验报告
一、实验目的1. 掌握使用万用表、示波器等常用仪器测量电路参数的方法。
2. 理解电路参数（如电阻、电容、电感、电压、电流等）在电路中的作用。
3. 培养实验操作能力和数据分析能力。
二、实验原理本实验主要测量电路中的电阻、电容、电感等参数。
以下为各参数的测量原理：1. 电阻测量：利用万用表测量电路中某段导线的电阻值。
根据欧姆定律，电阻值等于电压与电流的比值。
2. 电容测量：利用交流信号源和示波器测量电路中电容的充放电过程，根据电容的充放电公式计算电容值。
3. 电感测量：利用交流信号源和示波器测量电路中电感的自感电压，根据自感电压与电流的关系计算电感值。
4. 电压测量：利用万用表测量电路中某点的电压值。
5. 电流测量：利用万用表测量电路中某段导线的电流值。
三、实验仪器与器材1. 万用表2. 示波器3. 交流信号源4. 电阻、电容、电感等电子元件5. 电路连接线6. 电路实验板四、实验步骤1. 搭建电路：根据实验要求，将电阻、电容、电感等元件按照电路图连接在电路实验板上。
2. 电阻测量：使用万用表测量电路中某段导线的电阻值。
3. 电容测量：a. 将电容与电阻串联，接入交流信号源。
b. 用示波器观察电容的充放电波形。
c. 根据电容的充放电公式计算电容值。
4. 电感测量：a. 将电感与电阻串联，接入交流信号源。
b. 用示波器观察电感的自感电压波形。
c. 根据自感电压与电流的关系计算电感值。
5. 电压测量：使用万用表测量电路中某点的电压值。
6. 电流测量：使用万用表测量电路中某段导线的电流值。
五、实验数据记录与分析1. 电阻测量：记录万用表读数，计算电阻值。
2. 电容测量：记录示波器显示的电容充放电波形，计算电容值。
3. 电感测量：记录示波器显示的电感自感电压波形，计算电感值。
4. 电压测量：记录万用表读数，计算电压值。
5. 电流测量：记录万用表读数，计算电流值。
六、实验结果与讨论1. 通过实验，我们成功测量了电路中的电阻、电容、电感等参数。
电子测量仪器元件参数测量仪器课件
（AX1、AX2），外测的作为电流端，对应接在电桥的电流端钮（BX1、BX2）。连接 牢固可靠，导线尽可能短。 ➢ 直流双臂电桥所测量的电阻值一般较小，工作电流较大，测量操作要迅速，以免电 池耗电量过大。 ➢ 电桥线路接通后，若检流计指针向“＋”方向偏转，需要增加比较臂电阻；指针向 “－”方向偏转，应减小比较臂电阻。 ➢ 若使用外接电源，按规定电压选择电源。若使用外接检流计作指示，注意其灵敏度 和临界阻尼电阻的选择。
电子测量仪器元件参数测量仪器课 件
第7章 元件参数测量仪器
7.2.3 直流双臂电桥 直流双臂电桥的工作原理
当电桥平衡时，I0=0，则I1＝ I2,I3=I4,通过导线电阻r的电流为 （In－I3）,且IX=In,可得到电路方 程组
电子测量仪器元件参数测量仪器课 件
第7章 元件参数测量仪器
直流双臂电桥的使用
电子测量仪器元件参数测量仪器课 件
电子测量仪器元件参数测量仪器课 件
第7章 元件参数测量仪器
电桥臂的设置与电桥的分类
电Hale Waihona Puke 测量仪器元件参数测量仪器课 件第7章 元件参数测量仪器
7.3.3 交流电桥的使用 QS18A型万用电桥的组成
电子测量仪器元件参数测量仪器课 件
第7章 元件参数测量仪器
QS18A型万用电桥面板结构
1 拨动开关 2 外接插孔 3 被测接线柱 4 测量选择 5 损耗平衡 6 损耗微调
电阻器
C
RCS
电容器
C RCP
电感器
电子测量仪器元件参数测量仪器课 件
数字式电参数测试仪设计报告(附带电路图)
数字式电参数测试仪设计报告摘要：根据设计任务与要求，该设计的控制部分以89C51单片机为核心，配以12bit模/数转换器MAX187，电参数信号经A/D转换后输入到单片机，从而实现了单片机对电参数测量值的控制，它具有高精度的特点。
分频部分采用4069芯片，产生稳定、抖动幅度较小的方波。
与用3片4017芯片构成的3级分频电路连接于一起，并采用测周期法测量频率，在整体上提高了电路输出频率的精确度。
采用两片74LS164芯片串入并出动态扫描显示，通过检测基本实现了发挥部分的设计要求，在频率测量过程时，50Hz以下的低频没有达到发挥部分的要求。
关键词：单片机AT89C51 MAX187 数字式电参数1. 方案比较在本设计中采用模块化设计思想，对整个电路以模块为单位，进行分析.比较和论证。
1．1数字电参数测量电路方案比较方案一：MAX187是美国MAXIM 公司生产的一种串行A/D 转换器，具有低功耗、高精度、高速度、体积小、接口简单等特点。
数字电参数测试仪框图如图1所示。
其主要以89C51单片机为核心，配以12bit模/数转换器MAX187，实现了单片机对整个电路的控制；再配以40系列芯片，实现了直流电压、直流电流、电阻、频率的测量。
使用74LS164减少单片机I/O口的使用图1 187与单片机组成的控制电路框图MAX187 引脚：VDD :电源端接+ 5V ；AIN :采样模拟信号输入端,0 - VREF ；SHDN :三电平关闭输入端；REF :用于模拟转换的基准电压端,使用外部基准电源时用作输入；GND :模拟地和数字地；CS:片选信号输入端；SCLK:串行时钟输入端；DOUT:串行数据输入端,数据在SCLK下降沿输出。
输入信号经放大、滤波，通过8 选1 模拟开关输给A/ D 转换器MAX187，转换后的数字信号通过DOUT 端输入给单片机。
这里我们采用软件合成的方式模拟SPI 接口将单片机与MAX187 连接，从而完成串行数据的A/ D 转换。
《电子测量与仪器》课件
电路元件参数测量
电路元件的参数对于电路设计和分析至关重要。我们将学习如何测量电阻、 电容和电感的数值，以及如何使用仪器进行频率和相位的测量。
示波器使用与维护
示波器是电子工程师必备的工具。我们将深入研究示波器的使用方法，包括 波形观察、测量和分析。同时，我们还将分享示波器的维护技巧，确保其始 终处于最佳工作状态。
小结和总结
通过课程的学习，您将对电子测量与仪器有一个全面的了解。不仅掌握了基础理论知识，还能熟练操作各种测 量仪器并进行维护。祝愿您在电子测量领域取得巨大的成功！
信号发生器使用与维护
信号发生器在电子实验和调试中扮演着重要角色。我们将了解如何使用信号发生器生成各种波形和信号，并学 习如何维护和校准这些设备，以保证其输出的准确性和量和监测电路中电压、电流和电阻等参数的关键工具。我们将 探讨数字电表的使用方法，包括选择合适的测量方式和测量范围，并分享如 何保养和校准数字电表。
《电子测量与仪器》PPT 课件
课程介绍：欢迎来到《电子测量与仪器》课程的世界！在这个课程中，我们 将深入探讨电子测量的基础知识，为您揭示电路元件参数测量的技巧，展示 示波器、信号发生器和数字电表的使用与维护方法。通过本课程，您将全面 了解电子测量的核心概念，掌握关键技能。
电子测量基础
建立坚实的基础非常重要。我们将介绍电子测量的基本原理和常用的测量仪 器。了解如何选择合适的仪器以及如何正确连接和操作这些仪器。
电子测量与仪器教学课件第7章 频率特性测量及仪器
频域分析则是研究信号中各频率分量的幅值A与频率f的关系，包括线性系统频率特性的测 量和信号的频谱分析。频率特性测量和频谱分析都是以频率为自变量，以频率分量的信号 值为因变量进行分析的，通常由频率特性测试仪(扫频仪)来完成。其中，频率特性测试仪利 用扫频测量法，可直接在显示屏上显示被测电路的频率响应特性；频谱分析仪则是对信号 本身进行分析和对线性系统非线性失真系数进行测量，从而可以确定信号所含的频率成分， 了解信号的频谱占用情况，以及线性系统的非线性失真特性。
（3）增益测试。将Y衰减置于10挡上（相当于衰减20 dB），调节 粗、细输出衰减使因被测电路接入而变化的曲线高度仍恢复为H， 记下输出衰减总分贝数A2，则该中频放大器的电压增益k为
（4）测量带宽。利用扫频仪上的频标，在幅度左右两边分别对应 与波峰的0.707倍时的上下频率差就是被测网络的幅频特性曲线的 频带宽度。
扫频测量法就是将等幅扫频信号加至被测电路输入端，然后用显示器 来显示信号通过被测电路后振幅的变化。由于扫频信号的频率是连续 变化的，因此在屏幕上可直接显示出被测电路的幅频特性。
7.2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ频仪
扫频仪是频率特性测试仪的简称，是一种能在荧光屏上直接观测 到各种网络频率特性等曲线的频域测量仪器，由此可以测算出被 测电路的频带宽度、品质因数、电压增益、输出阻抗及传输线特 性阻抗等参数。扫频仪与示波器的主要区别在于前者能够自身提 供测试时所需要的信号源，并将测试结果以曲线形式显示在荧光 屏上。
《电子测量技术》课程标准(电子信息技术专业)
《电子测量技术》课程标准课程名称：电子测量技术 Electronic Measurement Technology课程性质：专业选修学分：2.5总学时：45，理论学时：36，实验(上机)学时：9适用专业：电子信息技术先修课程：模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统、微机原理一、教学目的与要求《电子测量技术》是电子信息、自动控制、测量仪器等专业的通用技术基础课程。
包括电子测量的基本原理、测量误差分析和实际应用，主要电子仪器的工作原理，性能指标，电参数的测试方法，该领域的最新发展等。
电子测量技术综合应用了电子、计算机、通信、控制等技术。
通过本课程的学习，培养学生具有电子测量技术和仪器方面的基础知识和应用能力；通过本课程的学习，可开拓学生思路，培养综合应用知识能力和实践能力；培养学生严肃认真，求实求真的科学作风，为后续课程的学习和从事研发工作打下基础。
二、教学内容与学时分配三、各章节主要知识点与教学要求第1章序论第一节测量的基本概念一、测量的定义二、测量的意义三、测量技术第二节计量的基本概念一、计量二、单位和单位制三、计量标准四、测量标准的传递第三节电子测量技术的内容，特点和方法一、电子测量二、电子测量的内容和特点三、电子测量的一般方法第四节电子测量的基本技术一、电子测量的变换技术二、电子测量的放大技术三、电子测量的比较技术四、电子测量的处理技术五、电子测量的显示技术第五节本课程的任务重点：测量的基本概念、基本要素；单位和单位制，基准和标准，量值的传递准则。
难点：量值的传递准则教学要求：理解测量的基本概念、基本要素，测量误差的基本概念和计算方法。
理解计量的基本概念，单位和单位制，基准和标准，量值的传递准则。
理解测量的基本原理，信息获取原理和量值比较原理。
理解电子测量的实现原理：变换、比较、处理、显示技术。
第2章测量误差理论与数据处理第一节测量误差的基本概念一、有关误差的基本概念二、测量误差的基本表示方法第二节测量误差的来源与分类一、测量误差的来源二、测量误差的分类第三节测量误差的分析与处理一、随机误差的分析与处理二、系统误差的判断及消除方法三、粗大误差的分析与处理第四节测量误差的合成与分配一、测量误差的合成二、测量测量不确定度及其合成三、误差分配及最佳测量方案第五节测量数据处理一、有效数字处理二、测量结果的处理三、最小二乘法与回归分析重点：测量误差的分类估计和处理，系统误差和粗大误差的判断及处理，不确定度的评定方法。
电路参数的测量
电压与电流
总结词
电压是电路中两点之间的电位差，电流则是单位时间内通过 导体横截面的电荷量。
详细描述
电压的单位是伏特（V），电流的单位是安培（A）。在电路中， 电压和电流共同决定了功率和能量传输的方式。
03 电路参数的测量方法
直接测量法
直接测量法是通过直接接入电路， 利用测量仪表对电路参数进行测
电容与电感的测量与计算
总结词
电容和电感也是电路中重要的元件参数，其 测量与计算对于电路性能分析和故障诊断同 样具有重要意义。
详细描述
电容的测量可以采用交流电桥法或数字电容 表进行。在计算电容值时，需要考虑介质材 料、温度、湿度等因素的影响。电感的测量 可以采用电桥法或阻抗分析仪进行。在计算 电感值时，需要考虑线圈匝数、线径、磁芯
误差分析
对测量结果进行误差分析，了解误 差来源和大小，以便采取措施减小 误差。
环境因素的影响
温度
温度变化可能会影响电路参数的 测量结果，因此应尽量保持测量 环境的温度稳定。
湿度
湿度过高可能会对电路和仪器造 成腐蚀和损坏，因此应保持适当 的湿度水平。
电磁干扰
避免在电磁干扰较大的环境中进 行电路参数的测量，以免影响测 量结果的准确性。
间接测量法
间接测量法是通过测量与待测参数相关的其他 参数，然后利用相关公式或经验公式计算出待 测参数的方法。
间接测量法的优点是可以避免直接接触电路， 减少对电路工作状态的影响。
间接测量法的缺点是需要知道相关参数与待测 参数之间的数学关系，且精度受限于相关参数 的测量精度和数学模型的准确性。
04 测量电路参数的仪器与工 具
详细描述
电容的单位是法拉（F），常用的 电容单位还有微法（μF）和皮法 （pF）。在电路中，电容用于储存 电能，具有隔直通交的作用。
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I
(b) 测试电流(AC)
与AC电压有关的陶瓷电容器
与AC有关的铁芯电感器
* 测试信号（AC）电平对电容器和铁芯电感器的影 响。
8
③直流偏置
o
ΔC o 低K 值 高K 值
直流偏置电压
ΔL
V0
I0
直流偏置电流
与直流偏置电压有 关的陶瓷电容器
与直流偏置电流有 关的铁芯电容器
* 陶瓷电容器与铁芯电容器的直流偏置影响
①标准元件值的误差 ②电桥指示器的误差 ③屏蔽不良引起误差 另外，寄生耦合和外界电磁场的干扰也 会引起误差。
33
7.3.3 谐振法测量元件参数
测量高频电路参数的重要方法。
当回路达到谐振时:
0
1 LC
M
1 0 L 0 0 C 1 L 2 0 C C 1
L
A
C
V
02 L
L
Cs
V
1 Lx L 4 2 f 2Cs 2
串联替代法测电感
Cs1 Cs 2 Lx 4 2 f 2Cs1Cs 2
38
7.4 阻抗的数字测量法
3.4.1 矢量电流-电压法
1.矢量电流-电压法的原理
（1）固定轴法 （2）自由轴法
2.智能化LCR测量仪的基本组成
3.4.2 自动平衡电桥
|z|
R
|z|
理想R
R
理想R
高阻值电阻
ƒ
ƒ
低阻值电阻
电阻器的频率响应
5
L L
R0 C0
C0 R0
|z|
|z|
R0 理想 L
C0的影响
R0
C0的影响 理想 L
ƒ
ƒ
电感器的频率响应
6
C
L0
R0
|z|
L0的影响
R0
理想 C
ƒ
电容器的频率响应
7
②测试信号电平：
ΔC
高K值 中K值 低K值
ΔL
o
o
V
(a) 测试电压(AC)
9
④温度
中K值
ΔC o
o ΔC
高K值
25 1 10 102 103 10 4
时间
温度
陶瓷电容器的温度相关性
陶瓷电容器的老化相关性
总之，集总参数元件由于受到寄生参数、测试信号电平、 直流偏置、温度、以及其它因素的影响，在测量阻抗值 时需要综合考虑多种因素。
10
7.1.2 元件参数测量的基本技术
1. 测量方法概述
16
RF电压电流法
射频电压电流法与低频电压电流法的原理相同 有两种连接电压表和电流表的方法 (a)低阻抗类型
ZX
R V1
OSC
R V I I1 R I2 V2
V 2V1 Zx I I 2 I1 2V1 2R V2 V1 V2 1 R R V1
17
R
(b)高阻抗类型
ZX
V1=Vx+V2
Vx V1 V2 Zx R I V2 / 2 R V1 1 2 V2
A
Vx V1 R
OSC
I
R —
2
V2
R
B
18
射频电压电流法的优缺点和频率范围 高精度（0.1%典型值） 高频下的宽阻抗范围 工作频率范围受使用探头的变压器的限制 频率范围 ：1MHz ~ 3GHz
电压电流法
由测量的电压值和电流值计算被测阻抗ZX
电流通过它所流经的RS上的电压计算
V2 RS
OSC
V1
IHale Waihona Puke ZXV1 V2 Zx I V1 V2 Rs V2
15
电压电流法的优缺点和频率范围
可测量接地器件
适合于探头类测试需要
使用简单
工作频率范围受使用探头的变压器的限制
频率范围 ：10KHz ~ 100 MHz
29
7.3.2 电桥法
1) 电桥的平衡条件
z x z 4 z 2 z3
用指数形式表示
zx e j x z4 e j4 z2 e j2 z3 e j3
Zx
D
Z2
Z3
Z4
上式必须同时满足
z x z 4 z 2 z3 x 4 2 3
交流电桥 D为检流计。
谐振法测量原理图
34
（1）直接测量
思路一：根据谐振频率和已知标准电感值L 求电容C ; 思路二：根据谐振频率和已知标准电容值C 求电感L .
35
（2）替代法：直接测电容
选择适当电感 L(不必为标准电感)，接入标准 可变电容CS（如虚线所示），调回路至谐振;然 后接入被测电容CX ，调节可变电容至再次谐振。 当CX较小时，并 M 联接入
E DUT
LX RX
OSC
E I Z
C
Q V
V RX V XC I E XL XC V Q RX RX E
被测元件
Q值：电容上的电压与外加信号电压U之比。
13
谐振法的优缺点和频率范围
可测很高的Q值 需要调谐到谐振 阻抗测量精度低 频率范围
：10KHz ~ 70MHz
14
高精度（0.05%典型值）
很宽的测量范围
使用简单
不能适应更高的频率范围
频率范围 ：20Hz ~ 110MHz
21
网络分析法
通过测量输入信号与反射信号之比得到反射系数 用定向耦合器或电桥检测反射信号
用网络分析仪提供激励并测量响应 VINC
DUT
定向偶合 器或电桥 V1 V2 反射信号
换器
CPU
数字显 示器
Zs
S2
相位参考基准
ROM
41
2 智能化LCR测量仪的基本组成
V/I转换器
RS
A1
信号调理
双斜积分
选 择 开 关 2 积 分 A D 单 片 微 机 系 统
+
-A
+
测 试 信 号 源
R0 Z X
US
-A 2 +
3
UX
选 择 开 关 1
相 敏 检 波 器
可 变 衰 减 器
放 大 器
电路参数测量仪器 设计
电阻器
理想电阻 考虑引线电感
R
R
L0
考虑引线电感 和分布电容
R
C0
L0
2
电容器
C
理想电容
考虑泄漏、介 质损耗等
C
R0
C
考虑泄漏、引 线电阻和电感
R0
,
L0
R0
3
电感器
L
理想电感
考虑导线损耗
R0
L
R0
L C0
考虑导线损耗 和分布电容
4
C0
R
寄生电容
R
L0
引线电感
39
7.4.1 矢量电流-电压法
1.矢量电流-电压法的原理
Z U I
. .
Us Ux Ux 接入标准 I , Zx Rs R jX 阻抗RS Rs I Us
Zx
U
Ux
.
U
Zx
Rs
Ux
Rs
Us
.
Us
40
阻抗的数字测量法原理图
Zx
S1
RAM 缓 冲 放 大 器 相敏检波 器
A/D 转
滤 波 器
比 较 器
显 示 器
自由轴发生器
功能选择
42
19
自动平衡电桥法
通过DUT的电流也通过电阻R “L”点的电位保持为0V（称为虚地）
电压电流转换放大器使R上的电流与DUT上的电 流保持平衡
虚地
H V1
DUT
I
L
R
I= I2
V 2 = I2 R V1 V1 V1R Z = ─ = ─= ─ I I2 V 2
I2
+ V2
20
自动平衡电桥法的优缺点和频率范围
30
2)交流四臂电桥
平衡调节机构
测量信号源
测量桥路
显示电路
电源
平衡指示电路
精密万用电桥方框图
31
3） 变压器耦合臂电桥
两电桥的平衡条件都为： Zx
W1 W2
w1 Zs w2
I1 I2
.
.
D
Zx
ZS
Zx
ZS
W1 W2
D
电压比例臂构成的桥路
电流比例臂构成的桥路
32
4）电桥法测量集总参数元件的误差来源
振 荡 器
f0
L
Cx
Cs
D
Cx Cs1 Cs 2
当CX较大时CX应和 CS串联接入
Cx Cs1Cs 2 Cs 2 Cs1
36
谐振法直接测电容
（2）替代法： ①并联替代法:测量较大的电感
步骤：1）小电容Cs1谐振；2）接入Lx, 调Cs2再次谐振； 3）求解Lx。
1 4 2 f 2C s1 L
OSC
VR
输入信号
ZX
22
网络分析法的优缺点和频率范围
高频率范围
当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度
改变测量频率需要重新校准
阻抗测量范围窄
频率范围 ：300KHz ~ 3GHz
23
频率和测量方法的对应：
300KHz 网络分析法
1 MHzRF电压电流法 3GHz 自动平电桥法 20HZ 10KHz 10KHz 电桥法 0HZ 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 300MHz 100M 1G 10G 110MHz 谐振法 70MHz 电压-电流法法 110MHz