內容簡介
《電子測量原理(第2版)》采用瞭全新的體係結構,根據電子信息科學技術研究的基本對象——信號和係統,把電子測量的基本內容劃分為“信號的測量”和“係統的測量”兩大部分。全書共3篇,第1篇為“電子測量總論及測量誤差理論”,講述電子測量的基本原理和測量誤差理論;第2篇為“信號的測量”,討論瞭信號的時間與頻率、信號的幅度(電壓)、信號的波形(時域特性)、信號的頻譜(頻域特性)和數字信號等的測量;第3篇為“係統的測量”,主要討論瞭測量係統的基本特性、係統測量用的信號源、元器件的特性參數、集成電路、綫性係統特性及網絡分析等的測量。
《電子測量原理(第2版)》編寫根據科學性、先進性和實用性的原則精選內容,全麵闡述瞭電子測量的基本原理,闡述中力求思路清晰、概念準確、文句流暢、可讀性好,以便於教學和自學。
電子測量技術是廣泛用於各學科專業的一門通用技術。《電子測量原理(第2版)》適用麵廣,可作為理工科院校的電子信息類專業本科、專科的電子測量課程教材,也可作為廣大科研和工程技術人員的參考書。
內頁插圖
目錄
第2版前言
第1版前言
第1篇 電子測量總論及測量誤差理論
引言
第1章 電子測量總論
1.1 概述
1.1.1 測量的基本概念
1.1.2 電子測量的意義
1.1.3 電子測量的特點
1.1.4 電子測量的定義
1.2 電子測量的原理及基本技術
1.2.1 測量的量值比較原理
1.2.2 測量的信息獲取原理
1.3 電子測量的分類
1.3.1 概述
1.3.2 有源量(信號)測量和無源量(係統)測量
1.3.3 靜態、穩態和動態測量
1.3.4 時域、頻域和時頻域測量
1.3.5 直接測量、間接測量和組閤測量
1.3.6 模擬量測量和數字量測量
1.3.7 隨機測量技術
1.4 本書的體係結構及學習要點
1.4.1 本書的體係結構
1.4.2 本書的學習要點
本章小結
思考與練習
第2章 測量誤差和測量數據處理
第一部分測量誤差
2.1 測量誤差概述
2.1.1 測量誤差的基本概念
2.1.2 測量誤差的錶示方法
2.1.3 測量誤差的分類及影響
2.2 係統誤差的分析和處理
2.2.1 係統誤差的特徵
2.2.2 係統誤差的發現方法
2.2.3 係統誤差的削弱或消除方法
2.3 隨機誤差的分析與處理
2.3.1 隨機誤差的統計特性
2.3.2 有限次測量的數學期望和標準偏差的估計值
2.3.3 測量結果的置信度
2.4 粗大誤差的判斷與處理
2.4.1 粗大誤差的特性
2.4.2 粗大誤差的判斷
2.4.3 粗大誤差的防止和剔除
第二部分 測量數據處理
2.5 直接測量的誤差及數據處理——等精度測量與不等精度測量的數據處理
2.5.1 等精度直接測量
2.5.2 不等精度直接測量
2.6 間接測量的誤差及數據處理——測量誤差的閤成與分配
2.6.1 測量誤差的閤成
2.6.2 測量誤差的分配
2.6.3 最佳測量方案的選擇
2.7 組閤測量的誤差及數據處理——麯綫擬閤與迴歸分析
2.7.1 問題的提齣
2.7.2 圖解法
2.7.3 經驗公式法
2.7.4 一元綫性迴歸
2.7.5 非綫性迴歸
2.8 測量結果的處理與錶達——有效數字
2.8.1 有效數字的概念
2.8.2 數值修約
2.8.3 近似運算
本章小結
思考與練習
第2篇 信號的測量
引言
第3章 信號的時間與頻率的測量
3.1 概述
3.1.1 時間和頻率的基本概念
3.1.2 時間和頻率測量的特點
3.2 頻率測量的原理與方法綜述
3.2.1 頻率測量的原理與方法分類
3.2.2 間接比較法
3.2.3 直接比較法
3.3 時間(頻率)的數字化測量及電子計數器原理
3.3.1 時間和頻率的數字化測量原理
3.3.2 電子計數器的組成原理
3.3.3 電子計數器的分類及主要技術指標
3.4 通用計數器的組成及測試功能
3.4.1 通用計數器的整機組成框圖
3.4.2 通用計數器的測試功能
3.5 時間和頻率的測量誤差
3.5.1 測量誤差的來源
3.5.2 測量誤差的分析
3.6 高分辨力的時間和頻率測量技術
3.6.1 多周期同步法
3.6.2 模擬內插法
3.6.3 時間-電壓變換法
3.6.4 遊標法
3.6.5 時延法
3.7 調製域測試技術
3.7.1 調製域分析的特點
3.7.2 調製域測量的基本原理
本章小結
思考與練習
第4章 信號幅度的測量
4.1 概述
4.1.1 信號幅度測量的意義和特點
4.1.2 電壓測量的方法和分類
4.2 電壓的模擬式測量
4.2.1 交流電壓的特徵參量
4.2.2 交流-直流(AC-DC)轉換器的原理
4.2.3 模擬式交流電壓錶
4.2.4 交流電壓錶的響應特性及誤差分析
4.2.5 交流電壓的模擬式測量小結
4.3 直流電壓的數字化測量
4.3.1 電壓-數字轉換的原理和分類
4.3.2 A-D轉換原理
4.4 數字電壓錶(DVM)和數字多用錶(DMM)
4.4.1 數字電壓錶的組成及結構
4.4.2 數字多用錶的組成及結構
4.4.3 數字電壓錶和數字多用錶的主要性能指標
4.5 數字電壓錶的誤差分析及自動校準技術
4.5.1 數字電壓錶的誤差分析
4.5.2 數字電壓錶中的自動校準技術
4.5.3 數字電壓錶中的自動量程技術
本章小結
思考與練習
第5章 信號波形的測量
5.1 概述
5.1.1 波形測量
5.1.2 示波器的基本組成
5.1.3 示波器的分類
5.1.4 示波器的發展
5.2 信號波形的模擬測量原理
5.2.1 陰極射綫管
5.2.2 CRT波形顯示的基本原理
5.3 模擬示波器
5.3.1 通用示波器的基本構成
5.3.2 示波器的主要技術指標
5.3.3 通用示波器的Y通道(垂直係統)
5.3.4 通用示波器的X通道(水平係統)
5.4 波形的數字化測量及數字存儲示波器的原理
5.4.1 概述
……
第3篇 係統的測量部分習題參考答案
參考文獻
前言/序言
第2版前言本書於2004年齣版以來,經曆瞭16次重印,已有70多所兄弟院校使用,得到廣大讀者的關心。這些年來,隨著電子信息科學技術的發展,作者對電子測量的課程體係和教學內容有一些新的認識,深感本書有改寫的必要。本書第2版做瞭兩個較大的調整:一是全書的體係結構的調整,即根據電子信息科學技術研究的基本對象--信號和係統,把電子測量的基本內容劃分為"信號的測量"和"係統的測量"兩大部分;二是各章內容的調整,即根據被測信號的屬性和係統所處的狀態,闡述信號的基本參量和係統的基本部件的測量技術及儀器原理。
人類賴以生存和發展的三種基本資源是物質、能量和信息。物質是基礎,信息來源於物質運動,但不等同於物質,也不具備能量,是一種比較抽象的東西。信息進行傳輸、存儲和處理必須有載體,信息可用物質來載負,也可用能量來載負。以前,人們利用信息基本上是基於物質資源,信息的載體是物質(竹簡、紙質的書信),信息的傳輸靠人力(信使、郵政、投遞),信息的處理用質料工具(算盤、計算尺)並由人工操作,手段落後,速度慢,效率低。
18世紀中,人類開始瞭利用能量資源來驅動動力工具的研究,大大擴展瞭人的體力。19世紀末和20世紀初,人類又開始瞭利用能量資源來傳輸信息的研究。一切電磁波(包括激光、X射綫等)都具有能量,在空間傳播不需要介質;信息以具有能量的電磁波信號為載體,可實現遠距離快速傳輸。近半世紀以來,計算機技術的迅速發展,利用能量進行信息處理的技術得到瞭蓬勃發展,大大擴展瞭人的智力。
20世紀中以來,無綫通信、廣播、電視、雷達、計算機等廣泛應用,大量的、各種各樣的無綫電技術參數需要測量,促進瞭電子測量技術的發展。1959年,成都電訊工程學院在我國首次開齣瞭"無綫電測量"課程("電子測量"課程的前身)。課程內容按無綫電參量測量的門類劃分章節,並以此構成全書的主綫,之後國內齣版的"電子測量"教材大多沿用瞭這樣的體係結構。
在電子信息科學技術的發展曆程中,人們對信息的獲取、傳輸、處理和顯示等各個技術環節進行瞭大量深入的研究,形成瞭測量、通信、控製、計算機、信號處理、信息顯示、電子元器件及微電子技術等專業學科。雖然電子信息科學技術的各專業學科的研究方嚮各不相同,但就其基本研究對象而言,都可歸結為對信號和係統的研究,作為電子信息科學技術的一個分支,電子測量技術及儀器學科也不例外。
本書把各個門類的被測量按信號和係統分類,事實也是按被測對象的屬性劃分的,即信號的特性參量為帶有能量的有源量,而係統的特性參量本身為無源量。被測對象的有源與無源特性,決定瞭測量係統的組成原理和功能結構的不同;測量信號(有源量)的測量係統,不需要主動嚮被測對象提供激勵,是接受被測對象激勵(能量)的被動式測量係統,而對係統參數(無源量)的測量,測量係統則必須主動嚮被測對象提供激勵(能量)纔能進行測量,是主動式測量係統。
本書討論"信號的測量",是以最常見的最廣泛應用的電信號為重點,講述信號的頻率、幅度、波形、頻譜等基本參數的測量,並在討論每種信號參數測量的同時,根據被測信號的屬性和特點(如靜態、穩態與動態,周期性與非周期性等),講述測量原理(如直接比較與間接比較)、觀測方法(如時域與頻域)和測量技術(模擬式和數字式)。
本書討論"係統的測量",不是以某專業領域的專門係統為基本對象,而是以構造這些係統所需的最通用、最基本的元件、器件、電路和網絡等部件的測量為基本對象。此外,也討論測量係統基本特性的測量。在研究係統測量時,根據係統所處的狀態,講述係統在靜態、穩態和動態下的性能及所采用的時域測量和頻域測量方法。
筆者認為,本書對體係結構和各章內容做這樣的調整,有利於讀者對電子測量的對象有一個更深刻的認識,對電子測量基本內容的學習有一條更清晰的主綫,對電子測量原理和方法有一個更完整的概念,對電子測量與電子信息科學技術之間的關係有一個更全麵的瞭解。
本書第2版內容分為3篇12章。第1篇"電子測量總論及測量誤差理論"(共2章),其中,電子測量總論在介紹電子測量基本概念的基礎上,講述電子測量的原理和分類,並介紹本書的體係結構;本篇的另一個重要內容是討論測量誤差、測量數據處理等。第2篇"信號的測量"(共5章),講述信號的時間與頻率、信號的幅度、信號的波形(時域特性)、信號的頻譜(頻域特性)和數字信號的測量等內容。第3篇"係統的測量"(共5章),討論測量係統基本特性,講述係統測量用的信號源、元器件特性參數、集成電路、綫性係統特性及網絡分析等測量的內容。此外,本書加強瞭思考與練習的內容。考慮到不少學校和專業設置有"智能儀器""虛擬儀器"和"自動測試係統"等課程,以及本書的篇幅所限,這部分的內容未列入本書編寫範圍。
本書第2版的編寫仍較全麵地、係統地包含瞭電子測量課程的基本內容,同時對第1版各章內容,做瞭較大的修改或重新編寫,力求根據先進性和適用性的原則精選內容,在講述中注重交待整體思路和基本概念,在行文中做到邏輯性強和可讀性好。
本書建議的教學學時數為48-64學時,各校可根據具體的情況增減。在教學內容處理上,第1、2篇屬於電子測量最基本的內容,可重點講述;學時較少時,第3篇可選講第8章和第9章。
本書由詹惠琴編寫第2、8、10、11章,古天祥編寫第1章,習友寶編寫第4、5章,古軍編寫第3、7、9章,何羚編寫第6、12章。全書由詹惠琴、古天祥統稿。
本書編寫中認真學習和參考瞭國內外同行專傢學者的有關教材、專著和論文,並有所引用。此外,本書第2版編寫過程中,得到機械工業齣版社的支持。
在此,謹一並緻以誠摯的感謝!盡管編者對本書內容和文字做瞭仔細的推敲和校訂,但在編寫過程中,由於水平有限,仍難免存在一些疏漏之處,殷切期望讀者批評指正。
編者2015年1月
電子測量與儀器技術導論 本書緻力於為讀者構建一個紮實的電子測量基礎,並引領探索現代儀器儀錶的設計、應用與發展。內容涵蓋瞭電子測量的基本概念、關鍵理論、核心技術以及前沿動態,旨在培養讀者獨立分析問題、解決實際工程技術挑戰的能力。 第一篇:電子測量的基本原理與方法 本篇內容將深入剖析電子測量的底層邏輯,從最基礎的量綱、單位、基準入手,為理解後續復雜的測量過程打下堅實的基礎。 緒論: 探討電子測量的定義、重要性及其在現代科技和工業生産中的關鍵作用。分析電子測量技術的演進曆程,從早期模擬測量到當前數字智能測量的發展趨勢。介紹測量係統的基本組成,包括被測對象、傳感器、信號調理電路、數據采集與處理單元、顯示與記錄輸齣等,並闡述各部分的功能與相互關係。強調誤差分析在測量過程中的首要地位,引發讀者對測量精度和可靠性的初步思考。 測量誤差與不確定度: 詳細講解測量誤差的産生原因、分類(如係統誤差、隨機誤差、過失誤差)及其傳播規律。深入介紹統計學在誤差分析中的應用,包括算術平均值、標準偏差、方差等基本概念。重點闡述測量不確定度的概念、錶示方法(如擴展不確定度)以及評定方法(如A類和B類評定)。通過實例演示,教會讀者如何準確評估和報告測量結果的不確定度,這是保證測量可信度的關鍵。 電量測量基礎: 電壓測量: 介紹直流電壓和交流電壓測量的基本原理,包括電阻分壓法、電容分壓法、電感分壓法等。深入探討各種電壓錶(如數字電壓錶DVM、模擬電壓錶)的工作原理、優缺點及適用範圍。講解高阻抗電壓錶的實現技術,以減少測量過程對被測電路的影響。 電流測量: 講解直流電流和交流電流測量的基本方法,包括串聯電阻法(分流法)、電流互感器法。詳細介紹各種電流錶(如數字電流錶、模擬電流錶)的工作原理,以及鉗形電流錶的無損測量技術。 電阻測量: 闡述直流電阻測量的基本原理,包括電壓-電流法、歐姆錶原理。重點介紹惠斯通電橋的工作原理及其在精密電阻測量中的應用。講解交流電阻(阻抗)測量的方法,涉及交流電橋的原理和應用。 電功率和電能測量: 講解直流功率和交流功率(有功功率、無功功率、視在功率)的測量方法。深入介紹功率因數的概念及其測量方法。闡述電能計量錶的原理,包括機械式電度錶和電子式電度錶的關鍵技術。 傳感器技術基礎: 探討傳感器的基本概念、分類(按物理量、按工作原理、按輸齣信號等)。詳細介紹各類常用傳感器的原理及其在電子測量中的應用,包括: 電阻式傳感器: 如熱敏電阻、應變片、光敏電阻等。 電容式傳感器: 如位移傳感器、液位傳感器、濕度傳感器等。 電感式傳感器: 如接近開關、位移傳感器等。 壓電式傳感器: 如加速度計、麥剋風等。 半導體傳感器: 如霍爾傳感器、溫度傳感器(集成電路溫度傳感器)、光電傳感器等。 其他傳感器: 如磁阻傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器等。 重點分析傳感器的靈敏度、綫性度、遲滯、重復性等關鍵性能指標,以及傳感器選擇的原則。 信號調理電路: 講解信號調理電路在測量係統中的重要性,其主要功能包括放大、濾波、隔離、阻抗匹配、綫性化等。 放大電路: 介紹運算放大器(Op-amp)的基本原理,以及其在儀錶放大器、差分放大器、多路放大器等設計中的應用。 濾波電路: 講解低通、高通、帶通、帶阻濾波器(無源和有源)的設計原理和作用,以及它們在抑製噪聲、提取有用信號方麵的作用。 隔離與保護電路: 介紹隔離變壓器、光電耦閤器等隔離技術,以及過壓保護、反極性保護等電路設計。 第二篇:現代電子測量儀器技術 本篇內容將聚焦於現代電子測量儀器的設計理念、核心技術和發展趨勢,展示電子測量技術如何與信息技術深度融閤,創造齣更強大、更智能的測量工具。 模擬數字轉換(ADC)與數字模擬轉換(DAC): 詳細闡述ADC的基本原理、主要參數(如分辨率、采樣率、量化誤差)以及常見的ADC架構(如逐次逼近型、雙積分型、Σ-Δ型)。講解DAC的基本原理、主要參數和常見架構。強調ADC和DAC在數字測量儀器中的核心作用,它們是連接模擬世界與數字世界的橋梁。 數字測量技術: 數字萬用錶(DMM): 深入分析DMM的工作原理,包括其內部的ADC、量程切換、自動定標等技術。介紹DMM的常用功能(電壓、電流、電阻、通斷、二極管測試等)及其使用注意事項。 數字示波器: 講解數字示波器的基本組成(前端放大、ADC、存儲器、時基、觸發電路、後處理與顯示)。詳細闡述其工作原理、關鍵參數(如帶寬、采樣率、垂直分辨率、存儲深度)以及各種高級測量功能(如FFT、遊標測量、參數測量、觸發模式)。 數字頻率計: 介紹頻率計的基本原理,包括門控法、直接計數法。分析其在測量周期性信號頻率、非周期性信號頻率等方麵的應用。 其他數字儀器: 簡要介紹數字信號發生器、邏輯分析儀、頻譜分析儀等常用數字測量儀器的工作原理和應用。 儀器儀錶集成與智能化: 儀器儀錶總綫技術: 介紹儀器儀錶常用的通信接口和總綫標準,如GPIB(IEEE 488)、USB、Ethernet(LAN)、RS-232/485等。講解這些總綫在儀器儀錶互聯、遠程控製和數據傳輸中的作用。 虛擬儀器技術: 闡述虛擬儀器的概念,即以通用計算機為核心,結閤硬件和軟件實現的測量係統。重點介紹LabVIEW、MATLAB/Simulink等開發環境在虛擬儀器設計中的應用,以及其在數據采集、信號處理、儀器控製和係統集成方麵的優勢。 嵌入式係統在儀器儀錶中的應用: 講解嵌入式微處理器、微控製器和DSP等在現代測量儀器中的集成,實現更強大的數據處理能力、更靈活的控製功能和更低的功耗。 智能化與網絡化測量: 探討人工智能、機器學習、大數據等技術在測量儀器中的應用,如自動故障診斷、自適應測量、預測性維護等。介紹物聯網(IoT)在遠程監測、分布式測量和協同測量中的應用。 特殊電子測量技術: 射頻(RF)與微波測量: 介紹RF和微波信號的特性,以及相關的測量儀器,如嚮量網絡分析儀(VNA)、射頻信號發生器、頻譜分析儀等,並講解其在高頻電路設計和通信係統調試中的重要性。 光電子測量技術: 介紹光電傳感器、光功率計、光縴測試儀等設備,以及它們在光通信、光電傳感和光學測量領域的應用。 噪聲測量: 講解噪聲的産生機製、分類及其對測量精度的影響。介紹噪聲係數、噪聲功率譜密度等測量指標和相關儀器。 時間序列測量與分析: 探討時域信號的采集、處理與分析技術,包括瞬態信號捕捉、高精度定時測量等。 第三篇:儀器儀錶的設計、應用與發展趨勢 本篇內容將升華理論,從工程實踐的角度齣發,探討儀器儀錶的設計原則、實際應用場景,並展望未來的發展方嚮。 儀器儀錶的設計原則: 強調係統性設計思維,包括需求分析、方案設計、電路實現、軟件開發、結構設計、可靠性設計、電磁兼容性(EMC)設計等。討論性能、成本、功耗、體積、人機工程學等綜閤考慮因素。 儀器儀錶在各領域的應用: 工業自動化: 傳感器網絡、過程控製儀錶、質量檢測儀器在生産製造過程中的應用。 通信與電子工程: 信號分析儀、示波器、邏輯分析儀在産品研發、調試與維護中的應用。 生物醫學工程: 生理信號測量儀器(ECG、EEG)、醫學影像設備、診斷儀器等。 環境監測: 氣體傳感器、水質分析儀、噪聲測量儀等。 科學研究: 高精度測量儀器在物理、化學、材料科學等基礎研究中的關鍵作用。 儀器儀錶的發展趨勢: 展望儀器儀錶技術的未來發展方嚮,包括: 小型化與集成化: 移動式、便攜式、可穿戴式測量設備的興起。 智能化與自主化: 引入AI和機器學習,實現儀器的主動診斷、自學習和自主優化。 網絡化與協同化: 構建儀器儀錶物聯網(IIoT),實現分布式、遠程和協同的測量。 高精度與高靈敏度: 對微弱信號、極微量物質的測量能力不斷提升。 多功能與通用性: 一機多用,能夠適應多種測量任務的通用型儀器。 綠色化與可持續性: 關注儀器的能耗、環保材料和生命周期管理。 通過本書的學習,讀者將能夠深刻理解電子測量的核心原理,掌握現代電子測量儀器的基本技術,並對未來儀器儀錶的發展方嚮有清晰的認識,為從事相關領域的研發、設計、應用和維護工作奠定堅實的基礎。