1.1 电子测量技术的基本知识

1.1.1 电子测量的基本概念

现代信息科学技术的3大支柱是指信息的获取技术（测量技术）、信息的传输技术（通信技术）和信息的处理技术（计算机技术）。在这3大支柱中，测量技术是首要的，是信息的源头。

测量就是人类获取客观事物的量值而进行的认识过程。在这个过程中，人们需要借助于专门的仪器设备（如万用表和示波器等），依据一定的测试理论，通过实验的方法将被测量与标准的同类单位量进行比较，从而取得测量值的结果。在此基础上可以从客观事物中总结出一般规律，形成定理和定律，从而指导人们对其他客观事物的认识和理解。可见，测量是科学研究的重要基础。

测量的结果一般由数值和单位两部分组成。测量的结果必须是有理数才有意义。例如，某测量结果表示为3.25V是正确的，若表示为3.25或则是错误的。

电子测量是测量学的一个重要分支，是测量技术中最先进的技术之一，是测量学和电子学相结合的产物。从广义来说，凡是以电子技术为手段来进行的测量都可以说是电子测量。具体来说，电子测量是以电子技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为手段，对各种电量和电信号进行测量；此外还可以通过各种传感器对非电量进行测量，如用红外测温仪测量人体的温度，用电子秤称物体的重量等，都属于电子测量的范畴。电子测量与仪器的原理图如图1-1所示。

从狭义上讲，电子测量是指对各种电参量和电性能的测量，这也是本书主要研究的范畴。

1.1.2 电子测量技术的内容

本书中电子测量主要包括如下内容。

1．电能量的测量

电能量的测量包括各种电压、电流和电功率等的测量。

2．电子元器件和电路参数的测量

电子元器件参数的测量包括对电阻、电感、电容、晶体管、集成电路的测量和电路的频率响应、通频带、增益、衰减、灵敏度、品质因数和噪声系数等参数的测量。

3．电信号特征的测量

电信号特征的测量包括频率、时间、相位差和失真度等参数的测量。

4．特性曲线显示

特性曲线显示包括电路的频率特性、元器件的伏安特性等的显示。

在科学研究和生产实践中，常常还需要电子设备对各种非电量进行测量。人们通过各种敏感器件和传感装置将压力、流量、温度和速度等非电量转换成电信号，再用电子测量设备进行测量，该方法方便、快捷、准确，是其他测量方法所不能替代的。

1.1.3 电子测量技术的特点

随着科学技术的快速发展，电子测量技术被广泛应用于农业、工业、医疗、天文、地质和军事等领域。如核反应堆内的温度测量、电子血压计、心电图机、飞船发射过程中的运行参数测量仪和精确制导导弹等。电子测量技术的不断发展，不仅标志着测量技术的进步，而且对整个科学技术的发展和人类社会的进步有积极的推动作用。因此在一定意义上来说，测量水平的高低可以反映出一个国家科学技术发展的状况，是实现科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。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

除了测量直流信号以外，电子测量的频率范围可达10-4～1012Hz。随着电子技术的发展，测量的频率范围将继续向高频段发展。在不同的频率范围内，即使要测量同一种物理量，也需要不同的测量方法和测量仪器。例如，在直流、低频、高频范围内，电流和电压的测量需要不同类型的电流表和电压表。

2．电子测量仪器的量程宽

量程是测量范围的上限值与下限值之差。由于被测量的数值相差很大，因而电子测量仪器应有足够宽的量程。例如，一台高灵敏度的数字电压表，可以测出纳伏级至千伏级的电压，量程宽达12个数量级。而用于测量频率的电子计数器的量程更宽，可达17个数量级。

3．测量准确度高

电子测量的准确度比其他方法要高得多。例如，对频率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，测量精度高达10-14～10-13的数量级。

4．测量速度快

电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作的，具有其他测量无法比拟的高速度。这也是电子测量技术广泛应用于现代科技各个领域的重要原因。例如，人造卫星、载人飞船等各种航天器发射时，需要电子测量系统快速测出它的运行参数，通过参数的处理确定下步控制信号，使其正常运行。

5．易于实现遥测

电子测量可以通过各种手段类型的传感器实现遥测、遥控。例如，对于距离遥远或环境恶劣，人体不便接触或无法到达的区域（如人造卫星、深海、地下和核反应堆内等），可通过传感器或通过电磁波、光和辐射等方式进行测量。

6．易于实现测量过程的自动化和测量仪器的智能化

由于大规模集成电路和微型计算机的应用，使电子测量出现了崭新的局面。例如，在测量过程中能够实现程控、遥控、自动转换量程、自动调节、自动校准、自诊断故障和自恢复，对于测量的结果进行自动记录、运算、分析和处理。当前，电子测量仪器的智能化，测量过程的自动化是电子测量研究的主题。

1.1.4 电子测量技术的分类

为了获得测量结果，采用的各种手段和方式称为测量方法。根据测量中采用的测量方法不同，电子测量有不同的分类方法。下面介绍几种常见的分类方法。

1．按测量手段分类

（1）直接测量

直接测量是可直接从电子仪器或仪表上读出测量结果的方法，其特点是测出的数据就是被测量的值。例如，用电压表测量电压，用电桥测量电阻，用频率计测量频率等，都可直观且迅速的读出被测量的数值。

（2）间接测量

间接测量是利用被测量与某中间量之间的函数关系（公式、曲线或表格等），先测出中间量，然后通过计算公式，算出被测量的数值的测量方法。例如，用伏安法测量电流时，先测量出电阻两端的电压和电阻值的大小，然后由公式I=U/R，间接求出电流。

（3）组合测量

组合测量是，如果被测量与几个中间量有关，此时需要通过改变测量时的条件，分别测量这几个中间量，再通过被测量与这几个中间量的函数关系，列出方程组，求解方程组，得到被测量的结果。

2．按测量性质分类

（1）时域测量

时域测量是指以时间为函数的量（如随时间变化的电压和电流等）的测量。这些量的稳态值、有效值多用仪表直接测量，它们的瞬时值则可通过示波器等仪器显示出其幅值—时间特性，以便观测其随时间变化的规律。

（2）频域测量

频域测量是指以频率为函数的量（如电路的增益和相位移等）的测量。这些量的测量可通过频率特性和频谱特性等方法进行测量。

（3）数据域测量

数据域测量是指对数字量的测量。数据域测量可以同时观察多条数据通道上的逻辑状态或显示某条数据线上的时序波形，也可以用计算机分析大规模集成电路芯片的逻辑功能。例如用逻辑分析仪分析微处理器的地址线和数据线上的信号。

（4）随机域测量

随机域测量是指对随机信号的测量，如噪声和干扰信号的测量。它是目前较新的测量技术，尤其在通信领域有着广泛应用。

随了上述的分类方法外，还有很多其他的分类方法。比如有源测量和无源测量，动态与静态测量，集中式与分布式多路测量等。