电子电路测量误差实验数据处理

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1、11 电子电路测量技术的基本知识一、要点提示 1、电子技术基础实验的目的和意义2、电子技术基础实验的一般要求3、误差分析与测量结果的处理4、测量仪器的阻抗对测量的影响5、接地、电源接地 二、内容简介1.1.1 电子技术基础实验的目的和意义 实验是将事物置于控制的或特定的条件下加以观测。是对事物发展规律进行科学认识的必要环节，是科学理论的源泉，自然科学的根本，工程技术的基础。任何科学技术的发展都离不开实验。电子技术是一门实践性很强的学科，它的任务是使学生获得电子技术方面的基础理论、基础知识和基本技能。加强实验训练特别是技能的训练，对提高学生分析问题和解决问题的能力，特别是毕业后的实际工作能力，具

2、有十分重要的意义。 电子技术是一门飞速发展的学科，市场经济需要的是具有一定实际工作能力的复合型人才，而实验教学在培养学生诸能力方面有一定的优势。在实验过程中，通过分析、验证器件和电路的工作原理及功能；对电路进行分析、调试、故障排除和性能指标的测量；自行设计、制作各种功能的实际电路等多方面的系统训练，可以使学生的各种实验技能得以提高，实际工作能力也得到了锻炼。同时，学生的创造性思维能力、观测能力、表达能力、动手能力、查阅文献资料的能力等综合素质也得到了提高。此外，通过实验还可以培养学生勤奋进取、严肃认真、理论联系实际的务实作风和为科学事业奋斗的精神。 电子技术实验，按性质可分为验证性实验、训练性

3、实验、综合性实验和设计性实验四大类。 验证性实验和训练性实验是针对于电子技术基础理论而设置的，通过实验获得感性认识。验证和巩固重要的基础理论，同时使学生掌握测量仪器的工作原理和规范使用，熟悉常用元器件的原理和性能，掌握其参数的测量方法和元器件的使用方法，掌握基本实验知识、基本实验方法和基本实验技能。同时，培养学生一定的安装、调试、分析、寻找故障等技能。 综合性实验侧重于对一些理论知识的综合应用和实验的综合分析，其目的是培养学生综合应用理论知识能力和解决较复杂的实际问题的能力，包括实验理论的系统性、实验方案的完整性、可行性、元器件及测量仪器的综合应用等。 设计性实验对学生来说，既有综合性又有探索

4、性。它主要侧重于某些理论知识的灵活应用。要求学生在教师的指导下独立查阅资料、设计方案与组合实验等工作，并写出试验报告。借助于计算机仿真实验，可以使实验方案更加完善、合理。这类实验对提高学生的科学实验能力等方面非常有益。1.1.2 电子技术基础实验的一般要求 尽管每个电子技术实验的目的和内容不同，但为了培养良好的学风，充分发挥学生的主动精神，促使其独立思考、独立完成实验并有所创新。我们对电子技术实验的准备阶段、进行阶段、完成阶段和实验报告分别提出下列基本要求。 一、 实验前准备 为了避免盲目性，参加实验者应对实验内容进行预习。通过预习，明确实验目的和要求，掌握实验的基本原理，看懂实验电路图，查阅

5、有关资料，拟出实验方法和步骤，设计实验表格，对思考题作出解答，初步估算（或分析）实验结果，最后做出预习报告。 二、 实验进行 参加实验者要自觉遵守实验室规则。 根据实验内容合理布置实验现场。仪器设备和实验装置安放要适当。检查所用器件和仪器是否完好，然后按实验方案搭接实验电路和测试电路。并认真检查，确保无误后方可通电测试。 认真记录实验条件和所得资料、波形（并进行分析判断所得资料、波形是否正确）。发生故障应独立思考，耐心寻找故障原因并排除，记录排除故障的过程和方法。 仔细申阅实验内容及要求，确保实验内容完整，测量结果准确无误，现象合理。 实验中若发生异常现象，应立即切断电源，并报请指导教师和实验

6、室有关人员，等候处理。 三、实验完成 必须实验报告是对实验工作的全面总结。学生做完实验后用简明的形式将实验结果和实验情况完整地和真实地表达出来。 1.验报告的内容 实验报告应包括以下几个部分： 实验的目的和要求。 实验电路、测试电路和实验的工作原理。 实验用的仪器、主要工具。 实验的具体步骤、实验原始数据及实验过程的详细情况记录。 实验结果和分析。必要时，应对实验结果进行误差分析。 实验小结。实验小结即总结实验完成情况，对实验方案和实验结果进行讨论，对实验中遇到的问题进行分析，简单叙述实验的收获和体会。 参考资料。记录实验前、后阅读的有关资料。应记录资料的名称、作者和简单内容。为今后查阅提供方

7、便。 实验报告的基本要求 实验报告的基本要求是：结论正确、分析合理、讨论深入、文理通顺、简明扼要、符号标准、字迹端正、图表清晰。在实验报告上还应注明：课题、实验者、实验日期、使用仪器编号等内容。1.1.3 误差分析与测量结果的处理 在科学实验与生产实践的过程中，为了获取表征被研究对象的特征的定量信息，必须准确地进行测量。在测量过程中，由于各种原因，测量结果和待测量的客观真值之间总存在一定差别，即测量误差。因此，分析误差产生的原因，如何采取措施减少误差，使测量结果更加准确，对实验人员及科技工作者来说是必须了解和掌握的。一、 差的来源与分类 1测量误差的来源 测量误差的来源主要有以下几个方面： （

8、1） 仪器误差 仪器误差是指测量仪器本身的电气或机械等性能不完善所造成的误差。显然，消除仪器误差的方法是配备性能优良的仪器并定时对测量仪器进行校准。 （2） 使用误差也称操作误差 指测量过程中因操作不当而引起的误差。减小使用误差的办法是测量前详细阅读仪器的使用说明书，严格遵守操作规程，提高实验技巧和对各种仪器和操作能力。例如：万用表表盘上的符号：；60o分别表示万用表垂直位置使用；水平位置使用；与水平面倾斜成60o使用。使用时应按规定放置万用表，否则会带来误差，至于用欧姆档测电阻前不调零所带来的误差，更是显而易见的。 （3） 方法误差又称理论误差 它是指由于使用的测量方法不完善、理论依据不严密

9、、对某些经典测量方法作了不适当的修改简化所产生的，即凡是在测量结果的表达式中没有得到反映的因素，而实际上这些因素在测量过程中又起到一定的作用所引起的误差。例如，用伏安法测电阻时，若直接以电压表示值与电流表示值之比作测量结果，而不计电表本身内阻的影响，就会引起误差。 测量误差的分类 测量误差按性质和特点可分为系统误差、随机误差和疏失误差三大类。 （1） 系统误差 是指在相同条件下重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。系统误差一般可通过实验或分析方法，查明其变化规律及产生原因后，可以减少或消除。电子技术实验中系统误差常来源于测量仪器的调整不当和使用方法不当所致。

10、(2)随机误差（偶然误差）在相同条件下多次重复测量同一量时，误差大小和符号无规律的变化的误差称为随机误差。随机误差不能用实验方法消除。但从随机误差的统计规律中可了解它的分布特性，并能对其大小及测量结果的可靠性作出估计，或通过多次重复测量，然后取其中算术平均值来达到目的。 (3)粗差 这是一种过失误差。这种误差是由于测量者对仪器不了解、粗心，导致读数不正确而引起的，测量条件的突然变化也会引起粗差。含有粗差的测量值称为坏值或异常值。必须根据统计检验方法的某些准则去判断哪个测量值是坏值，然后去除。二 、 误差的表示方法 误差可以用绝对误差和相对误差来表示。 1绝对误差 设被测量量的真值为o，测量仪器

11、的示值为X，则绝对值为 XXo 在某一时间及空间条件下，被测量量的真值虽然是客观存在的，但一般无法测得，只能尽量逼近它。故常用高一级标准测量仪器的测量值代替真值o，则 XX 在测量前，测量仪器应由高一级标准仪器进行校正，校正量常用修正值C表示。对于被测量量，高一级标准仪器的示值减去测量仪器的示值所得的差值，就是修正值。实际上，修正值就是绝对误差，只是符号相反 CXX 利用修正值便可得该仪器所测量的实际值 AXC 例如，用电压表测量电压时，电压表的示值为1.1V，通过鉴定得出其修正值为0.01V。则被测电压的真值为 A1.1（0.01）1.09V 修正值给出的方式可以是曲线、公式或数表。对于自动

12、测验仪器，修正值则预先编制成有关程序，存于仪器中，测量时对误差进行自动修正，所得结果便是实际值。相对误差 绝对误差值的大小往往不能确切地反映出被测量量的准确程度。例如，测100V电压时，X12V，在测10V电压时，X2.5，虽然X1X2，可实际X1只占被测量量的，而X2却占被测量的5。显然，后者的误差对测量结果的影响相对较大。因此，工程上常采用相对误差来比较测量结果的准确程度。 相对误差又分为实际相对误差、示值相对误差和引用（或满度）相对误差。 （1）实际相对误差；是用绝对误差X与被测量的实际值A的比值的百分数来表示的相对误差，记为 （2）示值相对误差；是用绝对误差X与仪器给出值X的百分数来表

13、示的相对误差，即 （3）引用（或满度）相对误差；是用绝对误差X与仪器的满刻度值Xm之比的百分数来表示的相对误差，即 电工仪表的准确度等级就是由 决定的，如1.5级的电表，表明1.5。我国电工仪表按 值共分七级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。若某仪表的等级是S级，它的满刻度值为Xm，则测量的绝对误差为 XXmS 其示值相对误差为 在上式中，总是满足XXm的，可见当仪表等级S选定后，X愈接近Xm时， 的上限值愈小，测量愈准确。因此，当我们使用这类仪表进行测量时，一般应使被测量的值尽可能在仪表满刻度值的二分之一以上。二、 测量结果的处理 测量结果通常用数字或图形表示。下面分

14、别进行讨论。 1.测量结果的数据处理 （1）有效数字 由于存在误差，所以测量资料总是近似值，它通常由可靠数字和欠准数字两部分组成。例如，由电流表测得电流为12.6mA，这是个近似数，12是可靠数字，而末位6为欠准数字，即12.6为三位有效数字。有效数字对测量结果的科学表述极为重要。对有效数字的正确表示，应注意以下几点： 与计量单位有关的0不是有效数字，例如，0.054A与54mA这两种写法均为两位有效数字。 小数点后面的0不能随意省略，例如，18mA与18.00mA是有区别的，前者为两位有效数字，后者则是四位有效数字。 对后面带0的大数目数字，不同写法其有效数字位数是不同的，例如，3000如写

15、成3010 2，则成为两位有效数字；若写成3103，则成为一位有效数字；如写成30001，就是四位有效数字。 如已知误差，则有效数字的位数应与误差所在位相一致，即：有效数字的最后一位数应与误差所在位对齐。如；仪表误差为0.02V，测得数为3.2832V，其结果应写作3.28V。因为小数点后面第二位8所在位已经产生了误差，所以从小数点后面第三位开始后面的32已经没有意义了，写结果时应舍去。 当给出的误差有单位时，则测量资料的写法应与其一致。如：频率计的测量误差为数kHz，其测得某信号的的频率为7100kHz，可写成7.100MHz和7100103Hz，若写成7100000或7.1MHz是不行的。

16、因为后者的有效数字与仪器的测量误差不一致。 （2）数据舍入规则 为了使正、负舍入误差出现的机会大致相等，现已广泛采用小于5舍，大于5入，等于5时取偶数的舍入规则。即 若保留n位有效数字，当后面的数值小于第n位的0.5单位就舍去； 若保留n位有效数字，当后面的数值大于第n位的0.5单位就在第n位数字上加1； 若保留n位有效数字，当后面的数值恰为第n位的0.5单位，则当第n位数字为偶数（0，2，4，6，8）时应舍去后面的数字（即末位不变），当第n位数字为奇数（1，3，5，7，9）时，第n位数字应加1（即将末位凑成为偶数）。这样，由于舍入概率相同，当舍入次数足够多时，舍入的误差就会抵消。同时，这种舍

17、入规则，使有效数字的尾数为偶数的机会增多，能被除尽的机会比奇数多，有利于准确计算。 （3）有效数字的运算规则当测量结果需要进行中间运算时，有效数字的取舍，原则上取决于参与运算的各数中精度最差的那一项。一般应遵循以下规则： 当几个近似值进行加、减运算时，在各数中（采用同一计量单位），以小数点后位数最少的那一个数（如无小数点，则为有效位数最少者）为准，其余各数均舍入至比该数多一位后再进行加减运算，结果所保留的小数点后的位数，应与各数中小数点后位数最少者的位数相同。 进行乘除运算时，在各数中，以有效数字位数最少的那一个数为准，其余各数及积（或商）均舍入至比该因子多一位后进行运算，而与小数点位置无关。

18、运算结果的有效数字的位数应取舍成与运算前有效数字位数最少的因子相同。 将数平方或开方后，结果可比原数多保留一位。 用对数进行运算时，n位有效数字的数应该用n位对数表 若计算式中出现如e、 等常数时，可根据具体情况来决定它们应取的位数。2测量结果的曲线处理 在分析两个（或多个）物理量之间的关系时，用曲线比用数字、公式表示常常更形象和直观。因此，测量结果常要用曲线来表示。在实际测量过程中，由于各种误差的影响，测量数据将出现离散现象，如将测量点直接连接起来，将不是一条光滑的曲线，而是呈折线状。如图1.1.1所示，但我们应用有关误差理论，可以把各种随机因素引起的曲线波动抹平，使其成为一条光滑均匀的曲线

19、，这个过程称为曲线的修匀。图1.1.1 直线连接测量点时曲线的波动情况 图1.1.2 分组平均法修均曲线 在要求不太高的测量中，常采用一种简便、可行的工程方法-分组平均法来修匀曲线。这种方法是将各测量点分成若干组，每组含24个数据点，然后分别估取各组的几何重心，再将这些重心连接起来。图1.1.2就是每组取24个数据点进行平均后的修匀曲线。这条曲线，由于进行了测量点的平均，在一定程度上减少了偶然误差的影响，使之较为符合实际情况。1.1.4 测量仪器的阻抗对测量的影响 被测电路的输入或输出阻抗与测量仪器的输入或输出阻抗间的关系，如果没有合理的匹配将造成测量误差，下面作简单叙述。 一、测量仪器和被测

20、电路并联 以用示波器或数字电压表测量电路的内部电压为例，在图1.1.3中，被测电路的输出阻抗为ZS，内部电压为U 。用输入阻抗为Zm的示波器，或者数字电压表测量时，测量点A、B间的电压U为 当ZmZs时，VV，此时误差非常小。如果ZmZs，VV2，指示值为实际电压的12。因此，在这种情况下，必须使测量仪器的输入阻抗比被测电路的输出阻抗大很多。图1.1.3 用高输入阻抗一起测量电压图1.1.4用低输入阻抗一起测量电流 另外，一般Zm和Zs是频率的函数（通常多是频率越高，阻抗越低），尤其在高频测量时必须注意这一点。测量仪器和被测电路串联测量电流时，如图1.1.4，若未接Zm前的真值电流为I，串接Z

21、m后电流为I ，则 若Zm Zs，则I I ，测量值近于真值。如果ZmZs，则I I 2，测量指示值为真值的12倍。因此，在这种情况下，测量仪器的输入阻抗应远小于被测电路的输出阻抗。由此也可见，如果忽略了测量仪器的阻抗，会对结果产生较大影响，实验中应给予足够的重视。二、阻抗匹配 用信号发生器进行测量时，如图1.1.5，当被测电路输入阻抗Zm和信号发生器的输出阻抗Zs相等时，称为阻抗匹配，匹配的目的在于使负载Zm上得到最大功率，特别在高频电路中，此种匹配还为了在负载端不产生反射。 在高频、脉冲传输系统中，传输线多数采用50，它比用600系统时，电抗成分影响小，因此，前沿陡的脉冲及高频的测量比较正

22、确。图1.1.5 阻抗匹配1.1.5 接地、电源接地一、接地的含义 一般电子技术中的接地有两种含义。第一种含义是指接真正的大地即与地球保持等电位，而且常常局限于所在实验室附近的大地。对于交流供电电网的地线，通常是指三相电力变压器的中线(又称零线)，它是在发电厂接大地。第二种含义是指接电子测量仪器、设备、被测电路等的公共联接点。这个公共联接点通常与机壳直接联接在一起，或通过一个大电容(有时还并联一个大电阻-有形或无形的)与机壳相联(这在交流意义上也相当于短路)。因此，至少在交流意义上，可以把一个测量系统中的公共联接点，即电路的地线与仪器或设备的机壳看作同义语。研究接地问题应包括两方面的内容：保证

23、实验者人身安全的安全接地和保证正常实验、抑制噪声的技术接地。 二、安全接地 绝大多数实验室所用的测量仪器和设备都由50Hz，220V的交流电网供电，供电线路的中线(零线)已经在发电厂用良导体接大地，另一根为相线(又称为火线)。如果仪器或设备长期处于湿度较高的环境或长期受潮未烘烤、变压器质量低劣等，变压器的绝缘电阻就会明显下降。通电后，如人体接触机壳就有可能触电。为了防止因漏电使仪器外壳电位升高，造成人身事故，应将仪器外壳接大地。为了避免触电事故的发生，可在通电后用试电笔检查机壳是否明显带电。一般情况下，电源变压器初级线圈两端的漏电阻是不相同的，因此，往往把单相电源插头换个方向插入电源插座中部可

24、削弱甚至消除漏电现象。图1.1.6 利用三孔插座进行安全接地 比较安全的办法是采用三孔插头座，如图1.1.6中，三孔插座中间较粗的插孔与本实验室的地线(实验室的大地)相接，另外两个较细的插孔，一个接220V相线(火线)，另一个接电网零线（中线），由于实验室的地线与电网中线的实际节点不同，二者之间存在一定的大地电阻d(这个电阻还随地区、距离、季节等变化，一般是不稳定的)，如图1.1.7所示。 电网零线与实验室大地之间由于存在沿线分布的大地电阻，因此不允许把电网中线与实验室地线相联。否则，零线电流会在大地电阻d上形成一个电位差。同样道理，也不能用电网零线代替实验室地线。实验室地线是将大的金属板或金

25、属棒深埋在实验室附近的地下(并用撒食盐等办法来减小接地电阻)，然后用粗导线与之焊牢再引入实验室，分别接入各电源插座的相应位置。图1.1.7 实验室的地线与电网电线间的电阻 三孔插头中较粗的一根插头应与仪器或设备的机壳相联，另外两根较细的插头分别与仪器或设备的电源变压器的初级线圈的两端相联。利用如图1.1.6所示的电源插接方式，就可以保证仪器或设备的机壳始终与实验室大地处于同电位，从而避免了触电事故。如果电子仪器或设备没有三孔插头，也可以用导线将仪器或设备的机壳与实验室大地相联。三、技术接地 1接地不良引入干扰 在电子电路实验中，由信号源、被测电路和测试仪器所构成的测试系统必须具有公共的零电位线

26、(即接地的第二种含义)，被测电路、测量仪器的接地除了保证人身安全外，还可防止干扰或感应电压窜入测量系统或测量仪器形成相互间的干扰，以及消除人体操作的影响。接地是使测量稳定所必需的,抑制外界的干扰，保证电子测量仪器和设备能正常工作。如果接地不当，可能会产生实验者所不希望的结果。下面举几个常见的例子来说明。 如图1.1.8所示为用晶体管毫伏表测量信号发生器输出电压，因未接地或接地不良引入干扰的示意图。图1.1.8接地不良引入干扰 在图1.1.8中，1、2分别为信号发生器和晶体管毫伏表的电源变压器初级线圈对各自机壳(地线)的分布电容，3、4分别为信号发生器和晶体管毫伏表的机壳对大地的分布电容。由于图

27、中晶体管毫伏表和信号发生器的地线没有相连，因此实际到达晶体管毫伏表输入端的电压为被测电压x与分布电容3、4所引入的50Hz干扰电压C3、C4之和(如图1.1.8(b)所示)，由于晶体管毫伏表的输入阻抗很高(兆欧级)，故加到它上面的总电压可能很大而使毫伏表过负荷，表现为在小量程档表头指针超量程而打表。 如果将图1.1.8中的晶体管毫伏表改为示波器，则会在示波器的荧光屏上看到如图1.1.9(a)所示的干扰电压波形，将示波器的灵敏度降低可观察到如图1.1.9(b)所示的一个低频信号叠加一个高频信号的信号波形，并可测出低频信号的频率为50Hz。（a） （b）图1.1.9示波器观测50Hz干扰信号波形如

28、果将图1.1.8中信号发生器和晶体管毫伏表的地线相联(机壳)或两地线(机壳)分别接大地，干扰就可消除。因此，对高灵敏度、高输入阻抗的电子测量仪器应养成先接好地线再进行测量的习惯。 在实验过程中，如果测量方法正确、被测电路和测量仪器的工作状态也正常，而得到的仪器读数却比预计值大得多或在示波器上看到如图1.1.9所示的信号波形，那么，这种现象很可能就是地线接触不良造成的。2仪器信号线与地线接反引入干扰有的实验者认为，信号发生器输出的是交流信号，而交流信号可以不分正负，所以信号线与地线可以互换使用，其实不然。 如图1.1.10(a)所示，用示波器观测信号发生器的输出信号，将两个仪器的信号线分别与对方

29、的地线(机壳)相联，即两仪器不共地。1、2分别为两仪器的电源变压器的初级线圈对各自机壳的分布电容，3、4分别为两仪器的机壳对大地的分布电容，那么图1.1.10(a)可以用图1.1.10(b)来表示，图中C3、C4为分布电容3、4所引入的50Hz干扰，在示波器荧光屏上所看到的信号波形叠加有50Hz干扰信号，因而包络不再是平直的而是呈近似的正弦变化。图1.1.10 信号线与地线接反引入干扰 如果将信号发生器和示波器的地线(机壳)相连或两地线(机壳)分别与实验室的大地相接，那么，在示波器的荧光屏上就观测不到任何信号波形，信号发生器的输出端被短路。 3高输入阻抗仪表输入端开路引入干扰 以示波器为例来说

30、明这个问题。如图1.1.11(a)所示，1、2分别为示波器输入端对电源变压器初级线圈和大地的分布电容，3、4分别为机壳对电源变压器初级线圈和大地的分布电容。此电路可等效为如图1.1.11(b)所示电路，可见，这些分布参数构成一个桥路，当1423时，示波器的输入端无电流流过。但是，对于分布参数来说，一般不可能满足1423，因此示波器的输入端就有50Hz的市电电流流过，荧光屏上就有50Hz交流电压信号显示。如果将示波器换成晶体管毫伏表，毫伏表的指针就会指示出干扰电压的大小。正是由于这个原因，毫伏表在使用完毕后，必须将其量程旋钮置3V以上档位，并使输入端短路，否则，一开机，毫伏表的指针会出现打表现象

31、。图1.1.11示波器输入端开路引入干扰 4接地不当将被测电路短路 这个问题在使用双踪示波器时尤其应注意。如图1.1.12所示，由于双踪示波器两路输入端的地线都是与机壳相联的，因此，在图1.1.12(a)中，示波器的第一路(CHl)观测被测电路的输入信号，连接方式是正确的，而示波器的第二路(CH2)观测被测电路的输出信号，连接方式是错误的，导致了被测电路的输出端被短路。在图1.1.12(b)中，示波器的第二路(CH2)观测被测电路的输出信号，连接方式是正确的，而示波器的第一路(CHl)，观测被测电路的输入信号，连接方式是错误的，导致了被测电路的输入端被短路。图1.1.12 接地不当将被测电路短

32、路此外，接地时应避免多点接地，而采取一点接地方法，以排除对测量结果的干扰而产生测量误差。尤其多个测量电仪器间有二点以上接地时更需注意。如果实验室电源有地线，此项干扰可以排除，否则，由于两处接地，工作电流在各接地点间产生电压降或在接地点间产生电磁感应电压，这些原因也会造成测量上的误差。为此，必须采取一点接地措施。 在测量放大嚣的放大倍数或观察其输入、输出波形关系时，也要强调放大器、信号发生器、晶体管毫伏表以及示波器实行共地测量，以此来减小测量误差与干扰。 电子电路测量误差实验数据处理类别：电子综合 实验中，任何直接测量所得到的数值都是近似值。由这些近似值再根据一定的理论计算公式，通过运算而得到的

33、间接测量值当然也是近似值。为了减小不应有的误差，获得较精确的测量结果，测量值的读取和运算必须遵守一定的规则。1直接测量数据的读取一般情况下，直接测量所得到的数据的误差只用一位数字表示。这时，仪器读数的最后一位是读数误差的所在位。为了减小读数误差，从仪器上读取数据时，应尽可能地估读到仪器最小刻度的110。有些分度较窄而指针较宽的指针式仪表，可以估读到其指示度盘的最小刻度的15或12。测量数据的读数位数应与对测量精度要求的位数相适应。恰当的读数位数与正确地选择仪器、仪表有关，还与正确选择仪器、仪表的量程有关。测量时，指针式仪表的指针偏转应在量程13以上的位置。对数字式仪表、电桥和电位差计等，应选择

34、使它们的最高位或第一个测量盘有读数。为了提高测量结果的可靠性和精确度，在相同情况下，应对同一被测量采用较多次数的重复测量。特别是在有干扰影响或在动态测量的时候，仪器读数的指示装置往往不稳定，在这种情况下，更应读取多次的测量数据，通过求算术平均值的方法，来确定被测量的实验结果，或者在不严格的情况下，读取其指示数值中出现次数最多的数据作为测量的结果。2实验曲线测量数据的读取在测量两个或多个量之间关系变化的实验曲线时，为了使测量数据能充分、正确地体现被测量间关系变化的客观规律，在读取实验数据时，在曲线变化剧烈的部分要多取数据点，在曲线变化比较缓慢或线性变化区，可少取数据点，曲线上极值点和拐点处的数据

35、要完整。为了便于测量，在读取数据前，首先应仔细观察随自变量变化的曲线形状，对变化关系复杂的曲线，可先根据观察的数据画出曲线的大致形状，标出其特殊点的数据，以备精确测量数据时作参考。然后，根据被测曲线的变化特征列表，读取测量数据，这样可以提高测量的速度和精度。3测量数据的有效数字实验中所得测量数据或由计算所得测量结果，从第一个非零数字算起，到误差最低位所对应的那位数字为止的全部数字，在测量上称为有效数字。如果一个测量数的有效数字为n位，就说此数字为n位有效数字。例如，测得I=15.80.01mA，表示被测量I的测量值为15.80 mA，测量误差为0.01mA，其有效数字为15.80，为四位有效数

36、字。一般说来，测量结果的有效数字位数越多，测量的相对误差就越小，表示测量的精确度就越高。测量结果之间有效数字的末位是由绝对误差决定的，它表示测量结果精确到的具体位数。因此，用有效数字读取测量数据时，其位数不能少记，也不能多记，无论测量值末位数值是否为“0”，它都应与绝对误差的末位相对应。第一部分电 子 技 术 基 础 实 验 的 基 本 知 识 11 电子电路测量技术的基本知识 一、要点提示 1、电子技术基础实验的目的和意义 2、电子技术基础实验的一般要求 3、误差分析与测量结果的处理 4、测量仪器的阻抗对测量的影响 5、接地、电源接地 二、内容简介 1.1.1 电子技术基础实验的目的和意义

37、实验是将事物置于控制的或特定的条件下加以观测。是对事物发展规律进行科学认识的必要环节是科学理论的源泉自然科学的根本工程技术的基础。任何科学技术的发展都离不开实验。电子技术是一门实践性很强的学科它的任务是使学生获得电子技术方面的基础理论、基础知识和基本技能。加强实验训练特别是技能的训练对提高学生分析问题和解决问题的能力特别是毕业后的实际工作能力具有十分重要的意义。 电子技术是一门飞速发展的学科市场经济需要的是具有一定实际工作能力的复合型人才而实验教学在培养学生诸能力方面有一定的优势。在实验过程中通过分析、验证器件和电路的工作原理及功能对电路进行分析、调试、故障排除和性能指标的测量自行设计、制作各

38、种功能的实际电路等多方面的系统训练可以使学生的各种实验技能得以提高实际工作能力也得到了锻炼。同时学生的创造性思维能力、观测能力、表达能力、动手能力、查阅文献资料的能力等综合素质也得到了提高。此外通过实验还可以培养学生勤奋进取、严肃认真、理论联系实际的务实作风和为科学事业奋斗的精神。 电子技术实验按性质可分为验证性实验、训练性实验、综合性实验和设计性实验四大类。 验证性实验和训练性实验是针对于电子技术基础理论而设置的通过实验获得感性认识。验证和巩固重要的基础理论同时使学生掌握测量仪器的工作原理和规范使用熟悉常用元器件的原理和性能掌握其参数的测量方法和元器件的使用方法掌握基本实验知识、基本实验方法

39、和基本实验技能。同时培养学生一定的安装、调试、分析、寻找故障等技能。 综合性实验侧重于对一些理论知识的综合应用和实验的综合分析其目的是培养学生综合应用理论知识能力和解决较复杂的实际问题的能力包括实验理论的系统性、实验方案的完整性、可行性、元器件及测量仪器的综合应用等。 设计性实验对学生来说既有综合性又有探索性。它主要侧重于某些理论知识的灵活应用。要求学生在教师的指导下独立查阅资料、设计方案与组合实验等工作并写出试验报告。借助于计算机仿真实验可以使实验方案更加完善、合理。这类实验对提高学生的科学实验能力等方面非常有益。 1.1.2 电子技术基础实验的一般要求 尽管每个电子技术实验的目的和内容不同

40、但为了培养良好的学风充分发挥学生的主动精神促使其独立思考、独立完成实验并有所创新。我们对电子技术实验的准备阶段、进行阶段、完成阶段和实验报告分别提出下列基本要求。 一、 实验前准备 为了避免盲目性参加实验者应对实验内容进行预习。通过预习明确实验目的和要求掌握实验的基本原理看懂实验电路图查阅有关资料拟出实验方法和步骤设计实验表格对思考题作出解答初步估算或分析实验结果最后做出预习报告。 二、 实验进行 参加实验者要自觉遵守实验室规则。 根据实验内容合理布置实验现场。仪器设备和实验装置安放要适当。检查所用器件和仪器是否完好然后按实验方案搭接实验电路和测试电路。并认真检查确保无误后方可通电测试。 认真

41、记录实验条件和所得资料、波形并进行分析判断所得资料、波形是否正确。发生故障应独立思考耐心寻找故障原因并排除记录排除故障的过程和方法。 仔细申阅实验内容及要求确保实验内容完整测量结果准确无误现象合理。 实验中若发生异常现象应立即切断电源并报请指导教师和实验室有关人员等候处理。 三、实验完成 必须实验报告是对实验工作的全面总结。学生做完实验后用简明的形式将实验结果和实验情况完整地和真实地表达出来。 1. 验报告的内容 实验报告应包括以下几个部分 实验的目的和要求。 实验电路、测试电路和实验的工作原理。 实验用的仪器、主要工具。 实验的具体步骤、实验原始数据及实验过程的详细情况记录。 实验结果和分析

42、。必要时应对实验结果进行误差分析。 实验小结。实验小结即总结实验完成情况对实验方案和实验结果进行讨论对实验中遇到的问题进行分析简单叙述实验的收获和体会。 参考资料。记录实验前、后阅读的有关资料。应记录资料的名称、作者和简单内容。为今后查阅提供方便。 实验报告的基本要求 实验报告的基本要求是结论正确、分析合理、讨论深入、文理通顺、简明扼要、符号标准、字迹端正、图表清晰。在实验报告上还应注明课题、实验者、实验日期、使用仪器编号等内容。 1.1.3 误差分析与测量结果的处理 在科学实验与生产实践的过程中为了获取表征被研究对象的特征的定量信息必须准确地进行测量。在测量过程中由于各种原因测量结果和待测量

43、的客观真值之间总存在一定差别即测量误差。因此分析误差产生的原因如何采取措施减少误差使测量结果更加准确对实验人员及科技工作者来说是必须了解和掌握的。 一、 差的来源与分类 1测量误差的来源 测量误差的来源主要有以下几个方面 1 仪器误差 仪器误差是指测量仪器本身的电气或机械等性能不完善所造成的误差。显然消除仪器误差的方法是配备性能优良的仪器并定时对测量仪器进行校准。 2 使用误差也称操作误差 指测量过程中因操作不当而引起的误差。减小使用误差的办法是测量前详细阅读仪器的使用说明书严格遵守操作规程提高实验技巧和对各种仪器和操作能力。 例如万用表表盘上的符号60o分别表示万用表垂直位置使用水平位置使用

44、与水平面倾斜成60o使用。使用时应按规定放置万用表否则会带来误差至于用欧姆档测电阻前不调零所带来的误差更是显而易见的。 3 方法误差又称理论误差 它是指由于使用的测量方法不完善、理论依据不严密、对某些经典测量方法作了不适当的修改简化所产生的即凡是在测量结果的表达式中没有得到反映的因素而实际上这些因素在测量过程中又起到一定的作用所引起的误差。例如用伏安法测电阻时若直接以电压表示值与电流表示值之比作测量结果而不计电表本身内阻的影响就会引起误差。 测量误差的分类 测量误差按性质和特点可分为系统误差、随机误差和疏失误差三大类。 1 系统误差 是指在相同条件下重复测量同一量时误差的大小和符号保持不变或按

45、照一定的规律变化的误差。系统误差一般可通过实验或分析方法查明其变化规律及产生原因后可以减少或消除。电子技术实验中系统误差常来源于测量仪器的调整不当和使用方法不当所致。 2随机误差偶然误差 在相同条件下多次重复测量同一量时误差大小和符号无规律的变化的误差称为随机误差。随机误差不能用实验方法消除。但从随机误差的统计规律中可了解它的分布特性并能对其大小及测量结果的可靠性作出估计或通过多次重复测量然后取其中算术平均值来达到目的。 3粗差 这是一种过失误差。这种误差是由于测量者对仪器不了解、粗心导致读数不正确而引起的测量条件的突然变化也会引起粗差。含有粗差的测量值称为坏值或异常值。必须根据统计检验方法的

46、某些准则去判断哪个测量值是坏值然后去除。 二 、 误差的表示方法 误差可以用绝对误差和相对误差来表示。 1绝对误差 设被测量量的真值为o测量仪器的示值为X则绝对值为 XXo 在某一时间及空间条件下被测量量的真值虽然是客观存在的但一般无法测得只能尽量逼近它。故常用高一级标准测量仪器的测量值代替真值o则 XX 在测量前测量仪器应由高一级标准仪器进行校正校正量常用修正值C表示。对于被测量量高一级标准仪器的示值减去测量仪器的示值所得的差值就是修正值。实际上修正值就是绝对误差只是符号相反 CXX 利用修正值便可得该仪器所测量的实际值 AXC 例如用电压表测量电压时电压表的示值为1.1V通过鉴定得出其修正

47、值为0.01V。则被测电压的真值为 A1.10.011.09V 修正值给出的方式可以是曲线、公式或数表。对于自动测验仪器修正值则预先编制成有关程序存于仪器中测量时对误差进行自动修正所得结果便是实际值。 相对误差 绝对误差值的大小往往不能确切地反映出被测量量的准确程度。例如测100V电压时X12V在测10V电压时X2.5虽然X1X2可实际X1只占被测量量的而X2却占被测量的5。显然后者的误差对测量结果的影响相对较大。因此工程上常采用相对误差来比较测量结果的准确程度。 相对误差又分为实际相对误差、示值相对误差和引用或满度相对误差。 1实际相对误差是用绝对误差X与被测量的实际值A的比值的百分数来表示

48、的相对误差记为 2示值相对误差是用绝对误差X与仪器给出值X的百分数来表示的相对误差即 3引用或满度相对误差是用绝对误差X与仪器的满刻度值Xm之比的百分数来表示的相对误差即 电工仪表的准确度等级就是由 决定的如1.5级的电表表明1.5。我国电工仪表按 值共分七级0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。若某仪表的等级是S级它的满刻度值为Xm则测量的绝对误差为 XXmS 其示值相对误差为 在上式中总是满足XXm的可见当仪表等级S选定后X愈接近Xm时 的上限值愈小测量愈准确。因此当我们使用这类仪表进行测量时一般应使被测量的值尽可能在仪表满刻度值的二分之一以上。 二、 测量结果的处理 测

49、量结果通常用数字或图形表示。下面分别进行讨论。 1.测量结果的数据处理 1有效数字 由于存在误差所以测量资料总是近似值它通常由可靠数字和欠准数字两部分组成。例如由电流表测得电流为12.6mA这是个近似数12是可靠数字而末位6为欠准数字即12.6为三位有效数字。有效数字对测量结果的科学表述极为重要。 对有效数字的正确表示应注意以下几点 与计量单位有关的quot0quot不是有效数字例如0.054A与54mA这两种写法均为两位有效数字。 小数点后面的quot0quot不能随意省略例如18mA与18.00mA是有区别的前者为两位有效数字后者则是四位有效数字。 对后面带quot0quot的大数目数字不

50、同写法其有效数字位数是不同的例如3000如写成3010 2则成为两位有效数字若写成3103则成为一位有效数字如写成30001就是四位有效数字。 如已知误差则有效数字的位数应与误差所在位相一致即有效数字的最后一位数应与误差所在位对齐。如仪表误差为0.02V测得数为3.2832V其结果应写作3.28V。因为小数点后面第二位quot8quot所在位已经产生了误差所以从小数点后面第三位开始后面的quot32quot已经没有意义了写结果时应舍去。 当给出的误差有单位时则测量资料的写法应与其一致。如频率计的测量误差为数kHz其测得某信号的的频率为7100kHz可写成7.100MHz和7100103Hz若写

51、成7100000或7.1MHz是不行的。因为后者的有效数字与仪器的测量误差不一致。 2数据舍入规则 为了使正、负舍入误差出现的机会大致相等现已广泛采用quot小于5舍大于5入等于5时取偶数quot的舍入规则。即 若保留n位有效数字当后面的数值小于第n位的0.5单位就舍去 若保留n位有效数字当后面的数值大于第n位的0.5单位就在第n位数字上加1 若保留n位有效数字当后面的数值恰为第n位的0.5单位则当第n位数字为偶数02468时应舍去后面的数字即末位不变当第n位数字为奇数13579时第n位数字应加1即将末位凑成为偶数。这样由于舍入概率相同当舍入次数足够多时舍入的误差就会抵消。同时这种舍入规则使有

52、效数字的尾数为偶数的机会增多能被除尽的机会比奇数多有利于准确计算。 3有效数字的运算规则 当测量结果需要进行中间运算时有效数字的取舍原则上取决于参与运算的各数中精度最差的那一项。一般应遵循以下规则 当几个近似值进行加、减运算时在各数中采用同一计量单位以小数点后位数最少的那一个数如无小数点则为有效位数最少者为准其余各数均舍入至比该数多一位后再进行加减运算结果所保留的小数点后的位数应与各数中小数点后位数最少者的位数相同。 进行乘除运算时在各数中以有效数字位数最少的那一个数为准其余各数及积或商均舍入至比该因子多一位后进行运算而与小数点位置无关。运算结果的有效数字的位数应取舍成与运算前有效数字位数最少

53、的因子相同。 将数平方或开方后结果可比原数多保留一位。 用对数进行运算时n位有效数字的数应该用n位对数表 若计算式中出现如e、 等常数时可根据具体情况来决定它们应取的位数。 2测量结果的曲线处理 在分析两个或多个物理量之间的关系时用曲线比用数字、公式表示常常更形象和直观。因此测量结果常要用曲线来表示。在实际测量过程中由于各种误差的影响测量数据将出现离散现象如将测量点直接连接起来将不是一条光滑的曲线而是呈折线状。如图1.1.1所示但我们应用有关误差理论可以把各种随机因素引起的曲线波动抹平使其成为一条光滑均匀的曲线这个过程称为曲线的修匀。 图1.1.1 直线连接测量点时曲线的波动情况 图1.1.2

54、 分组平均法修均曲线 在要求不太高的测量中常采用一种简便、可行的工程方法-分组平均法来修匀曲线。这种方法是将各测量点分成若干组每组含24个数据点然后分别估取各组的几何重心再将这些重心连接起来。图1.1.2就是每组取24个数据点进行平均后的修匀曲线。这条曲线由于进行了测量点的平均在一定程度上减少了偶然误差的影响使之较为符合实际情况。 1.1.4 测量仪器的阻抗对测量的影响 被测电路的输入或输出阻抗与测量仪器的输入或输出阻抗间的关系如果没有合理的匹配将造成测量误差下面作简单叙述。 一、测量仪器和被测电路并联 以用示波器或数字电压表测量电路的内部电压为例在图1.1.3中被测电路的输出阻抗为ZS内部电

55、压为U 。用输入阻抗为Zm的示波器或者数字电压表测量时测量点A、B间的电压U为 当ZmgtgtZs时VV此时误差非常小。如果ZmZsVV2指示值为实际电压的12。因此在这种情况下必须使测量仪器的输入阻抗比被测电路的输出阻抗大很多。 图1.1.3 用高输入阻抗一起测量电压 图1.1.4用低输入阻抗一起测量电流 另外一般Zm和Zs是频率的函数通常多是频率越高阻抗越低尤其在高频测量时必须注意这一点。测量仪器和被测电路串联 测量电流时如图1.1.4若未接Zm前的真值电流为I串接Zm后电流为I 则 若Zmgtgt Zs则I I 测量值近于真值。如果ZmZs则I I 2测量指示值为真值的12倍。因此在这种

56、情况下测量仪器的输入阻抗应远小于被测电路的输出阻抗。由此也可见如果忽略了测量仪器的阻抗会对结果产生较大影响实验中应给予足够的重视。 二、阻抗匹配 用信号发生器进行测量时如图1.1.5当被测电路输入阻抗Zm和信号发生器的输出阻抗Zs相等时称为阻抗匹配匹配的目的在于使负载Zm上得到最大功率特别在高频电路中此种匹配还为了在负载端不产生反射。 在高频、脉冲传输系统中传输线多数采用50它比用600系统时电抗成分影响小因此前沿陡的脉冲及高频的测量比较正确。 图1.1.5 阻抗匹配 1.1.5 接地、电源接地 一、接地的含义 一般电子技术中的接地有两种含义。第一种含义是指接真正的大地即与地球保持等电位而且常

57、常局限于所在实验室附近的大地。对于交流供电电网的地线通常是指三相电力变压器的中线又称零线它是在发电厂接大地。第二种含义是指接电子测量仪器、设备、被测电路等的公共联接点。这个公共联接点通常与机壳直接联接在一起或通过一个大电容有时还并联一个大电阻-有形或无形的与机壳相联这在交流意义上也相当于短路。因此至少在交流意义上可以把一个测量系统中的公共联接点即电路的地线与仪器或设备的机壳看作同义语。 研究接地问题应包括两方面的内容保证实验者人身安全的安全接地和保证正常实验、抑制噪声的技术接地。 二、安全接地 绝大多数实验室所用的测量仪器和设备都由50Hz220V的交流电网供电供电线路的中线零线已经在发电厂用

58、良导体接大地另一根为相线又称为火线。如果仪器或设备长期处于湿度较高的环境或长期受潮未烘烤、变压器质量低劣等变压器的绝缘电阻就会明显下降。通电后如人体接触机壳就有可能触电。为了防止因漏电使仪器外壳电位升高造成人身事故应将仪器外壳接大地。 为了避免触电事故的发生可在通电后用试电笔检查机壳是否明显带电。一般情况下电源变压器初级线圈两端的漏电阻是不相同的因此往往把单相电源插头换个方向插入电源插座中部可削弱甚至消除漏电现象。 图1.1.6 利用三孔插座进行安全接地 比较安全的办法是采用三孔插头座如图1.1.6中三孔插座中间较粗的插孔与本实验室的地线实验室的大地相接另外两个较细的插孔一个接220V相线火线

59、另一个接电网零线中线由于实验室的地线与电网中线的实际节点不同二者之间存在一定的大地电阻d这个电阻还随地区、距离、季节等变化一般是不稳定的如图1.1.7所示。 电网零线与实验室大地之间由于存在沿线分布的大地电阻因此不允许把电网中线与实验室地线相联。否则零线电流会在大地电阻d上形成一个电位差。同样道理也不能用电网零线代替实验室地线。实验室地线是将大的金属板或金属棒深埋在实验室附近的地下并用撒食盐等办法来减小接地电阻然后用粗导线与之焊牢再引入实验室分别接入各电源插座的相应位置。 图1.1.7 实验室的地线与电网电线间的电阻 三孔插头中较粗的一根插头应与仪器或设备的机壳相联另外两根较细的插头分别与仪器

60、或设备的电源变压器的初级线圈的两端相联。利用如图1.1.6所示的电源插接方式就可以保证仪器或设备的机壳始终与实验室大地处于同电位从而避免了触电事故。如果电子仪器或设备没有三孔插头也可以用导线将仪器或设备的机壳与实验室大地相联。 三、技术接地 1接地不良引入干扰 在电子电路实验中由信号源、被测电路和测试仪器所构成的测试系统必须具有公共的零电位线即接地的第二种含义被测电路、测量仪器的接地除了保证人身安全外还可防止干扰或感应电压窜入测量系统或测量仪器形成相互间的干扰以及消除人体操作的影响。接地是使测量稳定所必需的抑制外界的干扰保证电子测量仪器和设备能正常工作。如果接地不当可能会产生实验者所不希望的结

61、果。下面举几个常见的例子来说明。 如图1.1.8所示为用晶体管毫伏表测量信号发生器输出电压因未接地或接地不良引入干扰的示意图。 图1.1.8接地不良引入干扰 在图1.1.8中1、2分别为信号发生器和晶体管毫伏表的电源变压器初级线圈对各自机壳地线的分布电容3、4分别为信号发生器和晶体管毫伏表的机壳对大地的分布电容。由于图中晶体管毫伏表和信号发生器的地线没有相连因此实际到达晶体管毫伏表输入端的电压为被测电压x与分布电容3、4所引入的50Hz干扰电压C3、C4之和如图1.1.8b所示由于晶体管毫伏表的输入阻抗很高兆欧级故加到它上面的总电压可能很大而使毫伏表过负荷表现为在小量程档表头指针超量程而打表。 如果将图1.1.8中的晶体管毫伏表改为示波器