快速指南

介绍

用于测量任何数量的仪器称为测量仪器。本教程主要涵盖电子仪器，可用于测量电量或参数。

以下是最常用的电子仪器。

  • 电压表
  • 电表
  • 欧姆表
  • 万用表

现在，让我们简单讨论一下这些仪器。

电压表

顾名思义，电压表是一种测量电路任意两点电压的测量仪器。电压表有两种类型：直流电压表和交流电压表。

直流电压表测量电路任意两点的直流电压，而交流电压表测量电路任意两点的交流电压。下图所示为实用直流电压表的一个例子。

电压表

上图所示的直流电压表是$(0-100)V$直流电压表。因此，它可用于测量 0 伏至 10 伏的直流电压。

电表

顾名思义，电流表是一种测量流经电路任意两点电流的测量仪器。电流表有两种类型：直流电流表和交流电流表。

直流电流表测量流经电路任意两点的直流电流。而交流电流表测量流经电路任意两点的交流电流。实用交流电流表的示例如下图所示 -

电表

上图所示的交流电流表是$(0-100)A \:$交流电流表。因此，它可用于测量从 0 安培到 100 安培的交流电流。

欧姆表

欧姆表用于测量电路任意两点之间的电阻值。它还可用于查找未知电阻器的值。欧姆表有两种类型：串联欧姆表和并联欧姆表。

串联式欧姆表中，待测阻值未知的电阻应与欧姆表串联。它对于测量高电阻值非常有用。

欧姆计

在分流式欧姆表中，待测阻值未知的电阻应与欧姆表并联（分流）。它对于测量低电阻值很有用。

上图显示了实用分流欧姆表的示例。上图所示的欧姆表是一个$(0-100)\Omega$分流欧姆表。因此，它可以用来测量从0欧姆到100欧姆的电阻值。

万用表

万用表是一种用于一次测量电压、电流和电阻等量的电子仪器。它可用于测量多个量程的直流和交流电压、直流和交流电流以及电阻。实用的万用表如下图所示 -

万用表

如图所示，该万用表可用于测量各种高电阻、低电阻、直流电压、交流电压、直流电流、交流电流。上图中标记了每个数量的不同比例和值范围。

我们在本章中考虑的仪器是指示型仪器，因为这些仪器的指针偏转并指向特定值。我们将在后面的章节中详细讨论这些电子测量仪器。

性能特点

测量仪器的特性有助于了解仪器的性能并有助于测量任何数量或参数，称为性能特性。

性能特征的类型

仪器的性能特点可分为以下两类。

  • 静态特性
  • 动态特性

下面我们就这两类特征一一讨论一下。

静态特性

测量仪器的量或参数不随时间变化的特性称为静态特性。有时，这些数量或参数可能随时间缓慢变化。以下是静态特性列表。

  • 准确性
  • 精确
  • 灵敏度
  • 解决
  • 静态误差

下面我们就来一一讨论一下这些静态特性。

准确性

仪器的指示值 $A_{i}$ 与真实值 $A_{t}$ 之间的代数差称为精度。在数学上，它可以表示为 -

$$准确度 = A_{i}- A_{t}$$

术语“准确度”表示仪器的指示值 $A_{i}$ 与真实值 $A_{t}$ 的接近程度。

静态误差

不随时间变化的数量的真实值 $A_{t}$ 与仪器的指示值 $A_{i}$ 之间的差异称为静态误差 $e_{s } $ 。在数学上，它可以表示为 -

$$e_{s}= A_{t}- A_{i}$$

静态误差一词表示仪器的不准确度。如果静态误差以百分比表示，则称为静态误差百分比。在数学上，它可以表示为 -

$$\% e_{s}=\frac{e_{s}}{A_{t}}\times 100$$

代入上式右侧 $e_{s}$ 的值 -

$$\% e_{s}=\frac{A_{t}- A_{i}}{A_{t}}\times 100$$

在哪里，

$\% e_{s}$ 是静态误差的百分比。

精确

如果一台仪器在相SymPy况下测量同一个量任意次，重复显示相同的值，则可以说该仪器具有较高的精度。

灵敏度

对于要测量的给定输入变化 $\Delta A_{in}$，仪器的输出变化比率 $\Delta A_{out}$ 称为灵敏度S。在数学上它可以表示为 -

$$S=\frac{\Delta A_{输出}}{\Delta A_{输入}$$

术语“灵敏度”表示仪器响应所需的可测量输入的最小变化。

  • 如果校准曲线是线性的，则仪器的灵敏度将是一个常数，它等于校准曲线的斜率。

  • 如果校准曲线是非线性的，则仪器的灵敏度将不是恒定的，并且会随输入而变化。

解决

如果仪器的输出仅在输入有特定增量时才会改变，则该输入增量称为分辨率。这意味着，当存在输入分辨率时，仪器能够有效地测量输入。

动态特性

用于测量随时间快速变化的量或参数的仪器特性称为动态特性。以下是动态特性列表。

  • 反应速度
  • 动态误差
  • 富达
  • 落后

现在，让我们一一讨论这些动态特性。

反应速度

每当待测量发生变化时仪器响应的速度称为响应速度。它表明仪器的速度有多快。

落后

每当待测量的量发生变化时，仪器响应中出现的延迟量称为测量滞后。它也简称为lag。

动态误差

随时间变化的数量的真实值 $A_{t}$ 与仪器的指示值 $A_{i}$ 之间的差异称为动态误差 $e_{d}$。

富达

仪器在没有任何动态误差的情况下指示测量量变化的程度称为保真度

电子测量仪器 - 错误

测量过程中出现的误差称为测量误差。在本章中，我们将讨论测量误差的类型。

测量误差的类型

我们可以将测量误差分为以下三类。

  • 严重错误
  • 随机误差
  • 系统错误

下面我们就这三类测量误差一一讨论一下。

严重错误

由于观察者在获取测量值时缺乏经验而产生的误差称为粗差。粗差值因观察者而异。有时，由于仪器选择不当也会产生粗差。我们可以通过以下两个步骤来最大限度地减少粗大错误。

  • 根据要测量的值的范围选择最合适的仪器。
  • 仔细记下读数

系统错误

如果仪器在运行过程中产生恒定的均匀偏差的误差，则称为系统误差。系统误差的产生是由于仪器所用材料的特性造成的。

系统错误的类型

系统误差可分为以下三类。

  • 仪器错误- 这种类型的错误是由于仪器的缺陷和负载效应而发生的。

  • 环境错误- 此类错误是由于环境变化（例如温度、压力等变化）而发生的。

  • 观测误差- 这种类型的误差是由于观察者在获取仪表读数时发生的。视差误差就属于此类误差。

随机误差

在测量期间由于未知来源而发生的误差被称为随机误差。因此，不可能消除或最小化这些错误。但是，如果我们想获得更准确的测量值而没有任何随机误差，那么可以按照这两个步骤进行。

  • Step1 - 获取更多不同观察者的读数。

  • 步骤 2 - 对步骤 1 中获得的读数进行统计分析。

以下是统计分析中使用的参数。

  • 意思是
  • 中位数
  • 方差
  • 偏差
  • 标准差

现在，让我们讨论一下这些统计参数。

意思是

设 $x_{1},x_{2},x_{3},....,x_{N}$ 是特定测量的 $N$ 读数。这些读数的平均值或均值可以使用以下公式计算。

$$m = \frac{x_{1}+x_{2}+x_{3}+....+x_{N}}{N}$$

其中，$m$ 是平均值。

如果特定测量的读数数量较多，则平均值将近似等于真实值

中位数

如果特定测量的读数数量较多，则很难计算平均值。这里，计算中值，它大约等于平均值​​。

为了计算中值，首先我们必须按升序排列特定测量的读数。当读数数量为奇数时，我们可以使用以下公式计算中值。

$$M=x_{\left (\frac{N+1}{2} \right )}$$

当读数数量为偶数时，我们可以使用以下公式计算中值。

$$M=\frac{x_{\left ( N/2 \right )}+x_\left ( \left [ N/2 \right ]+1 \right )}{2}$$

与平均值的偏差

特定测量的读数与平均值之间的差异称为平均值偏差。简而言之，就是所谓的偏差。在数学上，它可以表示为

$$d_{i}=x_{i}-m$$

在哪里，

$d_{i}$ 是 $i^{th}$ 读数与平均值的偏差。

$x_{i}$ 是 $i^{th}$ 读数的值。

$m$ 是平均值。

标准差

偏差的均方根称为标准偏差。在数学上，它可以表示为

$$\sigma =\sqrt{\frac{{d_{1}}^{2}+{d_{2}}^{2}+{d_{3}}^{2}+....+{ d_{N}}^{2}}{N}}$$

如果读数数量 N 大于或等于 20，则上式有效。当读数数量 N 小于 20 时，我们可以使用以下公式计算标准差。

$$\sigma =\sqrt{\frac{{d_{1}}^{2}+{d_{2}}^{2}+{d_{3}}^{2}+....+{ d_{N}}^{2}}{N-1}}$$

在哪里，

$\sigma$ 是标准差

$d_{1}、d_{2}、d_{3}、...、d_{N}$ 分别是第一、第二、第三、...、$N^{th}$读数与平均值的偏差。

注意- 如果标准偏差值较小，则测量读数值会更准确。

方差

标准差的平方称为方差。在数学上，它可以表示为

$$V=\sigma^{2}$$

在哪里，

$V$ 是方差

$\sigma$ 是标准差

偏差的均方也称为方差。在数学上，它可以表示为

$$V=\frac{{d_{1}}^{2}+{d_{2}}^{2}+{d_{3}}^{2}+....+{d_{N} }^{2}}{N}$$

如果读数数量 N 大于或等于 20，则上述公式有效。当读数数量 N 小于 20 时，我们可以使用以下公式计算方差。

$$V=\frac{{d_{1}}^{2}+{d_{2}}^{2}+{d_{3}}^{2}+....+{d_{N} }^{2}}{N-1}$$

在哪里，

$V$ 是方差

$d_{1}、d_{2}、d_{3}、...、d_{N}$ 分别是第一、第二、第三、...、$N^{th}$ 读数与平均值的偏差。

因此，借助统计参数，我们可以分析特定测量的读数。这样，我们就会得到更准确的测量值。

电子测量仪器

用于测量任何数量的仪器称为测量仪器。如果仪器能够测量电压、电流等基本电学量，则称为基本测量仪器。

基本测量仪器的类型

我们可以将基本测量仪器分为以下两类。

  • 电压表
  • 电流表

让我们简单讨论一下这两种基本测量仪器。

电压表

顾名思义，电压表是一种测量电路任意两点电压的测量仪器。电压的单位是伏特，测量仪器是米。因此，“voltmeter”这个词是由“volt”和“meter”这两个词组合而成的。

根据电压表可测量的电压类型，我们可以将电压表分为以下两种类型。

  • 直流电压表
  • 交流电压表

直流电压表

顾名思义，直流电压表测量电路任意两点的直流电压。实用的直流电压表如下图所示。

电压表

图中所示的直流电压表是$(0-10)V$直流电压表。因此，它可用于测量 0 伏至 10 伏的直流电压

交流电压表

顾名思义，交流电压表测量电路任意两点的交流电压。实用的交流电压表如下图所示。

交流电压表

上图所示的交流电压表是$(0-250)V$交流电压表。因此，它可用于测量从 0 伏到 250 伏的交流电压

电流表

顾名思义，电流表是一种测量流经电路任意两点电流的测量仪器。电流的单位是安培，测量仪器是米。“安培计”一词是由安培的“am”与“米”组合而成。

根据电流表可测量的电流类型，我们可以将其分为以下两种类型。

  • 直流电流表
  • 交流电流表

直流电流表

顾名思义，直流电流表测量流经电路任意两点的直流电流。实用的直流电流表如图所示。

直流电流表

上图所示的直流电流表是$(0-50)A$直流电流表。因此，它可用于测量 0 安培至 50 安培的直流电流

交流电流表

顾名思义，交流电流表测量流过电路任意两点的交流电流。实用的交流电流表如下图所示。

交流电流表

上图所示的交流电流表是$(0-100)A$交流电流表。因此，它可用于测量从 0 安培到 100 安培的交流电流。

我们将在接下来的几章中详细讨论各种电压表和电流表

直流电压表

直流电压表是一种测量电路任意两点直流电压的测量仪器。如果我们将一个电阻器与永磁动线圈 (PMMC) 检流计串联，那么整个组合就可以充当直流电压表。

直流电压表中使用的串联电阻也称为串联乘法器电阻或简称乘法器。它基本上限制流过检流计的电流量，以防止仪表电流超过满量程偏转值。直流电压表电路图如下图所示。

直流电压表电路图

我们必须将该直流电压表放置在电路的两点上，以测量直流电压。

在上述电路的环路上应用KVL 。

$V-I_{m}R_{se}-I_{m}R_{m}=0$ （方程式 1）

$$\右箭头 V-I_{m}R_{m}=I_{m}R_{se}$$

$$\右箭头 R_{se}=\frac{V-I_{m}R_{m}}{I_{m}}$$

$\Rightarrow R_{se}=\frac{V}{I_{m}}-R_{m}$ （方程2）

在哪里，

$R_{se}$ 是串联乘法器电阻

$V$ 是要测量的全范围直流电压

$I_{m}$ 是满量程偏转电流

$R_{m}$为振镜内阻

要测量的满量程直流电压 $V$ 与检流计上的直流电压降 $V_{m}$ 之比称为乘数m。在数学上，它可以表示为

$m=\frac{V}{V_{m}}$ （方程 3）

根据公式 1，我们将得到以下要测量的全范围直流电压$V$ 的公式。

$V=I_{m}R_{se}+I_{m}R_{m}$ （公式 4）

检流计上的直流电压降$V_{m}$ 是满量程偏转电流 $I_{m}$ 和检流计内阻 $R_{m}$ 的乘积。从数学上来说，它可以写成

$V_{m}=I_{m}R_{m}$ （公式 5）

将、方程 4 和方程 5 代入方程 3。

$$m=\frac{I_{m}R_{se}+I_{m}R_{m}}{I_{m}R_{m}}$$

$\Rightarrow m=\frac{R_{se}}{R_{m}}+1$

$\Rightarrow m-1=\frac{R_{se}}{R_{m}}$

$R_{se}=R_{m}\left (m-1 \right )$ （方程 6）

我们可以根据现有数据使用公式 2 或公式 6找到串联乘法器电阻的值。

多量程直流电压表

在上一节中，我们讨论了直流电压表，它是通过将倍增电阻与 PMMC 检流计串联而获得的。该直流电压表可用于测量特定范围的直流电压。

如果我们想使用直流电压表测量多个量程的直流电压，那么我们必须使用多个并联的倍增电阻而不是单个倍增电阻，并且整个电阻组合与 PMMC 检流计串联。多量程直流电压表电路图如下图所示。

多量程直流电压表

我们必须将这种多量程直流电压表放置在电路的两点上，以测量所需量程的直流电压。我们可以通过将开关连接到相应的倍增电阻来选择所需的电压范围。

令 $m_{1},m_{2}, m_{2} $ 和 $m_{4}$ 为直流电压表的乘数，当我们考虑要测量的全范围直流电压为 $V_{1} 、V_{2}、V_{3}$ 和 $V_{4}$ 分别。以下是与每个乘数对应的公式。

$$m_{1}=\frac{V_{1}}{V_{m}}$$

$$m_{2}=\frac{V_{2}}{V_{m}}$$

$$m_{3}=\frac{V_{3}}{V_{m}}$$

$$m_{4}=\frac{V_{4}}{V_{m}}$$

在上面的电路中，有四个串联的乘法电阻，$R_{se1}、R_{se2}、R_{se3}$和$R_{se4}$。以下是这四个电阻对应的公式。

$$R_{se1}=R_{m}\left (m_{1}-1 \right )$$

$$R_{se2}=R_{m}\left (m_{2}-1 \right )$$

$$R_{se3}=R_{m}\left (m_{3}-1 \right )$$

$$R_{se4}=R_{m}\left (m_{4}-1 \right )$$

因此，我们可以利用上面的公式求得每个串联倍增电阻的阻值。

交流电压表

用来测量电路任意两点交流电压的仪器称为交流电压表。如果交流电压表由整流器组成，则称为基于整流器的交流电压表。

直流电压表仅测量直流电压。如果我们想用它来测量交流电压，那么我们必须遵循以下两个步骤。

  • 步骤 1 - 使用整流器将交流电压信号转换为直流电压信号。

  • Step2 - 测量整流器输出信号的直流或平均值。

只需将整流电路添加到基本的直流电压表中，我们就得到了基于整流器的交流电压表。本章讨论基于整流器的交流电压表。

基于整流器的交流电压表的类型

以下是两种类型的基于整流器的交流电压表。

  • 使用半波整流器的交流电压表
  • 使用全波整流器的交流电压表

现在，让我们一一讨论这两种交流电压表。

使用半波整流器的交流电压表

如果半波整流器连接在直流电压表之前，则整个组合称为使用半波整流器的交流电压表。使用半波整流器的交流电压表的框图如下图所示。

使用半波整流器的交流电压表

上面的框图由两个模块组成：半波整流器和直流电压表。只需将上面框图中的每个块替换为相应的组件，我们就会得到相应的电路图。因此，使用半波整流器的交流电压表的电路图如下图所示。

PMMC检流计

正弦 (AC) 输入电压信号的有效值是

$$V_{rms}=\frac{V_{m}}{\sqrt{2}}$$

$$\右箭头 V_{m}=\sqrt{2} V_{rms}$$

$$\右箭头 V_{m}=1.414 V_{rms}$$

在哪里，

$V_{m}$ 是正弦 (AC) 输入电压信号的最大值。

半波整流器输出信号的直流或平均值为

$$V_{dc}=\frac{V_{m}}{\pi}$$

代入上式中 $V_{m}$ 的值。

$$V_{dc}= \frac{1.414 V_{rms}}{\pi}$$

$$V_{dc}= 0.45 V_{rms}$$

因此，交流电压表产生的输出电压等于正弦 (AC) 输入电压信号有效值的0.45倍

使用全波整流器的交流电压表

如果全波整流器连接在直流电压表之前，则整个组合称为使用全波整流器的交流电压表。采用全波整流的交流电压表框图如下图所示

使用全波整流器的交流电压表

上面的框图由两个模块组成：全波整流器和直流电压表。我们只需将上面框图中的每个块替换为相应的组件即可得到相应的电路图。

因此，使用全波整流器的交流电压表的电路图如下图所示。

交流电压表电路图

正弦 (AC) 输入电压信号的有效值是

$$V_{rms}=\frac{V_{m}}{\sqrt{2}}$$

$$\右箭头 V_{m}=\sqrt{2} \:V_{rms}$$

$$\右箭头 V_{m}= 1.414 V_{rms}$$

在哪里，

$V_{m}$ 是正弦 (AC) 输入电压信号的最大值。

全波整流器输出信号的直流或平均值为

$$V_{dc}=\frac{2V_{m}}{\pi}$$

代入上式中$V_{m}$的值

$$V_{dc}=\frac{2\times 1.414 \:V_{rms}}{\pi}$$

$$V_{dc}=0.9 \:V_{rms}$$

因此，交流电压表产生的输出电压等于正弦 (AC) 输入电压信号有效值的0.9倍。

其他交流电压表

在上一章中，我们讨论了基于整流器的交流电压表。本章涵盖以下两种类型的交流电压表。

  • 峰值响应交流电压表
  • 真有效值响应交流电压表

下面我们就来一一讨论一下这两种交流电压表。

峰值响应交流电压表

顾名思义，峰值响应交流电压表响应交流电压信号的峰值。这意味着，该电压表测量交流电压的峰值。峰值响应交流电压表的电路图如下所示 -

峰值响应交流电压表电路图

上述电路由二极管、电容器、直流放大器和PMMC检流计组成。上述电路中的二极管用于整流目的。因此，二极管将交流电压信号转换为直流电压信号。电容器充电至该直流电压信号的峰值。

在交流电压信号的正半周期间，二极管导通，电容器充电至交流电压信号的峰值。当交流电压信号的值小于该值时，二极管将反向偏置。

这样，电容器将通过直流放大器的电阻放电，直到交流电压信号的下一个正半周期。当交流电压信号的值大于电容器电压时，二极管导通，并且重复该过程。

我们应该选择元件值，使电容器快速充电，缓慢放电。因此，仪表始终响应该电容器电压，即交流电压的峰值。

真有效值响应交流电压表

顾名思义，真有效值响应交流电压表响应交流电压信号的真有效值。该电压表测量交流电压的有效值。真有效值响应交流电压表的电路图如下图所示。

真有效值响应交流电压表

上述电路由一个交流放大器、两个热电偶、直流放大器和PMMC检流计组成。交流放大器放大交流电压信号。上述电路中使用的两个热电偶是测量热电偶和平衡热电偶。测量热电偶会产生输出电压，该电压与交流电压信号的 RMS 值成正比。

任何热电偶都会将输入量的平方转换为正常量。这意味着热电偶的输出和输入之间存在非线性关系。通过在反馈电路中使用另一个热电偶，可以忽略热电偶非线性Behave的影响。上述电路中用于此目的的热电偶称为平衡热电偶。

两个热电偶，即测量热电偶和平衡热电偶一起在直流放大器的输入端形成桥。因此，仪表始终响应交流电压信号的真有效值。

直流电流表

电流是电荷的流动速率。如果该电荷仅沿一个方向流动，则产生的电流称为直流电 (DC)。用于测量直流电流的仪器称为直流电流表。

如果我们将一个电阻器与永磁动线圈 (PMMC) 检流计并联，那么整个组合就相当于直流电流表。直流电流表中使用的并联电阻也称为分流电阻或简称为分流器。为了测量大值的直流电流，该电阻的值应考虑较小。

直流电流表的电路图如下图所示。

直流电流表电路图

我们必须将该直流电流表与要测量直流电流的电路分支串联。并联连接的元件两端的电压相同。因此，分流电阻两端的电压 $R_{sh}$ 和检流计电阻两端的电压 $R_{m}$ 相同，因为这两个元件在上述电路中并联连接。从数学上来说，它可以写成

$$I_{sh}R_{sh}=I_{m}R_{m}$$

$\Rightarrow R_{sh}=\frac{I_{m}R_{m}}{I_{sh}}$ (方程 1)

节点 1 处的KCL方程为

$$-I+I_{sh}+I_{m}=0$$

$$\右箭头 I_{sh}=I-I_{m}$$

将$I_{sh}$ 的值代入公式 1 中。

$R_{sh}=\frac{I_{m}R_{m}}{I-I_{m}}$ （方程式2）

将 $I_{m}$ 视为分母项中的公共项，它出现在方程 2 的右侧

$$R_{sh}=\frac{I_{m}R_{m}}{I_{m}(\frac{1}{I_{m}}-1)}$$

$\Rightarrow R_{sh}=\frac{R_{m}}{\frac{I}{I_{m}}-1}$ （等式3）

在哪里，

$R_{sh}$ 是分流电阻

$R_{m}$为振镜内阻

$I$ 是要测量的总直流电流

$I_{m}$ 是满量程偏转电流

要测量的总直流电流 $I$ 与检流计的满量程偏转电流 $I_{m}$ 的比率称为倍增因子 m。在数学上，它可以表示为

$m=\frac{I}{I_{m}}$ （方程 4）

$R_{sh}=\frac{R_{m}}{m-1}$ （方程式5）

我们可以根据可用数据使用公式 2 或公式 5求出分流电阻值。

多量程直流电流表

在上一节中，我们讨论了直流电流表，它是通过与 PMMC 检流计并联一个电阻而获得的。该直流电流表可用于测量特定范围的直流电流。

如果我们想使用直流电流表测量多个量程的直流电流，那么我们必须使用多个并联电阻而不是单个电阻，并且整个电阻组合与 PMMC 检流计并联。多量程直流电流表电路图如下图所示。

多量程直流电流表电路图

将这种多量程直流电流表与电路的分支串联，以测量所需量程的直流电流。通过将开关 s 连接到相应的分流电阻器来选择所需的电流范围。

令 $m_{1}、m_{2}、m_{3}$ 和 $m_{4}$ 为直流电流表的乘数，当我们考虑要测量的总直流电流为 $I_{1} 时，分别为 I_{2}、I_{3}$ 和 $I_{4}$。以下是与每个乘数对应的公式。

$$m_{1}=\frac{I_{1}}{I_{m}}$$

$$m_{2}=\frac{I_{2}}{I_{m}}$$

$$m_{3}=\frac{I_{3}}{I_{m}}$$

$$m_{4}=\frac{I_{4}}{I_{m}}$$

在上面的电路中，有四个分流电阻，$R_{sh1}、R_{sh2}、R_{sh2}$和$R_{sh4}$。以下是这四个电阻对应的公式。

$$R_{sh1}=\frac{R_{m}}{m_{1}-1}$$

$$R_{sh2}=\frac{R_{m}}{m_{2}-1}$$

$$R_{sh3}=\frac{R_{m}}{m_{3}-1}$$

$$R_{sh4}=\frac{R_{m}}{m_{4}-1}$$

上述公式将帮助我们找到每个分流电阻的电阻值。

交流电流表

电流是电荷的流动速率。如果电荷的方向有规律地变化，则产生的电流称为交流电（AC）。

用来测量流经电路任意支路的交流电流的仪器称为交流电流表。

示例- 热电偶型交流电流表。

现在，我们来讨论一下热电偶式交流电流表。

热电偶式交流电流表

如果热电偶连接在 PMMC 检流计之前，则整个组合称为热电偶型交流电流表。热电偶式交流电流表框图如下图所示。

热电偶式交流电流表

上面的框图主要由两个模块组成：热电偶和 PMMC 检流计。只需将上面框图中的每个块替换为相应的组件，我们就会得到相应的电路图。因此，热电偶式交流电流表的电路图如下图所示。

热电偶式交流电流表电路图

每当交流电 I 流过加热器元件时，热电偶就会产生电动势 $e$。该 EMF $e$ 与流经加热器元件的电流 I 的均方根值成正比。因此，我们必须校准 PMMC 仪器的刻度以读取电流的有效值。

至此，通过本章我们已经完成了直流电压表、交流电压表、直流电流表、交流电流表等所有基本的测量仪器。在下一章中，我们将讨论测量电阻值的仪表或测量仪器。

欧姆表

用于测量电路中任意两点之间电阻值的仪器称为欧姆表。它还可用于查找未知电阻器的值。电阻的单位是欧姆，测量仪器是米。因此，“ohmmeter”这个词是由“ohm”和“meter”组合而成的。

欧姆表的类型

以下是两种类型的欧姆表。

  • 系列欧​​姆表
  • 分流欧姆表

现在，让我们一一讨论这两种类型的欧姆表。

系列欧​​姆表

如果电阻器的值未知并且必须通过将其与欧姆表串联来测量，则该欧姆表被称为串联欧姆表。串联欧姆表的电路图如下图所示。

系列欧​​姆表

电路中端子A和B左侧的部分是串联欧姆表。因此，我们可以通过将未知电阻放在端子A和B的右侧来测量其值。现在我们讨论一下串联欧姆表的校准刻度。

  • 如果$R_{x}= 0 \:\Omega$，则端子A和B将彼此短路。因此，仪表电流在电阻器 $R_{1}$ 和 $R_{2}$ 之间分配。现在，改变电阻器 $R_{2}$ 的值，使整个仪表电流仅流过电阻器 $R_{1}$。在这种情况下，仪表显示满量程偏转电流。因此，仪表的满量程偏转电流可以表示为 $0 \:\Omega$。

  • 如果 $R_{x}= \infty \:\Omega$，则端子 A 和 B 将彼此开路。因此，没有电流流过电阻器 $R_{1}$。在这种情况下，仪表显示零偏转电流。因此，仪表的零偏转可以表示为 $\infty \Omega$。

  • 这样，通过考虑不同的$R_{x}$值，仪表会显示不同的偏转。因此，我们可以用相应的电阻值来表示这些偏转。

系列欧​​姆表由一个校准刻度组成。刻度的右手和左手端点分别有0 $\Omega$ 和$\infty \:\Omega$ 指示。串联欧姆表可用于测量高电阻值。

分流欧姆表

如果电阻器的阻值未知并且需要将其与欧姆表并联（分流）来测量，则该欧姆表称为并联欧姆表。分流欧姆表的电路图如下图所示。

分流欧姆表

电路中端子 A 和 B 左侧的部分是分流欧姆表。因此，我们可以通过将未知电阻放置在端子A和B的右侧来测量其值。

现在，我们来讨论一下分流欧姆表的校准刻度。使用时闭合上述电路的开关S。

  • 如果$R_{x}=0\:\Omega$，则端子A和B将彼此短路。因此，整个电流 $I_{1}$ 流过端子 A 和 B。在这种情况下，没有电流流过 PMMC 检流计。因此， PMMC振镜的零偏转可以表示为$0 \:\Omega$。

  • 如果$R_{x}=\infty \:\Omega$，则端子A和B将彼此开路。因此，没有电流流过端子 A 和 B。在这种情况下，整个电流 $I_{1}$ 流过 PMMC 检流计。如果需要，改变（调整）电阻器 $R_{1}$ 的值，直到 PMMC 检流计显示满量程偏转电流。因此， PMMC 检流计的满量程偏转电流可以表示为 $\infty \:\Omega$

  • 这样，通过考虑不同的$R_{x}$值，仪表会显示不同的偏转。因此，我们可以用相应的电阻值来表示这些偏转。

分流欧姆表由一个校准刻度组成。刻度的左手和右手端点分别有$0 \:\Omega$ 和$\infty \:\Omega$ 指示。

分流欧姆表对于测量低电阻值很有用。因此，我们可以根据要测量的电阻值（即高或低）使用串联欧姆表或并联欧姆表。

万用表

在前面的章节中，我们讨论了电压表、电流表和欧姆表。这些测量仪器分别用于测量电压、电流和电阻。这意味着我们有单独的测量仪器来测量电压、电流和电阻。

假设，如果一个测量仪器可以一次测量电压、电流和电阻等量，那么它就是万用表。它被称为万用表，因为它可以一次测量多个电量。

使用万用表测量

万用表是一种用于测量直流和交流电压、直流和交流电流以及多个量程电阻的仪器。它也称为电子万用表或电压欧姆表 (VOM)。

直流电压测量

万用表可测量直流电压的部分电路如下图所示。

热电偶框图

上面的电路看起来像一个多量程直流电压表。电阻与 PMMC 检流计串联的组合就是直流电压表。因此，它可以用来测量达到一定值的直流电压。

我们可以通过增大电阻值来增大同一直流电压表可测量的直流电压范围。当我们串联电阻时，等效电阻值增加。

在上面的电路中，我们可以通过使用电阻$R_{5}$与PMMC检流计的串联组合来测量高达2.5V的直流电压。通过将电阻 $R_{4}$ 与之前的电路串联，我们可以测量高达10V 的直流电压。这样，我们只需在之前的（较早的）电路中串联一个电阻，就可以增加直流电压的范围。

通过将开关 S 连接到所需的电压范围，我们可以测量电路任意两点的直流电压。

直流电流测量

万用表可测量直流电流的部分电路如下图所示。

万用表电路图

上面的电路看起来像一个多量程直流电流表。电阻与 PMMC 检流计并联的组合就是直流电流表。因此，它可以用来测量达到一定值的直流电流。

通过将电阻与之前的电阻并联，我们可以使用同一直流电流表测量不同范围的直流电流。在上述电路中，电阻$R_{1}$与PMMC检流计串联，以防止电流过大而损坏检流计。

通过将开关 S 连接到所需的电流范围，我们可以测量流经电路任意两点的直流电流

交流电压测量

万用表可测量交流电压的部分电路图如下图所示。

交流电压测量

上面的电路看起来像一个多量程交流电压表。我们知道，只需将整流器与直流电压表串联（级联）即可得到交流电压表。上述电路是通过将二极管组合和电阻器 $R_{6}$ 放置在电阻器 $R_{5}$ 和 PMMC 检流计之间而创建的。

通过将开关 S 连接到所需的电压范围，我们可以测量电路任意两点的交流电压。

电阻测量

万用表可测量电阻的部分电路如下图所示。

电阻测量

在进行任何测量之前，我们必须完成以下两项任务。

  • 将仪器短路
  • 改变调零控制，直到仪表显示满量程电流。也就是说，仪表显示的电阻值为零。

现在，上述电路充当分流欧姆计，其刻度倍数为 1，即 10 0。我们还可以考虑 10 的高次幂作为测量高电阻的标度乘法。

信号发生器

信号发生器是一种提供正弦波、方波、三角波等标准测试信号的电子设备。由于它产生周期信号，因此也称为振荡器。

产生音频(AF)范围频率的周期信号的信号发生器称为AF信号发生器。音频的频率范围是20Hz到20KHz。

AF 正弦波和方波发生器

根据需要产生音频范围内的正弦波或方波的AF信号发生器称为AF正弦波和方波发生器。其框图如下图所示。

AF 正弦方波发生器

上面的框图主要由两条路径组成。这些是上路径和下路径。上路径用于产生 AF 正弦波，下路径用于产生 AF 方波。

文氏电桥振荡器将产生音频范围内的正弦波。根据需要，我们可以通过开关将文氏桥振荡器的输出连接到上路径或下路径。

上面的路径由正弦波放大器和衰减器等模块组成。如果使用开关将文氏电桥振荡器的输出连接至上通路，则将在上通路的输出处产生所需的AF正弦波。

下部路径由以下模块组成：方波整形器、方波放大器和衰减器。方波整形器将正弦波转换为方波。如果用开关将文氏电桥振荡器的输出连接到下通路，那么它将在下通路的输出处产生所需的AF方波。这样，我们考虑的框图可以根据需要用于产生 AF 正弦波或 AF 方波。

函数发生器

函数发生器是一种信号发生器，可产生三个或更多周期波。考虑以下函数发生器的框图，它将产生三角波、方波和正弦波等周期波。

电流源

上图中有两个电流源，即上电流源和下电流源。这两个电流源由频率控制电压调节。

三角波

上面框图中的积分器在相同的时间内重复从上电流源和下电流源交替获得恒定电流。因此，积分器将在同一时间重复产生两种类型的输出 -

  • 在积分器从上电流源获取电流期间，积分器的输出电压相对于时间线性增加。

  • 在积分器从较低电流源获取电流期间，积分器的输出电压相对于时间线性下降。

这样，上面框图中的积分器将产生三角波。

方波和正弦波

积分器的输出，即三角波，被用作如上框图所示的另外两个模块的输入，以分别获得方波和正弦波。让我们一一讨论这两者。

方波

三角波具有正斜率和负斜率交替等量的时间重复。因此，上面框图中的电压比较器多谐振荡器将在相同的时间内重复产生以下两种类型的输出。

  • 在电压比较器多谐振荡器获得三角波的正斜率期间，电压比较器多谐振荡器输出端的一种恒定（较高）电压。

  • 在电压比较器多谐振荡器获得三角波的负斜率期间，电压比较器多谐振荡器的输出端有另一种类型的恒定（较低）电压。

上面框图中的电压比较器多谐振荡器将产生方波。如果电压比较器多谐振荡器输出端产生的方波幅度不够，可以用方波放大器将其放大到需要的值。

正弦波

正弦波整形电路将从三角输入波产生正弦波输出。基本上，该电路由二极管电阻网络组成。如果正弦波整形电路输出端产生的正弦波幅度不足，可以用正弦波放大器将其放大到需要的值。

波浪分析仪

用于分析波浪的电子仪器称为波浪分析仪。它也称为信号分析仪，因为术语“信号”和“波”可以经常互换使用。

我们可以将周期信号表示为以下两项之和。

  • 直流分量
  • 正弦谐波系列

因此，对周期信号的分析就是对其中存在的谐波分量的分析。

基本波形分析仪

基本波形分析仪主要由三个模块组成：初级检波器、全波整流器和PMMC检流计。基本波形分析仪的框图如下图所示 -

基本波形分析仪

基波分析仪中各块的功能如下所述。

  • 主探测器- 它由 LC 电路组成。我们可以调整电感器 L 和电容器 C 的值，使其仅允许测量所需的谐波频率分量。

  • 全波整流器- 将交流输入转换为直流输出。

  • PMMC 检流计- 它显示在全波整流器输出处获得的信号峰值。

只需将上面基本波形分析仪框图中的各个模块替换为相应的元件，我们就可以得到相应的电路图。因此，基本波形分析仪的电路图如下图所示 -

基波分析仪电路图

该基本波形分析仪可用于分析周期信号的每个谐波频率分量。

波形分析仪的类型

波形分析仪可分为以下两种类型。

  • 选频波形分析仪
  • 超外差波形分析仪

现在，让我们一一讨论这两种波形分析仪。

选频波形分析仪

用于分析AF范围信号的波形分析仪称为频率选择波形分析仪。选频波形分析仪的框图如下图所示。

选频波形分析仪

频率选择波分析仪由一组块组成。下面提到每个块的功能。

  • 输入衰减器- 待分析的 AF 信号应用于输入衰减器。如果信号幅度太大，可以通过输入衰减器进行衰减。

  • 驱动放大器- 必要时放​​大接收到的信号。

  • 高 Q 滤波器- 用于选择所需频率并拒绝不需要的频率。它由两个 RC 部分和两个滤波放大器组成，所有这些都相互级联。我们可以改变电容值，以改变 10 次幂的频率范围。同样，我们可以改变电阻值，以改变选定范围内的频率。

  • 仪表范围衰减器- 它获取选定的 AF 信号作为输入，并在需要时产生衰减输出。

  • 输出放大器- 如有必要，它会放大所选的 AF 信号。

  • 输出缓冲器- 用于向输出设备提供选定的 AF 信号。

  • 仪表电路- 显示所选 AF 信号的读数。我们可以选择伏特范围或分贝范围的仪表读数。

超外差波形分析仪

用于分析射频范围信号的波形分析仪称为超外差波形分析仪。下图是超外差检波器的框图。

超外差波形分析仪

下面介绍超外差检波器的工作原理。

  • 待分析的射频信号被施加到输入衰减器。如果信号幅度太大，可以通过输入衰减器进行衰减。

  • 未调谐放大器在必要时放大射频信号，并将其应用于第一个混频器。

  • RF信号和本地振荡器输出的频率范围分别为0-18 MHz和30-48 MHz。因此，第一个混频器产生频率为 30 MHz 的输出。这是施加到它的两个信号的频率差。

  • IF放大器放大中频(IF)信号，即第一混频器的输出。放大后的 IF 信号被施加到第二个混频器。

  • 放大后的IF信号和晶体振荡器的输出频率相同，均为30MHz。因此，第二个混频器产生频率为 0 Hz 的输出。这是施加到它的两个信号的频率差。

  • 有源低通滤波器（LPF）的截止频率选择为1500 Hz。因此，该滤波器允许第二混频器的输出信号。

  • 仪表电路显示射频信号的读数。我们可以选择伏特范围或分贝范围的仪表读数。

因此，我们可以根据要分析的信号的频率范围来选择特定的波形分析仪。

频谱分析仪

用于在频域中分析波的电子仪器称为频谱分析仪。基本上，它在 CRT 屏幕上显示信号的能量分布。这里，x轴代表频率，y轴代表幅度。

频谱分析仪的类型

我们可以将频谱分析仪分为以下两种类型。

  • 滤波器组频谱分析仪
  • 超外差频谱分析仪

下面我们就来一一讨论一下这两款频谱分析仪。

滤波器组频谱分析仪

用于分析 AF 范围信号的频谱分析仪称为滤波器组频谱分析仪或实时频谱分析仪，因为它可以显示（显示）所有输入频率的任何变化。

下图所示为滤波器组频谱分析仪的框图。

滤波器组频谱分析仪

下面介绍滤波器组频谱分析仪的工作原理。

  • 它具有一组带通滤波器，每个带通滤波器均设计用于允许特定频段。每个带通滤波器的输出被提供给相应的检测器。

  • 所有探测器输出均连接至电子开关。该开关允许探测器按顺序输出到 CRO 的垂直偏转板。因此，CRO 在其 CRT 屏幕上显示AF 信号的频谱。

超外差频谱分析仪

用于分析射频范围信号的频谱分析仪称为超外差频谱分析仪。其框图如下图所示。

超外差频谱分析仪

下面介绍超外差频谱分析仪的工作原理。

  • 待分析的射频信号被施加到输入衰减器。如果信号幅度太大，则可以通过输入衰减器进行衰减。

  • 低通滤波器(LPF) 仅允许小于截止频率的频率分量。

  • 混频器从低通滤波器和电压调谐振荡器获取输入。它产生一个输出，即施加到它的两个信号的频率差。

  • IF放大器放大中频(IF)信号，即混频器的输出。放大的 IF 信号施加到检测器。

探测器的输出提供给CRO的垂直偏转板。因此，CRO 在其 CRT 屏幕上显示RF 信号的频谱。

因此，我们可以根据要分析的信号的频率范围来选择特定的频谱分析仪。

示波器基础知识

示波器是一种显示电压波形的电子设备。在示波器中，阴极射线示波器（CRO）是最基本的示波器，它显示随时间变化的信号或波形。

在本章中，我们讨论 CRO 的框图以及使用 CRO 测量一些参数。

CRO框图

阴极射线示波器 (CRO) 由一组块组成。它们是垂直放大器、延迟线、触发电路、时基发生器、水平放大器、阴极射线管（CRT）和电源。CRO的框图如下图所示。

CRO框图

CRO各块的功能如下所述。

  • 垂直放大器- 放大要显示在 CRT 屏幕上的输入信号。

  • 延迟线- 它为信号提供一定量的延迟，这是在垂直放大器的输出处获得的。然后将该延迟信号施加到 CRT 的垂直偏转板。

  • 触发电路- 它产生触发信号以同步电子束的水平和垂直偏转。

  • 时基发生器- 它产生锯齿信号，这对于电子束的水平偏转很有用。

  • 水平放大器- 放大锯齿信号，然后将其连接到 CRT 的水平偏转板。

  • 电源- 它产生高电压和低电压。负高电压和正低电压分别施加到CRT和其他电路。

  • 阴极射线管 (CRT) - 它是 CRO 的主要模块，主要由四个部分组成。它们是电子枪、垂直偏转板、水平偏转板和荧光屏。

电子枪产生的电子束分别通过一对垂直偏转板和一对水平偏转板在垂直和水平方向上偏转。最后，偏转的光束将在荧光屏上显示为一个点。

这样，CRO就会将应用的输入信号显示在CRT的屏幕上。因此，我们可以利用CRO对时域信号进行分析

使用 CRO 进行测量

我们可以使用CRO进行以下测量。

  • 振幅测量
  • 时间段的测量
  • 频率测量

现在，让我们一一讨论这些测量。

振幅测量

CRO 在其屏幕上显示电压信号作为时间的函数。该电压信号的幅度是恒定的，但我们可以通过改变CRO 面板上的伏/格旋钮来改变垂直方向上覆盖电压信号的格数。因此，我们将使用以下公式得到 CRO 屏幕上显示的信号幅度。

$$A=j\times n_{v}$$

在哪里，

$A$ 是幅度

$j$ 是伏特/格的值

$n_{v}$ 是垂直方向覆盖信号的划分数。

时间段的测量

CRO 在其屏幕上显示电压信号作为时间的函数。该周期性电压信号的时间周期是恒定的，但我们可以改变覆盖一个完整周期的划分数量。