《計量學基礎》教學課件《計量學基礎》教學課件精思國計，細量民生第十三章電子學計量

電子學計量是由電磁學計量發展派生出來的。20世紀90年代以來，伴隨著光纖通信、移動通信和數字通信技術的快速發展，電子學計量無論是研究對象的數量還是研究頻率的范圍的變得越來越寬。精思國計，細量民生第十三章電子學計量電子

電子學計量對象的頻帶，通常是指從高頻倒超高頻的頻率范圍，低頻和直流歸于電磁學計量。

一、高頻電壓高頻電壓是電子學計量中一個基本參量，又是電信號的主要描述參量，是模擬信號的重要表現形式。表達式：精思國計，細量民生第一節電子學計量的基本名稱與概念電子學計量對象的頻帶，二、高頻（微波）功率

高頻功率（又稱為微波功率）是一個描述高頻信號的大小及信號通過系統時傳輸能量特性的物理量，是電子學計量中最重要的基本參量。單位：瓦特（W）按計量范圍分類：小功率（10mW以下）、中功率(10mW~10W)和大功率(10W以上)一個功率計量裝置由能量轉換器和相應的指示器組成精思國計，細量民生第一節電子學計量的基本名稱與概念二、高頻（微波）功率高頻功率（又稱為微三、衰減衰減是電子學計量中的一個重要參量，它描述的是無線電信號在傳輸過程中能量的損耗和減弱的程度.衰減的量度通常是由電壓或功率的比確定的,描述了兩個同名量值之間的相對差。單位：分貝(dB)計量的主要對象：各種高頻器件主要內容：器件的信號幅度傳輸特性精思國計，細量民生第一節電子學計量的基本名稱與概念三、衰減衰減是電子學計量中的一個重要參一、高頻電壓標準高頻電壓種類很多,按轉換器件可以分為功率敏感和電壓敏感兩種。1、高頻中電壓標準（1）功率計法高頻中電壓是指測量電壓從0.1~10V的高頻電壓

精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準一、高頻電壓標準精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標

（2）測輻射器電橋法該電壓標準主要由測輻射熱器座和顯示讀數的直流平衡電橋組成。原理如圖所示。一般用雙測熱電阻電橋以抵消環境溫度變化所引入的誤差。被校表高頻信號源直流平衡電橋測輻射熱器座精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準（2）測輻射器電橋法該電壓標準主要由測輻射熱器座和顯示2、高頻小電壓標準高頻小電壓標準是指測量電壓低于0.1V以下的高頻電壓標準，主要有兩種，即校準接收機和高頻微伏標準。（1）校準接收機是專門用來校準高頻信號發生器的輸出電壓的裝置。組成：高頻電壓源、高靈敏度接收器。測量不確定度來自整機的非線性誤差；進行絕對計量時還要考慮標準電壓測量的不確定度。

精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準2、高頻小電壓標準高頻小電壓標準是指測（2）高頻微伏標準可以直接校準電壓表，也可以通過電壓測量儀校準高頻電壓源。特點：結構簡單、性能穩定、輸出電阻小原理如圖精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準（2）高頻微伏標準可以直接校準電壓表，也可以通過電壓測二、高頻功率標準1、量熱式功率計量熱式功率計是將被測功率轉化為熱能來進行測量的，其功率敏感元件就是量熱體（通常是微波金屬膜電阻負載）。

P=mcΔT∕Δt在實際應用中通常用替代法來提高測量的敏捷性，即使用已知的直流或低頻功率去替代產生同樣熱效應的高頻功率。

精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準二、高頻功率標準1、量熱式功率計精思國計，細量民生第二節電雙負載量熱式功率計（又稱為對偶式或雙干量熱式功率記）可以進一步消除環境溫度對測量的影響，原理如圖所示：精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準雙負載量熱式功率計（又稱為對偶式或雙干量熱式功率記）2、測輻射熱器式功率計測輻射熱器式功率計是利用溫度敏感電阻元件（測輻射熱器）在吸收電磁波能量前后阻值發生的變化來計量功率的。原理如圖精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準2、測輻射熱器式功率計精思國計，細量民生第二節電子學計量單測輻射熱器功率計使用直流替代測試方法屬于絕對測量，常年性穩定、相應時間快，量程通常小于100mW。精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準

3、微量熱計微量熱計借助于測輻射熱器座為量熱體，使用量熱計方法確定測輻射熱器座的有效效率，從而獲得功率標準。組成：測輻射熱器功率計、量熱計原理如圖所示：精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準3、微量熱計精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準三、衰減標準1、波導截止衰減器波導截止衰減器利用了電磁波在截止狀態下的傳輸特性，即當電磁波的波長大于波導的截止波長時，衰減量大小正比于截至波導的長度，又稱活塞式衰減器。原理如圖所示：精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準三、衰減標準1、波導截止衰減器精思國計，細量民生第二節電子2、回轉衰減器回轉衰減器是通過回轉角度來精密確定的，其原理如圖所示：精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準2、回轉衰減器回轉衰減器是通過回轉角度來精密確定的，其原當中心三段圓形波導中的衰減片在同一平面時，電場與衰減片相重合，此時信號的衰減最小；在將中間的圓形波導回轉D角，信號的衰減量隨之增大，該衰減的變化量A（單位為dB）,可由下式求得：精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準當中心三段圓形波導中的衰減片在同一

3、電感衰減器電感衰減器亦稱感應分壓器，是在音頻范圍內準確度很高的可變衰減器。電感衰減器從結構上說實際上就是感應線圈分壓裝置，只能用于低頻（一般為1~10kHz）,但準確度可達到量級，隨著工作頻率增高，測量不確定度增加很快。精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準3、電感衰減器精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標一、高頻電壓的校準方法

1、檢波法檢波法測量電壓的基本原理是將被測的高頻電壓通過檢波器轉換為與其成比例的直流電壓或電流，然后使用高準確度的直流電表對其進行測量。分類：檢波放大型放大檢波型精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準一、高頻電壓的校準方法精思國計，細量民生第三節電子學計量的2、補償法補償法電壓表實際上是一種特殊形式的檢波式電壓表。使用檢波器將被測的高頻電壓轉換為直流電壓，再與已知的直流補償電壓相比較，由直流補償電壓的大小來確定被測電壓的大小。精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準2、補償法補償法電壓表實際上是一種特殊3、熱偶法熱偶法是利用直流和高頻在同一負載上產生相同熱效應的原理工作的。優點：精度高、穩定性好、結構簡單、價格低廉缺點：靈敏度低、輸入阻抗不高精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準3、熱偶法熱偶法是利用直流和高頻在同一負載上產生相同二、高頻功率的校準方法1、交替比較法交替比較法是將標準功率座和被校準功率座交替連接到頻率、幅度穩定的信號輸出端，可以得到標準座和被校準功率座之間的關系，確定出被校準功率座有效效率和校準因子，從而達到校準目的。優點：設備簡單、操作簡單方便缺點：引入的測量不確定度較大精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準二、高頻功率的校準方法1、交替比較法精思國計，細量民生第三節2、定向耦合法定向耦合法可分為單定向耦合器法和級聯定向耦合器法。單定向耦合器法主要應用于對中、小功率的量值傳遞；級聯定向耦合器法主要應用于中、大功率的量值傳遞。精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準2、定向耦合法精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標3、調配反射計法在功率測量量值傳遞的過程中，阻抗失配引起的校準不確定度相當大，借助調配反射計技術能夠將高頻信號的等效輸出反射系數調配到量級，并能計算出負載吸收的凈功率，使阻抗失配引起的校準不確定度減少1~2個數量級。特點：技術復雜，只能用于精密測量領域精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準3、調配反射計法精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和4、功率方程法功率方程法就是基于端面不變參量來描述和計算高頻系統的一種方法。特點：技術復雜，只能用于精密測量領域精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準4、功率方程法精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標三、衰減計量方法衰減計量方法很多，最常用的是替代法。替代法可分為：直流替代、音頻替代、高頻替代、中頻替代1、高頻替代法高頻替代法又稱直接替代法，是將被測衰減器的衰減量與工作在同一頻率的標準衰減器比較。優點：設備簡單、量程大、準確度高、工作簡便缺點：只能用于頻率傳遞，局限性大精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準三、衰減計量方法衰減計量方法很多，最常用的是替代法。精2、中頻替代法中頻替代法的原理是使用變頻的方法將高頻信號線性轉換為中頻信號，然后再用精密的中頻衰減器對被測衰減器進行替代。中頻替代法分為串聯和并聯兩種方法串聯：設備簡單、操作方便、量程小、系統的任何部分都會導致很大的誤差。并聯：系統復雜、操作難度大、量程較大、準確度較高精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準2、中頻替代法精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標3、調制副載波法調制副載波法是將高頻信號線性地轉換為音頻信號，使用高準確度的音頻衰減標準替代被測的高頻衰減。過程：高頻信號被耦合器分成兩路，一路平衡調制器和被衰減器后，在與另一路合成，經包絡檢波器現行檢波成為調頻信號，最后用高準確度的電感標準衰減器進行替代，實現準確的衰減計量。精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準3、調制副載波法精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和一、毫米波計量近些年來，毫米波技術獲得了突飛猛進的發展，并在通信、射電天文、生物醫學、地面和空中交通管制、汽車防撞雷達、焦平面成像等領域得到了廣泛的應用。精思國計，細量民生第四節電子學計量的發展一、毫米波計量精思國計，細量民生第四節電子學計量的發展二、時域和脈沖波形的計量脈沖測量是時域測量中非常重要的項目。傳統的測量方法是使用示波器，將射頻重復信號經過取樣，變成低頻重復信號后進行測量。精思國計，細量民生第四節電子學計量的發展二、時域和脈沖波形的計量脈沖測量是時域三、通信中的電子學計量隨著數字通信技術的發展，對電子學計量的對象范圍提出了新的需求。數字通信系統同模擬系統差別很大，其技術標準和測試方法與模擬系統有很大差異。數字通信計量測試的內容豐富。測試特性包括頻率、天線功率、調制特性、占用頻率帶寬、相鄰信道功率泄露以及寄生信號等。精思國計，細量民生第四節電子學計量的發展三、通信中的電子學計量隨著數字通信技術的發展，對電子學計量的我國發展最為迅速的是數字移動通信。GSM制式標準是我國目前移動通信的主流制式，CDMA技術因為容量大、抗干擾能力強、保密性好等優點，具有潛在應用前景。精思國計，細量民生第四節電子學計量的發展我國發展最為迅速的是數字移動通信。GSM制式標準本章完精思國計，細量民生本章完精思國計，細量民生《計量學基礎》教學課件《計量學基礎》教學課件精思國計，細量民生第十三章電子學計量

電子學計量是由電磁學計量發展派生出來的。20世紀90年代以來，伴隨著光纖通信、移動通信和數字通信技術的快速發展，電子學計量無論是研究對象的數量還是研究頻率的范圍的變得越來越寬。精思國計，細量民生第十三章電子學計量電子

電子學計量對象的頻帶，通常是指從高頻倒超高頻的頻率范圍，低頻和直流歸于電磁學計量。

一、高頻電壓高頻電壓是電子學計量中一個基本參量，又是電信號的主要描述參量，是模擬信號的重要表現形式。表達式：精思國計，細量民生第一節電子學計量的基本名稱與概念電子學計量對象的頻帶，二、高頻（微波）功率

高頻功率（又稱為微波功率）是一個描述高頻信號的大小及信號通過系統時傳輸能量特性的物理量，是電子學計量中最重要的基本參量。單位：瓦特（W）按計量范圍分類：小功率（10mW以下）、中功率(10mW~10W)和大功率(10W以上)一個功率計量裝置由能量轉換器和相應的指示器組成精思國計，細量民生第一節電子學計量的基本名稱與概念二、高頻（微波）功率高頻功率（又稱為微三、衰減衰減是電子學計量中的一個重要參量，它描述的是無線電信號在傳輸過程中能量的損耗和減弱的程度.衰減的量度通常是由電壓或功率的比確定的,描述了兩個同名量值之間的相對差。單位：分貝(dB)計量的主要對象：各種高頻器件主要內容：器件的信號幅度傳輸特性精思國計，細量民生第一節電子學計量的基本名稱與概念三、衰減衰減是電子學計量中的一個重要參一、高頻電壓標準高頻電壓種類很多,按轉換器件可以分為功率敏感和電壓敏感兩種。1、高頻中電壓標準（1）功率計法高頻中電壓是指測量電壓從0.1~10V的高頻電壓

精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準一、高頻電壓標準精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標

（2）測輻射器電橋法該電壓標準主要由測輻射熱器座和顯示讀數的直流平衡電橋組成。原理如圖所示。一般用雙測熱電阻電橋以抵消環境溫度變化所引入的誤差。被校表高頻信號源直流平衡電橋測輻射熱器座精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準（2）測輻射器電橋法該電壓標準主要由測輻射熱器座和顯示2、高頻小電壓標準高頻小電壓標準是指測量電壓低于0.1V以下的高頻電壓標準，主要有兩種，即校準接收機和高頻微伏標準。（1）校準接收機是專門用來校準高頻信號發生器的輸出電壓的裝置。組成：高頻電壓源、高靈敏度接收器。測量不確定度來自整機的非線性誤差；進行絕對計量時還要考慮標準電壓測量的不確定度。

精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準2、高頻小電壓標準高頻小電壓標準是指測（2）高頻微伏標準可以直接校準電壓表，也可以通過電壓測量儀校準高頻電壓源。特點：結構簡單、性能穩定、輸出電阻小原理如圖精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準（2）高頻微伏標準可以直接校準電壓表，也可以通過電壓測二、高頻功率標準1、量熱式功率計量熱式功率計是將被測功率轉化為熱能來進行測量的，其功率敏感元件就是量熱體（通常是微波金屬膜電阻負載）。

P=mcΔT∕Δt在實際應用中通常用替代法來提高測量的敏捷性，即使用已知的直流或低頻功率去替代產生同樣熱效應的高頻功率。

精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準二、高頻功率標準1、量熱式功率計精思國計，細量民生第二節電雙負載量熱式功率計（又稱為對偶式或雙干量熱式功率記）可以進一步消除環境溫度對測量的影響，原理如圖所示：精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準雙負載量熱式功率計（又稱為對偶式或雙干量熱式功率記）2、測輻射熱器式功率計測輻射熱器式功率計是利用溫度敏感電阻元件（測輻射熱器）在吸收電磁波能量前后阻值發生的變化來計量功率的。原理如圖精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準2、測輻射熱器式功率計精思國計，細量民生第二節電子學計量單測輻射熱器功率計使用直流替代測試方法屬于絕對測量，常年性穩定、相應時間快，量程通常小于100mW。精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準

3、微量熱計微量熱計借助于測輻射熱器座為量熱體，使用量熱計方法確定測輻射熱器座的有效效率，從而獲得功率標準。組成：測輻射熱器功率計、量熱計原理如圖所示：精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準3、微量熱計精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準三、衰減標準1、波導截止衰減器波導截止衰減器利用了電磁波在截止狀態下的傳輸特性，即當電磁波的波長大于波導的截止波長時，衰減量大小正比于截至波導的長度，又稱活塞式衰減器。原理如圖所示：精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準三、衰減標準1、波導截止衰減器精思國計，細量民生第二節電子2、回轉衰減器回轉衰減器是通過回轉角度來精密確定的，其原理如圖所示：精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準2、回轉衰減器回轉衰減器是通過回轉角度來精密確定的，其原當中心三段圓形波導中的衰減片在同一平面時，電場與衰減片相重合，此時信號的衰減最小；在將中間的圓形波導回轉D角，信號的衰減量隨之增大，該衰減的變化量A（單位為dB）,可由下式求得：精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準當中心三段圓形波導中的衰減片在同一

3、電感衰減器電感衰減器亦稱感應分壓器，是在音頻范圍內準確度很高的可變衰減器。電感衰減器從結構上說實際上就是感應線圈分壓裝置，只能用于低頻（一般為1~10kHz）,但準確度可達到量級，隨著工作頻率增高，測量不確定度增加很快。精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標準3、電感衰減器精思國計，細量民生第二節電子學計量單位的標一、高頻電壓的校準方法

1、檢波法檢波法測量電壓的基本原理是將被測的高頻電壓通過檢波器轉換為與其成比例的直流電壓或電流，然后使用高準確度的直流電表對其進行測量。分類：檢波放大型放大檢波型精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準一、高頻電壓的校準方法精思國計，細量民生第三節電子學計量的2、補償法補償法電壓表實際上是一種特殊形式的檢波式電壓表。使用檢波器將被測的高頻電壓轉換為直流電壓，再與已知的直流補償電壓相比較，由直流補償電壓的大小來確定被測電壓的大小。精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準2、補償法補償法電壓表實際上是一種特殊3、熱偶法熱偶法是利用直流和高頻在同一負載上產生相同熱效應的原理工作的。優點：精度高、穩定性好、結構簡單、價格低廉缺點：靈敏度低、輸入阻抗不高精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準3、熱偶法熱偶法是利用直流和高頻在同一負載上產生相同二、高頻功率的校準方法1、交替比較法交替比較法是將標準功率座和被校準功率座交替連接到頻率、幅度穩定的信號輸出端，可以得到標準座和被校準功率座之間的關系，確定出被校準功率座有效效率和校準因子，從而達到校準目的。優點：設備簡單、操作簡單方便缺點：引入的測量不確定度較大精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準二、高頻功率的校準方法1、交替比較法精思國計，細量民生第三節2、定向耦合法定向耦合法可分為單定向耦合器法和級聯定向耦合器法。單定向耦合器法主要應用于對中、小功率的量值傳遞；級聯定向耦合器法主要應用于中、大功率的量值傳遞。精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準2、定向耦合法精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標3、調配反射計法在功率測量量值傳遞的過程中，阻抗失配引起的校準不確定度相當大，借助調配反射計技術能夠將高頻信號的等效輸出反射系數調配到量級，并能計算出負載吸收的凈功率，使阻抗失配引起的校準不確定度減少1~2個數量級。特點：技術復雜，只能用于精密測量領域精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準3、調配反射計法精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和4、功率方程法功率方程法就是基于端面不變參量來描述和計算高頻系統的一種方法。特點：技術復雜，只能用于精密測量領域精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準4、功率方程法精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標三、衰減計量方法衰減計量方法很多，最常用的是替代法。替代法可分為：直流替代、音頻替代、高頻替代、中頻替代1、高頻替代法高頻替代法又稱直接替代法，是將被測衰減器的衰減量與工作在同一頻率的標準衰減器比較。優點：設備簡單、量程大、準確度高、工作簡便缺點：只能用于頻率傳遞，局限性大精思國計，細量民生第三節電子學計量的傳遞和標準三、衰減計量方法