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测量的基本概念

2015-01-29 09:19 来源:标准与测试专业委员会

责编:肖辉

《现代汉语词典》对此是这样解释的:“测量,用仪器确定空间、时间、温度、速度等有关数值。”从这个解释来看,“测量”就是指用仪器确定空间、时间、温度、速度和功能等的有关数值。而《机械手册》则对测量做出了更详细的定义:测量是把被测量与具有计量单位的标准量进行比较,以确定被测量的操作过程。一般包括四个要素:①测量对象、②测量单位、③测量方法、④测量精度—与真值的一致程度。

可见,要测量就要有数据。随着精度的提出,相随而至的是误差的概念。其实,精度是建立在误差概念基础上的。

1.误差

误差是指测定值与准确值的差。

在科学实验和生产实际中,为了掌握事务发展的规律性,总是通过各种方法对我们所需要的量进行观测并记录下许多数据。但是,由于外界的随机干扰,这些数据实际上是带有随机误差的近似数据。对这些近似数据必须根据需要进行合适的处理。

一方面,必须估计观测数据的可靠程度,并给以合理的解释;另一方面,还必须将所得数据加以整理归纳,用一定的方式表示出各种数值之间的相互关系,或者对带有误差(噪声)的数据(信号)进行分析处理,把干扰“过滤”掉,得出真正需要的量。前者,需要误差理论的基础知识,后者需要处理数据的基本技术(如插值法、实验曲线光滑法和滤波法等)。

然而,从使用角度出发,我们可暂不去追求那么多的理论知识,待需要使用时再去查询即可,我们首要要建立的是“误差”的概念。

以机械加工误差为例,由于受加工设备、工具以及工作环境和操作者技术水平等条件的限制,加工出来的零件不可能与图纸上给出的理想几何参数完全一致,于是就产生了加工误差。其中主要体现在尺寸偏差上。

2.偏差

从概念上来讲,偏差是相对于基本尺寸而言的,是指偏离基本尺寸大小的数值(如上、下偏差)。

3.公差

公差仅表示极限尺寸的变动范围,即允许的误差范围。在允许值之内的视为合格(属公差),超过允许值的视为错误(应称之为误差)。公差是没有符号的绝对值,且不能为零。

仍然以前面加工金属圆棒为例,车工还有可能拒绝加工,理由是设计者没有对圆棒与圆孔的配合方式作出要求。实际上,如果你需要将圆孔作为轴承,就必须让棒的直径小于孔的孔径,所以图纸上必须标明棒的直径为负偏差,标记为“−”(如ø10−0.1);反之,若要将棒固定在孔里,其偏差只能为“+”,也就是紧配合(关于配合的细节还有很多,有兴趣的读者可参考关于“公差与配合”方面的是书籍)。

综上所述,凡有设备、网络、系统存在的地方一定会存在误差,给出指标时也应考虑允许的误差范围。无线电通信、广播电视乃至数字视频测量等等均无例外。

例如,模拟电视系统中对“介入增益”的要求是“0dB”,允许误差范围是±0.2dB(甲级)。 这里,0dB显然是放大倍数为1的意思,即如果设备的输入端的信号电压是700mV,输出端也应是700mV,其增益的分贝值是。但实际上准确的0dB是做不到的,所以后面给出了误差范围“±0.2dB”,这相当于说输出的信号电压在716.3~684.3mV范围内都算合格(甲级),达不到者就要降级。

又如,数字测量指标里的对“眼图”的要求是800(1±10%)mV,意即在800mV基础上可以有±10%的误差。

4.测量误差

谈及仪器和仪表如何使用时,误差的概念便又多了一层意思,即测量误差。测量误差是指除了仪器、仪表本身固有的误差和人为读值的偏差外,还要考虑到当仪器(仪表)接入被测电路时,会影响原电路参数的因素。

于是,在进行测量前一定要综合分析,考虑如何在测量时对被测对象的影响最小。例如,测量电压时,电压表的输入阻抗要尽量高,以减少对原电路的分流;测量电流时,电流表的内阻要尽量小,以减少对原电路的压降。所以,供维修使用的通用示波器,一定要尽量采用高阻探头(如×1挡1MΩ;×10挡10MΩ),其目的就是减少对被测电路的影响(让输入端的分布电容尽量小),使“探头”指标之一的“分布电容”越小越好。提高探头阻抗,利用其分压关系,就会使分布电容比例降低(如10MΩ挡的分布电容只是1MΩ挡的1/10)。这里需要提醒的是:波形监视器的输入阻抗采用的是低阻(75Ω),其原因是一为了与电缆匹配方便,,二是因为被测信号强(700mV),同时也是为了减少杂散干扰。

请注意,这个例子可被视为“经典”,我们可将其归纳为两点:即高阻抗、弱电平处“脆弱”,容易受杂散电磁波干扰(如预放器第一级);低阻抗、高电平处“稳定”(如分配放大器输出级),抗干扰能力强。所以,用于监测的“波形监视器”因无须经常变动衰减器,只看固定值(700mV),便选择了低阻输入。

“相得益彰”的好处是:与电缆匹配时的反射损耗值容易处理(模拟通道中,仪器的反射损耗值可以也应该达到40dB。数字仪器则略微困难些,因比特率较高,一般为15dB。

(1)数字三用表的精度与误差

数字三用表的读数时不连续的。表的读值被转换成十进制的数字,并以十进制的数位显示,这样,不仅可以获得非常明了的读数,还可避免由于人为因素所造成的读数偏差。但是,数字三用表不宜用于微调电路(如寻找输出最大点就比较困难)。因为它的读数不连续,难于判断新读数是大于前者还是小于前者,难于确定调整方向。表针指示的三用表则不然,正、反趋势马上可以相随。

另外,也不要认为数字三用表显示的数字越多精度就越高,这其中有个分辨力的概念。每个测量仪器表都有自己的基本分辨力,数字式仪表的分辨力取决于显示位数,位数越多分辨力越高。但分辨力高不等于精度高。例如,一个分辨力为3位的数字表,当测量5V电压时,若其精度为±1%,此时可显示4.95V至5.05V间的数值。与此同时,用有一个4位分辨力的数字表测同样的电压,其实体现不出它的优势。只有当电压为5.001V,且该表精度又能达到0.01%时,4位数字表才能突显其优势,而3位数字表这时则明显无能为力。通常,分辨力要高于精度,这样可以避免制约精度。

(2)示波器的精度与误差

“示波器的精度低于电压表”,大家好像都这样认为。固然,从示波器显示波形的线条来看,CRT聚焦难以最细,影响读值。不过,现代显示技术加上宽带、低噪能力完全可以与电压表相提并论。

以LV5700A主机及其模拟复合信号测量单元(附件OP73A)为例,其本体垂直轴幅度精度可达±0.5%,模拟附件OP73A的精度可达±1%。

其实,更能体现示波器精度的还是时基精度。当被测频段不断提高时,欲观察到信号波形,相随的扫描速度也必须提高。时基如果不稳定或不能匹配,精度将迅速下降。测量数字眼图指标中的抖动就是一个很好的例子。例如SDI眼图:SD-SDI时抖动范围为0.25ns,HD-SDI时抖动允许值为135ps。又如LV5700A的眼图单元时间轴精度在±3%以内(5MHz~2.5GHz),SD时能到500ps/div(或1ns、3ns三挡),HD时能到100ps/div(或200 ps/div 、800 ps/div 三挡)。可见,能够具备这么细微的测量能力,仪器该要多么精确。

顺便强调一点:示波器的高阻探头是不能换来换去使用的,且每次使用之前都要进行校准。几乎所有仪表的探头或表笔都最忌讳使用非原配附件。因为损伤了附件等于降低了仪器的大部分精度。

波形监视器虽然没有高阻探头,但在没有低阻匹配电阻的情况下也是高输入阻抗。重要的是,仪器自带的匹配电阻同样决定着整体精度。

作者就有这样的经验教训:一次要寻找一个75Ω电阻用于数字通道匹配,因考虑到需要精密些,便从一台仪器后面摘取了一个注明75(1±0.1)Ω的匹配电阻。但测量结果大失所望—与使用在数字系统中极普通的匹配电阻相比较,误差反而更大。后经仔细观察才发现,那个注明0.1%精度的匹配电阻后面还标有条件:使用频率≤10MHz。问题一下明了了,数字视频系统即使是标清,比特率也有270Mbit/s,这相当于传送135MHz基频的高频信号。试想10MHz使用频率能有什么用呢?可见,光有精确的的意识还远远不够,关键还要看怎样应用。

5.基准

经常听搞建筑工程的人说“大楼建设进度达到正负零米(±0m)了”。这是一句建筑术语,意思是在说大楼现在已地下室盖到地面上来了,而隐藏在其中的一个重要概念就是基准。“±0 m”是以地面为基准的。同样,模拟复合视频信号也有这样两个基准。

其一为幅度基准,即消隐,亦称“消隐电平”或叫“零电平”(只不过没有“±0”这样称呼)。这确实就是模拟视频信号的幅度基准,它是不能变动的,测量模拟波形幅度时必须以此为基础(更是嵌位电路的基准)。在其上为正(通常写做0~700mV,0为黑,电压越高屏幕越亮),其下为负,全黑。

然而,时常有人误把消隐电平看作黑电平,原因是调整摄像机时(或拍摄节目过程中)常要调整黑电平,它是可变的,当与消隐电平一致时画面最黑。以此作为基础,允许上浮3%,常被称作“底电平”(可用于测量暗场杂波)。此时,最容易被认为是“消隐电平”。

其二为时间基准,即同步前沿(包括行、场同步)的负脉冲幅度的中点。负脉冲幅度通常写做0~−150mV,这实际上是用其前沿中点(−75mV处)作为一行或一场视频信号的起始点(也正是同步脉冲的触发基准)。具体到调整示波器到与信号波形同步的情况时,首先要调整x轴“触发电平”旋钮微调,其实就是在选择合适的触发点(也就是要找到−75mV的电平的位置)。黑场(BB)信号其实就是没有正程信号内容的复合全电视信号,所以当BB输出不够用时,可以拿彩条当同步用(用其消隐电平以下的同步信息)。

数字信号码电平分配为00000000和11111111(8bit)或0和255(十进制)。ITU-R BT.601规定:包的头两个码字用于同步。如果再将彩色信息考虑进去的话,数字信号由两个色差分量确定颜色,模拟信号则由副载波相位确定颜色,还需要一个“色同步”,来作为每行起始相位的基准(K脉冲,因PAL制还需使副载波的相位±135°逐行倒相)。

6.标准

从宏观角度来看,标准是各项具体技术的数据和测量方法等的基准,如国家标准GB 3659—83《电视视频通道测试方法》和行业标准GY/T 1070—92《电视中心播控系统维护规程》等。在测量模拟电视系统播出质量或节目制作技术质量时,常常以这两个标准为基础。但数字电视系统的图像质量多以主观评价为主。数字视频通道的技术要求和衡量方法,要按照广播电视行业自身的需求重新制定,其中包括数字/模拟信号转换过程的参数标准、测试信号和测量方法等。目前虽已经完成但还没有作为标准发布(须经专家讨论、审批后才能以行业标准的形式公布)。