北交大-电子测量试卷及答案

北京交通大学考试试题（A卷）

课程名称：电子测量学年学期：2013-2014学年第1学期

课程编号：14L109Q-02 开课学院：电子学院出题教师：课程组

学生姓名：学号：任课教师：

学生学院：班级：

（请考生注意：本试卷共有六道大题。所有题答在答题纸上）

一、选择题（单项选择题, 每题2分（除了标注*的为1分外），共30分）

1．下面关于各种测量相关概念的描述中，哪一个是错误的：（A ）。

（A）测量是认识自然界的主要工具，测量结果通常用一个确定的数值来表示。（B）狭义地说，电子测量是通过运用电子科学的原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特性和参数进行测量。

（C）计量具有统一性、准确性和法制性的特点。

（D）计量基准或计量标准是指“为了定义、实现、保存或复现量的单位或一个或多个量值，用作参考的实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统”。

2. 下面关于引用误差的描述中，哪一个是错误的：（C ）

（A）引用误差又称为满度相对误差或引用相对误差。

（B）引用误差是可正、可负的，通常用百分数表示。

（C）引用误差的定义是仪器示值的相对误差与测量范围上限值（量程）之比。

（D）如果一块电压表的等级为±1.0级，表明使用该电压表进行电压测量的最大引用误差不超过±1.0％。

3. 使用数字万用表测量某工频信号的电压，将多次测量测得的电压值用数轴上的实心圆点来表示，得到下面4个图，图中的空心圆点v0表示用高等级数字万用表测量该信号电压的实际值，则下面4个图中测量正确度最差的是（ C ）。

4. 以下关于粗大误差及系统误差的判据描述中，错误的是：（ D ） （A ）肖维纳检验法也是以正态分布作为前提的，且给出了剔除数据判据对应得置信概率。 （B ）格拉布斯检验法是在未知总体标准偏差的情况下，对正态样本或接近正态样本异常值进行判别的一种方法。

（C ）马利科夫判据是常用的判别有无累进性系统误差的方法。当n 为偶数，如果以下不等式成立，则认为测量中存在累进性系统误差。

max

1

22

1

i

n

n i i

n i i

v v

v

≥-

∑∑+==

（D ）阿卑—赫梅特判据常用来检验周期性系统误差的存在。若以下不等式成立则可认为测量中存在周期性系统误差。

)(?21

1

1

X n v v n i

i i σ?>

∑-=+

5．对某信号源输出信号频率进行了10次等精密度测量，测得的数值（kHz ）为：20.46，20.52，20.50，20.52，20.48，20.47，20.50，20.49，20.47，20.49。若要求在P=95%的置信概率下，则该信号源输出信号频率真值应在的置信区间可以由以下步骤求出。其中哪一步的计算公式有误（不考虑数值计算的错误）？ （ B ）

（A ）第一步，求出均值： kHz f f i

i 49.2010

1

10

1

==

∑=

（B ）第二步，求出均值的标准偏差估计值kHz n f n f f i i

006.01

)(?

10

1

2

2≈--=∑=σ

（C ）第三步：查t 分布表，由P =0.95，k =n -1=9查得αt ＝2.26。

v 0 （A ） （B ） （C ） （D ）

v 0 v 0 v 0

（D ）第四步：估计频率值的置信区间()()[]f t f f t f σσ

αα?,?+-，将上述计算结果带

入，得到：信号源输出频率的置信区间为［20.48，20.50］kHz ，对应的置信概率为95%。

6．以下关于倒数计数器的描述中，错误的是： （ D ）

（A ）倒数计数器中包含一个事件计数器，用于实现对于设定主门时间内待测信号周期出现次数的计数。

（B ）倒数计数器中还包含时间计数器，用于实现对于设定主门时间内时基信号周期出现次数的计数，实际上通过该计数器可以计算出主门开启的时间。 （C ）倒数计数器的频率分辨率指标通常以“位/秒”表示。

（D ）若采用倒数计数器对某频率f x 的信号进行测试，f c 为时钟脉冲频率，时间计数器的计数值为N B ，事件计数器的计数值为N A ，则被测信号的频率可表示为如下的公式：

c A

B

x f N N f =

7. 某一款均值电压表是按照正弦有效值刻度的。现拟用这块均值电压表对一个三角波信号进行测量，电压表的示值为10V ，则被测电压的有效值应是：（ A ） （注：三角波的波形因数为1.15，三角波的波峰因数为1.73；正弦波的波形因数为1.11，正弦波的波峰因数为1.414） （A ）10.36V （B ）15.59V （C ）8.13V （D ）12.23V

8. 下面关于数字电压表的技术指标或参数的描述中，错误的是：（ C ）

（A ）一块4?位的电压表，最小量程100mV ，最末一位改变一个字时相当于10μV ，因此它的分辨力就是10μV 。

（B ） 3?位数字电压表的最大显示数值为1999。

（C ）3?位DVM ，当基本量程为2V 时，具有超量程能力。

（D ）数字电压表的固有误差通常表示为()m x V V V %%βα+±=?。 9. 下面关于模拟示波器原理、性能的描述中，错误的是：（ B ）

（A ）锯齿波扫描电压的作用是在输入信号电压变化一个或者多个周期时线性地增加水平位置坐标，其效果就是将被测信号按照某种速率“画”在屏幕上。

（B）当被观测正弦信号周期是锯齿波扫描电压周期的整数倍时，CRT上能够得到清晰而稳定的波形。

（C）触发电路向扫描电路提供了启动扫描或者波形采集的时机。如果没有触发信息，波形将在显示屏上以随机的起始时间显示出来。

（D）边沿触发是示波器中最常用的一种触发方式。边沿触发的触发点是用触发源信号的电平和极性（正极性或负极性）来定义的。

10. 下面关于数字存储示波器相关特性的描述中，错误的是：（ A ）

（A）对于采用了正弦内插、采样率为100MSa/s的数字示波器, 其数字实时带宽为

100MSa/s÷25＝4MHz。

（B）对于采用了线性内插、采样率为100MSa/s的数字示波器, 其数字实时带宽为100MSa/s÷10＝10MHz。

（C）实时采样常用于采集单次瞬变信号，也可以用于采集重复信号。

（D）等效时间采样也称为非实时采样或重复采样。使用这种采样方式必须满足两个前提条件：信号必须是周期重复的；必须能产生稳定的触发条件。

11. 下面关于锁相环频率范围和带宽的描述中，错误的是：（D ）

（A）锁相环从失锁状态到返回锁定状态的过程中，反馈信号频率与参考输入信号频率之间的最大允许频率差称为捕捉带宽。

（B）当锁相环反馈信号频率与参考输入信号频率进入捕捉范围之后，当两个信号的相位差小于2π时，这两个信号的频率差称为锁定带宽。

（C）当锁相环处于锁定状态时，如果参考输入信号的频率平稳而缓慢地变化，锁相环能够一直跟踪这种变化，并保持在锁定状态。此时，反馈信号频率与输入信号频率之间的最大允许频率差称为同步带宽。

（D）当锁相环处于锁定状态后，如果参考输入信号的频率变化十分剧烈，锁相环也能够继续保持在锁定状态, 此时，反馈信号频率与输入信号频率之间的最大允许频率差称为拉出带宽。显然，拉出带宽应该大于同步带宽。

12. 下面关于双模预分频锁相环的描述中，错误的是：（B ）

（A）双模预分频器能够同时实现P次和P+1次分频，通常以P/(P+1)表示。

（B）双模预分频器时，仅有一个模值为P+1的预分频器，模值为P的预分频功能是通过在预分频器之前加入吞脉冲功能实现的。

（C）双模预分频器存在最小连续分频系数。

（D）使用双模预分频器的优势在于可以实现更大范围的分频系数N值，同时不降低锁相环合成频率的分辨率。

13. 下面关于逻辑分析仪的描述中，错误的是：（D ）

（A）逻辑定时分析仪是仪器本身的内时钟发生器产生的时钟为采样时钟的，能够

实现对于被测信号的异步采样。

（B）逻辑状态分析仪是以被测电路的时钟或者某些信号作为采样时钟来工作的，能够实现对于被测信号的同步采样。

（C）逻辑定时分析仪只确定信号是逻辑高还是逻辑低，显示的是一连串只有“0”、“1”两种状态的伪波形，并不确定真实的电压值。

（D）逻辑状态分析仪可以用于测试数字系统的工作时序。

14. 下面关于逻辑分析仪的描述中，错误的是：（A ）*

（A）逻辑分析仪存储器的存储深度可以表示为：记录时间÷采样速率。

（B）逻辑分析仪存储器的通道宽度取决于逻辑分析仪的通道数量。

（C）先进的逻辑分析仪可以将各种触发事件当作触发资源，将触发事件通过逻辑运算符组合起来，甚至加入一些判别、跳转、循环语句，形成相当复杂的触发序列。

（D）逻辑分析仪可以采取跳变存储、块存储等多种方法来提高存储空间的利用率。15. 下面关于GPIB总线的描述中，错误的是：（A ）*

（A）GPIB总线是第一代自动测试系统常用的总线形式。

（B）GPIB系统主要由器件、接口和总线三部分组成。

（C）GPIB总线共有16条信号线，分为数据线、握手线和控制线三组。

（D）GPIB总线上采用TTL电平、负逻辑。

16.下面关于GPIB总线基本性能的描述中，错误的是：（ C ）

（A）一个GPIB总线系统中通常允许包含的计算机和仪器的总数量应少于或等于15台（包括控者器件在内）。

（B）GPIB总线系统中，在标准电缆上的数据是速率一般为 250～500 kB/S。

（C）由于GPIB总线系统中，5条控制线（或称管理线）的目的是保证数据双向、异步、可靠地在处理速度不同器件之间传递。

（D）GPIB系统中的任何器件都包含器件功能和接口功能这两部分功能。

二. 拟采用常规电子计数器设计测量两路10kHz同频等幅正弦信号之间相位差的电路，试回答如下问题：

（1）请在如图1所示的时间间隔测量原理框图基础上进行改进，画出实现相位差测量的原理框图（5分）

（2）分析影响相位差测量准确度的因素，列出相位差测量相对误差的表达式；（5分）（3）写出减小相位差测量相对误差表达式中各个部分误差的方法。（5分）

（提示：两路正弦信号都可能存在干扰或噪声，参考周期测量触发误差的分析方法）

图1

答：

（1）应在图中标注或者用文字描述清楚如下内容：A 、B 两路输入信号分别连接两路同频正弦信号，A 、B 两路触发电路的触发电平设置成相同的电平值，触发极性设置为相同的极性。其他部分保持不变。

（2）影响相位差测量准确度的因素包括三个方面，分别是量化误差、触发误差和标准频率误差。相位差测量相对误差的表达式推导过程为：

360

x

t T ?θ

=

o

，

s

t NT ?=，相位差

360360s x x s

NT f

N T f θ=

?=??o o 。

s f 、

x

T 分别

为时标信号频率和被测信号周期。由于被测信号周期已知，因此不考虑其对测量准确度的影响。对相位差表达式采用误差合成公式进行分解得：

???

?

?

??+

?+

±=?c c m n f f V V πθ

θ

21

N 1，fc 为晶振频率。

（3）写出减小相位差测量相对误差表达式中各个部分误差的方法。（5分）

减小触发误差的方法是：在一定时间限制条件，采用多周期测量，或者信噪比；减小量化误差可以提高时标信号的频率；减小标准频率误差的方法是采用高等级的晶振，例如恒温晶振。

三. 双斜积分式ADC 与三斜积分式ADC 都是数字电压表常用的ADC ，试回答如下问题： （1）画出双斜积分式ADC 的工作波形图，并简述其工作过程；（5分）

在测量开始时，开关S 2接通一段时间，使积分器输出电压回到零。然后，逻辑控制电路发出取样指令，将开关S1连接在被测电压-V x ，同时开关2断开，积分器开始对被测电压积分。当积分器输出电压大于0时，比较器输出从低电平跳到高电平，打开闸门，启动定时计数器，时钟通过计数器计数。这时积分器输出是一个线性上升的电压如图4-3-7所示。这是ADC 工作的第一个积分阶段，称为采样阶段，或者定时积分阶段。之所以称为定时积分，是因为这段积分时间固定为T 1。通常选择计数器计满溢出的时间为T 1。定时积分结束时，计数器的计数值为N 1，同时计数器复零，逻辑控制电路把开关S1连接到参考电压V ref ，上，转入第二个积分阶段。

在第二个积分阶段，开关S1接到参考电压，参考电压与被测电压极性相反，所以电容开始放电。积分器输出开始线性下降，同时计数器从零开始计数。由于是对固定的参考电压进行积分，这个阶段也称为定值积分或反向积分阶段。当积分器输出下降到零时，比较器从高电平变为低电平，使闸门关闭，计数停止。由图4-3-7可以看出，这个阶段所计的计数值N 2与被测电压成正比，反映了被测电压的数值。因此，只要将所计的脉冲数输出到显示器，就可以得到被测的电压数值。

（2）根据公式解释双斜积分式ADC 为何具有较高的抗周期性干扰的能力？（5分）

在被测电压受到串模干扰电压U sm 的干扰时，ADC 的输入电压为)(sm x x u U u +-=,则

x t t x om u RC

T dt u RC U 12

11=-

=? 从上式看出，积分输出电压与输入电压的平均值成正比。串模干扰电压在取平均后，对测量结果的影响将减小；如果串模干扰电压是正负对称的周期信号（例如工频50Hz ），且积分时间是干扰信号周期的整数倍，串模干扰将完全被抑制。因此，双斜积分式ADC 具有较高的抗干扰能力。

T 1

T 2 T?2

t 2

t 1

t 3 U om

U?om

u o

U?x

U x

t

t 0

定时积分时间 计数值N 1

定值积分时间 计数值N 2

（3）与双斜积分式ADC 相比，三斜积分式ADC 有哪些优点？（3分）

三斜积分式ADC 的计数误差明显减小了。这里面的原理与计数器中采用内插扩展法减小量化误差的原理十分相似。

在测量速度方面，三斜积分式ADC 好像比双斜积分式ADC 所用的时间要长。但在考虑达到同样的显示位数和计数误差条件下，三斜积分式测量速度提高了很多。

四. AD7008 是一款直接数字频率合成芯片，其原理框图如图2所示。图中MUX 是数据选择器（32位），受控于外部电平信号FSELECT ，在高电平时选择FREQ0 REG 的数据输出给后级；在低电平时选择FREQ1 REG 的数据输出给后级。试回答如下问题： （1）简述图中FREQ0 REG ，PHASE ACCUMULATOR ，SIN/COS ROM 的作用；（5分）

PHASE ACCUMULATOR 是相位累加器，在时钟脉冲的控制下，相位累加器输出线性递增的相位码，相位码作为地址信息来寻址波形存储器；SIN/COS ROM 是波形储存器，存放正弦波形样点数据，也可以存放其他波形，实现任意波形产生的功能。FREQ0 REG 是频率寄存器，存放频率控制字K ，在时钟的作用下控制每次相位累加器累加的相位增量，从而实现对输出信号频率的控制。

（2）在该芯片正常配置的情况下，若FSELECT 固定为高电平，且FREQ0 REG 中预置的数为10000H （十六进制），时钟频率c f 为65.536MHZ ，写出输出信号频率的计算公式并计算结果；（5分）

2c

o N K f f ?=

，K=1000H=65536；N=32，

c f =65.536MHZ ，，计算结果为1000Hz.

（3）列出直接数字频率合成技术的三个优点和两个缺点。（5分） 优点：

a ） 极快的频率切换速度

b ） 极高的频率分辨率

c ） 连续的相位变化

d ） 强大的数字调制功能

e）易于集成、易于调整

同时DDFS也存在一些方面的缺陷：

a）工作频带的限制

b）功耗限制

c）杂散抑制差

d）DDFS的全数字结构使得相位噪声不能获得很高的指标，DDFS的相位噪声主要由参考时钟信号以及器件本身的噪声基底决定。

图2

五. 用某数字存储示波器进行测量，试回答下述问题：

（1）在该示波器前面板右上角标为200MHz、2GS/S的两个参数，请解释这两个参数的含义；（2分）

两个参数分别是模拟带宽和采样率的指标。

（2）某振荡电路产生的峰值为3V的正弦波在90度相位处有时会出现正极性的毛刺，如何设置数字存储示波器触发参数，在屏幕上得到稳定的波形显示，且准确抓到该毛刺？（5分）

可以采用边沿触发方式，设置触发电平大于3V、触发极性为正极性，采用常规触发方法就可以得到稳定的现实；若该示波器有毛刺触发方式，也可以设置采用毛刺触发

来捕捉。

（3）数字存储示波器存储深度与波形记录时间之间有什么关系？深存储会带来哪些问题？（5分）

记录时间＝存储深度/采样率=存储深度×采样周期；由于在深存储示波器中需要存储和处理更多的样点，在示波器处理能力有限的条件下，将会导致死区时间增加、波形更新速率变慢、响应用户面板操作的时间增加等，甚至波形更新时间、响应用户面板操作时间会有数秒钟。

六. 图3所示为外差式频谱分析仪的原理框图，试回答如下问题：

（1）简述输入滤波器、本地振荡器、混频器、中频滤波器、包络检波器的功能；（5分） 输入滤波器的功能是滤除镜像频率信号；本地振荡器产生线性扫频或者对数扫频信号；混频器得到输入信号与本振信号的差频；中频滤波器滤除掉除了中频信号之外的其他频率成分，带通滤波器；包络检波器把高频信号转化成与其幅度成对应关系的直流信号（这种对应关系依赖于检波器的类型，例如峰值检波的检波输出正比于被测信号的峰值）。

（2）若该频谱仪的中频滤波器中心频率为3476.4MHz ，欲分析频率范围为9kHz ～3GHz 的信号，试计算本振信号扫频的范围以及镜像频率的变化范围；（5分）

IF LO in f f f -=， 本振f LO =f in +f IF ,变化范围是：3476.409MHz-6476.4MHz.

镜像频率为IF LO im f f f +=，变化范围是：6952.809MHz-9952.8MHz

（3）若使用该频谱仪分析某包含二次谐波的失真正弦波（基波频率为100kHz ），频谱仪的起始频率设置为50kHz ，终止频率设置为250kHz ，且测量环境保持不变，画出RBW 分别设置为10kHz 与1kHz 时，频谱仪屏幕显示的示意图。（5分）

图3

显示器

输入信号

射频输入衰减

混频器

中频 增益

包络检波器

对数放大器

中频滤波器 输入滤波器

扫描信号发生器

本地振荡器

基准[参考]振荡器

视频 滤波器

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