优化电子信息系统特性测量的方法

引言

1.系统的基本概念

（1）系统的定义

信号的采集、产生、传输、处理、存储和再现都需要一定的硬件或软件装置，这种装置的集成通常就称为系统。系统是一个非常广泛的概念，从一般意义讲，系统是由若干相互依赖、相互作用的事物组合而成的具有特定功能的整体。系统可以是物理系统，例如测试系统、通信系统、自控系统、计算机系统等电子信息系统；也可以是非物理系统，例如生产管理、经济调控、文化教育、司法执法等社会经济和社会管理方面的系统。电子测量的对象主要是物理系统中的电系统。

通常，各种电子信息系统的主要部件中包括大量的、各种类型的元器件、电路或电网络。系统是比电路更复杂、规模更大的组合体。电路与电网络都属于电系统。在一定意义上，电系统与电路、网络是同义词。随着大规模集成电路技术的发展，各种极为复杂的电路或网络可以集成在很小的芯片上，已经很难从复杂程度或规模大小来确切区分器件、电路、网络和系统。

（2）系统与信号的关系

1）信号离不开系统。

①系统是信号存在的物质基础，信号不能束之高阁，信号必须以系统做载体，离开了系统，信号将失去依托，人们也无法利用信号。

②信号的获取、产生、变换、传输、存储及处理都必须由系统来完成。没有先进的电子系统作为信号处理的工具，也就没有现代信息科学技术的发展。

2）系统离不开信号。

①信号是系统传输和处理的对象。没有信号，系统没有对象，系统的设计、制造就没有依据，换句话说，系统也就没有存在的意义。

②当需要认识系统，对系统特性参数进行测量时，系统的激励和响应都是信号，激励信号是系统的原动力，响应信号是要获取系统的有关信息的载体。

电路（网络）、系统与信号之间有着十分密切的联系。信号作为信息的载体，其属性取决于运载的信息；而系统作为传输、处理信号的工具，其特性又取决于信号的属性。信号的产生、传输、存储和处理的质量高低，取决于系统的性能好坏。

（3）系统的特性测量

系统的特性是由其内部结构和参数也即系统本身的固有属性决定的。要描述和分析任何一个物理系统，都必须了解其内部结构，根据物理作用机理建立该系统的模型。所谓系统模型是指系统物理特性的数学抽象，即以数学表达式或具有理想特性的符号组合图形来表征系统的输入-输出特性。

在测量技术中，一般都是用系统的观点去观察和分析问题的。所谓系统的观点即从全局的观点，把被研究的系统视为一个封闭系统，着重于系统的外部特性，即系统的输入与输出之间的关系或系统的功能。

图Ⅲ-1 系统的框图

系统的功能可以用图Ⅲ-1表示，图中的方框代表具有某种功能的系统。x（t）是输入信号，也称为激励；y（t）是输出信号，也称为响应；h（t）是表征系统固有属性的数学模型或特征参数。从测量的意义来看，系统可以被看成是一个信号的变换或传输的功能模块，它的功能是将输入信号变换（或传输）成输出响应，y（t）=h（t）x（t）。由激励和响应的关系（数学模型）表征的系统外特性，根据输入信号x（t）是否随时间变化，系统对外呈现出的基本特性，可分别用静态特性和动态特性来描述，并且定义了许多具体描述的指标，这将在本篇中讨论。

客观事物的属性总是通过它自身与周围事物的联系来表现的。在这里，我们把被研究的事物视为一个封闭系统，不去研究系统的内部结构，而着重考察外部特性。如果这个系统的属性（事物内部自身运动的表现），能通过外部世界观测到，就称这个系统是可观测的。如果这个系统（事物内部运动）能接收外部施加的影响而变更系统的运动状态，就称这个系统是可控的。

响应y对系统特性的表现能力反映了被研究系统（事物）的可观测性。个别系统（如信号发生器）的特性可通过y主动地表现出来，而大多数系统的特性不会主动地表现出来。当人们要测量表征系统内部的某些特性参数h，而h又不会主动地通过y表现出来时，可用一组激励x_i对系统作用、作用后的影响可通过y表现出来时，即系统具有可测性。系统的可观测性取决于系统的构造特性，它反映了系统与外界相互作用中的依赖关系。如果说一系统是可以认识的，首先该系统应是可观测的。但是，事物的可观测性又直接与观测方法、观测手段有关。例如，复杂的大规模集成电路，只有进行了可测性设计，才具有较好的可观测性；肉眼看不见的电过程，可借助于示波器观测到；过去无法观测的很多动态系统特征，借助于高速数据采集系统就能观测到。由此可见，研究系统新的测试方法和测试手段非常重要。

2.被测系统的分类

按照系统的特性，可以将系统划分成线性系统与非线性系统；按系统属性又可分为即时系统与动态系统；按被处理对象又可分为模拟系统和数字系统等；按功能可分为通用系统和专用系统，如图Ⅲ-2所示。

图Ⅲ-2 被测系统的分类

（1）线性系统与非线性系统

测量中的系统，包括被测系统和测量系统，可分为线性系统及非线性系统。

线性系统的含义，是在所要求的精度和所需的幅值范围内，满足下述两个基本条件，则此电路或系统可认为是线性时不变系统。

1）线性系统服从叠加原理。当两个输入信号分别作用时，输入为x₁（t）或x2（t），输出信号为y₁（t）或y₂（t）。若两个信号共同作用输入为ax₁（t）+bx₂（t），其输出信号必为ay₁（t）+by₂（t）。其中a、b均为常数。

2）时不变系统的响应与输入信号的时延无关。设输入信号为x（t）时，输出信号为y（t），那么，当输入信号变为x（t-τ）时，输出信号将成为y（t-τ）。

满足上述两个条件的线性时不变系统，对任意输入的响应都可用傅里叶变换表示。输出信号y（t）的频谱函数Y（ω）为

Y（ω）=H（ω）X（ω）

式中，H（ω）为被测系统的传递函数；X（ω）为输入信号x（t）的傅里叶变换，即频谱函数。

可见线性时不变系统在正弦信号作用下，输出也是一个正弦信号。如果输入信号x（t）为任意周期性波形，则按傅里叶级数把它展开成一系列不同频率及相位关系的正弦波的线性组合，其中包括一个基波以及不同幅度和相位的各次谐波。对其中每一个正弦分量，系统都有自己的H（ω）倍的正弦响应，总的输出则是频率成分与输入完全相同的各输出正弦分量的线性组合，即线性系统具有频率保持性。测量、分析或比较线性系统在正弦信号激励下的响应，就可以对系统的各种电气特性作出全面的评价，这就是正弦测量技术得到广泛应用的原因。本书仅讨论线性被测系统。(www.xing528.com)

（2）即时系统与动态系统

一个系统，如果它在任何时刻t的输出都只与该时刻的输入有关，它就是即时系统；如果它在时刻t的输出不仅与该时刻的输入有关，而且还与该时刻以前或以后的输入有关，它就是动态系统。

1）即时系统。即时系统又叫瞬时系统或无记忆系统。例如纯电阻网络就是一个即时系统，它的输出只取决于当时的输入。即时系统的输入-输出关系，对连续或离散时间线性系统可分别表示为

y（t）=h（t）x（t） 或 y（n）=h（n）x（n）

2）动态系统。动态系统又叫惯性系统或有记忆系统。包含有电容、电感等储能元件的网络就是一种动态系统，这种系统即使它的输入端去掉输入，它仍有可能产生输出，因为它所含的储能元件记忆着系统以前的状态，记忆着输入曾经有过的影响。例如，电容值为C的电容器是动态系统的一个简单例子。因为若把流过它的电流作为输入x（t），把其上的电压作为输出y（t），则其输入-输出关系可表示为，即系统在t时刻的输出是该时刻以前输入的积分。记忆系统的输入-输出关系一般是微分或差分方程。是一个离散时间动态系统。因为系统在n处的响应是n以前所有输入的累加，系统同样具有记忆以前输入的能力。

动态系统的特性可用时间特性和频率特性来描述。

（3）模拟系统与数字系统

模拟系统是分析和处理模拟信号的系统，而数字系统是分析和处理脉冲与数字信号的系统。数字系统具有与模拟系统显著不同的特点：

1）脉冲与数字信号在时间和数值上是不连续的，它们的变化是以跃变的形式出现在一系列离散的瞬间，信号的前沿陡峭，持续时间有长有短，频谱分量十分丰富，因此数字系统是一个宽带系统，具有处理快速跃变信号的能力，以保证整个系统的严格时序关系。

2）在数字系统内，任何一点的电平稳定值只可能是两个截然不同的值，通常用电平的“高”与“低”（或逻辑的“真”与“假”，或状态的“1”与“0”）来表示。一位二进制数表示的信息量太少，多位二进制数才有充分的表现力，数字系统处理的信号往往是多位的二进制码或长长的数据序列（数据流），所以数字系统往往是一个多输入和多输出的时间序列系统。

3）数字系统的基本要求以功能为主，要么是工作正常，要么是出现故障。模拟系统的故障往往表现在电路中某些节点的电位或波形的不正常，数字系统的故障往往表现在整个系统内多位数字信号间的逻辑关系或时序关系上，而不在于单独考查某点信号的波形及电位的变化。

4）数字信号的突发性、非周期性给数字系统的测量和分析带来特殊性。在数字系统工作过程中（例如执行一个程序），数字信号变化规律十分复杂，有的信号可能周期性发生，但许多数字信号只是单次发生（只出现一次），而有些信号虽然重复发生，但却是非周期性的。对于这些信号，用传统的方法（例如用电压表或示波器）去观测它，一般难于观测，即使观测到也仅是一些无意义的杂乱数据或波形，难于获得有用信息。而且表征系统故障的错误数据往往混合在正确的数据流之中，甚至有时发现故障时产生故障的原因早已过去。要求对数字系统的测试能从长长的数据流中，检测出也许是很少的错误数据，才能从蛛丝马迹中发现问题。随着大规模集成电路技术和计算机技术的发展，数字系统的集成度高，元件密度大，故障模式特别多，数字系统的分析与测试工作的复杂性是可想而知的。

（4）通用系统与专用系统

在各类电子系统中，有通用和专用之区分，测量系统中属于通用的系统有电压表、频率计、示波器、频谱仪及自动测试系统等。也有不少的专用系统，如油井探测系统、瓦斯监测系统、地震预警系统等。计算机系统中，微型计算机、便携式计算机等是通用系统；机床控制计算机系统、火灾消防计算机监控系统等是专用系统；在通信系统中，无线移动通信系统以及有线通信电话系统是通用的；铁路运输的通信系统、民航指挥的无线电通信系统是专用的。

3.系统测量的内容

系统测量的任务是，系统性能的测量和系统故障的诊断，以及测量系统的校准和检定。

在本书的“系统的测量”篇中，主要安排了测量系统基本特性、测量用信号源、元器件的特性测量、模拟与数字集成电路的测量、线性系统的特性测量及网络分析等内容。

（1）系统测量用信号源

系统的特性参量h是无源量，对它进行测量的方法是激励响应法，即给系统施加一定的激励信号x，测量系统的响应信号y，根据x和y求得系统特性h=y/x。x是人造的、已知的标准激励信号，y是通过测量得知的响应信号，由此可见，系统的测量是要借助于信号的激励来进行，并同时对响应信号的测量来完成的，信号的产生和测量是系统测量的基础。

测量用的信号源是系统测量不可缺少的仪器。为了观测系统的静态、稳态和动态特性，最典型的信号源有不变或缓变信号源、周期性变化的正弦点频或扫频信号源和阶跃式或冲击式的脉冲信号源等，获得系统的时域特性或频域特性。此外，为观测通信、雷达、广播等系统，要用调制信号源；为观测数字集成电路、计算机等数字系统，要用数字信号源。

（2）测量系统的基本特性

各种系统的基本特性可由其输入、输出的关系，即系统所呈现出的外部特性来表征。在系统性能测试中待求h通常有阻抗特性、传输特性、变换特性等，以及这些特性参数的时间特性、频率特性和调制特性等。系统的特性与它传输、处理的信号的关系十分密切，取决于信号的变化特点。系统的特性可分为静态特性、稳态特性和动态特性。由于信号特性的测量可以在时域或频域进行，系统的测量也相应地有时域测量和频域测量两种方法。本篇首先介绍系统的基本特性。电子系统类型不同，其功能和特性指标也不相同，典型的电子信息系统有许多类型，如通信系统、雷达系统、广播系统、网络系统、控制系统、测试系统、计算机系统等。在各种类型的电子系统中，我们以最通用的测试系统为代表，来讨论系统的基本特性。

（3）电子元器件的测量

一般说来，一个大的电子系统由若干个功能部件组成，每个部件内又包含了许多不同功能的单元电路，每个单元电路内又由若干元件和器件构成。所以本书讨论系统的测量，不仅包含了对系统整体功能和性能的测量，而且包含了组成系统的各种最基本单元的测量。本篇讨论组成系统的最基本的元器件的测量，包括电阻、电感和电容等无源元件的阻抗特性参数的测量，半导体二极管、晶体管等有源分立器件的性能参数的测量，它们是电子系统的最基础的测量。

（4）集成电路的测试

以器件形式出现的集成电路，就其功能和规模来说，小到一个单元电路（差分放大电路、逻辑门电路），大到一个完整的、复杂的单片系统；就其电路类型来说，有模拟电路、数字电路以及两者的混合电路和系统。对这些电路和系统的测量，有直流参数、交流参数的测量，也有功能的测量和逻辑诊断。在数字系统的故障诊断中，其目的是判断系统是否能有效履行预定功能。通过对故障模型的分析，寻求以最短测量时间获得最大故障覆盖率的有效的诊断方法。特别是系统的动态性能测量需在时域、频域和时频域内进行，需要使用各种各样的信号测量技术与仪器。

（5）线性系统特性测量和网络分析

任何一个系统对信号进行传输和处理的质量取决于它的特性。了解和掌握线性系统的各种特性，如传输特性、反射特性和阻抗特性等，在实际中至关重要。

线性系统特性，包括静态特性和动态特性。静态特性测量能以精确定量的特性指标反映系统的基本性能，动态特性测量可反映系统对快速变化信号的响应能力。动态特性测试既可在时域内进行，通过时间特性来表征，也可在频域内进行，通过频率特性来表征。

本篇讨论的系统的测量，是对基础的、常用的电路与系统及其元件特性的通用测量，而不讨论专门系统的测量，如一个通信系统、雷达系统、自控系统的特性测量，因为这些系统的测量还需要涉及许多专业知识。但是这些系统的测量，也是基于本篇中所讨论的最基础的、通用的技术方法。