电子式仪器仪表及测量ppt课件

第四讲电子式仪器仪表及测量 第十一章电子式仪器仪表及应用 第三节模拟电子式频谱分析仪 第一节电子示波器及其应用 第二节模拟式电子电压表及其使用 电子示波器 也称阴极射线示波器或电子射线示波器 简称示波器 是可观测时域电压信号波形或某两时域电压信号函数关系的快速显示仪器 示波器的基本量测量是电压 在配以辅助设备 测量 转换 等条件下 用它还可观测其它显示结果 第一节电子示波器及其应用 一 示波器的基本原理1 各基本工作单元及相互谐调的工作原理尽管示波器已有近十大系列共几百种 但它们都包括有示波管 垂直放大器 水平放大器 延迟线 扫描发生器 触发电路和电源等功能电路单元 图11 1为通用示波器的原理框图 它展现了示波器各功能电路单元工作的谐调关系 示波管的基本结构如图11 1中所示 它的电子枪 偏转系统和荧光屏等全部被密封在抽成真空的玻璃外壳内 电子枪在电源驱动下产生一精确聚焦的电子束 并加速之使其达到很高速度射向涂覆有荧光物质的屏幕 结果在荧光屏上产生一小亮 光 点 电子束射向荧光屏的运动过程中 穿过一组垂直偏转板和一组水平偏转板 见图11 1 当只有交变的被测信号经垂直放大器加到垂直偏转板上时 仅在屏幕上形成一条垂直线 其长短反映被测信号的强弱 见图11 2 a 而仅有锯齿波经水平放大器加至水平偏转板时 屏幕上则形成一条水平直线 见图11 2 b 当上述两信号同时存在时 垂直轴的被测信号便被锯齿波信号沿水平时间轴方向展开了 于是在屏幕上展现出随时间连续变化的被测信号波形 示波管的偏转灵敏度较低 若被观测信号微弱 就必须用放大器放大 使之达到足够大的电平后 再去驱动电子束在示波管内做垂直偏转 示波器电源由高压和低压两部分组成 高压部分用于驱动示波管 产生高压电子束 低压部分则为其电子电路供电 2 同步及其实现为使被观测周期信号在荧光屏的确定位置上重复出现 就要求水平扫描信号与被观测信号同步 亦即每每水平扫描信号的出现都必须是在被观测信号波形不同周期的相同点 如果被观测周期信号与扫描锯齿波信号的周期稍有不同或不是正好成整数倍 它的波形在屏幕上将左移或右移 呈现不稳定 图11 3是对这种现象的说明 二 示波器的主要技术性能1 频率响应范围示波器对输入的不同频率的被观测信号的衰减作用不同 其频率响应范围是指输入信号在屏幕上所显示图像幅度的下降不超过3dB 分贝 的频率区域 上限频率fh与下限频率fi之差 由于示波器的fh fi 故频率响应范围可仅用fh表征 示波器响应范围越宽 其应用范围越广 2 扫描速度扫描速度即光点水平移动的速度 为观测不同频率的信号 必须以相应速度扫描 扫描速度越高 示波器能够展开高频率信号或窄脉冲信号波形的能力越强 反之 对缓慢变化的信号 则要求以相应的低速扫描 所以示波器的扫描速度范围越宽越好 3 输入阻抗由从其输入端口测得的直流电阻值Ri和与之并联的电容值Ci表示 显然 Ri越大 Ci越小 亦即输入阻抗越大 示波器对被观测信号电路的影响越小 4 偏转灵敏度指光点在屏幕上偏转单位长度所对应无衰减被观测信号峰 峰值的大小 它体现着示波器观测微弱信号的能力 其值越小 即偏转灵敏度越高 表明示波器能观测微弱信号的能力越强 一般示波器的偏转灵敏度为每厘米几毫伏 5 时域响应指标是指示波器电子电路在方波脉冲输入作用下的响应特性 主要由上升时间 下降时间 上冲 下冲 预冲及下垂等参数表示 其物理意义见图11 4 上冲So表示脉冲前沿的上冲量b与A之比 即 11 1 Sn是脉冲后沿的下冲量f与A之比 即 11 2 Sp定义方波脉冲阶跃之前的预冲量d与A之比 11 3 下垂 则定义为脉冲平顶部分倾斜度e与A之比 11 4 三 示波器的种类根据用途与特点 电子示波器可分为下述六类 1 通用示波器 2 多束示波器 3 取样示波器 4 记忆和储存示波器 5 特殊示波器 6 智能示波器 一 概述电子电压表包括模拟式电子电压表和数字电压表 模拟式电子电压表是有整流与放大电路单元组成测量电路 磁电系测量机构坐指示器的指针式仪表 按功能 模拟式电子电压表可分为交流和直流两类 第二节模拟式电子电压表及其使用 二 模拟式电子电压表的整流原理1 平均值整流 1 原理平均值整流器亦称均值整流器 其输出电流正比于输入电压的平均值 图11 12 a 是半波式平均值整流器的原理图 2 应用举例图11 13为JB F1型晶体管毫伏表中整流器的原理电路 显见 它与图11 12 d 整流器电路一样 图11 14是DA 16型晶体管毫伏表整流器的原理电路 与图11 12 d 比 只增设了调零电位器 2 峰值整流器 1 原理输出直流电流正比于输入交流电压峰值的整流器称为峰值整流器 其主要由串联式 并联式和倍压整流式三种类型 原理见图11 15 2 应用举例峰值整流器主要用于整流 放大式电表中 图11 16是它的两种实用电路 图11 16 a 为HFG 1B型高频毫伏表的整流器 是并联式峰值整流电路 图11 16 b 是DA 4型高频毫伏表的整流器 为倍压整流式峰 峰值整流电路 3 有效值整流器和变换器有效值整流器和变换器有二极管平方律整流式 分段逼近整流式 热电偶变换式和模拟运算电路式等四种 三 模拟式电子电压表的电路结构与特点依用途不同 模拟式电子电压表的电路结构分为两种 一种先将被测交流信号整流成直流信号 然后作直流放大 结果由磁电系测量机构指示 见图11 22 a 另一种是先放大被测交流信号 再进行整流 结果由直流微安表头指示 如图11 22 b 四 模拟式电子电压表的刻度特性及波形误差由不同种整流器与磁电系测量机构形成的模拟式电子电压表的刻度特性决定于其整流的响应特性 刻度特性和定度系数 1 平均值表尽管实际中多使用由平均值整流器制成的电压表 但这种表通常按正弦波有效值刻度 2 峰值表峰值电压表也按正弦电压有效值刻度 3 有效值表平均值电压表的示值规律是 平均值相等示值就相等 峰值表则具有 峰值相等示值就一样 的特点 所以用平均值表 峰值表测量非正弦电压且需要得到其有效值时 应先将指示值折算成平均值 峰值 再利用波形因数 波峰因数换算出有效值 表11 2中给出了几种常见典型电压的波形因数 在电工 电子测量领域 用于时域分析的最重要仪器是电子示波器 频域分析的最重要仪器则要数频谱分析仪 频率为f1的正弦电压信号u输入到一非线性电路或系统便会产生失真 亦即它的输出除f1频率分量外 还有其他频率分量 此失真信号如表示到u t f三维坐标系中 则如图11 26 a 所示 若送入示波器 其荧光屏上将呈现如图11 26 b 那样的u t时域波形 而以频谱分析仪测量的话 其显示屏上将呈现u的线状幅度频谱图 见图11 26 c 第三节模拟电子式频谱分析仪 用示波器 频谱分析仪观测同一信号 各自的响应仅反映信号特征的某个侧面 各有其优点与适用范围 例如 对含三次谐波的失真信号 若基波 三次谐波幅度不变 但相位差有改变 则在示波器上就呈现出波形的变化 见图11 27 但上述相位变化在频谱仪上却反映不