Chapter-4-10-数字化测量技术之常用仪器--140605

,4.1概述4.2数模转换器4.3模数转换器4.4频率、周期的数字化测量4.5相位的数字化测量4.6电压的数字化测量4.7电阻、电容的数字化测量4.8电功率的数字化测量4.9数字电压表的误差及抗干扰措施4.10常用仪器4.11微机化仪器,Chapter4,数字化测量技术,1.信号发生器,一、信号发生器的用途,在研制、生产、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，常需要一种信号协助其他测量仪器观察、测量被测对象，以分析确定它们的性能参数，如下图所示。这种提供测试电信号的装置，统称为信号发生器。,信号发生器可提供不同频率；不同幅度、及不同波形信号。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。除了在电子技术尤其是电子测量方面的应用外，信号发生器在其他领域也有广泛应用，例如机械部门的超声波探伤，医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。,4.10常用仪器,二、信号发生器分类,(1)按频率范围分类,(2)按信号发生器的性能分类按信号发生器的性能指标，可分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器：后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。,(3)按输出波形分类根据使用要求，信号发生器可以输出不同波形的信号。按照信号发生器输出信号的波形特性，可分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦信号发生器又可包括：脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列传号发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。,三、信号发生器的主要性能指标,对于通用的测量信号发生器最基本的要求是：产生一个具有指定波形的振荡信号，波形的参数已知；波形失真应足够小。信号的频率应在其有效范围内可调(步进或连续可调)，信号的振幅应在其有效范围内可调(步进或连续可调)。有合适的输出阻抗，高频信号发生器通常为50，低频信号发生器一般为600。信号发生器的技术指标主要包括频率特性、输出特性和调制特性等。下面结合正弦信号发生器，介绍它的主要技术指标。,1.频率特性频率范围：信号发生器产生的信号频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖。频率准确度：信号发生器显示数值与实际输出信号频率间之差，常用相对误差表示。频率稳定度：指其他外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发地器输出频率相对于预调值变化的大小。按照国家标准，频率稳定度又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。频率短期稳定度为信号发生器经规定预热时间后，信号频率在任意15分钟内所发生的最大变化。频率长期稳定度为信号发生器经规定须热时间后信号频率在任意3小时内所发生的最大变化。稳定性指标分为稳定度和影响量。在规定的时间间隔内的频率漂移即稳定度；由温度电源、负载变化等外界因素造成的频率漂移(或变动)即为影响量。(1)温度引起的变动量(2)电源变化引起的频率变动量(3)负载变化引起的频率变动量使用者通常主要关心输出幅度随频率变化的情况。像用静态“点频法”测量放大器的幅频特性时就如此。,2.输出特性-信号发生器的输出特性包括它的输出阻抗、输出电平、波形等。(1)输出阻抗：会因类型不同而异。低频信号源的电压输出端输出阻抗一般为600(或lk)，功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50/75/150/600/5k等档。高频信号发生器输出阻抗一般仅有50或75挡。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。(2)电平特性：指输出幅度的有效范围、准确度、稳定度及平坦度。输出电平：输出信号幅度有效范围。即产品规定的最大输出电压和最大输出功率及其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。幅度稳定度：指信号源经预热后，在规定时间内输出信号幅度对预调幅度值的相对变化量。平坦度：分别指温度、电源、频率等引起的输出幅度变动量。(3)波形持性：指输出波形的种类及其参数。信号源一般可输出正弦、脉冲、方波、三角波、锯齿波、阶梯波，甚至任意波形。正弦信号发生器应输出单一频率正弦信号，但由于非线性失真、噪声等原因，其输出信号中都含有谐波等其他成分，即信号的频谱不纯。要求信号发生器具有一定的频谱纯度，常用失真度来表示信号的频谱纯度。一般信号源的失真度应1。例：XD-2型低频信号发生器输出电压的失真度0.1。,3.调制特性-高频信号发生器一般还具有输出一种或多种调制信号的能力，通常为调幅和调频。调制持性包括调制的种类、频率、调幅系数或最大频偏以及调制线性等。例如，高频信号发生器中振幅调制的调制信号频率一般固定为400Hz或1000Hz。而现代信号发生器往往同时具有调频、调幅、调相、脉冲调制等多种调制功能。对于更高要求的测量，例如，标准信号发生器，除了上述基本要求外，还要在频率的范围、幅度的大小、稳定性、读出精度、以及调制性能、波形失真相输出泄漏等方面提出更高的要求。,四.信号发生器工作原理,A.低频信号发生器,主振器产生的低频正弦信号，经连续衰减器Rp调节后，可以由电压放大器放大及输出衰减器衰减后输出。但这个输出信号的负载能力很弱，只能供给电压，故称为电压输出。该信号经功率放大后，能够输出较大的功率，故称之为功率输出。在电路上可对输出功率进行步进调节。阻抗变换器用来匹配不同的负载阻抗以获得最大的功率输出。,B高频信号发生器,主振级：LC三点式振荡电路产生具有一定工作频率范围的正弦信号，信号发生器频率的准确度、稳定度、频谱纯度主要由它确定。此外，输出电平及其稳定度和调频工作性能，主要也由主振级决定。要求主振级频率范围宽,有较高的准确度(优于10-3)和稳定度(优于10-6)。主振级电路结构简单,输出功率不大,一般在几mW-几十mW的范围,缓冲级：用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作的稳定。在某些频率较高的信号发生器中,还可用倍频器/分频器或混频器使主振级输出频率范围更宽广。,调制级：完成幅度调制和放大后输出,并保证一定的输出电平调节和输出阻抗。内调制振荡器：输出符合调制级要求的音频正弦调制信号。可变电抗器：在内调制信号控制下改变主振级的谐振回路电抗，产生调频信号。输出级：控制输出电压的幅度。对输出级的主要要求有:输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良好的频率特性在输出端有准确且固定的电阻。输出级由放大器、滤波器、输出微调(连续衰减电路)、输出倍乘(步进衰减电路)等组成。监测器：用来监测输出信号的载波电平和调制系数。电源：供给各部分所需的直流电压。,C函数信号发生器,函数信号发生器，它是一种宽带频率可调的多波形发生器。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。现代函数信号发生器一般具有调制的功能和VCO。是一种不可缺少的通用信号源，可以用于生产测试、仪器维修和实验室。应用领域十分广泛。,函数信号发生器的构成方式很多，根据主振器的性质和特点，我们将函数信号发生器的构成方式分为三种类型：正弦式、脉冲式和合成式。下面简要介绍前二种的基本原理。,正弦式函数信号发生器组成,脉冲式函数信号发生器组成,设：相位累加器有N位，步进值为x，作累加1时，x=2N，即要步进2N次；作2累加时，x=2N/2，作n累加时，x=2N/n。,最低输出频率：,最高输出频率：,输出频率分辨率：,数字直接频率合成基本原理,D数字直接合成信号源,数字直接频率合成的实现方法,AD9850原理框图,数字直接频率合成的方法多样，可采用FPGA、DSP及其他智能芯片编程实现DDS，再经D/A转换与低通滤波完成输出；也可采用专用芯片。,AD9852原理框图,例：AD9852控制原理图,五、信号源的使用,信号源使用注意事项信号电压源不能短路，信号电流源不能开路注意信号源阻抗匹配注意信号源经衰减器输出微小信号时，外部信号隔离,阅读使用说明书使用了解信号源的功能及指标熟悉信号源的面板控件了解信号源的使用及操作方法,一、模拟示波器显示波形的原理,示波管结构：示波管组成包括三部分：电子枪，偏转系统和荧光屏显示。整个密封在玻璃壳内，成为大型的电真空器件。,G1,K,G2,A1,A2,A3,y2,x2,F,2.示波器,-示波器是检测目标对象幅度变化-时间特性的工具。,模似双踪示波器电路基本结构方框图,二、双踪示波器工作原理,电子开关,模似双踪示波器电路基本结构方框图,双踪示波器工作原理,电子开关,二数字存储示波器,基本组成,主要技术指标,(1)最高取样速率fs(次数秒)最高取样速率由AD变换器的速率决定。采用不同类型的AD变换器，其最高取样速率也不同。扫描时间tdiv与取样速率关系如下：,(2)存储容量又称存储长度，通常定义为获取波形的取样点的数目，用直接存放AD变换后获取数据的存储单元数来表示。,(3)分辨力在数字存储示波器中，屏幕上的点不是连续的，面是量化的。分辨力是指量化的最小单元可用2n或百分比来表示。分辨力也可定义为示波器所能分辨的最小电压增量。,(4)数字存储示波器的准确度(5)扫描时间因数(6)存储带宽,数字存储示波器的功能特点,(1)测量放大电路的放大倍数(2)观测波形失真,(3)观测放大器的输出动态范围,示波器使用,晶体管特性图示仪,3扫频仪,一、扫频法的原理,扫频法的工作原理,二、扫频仪指标,(1)扫频时间频率从一个规定值变化到另一个规定值的时间间隔，这两个规定值是扫频宽度的两个极限值。(2)扫频宽度：扫频所覆盖的频率范围内的最高频率与最低频率之差。(3)中心频率位于显示频谱宽度中心的频率。(4)扫频模式全扫频：扫频仪扫描一个规定的完整频段。窄扫频：扫频仪扫描一个规定的部分频段。(5)频偏(正弦波调制)指在调频波中的瞬时频率与中心频率之间的差值。(6)灵敏度指偏转灵敏度。在有效显示屏幕内显示信号大小的额定因数，以V/div或V/cm为单位。(7)调制非线性指在屏幕有效显示平面内产生的频率线性误差。描述扫描信号频率分布不均匀程度。,三、扫频仪种类,(1)按组成形式划分有显示器的，如：BT一3C型扫频仪；BT一32型自动跟踪扫频仪等。无显示器的，如：QHU50型可程控扫频信号发生器；W130l型全固态功率信号发生器等。(2)按用途划分通用扫频仪；专用扫颠仪；宽带扫频仪；阻抗图示仪；微波综合测量仪。(3)按频率划分低频扫频仪；高频扫频仪：电视扫频仪等。,四、扫频仪的应用举例,电路幅频特性的测量增益的测量带宽的测量电路Q值的测量,4信号的频谱分析方法,一、频谱分析仪的原理,(1)多通道滤波式,(2)扫频滤波式,(3)扫频外差式,(5)快速傅里叶变换(FFT)式,二、频谱分析仪组成实例,(1)音频频谱仪,VDC,记录仪x轴驱动,送记录仪y轴驱动,（2）多次变频式频普仪,(1)扫频宽度(分析普宽)频谱仪在一次分析过程中所显示的频率范围称为扫频宽度。为了观察被测信号频谱的全貌，要求扫频宽度较宽。频谱仪的扫频宽度是可调的，每厘米对应的扫频宽度称为频宽因数。完成一次频谱分析所需的时间称为分析时间，扫频宽度与分析时间之比称为扫频速度。(2)频率分辨力频谱仪能区分的最小谱线间隔称为频率分辨力。它表征辨别两个很接近的频率分量的能力。(3)灵敏度灵敏度表征频谱仪测量微小信号的能力。显示幅度为满度时的输入信号的电平值，称为仪器的灵敏度。在使用时要选择合适的灵敏度及扫频速度，以保证有较好的分辨力。(4)中心频率误差(5)剩余调频由频谱仪本振的不稳定性所引起的显示频率的短期不稳定性或晃动频率偏移来决定。以赫兹或以显示频率的百分数来表示。,三、频谱分析仪的主要工作特性,(1)对信号参数进行测量由上述频谱仪的工作原理可知，用频谱仪可以测量信号本身(即基波)及各次谐波的频率，以及各频率分量之间的间隔。直接显示各次谐波的幅值，用以判断失真的性质及大小。可以用做选频电压表，如测量工频干扰的大小。根据谱线的抖动情况可以测量信号频率的稳定度。(2)用于信号仿真测量对于声音信号来说，通常说的“音色”是指频谱而言的，音色如何是由其谐波成分决定的。各种乐器或歌唱家的音色可用频谱来鉴别。由电子电路制作的电子琴是典型的乐器仿真，通过频谱仪对各种乐器的频谱进行精确的测量。在电子琴的制作和调试过程