电子测量技术教案《8》

1、1 1 1 1 1 目录退出下一页上一页最后一页1 章节目录 8.1失真度仪简介 8.2失真度仪的应用 8.3实训 2 2 2 2 2 目录退出下一页上一页最后一页2 第8章 失真度仪 n本章要点 n 基波抑制法 n 失真度仪的基本组成及原理框图 n 失真度仪的应用 3 3 3 3 3 目录退出下一页上一页最后一页3 8.1 失真度仪简介 纯正弦波信号通过电路后，如果该电路中存在非线 性，则输出的信号中除包含原基波分量外，还会含有 其他谐波分量，这就是电路产生的谐波失真，亦称非 线性失真。 谐波失真度最常用的测量方法有多种：是基波抑制法， 大多数的失真度测量仪都是根据这个原理制成的。 4 4

2、4 4 4 目录退出下一页上一页最后一页4 8.1.1 失真度仪的组成及框图原理 1 失真度仪的基本结构 基波抑制法就是将被测信号中基波成分滤除，测量 出所有谐波成分量总的有效值，再确定与被测信号总 有效值相比的百分数即失真度值。 失真度仪的基本结构是输入信号调节电路、基波抑 制电路、转换开关和电子电压表。 5 5 5 5 5 目录退出下一页上一页最后一页5 图8-1失真度仪基本原理框图 8页 6 6 6 6 6 目录退出下一页上一页最后一页6 （1）谐波失真度的定义 信号失真的程度用谐波失真度表示。它的定义是全 部谐波能量与基波能量之比的平方根。对于纯电阻负载， 则定义为全部谐波电压（或电流

3、）有效值与基波电压 （或电流）有效值之比，即： % U UUU D100 1 2 n 2 3 2 2 0 = （8-1） %100 1 2 2 U U n i i 上式中，U1为基波电压有效值；U2，U3，Un为各次 谐波电压有效值；D0也可称为失真系数或失真度。 7 7 7 7 7 目录退出下一页上一页最后一页7 由上式中的基波电压很难单独得到。实际的基波抑 制法测量，是用下式测量失真度的。即： % UUU UUU D100 2 n 2 2 2 1 2 n 2 3 2 2 % U U 100 n 1i 2 i n 2i 2 i = （8-2） 上式表示，失真度D是谐波电压的总有效值与被测信号

4、 总有效值之比。 D0与D之间的关系为： 2 0 1D D D （8-3） 当D0=10%时，D0与D相差约0.5%；D0=20%时相差约 2%。当失真小于10%时可以认为有D0=D。 14页 13页 8 8 8 8 8 目录退出下一页上一页最后一页8 （2）失真度测量的基本原理 如图8-1所示，失真度测量仪是由输入电路、滤波 电路和电压表三个基本部分所组成的。 其中的滤波电路是用来滤除基波分量的。 当S 1时，被测信号总电压的有效值u；当S 2 时，滤除基波分量后的电压有效值u 。因此，测量出u 和u 就是测量信号的失真度。 图中的“校准电位器”起什么作用呢?为了让电压 表的指示为一个确定的

5、值，就是当S 1时让电压表的 指示为1V(即100)，当S 2时，不动电位器，即可 读出失真度。 9 9 9 9 9 目录退出下一页上一页最后一页9 （3）几种常用的失真度测量仪 从表8-1中可以看出，失真度测量仪的主要技术性能， 频率范围和能够测的失真度范围。 表中的失真度测量仪叫“点频失真仪”。 “点频”是指在某一个频率时，输出信号的失真情况。 “立体声失真度测量仪”所选的“点频” 只有 400Hz和lkHz，这是因为人耳对该频率及其附近的频率 较敏感。 1010101010 目录退出下一页上一页最后一页10 型号及名称频率范围失 真 度 范 围 及准确度 备注 SZ-3型失真度仪20Hz

6、 20kHz 0.1%100% 0.01% 有 显 示管 BS-1A型失真度仪 20Hz 200kHz0.1%100% 0.01% 有 显 示管 HG4110型自动点 频失真度仪 50Hz 、1kHz0.1%10%1 0% HG4111型自动点 频失真度仪 315Hz、400kHz、 1kHz 0.1%10%1 0% S-907自动失真度 仪 20Hz 100kHz0.03%30% 0.01% ZN4J12型超低失真 度仪 10Hz 100kHz0.003%30% ZN4111型立体声失 真度仪 400Hz、 1kHz0.1%30%1 0%0.01% ZH4110型立体声失 真度仪 315Hz

7、、1kHz0.1%30%1 0%0.01% DF4120同步失真度 仪 10Hz109kHz见技术参数 1111111111 目录退出下一页上一页最后一页11 3 DF4120A同步失真度仪 （1）DF4120同步失真度仪原理框图 DF4210型同步失真度仪是采用集成电路的仪器。 它具有测试精度高、信号源失真小、操作方便、性能 可靠等特点。 它主要是用来测量音频信号及各种音频设备的非线性 失真，又可作为超低失真音频信号发生器和音频电压 表使用，并能对放大器及各种音频设备进行信噪比和 频率特性的测试。 DF4210同步失真度仪的原理框图如图8-2所示。 1212121212 目录退出下一页上一页

8、最后一页12 图8-2 DF4210同步失真度仪的原理框图。 1313131313 目录退出下一页上一页最后一页13 （2）DF4120同步失真度仪的基本原理 DF4120同步失真度仪的电路如图8-2。 失真度测量原理：在测量失真度时，输入被测信号 经过输入电路至自动电平调整电路，在此稳定输出1V， 并送至桥T型基波抑制器，在这里把测量信号的基波 分量抑制掉，保留所有谐波成分，然后通过表头电路 测其大小，该大小则为被测信号的失真度。 当失真度小于10%时，D0=D， 当失真度大于10%时，应按（8-3）式作修正。下 面介绍各部分电路。 1414141414 目录退出下一页上一页最后一页14 输

9、入电路：一个高输入阻抗的跟随器，以减少对输 入衰减器的影响；输入端接有过压保护电路。 自动电平调整电路 输入被测信号经衰减以后，使其送至自动电平调整 电路的电压约为100 316mV，在该电压范围内，自 动电平调整电路能自动调整可变衰减器中的光敏电阻 值，使电路稳定输出1V，则使(8-2)式分母为1。 1515151515 目录退出下一页上一页最后一页15 桥T型基波抑制器 桥T型基波抑制器由无源桥T型网络、基波抑制运放、 谐波正反馈跟随器、中和电路四个部分组成。 图8-3 无源桥T型网络 1616161616 目录退出下一页上一页最后一页16 图8-3 网络的基波抑制频率f = 当Cl=10

10、C2时， 其基波抑制量约为16dB，二次谐波衰减约为60%，显 然不可能满足失真仪要求。 为了满足失真仪对基波抑制量和谐波衰减的要求， 因此加入一个有源的基波抑制运放和一个谐波正反馈 跟随器。 电容中和电路是用来减少无源桥T型网络输出端分 布电容的影响。 21 2 1 CCR 1717171717 目录退出下一页上一页最后一页17 频率自动调谐控制电路 失真度测量频率粗调，是由失真仪面板的频段开关和 频率数值开关设定完成的。 失真度测量频率微调则是由频率自动调谐控制电路进 行的。 频率自动调谐控制分为相位误差控制和幅度误差控制。 相位误差控制 幅度误差控制 1818181818 目录退出下一页

11、上一页最后一页18 滤波器电路 本仪器有这三个滤波器：400Hz高通滤波器、 30kHz和80kHz低通滤波器。 滤波器主要用来滤除交流电源哼声和高频白噪声， 以保证小失真度测试精度。 1919191919 目录退出下一页上一页最后一页19 表头电路 失真度测量时，来自基波抑制器的失真度电压和 电平测量时来自电压放大器的电压，在表头电路中进 行放大约300倍，然后用均值检波器变成直流推动表 头指示。 均值检波前交流信号同时送至面板上的示波器插 座，可以接示波器观察谐波失真成份。 电路中有一个约4V的限幅电路，同时表头采用毫 伏表，具有较大过载能力，测量中不必为表头短暂打 针而惊慌。 20202

12、02020 目录退出下一页上一页最后一页20 电平判别电路 自动电平调整系统有一个作用范围，超过该范围， 自动电平调整电路就不能稳定输出1V。 为了保证失真度测量正确，用一个电平判别电路来 判断输入电压是否在自动电平调整作用范围内。 输入电压过大，过压的指示灯亮，输入电压过小， 欠压的指示灯亮，在此范围内，二灯均熄灭。 2121212121 目录退出下一页上一页最后一页21 振荡器 如图8-4，振荡频率决定于桥型的滤波网络，式中 取C2=100C1，C1C2由面板频段开关设定，R阻值由 面板频率数值开关设定。 振荡器的输出幅度、起振情况由R1和R2的比值决 定，并由幅度控制电路调整。 幅度控制

13、电路监视振荡器的输出，并与一个参考电 平比较，产生一个误差信号，经积分器后改变场效应 管的等效电阻R0，控制振荡器正反馈强弱。 2222222222 目录退出下一页上一页最后一页22 图8-4振荡器电路简化框图 2323232323 目录退出下一页上一页最后一页23 n8.1.2 失真度仪的误差 1理论误差 理论误差是系统误差，可予以纠正。 2基波抑制度不高引起的误差 谐波电压增加量高于含有基波在内的测量值而引 进的误差。 3电平调节和电压表的指示误差 电压表的指示值校准 电平调节有误差或电压表指示值有误差，都将 影响最后的测量结果。 2424242424 目录退出下一页上一页最后一页24 8

14、.2 失真度仪的应用 n8.2.1 主要技术参数 1失真度测量 （1）测量频率范围：10Hz109kHz分四个频段。 （2）失真度测量范围： 20Hz 20kHz，0.01% 30% 10Hz109kHz，0.03% 30% （3）失真度测量误差： 300Hz5kHz，不大于满度值的7% 0.01% 20Hz 20kHz，不大于满度值的10% 0.015% 10Hz 109kHz，不大于满度值的30% 0.025% 2525252525 目录退出下一页上一页最后一页25 （4）机内引入失真： 300Hz 5kHz，不大于0.015% 20Hz 20kHz，不大于0.025% 10Hz 109k

15、Hz，不大于0.035% （5）输入电压自动调整范围：大于10dB （6）失真度最小可测电压：100 mV 2电压测量 v 400Hz 高通，30kHz低通，在失真度0.03%档 时均接入。 v 在失真度0.03%档，档基波频率大于10kHz，接 入400Hz高通和80kHz低通，当基波频率小于300Hz 时，只接30kHz低通。 2626262626 目录退出下一页上一页最后一页26 （1）电压测量范围：300V 100V分十一个量程 （欲测100V300V电压，另配一个衰减器附件）。 （2）电压测量基本误差：不大于满度值的5% （1kHz） （3）电压频率附加误差： 20Hz 50kHz，

16、不大于0.5dB 5Hz 300kHz，不大于1dB （4）电压噪声底度：不大于50V （5）最大可测信噪比110dB 2727272727 目录退出下一页上一页最后一页27 3失真仪输入阻抗： 100k2%，输入电容不大于100pF 4振荡器 （1）振荡频率：10Hz 109kHz （2）频率示值误差：不大于0.05fo，1Hz （3）非线性失真 300Hz 5kHz，不大于0.005% 20Hz20kHz，不大于0.015% 10Hz109kHz，不大于0.07% （4）最大输出电压：大于3Vrms（开路） （5）最大输出电压频率不均匀性 100Hz 10kHz，少于0. 5 dB 10H

17、z 109kHz，少于1 dB （6）输出阻抗：600 2828282828 目录退出下一页上一页最后一页28 n8.2.2 使用方法 1 DF4120A同步失真度仪面板结构 （1）电源指示灯：指示电源接通与否，灯亮接通，灯 灭电源断。 （2）电源开关：控制电源通断，直键按下接通，抬键 电源断。 （3）测量表头：与测量量程配合，可读出失真度和电 压等大小。 （4）输入量程以l0dB跳步衰减输入信号。 （5）过欠压指示：输入电压过大时，左边指示灯亮， 输入电压过小时，右边指示灯亮。 （6）频段开关：改变失真度测量和振荡器工作频率的 频段。 31页 2929292929 目录退出下一页上一页最后一

18、页29 （7）频率数值开关(一)：改变失真度测量和振荡器工 作频率的前面一位数。 （8）频率调谐指示：当测量信号频率相对失真仪工作 频率过低时，左边指示灯亮，当测量信号频率相对失真 仪工作频率过高时，右边指示灯亮，正确调谐两指示灯 均灭。 （9）频率数值开关(二)：改变失真度测量和振荡器工 作频率的后面一位数。 （10）频率微调：对振荡器频率起微调作用，当其处在 “关”位置时，振荡器频率就由频段开关和频率数值开 关决定，当频率微调旋钮打开后，随着旋钮向右，振荡 器频率逐渐增加。 （11）振荡器输出：振荡器输出电压由此送出。 31页 3030303030 目录退出下一页上一页最后一页30 （15

19、）功能开关：选择失真仪的工作种类。 （16）测量输入：被测信号由此送入。 （17）相对调节功能开关在“相对电平”位时应用， 当需要测量放大器的信噪比或频率特性，而被测信 号表头指示不满度时，可通过调节它使表头指示满 度，便于读出电平的相对值。 （18）滤波器：测量小失真度信号时，根据被测信 号的工作频率接入相应的滤波器，按键则接入，抬 键则断开。 （19）示波器插座：当需要观察被测信号的谐波波 形时，可以从这里接至示波器。 3131313131 目录退出下一页上一页最后一页31 图8-5 DF4120A同步失真度仪面板图 28页 29页 3232323232 目录退出下一页上一页最后一页32

20、2DF44120A同步失真度仪的使用方法 接通电源，予热1015min； 所有量程开关置最左位； 频率微调开关置“关”位和滤波器按健全部抬键。 （1）失真度测量 失真仪的功能开关置“失真度”位； 利用机内信号源。 v 根据工作频率，放置好失真仪的频率波段开关和 频率数值开关，仪器连接如图8-6所示。 图8-6 失真度同步测量连接图 同步失真仪 输入输出输出 被测设备 输入 3333333333 目录退出下一页上一页最后一页33 v 根据被测设备设置振荡器输出衰减器，调整振荡器 输出电平； v 根据被测音频设备输出大小适当放置失真度输入量 程，使过欠压指示灯均熄灭； v 逐步向右转动失真度量程，

21、使表头指示于最便于读 数的位置； v 根据表头读数结合失真度量程就可测得失真度Ki； v 如果振荡器输出信号的非线性失真度为Ci，则被测 音频设备的非线性失真为K K= (8-5) v 为了提高小失真度测量下限及测试精度，根据工作 频率接入相应的高低通滤波器。 2 i 2 i CK 35页 3434343434 目录退出下一页上一页最后一页34 利用机外信号源 v 仪器连接如图8-7所示，(a)是测量音频信号源的失 真度， (b)是测量音频设备的非线性失真。 图8-7失真度异步测量连接图 失真仪 输入输出输入 失真仪 输入 信号源 或 信号源 (a)(b) 被测设备 3535353535 目录

22、退出下一页上一页最后一页35 v 按照要测的工作频率放置好信号源频率开关； v按照被测设备输入大小要求，调节好信号源输出幅度； 改变失真仪输入量程，使过欠压指示灯均熄灭。 v把失真仪工作频率放在信号源工作频率上，如发现频 率调谐指示灯亮及表针指示不能变小，可以适当改变失 真仪或信号源的工作频率，逐步改变失真度量程使表头 指示于最便于读数的位置，结合失真度量程就可测得失 真度。 v在图8-7a线路中，失真仪测得数据就是信号源的失真 度。 v在图8-7b线路中，被测设备的失真度仍要按公式(8-5) 求得。不过在C iK i3情况下，可以认为失真仪测得 的失真度K ，就是被测设备产生的失真度。 36

23、36363636 目录退出下一页上一页最后一页36 为了提高小失真度测量下限及测试精度，根据工作 频率接入相应的滤波器。注意： 在失真度测量时，有时可能表头指针不往下降，可 以改变一下频段开关，然后再打回原测量频段，就可消 除不调谐现象。 失真度量程置检查档时，表头指针下降较慢，为了 使它下降快一些，可以置于30%以下更灵敏的量程，当 然这会出现打表针现象，但不会损坏表头。 （2）电压测量 功能开关置“输入电平”，滤波器全部的抬键。 将被测信号接至失真仪测量输入端，改变失真仪输 入量程，使表头指示最便于读数的位置，结合输入量程 和表头指示值就可读出被测电压的大小。 （3）信噪比测量 功能开关置

24、“相对电平”位，仪器连接如图8-8所示。 3737373737 目录退出下一页上一页最后一页37 输 出输 入 失 真 仪 输 入 被 测 设 备 输 出 标 准 电 压 表 图8-8 信噪比测量连接图 3838383838 目录退出下一页上一页最后一页38 根据工作频率，放置好振荡器的频段开关和频率数 值开关； 根据被测设备输入大小要求设置振荡器输出衰减器， 调整振荡器输出电平； 根据被测音频设备输出大小适当放置失真仪输入量 程，使表头指针不要超过满度。 例如测量频率1kHz，放大器输出lV3V时的信噪比， 即失真仪输入量程(设dB数为b1)置“3V(10dB)”， 把被测放大器输出信号送入

25、失真仪测量输入端，调整 相对调节旋钮，使表头指针满度， 然后断开失真仪振荡器输出，使被测放大器输入短 路，保持“相对调节”旋钮位置不变，改变失真仪输 入量程(设dB数为b2)，使表头指示于最便于读数位置， 读出表头指示dB数(设为a)， 测得的信噪比为(b1-b2a)。 3939393939 目录退出下一页上一页最后一页39 （4）放大器频率特性测量 功能开关“相对电平”位，仪器连接如图8-9所示。 把失真仪振荡器频率置“lkHz”，根据被测设备的输 入大小要求设置振荡器输出衰减，频响特别好的标准 电压置相应量程，调整振荡器输出电平，使标准表满 度。 被测设备输出送至失真仪测量输入端，改变失真

26、仪 输入量程，调整相对调节旋钮，使失真仪表头指示满 度。 改变失真仪振荡器工作频率，调整振荡器输出电平， 仍使标准表满度，保持失真仪“相对调节”旋钮不动， 读出失真仪的表头指示的dB数，它的大小反映了被测 设备的频率特性； dB数的绝对值小频率特性好，反之则差。 4040404040 目录退出下一页上一页最后一页40 图8-9 频率特性测量连接图 4141414141 目录退出下一页上一页最后一页41 （5）用“振荡器”作信号源 DF4120A型同步失真仪也可作为音频信号源使 用。 仅作音频信号源使用时，可把功能开关置“振 荡电平”，这时从表头读数结合失真仪输入量程(或 振荡器输出衰减量程)就

27、可直接知道振荡器输出电压 大小。 要转换振荡器工作频率，可改变频率波段开关 和频率数值开关，以及频率微调旋钮。 要改变振荡器输出大小，只要改变振荡器输出 衰减量程，调整振荡器输出电平即可。 4242424242 目录退出下一页上一页最后一页42 n8.2.3 应用举例 BS3型失真度仪主要用途是测量音频信号的失真 度，最少失真度可测至0.03。此外，还可测量交流 电压和噪声。仪器还附有音频信号源，可独立输出点 频信号。主要技术特性如下： （1）失真度测量： 频率范围(基波)20Hz20kHz共分三档； 失真度测量范围 1100(满刻度)共分五档； 输入信号幅度范围300mV300V(有效值)；

28、 频率刻度准确度10； 失真度准确度l0(满刻度)0.05； 干扰噪音优于0.25mV。 4343434343 目录退出下一页上一页最后一页43 （2）电压测量： 电压范围 10mV300V共分五档。 频率范围20Hz200kHz优于0.5分贝。 输入阻抗：1M左右。 电压表准确度：3。干扰噪音优于0.05mV。 （3）点频信号源： 点频频率：20Hz、100Hz、400Hz、1kHz、 20kHz、100kHz、200kHz。 （4）输出幅度：03V以上，连续可调。 （5）仪器电源：仪器使用220V、50Hz市电，消耗 功率6W。 4444444444 目录退出下一页上一页最后一页44 1电

29、压测量 （1）接通电源之前，将工作开关置于“电压”位置， 分压器开关置于1V位置，衰减器开关应按待测信号 电压范围，选好量程，当待测信号电压大小不明时， 应把它置于300V位置。 （2）接通电源，指示灯亮，待表针稳定35min后 即可测试。 （3）将待测信号接入输入端，改变衰减器开关K1， 使电压表指至明显位置，直至lV。若指示仍很小(则 待测信号电压远小于lV)。则应继续改变分压器开关 K2位置，直至电压表指针指至明显读数时为止(超过 满刻度的1/3)。 （4）依据衰减器开关位置及分压器开关位置，从电 压表上直接读出待测信号电压的有效值。 （5）测试完毕后，应把各开关恢复至第一项位置， K1

30、置于300V位置。 4545454545 目录退出下一页上一页最后一页45 2失真度测量 （1）在接通电源之前，将分压器开关置于100(1V) 位置，工作开关置于“电压”位置。 （2）接通电源，将待测信号接至输入端，控制衰减 器旋钮，使待测信号电压指示为300mV1V。 （3）将工作选择开关置于“校准”位置，调整校准 电位器使电压表指示在满刻度位置。 （4）将工作选择开关置于“失真度”位置，改变频 率开关到相应于待测信号频率的波段，然后反复调节 “调谐”、“微调”、“相位”等旋钮，使电压表获 得最小指示为止(相应的改变分压器位置)，此时，根 据分压器位置从电压表指示上直接读出失真度的百分 数。

31、 （5）测试完毕；将分压器开关恢复到“10”位置， 将工作选择开关置于“校准”位置，电压表仍应指示 满刻度，若指示改变，则应重新按(3)，(4)两项进行 测试。 4646464646 目录退出下一页上一页最后一页46 3点频信号源 （1）仪器接通电源3-5min之后，信号源便进行工作。 （2）若需本仪器电压表作指示时，应把衰减器开关置 于“10V”位置，分压器开关置于“1V”位置，然后拨动 工作选择开关置于“音频”位置，此时电压表便有点频 输出指示。 （3）拨动“音频频率”开关至所需要的频率。控制衰 减器、分压器开关和输出调节旋钮，直到获得所需要的 信号电压的大小(并在表上有明显指示)。 （4）由仪器附有的电缆插头，引出输出信号。 （5）如果不需要本仪器的电压表作指示时，只需按上 述1、3、4项进行即可，但应首先把输出调节置于最小 位置，然后慢慢增加至所需的信号幅度。在进行失真度 或电压测量时，信号源可以同时独立作为信号使用。 4747474747 目录退出下一页上一页最后一页47 8.3 实训 测量音频信号幅度 （1）实训目的 v 能正确测量音频信号电压， v 能正确熟练用失真度仪。 （2）