电气测量技术第四章

1、电气测量技术第四章第1页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五2第四章电子式电测仪表4.1 概述4.1 概述4.2 原理4.3 应用4.4 注意事项back第2页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五4.1 概述第四章电子式电测仪表对于一个电信号，可以用它的瞬时幅值随时间的变化情况来表示，例如，用各种电子示波器对电信号的波形及表征它的各种参数进行测试的方法，称为时域分析方法。电子示波器又称阴极射线示波器或电子射线示波器，是可观察时域电压信号波形或两时域电压信号间函数关系的快速显示仪器。电子示波器虽然只能测量电压波形，但可以通过变换电路，实现对电流、功率等其他

2、电量的测量，也可以通过传感器，测量机械、物理、医学等各种非电量，还可以用来作为比较仪器的指示仪器，所以示波器有相当广泛的应用范围。 第3页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五44.1 概述第四章电子式电测仪表模拟示波器 第4页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五54.1 概述第四章电子式电测仪表数字存储示波器 第5页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五示波器的类型： 通用型、多束型、记忆存储型、特殊型、智能型、取样型、数字存储型 示波器的基本结构： 示波管（电子枪、偏转板、荧光屏） 电压放大器（带衰减器的X和Y轴放大器） 延迟线 扫描

3、电路（时基发生器） 触发电路 电源4.1 概述第四章电子式电测仪表back第6页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五74.2 原理第四章电子式电测仪表电子示波器是利用被测电压控制示波管中的电子束，通过电子束的偏转反映被测信号的变化。由电子束轰击在荧光屏上而激发出亮光，亮光连成的轨迹就代表了被测信号的波形。第7页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五84.2 原理第四章电子式电测仪表示波管简称CRT，它是一种利用高速电子冲击荧光屏使它发光的显示器件。示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成，整个结构密封在一个喇叭状的抽成真空的玻璃壳中。就其用途而言，它是

4、把电信号变成光信号的转换器。 第8页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五9垂直偏转 电子式电测仪表垂直+水平偏转第四章电子式电测仪表4.2.1 示波管第9页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五10 电子式电测仪表连续扫描扫描电压周期不等于被测信号周期的整数倍时第四章电子式电测仪表4.2.2 扫描方式第10页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五11 电子式电测仪表触发扫描延迟线：将被测信号延迟至扫描电压产生后再送到垂直偏转板上，以保证在屏幕上显示完整的被测信号波形。第四章电子式电测仪表4.2.2 扫描方式第11页，共75页，2022年，

5、5月20日，23点52分，星期五12 电子式电测仪表双踪显示 交替法：用扫描锯齿波信号控制S1、S2 断续法：用一个固定频率的方波，让S1、S2自行交替接通第四章电子式电测仪表4.2.3 双踪显示双踪显示的电子开关一般用双束示波管或用单束示波管外加电子开关实现。 第12页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五13 电子式电测仪表双踪显示第四章电子式电测仪表4.2.3 双踪显示 交替法：用扫描锯齿波信号控制S1、S2 断续法：用一个固定频率的方波，让S1、S2自行交替接通第13页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五14多通道显示模式交替 断续第四章电子式电测

6、仪表4.2.3 双踪显示第14页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五15第四章电子式电测仪表4.2.4 其他 放大器作用 灵敏度选择开关(“V/DIV”或“VOLTS/DIV”) 扫描速度控制(“T/DIV”或“SEC/DIV”) 示波器电源（高压部分和低压两部分 ） 第15页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五16第四章电子式电测仪表4.2.5 性能指标（1）频率响应范围(频带宽度) 频率响应范围是指被测信号在屏幕上显示图像幅度的下降（衰减）小于分贝（dB）的频率区域，即上限频率与下限频率之差。由于示波器的fH fL，所以频率范围可以用fH表征。示波器

7、的频率范围越宽，其应用范围越广。 （2）扫描速度(时基因素) 扫描速度即光点移动的速度，其单位是DIV/s(格/秒)或cm/s。被测信号频率不同时，扫描速度也应不同。扫描速度越高，示波器能够展开高频信号或窄脉冲信号波形的能力越强，相反，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。 第16页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五17第四章电子式电测仪表4.2.5 性能指标（3）输入阻抗 示波器的输入阻抗用输入端测得的直流电阻值Ri和电容Ci的并联电路来等效。Ri越大，Ci越小，输入阻抗越大，示波器对被测信号的影响越小。 （4）偏转灵敏度 偏转灵

8、敏度指荧光屏上偏转单位长度所对应无衰减被测信号峰峰值的大小，体现示波器观测微弱信号的能力。其值越小，偏转灵敏度越高，示波器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。 第17页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五18第四章电子式电测仪表4.2.5 性能指标（5）时域响应指标(瞬态响应) 示波器的电子电路在方波脉冲作用下的响应特性，主要用上升时间tr、下降时间tf 、上冲S0、下冲Sn、预冲Sp、下垂 等参数表示。 标准矩形方波的示波器显示图形第18页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五19第四章电子式电测仪表4.3 示波器的应用电压的测

9、量时间的测量频率的测量两个同频率信号的相位差测量两个不同频率信号的测量X-Y方式的应用电视信号的测量第19页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五20第四章电子式电测仪表4.3.1 电压的测量 测量电压时，把通道灵敏度选择开关（VOCIS/DIV）的微调位置以顺时针方向旋至满度的校准位置，这样可以按“VOLTS/DIV”的指示值直接计算被测信号的电压幅值。 交流电压的测量 第20页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五21第四章电子式电测仪表4.3.1 电压的测量先将Y轴耦合方式开关置“GND”位置，调节Y轴移位使扫描基线在一个合适的位置，再将耦合开关置“D

10、C”位置。直流电压的测量 “VOLTS/DIV”的指示值为0.5则Vp-p=0.53.7=1.85V。 第21页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五22第四章电子式电测仪表4.3.2 时间的测量时间间隔的测量 对某信号的周期或该信号任意两点间时间的测量，可在波形获得稳定同步后，根据该信号周期或需测量的两点间在水平方向的距离乘以扫描速率开关（SEC/DIV）的指示值获得。第22页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五23第四章电子式电测仪表4.3.2 时间的测量上升时间的测量 当需要观察该信号的某一细节（如快跳信号的上升或下降时间）时，可将“SEC/DIV”

11、开关的扩展旋钮拉出，使显示的距离在水平方向得到5倍的扩展，调节X轴位移，使波形处于方便观察的位置，此时测得的时间值应除以5。 第23页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五24第四章电子式电测仪表4.3.3 相位的测量直接测量法第24页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五25第四章电子式电测仪表4.3.3 相位的测量李萨育图形法第25页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五26第四章电子式电测仪表4.3.4 频率的测量对于重复信号的频率测量，可先测出该信号的周期，再根据公式计算出频率。若被测信号的频率较高，即使将“SEC/DIV”开关已调

12、至最快档，屏幕中显示的波形仍然较密，为了提高测量精度，可根据X轴方向10格内显示的周期数用下式计算频率频率测量的另一种方法是李萨育图形法，即在示波器的X轴加可调标准频率信号，在Y轴加被测信号。反复调节标准信号的频率和幅值，使示波器显示稳定的圆形或椭圆形，则标准信号的频率值即为被测信号频率。 第26页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五27第四章电子式电测仪表4.3.5 两个不同频率信号的测量 当需要同时测量两个不同频率信号时，应将垂直方式开关置交替（ALT）位置，并将触发源选择开关通道1（CH1）、通道2（CH2）两个按键同时按入，调节电平可使波形获得同步。 使用该方式工作

13、时，应注意以下两点：1因为该方式仅限于在“垂直方式”为“交替”时使用，因此被测信号的频率不宜太低，否则会出现两个通道的交替闪烁现象；2当其中一个通道无信号输入时，将不能获得稳定同步。 第27页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五28第四章电子式电测仪表4.3.6 X-Y方式的应用 在某些特殊场合，X轴的光迹偏转需由外来信号控制，或需要X轴也作为被测信号的输入通道，如：外接扫描信号，李萨育图形的观察或作为其它设备的显示装置等，都需要用到该方式。 X-Y方式的操作步骤为： 将“SEC/DIV”开关逆时针方向旋至“X-Y”位置，由通道1输入插座（CH1 OR X）端口输入X轴信号

14、，其偏转灵敏度仍然按该通道的“VOLTS/DIV”开关指示值读取，但该方式的X轴灵敏度扩展则是水平扩展5键来控制。 第28页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五29第四章电子式电测仪表4.3.6 X-Y方式的应用李萨育法（椭圆法）测量相位差第29页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五30荧光屏上的光点不能调得太亮，并且不能长时间停留在屏上，以免损坏荧光屏使用示波器应轻轻旋动各旋钮，当旋钮拧不动时不可强拉硬转，否则将损坏仪器4.4 注意事项 第四章电子式电测仪表back实验过程中，光点强度不能太高，短时间不使用时，应将辉度关掉第30页，共75页，2022年

15、，5月20日，23点52分，星期五314.5 取样示波器 第四章电子式电测仪表back一、实时示波器 无论是连续扫描还是触发扫描，都是在被测信号可经历的实际时间内显示信号波形，即测量时间（一个扫描正程）与被测信号的实际持续时间相等。故称实时测量方法，与此相应这种示波器叫“实时示波器”。二、实时示波器的缺点 实时示波器的上限工作频率直接受下列因素的限制1、受到示波管上限工作频率的限制。2、受Y通道放大器带宽的限制。3、受时基电路扫描速度的限制 。（扫速必须与信号速度相当）三、取样示波器 利用取样技术把高频重复信号变成低频离散信号加以非实时显示。第31页，共75页，2022年，5月20日，23点5

16、2分，星期五P(t)t1234512345(a)(b)4.5.1 取样原理 第四章电子式电测仪表back（一）取样广义：对连续波形离散的采集样本，从而用离散信号代替连续波形。取样：利用采样门把连续时间信号变成离散时间信号原理：采用取样技术，把高频、快速的重复信号变换成低频信号， 再通过类似于通用示波器的方法，将变换后的信号显示出来。实时取样：第32页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五334.5.1 取样原理 第四章电子式电测仪表back有信号无信号实时取样的特点是： 取样一个波形所得脉冲列的持续时间(b)等于输入信号实际经历 的时间(a) 。 脉冲 越窄越好 因此实时取样

17、不能解决通用示波器的频带不够的问题第33页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五344.5.1 取样原理 第四章电子式电测仪表back量化取样电压非实时取样：取样电压是由多个波形上取到的；并非实际经历时间非实时取样：第34页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五354.5.2 取样电路 第四章电子式电测仪表back1.取样原理取样保持器的基本原理 第35页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五364.5.2 取样电路 第四章电子式电测仪表back电路反馈取样门取样门脉冲平滑调整延长门脉冲至Y放大器延长门A2=12.闭环取样电路第36页，共7

18、5页，2022年，5月20日，23点52分，星期五374.5.2 取样电路 第四章电子式电测仪表back 取样脉冲与被测信号第一次相遇点是信号的起始点，在 时刻进行第一次取样，第二次取样在 进行。两次可以相隔mT个周期，每一次比前一次延迟 。（m-两个取样脉冲之间被测信号周期数） 取样后的取样电压虽然也是一串脉冲列，但这串脉冲列的持续时间却大大拉长了，两个脉冲之间的时间间隔变为 。由于包络波形所需时间拉长（相对扫速降低），就有可能用一般低频示波器显示。 由于显示一个信号包络所需时间（测量时间）远大于被测信号实际所经历的时间，所以是非实时取样。（二）显示信号的合成过程如何显示离散波形？需给X、Y

19、偏转板加什么样的电压？第37页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五384.5.2 取样电路 第四章电子式电测仪表取样电压合成波形两点间X,Y偏转板都应加阶梯电压：X：电压与时间成正比 Y： 量化阶梯电压 第38页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五394.5.3 取样示波器基本组成 第四章电子式电测仪表取样门延长电路Y放取样门脉冲发生器延长门脉冲发生器触发放大分频快斜波发生器比较器阶梯波发生器X放延迟脉冲abcdefgY通道的作用：把输入信号变成量化取样电压X通道的作用：产生每隔 上升一级的阶梯波及步进延迟脉冲取样密度经脉冲形成电路等效扫速输入第39页，

20、共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五404.5.3 取样示波器基本组成 第四章电子式电测仪表23二者比较产生( e)1()g分频取样门脉冲量化取样电压第40页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五414.5.3 取样示波器 第四章电子式电测仪表back取样脉冲周期取样次数所需取样时间第41页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五424.5.4 取样示波器的主要参数 第四章电子式电测仪表back取样示波器的几个主要参数（一）取样示波器的带宽： 数十GHz 频率限制主要在取样门，fh与采样脉冲宽度成反比。 (二) 取样密度-屏上水平轴上单位长度

21、内所包含的取样点数目。 用每cm的光点数表示（三）等效扫速 等效于被测信号经过了 时间与水平方向展宽的距离L之比。第42页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五取样示波器是非实时取样取样示波器的X轴具有双重任务， 产生扫描阶梯电压； 控制Y通道产生量化电压扫描信号是阶梯式变化的（非线性）。只能测量重复频率较高的信号。 434.5.4 取样示波器第四章电子式电测仪表back取样示波器与通用示波器的主要差别：第43页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五 波形显示示波器类别简单重复信号复杂动态重复信号定时测量非重复单次信号触发功能预触发示波器带宽数据处理稳定信号

22、变化信号异常信息缓变信号随机毛刺快沿信号模拟示波器CRT显示技术好好差差差差好差不能边沿不能低不能DSO示波器等效采样技术好差差好差好差好差多种能高能DSO示波器实时采样技术好好好好好好差好好多种能高能444.6 数字存储示波器 第四章电子式电测仪表back数字存储示波器与模拟示波器的比较：第44页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五454.6 数字存储示波器 第四章电子式电测仪表back典型数字示波器原理框图 1.数字存储示波器的基本组成第45页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五464.6.1 信号采集技术第四章电子式电测仪表back1.采样方式实时

23、采样：所有采样点是示波器一次触发而获得。第46页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五随机采样 多点随机采样 474.6.1 信号采集技术第四章电子式电测仪表back1.采样方式等效时间采样：随机采样第47页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五484.6.1 信号采集技术第四章电子式电测仪表back1.采样方式等效时间采样：顺序采样 对较低频率信号采用实时采样技术，对较高频率信号采用等效时间采样技术。第48页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五49信号采集技术第四章电子式电测仪表back2.采样速率即数字化速率，通常可用3种方式描述：采

24、样次数，表示成单位时间内采样的次数；采样频率信息率，表示为单位时间存储多少位(bit)的数据。采样速率受存储容量(记录长度)的限制，为防止采样存储器的溢出，在不同的扫描速率时，要求采样速率具有对应关系第49页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五50信号采集技术第四章电子式电测仪表back3.采样器件两路组合采样原理 并联比较式A/D转换器 多个A/D交叉复用，以成倍提高采样速率第50页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五51信号采集技术第四章电子式电测仪表back3.采样器件 CCDA/D技术 CCDA/D组合采集原理 先高速模拟存储，再进行慢速A/D数

25、字化处理 第51页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五52信号采集技术第四章电子式电测仪表back4.采样存储器采样存储器的环形结构各存储单元按串行方式依次寻址，且首尾相接，每次采样的数据按顺序依次存储。第52页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五53信号采集技术第四章电子式电测仪表back5.触发方式State1：无信号输入（可见水平线）；State2：一通道输入方波，仪器未触发，观察到晃动的波形；State3：“按下快门” （选择上升沿触发，将触发电平调整到波形内） ，将仪器触发；State4：信号稳定显示，获取稳定的图像，并可以保存。正确理解触发的

26、概念第53页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五54信号采集技术第四章电子式电测仪表back5.触发方式数字示波器的触发可看作是从存储器中选取信号的一个标志。延迟触发第54页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五55信号采集技术第四章电子式电测仪表back5.触发方式边沿触发触发原理：在输入信号边沿的触发阈值上触发触发信号触发电平触发灵敏度输出差分对第55页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五56信号采集技术第四章电子式电测仪表back5.触发方式脉宽触发触发原理：根据脉冲的宽度来确定触发时刻触发信号触发电平触发灵敏度输出差分对输出差分

27、信号计数脉冲（10ns）20ns触发信号第56页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五57信号采集技术第四章电子式电测仪表back5.触发方式脉宽触发适合信号：方波、脉冲信号等 边沿触发 脉宽触发第57页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五58信号采集技术第四章电子式电测仪表back5.触发方式斜率触发触发原理：依据信号的上升/下降时间来判断触发信号触发电平1触发灵敏度输出差分对输出差分信号计数脉冲（10ns）70ns触发信号触发电平2第58页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五59信号采集技术第四章电子式电测仪表back5.触发方式斜

28、率触发适合信号：三角波、锯齿波等 边沿触发 斜率触发第59页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五60信号采集技术第四章电子式电测仪表back5.触发方式码型触发适合信号：数字信号第60页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五61信号采集技术第四章电子式电测仪表back5.触发方式耦合耦合可以分为通道耦合和触发耦合。通道耦合包括直流、交流。触发耦合包括直流、交流、高频抑制、低频抑制。第61页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五62信号采集技术第四章电子式电测仪表back5.触发方式耦合交流耦合是只通过信号交流成分，阻止直流成分相当于高通滤

29、波。当信号包括直流和交流成分时，而实际只关心交流成分时，就选择交流耦合。直流耦合则是通过信号的全部成分。当观察直流信号或者低频信号时，必须选择直流耦合。信号包括直流和交流低频信号交流耦合第62页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五63信号采集技术第四章电子式电测仪表back5.触发方式耦合高频抑制和低频抑制应用于触发中，主要目的是为了使触发能够稳定。高频抑制是抑制150KHz以上的频率信号，当信号中包含高频噪声使触发不稳定时，可以使用高频抑制。低频抑制是抑制8KHz以下信号。第63页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五64波形显示技术第四章电子式电测仪表

30、back1.点显示方式视觉混淆示意图 第64页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五65波形显示技术第四章电子式电测仪表back2.数据点插入技术用数据点插入技术可以解决视觉错误问题，主要有两种插入方法，即线性插入和曲线插入。 第65页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五66控制系统第四章电子式电测仪表back 数字存储示波器的控制系统需要完成数据采集、数据处理、显示、人机控制等功能，用一个微处理器很难及时完成这些任务，因此现代数字存储示波器出现多CPU系统。 通常一个CPU为主CPU，具有相应的存储器(ROM、RAM )、输入输出接口(I/O )和外设(

31、键盘、显示器等)，执行管理整个仪器的软件；其余CPU为从CPU，在主CPU管理下完成一部分工作，如数据采集CPU、数据处理CPU、通信管理CPU等。第66页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五67性能指标第四章电子式电测仪表back(1) 最高采样速率(2) 存储带宽BW(a) 重复带宽 (等效带宽)(b) 单次带宽 (有效存储带宽)N每格的采样点数；t/DIV扫描速率fsmax最高采样速率；k每周期采样点数即单位时间内采样次数，也称数字化速率，用每秒完成的A/D转换的最高次数来衡量。实时采样速率第67页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五68性能指标第

32、四章电子式电测仪表back(3) 分辨率分辨率指示波器能分辨的最小电压增量，即量化的最小单元。 垂直分辨率：电压分辨率，与A/D转换器的分辨率相对应，以每格的分级数或百分数表示； 水平分辨率：时间分辨率，由采样速率和存储器容量决定，以屏幕每格含多少点或用百分数表示。第68页，共75页，2022年，5月20日，23点52分，星期五69性能指标第四章电子式电测仪表back(4) 存储容量存储容量即记录长度，由采样存储器的最大容量表示，数字存储示波器常用256、512、1K、4K等容量的高速半导体存储器。(5) 读出速度读出速度指将数据从存储器中读出的速度，常用“时间/DIV”表示，其中，“时间”为屏幕上每格对应的存储容量读脉冲周期。使用中