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1、测试技术(14),王伯雄,第五章 信号的输出,王伯雄,第五章 信号的输出,5.1概述 5.2信号输出的形式及分类 5.3显示和指示类信号输出 5.4记录类信号输出,本章学习重点,信号输出在整个测试系统中的作用； 信号输出的形式及分类； 不同输出（显示及指示）仪器的工作原理及结构。,5.1 概述,信号输出是测试与检测仪器不可缺少的重要系统构成环节。 测试仪器的信号输出技术：将测试与检测结果（包括中间结果）以特定形式提供给特定对象，或为特定对象提供特定接口的技术。 现代测试仪器的信号输出技术已经不再是简单的人机界面，还应该包括仪器与仪器之间、仪器与执行器（控制器）之间的接口技术。,数字量输出的优点

2、（与模拟量输出相比）： 驱动简单； 显示直观； 抗干扰能力强； 传输距离远； 接口标准化； 通用性和兼容性强。 测试仪器大多采用数字信号输出。,5.2 信号输出的形式及分类,根据输出的物理量分类： 械量信号输出、电子量信号输出和光电图视信号输出。 根据信号输出的性质分类： 模拟输出和数字输出。 根据输出信号的频率分类： 低频信号输出和高频信号输出。 根据输出信号应用角度分类： 指示和显示类、记录类和通信接口和驱动类。,对于大多数测试与检测仪器来说，最重要也是最常用的信号输出技术是显示和指示类输出技术以及记录类输出技术，因此是本章介绍的主要内容。,5.3 显示和指示类信号输出,一、模拟指示 二、

3、数码显示 （一）LED数码显示 （二）LCD数码显示 三、图示显示 （一）CRT(Cathode-Ray Tube)图视显示 （二）LCD图视显示 （三）图视显示技术的应用 （四）图视显示新技术介绍,一、模拟指示,早期的测试检测仪器的信号输出多为模拟输出，通过机械表头或电流表表头进行指示。 模拟电信号输出常采用安培计和伏特计进行指示(图5.1)。,图5.1 电流计工作原理,原理： 当电流I通过线圈时，线圈在磁场中受到磁力矩的作用而转动。无论线圈转到什么位置，线圈平面的法线方向总是和线圈所在处的磁场方向垂直，因此，线圈所受磁力矩M的大小是不变的，即 M=NBIS(5.1) 当线圈转动时，卷紧的游

4、丝给线圈一个反方向的扭转力矩M。 M =k(5.2) 当线圈受到的磁力矩和游丝给线圈的扭转力矩相互平衡时，线圈就稳定在这个位置，此时 NBIS=k （5.3）,从而 K是恒量，通常称为电流计常量，表示电流计偏转单位角度时所需通过的电流。 K值越小，电流计越灵敏。因此，线圈偏转的角度与通过线圈的电流I成正比。,(5.4),电流计在测试与检测仪器信号输出中的应用： 电压指示：,仪器的输出电压与电流计指针偏转角度的关系为,(5.5),电流指示：,测试仪器的输出电流Is与电流计指针偏转的角度的关系为,（5.7）,用电流计指示短促的电流脉冲信号大小 假使在通电的极短时间t内，电流计的线圈(连同其它可转动

5、的部件)将受到一个冲量矩G的作用 q就是这脉冲电流通过时的总电荷量。由于这个冲量矩的作用时间t极短，在t时间内，可认为线圈的位置没有显著变动而仅是线圈很快地从静止变为以角速度起动。按角动量原理，应有 式中J是线圈（连同其它可转动的部件）的转动惯量。,（5.9）,（5.10）,线圈在最大偏转角时的 弹性势能等于线圈起动时的初动能 于是 式中k为游丝的扭转常量。 从最大偏转角可以测定电流脉冲通过时（例如电容器放电时）的电荷量q。,（5.11）,（5.12）,二、数码显示,数码显示常用的显示器： 发光二极管显示器，简称 LED（Light Emitting Diode）； 液晶显示器，简称LCD（L

6、iquid Crystal Display）；荧光管显示器。 测试仪器信号以不同的形式输出，首先需要用不同的转换电路来转换成数字信号，然后通过译码、锁存、驱动电路，被数码显示器显示出来。 不同的数码显示器需要不同的驱动技术。,图5.3 各种测试信号输出与数码显示器的接口原理框图,（一）LED数码显示,图5.4 LED数码显示器件及字段构成原理,LED数码显示器件的分类： 7段（“8”字形）数码管（图a）； “米”字形数码管（图b）； 数码点阵（图c）； 数码条柱（图d）。 各种类型LED的应用范围： “8”字形和“米”字形显示器最为常用，一般用于显示09的数字数码和简单英文字母； 数码点阵显示

7、器不仅可以显示数码，还可以显示英文字母和汉字，以及其它二值图形； 数码条柱显示器比较简单，多用于分辨率要求不高的信号幅度显示。,图5.5 LED显示器结构与工作原理图,（二）LCD数码显示,LCD数码显示器（LIQUID CRYSTAL DISPLAY）是一种功耗极低、驱动电压也极低、集成度高、体积特小的数码显示器。 液晶：一种介于液体与固体之间的热力学的中间稳定相。 液晶的特点： 在一定的温度范围内既有液体的流动性和连续性，又有晶体的各向异性，其分子呈长棒形，长宽之比较大，分子不能弯曲，是一个刚性体，中心一般有一个桥链，分子两头有极性。,LCD的基本结构及显示原理：,图5-8 LCD显示的基

8、本结构和显示原理,液晶显示器的驱动方式多为交流驱动。,图5.9 LCD静态驱动回路及波形图,七段液晶显示器的电极配置和驱动电路：,图5.10 七段LCD显示电路,与LED显示器件一样，LCD也可以构成数码条柱和数码点阵显示器。 从驱动原理上讲，LCD数码条柱显示器的驱动原理与L C D数码管的显示驱动原理相同。,三、图视显示,图视显示是点阵图形显示和视频图象显示的总称。,图5.12 图视显示输出硬件实现框图,（一）CRT(Cathode-Ray Tube)图视显示,CRT技术发展已有100多年的历史； 特点： 显示品质好、性能稳定可靠、寻址方式简单、制造成本低、价格便宜等。 CRT是当前应用最

9、广泛的显示技术： 适合于102cm（40in）以下电视和计算机终端显示； 也可应用于投影大屏幕电视。 CRT显示技术的分类： CRT波形显示器技术； CRT图象显示器技术。,CRT波形显示器技术,图5.13 CRT波形显示器工作原理,图5.14 CRT示波器波形显示原理,CRT示波器的工作原理： 水平偏转电极上加有一个周期和幅度一定的锯齿波电压，形成水平扫描控制电压和扫描的时间基准。如果将待测或待显示信号的电压加到垂直偏转电极上，在屏幕上就可以显示出该待测或待显示信号的随时间变化的波形。 CRT示波器的缺点： 仅仅能显示信号的波形，而很难显示字符文字和图象等信息。,图5.15 CRT示波器原理

10、结构框图,CRT图象显示器技术 CRT图象显示器： 如台式计算机的显示器、数字示波器、数字电视机等。 图象显示器和波形显示器区别： 波形显示器的电子束偏转是靠偏转电极形成的电场对带电粒子形成的库伦力来完成的；而图象显示器的电子束偏转是靠偏转线圈形成的磁场对电子束形成的洛伦兹力来完成的。,对于波形显示器，被显示的信号电压一般加在纵向偏转电极上，同时在横行电极上施加扫描锯齿波电压；对于图象显示器，纵向和横行偏转线圈中均通以特定波形的扫描电流（即：场扫描和行扫描信号），而被显示信息的电压信号加在灰度控制栅极上。,波形显示器一般只有一个电子枪，因此显示的波形是单色的；而图象显示器可以由一个电子枪（单色

11、）或三个电子枪构成，可以显示单色或真彩色图象信息。 波形显示器只能显示信号波形，而图象显示器可以显示包括信号波形在内的任何复杂的图象和文字信息。,图5.16 CRT图象显示工作原理示意图,5.4记录类信号输出,一、硬拷贝记录 二、模拟记录 三、数字记录,一、硬拷贝记录,（一）数字波形记录仪 XY模拟信号波形记录仪： 将两路模拟电压信号分别输入X、Y输入端，XY记录仪就可以自动绘出X-Y信号在直角坐标系下关系曲线。,图5.24 典型的XY记录仪,数字波形记录仪：,图5.25 HP7090A数字波形记录仪内部工作原理框图,（二）打印、绘图记录 打印机和绘图仪： 计算机系统最基本的输出形式，也是测试

12、与检测仪器最常用的硬拷贝记录型输出设备。 优点：接口简单，通过一个标准的并行或串行接口就可以将测试与检测仪器同标准的打印机和绘图仪连接起来，在普通的白纸上输出所有需要记录的测量数据与检测结果。 缺点：输出速度比较慢，而且无法重放测试与检测的实验过程。,打印技术的发展： 过去：利用打印钢针撞击色带和纸打印出点阵组成的字符图形。 现在：利用各种物理的或化学的方法印刷字符和点阵图形，如静电感应，电灼，热敏效应，激光扫描及喷墨等。,图5-26 典型的喷墨打印机工作原理图,二、模拟记录,模拟记录器：不加任何处理地记录测试原始信号与波形，以作进一步的分析和处理。 典型应用：磁带记录器 原理：利用铁磁性材料

13、的磁化来进行记录； 特点： 将被记录信号长期保存，多次重放，以电信号输出； 能变换信号的时基，实现信号的时间压缩或扩展 ； .存储信息密度大，还可作多通道同时记录，可保证信号间的时间和相位关系； 工作频带很宽； 动态范围较大； 存储信息的稳定性高，对环境（如温度、温度变化）不敏感，而且抗干扰能力强。,（一）磁带记录器的结构与工作原理 结构： 放大器：包括记录放大器和重放放大器。 磁头(磁电换能器)： 磁带：记录介质； 磁带驱动和张紧等机构：保证磁带沿着磁头稳速平滑地移动 。,图5.28 磁带记录器原理结构,磁头： 在记录过程中记录磁头将电信号转化为磁带上的磁迹，将信息以磁化形式保存在磁带中；在

14、重放过程中重放磁头将磁带上的磁迹还原为电信号输出。 磁头的分类： 记录磁头； 重放磁头； 消磁磁头。,图5.29 磁头结构示意图 1-结构体 2-激励线圈（感应线圈） 3-工作间隙 4-与磁头制造过程有关的工艺性间隙,工作原理 记录原理 若记录电流是一正弦变化波形I=I0sin2ft ，根据电工学中的分析可知在磁头工作间隙内所产生的磁场强度为 磁路通过磁性敷层形成闭合磁路，磁带被磁化，磁化的程度与所施磁场强度成增函数关系。磁带离开磁头后，所施磁场强度消失，但由于铁磁材料具有的磁滞特性而使磁带上产生一个剩磁感应强度Br,（5.13）,（5.14）,磁带上的剩磁情况反映了信号电流i变化的情况。磁带

15、的磁化是沿着该种敷层磁性材料的磁化曲线进行的。随着磁带的走动在其上就记录下信号电流的变化情况。,图5.30 记录与重放 图5.31 磁化曲线,重放原理 磁带经过重放磁头时，重放磁头的工作间隙将剩磁的表露磁通桥接，与铁芯形成闭合磁路，其内磁通随磁带上的剩磁、也就是随记录信号幅值变化。从而在重放磁头线圈中产生感应电势。根据法拉第电磁感应定律，在线圈中感应的瞬时电势为 重放磁头铁芯中的磁通量r，取决于磁带上的剩磁磁化强度，而这一磁化强度又取决于记录时的信号电流i,（5.15）,（5.16）,如果被记录信号是如上所述的一个正弦波，则 故重放磁头线圈中所产生的感应电势为 重放磁头的感应电势e的大小不仅取

16、决于被记录信号电流幅值，而且还与被记录电流的频率f成正比； 重放磁头的感生电势与原始被记录信号电流在相位上还相差/2； 重放出的信号不能完全忠实于原来被记录的信号。,（5.17）,（5.18）,重放磁头的工作间隙宽度的处理： 记录信号是iI0sin2ft，而走带速度为v时，记录在磁带上的信号波长为 重放时若重放磁头的工作间隙小于这一波长。,（5.19）,重放磁头的工作间隙一般为3m左右。如果此间隙为2.5m，若磁带带速为38cm/s，那么能重放信号的最高频率是75kHZ。所以，工作间隙、磁带记录时的走带速度和能录放的信号等因素间存在着互相制约的关系。,图5.32 工作间隙的选择,消磁原理 消磁

17、方法是给消磁磁头线圈通入高频大电流（100mA以上）。大电流产生的磁场把置于其下的磁带向一方向磁化到饱和状态，然后又同样向相反方向磁化。多次反复，磁带向前移动，磁带上所受交流磁场则依正反方向来回逐步减小，以致到零。所录的信号就全被消去。,（二）记录方式,使用磁带记录器时，应根据被测信号特性和后续仪器的要求来选择记录方式。 磁带记录器的记录方式的分类： 模拟记录方式：直接记录方式、调频记录方式和脉宽调制方式等； 数字记录方式：脉码调制方式。 在现代测试技术中，磁带记录器仅仅用来记录模拟测试信号，不再用来记录数字信号。,三、数字记录,数字记录的设备和媒体的分类： 专用数字记录设备，如波形存储式记录

18、仪，数字存储示波器等； 通用数字记录设备及媒体，如计算机及其外设数字存储媒体：磁带、磁盘、光盘、新型的固态半导体存储盘等。,（一）基于专用设备的数字记录技术,数字存储示波器： 不仅可以观察信号的波形，而可以记录信号的波形。 存储在数字示波器内存中的数字信号，一方面可以以波形的方式通过示波器的CRT或LCD图象显示器显示出来，也可以直接通过RS-232、IEE-488、软盘，甚至Internet网（如Hp公司的Hp5540型数字存储示波器）以数字或图形的方式直接传输给其它设备或通用计算机。,图5.40 数字存储示波器,图5.41 数字存储示波器的工作原理方框图,（二）基于通用设备及媒体的数字记录技术