现代电子测量技术.ppt

1、现代电子测量,课程目的,1、通过本课程的学习，使学生掌握电子测量中的 基本理论、测量技术,2、掌握常用电子仪器与智能仪器的原理与应用,3、合理选用测量仪器，正确处理测量数据，开发智 能仪器，进行自动测试等，为后续课题研究准备理 论基础,课时安排,总课时：40学时,课堂教学 22学时,实验 16学时,考试 2学时,选用教材,现代电子测量 中国铁道出版社 王紫婷 2008 电子测量与仪器 电子工业出版社 陈尚松 2005,第一章 绪论,主 要 内 容,1.1.1、测量与测量的定义 1.1.2、电子测量的内容 1.1.3、电子测量的特点 1.1.4、电子测量的方法,1.1 测量技术基础,1.1.1

2、测量及电子测量定义,测量是为确定被测对象的量值而进行的 实验过程。,测量是通过实验的方法对客观事物取得定量信息即数量概念的过程。,1、 测量的定义：,没有测量就没有科学,电子测量的定义,测量技术是一门重要的科学技术 在信息时代,测量技术(获取信息)、通信技术（传递信息）和计算机技术（处理信息）称为信息社会的三大支柱,电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。它是测量学和电子学相互结合的产物。,电子测量除具体运用电子科学的原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特征和参数进行测量外，还可以通过各种敏感器件和传感装置对非电量进行测量。 电子测量不仅用于电学各专业，也广泛用于物理学、

3、化学、光学、机械学、材料学、生物学、医学等科学领域及生产、国防、交通、通讯、商业贸易、生态环境保护及日常生活的各个方面。,1.1.2 电子测量内容：,1、电能量测量 包括各种频率、各种波形下的电压、电流、功率等的测量。 2、电信号特性测量 包括波形、频率、周期、相位、失真度、调幅度、调频指数及数字通信的逻辑状态等的测量。 3、电路元件参数测量 包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因素及电子器件的参数等的测量。 4、电子设备的性能测量 包括增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等的测量。,1.1.2 电子测量的内容,1、测量频率范围极宽 频率计其测量范围可为：10-6 1011 Hz 2、测量量程宽

4、 电子计数式频率计，其量程达1 1017。 3、测量方便灵活 易实现分频、倍频、V/T、V/F、A/D,差之毫厘，失之千里,1.1.3 电子测量的特点,4、测量速度快,5、可进行遥控 易实现信号的传输和处理，如遥控遥测 和长期不间断的测量,6、易于实现测试智能和测试自动化,如：个人仪器,例如：导弹的 发射过程,7、影响因素众多，误差处理复杂,主 要 内 容,1.4.1 按测量手段分类 1.4.2 按测量方式分类 1.4.3 按被测量物理量时间特性分类 1.4.4 测量方法的选择原则,1.1.4电子测量的方法,1、直接测量：是指直接从测量仪表的读数获取被测量量值的方法。,2、间接测量：是利用直接

5、测量的量与被测量之间的函数关系（可以是公式、曲线或表格等），间接得到被测量量值的测量方法。,如：用欧姆表测量电阻阻值、用计数式频率计测量频率等,如：需要测量电阻R上消耗的直流功耗P，可通过直接测量电压U、电流I，然后根据函数关系P=UI，经过计算，间接获得功耗P。,1.4.1 按测量手段分类,3、组合测量： 当某个测量结果需用多个未知参数表达时，可通过改变测量条件进行多次测量，根据测量量与未知参数间的函数关系列出方程组求解，进而得到未知量。,例1.2：一个典型的例子是电阻器电阻温度系数的测量。已知测量电阻器阻值Rt与温度t间满足：Rt=R20+(t+20)+(t-20)2 式中R20为t=20

6、时的电阻值，一般为已知量。 、称为电阻的温度系数，t为环境温度。,为了、获得值，可以在两个不同的温度t1、 t2 (t1、 t2可由温度计直接测得)下测得两个相应的电阻值Rt1 、 Rt2 ，代入公式得到联立方程,求解联立方程即可得到、值。,1、直读法：在测量过程中，用仪器表指针的位移（偏差）来表示被测量的大小。 如用万用表测量电压、电流等。,2、比较法：测量时用被测量与标准量相比较，用指零仪表指示被测量与标准量相等（平衡），从而获得被测量。 利用惠斯登电桥测量电阻（或电容、电感）是这种方法的一个典型例子。,1.4.2 按测量方式分类,例1.3：惠斯登电桥测量电阻示意图,当电桥平衡时，可以得到

7、：Rx=R1/R2.R4 通常是先大致调整比率R1/R2，再调整标准电阻R4，直至电桥平衡，充当零示器的检流计PA指示为零，此即可根据公式由比率和的值得到被测电阻的值。,3、微差式测量法：它通过测量待测量与标准量之差（通常该差值很小）来得到待测量量值。,1.2电子测量仪器概述,1.2.1电子测量仪器的功能 1.2.2电子测量仪器的分类 1.2.3电子仪器的测量指标 现代电子测量技术向着自动化、智能化、 网络化和标准化方向发展,被测 对象,1.2.1电子测量仪器的功能,转换功能,信号处理与传输,显示功能,变送器：,关键部件是传感器，位移、速度、压力、光电耦合 温度、噪声等非电量转换成电量的装置。

8、,例如，热电偶传感器。,变换与传输装置：,在简单的测试系统中可以省略；在大多数测试系统中 主要是信号的变换，如放大、调制解调、滤波、模/数 传输-无线、有线传输存在失真，干扰等,输出装置：,常见的有各种指示仪表，记录仪，打印、显示器等。,在我们的这门课里，主要是讨论电量的测量。,微处理器：,将信号进行数据处理、完成自动测量、自动记录、自动 分析处理、使电子仪器成为“智能”仪器,列车自动测速测距系统,测速 感应器,信号 调理,例1.1：,则有：,车速：,距离：,车轮每周有 N个磁块,车轮周长 X米,n为一秒钟内接收的脉冲个数,1.2.2电子测量仪器的分类,1、模拟仪器 （用指针显示结果） 2、数

9、字化仪表 （用数字显示结果） 3、智能仪器 （含微处理器和通用标准接口总线的仪器） 4、虚拟仪器 （指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块） 以软件代替硬件，以图形代替代码，以组态代替编程，以虚拟仪器代替真实仪器，组建了自动测试系统（能自动进行测试，数据处理，传输，并以适当方式显示获输出结果的系统）,1、时域测量：主要获取待测量与时间之间的关系。 如用示波 器观察正弦信号、脉冲信号的上升沿，下降沿、 等参数及动态电路和暂态过程等。 2、频域测量：主要获取待测量与频率之间的关系。如用频谱分 析仪分析信号的频谱、测量放大器的幅频特性等 3、数据域测量：主要是用逻辑分析仪等设备对数字量 或电路的

10、 逻辑状态进行测量。 4、调制域测量：主要获取待测量与相位之间的关系。如用调制 域测调频、调相的线性与失真。,按被测量的特性分类,1、 时域测试,2、 频域测试,3、数据域测试,示波器,频谱仪,逻辑分析仪,1.2.3电子仪器的主要技术指标,1、精度 仪器的测量值与被测量真值一致的程度，最重要的指标。（后面介绍） 2、稳定度 外界条件（环温、湿度、气压）不变时，被测量示值变化的情况。 如温漂等有一定指标要求 3、灵敏度,灵敏度表示测量仪表对被测量变化的敏感程度,是区分 最小信号的能力。分辨率值越小，其灵敏度越高。,测量仪表的接入改变了被测电路的阻抗特性，为 减小测量仪表对被测电路的影响，Ri越大

11、越好。 如DA-16的Ri=1.5M 示波器的Ri=1M 注意阻抗匹配,4、线性度 线性度是表示仪表的输出量随输入量表化的规律。由于各类仪表的原理各异，可呈现不同的刻度特性。 5、动态特性 输出响应输入的能力 6、输入阻抗,在选择测量时，要综合考虑下列主要因素： 1、被测量本身的特性； 2、所要求的测量准确度； 3、测量环境； 4、现有测量设备等。 在此基础上，选择合适的测量仪器和正确的测量方法。,例1.4：直接用万用表R1电阻档测量晶体管发射极极电阻，由于限流电阻过小而使基极注入电流很大，很容易将晶体管损坏。 例1.5：测量输入阻抗充分考虑所选仪器内阻对被测量的影响,1.2.4 测量方法的选

12、择原则,主 要 内 容,1.3.1、测量误差概念 1.3.2、误差的分类 1.3.3、测量仪器的主要性能指标 1.3.4、测量数据有效数字的处理,1.3 测量误差与有效数字处理,测量误差是测量结果与被测量真值的差别。,被测量所具有的真实大小， 在一定条件下，是客观 存在的确定数值。,测量误差产生的原因：,人类对客观规律认识的局限性；,测量器具不准确；,测量手段不完善；,测量条件发生变化；,测量人员疏忽或错误等。,控制测量误差的意义：,是衡量测量技术水平， 以至于科学技术水平 的重要标志之一。,当测量误差超过一定限度， 使测量结果无意义，甚至 有危害。,1.3.1 测量误差的概念,1、通过仪器仪

13、表测得的值，用x来表示。例如电压表测得的值。 2、近似值，例的值。 3、标称值，例如电阻的标称值。,1、理论上给出的值，例如三角形内角和为1800。 2、计量学上规定的值，例如秒的数值，它具有法律性，作为时间的基准。 3、用高一等级的计量标准所测得的量值。用x0来表示。 4、修正后的值,修正值,介绍测量值：,介绍真值：,C=x0-x,关于修正值：,对于较好的仪器，常以表格、曲线或公式的方式随仪 器带给用户。,例如：下图为某电流表的修正值曲线,当电流表示值为10mA时，,从曲线可知,C=+0.04mA,因此，真值为10.04mA,测量值：x 真值：x0,1、测量误差根据表示方法，可分为：,1.3

14、.2 测量误差的分类,x=x-x0,1）示值相对误差即为通常所说的相对误差，是绝对误差与实际测的值的比值,2）引用误差（满度误差）：用于连续刻度的仪表中，表示整个量程内仪表的准确程度。,分别表示引用相对误差所不超过的百分比。,系统误差,随机误差,定义：在多次等精度测量同一量时，误差 的绝对值和符号保持不变，或当条件改变 时按某种规律变化的误差，简称系差。,定义：对同一量值进行多次等精度测量时，其绝对值和符号均以不可预定的方式无规则变化的误差。,定义：在一定的测量条件下，测得值明显 地偏离实际值所形成的误差。,2、根据测量误差的性质和特点，分为,粗大误差,关于系统误差：,（1）、产生系统误差的主

15、要原因：,例如温度、湿度 电磁场变化,例如仪表刻 度的读取,（2）、种类：,恒值系差,变值系差,周期性,累进性,复杂性,（3）消除的方法 特定的测量应当选择适当的仪器； 确定仪器误差的大小后应用修正系数； 用一个标准仪器对仪器进行校准。,关于随机误差,（1）、产生的原因,噪声、零部件配合的不稳定、摩擦、抵触不良等。,温度及电源电压的无规则波动，电磁干扰，地基振动等。,测量人员感觉器官的无规则变化而造成的读数不稳定等。,（2）随机误差的特点,1）、按正态分布,2）、特点：对称性，有界性，抵偿性，单峰性。,对称性：绝对值相等的正负误差出现的次数几乎相同。,有界性：绝对值很大的误差出现的机会少不会超

16、过一定界限。,抵偿性：测量次数趋于无穷大时，平均值等于零。 单峰性：绝对值小的误差出现的次数多,（3）对于仪器随机误差可以采用一些方 法避免,可以通过多次测量取平均值的办法，来减少随机误差对结果的影响，或用其它概率统计规律进行统计处理。,关于粗大误差：,（1）、产生粗大误差的主要原因：,例如读错 记错等,例如雷电干扰、 机械冲突等,在实际应用中,系统误差、随机误差、粗大误差三种误差的划分,并非一成不变；,精密度:是用来表示测量结果中随机误差大小的程度. 也可以简称为精度.描述测量数据的分散程度。,精确度:是用来同时表示测量结果中系统误差和随机 误差大小的程度.,准确度：是表示测量结果中系统误差

17、大小的程度.,定义：,1、测量值的准确度、精密度和精确度,1.3.3 测量仪器的主要性能指标,举例：,打靶,(a)图准确度高而精密度低,(b)图精密度高而准确度低,(c)图精确度高,1、有效数字的概念：一个数据，从左边第一个非零数字起至右边欠准数字的一位为止，其间的所有数码均为有效数字。如34与35之间读为34.5。为两位有效数字，0.5为欠准数字。,在记录和计算数据时，必须注意数据的正确取舍。,测量值通常都用有效数字来表示。,1.3.4 测量数据有效数字的处理,2、有效数字的正确表示： 1）有效数字中只应保留一位欠准数字，因此在记录测量数据时，只有最后一位有效数字是欠准数字。 2）在欠准数字

18、中，要特别注意0的情况。0在数字之间与末尾时均为有效数字。如0.078和0.78与小数点无关,均为两位。506与220均为三位。 3）等常数，具有无限位数的有效数字，在运算时可根据需要取适当的位数。,3、有效数字的舍入规则,1）当保留n位有效数字，若后面的数字小于第n位单位数字的0.5就舍掉。 2）当保留n位有效数字，若后面的数字大于第n位单位数字的0.5 ，则第位数字进1。 3）当保留n位有效数字，若后面的数字恰为第n位单位数字的0.5 ，则第n位数字若为偶数时就舍掉后面的数字，若第n位数字为奇数加1。 如将下组数据保留三位 45.77=45.8 43.03=43.0 47.15=47.2

19、38.25=38.2,第二章 信号发生器,2.1、信号发生器概述 2.2、通用信号发生器 2.3、合成信号发生器 2.4、信号失真度的测量,定义:产生不同频率、不同波形、不同输出电压的电信号装置,2.1 信号发生器的概述2.1.1信号发生器的功能,信 号 源,被测 设备,测 试 设 备,输出响应,激励入输,主要功能,激励源: 作为某些电器设备的激励信号源 校准源: 产生标准信号,对一般信号源进行校准 医疗部门做超声波、频谱治疗仪,1、按频率范围分类,超低频信号源30kHz以下 低频信号源30kHz 300kHz 视频信号源300kHz 6MHz 高频信号源6MHz 30MHz 甚高频信号源30

20、MHz 300MHz 超高频信号源300MHz 3000MHz,2、按输出波形分类,正弦信号发生器,非正弦信号源,脉冲信号发生器 函数信号发生器 任意波形信号发 生器,3、按信号源性能分类,一般信号发生器 标准信号发生器,2.1.2 信号发生器的分类,1、频率范围：能产生的频率范围,2、频率准确度：数字显示值与实际输出频率的差别,3、频率稳定度,4、输出阻抗:低频为600或1000 、高频为50 或75 ,频率长期稳定度：,相对误差:,频率短期稳定度：,2.1.3 正弦信号发生器性能指标,5、频率变动量,6、失真度,7、输出电平：输出信号幅度的有效范围，一般为5V,8、调制特性：输出调幅信号和

21、调频信号,温度引起的：,电源引起的：,负载变化引起的：,非线性失真系数：,主振荡器,电压 放大器,输出器,电压表,稳压电源,主振荡器：主要产生不同频率、不同波形的信号 放大器：可以是 电压放大器、功率放大器、 输出器：调节输出信号的电平和输出阻抗 指示器：用来监视输出信号 电 源：提供信号发生器个部分的工作电源电压。,2.2 通用信号发生器2.2.1低频信号发生器(1Hz-1MHz),1、低频信号发生器的组成框图,低频信号发生器中产生振荡信号的方法有多种，在通用信号发生器(如XD-1、XD-2、XD-7)中，主振器通常使用RC振荡器，而其中应用最多的当属文氏桥振荡器。,2、 通用RC振荡器,我

22、们简要分析其工作原理。在图a中，ui是网络的输入电压，u0是输出电压，Z1为R、C串联阻抗，Z2为R、C并联阻抗。,RC文氏桥网络,网络的传输函数：,式中:,由上式得到传输函数的幅频特性N()和相频特性()分别为:,由图(b)、(c)可以看出：当= 0=1/RC或f=f0=1/2RC时，输出信号与输入信号同相，且此时传输函数摸最大N(0) =1/3。 如果输出信号Uo后接放大倍数Kv=3的同相放大器（一般由两级反相放大器级联实现）,那么就可以维持= 0或者f=f0=1/2RC正弦振荡，而由于RC网络的选频特性，其他频率的信号将被抑制。,由于放大器受外界影响，性能会不稳定，引起振荡振幅变化，还会

23、造成输出波形失真。因此总是使用高增益的二级放大器加上负反馈，使得在维持振荡期间，总电压增益为3，这就形成了下图所示的文氏桥振荡电路。,图中负温度系数热敏电阻Rt和电阻Rf就构成了电压负反馈电路。热敏电阻Rt的阻值随环境温度升高或流过的电流增加而减小，当由于各种原因引起输出电压增大时，由于该电压也直接接在Rt、Rf串联电路，流过Rt的电流也随之增加而导致Rt阻值降低，负反馈加大，放大器总增益降低，使输出电压减小，达到稳定输出信号振幅的目的。而在振荡器起振阶段，由于Rt温度低，阻值大，负反馈小，放大器实际总增益大于3，振荡器容易起振。,频率的调节： 改变电阻R和电容C数值可调节振荡频率，改变R实现

24、频率粗调、改变C实现频率细调。 输入输出阻抗： 考虑到Ri和 Ro对RC网络的影响，输入级采用场效应管提高Ri、输出级采用射级跟随器降低Ro,3、其他低频振荡器,（1）LC振荡器 （适用于低频信号源） 频率低，体积过大 频率覆盖系数小,（2） 、 差频式低频信号源,固定频率 振荡器f,可变频率 振荡器f2,混频器f,输出,滤波输出,衰减器,输出频率为两者信号的差值 = 1- 2 频率覆盖范围大,可连续调节 K=fmax/fmin 可相差1000倍左右 整个频段内频率可连续调节,2.2.2 高频信号发生器,1: 用途：（适用无线电、通信等场合） 可输出等幅正弦波和调制波 工作频率高 100KHz

25、35MHz 输出幅度调节范围大 2: 组成,高频信号发生器原理框图,1) 主振级 产生一定工作频率的正弦信号,作为载波 2）缓冲级 起阻抗变换作用，隔离调制级对主振器的不良影响。 频率高的信号发生器中，用倍频器、分频器、混频器，使输出频率更大 3）调制级 用内(或外)调制正弦信号调制和放大后,送到输出级 内调制器可输出音频正弦调幅信号 （调频时调制信号通过可变电抗器与主振的谐振回路耦合输出调频信号） 外调制外部加入音频信号 4）输出级 由放大器、滤波器、输出微调，输出倍乘等组成，控制电压的输出幅度。 使用注意： 注意输出与负载阻抗匹配，只有匹配的情况下才能正常工作，一般为 50 、75 的带有

26、频蔽盒的专用线。,可产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等 根据主振器产生的波形为第一波形，其余为导出波形 按结构可分为：正弦式、脉冲式,2.2.3 函数信号发生器(宽带频率可调的多波形发生器),1、正弦式函数信号发生器（XD11）,:,正弦振荡器输出正弦波,经缓冲器隔离后,分为两路信号,一路经放大输出正弦波一路作为方波触发信号送入方波形成电路（施密特触发器），经放大输出方波 一路作为三角波触发信号送入积分器（密勒积分电路）将方波形成三角波，经放大后输出三角波 三种波形由选择开关控制。,原理框图：,函数信号发生器原理框图,其基本原理是先由积分电路和触发电路产生三角波和方波，然后通过函数转换器将三角

27、波整形成正弦波。,2. 脉冲式函数信号发生器,函数发生器波形图,正弦波的折线近似,斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得到（分压系数不同），若将正弦波一个周期分成22或26段、10或12个二极管组成整形网络可得到非线性失真较小的波形。,频率合成技术,1、定义：,利用一个或数个晶振，通过加减乘除四则运算， 最终得到频率准确度稳定在晶振量级上的一系列新 频率。,2、比较：,特点：频率可调，准确度低。,普通信号源：,2.3 合成信号发生器,高准确度的信号源：,频率 f=C,特点：准确度高，频率不可调。,频率合成式信号发生器可取长补短,3、频率合成方法：,直接模拟频率合成 直接数字频率合成,简接锁相式

28、合成法,4：频率合成特点： 具有高稳定度高分辨率的优点 可在很宽的频率范围内进行精细的频率调节 输出信号的频率、幅度、调制深度均可调节。,2.3.1直接模拟频率合成：,1、 固定频率合成法： 利用倍频、分频、混频原理将一个或个基准频率通过运 算,产生所需的频率的方法。 f0=Nfr/D fr为基准频率 D为分频系数 N为倍频系数 （因D和N均为给定的正整数，输出频率为定值，故成为 固定频率合成法）,晶振,N,D,fr,可变频率合成法,根据需要选出频率，需连续混频，分频,例如，我们想要得到频率为4.735MHz，我们使用的 基准频率为1MHz，通过谐波发生器产生十个谐波， 将它们接在一系列纵横制

29、频率开关上，请看下图。,4.735MHz,1MHz,3.5MHz,3.5MHz,0.35MHz,7.35MHz,0.735MHz,2.3.2直接数字频率合成(DDS),1、直接数字合成原理:（利用微机直接数字合成）,微机,D/A,低通 滤波器,三角波获得 编一段程序：连续加1到一定值,然后在连续减1回到原值,经D/A变成阶梯波模拟 量,在滤波得到三角波。见图 方波获得 编一段程序：令输出为1一段时间,然后在令输出为0一段时间，反复后，输出方波。,2、直接数字频率合成(利用ROM、RAM),将输出的波形数据预先存入ROM中，在系统标准时钟（CLK）频率下，按照一定顺序从ROM单元中读出数据，即可

30、得到一定频率的波形。,1:基本锁相环路,锁相环是指由相位 比较器、环路滤波器和 压控振荡器组成的闭和 环路。,如图所示，fi为基准频率，fo为输出信号频率。,环路锁定时，fo=fi =C (C为常数) 达到频率相同,同步的状态,2.3.3 间接合成法（锁相环路法）,基本工作原理：当压控振荡器输出频率f2由于某种原因变化时，相应相位也产生变化，该相位变化在鉴相器中与基准晶振频率f1的稳定相位相比较，使鉴相器输出一个与相位差成比例的电压ud(t)，经过低通滤波器，检出其直流分量uc(t) ，用uc(t)控制压控振荡器中压控元件数值（如变容二极管电容），从而调整VCO的输出频率f2 ，使其不但频率和

31、基准晶振一致，相位也同步，这时称为相位锁定，因此最终VCO的频率输出稳定度就由晶振频率f1决定。即f1=f2,2、锁相环基本原理介绍,锁相环的几种形式,倍频锁相环 分频锁相环 混频锁相环,脉冲控制环,数字倍频环,倍频式锁相环,适用于向高端扩展的频率合成,倍频式锁相环,对输入频率进行乘法运算的锁相环，称为倍频式锁相环。,常用的倍频环有两种：,脉冲控制环：加在相位比较器的输入信号是重复信号为基准频率的窄脉冲，压控振荡器输出锁定在窄脉冲的高次谐波上。,数字环：在基本锁相环反馈回路中加入数字倍频器。,分频式锁相环,脉冲控制环,数字分频环,选中某一高次谐波,达到分频的目的,适用于向低端扩展的频率合成,分

32、频式锁相环,对输入频率进行除法运算的锁相环，称为分频式锁相环。,常用的分频环有两种：,脉冲控制环：加在相位比较器的输入信号是重复信号为 基准频率的窄脉冲，压控振荡器输出锁定在窄脉冲的高次谐波上。,数字环：在基本锁相环反馈回路中加入数字分频器。,混频锁相法：,频率合成方案,1 、300-1700kHz的电平振荡器,2、 十进频率合成器,2.3.4频率合成技术的进展,三种合成方法的比较: 模拟直接合成-转换速度快,电路复杂,难以集成 数字直接合成-基于大规模集成电路和计算机技术,适 用于函数波形与任意波形的信号源 DDS专用芯片-可达到高频输出的正弦波,相位累加器 可达32位, 锁相环频率合成-输

33、出可高达超高频频段,输出频谱 纯度高,频率分辨率取决分频系数N,但 转换速度慢,2.4.1 失真度测量仪的基本组成与原理 2.4.2 失真度测量仪的应用,2.4 信号失真度测量,2.4.1失真度测量仪的基本组成与原理,失真度测量的定义,非线性谐波失真度的定义：,其中，V1、 V2、 V3、 Vn分别为基波、二次谐波、三次谐波及n次谐波的有效值。,失真度测量仪的失真度定义：,1、分贝测量：当测量选择开关K1置于第1档(即分贝档)位置时，测量仪接成一台平衡式电压表，可以用来测量平衡电路输出的音频信号电压。被测信号由平衡输入接线柱输入，经平衡输入变压器后直接加到电压表电路。使电压表作出相应的指示(此

34、时可作出分贝指示数)。,2、电压测量：当测量选择开关K1置于第2档(即电压档)位置时，测量仪作为一台不平衡电压表，可测量一般设备的音频电压的大小。被测信号由不平衡输入插孔输入后直接加到电压表电路，使电压表作出相应的电压指示。,失真度测量仪的测试原理：,3、当测量选择开关K1置于第3档(即校准档)位置时，测量仪处于失真度测量前的校准状态。此时电桥电路不起滤波作用(由于电桥电路中的文氏电桥并联臂被短路，基波全部通过)。被测信号由不平衡插孔接入电桥电路，全部信号通过电桥电路，电压表指示值是被测信号的总的有效值，调节“校准控制”电位器，使电桥电路输出一个定值(10mV)的校准信号，直接加入电压表电路，

35、使电压表在100%(即1V)档时，指示在满度值位置。此值即为：,4、当测量选择开关K1置于第4档(即失真度档)位置时，测量仪进行失真度测量，此时，文氏电桥正常工作，桥路能将被测信号中的基波分量过滤(调节其调谐元件使电压表指示最小，即表示基波已滤除)，此时电表指示值即为被测信号中的高次谐波分量的总有效值，即 也就是失真度值。,例如：指示值为0.1V，则与标准值1V相比为10%，所以失真度为10%；指示值为0.01V ，则与标准值1V相比为1%，所以失真度为1%。,失真度测量仪型号多样，但其基本使用方法和应用是雷同的，本节以BS-1为例介绍其应用。,BS-1失真度测量仪是全晶体管化高灵敏度的音频测

36、量仪器，可测各种频率的谐波失真度、以及检查相位失真的测量仪器，还可作为单独的平衡式或不平衡式音频电压表使用。,可测失真度范围为0.03%100%，准确度 5%(满刻度最低电压可测100uV,2.4.2 BS-1 失真度测量仪的应用,BS1型失真度测量仪面板,1、准备工作：被测信号接入不平衡端，开关K3在电压位 2、在分压器开关K2置于100%位置下，改变衰减器，使电压表指在明 显位置 3、改变开关K3，由“电压”改为“校准”，调节“校准控制”电位器，使指 针指示满刻度 4、开关K3放到“失真位” 5、将被测信号源频率开关放到被测的频段上 6、反复调节“调谐”，“相位”“微调”，使电压表指示最小

37、，响应的改变 分压器开关位置，读出电压表指示，既为失真度的百分数。,BS-1失真度测量仪的使用方法：,6.1.1概述： 根据使用目的分为四类： 测量仪器 通用的电子测量仪器(示波器、电压表、频谱仪等)，全部的分析仪器，较大部分实验室仪器，以及部分生物医学仪器 分析仪器 用于分析物质的组分及分子结构的检测仪器，以及它所采用的数据处理系统。 实验室仪器 各类实验室用的设备及试验装置，其中包括整个分析仪器、部分测量仪器与部分生物医学仪器。 生物医学仪器 专门用于医学技术领域与临床生物分析实验的仪器设备。它包括部分测量仪器，较大部分的分析仪器与部分实验室仪器。其余部分是生物医学的专用设备。,第6章 智

38、能测试仪器,第三章 电子示波器,3.1 概述 3.2 示波器波形形成原理 3.3 通用示波器 3.4 VP-5220D双踪示波器 3.5 数字存储示波器 3.6 DCS-7020数字存储示波器 3.7 示波器的测量与使用 3.8 晶体管特性图示仪,1、直接观测和真实显示被测波形。,可显示脉冲信号的前后沿、脉宽、上升下降时间,3.1 概述它是显示信号波形的时域测量仪,3、输入阻抗高,4、X-Y图示仪 是构成其他两个测试领域的仪器设备的基础。,灵敏度高、工作频带宽、速度快,3.1.2电子示波器的用途,1、定性观察电路的动态过程2、定量测量各种电测量3、通过传感器进行非电量的测量 4、利用其原理，扩

39、展为其他专用设备,模拟示波器,通用示波器 多束示波器 取样示波器 记忆示波器 特种示波器,数字示波器（DSO),3.1.3 电子示波器的分类,3.2示波管及波形显示原理,3.2.1示波管的 定义 将被测电信号转换成光信号的显示器 由电子枪、偏转系统、荧光屏组成,灯丝,阴极K,栅极 G1G2,阳极A1A2,电子枪,偏转系统,阴极射线示波管由电子枪、偏转系统、荧光屏组成,电子枪,K,_,+,辉度,聚焦,辅助 聚焦,荧光屏,偏转 系统,X偏转板,Y偏转板,b,s,L,y,灵敏度：Sy =Uy/y,3、荧光屏,作用：电信号转变为光信号 激励过后，亮点辉度下降到原始值的10所延续的时间称为余辉时间。 极

40、短余辉1s 注意： 亮点不能长时间停留在一处 不要把亮点调到最亮,3.2.2 波形显示原理：,1、显示y=f（t）时变图形,电子束沿uy 与ux作用的合成方向运动,（a）只加uy时的波形 （b）只加ux时的波形 （c）同时加ux、uy时的波形,2. 显示随时间变化的波形,A.扫描 光点在锯齿波作用下扫动的过程称为扫描，从左到右称为扫描正程，从右到左为回程。,波形显示,B、扫描的同步,Ty,Tn,Tx,Tn =2Ts,Tn =Ts+1/4Ts,为得到稳定的波形，必须 保证同步关系，即 Tx=NTy N-为整数,C、关于增辉、消隐,存在的问题,解决的办法,如图所示： 扫描正程时加上增辉脉冲，,增辉

41、,消隐,！对于触发扫描，扫描正程增辉可避免无信号时中心亮点毁坏屏幕。,衰 减,Y前置 放大器,延迟线,Y 放大器,扫描 发生器,触发 电路,X 放大器,输入,输入,X,Y,外触发输入,s2,Y通道,X通道,50Hz电源,3.3 通用示波器1.电子示波器的结构,2、技术性能,（1）频率相应（频带宽度） （2）时域响应（瞬态响应） 表示放大电路在方波脉冲输入信号作 用下的过渡特性。 （3）偏转灵敏度 指输入信号在无衰减情况下，亮点在屏幕上偏转 1cm（或1格div）所需信号电压的峰峰值。其 单位为/cm或/div (4）输入阻抗 用在示波器输入端测得的直流电阻值和并联电容分 别给出。希望R值越大、

42、C值越小越好。 (5) 扫描因数 表示在无扩展情况下，亮点在屏幕上x轴方向移动 单 位长度1cm（或1格div）所表示的时间，其单 位为 t/cm。其中t可取s、ms或s。,3.3.2 垂直系统,Y轴垂直系统:（Y通道）将被测信号不失真的送到Y偏转板 1、输入电路（探极、衰减器） 基本作用是引入被测信号，为前置放大器提供良好的工作条件，并在输入信号与前置放大器之间起着阻抗变换、电压变换的作用2. 延迟线 有一定的延迟时间, 以补偿X轴系统扫描电路 启动时间的延迟。 3. Y放大器 Y轴放大器使示波器具有 观测微弱信号的能力。,1、双线示波器,发射两个相互独立的电子束，特殊的示波管,缺点：工艺要

43、求较高，价格较贵。,2、双踪示波器,组成与普通示波器类似，增加了一个电子开关， 电子开关的切换或转换方式有交替和断续两种， 可轮流的将波形显示在荧光屏上。,示波器多波形显示,双踪显示基本原理,用单综示波器显示两个波形常用的方法在通用示波器的Y轴系统中加入电子开关、常有YA,YB,YA+YB,交替，断续，五种方式,“交替”方式,“断续”方式,3.3.3水平系统,X轴系统（X通道） 作用:产生一个与时间呈线性关系的锯齿波电压。当这个扫描电压的正程加到水平偏转板上时，电子束就沿水平方向偏转，形成时间基线。 包括触发整形电路、扫描电路，时基发生器X轴放大器,1. 触发整形电路,触发整形电路的作用：把来

44、源不同的触发信号整形为触发脉冲信号。 主要有触发源选择、输入耦合方式选择、触发放大器、触发极性转换、触发脉冲整形电路等,组成：耦合开关、电平旋钮、极性开关、S1开关组成。,“极性”决定 上升沿或下 降沿触发,“电平”决定 正半周或负 半周触发,方式开关决定 不同的耦合方 式：AC、DC,1、正极性，正电平,触发点,2、负极性，正电平,触发点,3、正极性，负电平,触发点,4、负极性，负电平,触发点,2、扫描发生器,扫描发生器电路在触发脉冲启动下，产生周期性变化的锯齿波扫描电压,连续扫描与触发扫描,3. X放大器,X放大器的作用是为示波器的水平偏转板提供对称的推动电压，使电子束能在水平方向满偏转。

45、同时，当示波器工作在XY方式时，外加的X输入信号也要由X放大器传送到X偏转极板。,3.3.5通用示波器的选择使用,1.根据被测信号的波形选择 若需要观测一个低频正弦信号，可选用普通示波器；若需要同时观测和比较两个信号，则可以选择双踪示波器等。 2.根据被测信号的频率来选择 示波器Y轴系统的通频带愈宽，被测信号的波形失真愈小。因此，一般要求示波器通频带宽应大于被测信号最高频率三倍以上。 3.根据示波器的上升时间来选择 一般要求示波器本身的上升时间应比被测脉冲信号的上升时间小三倍以上。,3.5 数字存储示波器,特点： 1、将被测波形通过A/D转换成数字信号，存入存储器中，利用机内微处理器系统对存储

46、的信号作智能处理，如数据的转换等，达到自动测量以及多种复杂的处理。 2、液晶显示示波器和高分辨率彩色显示数字示波器将是示波器发展的两大趋势。,3.5.1模拟示波器与数字存储示波器的比较,模拟示波器特点： （1）操作简单 （2）垂直分辨率高 （3）信号能实时捕捉到因而更新快 （4）实时带宽和实时显示。连续波形与单次波形的 带宽相同，数字示波器的带宽与取样频率密切 相关。 在只需要观察实时信号而不需要存储和记忆的情况下 使用方便,数字存储示波器,特点： （1）具有自动测量的功能： 具有波形的存储、特殊信号的捕捉、自动监测、运算处理 等功能。 （2）取样率提高，波形失真度减小 （3）信号显示功能先进

47、。具有波形的三维状态显示， 即显示出信号的幅值、时间以及幅值在时间上的分布。 （DPO荧光显示） （4）发挥硬件和软件结合的优势。,信号的捕获、显示与分析为串行处理的体系结构,并行处理的体系结构可捕捉到复杂波形中的微细差别,3.5.2 数字存储示波器的工作原理,模拟存储示波器（记忆示波器）利用记忆示波管存储信号，可记忆一周左右。 数字存储示波管 具有微处理器控制，并对数据进行各种运算处理，用数字显示数据，通过GB-IB接口把数据传输到计算机外设。,栅网式存储示波管,数字存储示波器,数字存储示波器对模拟量进行实时取样、存储的工作过程,图a中的a1a7点即对应于被测信号的8个取样点。8个取样点得到

48、的数字量（设A/D转换器分辨力为8bit）分别存储于地址号为00H07H的8个RAM存储单元中,在显示时，依序取出采样离散化数据（00H，40H，80H，C0H，），经D/A变换后的输出见图b,送到Y偏转板,同时存储单元地址号从00H07H也经D/A变换，形成图c所示的阶梯波，并送到X偏转板。 在和uy和ux的共同作用下，荧光屏上将显示离散的亮点。,3.5.5数字存储示波器的特点,与模拟示波器相比，数字存储示波器具有以下几个特点： （1）波形的取样/存储与波形的显示式独立的 （2）能长时间地保存信号 （3）先进地触发功能 （4）测量准确度高 （5）很强的数据处理能力 数字存储示波器内含微处理器

49、，因而能实现多种 波形参数的测量与显示。 （6）外部数据通信接口，可以通过GPIB接口与计算 机一起构成自动测试系统。,1.垂直分辨率 数字存储示波器的垂直分辨率取决于对量化值进行编码的位数。对于 的电压范围，n位转换器的电压分辨率为 2、水平分辨率 数字存储示波器的水平分辨率由存储容量决定。存储容量又称存储长度，通常定义为获取波形的取样点数，用直接存放A/D转换器变换后的数据获取存储器的存储单元数来表示。,3.5.6 数字存储示波器的主要技术指标,3、示波器的取样率,根据取样原理，要想采用取样方式重现原来的信号，取样率必须远大于信号带宽BW的两倍，即fs=2BW 式中：fs为取样率，BW为信

50、号的带宽。 数字示波器的取样率与带宽容易混淆，更通常的是取样率用MS/s(每秒兆次)，带宽用MHz(兆赫兹)。 例如：带宽为100MHz的信号，根据取样原理，最小取样率为 fs2BW=2100MHz=200MS/s,取样的三种方式,采样是等间隔地进行； 采样率以 “点/秒”来表示。 实时采样、随机等效采样、顺序等效采样方式,取样分为,实时取样,非实时取样,实时取样：指在信号经历的实际时间内对一个信号 波形进行取样。,缺点：不能解决示波器在观测高频信号时所遇到 的频带限制的困难。,非实时取样：取样点分别取自若干个信号波形的 不同位置。 优点：解决了实时取样的缺点。,实时采样技术：实时采样是最直观

51、的采样方式，采样率超过模拟带宽45倍或更高。,只需一次触发已采集到信号所有资料 对信号的要求：重复信号且可允许信号变化 实时采样技术示波器，不仅适用捕获重复信号、而且是捕捉非重复信号和单次信号的有效技术。以及是捕获隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号前提条件。,随机等效采样技术：可在触发前、后对信号采集, 将多次触发采集到的资料进行重组，实现对重复信号的捕获和显示。,需要经过多次触发才能采集到信号的所有资料 对信号的要求：信号必须重复并且稳定，如信号变化（如幅度）将造成显示混乱。 随机等效采样，只适用捕获重复稳定信号，对捕获非重复信号和单次信号的能力，以及是捕获隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号的能

52、力，将受到限制。,顺序取样：每触发一次，往后延迟一点时间，使全部 波形都被取样。优点：用较低A/D获得高 取样率,荧屏,电源开关,荧屏斜面,垂直微调,垂直位移,输入耦合方式开关,垂直微调,垂直位移,垂直衰减器,CH1输入端,接地端,垂直衰减器,辉度电位器,校正信号,聚焦调节,扫迹旋转,电源指示灯,刻度照明,R/O输入控制,4.2.4 DCS-7020数字存储示波器,垂直方式选择开关,输入方式耦合开关,抑释控制,扫描扩展*10,触发电平控制,触发极性选择开关,写指示灯,水平位移,CH2倒相开关,扫描时间/格控制,外部触发/外部时钟输入端,微调,CH2输入端,显示方式开关,耦合方式开关,触发源选择

53、,触发模式选择,触发批示灯,读批示灯,HDTV开关,触发延迟/连续延迟选择,显示设置控制,输出开关,存储开关,保持开关,实时/存储模式选择开关,存储菜单选择,MENU SET、PST RESET、TIME ON/OFF开关,TRACE SEP、PRE/SCROLL、SELECTOR开关,标尺显示模式开关,以正弦波为例介绍DCS-7020的使用,图1,用信号发生器输入正弦信号，如图1所示,实时模式：,用信号发生器输入正弦信号，从DCS-7020的CH1输入端输入。把触发Triggering中的四个开关都拨到最上方。调节垂直衰减器开关和扫描时间选择开关，使示波器的荧屏上显示的波形形状最佳。在实时模

54、式下如图1所示，在荧屏的最上方显示时间，最下方显示每格所代表的电压和时间。,图2,REF,FINE,按下MENU SET开关，再按下CURSOR MODE开关选择到V1模式 ，调节 REF和/FINE到适当的位置，在荧屏的上方显示所选 两个位置之间的电压值。如图2所示：,图3,REF,FINE,3.再次按下CURSOR MODE开关选择到T 模式 ，调节 REF和/FINE到适当的位置，在荧屏的上方显示所选 两个位置之间的时间。如图3所示：,图4,FINE,REF,再次按下CURSOR MODE开关选择到T模式 ，调节 REF 和 /FINE到适当的位置，在荧屏的上方显示所选 两个位置之间的频

55、率。如图4所示：,再次按下CURSOR MODE开关，荧屏上的波形回到 前面图1所示。,存储模式：,按下存储开关REAL/STORAGE选择到存储模式，荧屏上的波形如图1 所示，在荧屏的左上方显示“Pre X.Xdiv”，下方显示从CH1输入端输入。,图1,按下HOLD开关，HOLD显示在荧屏上，通过按下 HOLD开关荧屏上的波形开始更新，如图2所示：,图2,HOLD,在存储模式下， “Pre X.Xdiv”显示在荧屏的左上方，如 果 想改变它的值，重置到HOLD模式，即再次按下HOLD开关。在存储菜单中打开ST0：PRE/SCALL控制开关， “Pre X.Xdiv”的值以2.5div为增量

56、在0和20div之间变化。,4. 存储菜单如图4所示：,STORAGE MENU,MENU SET,PST RESET,TIME ON/OFF,REAL: TRACE SEP,ST0: PRE/SCROLL,MENU: SELECTOR,OFF,f(x),图4,存储菜单的操作 ：,1） ：REF,对于每个通道来说，示波器有2K字节的存储容量，还有可获得的4K字节的存储容量。,在存储菜单中选择一个输入通道 ，然后按MENU SET开关 。特殊通道的参考波形显示出来以及被选中。选中波形之后关闭存储菜单。,REF: OFF REF1 REF2 DUAL,这个例子表明REF1被选中。,保存波形，按下S

57、AVE开关。波形如 图5所示：,图5,REF1,2) :PEAK,在存储菜单中选择一个峰值类型，按下MENU SET关进入PEAK菜单。然后关闭存储菜单。,PEAK: OFF MAX MIN MAX/MIN,这个例子表明MAX被选中。,3） ：PROC,f(x),这个菜单包含波形过程的四种类型：AVE,SMT,PST和ROLL。,a) 在存储菜单中选择AVE。,AVE,PROC: OFF AVE SMT PST ROLL,这个例子表明MAX被选中。,按下MENU SET开关进入AVE类型。出现设置采样点数的菜单。,AVE：OFF 4 16 64 EXIT,这个例子表明采样点数16被选中。,当采样点数输入之后，移动下面的条线到EXIT,然后按下MENU SET 开关回到a)中所列的菜单中。,d) 关闭存储菜单。,SMT,a) 在存储菜单中选择SMT。,PROC: OFF AVE SMT PST ROLL,按下MENU SET开关进入SMT ,“SMT”显示出来。,c) 关闭存储菜单。,PST,a) 在存储菜单中选择PST。,PROC: OFF AVE SMT PST ROLL,按下MENU SET开关进入PST ,“PST”显示出来。,c) 关闭存储菜单。,ROLL,a) 在存储菜单中选择ROLL。,PROC :OFF AVE SMT P