電氣測試技術第3版

林德杰主編機械工業出版社同名教材 配套電子教案目錄第1章測量的基本概念第2章測量誤差及數據處理第3章信號的時域第4章非電量的電測技術第5章微型化和智能化傳感器第6章數字化測量技術第7章抗干擾技術第3章信號的時域、頻域

與數據域測試技術第3章信號的時域、頻域與數據域測試技術3.1概述3.2通用電子示波器的組成及其原理3.3智能化數字存儲示波器3.4示波器的主要工作特性機器選擇3.5信號的頻譜分析3.6邏輯分析儀的原理及應用3.1概述對于一個電信號，可以用它的瞬時幅值

隨時間

的變化情況來表示，例如，用各種電子示波器對電信號的波形及表征它的各種參數進行測試的方法，稱為時域分析方法；同時也可以用信號所含的各種頻率的分量（頻譜分布）來表示，通常是利用頻譜分析儀來對它進行測量，這種方法稱為頻譜分析方法。頻域分析方法也稱為頻譜分析方法，它是指對信號在頻率范圍內的進行的分析，分析的結果是以各種頻率為橫坐標，各種頻率的幅值為縱坐標的譜線，稱為幅度頻譜，簡稱頻譜，見圖3-1。圖3-1頻譜圖像圖3-2時域與頻的關系示意圖既然時域分析和頻域分析都可以表征同一信號的特征，那么，它們必然是可以互相交換的。若用時域分析法和頻域分析法對同一電信號進行測量，它們顯示的圖形畫在同一個圖上即可以看出它們之間的內在聯系，見圖3-2。表3-1列出了一些常見電信號的波形圖及其相應的頻譜圖。表3-1常見信號的波形圖及其頻譜圖頻譜特征由表3-1可見，周期信號的頻譜特征有：（1）離散性

周期信號的頻譜由不連續的譜線組成，每一條譜線代表一個正弦分量，稱為離散頻譜或線狀頻譜。（2）諧波性

周期信號的頻譜的每一條譜線只能出現在基頻的整數倍的頻率上。（3）收斂性

各次諧波的幅值大小隨著頻率的增加而逐漸減小，因此頻譜是收斂的。3.2通用電子示波器的組成及其原理電子示波器是時域測量技術中最為靈活而應用廣泛的電子測量一儀器。3.2.1電子示波器的組成3.2.2波形顯示原理3.2.3電子示波器的分類3.2.4通用電子示波器的原理3.2.1電子示波器的組成電子示波器是利用被測電壓控制示波管中的電子束，通過電子束的偏轉反映被測信號的變化。由電子束轟擊在熒光屏上而激發出亮光，亮光連成的軌跡就代表了被測信號的波形。為了使顯示的波形達到一定的精度，電子示波器必須由若干部分組成。就通用示波器而言，無論何種類型都由如圖3-3所示的六大部分組成。圖3-3電子示波器的組成3.2.2波形顯示原理圖3-4示波管結構示意圖3.2.2波形顯示原理1.示波管

示波管由電子槍、偏轉系統和熒光屏三部分組成，這三個部分密封在玻璃管內成為大型電真空器件，見圖3-4。就其用途而言，它是把電信號變成光信號的轉換器。（1）電子槍

電子槍由燈絲、柵極、前加速電極、第一陽極和第二陽極組成。它的作用是發射電子并形成很細的高速電子束。2）偏轉系統

在示波管內有兩對偏轉極，一對是由

與

組成的

偏轉極，它控制電子束產生垂直偏轉；另一對是由

和

組成

偏轉板，它控制電子束產生水平偏轉。觀察信號波形時，

偏轉板加的是經過

通道放大后的被測信號電壓；而

偏轉板加的是鋸齒波掃描電壓。熒屏顯示的波形是電子束沿

和

兩個方向運動合成的軌跡。3.2.2波形顯示原理（3）熒光屏

熒光屏一般為圓形曲面或矩形平面。由于矩形熒光屏的有效面積大，線性度好，目前常用矩形熒光屏。熒光屏內壁沉積有熒光物質形成光膜。它受電子轟擊后將動能轉換成光能而形成亮點。當電子束隨被測電壓偏轉時，這些亮點的軌跡便形成了信號的波形。當電子束停止轟擊后，熒光膜還能持續發光，持續發光的時間稱為余輝時間。1μs～1ms為短余輝；1ms～0.1s為中余輝；0.1s～1s為長余輝。觀測高頻信號宜用短余輝示波管；觀測緩變信號宜用長余輝示波管；一般用途時，用中余輝示波管。3.2.2波形顯示原理2.波形顯示原理（1）電子束的運動軌跡

如前所述，電子束運動的軌跡取決于

偏轉板和

偏轉板兩個靜電場的合成作用，打在熒光屏上亮點的位置取決于加在

和

偏轉板上的電壓。（2）掃描－時間基準

在

偏轉板加上鋸齒波電壓時，電子束在屏幕上按時間沿水平方向展開，形成時間基準線。當僅在

偏轉板加上鋸齒波電壓時，亮點沿水平方向作等速移動。當掃描電壓到達最大值（

）時，亮點亦達到最大偏轉，然后從該點迅速返回到起始點。若掃描電壓周期變化時，在屏幕上就顯示一條水平亮線，這個過程稱為掃描。在

偏轉板有掃描電壓的同時，在

偏轉板加上被測信號電壓，就可將其波形顯示在熒光屏上，見圖3-6。圖3-6波形顯示原理圖3-7時顯示的波形3.2.2波形顯示原理（3）同步的概念為了在屏幕上獲得穩定的圖像，

必須等于

的整數倍，即

，以保證每次掃描起始點都對應信號電壓

的相同相位點上，這種過程稱為同步。3.2.3電子示波器的分類1.通用示波器

通用示波器是采用單束示波管組成的示波器。通用示波器又有單蹤示波器和多蹤示波器之分。多蹤示波器由單束示波管和電子開關組成。

2.多束示波器（亦稱多線示波器）

多束示波器是采用多束示波管組成的示波器，在屏幕上顯示的每條波形都是由單獨的電子束所形成。3.取樣示波器

將高頻信號以取樣方式轉換成低頻信號，然后再用類似通用示波器的方式進行顯示。用于觀測300MHz以上的高頻信號及脈寬為幾個納秒的窄脈沖信號。4.記憶與存儲示波器

它是一種具有存儲信息功能的示波器。將單過程、非周期信號或緩變信號長時間地保留在屏幕上或存儲于電路中，供分析、比較用。利用記憶示波管實現存儲功能的稱為記憶示波器；利用半導體數字存儲器的稱為數字存儲示波器。5.特殊示波器

它是指能滿足特殊用途或具有特殊裝置的專用示波器，例如高壓示波器等。3.2.4通用電子示波器的原理通用電子示波器由水平偏轉電路、垂直偏轉電路、示波管電路、校正信號、低壓電源和示波管組成，其框圖見3-8。由圖可見，它是雙蹤示波器，具有觸發掃描和增輝功能、雙掃描顯示、寬頻帶和附設幅值和時間校正信號。目前，多數示波器都已具備上述功能，所以稱為通用示波器。3.2.4通用電子示波器的原理3.2.4.1通用示波器的特點1.具有觸發掃描與增輝措施2.Y通道放大器頻帶較寬3.具有幅值與時間校正信號4.雙掃描顯示3.2.4通用電子示波器的原理3.2.4.2Y通道電路的工作原理前置Y放大器由步進衰減器、電壓跟隨器、電壓放大器和觸發信號放大器等部分組成。

通道是被測信號的主要通道，要求頻帶、增益及輸入阻抗等指標盡量高一些。3.2.4通用電子示波器的原理3.2.4.3觸發同步電路的工作原理無論觸發信號的來源、幅值、波形和極性如何，經過觸發同步電路后，統一變換成具有一定的幅值、寬度、陡度和極性并且與被測信號具有嚴格同步關系的脈沖，以便觸發掃描閘門實現同步掃描，從而達到穩定顯示波形的目的。觸發同步電路組成框圖見圖3-12。圖3-12觸發同步電路組成框圖3.2.4通用電子示波器的原理3.2.4.4掃描電路的工作原理通用示波器常采用雙掃描顯示，雙掃描（亦稱為雙時基）是指在X通道中設置兩個掃描電路，它們可以是兩個完全獨立的掃描電路，也可以是其中一個獨立（稱為A掃描）的，而另外一個（稱為B掃描）只有在A掃描工作一段時間后才開始掃描，故B掃描稱為延遲掃描，這種雙掃描系統應用較多。圖3-15示出了這種雙掃描系統的組成框圖，其中A掃描為主掃描，B掃描為延遲掃描。圖3-15掃描電路原理框圖3.2.4通用電子示波器的原理3.2.4.5X輸出放大器X輸出放大器將由掃描電路送來的鋸齒波掃描電壓由單端輸入轉變成對稱的雙端輸出，并進行功率放大，以便驅動示波管內的水平偏轉板X1和X2。在X輸出放大器中設置了一個“拉×10”開關（在示波器面板上），當這個開關拉出時，X輸出放大器的增益提高10倍，完成×10擴展功能，從而使掃描速度最小為0.2μs/cm擴展為20ns/cm。因此，擴大了掃描速度的范圍。3.2.4通用電子示波器的原理3.2.4.6雙蹤顯示原理在示波器的龐大家族中，雙蹤示波器的應用最廣泛。如何實現雙蹤顯示呢？通常采用交替和斷續兩種顯示方式。1.交替顯示方式

電子開關的轉換頻率受掃描電路的控制。2.斷續顯示方式

電子開關工作在自激振蕩狀態（不受掃描電路控制），其頻率在100Hz～1000Hz范圍內，將兩個被測信號分割成很小段輪流顯示，見圖3-17b。圖3-17雙蹤顯示原理a）交替顯示方式b）斷續顯示方式3.3智能化數字存儲示波器3.3.1概述微型計算機技術進入了儀器儀表的設計與制造領域，使儀器儀表的原理、功能和精度水平都發生了根本的變化。不但簡化、甚至淘汰了傳統儀器儀表設計中某些難予實現和突破的關鍵問題，而且賦予這一代儀器儀表以識別（判斷）、記憶、分析、計算和可程控等功能。人們稱這些微機化的儀器儀表為“智能化儀器儀表”。智能化已成為儀器儀表發展的主要方向。與傳統的示波器相比，智能化數字存儲示波器具有許多特點：功能強、提高性能指標、自動化程度高、強大的通信功能、自診斷故障。3.3智能化數字存儲示波器3.3.2智能示波器的組成原理及工作方式圖3-18示出了具有代表性的智能化數字存儲示波器的組成原理框圖。由圖可見，垂直偏轉部分、水平偏轉部分和CRT顯示部分與傳統示波器的原理基本相似，所不同是微機控制與存儲部分。各部分電路之間通過總線結構連接，操作者對儀器的控制是利用面板的鍵盤通過總線向CPU傳送控制信號來實現的。整機的工作在程序控制下進行。圖3-18智能化數字存儲示波器原理框圖3.3智能化數字存儲示波器3.3.3智能示波器的主要功能及應用

1.S/H與A/D轉換

該電路是示波器數字存儲工作方式的基礎部件。S/H和A/D轉換的最高工作速度直接影響數字存儲工作方式的工作帶寬。S/H的速度遠比A/D轉換的速度高得多，故數字存儲示波器的額定工作帶寬主要受A/D轉換速度的限制。2.觸發方式

有常態觸發和預置觸發（延遲觸發）兩種方式。開機或復位后自動進入常態觸發，而預置觸發必須通過鍵盤預設定。3.存儲器及存儲方式

智能數字存儲示波器的存儲器主要有三種：信號存儲器及存儲方式、參考存儲器和顯示緩沖存儲器。3.3智能化數字存儲示波器4.掃描發生器

由前述可知，模擬示波器由密勒積分電路產生鋸齒波掃描電壓，由于掃描電壓正程具有非線性和具有一定的回掃時間，CRT上顯示的波形失真。5.顯示方式

智能化數字存儲示波器由于微機的強大的控制、計算和存儲能力，可實現多種靈活的顯示方式，以適應不同波形的觀測。6.測量與計算功能

智能化數字示波器內部有微機系統、A/D和D/A等硬件，除了能在CRT上顯示被測信號波形和波形參數外，還具備了數字化測量儀器儀表的所有功能。帶寬和價格始終是智能化數字存儲示波器是否能取代模擬示波器的兩個至關重要的問題。這兩個問題的突破性解決，是主要研究方向之一。3.4示波器的主要工作特性及其選擇3.4.1主要工作特性示波器的主要性能有幾十項，為了知道正確選擇和使用示波器，必須了解下列五項性能指標。

1.頻率響應（頻帶寬度）

2.時域響應（瞬態響應）

表示放大電路在輸入方波脈沖信號作用下的過渡特性。

3.偏轉靈敏度

指輸入信號在無衰減情況下，亮點在屏幕上偏轉1cm或1格）所需信號電壓的峰－峰值。

4.輸入阻抗

5.掃描速度（時基因素）3.4示波器的主要工作特性及其選擇3.4.2示波器的選擇示波器的種類很多，新產品日新月異，對使用者來說，如何根據被測信號的特點正確選擇示波器，是一個很重要的問題。

3.4.2.1一般選擇原則

3.4.2.2按示波器的性能來選擇3.5信號的頻譜分析電信號既可以用時域分析法來分析，也可以用頻域分析法來分析，但它們分析的角度和適用場合是不同的。頻域分析法用于測量各種電信號的電平、頻響、頻率純度和諧波失真以及網絡特性等是很有效的。其典型儀器是頻譜分析儀。3.5.1頻譜分析儀的種類3.5.2頻譜分析儀的工作原理3.5.3頻譜分析儀的工作特性3.5信號的頻譜分析3.5.1頻譜分析儀的種類根據頻譜分析儀的工作原理，可分如下幾種類型：1.多通道濾波式2.掃頻濾波式3.掃頻外差式4.時基壓縮式5.快速傅立葉變換（FFT）式3.5信號的頻譜分析3.5.2頻譜分析儀的工作原理3.5.2.1中頻頻譜分析儀的原理中頻外差式頻譜分析儀有一次混頻濾波式和多次混頻濾波式兩種。一次混頻濾波式的濾波特性所獲得的窄脈沖，實際上是一個動態幅頻特性圖形，不是一條理想的線條。而且其選頻特性較差，靈敏度和頻率分辨率較低，故較多使用多次混頻濾波式組成中頻頻譜分析儀。圖3-35示出了四次混頻、濾波和中放的頻譜分析儀的原理框圖。這類儀器可獲得較好的性能指標。圖3-35中頻頻譜分析儀組成框圖3.5.2.2低頻頻譜分析儀的原理分析或測量頻率較低的信號如聲學、振動和生物電信號等，頻譜儀必須解決的問題是選用窄帶濾波器。要使窄帶濾波器獲得較好的頻率響應特性，要求掃描頻率必須很慢，但這樣難以得到清晰的顯示。解決的方法之一是用數據存儲顯示器。圖3-43為典型的低頻頻譜分析儀原理框圖。圖3-43典型的低頻頻譜分析儀原理框圖3.5信號的頻譜分析3.5.3頻譜分析儀的工作特性掃頻外差式頻譜分析儀的主要工作特性有幅頻特性、頻率特性和掃頻特性。1.幅頻特性2.頻率特性3.掃頻特性掃頻速度對靈敏度和頻率分辨率是由影響的。可以證明，掃頻速度快，頻率分辨率要變壞，靈敏度也要下降。要合理選擇掃頻速度，以保證有較高的靈敏度和較好的分辨率。3.5信號的頻譜分析3.5.4頻譜分析儀的應用范圍1.測量信號的參數2.噪聲測量3.電子設備的調試4.網絡分析5.信號仿真測量6.用于國防

此外，附有跟蹤發生器的頻譜儀，由于比一般頻譜儀具有頻率精確度高、靈敏度高、動態范圍寬（大于120dB）、窄/寬掃描寬度和選擇靈活等，更擴大了它的應用范圍。3