《电气测试技术 教学课件 ppt 作者 陈荣保 第04章 电子式测试技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气测试技术 教学课件 ppt 作者 陈荣保 第04章 电子式测试技术（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章电子式测试技术 4.1 概述 4.2 信号发生器 4.2.1 模拟信号发生器 4.2.2 数字信号发生器 4.2.3 任意信号发生器 4.3 示波器 4.3.1 简介 4.3.2模拟示波器 4.3.3 数字示波器 4.3.4 示波器的测量技术 4.3.5 示波器的应用 习题,第4章 电子式测试技术,4.1 概述,按照测量仪器的功能，电子测量仪器可分为： 专用 和通用 两大类。,按其功能分类，电子测量仪器包括以下几种：,1）信号发生器,2）稳压电源,4）频率、时间测量仪器,9）辅助仪器,8）网络特性测试仪器,7）电波特性测试仪器,6）电子元器件测试仪器,5）信号分析仪器,3）电参量测量仪器
2、,电子测量仪器,4.2 信号发生器,函数信号发生器实际上是一种多波形信号源，可以输出正弦波、方波、三角波、脉冲波、锯齿波等。由于其输出波形均可用数学函数描述，故命名为函数信号发生器。 特征：幅度 频率 相位,图4-1 基本脉冲特点图,4.2.1 模拟信号发生器,信号来源分类： 采用振荡器的信号发生器 采用稳态触发电路的信号发生器。 1、采用振荡器的信号发生器工作原理如图4-2所示,图4-2 采用振荡器的信号发生器原理图,2、采用稳态触发电路的信号发生器工作原理如图4-3所示,图4-3 采用稳态触发电路的信号发生器原理图,1.开始工作时，双稳态触发电路 输出端电压为 -E，经过电位器RP分压（设
3、分压系数 ），积分器输出端D点电位随时间t正比上升。当经过时间 ， 上升到 时，比较器1输出触发脉冲使双稳态电路翻转， 端输出电压为E并使积分器输出端 D点电位 。再经过时间 ， 下降到 时，比较器2输出触发脉冲使双稳态电路再次翻转， 端重新输出-E，如此周而复始，在 端产生周期性方波，在积分器输出端产生三角波。,如果比较器1、2正负比较电平完全一样，则得到的将是完全对称的方波和三角波。如果改变积分器正向、反向积分时间常数，如用二极管代替电阻R，将产生锯齿波和不对称的方波，上述情况下函数信号发生器的波形如图4-4所示。,图4-4 函数信号波形,将对称三角波转换为正弦波的原理如图4-5（a）所示
4、,（a）正弦波的折线近似,1、正弦波可看成是由许多斜率不同的直线段组成的，只要直线段足够多，由折线构成的波形就可以相当好地近似正弦波形，斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得到（各段相应的分压系数不同） 2、将三角波ui通过一个分压网络，根据ui的大小改变分压网络的分压系数，便可得到近似的正弦波输出,二极管整形网络（如图4-5（b）所示）,（b）二极管整形网络 图4-5 由三角形整形的正弦波,4.2.2 数字信号发生器,数字信号发生器一般采用直接数字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）技术。 DDS的原理框图如图4-6所示。,图4-6 DDS原理框图,4.2.3 任
5、意信号发生器,一个信号可表示为 （4-3） Tp为信号的脉冲重复周期 ai为一个M进制的数值序列 g(t)是信号的单元脉冲,图4-7是其中的实现方法之一。,图4-7 某款任意波形发生器,4.3 示波器,示波器测量的是电压信号，但与电压表不同，它们的主要区别如下： 1）电压表测出被测信号的数值，是有效值，也能测出信号的峰值电压和频率，但不能测出有关信号形状的信息。示波器能以图形的方式显示被测信号随时间变化的历史情况。 2）一台电压表只能测量一个信号，示波器能同时显示两个或多个信号。 3）电压表测量电压的频率范围最高到kHz量级，而示波器至少可达MHz量级。,4.3.1 简介,4.3.2模拟示波器
6、,模拟示波器的功能原理框图如图4-8所示,图4-8 模拟示波器功能原理框图,其主要有以下5个部分组成：,1）Y轴输入通道,2）X轴扫描电路,3）示波管（CRT），显示被测信号的波形,4）同步触发电路，调节电路使波形稳定,5）电源电路，为以上电路提供工作电压和电流。,模拟示波器基本上采用具有静电偏转的阴极射线示波管（CRT），它主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，是示波器观察电信号波形的关键器件。CRT的结构示意图如图4-9所示。,图4-9 CRT结构示意图,4.3.3 数字示波器,早期典型的数字示波器基本结构框图如图4-10所示。,图4-10 早期数字示波器结构原理图,采用FPGA的新一
7、代数字示波器,将FPGA与数字信号处理器（DSP）结合在一起，再运用DSP的软件算法能力和速度，构成的新型数字示波器的功能实现如图4-12所示,图4-12 基于FPGA和DSP的现代数字示波器功能示意图,数字示波器的结构 数字示波器的结构如图4-13所示，模拟通道包括探头、输入衰减器和信号调理电路。,图4-13 数字示波器结构示意图,探头,图4-14 示波器探头结构图,图4-15 示波器探头和衰减器的作用,信号调理,示波器的信号调理是将输入信号通过滤波、放大等转换，使之能适合ADC的量化条件。,A/D转换器 A/D转换器（ADC）是将连续变化的模拟电信号转换成以指定数字代码或权值形式的功能电路
8、，其实现的电路模式较多，将在第5章介绍。,现场可编程门阵列（FPGA）,特点：,1）采用FPGA设计ASIC电路（专用集成电路），用户不需要投片生产，就能得到适用的芯片。 2）FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路中的试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5）FPGA采用高速HCMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。,数字信号处理器 数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）是数字示波器的核心,平板显示器,1）液晶显示器（Liquid crystal
9、displays，LCD）,图4-16 LCD工作原理示意图,图4-17 DPD原理示意图,2）等离子体显示器（Plasma Display Pane，PDP）,3）有机放光二极管（Organic Light-Emittingdiode Displays，OLED）,图4-18 OLED显示器基本原理示意图,数字示波器的数字信号获取,数字示波器的关键技术之一是能够实时采集各种随时间变化的、可转换到电压模式的信号，同时能把该信号量化（ADC），并给予存储。图4-21所示的就是对一个连续变化的正弦波信号进行等间隔采样，然后转换成量化数据，以便于保存。,图4-21 数字信号获取过程,数字示波器波形显
10、示原理,图4-22 示波器波形显示过程图,1）光点在竖直方向的运动。,2）光点在水平方向的运动。,3）光点的合成运动。,A/D转换器和垂直分辨率,图4-23 垂直分辨率,构成ADC所用的比较器越多，其电阻链越长，ADC可以识别的电压层次也越多。这个特性称为垂直分辨率。垂直分辨率越高，从示波器上的波形中可以看到的信号细节越小，如图4-23所示。,时基和水平分辨率,两个采样点之间的时间间隔为 采样间隔 = 时基设置(sdiv)采样点数 （4-4） 若时基设置为lmsdiv，且每格有50个采样点，则可以计算出采样间隔为 采样间隔 = 1ms50 = 20s （4-5） 采样速率是采样间隔的倒数，即
11、采样速率 = 1采样间隔 （4-6）,设有一台示波器，其最大采样速率为l00MSs，那么示波器实际使用这一采样速率的时基设置值应为,数字示波器的特点,1）波形的采样、存储与波形的显示可以分离。 2）能长时间地保存信号。 3）具有先进的触发功能。 4）测量精度高。 5）具有很强的数据处理能力。 6）具有数字信号的输入输出功能。,数字示波器的性能指标,采样速率fs 数据记录长度L 频带宽度BW,（4-8）,分辨率 垂直灵敏度及其误差 （4-9） 扫描速度及其误差 （4-10） （4-11） 触发灵敏度及触发抖动 屏幕刷新率,4.3.4 示波器的测量技术,电压测量,直流电压测量,测量直流电压时，首先
12、置“自动”触发方式使屏幕出现扫描线，选择通道CH1或CH2后，耦合选择开关置“GND”，调整垂直移位使扫描基线光迹移到中间或其他适当位置上，并把它作为零电平线的位置，如图4-24中所示的“测量前”。,图4-24 示波器直流电压测量,交流电压测量 测量交流电压时，首先使选定通道的示波器输入端短路，置示波器“自动”扫描方式，使屏幕上出现一条扫描基线，如图4-24中所示的“测量前”。示波器的耦合开关放在“AC”位置，触发源选择“内触发INT”，接入被测信号，如图4-25（a）所示。,含有直流分量的正弦电压测量,在交流电压测量时，关注3个电压值，即振幅值Um、峰-峰值Upp和有效值 U，其中,。Um、
13、Upp的含义如图4-25（b）所示。,图4-25 示波器交流电压测量,（a）,（b）,时间测量,时间测量时，需要将示波器扫描时基校准旋钮旋至校准位置。距离D为波形所占的水平格数，如图4-26所示，则两点间的时间间隔T=t/divD。当D是某一波形一个周期的距离时，计算出的T为该波形的周期。当D是某一脉冲宽度时，计算出的T为该脉冲的脉宽。,图4-26 示波器时间测量,频率测量,当两个信号频率不同时，可产生不同的图形，如图4-27所示。,图4-27 示波器李沙育法测量频率,在李沙育图形的水平和垂直方向上做两条互相垂直的直线，如图4-28所示，水平线与李沙育图形的交点数,和垂直线与李沙育图形的交点数
14、,之比即为频率比：,图4-28 李沙育图形交点法,相位测量 采用测量时间的方法测量出图4-29（a）中两个同频率信号之间xi的时间值，通过计算得到两个信号之间的相位为,（4-13）,采用图4-29（b）所示为同频、等幅、不同相位时的李沙育图形。图中，,为李沙育图形与通过图形中心的Y轴的两个交点间的距离；,为李沙育图形的最大高度，则有,图4-29 示波器测量相位,（a）,（b）,单音调幅系数的测量 单音调制时，调幅系数可表示为,式中Um为载波振荡的振幅；,为载波振荡的频率；,为低频调制信号频率；,为调幅系数。可以将调幅波信号直接加至示波器予以观察，如图4-30所示，调幅系数为,（4-15）,图4
15、-30 调幅波波形图,4.3.5 示波器的应用,电压测量,图4-31 示波器多电压测量示意图,峰-峰值（Vpp）：波形最高点和最低点之间的电压值。 最大值（Vmax）：波形最高点对GND（地）的电压值。 最小值（Vmin）：波形最低点对GND（地）的电压值。 幅值（Vamp）：波形顶部与底部之间的电压值。 顶端值（Vtop）：波形顶部对GND（地）的电压值。 底端值（Vbase）：波形底部对GND（地）的电压值。 过冲（Overshoot）：波形最大值与顶端值之差与幅值之比。 预冲（Preshoot）：波形最小值与底端值之差与幅值之比。 平均值（Vaverage）：信号的平均值。 均方根值（V
16、rms）：信号的有效值。,对输入信号进行多电压测量，其中各点电压的物理意义为：,时间测量,图4-32 示波器多时间测量示意图,如图4-32所示，对输入信号进行多时间测量，其中各点时间的物理意义为：,上升时间（Rise Time）：波形幅度从10%上升至90%的时间。 下降时间（Fall Time）：波形幅度从90%下降至10%的时间。 正脉宽（Positive Width）：正脉冲在50%幅度时脉冲宽度。 负脉宽（Negative Width）：负脉冲在50%幅度时脉冲宽度。 上升沿延时时间：通道1、2相对于上升沿的延时。 下降沿延时时间：通道1、2相对于下降沿的延时。 正占空比：正脉冲与周期的比值。 负占空比：负脉冲与周期的比值。,示波表,图4-33所示为示波表的结构原理图。,图4-33 示波表结构原理图,下面所列的是某型号手持式数字示波表的主要技术指标如下：,模拟带宽：10MHz；单次
