电气测量技术-电子式电测仪表课件.ppt

1、l知足常乐，历经兵农工商学。知足常乐，历经兵农工商学。l历经：历经：兵团开车，地方修车，企业管理：技术、运营、兵团开车，地方修车，企业管理：技术、运营、物流、安全、保卫，物流、安全、保卫，l职任：职任：客运站长、客运站长、公司经理，公司经理，集团技术总监，集团技术总监，总经理总经理及法人代表。及法人代表。l学历：学历：本科、本科、MBA，l专业：专业：汽车维修与使用、企业管理、经济管理。汽车维修与使用、企业管理、经济管理。l职业资格与职称：职业资格与职称：高级工程师、高级技师、国家经济师、高级工程师、高级技师、国家经济师、高级技能专业教师、高级国家职业资格考评员。高级技能专业教师、高级国家职业

2、资格考评员。管理科管理科学研究院特约讲师、学研究院特约讲师、管理顾问有限公司高级讲师。管理顾问有限公司高级讲师。客座客座任教：任教：大学、大学、技师学院、国家职业资格培训与考评及企技师学院、国家职业资格培训与考评及企业内部职业培训。业内部职业培训。Q号号657555589朱明朱明 百度个人主页百度个人主页 (本人教学资料搜索本人教学资料搜索:朱明朱明zhubob(资料内容资料内容)朱明工作室朱明工作室前前l主要讲示波器。主要讲示波器。它是一种用荧光屏显示电量随它是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。时间变化过程的电子测量仪器。l 它能把人的肉眼无法直接观察到的电信号转换它能把人的

3、肉眼无法直接观察到的电信号转换成人眼能够看到的波形，成人眼能够看到的波形，具体显示在荧光屏上，具体显示在荧光屏上，以便对电信号进行定性和定量观测，以便对电信号进行定性和定量观测，其他非电其他非电物理量亦可经转换成为电量，使用示波器进行物理量亦可经转换成为电量，使用示波器进行观测。观测。l根据用途与特点：可分为通用示波器、取样示根据用途与特点：可分为通用示波器、取样示波器、数字存储示波器和专用示波器。波器、数字存储示波器和专用示波器。本本章章l电子示波器原理电子示波器原理l电子示波器的应用电子示波器的应用l取样示波器取样示波器l数字存储示波器数字存储示波器3.1 电电子子3.1.1 示波器的基本

4、结构示波器的基本结构通用示波器原理框图通用示波器原理框图 1示波管示波管 简称简称 CRT（Cathode Ray Tube），它是一种，它是一种利用高速电子冲击荧光屏使它发光的显示器件。由利用高速电子冲击荧光屏使它发光的显示器件。由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成，整个结电子枪、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。构密封在一个喇叭状的抽成真空的玻璃壳中。电子枪由电源驱动产生电子束，经一组水平偏电子枪由电源驱动产生电子束，经一组水平偏转板和垂直偏转板作用后射向荧光屏，形成出亮点转板和垂直偏转板作用后射向荧光屏，形成出亮点（线）。（线）。电电子子示示

5、当只有交变的被当只有交变的被测信号经垂直放大器测信号经垂直放大器加到垂直偏转板上时，加到垂直偏转板上时，仅在屏幕上形成一条仅在屏幕上形成一条垂线，其长短反映被垂线，其长短反映被测信号强弱。测信号强弱。为屏幕显示交变信为屏幕显示交变信号，必须扫描，即号，必须扫描，即水平偏转加扫描电水平偏转加扫描电压（锯齿波信号）压（锯齿波信号）扫描：扫描：若垂直偏转不加信号，屏幕光电随锯齿波线性增加左若垂直偏转不加信号，屏幕光电随锯齿波线性增加左向右等速直线移动，一个周期结束，返回原点。向右等速直线移动，一个周期结束，返回原点。X轴称时间轴称时间轴，水平线称轴，水平线称“时基时基”。交变信号经扫描后，屏幕显示见

6、上图。交变信号经扫描后，屏幕显示见上图。电电子子示示2.扫描方式扫描方式 示波器中的扫描电压锯齿波是一种线性时间基线。示波器中的扫描电压锯齿波是一种线性时间基线。线性时基扫描可分成连续扫描和触发扫描两种方式。线性时基扫描可分成连续扫描和触发扫描两种方式。左下图是连续扫描电压波形，左下图是连续扫描电压波形，回扫后没有等待时间，回扫后没有等待时间，故适用于观测连续信号。故适用于观测连续信号。右下图是触发扫描电压波形，右下图是触发扫描电压波形，它只在触发信号的激它只在触发信号的激励下才开始扫描，励下才开始扫描，每完成一次扫描后就处于等待状态，每完成一次扫描后就处于等待状态，直到下一次触发信号到来时再

7、进行扫描。直到下一次触发信号到来时再进行扫描。电电子子示示l 采用连续扫描时，采用连续扫描时，如果如果Tn nTs，屏，屏 幕上的波形会有幕上的波形会有 “移动移动”现象现象 Tn：扫描周期：扫描周期 Ts：被测信号周期：被测信号周期如果如果Tn=4Ts，屏幕将显示几个周期波形？，屏幕将显示几个周期波形？电电子子示示l 触发扫描触发扫描 将被测信号到来时采将被测信号到来时采样到触发电路，产生样到触发电路，产生触发脉冲，启动时基触发脉冲，启动时基发生器，使示波器发生器，使示波器（对信号相同点）从（对信号相同点）从左到右扫描。左到右扫描。信号经采样、形成触发脉冲、扫描发生需约信号经采样、形成触发脉

8、冲、扫描发生需约0.15us延迟，由延迟电路（线）匹配。延迟，由延迟电路（线）匹配。电电子子示示3.双踪显示双踪显示 为了观察和比较两个不同电压波形可采用双为了观察和比较两个不同电压波形可采用双踪显示，实现的方法一般是用双束示波管或用单踪显示，实现的方法一般是用双束示波管或用单束示波管外加电子开关。束示波管外加电子开关。采用双束示波管的示波器结构复杂、价格较采用双束示波管的示波器结构复杂、价格较贵。利用单束示波管实现双踪显示的方法如图所贵。利用单束示波管实现双踪显示的方法如图所示：示：电电子子示示l控制控制S1、S2的方法有两种，即的方法有两种，即交替法交替法和和断续法断续法。l 交替法控制中

9、，用扫描信号控制电子开关交替法控制中，用扫描信号控制电子开关S1和和S2，轮流完成轮流完成整个扫描周期整个扫描周期。如果接通速度快，因余。如果接通速度快，因余辉效应，屏幕有两个稳定波形。如果扫描速度慢，辉效应，屏幕有两个稳定波形。如果扫描速度慢，会有波形闪烁或交替。会有波形闪烁或交替。l断续法用固定频率（断续法用固定频率（10KHz）方波控制开关接通，）方波控制开关接通，S1和和S2按按0.1ms速度交替接通，屏幕显示两个断续速度交替接通，屏幕显示两个断续波形。波形。l断续法为轮流分段扫描，如果被测信号频率低，断续法为轮流分段扫描，如果被测信号频率低，虚线间距小，可以想向为实线。但若被测信号频

10、虚线间距小，可以想向为实线。但若被测信号频率高，信号将难以复原。率高，信号将难以复原。交交替替法法(a)交替法显示波形交替法显示波形 (b)断续法显示波形断续法显示波形4.其它其它l被测信号微弱，要先经放大器放大。被测信号微弱，要先经放大器放大。l 灵敏度选择开关灵敏度选择开关(“V/DIV”或或“VOLTS/DIV”)l 扫描速度控制扫描速度控制(“T/DIV”或或“SEC/DIV”)l 示波器电源（高压部分和低压两部分示波器电源（高压部分和低压两部分）3.1.2 示示波波器器l频率响应范围频率响应范围 通频带通频带l扫描速度扫描速度 与信号频率对应，扫描速度范围越宽越好与信号频率对应，扫描

11、速度范围越宽越好l输入阻抗输入阻抗 用电阻用电阻Ri与电容与电容Ci并联等效，并联等效，Ri越大，电容越大，电容Ci越小，对被测信号影响越小。越小，对被测信号影响越小。l偏转灵敏度偏转灵敏度 荧光屏偏转单位长度对应无衰减被测信号峰荧光屏偏转单位长度对应无衰减被测信号峰-峰值大小，体现观察微弱信号能力。峰值大小，体现观察微弱信号能力。l时域响应指标时域响应指标HLHBWfff时时域域响响标准矩形方标准矩形方波的示波器波的示波器显示图形显示图形 时域响应指标反映示波器的电子电路在方波脉时域响应指标反映示波器的电子电路在方波脉冲作用下的响应特性，主要用上升时间冲作用下的响应特性，主要用上升时间tr、

12、下降时间、下降时间tf、上冲、上冲S0、下冲、下冲Sn、预冲、预冲Sp、下垂、下垂等参数表示。等参数表示。3.2 电电子子示示3.2.1电压的测量电压的测量l 交流电压的测量交流电压的测量 2 2PPVV 有有效效值值/()P PVV DIVH DIV 测量时要注意探头衰减测量时要注意探头衰减电电压压Y轴耦合方式置轴耦合方式置“GND”，调节直线在屏幕位，调节直线在屏幕位置作基准。置作基准。耦合方式置耦合方式置“DC”，调节波形完整显示。，调节波形完整显示。根据波形高点偏离扫描基线距离读出数据。根据波形高点偏离扫描基线距离读出数据。l直流直流电压的测量电压的测量 3.2.2 时时l 时间间隔的

13、测量时间间隔的测量 82/161msms 时时间间间间隔隔格格格格 /s 两两点点间间水水平平距距离离 格格扫扫描描时时间间系系数数 时时间间 格格时时间间间间隔隔水水平平扩扩展展系系数数时时间间l 上升时间的测量上升时间的测量 1.81/0.365ss 格格格格上上升升时时间间1直接测量法直接测量法o360dD oo1360409 两两个个同同频频率率信信2李萨育图形法李萨育图形法2sincoscossin cossin1mmmmxxyYttYXX12sinmyyy 112hyy 22mhY 12arcsinhh 3.2.4 频频YXff Xf l对于重复信号的频率，可先测信号周期，再计对于

14、重复信号的频率，可先测信号周期，再计算频率。可采用算频率。可采用扩展周期扩展周期计算方法。计算方法。l频率测量的另一种方法是李萨育图形法，即在频率测量的另一种方法是李萨育图形法，即在示波器的示波器的X轴加可调标准频率信号，在轴加可调标准频率信号，在Y轴加轴加被测信号。反复调节标准信号的频率和幅值，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，则被测频使示波器显示稳定的圆形或椭圆形，则被测频率率 ，式中，式中 为标准信号的频率值。为标准信号的频率值。3.3 取取l通用示波器的波形显示过程中，测量时通用示波器的波形显示过程中，测量时间与被测信号的实际持续时间相等，属间与被

15、测信号的实际持续时间相等，属于实时测量方法。于实时测量方法。l实时测量方法受实时测量方法受Y轴放大器带宽、时基轴放大器带宽、时基扫描速度限制，扫描速度限制，fH1500MHz。l利用取样技术，高频信号变换成低频，利用取样技术，高频信号变换成低频，普通示波器可以显示高频信号。称非实普通示波器可以显示高频信号。称非实时取样示波器。时取样示波器。3.3.1 取样保持器的基本原理图取样保持器的基本原理图 取样示波器工作波形图取样示波器工作波形图 取样脉冲周期：取样脉冲周期：iTmTt 取样次数：取样次数：/inTt 取样时间：取样时间：/eiTnTTTtmin/2itT 其中：其中：3.3.2 取取样

16、样示示取样示波器原理框图取样示波器原理框图 高频信号高频信号低频信号低频信号3.4 数数字字l非实时取样示波器可以提高测量上限频非实时取样示波器可以提高测量上限频率，但只适合观察周期信号，受取样门率，但只适合观察周期信号，受取样门等关键器件制约。等关键器件制约。l数字示波器又称数字存储示波器，具有数字示波器又称数字存储示波器，具有传统模拟示波器远不能及功能、精度、传统模拟示波器远不能及功能、精度、带宽。带宽。l模拟信号采样、模拟信号采样、A/D转换、存储、转换、存储、D/A输输出，完全取代取样示波器。出，完全取代取样示波器。分实时和存储两种工作模式。分实时和存储两种工作模式。实时工作模式与传统

17、模拟示波器相同。实时工作模式与传统模拟示波器相同。存储工作模式时，工作过程分存储与显示两个阶段。存储工作模式时，工作过程分存储与显示两个阶段。1采样方式采样方式（1）实时采样）实时采样（2）等效时间采样）等效时间采样 随机采样随机采样 顺序采样顺序采样（2）等效时间采样）等效时间采样 随机采样随机采样多点随机采样多点随机采样 顺序采样顺序采样非周期信号只能采用实时采样方式。非周期信号只能采用实时采样方式。2采样速率采样速率 又称数字化速率，有又称数字化速率，有3种表示方法：种表示方法：用单位时间采样次数，如用单位时间采样次数，如20106次次/秒秒用采样频率表示，如用采样频率表示，如20MHz

18、用信息率（每秒存储比特数据），如用信息率（每秒存储比特数据），如160MB，相当于相当于8位位A/D，20106次次/秒采样速率。秒采样速率。数字示波器采样速率受存储器容量限制，又称数字示波器采样速率受存储器容量限制，又称记录长度，用能够连续存入的最大字节数或采样点记录长度，用能够连续存入的最大字节数或采样点数表示。不同扫描速率时，要求采样速率是不一样，数表示。不同扫描速率时，要求采样速率是不一样，以防止采样存储溢出，关系式为：以防止采样存储溢出，关系式为：记记 录录 长长 度度采采 样样 速速 率率 扫扫 描描 速速 率率屏屏 幕幕 水水 平平 宽宽 度度例：例：一个示波器有一个示波器有10

19、24波形存储单元，屏幕宽度波形存储单元，屏幕宽度10格格（DIV），扫描速率），扫描速率10us/DIV，则采样速率为：，则采样速率为：102410.24us=10.24MHz10 10 次次/数数字字存存储储示示波波器器3采样器件采样器件两路组两路组合采样合采样原理图原理图 并联比较式并联比较式A/D转换器转换器 CCDA/D技术技术 CCDA/D组合采组合采集原理图集原理图 数数字字存存储储示示波波器器4采样存储器采样存储器采样存储器的结构形式采样存储器的结构形式 采用环形结采用环形结构进行循环存储，构进行循环存储，串行寻址方式，串行寻址方式，存满后数据覆盖，存满后数据覆盖，记录长度等于环

20、记录长度等于环长度。长度。数数字字存存储储示示波波器器5触发方式触发方式触发功能示意图触发功能示意图 毛刺触发捕捉尖峰干扰的波形毛刺触发捕捉尖峰干扰的波形 模拟示波器：模拟示波器：扫描由触发扫描由触发启动。启动。数字示波器：数字示波器：沿用触发叫沿用触发叫法，设置触发功能（存储法，设置触发功能（存储器选取信号标志）。器选取信号标志）。数字示波器设有延迟数字示波器设有延迟环节，分正延迟触发和环节，分正延迟触发和负负延迟延迟触发触发延迟触发功能用于观测延迟触发功能用于观测单次非周期信号时，作单次非周期信号时，作用明显。用明显。1点显示技术点显示技术视觉混淆示意图 在屏幕上以有间在屏幕上以有间隔点的

21、形式将信号波隔点的形式将信号波形显示出来，考虑到形显示出来，考虑到带宽，一般要求每个带宽，一般要求每个信号周期信号周期2025个点。个点。可以实现较少点构成可以实现较少点构成波形，但容易造成光波形，但容易造成光学错觉。学错觉。数数字字存存储储示示波波器器2数据点插入技术数据点插入技术 用数据点插入技术可以解决视觉错误问题，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。主要有两种插入方法，即线性插入和曲线插入。线性插入按直线方式将一些点插入采样点之间，线性插入按直线方式将一些点插入采样点之间，各采样点间用直线连接各采样点间用直线连接 ，容易造成顶尖幅值误差。，容

22、易造成顶尖幅值误差。曲线插入按曲线方式将一些点插入采样点之间，曲线插入按曲线方式将一些点插入采样点之间，常用有正弦插入法与改进型正弦插入法。常用有正弦插入法与改进型正弦插入法。参阅相应内插法文献参阅相应内插法文献l系统需要完成数据采集、数据处理、显示、人机系统需要完成数据采集、数据处理、显示、人机控制等功能，现代数字存储示波器出现多控制等功能，现代数字存储示波器出现多CPU系系统。统。l主主CPU：具有相应的存储器：具有相应的存储器(ROM、RAM)、输、输入输出接口（入输出接口（I/O）和外设）和外设(键盘、显示器等键盘、显示器等)，执行管理整个仪器的软件。执行管理整个仪器的软件。l从从CP

23、U：在主：在主CPU管理下完成一部分工作，如数管理下完成一部分工作，如数据采集据采集CPU、数据处理、数据处理CPU、通信管理、通信管理CPU等。等。1 1最高采样速率最高采样速率 单位时间采样次数，数字化速率，单位单位时间采样次数，数字化速率，单位S/sS/s（次（次/秒）秒）sfsNft DIV 2 2存储带宽存储带宽BW（1）重复带宽）重复带宽 等效带宽，重复信号，非实时采样等效带宽，重复信号，非实时采样（2）单次带宽）单次带宽 有效存储带宽，测单次信号。有效存储带宽，测单次信号。maxsfBWk:Nt DIV每每格格采采样样点点数数：扫扫描描速速率率max:sfk最最高高采采样样速速率

24、率：每每周周期期采采样样点点数数数数字字存存储储示示波波器器3分辨率分辨率 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，包括垂直分辨率和水平分辨率两种。垂直（电压）分辨元，包括垂直分辨率和水平分辨率两种。垂直（电压）分辨率对应率对应A/D转换分辨率，水平（时间）分辨率由采样速率与存转换分辨率，水平（时间）分辨率由采样速率与存储容量决定。储容量决定。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示波器常用256、512、1K、4K等容量的高速半导体存储器。等

25、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，常用指将数据从存储器中读出的速度，常用“时间时间/DIV”表示，表示，其中，其中，“时间时间”为屏幕上每格对应的存储容量为屏幕上每格对应的存储容量读脉冲周期。读脉冲周期。本本章章l思考题：思考题：3-1，3-4l练习题练习题 3-11，3-12 3-14，3-16 3-17，3-19习习题题分分析析解：解：12arcsinhh 图（图（a a）O7arcsin44.410 图（图（b b）O90 习习题题分分析析uXtuYt习习题题分分析析解：解：最快扫描速度时，整屏扫描时间为：最快扫描速度时，整屏扫描时间为：0.210

26、/10=0.2us设测量最高频率时，屏幕显示设测量最高频率时，屏幕显示1 1个波形，则：个波形，则：fmax=1/0.2=5 MHz习习题题分分析析解：解：最快扫描速度时，整屏扫描时间为：最快扫描速度时，整屏扫描时间为：0.0110=0.1us测量最高频率时，屏幕显示测量最高频率时，屏幕显示2 2个波形个波形,则：则：fmax=2/0.1=20 MHz习习题题分分析析解：解：（1 1）AC：交流耦合方式不能测直流：交流耦合方式不能测直流（2）DC：直流耦合方式可测交流，注意零点偏移：直流耦合方式可测交流，注意零点偏移（3 3）GNDGND：调整示波器（水平轴）零点：调整示波器（水平轴）零点习习题题分分析析解：解：（1 1）20 MHz（2）20 kHz（3 3）20 Hz/sNft DIV