电气测试技术第4版课件5.11数字化测量仪表分析.pptx

1、电气测试技术 电气测试技术（第电气测试技术（第4版）版）万频 林德杰 李学聪电气测试技术 5.11 数字化测量仪表分析电气测试技术 5.11 数字化测量仪表分析 在生产实践中，周期现象是极为普遍的，例如正弦波信号等。各种传感器和测量电路常将被测量变换成周期信号来进行检测，这是因为频率测量是目前测量精度最高的参量之一，它能达到10-13的精确度。频率和周期是从不同的侧面来描述周期现象的，二者互为倒数关系，即：可见，只要测得一个量就可以换算出另一个量。相位和时间也是密切相关的，二者也可以互相转换，例如50HZ交流电源，一个周期为20ms，对应相位为360，如果测出时间间隔为5ms，则知相位为90。

2、可见，可以利用测量时间的方法来测量相位的变化。1fT电气测试技术 5.11.1 数字式计数频率计 1 时间基准的产生时间基准的产生 频率是每秒内信号变化的次数，欲准确地测量频率，必须要确定一个准确的时间间隔。由于稳定度良好的石英晶体振荡器产生的信号的频率稳定度可达10-9量级，所以利用石英晶体振荡器产生周期为T0的脉冲，经过一系列分频可得到几种标准的时间基准，例如，10ms,0.01s,1s,10s等几种，见图5-86。图5-86 时间基准的产生00TN T由图可见，式中，为分频系数；为晶体振荡器产生脉冲信号的周期。可见，只要T0稳定，T是个十分稳定之值。0N0T电气测试技术 2 计数式频率计

3、的测频原理计数式频率计的测频原理 计数式频率计的测频原理图见图5-87。由晶振产生的信号经分频及门控电路得到具有固定宽度 的方波脉冲作为门控信号，时间基准一般又称为闸门时间，控制主门（与门）的一个输入端。被测信号经放大整形后变成一列窄脉冲加于主门的另一输入端。开始测频时，首先令计数器清零，门控信号到来时，主门开启，计数器开始对被测信号脉冲计数，直至门控信号结束，主门关闭，停止计数。若取闸门时间T内通过主门的脉冲个数为N，则被测信号的频率为0kNfTNfx图5-87 计数式频率计测频原理框图电气测试技术 3 3 计数式频率计的测频误差计数式频率计的测频误差 由式（5-40）可见，分频系数 为常数

4、，若 和 变化，就产生误差。对式（5-40）微分得测频误差 为：式中，是开门时间与不同步引入的量化误差，其大小不会大于 1个字。是晶振频率的稳定度引起的误差，晶振频率的稳定度很高，因此，可以忽略不计。所以 由上式可见，在闸门时间一定情况下，被测频率 越高，测频误差越小；在 一定和计数器不溢出条件下，闸门时间 越大，测频误差也越小。kNxff00fdfNdNfdfxxfdNxf00/fdf00/fdfxfTfNdN10fxfT电气测试技术 5.11.1.2 脉冲累计的测量 在工业检测中常需对脉冲进行长间的累计测量。例如，对每班生产的产品进行累计，可将产品变换成脉冲列，然后用计数式频率计进行计数测

5、量。其测量原理与测频原理相似，仅仅是闸门时间较长而已。其原理框图见图5-88。图5-88 脉冲累计测量原理框图 被测信号经放大整形后加于主门的一端，门控电路的输入端改为人工控制，当按下SB1（起）时，门控电路使主门开放，被测信号进入计数器计数和显示。待按下SB2（停）时，门控电路使主门关闭，停止计数。在起、停这段时间内被测信号变化的次数通过计数后显示出来。电气测试技术 5.11.1.3 计数式频率计测量频率比 在调试数字电路（如计数器、分频器、倍频器等）时，往往需要测量输入信号和输出信号之间的频率的相对关系。图5-89 测量 的原理框图/ABff电气测试技术 5.11.1.4 计数式频率计测量

6、周期 1 计数式测量周原理计数式测量周原理 周期是信号变化一次所需时间，周期与频率互为倒数关系，因此可用测频法测得fx后，再按TX=1/fX求得周期。此外，也可用被测交变信号作为门控电路的触发信号去控制主门的开闭，取信号一个周期，在此时间内填充由晶振产生的时钟脉冲，通过计数、显示即可测出信号的周期。其原理见图5-90。图5-90 计数式测量周期原理框图电气测试技术 2 2 计数式测量周期误差计数式测量周期误差式（5-43）可写成：式中，为对 的分频系数，即时标系数。对上式两边取对数，然后再微分得：式中，为晶振频率的稳定度，通常可以忽略不计，因此由上式可见，在 和 一定时，被测周期 越大，测量误

7、差越小，反之，越小，测量误差越大，即测周期法适用于被测信号频率较低的场合。00fkNNTTx00fkNNTTxk0T00000fdffTkfdfNdNxT00/fdf0fTkxT0fkxTxT电气测试技术 5.11.1.5 直接测频和测周期中介频率的确定 从测频误差公式（5-41）和测周期误差公式（5-44）可见，计数式频率计测频时，被测信号频率fx愈高，误差愈小，反之亦然；而测周期时，被测信号频率fx愈低，误差愈小，反之亦然。因此，必然有一个频率fc，该频率fc时，测频法和测周期法的测量误差相等，频率fc称为中介频率。由式（5-41）和式（5-44）得：经变换，并考虑式（5-39）得：式中，

8、N0为分频系数，k为时标系数（即倍频系数）。由上式可见，当被测信号频率fx大于fc时，用测频法测量误差较小；反之，fx小于fc时，用测周期法测量误差较小。001fkffTkTfxxxcxffkNf001电气测试技术 5.11.1.6 脉冲沿时间及脉冲宽度的测量 脉冲计数法测量脉冲沿时间和脉冲宽度的原理与计数式测频原相似，原理框图见图5-91。图5-91 计数法测量脉冲沿时间tr和脉宽tw原理框图电气测试技术 5.11.1.7 时间间隔和长时间的测量 计数法测量时间间隔的原理与测周期原理相同，但是控制主门开放时间的不是被测信号的周期，而是由被侧信号产生的两个脉冲的时间间隔所决定。原理见图5-93

9、。图5-93 计数法测量时间间隔电气测试技术 5.11.1.8 脉冲计数式相位测量原理 用计数法测量相位具有快速、直读和精度高的优点。其原理图见图5-95a。图5-95 计数测量相位原理电气测试技术 5.11.1.9 数字频率计总体框图及工作特性 1 总体框图及工作原理总体框图及工作原理 把前面测频率、测周期、测时间间隔和测频率比等单元电路组合在一起，并用开关和逻辑电路转换各种工作状态，就构成了数字频率计的总体原理框图，见图5-96。图5-59 数字频率计总体原理框图电气测试技术 2 数字频率计主要工作特性及使用数字频率计主要工作特性及使用1.主要工作特性主要工作特性 数字频率计主要技术性能有

10、下列几项：a)测量范围 包括频率、周期、时间间隔、频率比、脉冲累计等诸项上、下限值的范围。b)输入电压幅值 指各通道能够使电路产生正常逻辑关系的下限值以及不得超过的上限值。c)闸门时间 指测频时门控电路输出的脉冲宽度。d)计数时标 指测周期或时间间隔以及自检时用的时标信号。e)测量单位 测频率时常用Hz、kHz、MHz。f)输入阻抗g)显示方式 包括数字显示的位数、定位方式，以及最大计数容量等。电气测试技术 2.使用要点使用要点a)使用时先预热到仪器规定的预热时间才能着手进行测量，否则会引起误差。b)通过“自检”来检查仪表本身各部分工作是否正常，如发现不正常，应排除故障后再使用。c)输入信号幅

11、值要适当，以保证脉冲整形电路的正常工作，否则会使计数器读数不稳定或不准确。但输入信号的幅值过大的话，又会损坏仪器。在输入信号的幅值大小不明的情况下，最好先测量其幅值，再作适当处理后，才送入仪表的输入端。d)注意选择好闸门或时标信号的大小，从而使显示位数尽量多而又不产生溢出，以提高测量的准确度。e)注意仪器输入阻抗对被测信号源的影响。电气测试技术 5.11.2 数字多用表 现在，对直流电压、电流、交流电压、电流和电阻的测量，广泛使用数字多用表。它具有线性、精度高和量程广等优点。数字多用表在直流数字电压表的基础上，利用各种转换电路将被测量转变成直流电压，然后进行测量，见图5-97。图5-97 数字

12、多用表原理框图电气测试技术 5.11.2.1 AC-DC转换电路 指针式多用表中二极管检波电路的特性是非线性的，因为二极管的伏安特性是平方律关系所致。同时由于二极管有死区，不能测量微弱的信号电压，所以不能做成小于1.0V量程的均匀标尺。数字电压表是线性显示的仪表，必须将被测交流电压线性地转换成直流电压，因此要用线性极波电路。图5-98 线性检波电路原理框图 电气测试技术 1 半波线性检波电路半波线性检波电路 检波二极管在运算放大器的输出端，检波后的半波脉动电压经电阻 反馈到运算放大器的反相输入端，将二极管包括在正向通道内，因而是线性极波电路。而且克服了二极管的死区电压。2R图-5-99 半波线

13、性检波电路电气测试技术 2 全波均值线性检波电路全波均值线性检波电路 全波线性检波电路见图5-100。其工作原理简述如下：被测信号 为正半周时，运算放大器A1的输出 为负，二极管VD1导通，VD2截止。这时，通过接成跟随器的A2加到输出端 点，所以 ，见图5-101中段的波形。xU1UxUpxpUU 全波线性检波电路见图5-100。其工作原理简述如下：被测信号 为正半周时，运算放大器A1的输出 为负，二极管VD1导通，VD2截止。这时，通过接成跟随器的A2加到输出端 点，所以 ，见图5-101中段的波形。图5-100 全波均值线性检波电路图5-101 全波均值线性检波电路的波形电气测试技术 3

14、 3 电子式有效值线性电子式有效值线性AC-ADAC-AD转换器转换器 利用加、减、乘、积分等运算组件组成有效值转换器，见图5-102。图5-102 电子式有效值转换器原理电气测试技术 5.11.2.2 I-V转换电路 使被测电流流经已知的标准电阻转换成直流电压，再用数字电压表来测量，其原理见图5-103。图a中，是不同量程的标准电阻，S是量程各选择开关。当被测电流较小时，可采用图5-103b的转换电路。标准电阻放 在负反馈回路中。41NNRR图5-103 转换原理a）并联式 b）串联式电气测试技术 5.11.2.3 R-V5.11.2.3 R-V转换电路转换电路 电阻到直流电压的转换电路见图

15、5-104。图a中，S为量程转换开关；为标准电源；为标准电阻；图a中接在负反馈回路的电阻 为被测电阻。NU41NNRRxR图5-104 转换原理图a）适合阻值较大 b）适合阻值较小电气测试技术 5.11.2.4 5.11.2.4 数字多用表原理数字多用表原理 图5-105为双积分式A/D转换组成的数字多表的原理框图。该表测量的基本参数是直流电压 、和 ，需通过上述各种转换电路转换成直流电压 。衰减器和前置放大器是为了转换量程，使积分器的输入电压规范化。余下的部分是双积分式数字电压表。DCUDCIACURDCU图5-105 双积分式数字多用表示理框图电气测试技术 5.11.3 智能化数字存储示波

16、器 微型计算机技术进入了仪器仪表的设计与制造领域，使仪器仪表的原理、功能和精度水平都发生了根本的变化。不但简化、甚至淘汰了传统仪器仪表设计中某些难予实现和突破的关键问题，而且赋予这一代仪器仪表以识别（判断）、记忆、分析、计算和可程控等功能。人们称这些微机化的仪器仪表为“智能化仪器仪表”。智能化已成为仪器仪表发展的主要方向。与传统的示波器相比，智能化数字存储示波器具有许多特点：1.功能强功能强 2.提高性能指标提高性能指标 3.自动化程度高自动化程度高 4.强大的通信功能强大的通信功能 5.自诊断故障自诊断故障 电气测试技术 5.11.3.2 5.11.3.2 智能示波器的组成原理及工作方式智能

17、示波器的组成原理及工作方式 1 基本工作方式基本工作方式（1）模拟工作方式：若选择该方式，CPU控制将D/A（1）和D/A（2）与功率放大器断开，把来自前置放大器（1）或（2）的被测信号直接接入功放电路和触发发生器电路。其工作原理与传统的示波器没有两样。（2）存储工作方式 在该方式下，CPU控制将被测信号接入S/H、A/D和触发发生器，将A/D转换的数据按一定方式存入信号RAM中，此时D/A转换器并不工作。当触发形成时，向CPU发出触发信号，CPU接到触发信号后，命令S/H和A/D继续转换的同时，起动D/A对信号RAM中的数据逐一变换，复现成模拟信号送到功放。在水平扫描作用下，在CRT上显示由

18、采样点组成的波形。图5-106 智能化数字存储示波器原理框图电气测试技术 5.11.3.2 5.11.3.2 智能示波器的组成原理及工作方式智能示波器的组成原理及工作方式 2 控制与数字存储电路控制与数字存储电路（1）工作模式设定 包括模式或存储方式选择、触发方式选择、单通道或双通道输入选择、测量项目选择和显示方式选择。所有这些选择都可利用键盘在观测前预先设定，或在观测时临时添加。（2）信号变换与存储 这是智能化数字存储示波器的基本功能。被测信号的数字化和存储过程是在仪器的工作程序的控制下进行的。数据的存储方式与工作方式的设置有关，当无测量选择时，CPU仅安排被测信号数据的存储，当有测量项目时

19、，将包括测量计算的数据的存储与变换。（3）数字测量功能 该部分包括S/H、A/D、测量RAM等器件均是对电压进行数字化测量的基本硬件，再辅以相应的软件，即可实现对波形参数的数字化测量和存储。测量项目设定后，CPU执行工作程序，将信号RAM中的数据进行预定的计算，计算的中间结果或最终结果和待显示数据，都存储于测量RAM和显示RAM中。（4）显示控制电路 智能化数字存储示波器的显示远比模拟示波器复杂。这部分包括显示RAM和显示控制电路，在CPU执行屏幕编辑子程序的控制下实现。在CRT上显示的信息包括被测信号的波形及波形参数、量程、时基、单位、触发点的位置、波形及波形段的英文命名等。电气测试技术 5

20、.11.3.3 智能示波器的主要功能及其应用智能示波器的主要功能及其应用 1.S/H与与A/D转换转换 该电路是示波器数字存储工作方式的基础部件。S/H和A/D转换的最高工作速度直接影响数字存储工作方式的工作带宽。S/H的速度远比A/D转换的速度高得多，故数字存储示波器的额定工作带宽主要受A/D转换速度的限制。数字存储示波器的采样方式有两种：（1）实时采样 是最常用的采样方式。实时采样通常是等时间间隔的，采样点的顺序也与存储和显示的顺序相同。不但在技术上易于实现，而且对频率在带宽内的信号具有理想的复现能力。由于时间上的顺序性，使采样存储显示软件变得更简单。（2）等阶采样 也称为等效采样。等阶采

21、样把频率极高的周期信号分成若干段分别采样，在示波管荧光屏上显示的波形的周期也扩展了若干倍。等阶采样可将数字存储示波器在数字存储方式下的工作带宽扩展到与模拟方式下的带宽相同。电气测试技术 5.11.3.3 智能示波器的主要功能及其应用智能示波器的主要功能及其应用 2.触发方式触发方式 （1）常态触发 同模拟示波器一样，可利用面板上的旋钮设置触发电平和极性。常态触发的硬件配置和软件框图见图5-107a和b。（2）预置触发 在示波器的键盘上设定延迟量，通常以触发点之前的分隔数（记做div）给定。延迟量不同，则触发点不同，可观测到触发点前后不同波形段的波段，用于观测非周期或单次信号特别适用。对于单次或

22、非周期信号或者难以捕捉的信号，可以通过延迟量的正确设置，取得完整的复现波形。图5-108是不同预置的波形图。图5-107 常态触发原理a）硬件配置 b）软件框图电气测试技术 图5-108 不同预置量屏幕显示的波形 电气测试技术 5.11.3.3 智能示波器的主要功能及其应用智能示波器的主要功能及其应用 3.存储器及存储方式存储器及存储方式 1）信号存储器及存储方式 信号RAM用来存储被采样的数据。在S/H和A/D电路起动后即开始对采样的数据进行有效存储。两个输入通道的双踪示波器有单通道顺序存储和双通道交替存储。图5-109 单通道数据顺序存储方式图5-110 双通道数据交替存储方式a）硬件配置

23、 b）数字存储格式电气测试技术 5.11.3.3 智能示波器的主要功能及其应用智能示波器的主要功能及其应用 3.存储器及存储方式存储器及存储方式（2）参考存储器 主要用于存储参考波形的数据，以便于与其它波形进行比较。例如，将数字系统中时钟振荡器信号的数据存入参考存储器中，在需要时把它显示在CRT上，与其它波形比较，往往可发现数字系统定时错误或其它时间配合错误。（3）显示缓冲存储器 在CRT上显示的不仅仅是实测波形，还可包括参考波形、工作状态字（量程、时基、工作方式、功能等），以及在使用波形参数测量功能时，显示测量结果的指示值等。所有这些被显示的数据均来自信号RAM、参考RAM、字符ROM及测量

24、RAM等，它们与显示RAM的关系见图5-111。图5-111 存储部件之间的关系电气测试技术 5.11.3.3 智能示波器的主要功能及其应用智能示波器的主要功能及其应用 4.扫描发生器扫描发生器 由前述可知，模拟示波器由密勒积分电路产生锯齿波扫描电压，由于扫描电压正程具有非线性和具有一定的回扫时间，CRT上显示的波形失真。数字存储示波器利用D/A转换产生扫描电压，它的线性度高和没有回扫时间，可克服上述缺点。图5-112 数字扫描发生器原理框图 图5-113 D/A输出的扫描电压波形 电气测试技术 5.11.3.3 智能示波器的主要功能及其应用智能示波器的主要功能及其应用5.显示方式显示方式 智

25、能化数字存储示波器由于微机的强大的控制、计算和存储能力，可实现多种灵活的显示方式，以适应不同波形的观测。（1）存储显示 是基本的显示方式。（2）卷动（ROLL）显示方式 特别适合观测一长串波形中随机出现的突发性（如干扰）信号。（3）抹迹显示方式 适用于观测长串波形中在一定条件下才会发生的瞬态信号。（4）插值显示 与模拟示波器不同，加于Y偏转板的电压是经D/A离散处理后的量化电压，在CRT上复现的波形是由一系列离散点组成的曲线。电气测试技术 为了克服视觉混淆，又不降低带宽，数字示波器常采用插值显示技术。所谓插值显示是指用适当的直线或曲线连接两相邻的点，使在CRT上显示出完整的连续的信号波形，图3

26、-27b是图a的插值显示波形。常用矢量插值，正弦插值和脉冲插值三种方式，用面板的键盘来选择。插值方法插值方法 1）矢量插值 适用于对各种波形的插值显示。矢量插值是用不同斜率的直线段连接相邻的点形成波形。2）脉冲插值 它仅在水平方向上实现点的连接，因此仅适用于开关或方脉冲信号的插值显示。3）正弦插值 它以 函数运算后，用曲线连接各数据点的显示方式，特别适用于观测正弦信号波形。xx/sin图5-116 脉冲插值和正弦插值显示的波形电气测试技术 5.11.3.3 智能示波器的主要功能及其应用智能示波器的主要功能及其应用 6.测量与计算功能测量与计算功能 智能化数字示波器内部有微机系统、A/D和D/A

27、等硬件，除了能在CRT上显示被测信号波形和波形参数外，还具备了数字化测量仪器仪表的所有功能。例如，可测量信号两点的电位差、相位差、平均值、峰峰值、有效值、周期、频率、信号前后沿的时间以及数理统计等。图5-117 光标测量法图5-119 显示两信号乘积的波形图5-120 窗口判断功能图5-118 波形的平均值处理电气测试技术 5.11.4 逻辑分析仪的原理及应用 逻辑分析仪能对数字系统的硬件、软件的逻辑状态进行分析、记录和显示。它能以表格、波形、图形或汇编形式将测量结果显示于CRT，从而实现对数字系统的硬件和软件的测试，对含有大量硬件和软件的数字系统的调试特别适用。5.11.4.1 逻辑分析仪的

28、组成 逻辑分析仪的种类很多，虽然在通道数量、存储容量、触发方式和显示方式等有较大区别，但其组成基本原理却是相同的，见图5-121。图5-121 逻辑分析仪的组成框图电气测试技术 5.11.4.2 逻辑分析仪的功能1.可同时存储和观测多通道信号可同时存储和观测多通道信号 由于能同时存储和观测多通道并行信号，故它相当于多线数字化存储示波器，便于对数字系统正常运行的数据流的逻辑关系进行观测和分析。2.触发功能触发功能（1）组合触发 逻辑分析仪具有“字识别”触发功能，把输入的数据字与使用者预设定的“触发字”相比较，若符合便产生一次触发。（2）延迟触发 通常每个通道的存储量为2561024位，存储容量有

29、限。因此，常采用由产生触发点开始的数字延迟方法，称为延迟触发。（3）限定触发 逻辑分析仪可用内部时钟或外部时钟控制。（4）“毛刺”触发 该方式可在输入信号中检出毛刺脉冲（干扰脉冲）。图5-122 组合触发方式图5-123 延迟触发方式a）正延迟触发 b）负延迟触发图5-124 限定触发方式电气测试技术 5.11.4.2 逻辑分析仪的功能 3.显示功能显示功能 与智能化数字存储示波器一样，通过键盘选择可使存于RAM中的数据全部或一部分稳定地显示于CRT上。（1）定时显示 它是以逻辑电平与时间的关系将RAM中的内容显示于CRT上。（2）状态表显示 将RAM的内容以各种数制（2、8、10和十六进制）

30、显示在CRT上。用数字表格形式显示，图5-126为二进制状态显示。（3）数据比较式显示 仪器内有两组存储器，一组存放被测数据，另一组存放标准数据或正常操作时的数据。图5-126 状态表显示方式图5-126 状态表显示方式电气测试技术 5.11.4.3 5.11.4.3 逻辑分析仪的工作过程逻辑分析仪的工作过程 1.数据的采集数据的采集 逻辑分析仪与被测系统通过“专用多路探极线”连接在一起，将若干个探极集中起来，其触针细小，便于探测高密度集成电路。2.数据存储数据存储 通常用RAM存储数据，若RAM数据已满，但触发仍未形成，RAM按“先进先出“的规则，自动从头开始将原存入的数据清除，再存入新数据

31、，直到触发形成为止。3.工作过程工作过程 综上所述，将数据采集、存储、触发和显示结合起来，便是其基本工作过程。由于采用了数字存储技术，可将被测数据的采集、存储和显示过程分开进行。电气测试技术 5.11.4.4 逻辑分析仪应用逻辑分析仪应用1.测试数字逻辑和数字集成电路测试数字逻辑和数字集成电路 逻辑分析仪特别适用于大规模或超大规模数字集成电路和各种型式的存储器的测试，对计算技术的研究很有帮助。例如，检查一个存储器的功能时，可将存储器片子接入逻辑分析仪，选择合适的触发显示方式，CRT上显示一定规律的波形。若波形不正常，可以通过不正常的波形分析，找出逻辑错误的位置。2.测试时序关系和干扰信号测试时序关系和干扰信号 检测数字系统中各信号间时序关系、信号的延迟时间以及各种干扰脉冲等。3.检测微机系统的运行情况检测微机系统的运行情况 在微机系统的调试或维修过程中，CPU、ROM、RAM、I/O口及外围设备，通过地址总线、数据总线和控制信号线联系，多数是多路并行，有的达到16位或32位以上。采用图5-128a接法，利用多路探极线将CP、CPU、ROM/RAM及I/O等的地址总线、数据总线及R/W分别接入逻辑分析仪。图5-128 微机系统检测接线方法和显示a）检测接线方法 b）显示电气测试技术 Thank you!