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1、常用仪表与电子元器件简介,主要内容：,1、常用仪表工作原理简介2、常用仪表的使用方法与维护3、深入了解电子元器件,常用仪表：,1、万用表：指针表，数字表（手持表，台式表）；2、示波器：模拟示波器、数字示波器；3、信号源：函数信号发生器，任意波形发生器，高频信号发生器；4、频率计；5、频谱仪；6、数字电桥；7、逻辑分析仪；8、功率计；,万用表-功能：,测量参数：直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻、电容、电感、频率、占空比、二极管、三极管、等等问题一：万用表能不能测量某200赫兹信号的电压值？如果能，如何测量？答案：如果所使用万用表带有真有效值测量功能，则可测量其有效值，再根据信号的波形
2、特点换算出其峰值等其他参数，典型带有真有效值的万用表：UT61D、VC980+。价格200左右,万用表-功能：,问题二： 通常我们称呼某万用表为3位半、4位半、5位半、6位半甚至8位半，是什么意思？答案：以上均为通俗称法，3位半即3 位万用表，指该表可显示的最大数值为1999，以此类推，4位半即最大显示19999，市面上也还存在3 位、3 5/6位万用等。,DT-830B：功能-量程-准确度直流电压： 200mV-500V 【(0.5%+2dgt)】交流电压： 200-500V 【(1.2%+10dgt)】直流电流： 200uA-5A 【(1.0%+2dgt)】- 电 阻： 200-2M 【(
3、0.8%+2dgt)】二 极 管： 有三 极 管： 有电源供应： 6F22型9V电池最大显示： 1999,万用表-功能：,万用表-功能：,问题三： 万用表价格有高有低，如何选择，性能有何区别？答案：一分钱一分货，亘古不变的道理，最便宜的DT830B，10元一块，档次较高的FLUKE 189 自动表，2400元一块。目前万用表在低端价位上（150）基本采用相同的设计方案，所测量的结果也很近似，有人做过实验，从15元一块的表到380元一块的表一起测量同意电压，在一天内结果基本相似，低档表数据偏高，高档表数据偏低。总的来说，高档表在使用寿命，方便程度，长时间稳定性，温漂等方面的表现稍显良好。故而，不
4、要小瞧一块低价数字表的精度，在很多情况下，它的数据是可信的。,万用表-直流电压测量：,直流电压的测量精度由分压电阻网络、基准源以及AD转换器的精度和温漂决定,万用表-直流电流测量：,直流电流测量：使用时放在高端测量准确还是低端测量的结果准确？,万用表-交流电压测量：,通过这个电路图，你是否能明白为什么我们不能使用这个端口测量200Hz以及其他非工频的交流电压了么？,电阻精确测量原理：恒流源+高精度AD,万用表-交流电压测量：,万用表-蜂鸣档：,蜂鸣档的工作原理：,示波器-概述：,概念 示波器是形象地显示信号幅度随时间变化的波形显示仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是电子测量仪器的基本种类。用途
5、 电压表，电流表，功率计 频率计，相位计 脉冲特性，阻尼振荡,放大器,水平放大器,触发,垂直放大器,延迟线,放大器,多路分解器,采集信号存储器,uP,显示存储器,A/D,触发和时基电路,放大器,多路分解器,采集信号存储器,uP,显示存储器,A/D,触发和时基电路,接口总线,模拟示波器,数字示波器,虚拟示波器,ART,LCD,PC,示波器-概述：,l 信号的时间和电压值l 振荡信号的频率l 信号所代表电路的“变化部分”l 信号的特定部分相对于其他部分的发生频率l 是否存在故障部件使信号产生失真l 信号的直流值 (DC) 和交流值 (AC)l 信号的噪声值和噪声是否随时间变化,示波器-概述：,示波
6、器-概述：,几种典型的波：正弦波方波和矩形波三角波和锯齿波阶跃波和脉冲波调幅波和调频波,示波器-指标：,数字示波器带宽也称为模拟带宽，指示波器前端输入放大器的带宽，相当于一个低通滤波。定义为在幅频特性曲线中，随正弦波频率的增加，信号的幅度下降到3dB(70.7)，此时的频率点称为示波器的带宽。,幅频特性曲线,0dB(100%),-3dB(70.7%),仪器带宽,f,V,正确,失真,200M带宽,10M带宽,70.7%,示波器-指标：,右图为一个10MHz的方波在200MHz带宽和10MHz带宽示波器上的显示效果图。,滤波包括模拟滤波和数字滤波，其作用是通过率除某个频率范围的谐波分量，从而使观测
7、的波形更加完美。 模拟滤波主要通过硬件来完成滤波目的。数字滤波是指对采样的一组数据通过数学运算达成滤波的目的。 低通：率除高于设定频率上限的谐波分量。带宽限制就是一个20MHz的低通模拟滤波器；示波器本身的带宽就也是一个低通滤波器。 高通：率除低于设定频率下限的谐波分量。 带通：率除频率上限和频率下限之外的谐波分量。 带阻：率除频率上限和频率下限之间的谐波分量。,示波器-指标：,上升时间通常定义为信号从上升跳变沿的10到90的时间长度。,示波器-指标：,示波器的上升时间则与其带宽有直接关系，其关系式如下：T上升0.35 / 示波器带宽（1GHZ以下）,探头和示波器共同组成一个测量系统，探头的带
8、宽和上升时间关系到整个测量系统的带宽和上升时间。 RT(上升时间)0.35/BW BW系统 BW示波器2BW探头2 RT系统 RT示波器2RT探头2 RT测量 RT系统2RT信号2 误差（RT）（ RT信号 RT测量）/ RT信号 由上式可知，当探头带宽过低时（低于示波器的带宽）将影响到整个测量系统的带宽，从而影响信号的一些测量参数的精确度。 在实际测量高频信号时，为保证测量的精确度，需将探头设置10X，原因是1X时探头的带宽只有6MHz。,示波器-指标：,示波器-指标：,采样：,示波器-指标：,采样方式包括普通、平均、峰值检测、包络、模拟等多种方式，其各有自身特点和作用方式。 普通是最常用的
9、一种采样方式。它是指示波器直接通过采样点来构建波形。 平均是指示波器通过对多次触发采样点进行算术平均后再构建波形，其作用是消除波形中一些随机噪声。 峰值检测是指示波器即使在低时基档位时，也以高采样率进行采样，其主要作用是捕捉低频信号中夹杂的高频分量，以及防止波形混淆。 包珞是指在采样间隔内，同时存储波形的最大和最小值，以便于察看波形的变化和抖动。 模拟是指通过数学运算，以颜色表示屏幕上某一点波形出现的概率，以显示模拟示波器的显示效果。,示波器-指标：,存储深度是指在波形存储器中存储波形样本的数量。 存储深度与采样的联系: 波形存储时间存储深度/采样率 从上式可以看出波形存储时间与采样率成反比关
10、系，存储深度固定的情况下，采样率越高（时基档位越高），存储的时间越短,示波器-指标：,示波器的触发：触发电路的作用就是保证每次时基扫描或采集的时候，都从输入信号上与定义的相同的触发条件开始，这样每一次扫描或采集的波形就同步，可以每次捕获的波形相重叠，从而显示稳定的波形，或保证单次信号的捕获触发是使重复信号稳定显示 对单次信号进行捕获 对重复信号中的异常波形和单次事件中的特殊波形进行隔离捕获,示波器-指标：,示波器的触发电路主要用于帮助对对所要的波形进行定位。根据不同的信号特征和测量目的，可以选择不同的触发类型。但是，最常用的还是边沿触发： 波形进入触发比较器的正输入端，在这里与另一个输入端上的
11、触发电平电压进行比较。触发比较器有上升沿输出和下降沿输出。当您的波形的上升沿穿越触发电平时，上升沿比较器输出变为高，而下降沿输出变为低。当波形的下降沿穿越触发电平时，上升沿输出变为低，而下降沿输出变为高。示波器使用您选择的输出作为触发输出。,示波器-指标：,数字示波器的一个最显著特点在于它容许用户观看触发位置之前的事件，其称之为预触发。这是因为数据被连续地存储到内存中，直到触发事件发生，并且采样数据达到存储深度一次触发结束为止。 触发点之后的数据称之为延迟触发。同时可以变更触发位置，以改变延迟触发和预触发的数据长度。,自动：即使没有触发，自动模式也能引起示波器的扫描。如果没有信号的输入，示波器
12、中的定时器触发扫描。有信号显示信号，没有信号显示水平基线。普通：当输入信号不能满足触发条件时，不扫描，示波器没有任何显示。只有当输入信号满足设置的触发点条件时，才进行扫描，并将最后捕获到的信号冻结显示在屏幕上。如符合触发条件，再次进行捕获，清除上次信号，保留冻结此次的波形。单次：当输入的单次信号满足触发条件时，进行捕获（扫描），将波形存储和显示在屏幕上。此时再有信号输入示波器不予理会。需要进行再次捕获必须进行单次设置。注：在实际应用中，采用普通触发模式即使触发以很慢的速率发生，也能观测感兴趣的内容。对低重复的信号捕获是非常有意义,示波器-指标：,由于示波器的输入信号经放大器分两路，一路进入A/
13、D采样器；一路到触发电路，形成触发信号。 触发耦合是触发信号与触发电路的耦合方式，就像垂直系统输入一样，可为触发信号选择各种耦合方式。正确的选择触发耦合可使示波器稳定触发。耦合方式：DC耦合：触发信号直接连到触发电路交流耦合：触发源通过一个串联的电容连到触发电路起到隔直作用HF抑制：使触发信号通过低通滤波器以抑制高频分量，这意味即使一个低频信号中包含很多高频噪声，仍能使其按低频信号触发。LF抑制：使触发源信号通过一个高通滤波器以抑制其低频成分。这意味即使一个高频信号中包含很多低频噪声，仍能使其按低频信号触发。这对于显示包含很多电源交流信号时情况是很有用处的。,示波器-指标：,示波器-指标：,脉
14、宽触发是让示波器通过寻找波形中比其它脉冲宽、窄或相等的脉冲来确认脉冲宽度触发。 如上图，由于信号在波形的沿上都具有触发点，如果采用正常的边沿触发方式将无法准确捕捉到关心的异常脉宽的信号。 采用脉宽触发功能，监视脉冲宽度，通过与设置脉宽进行比较（、=），达到捕捉异常脉冲的功能。,示波器-指标：,使用示波器在时域中观察和测量波形，其中垂直轴为幅度，而水平轴为时间。对绝大多数波形来说，这是最好的观察方法。但有时您还想了解波形的频率含量。于是提出了傅立叶变化建立时域和频域的数学相关关系：V(f)= v(t)e-j2ft dt(连续)Xk = xie-j2ik/N（离散） 上式是一个DFT，需要大量的数
15、学运算，速度很慢。从而出现FFT数学算法，两者差别如下： DFTN2FFTNlog2N,示波器-指标：,绝大多数测量都要求使用窗函数，如 Hanning 或 Rectangular窗函数。 它们都适合典型的频率分析测量。选择这两种窗函数要在频率分辨率和幅度准确度间进行权衡。窗 优点 缺点Hanning频率分辨率较好幅度准确度较差Hamming幅度准确度较好频率分辨率较差Rectangle频率分辨率最好幅度准确度最差Blackman副值分辨率最好频率分辨率最差,示波器-指标：,探头是在一个测试点或信号源和一台示波器之间做的物理及电路的连接，探头对于被测回路，必须有最小的影响，同时对想要测量地信号
16、应保证足够的保真度。 在理想世界中，理想的探头将提供下列关键的属性：连接简单和便利绝对的信号保真度零信号源极负载完全的噪音抗扰性实际上，一根 100 MHz 探头或示波器被设计为在高至 100 MHz 的频率范围内进行测量。在信号频率高于指定带宽时进行测量会导致不可预知的测量结果。为了合理精确地测量脉冲上升或下降时间，探头和示波器的上升时间之和应该是 35 倍快于被测脉冲,示波器-指标：,大多数探头被设计为匹配特定的示波器的输入电路。然而，不同的示波器之间有细微的变化，甚至在同一示波器的不同的输入通道之间也有。为了处理这一问题，许多探头，特别是衰减探头( 10X 和 100X 探头)，有内建的
17、补偿网络。探头补偿，遵循下列过程：1 . 把探头接入示波器。2. 把探头尖接入示波器前面板上的探头补偿测试点。3. 使用探头自带的调整工具或其他无感调节工具，来调节补偿网络，从而获得一个标准波形，这一波形应当具有平直的顶部，不能有过冲及圆弧,示波器-指标：,地环路自感等效电路,示波器-指标：,地环路为RLC环路,其品质因数Q可以按下式计算: 其中Rs为信号源输出阻抗.较小的Rs将导致在 处产生较强的谐振,影响截止频率高于fr的信号测量结果；示波器探头的地环路自感严重影响测量信号 上升时间,并可能导致谐振； 减小地环路面积是减小地环路自感最有效的方法；,示波器-指标：,示波器探头的地环路自感严重
18、影响测量信号 上升时间，并可能导致谐振。减小地环路面积是减小地环路自感最有效的方法,示波器-内部电路分析：,本部分结合示波器DIY电路讲解,信号源,信号源,图2.12 几种典型的信号波形,信号源,本课对信号源的分析仅基于我们日常用到两种信号发生器函数信号发生器和基于直接数字频率合成的任意波形发生器。 EE1641型函数信号发生器具有连续信号、扫频信号、函数信号、脉冲信号等多种输出信号和外部测频功能。 DG1022型任意波形发生器采用直接数字频率合成技术，除了具有上述信号发生器的全部功能外，另可根据用户程序产生任意波形。,信号源,EE1641型信号源,技术参数输出频率 0.2Hz2MHz（0.3
19、3M）按十进制分类共分七档输出信号阻抗 a) 函数输出：50 b) TTL/CMOS 同步输出：600 输出信号波形 a) 函数输出（对称或非对称输出）：正弦波、三角波、方波； b) TTL/CMOS同步输出：脉冲波。输出信号幅度 a) 函数输出：不衰减：(2Vpp 20Vpp)10%连续可调； 衰减20 dB (0.2Vpp2Vpp)10%连续可调； 衰减40 dB (20mVpp200mVpp)10%连续可调； 衰减60 dB (2mVpp20mVpp)10%连续可调；,EE1641型信号源,b) TTL脉冲输出：“0”电平：0.8V，“1”电平：1.8V（负载电阻600） C) CMOS
20、脉冲输出：3V15V可调输出信号类型 单频信号、扫频信号、调频信号（受外控）扫描方式 a)内扫描方式：线性/对数扫描方式 b)外扫描方式：由VCF输入信号决定输出信号频率稳定度 0.1/min,EE1641型信号源,EE1641型信号源,1 如上图所示，整机电路由两片单片机进行管理，主要工作为： a) 控制函数发生器产生的频率； b) 控制输出信号的波形； c) 测量输出的频率或测量外部输入的频率并显示； d) 测量输出信号的幅度并显示。2 函数信号由专用的集成电路产生，该电路集成度大，线路简单精度高并易于与微机接口，使得整机指标得到可靠保证。3 扫描电路由多片运算放大器组成，以满足扫描宽度、
21、扫描速率的需要。宽带直流功放电路的选用，保证输出信号的带负载能力以及输出信号的直流电平偏移，均可受面板电位器控制。4 整机电源采用线性电路以保证输出波形的纯净性，具有过压、过流、过热保护。,EE1641型信号源,频率显示,幅度显示,扫描速率调节旋钮,扫描宽度调节旋钮,外部输入插座,TTL信号/CMOS电平输出端,CMOS电平调节旋钮,函数信号输出端,幅度调节旋钮,直流电平调节旋钮,占空比调节旋钮,波形选择按钮,“扫描/计数”按钮,频率档位调节,频率细调旋钮,频段显示,电源开关,EE1641型信号源,电源插座,保险丝座,DG1022型任意波形发生器,性能指标采用先进的DDS技术，双通道输出，10
22、0 MSa/s采样率，14 bits垂直分辨率输出5 种标准波形，内置48 种任意波形丰富的调制功能：AM、FM、PM、FSK，以及输出线性/对数扫描和脉冲串波丰富的输入输出：波形输出，同步信号输出，外接调制源，外接基准10 MHz时钟源，外触发输入独特的通道耦合和通道复制功能内置高精度、宽频带频率计，可测量范围：100 mHz 200 MHz(单通道)文件管理（支持U盘和本地存储）,DG1022型任意波形发生器,双通道输出：可分别设置两个通道的波形和参数及输出开关。操作菜单“同相位”可使能双通道输出时相位同步。 任意波形输出：仪器内置48种任意波形（含直流），包括常用、数学、工程、窗函数及其
23、他常见波形。 可编辑任意波：可编辑输出14bits，4kpts的任意波形。仪器内部提供10个非易失性存储空间以存储用户自定义的任意波形。通过上位机软件Ultrawave可编辑和存储更多任意波形。 丰富的调制功能：支持AM，FM，PM，FSK，可直观的观察已调制的波形，特别适合教育培训方面的应用。 扫频输出：在指定的扫描时间内从开始频率到终止频率以线性或对数方式变化输出。扫描时间设置范围：1 ms 500 s。可使用正弦波、方波、锯齿波或任意波产生扫频输出。 脉冲串输出：提供多种波形函数的脉冲串输出，可持续特定数目的波形循环或应用外部门控信号。,DG1022型任意波形发生器,DG1022型任意波
24、形发生器,双通道耦合：设定基准通道和耦合频率/相位差后，另一通道的频率/相位将随基准通道的改变而改变，并且始终保持所设定的耦合频率/相位差。 双通道复制：可将其中一个通道的参数快速复制到另外一个通道，而不改变另一个通道的输出波形。内置频率计：测量范围100 mHz 200 MHz。可测量参数：频率、周期、占空比、正脉宽和负脉宽。 频率计的设置分为自动和手动两种方式： 自动模式：信号发生器将自动设置耦合方式，灵敏度，触发电平以及高频抑制的开关。 手动模式：可设置直流/交流，灵敏度（低，中，高），触发电平，高频抑制的开/ 关,DG1022型任意波形发生器,DG1022型任意波形发生器,结合实际操作
25、演示DG1022的全部功能,频谱分析仪与示波器相比具有灵敏度高频率范围宽动态范围大等特点.可方便地获得时域测量中不易得到的独特信息.它可测量信号频率幅度频谱纯度信号失真寄生交调等各种参数.是微波领域的万用表.是雷达 航天 通信等领域的重要测试仪器.它可以很好的对遥控器对讲机无绳电话有线电视CATV手机等有线 无线系统进行故障检查及信号频率的分析比较仪器.,频谱仪,频谱仪与示波器的区别,信 号,时域分析,频域分析,信号周期升降沿峰值电压,信号频率谐波分量信号功率寄生、交调信号边带,频谱仪简化结构框图,频谱仪组成框图,为了能动态地观察被测信号的频谱，现代频谱仪大多采用扫频超外差式接收方案，利用扫频
26、第一本振的方法，被测信号经混频后得到固定的中频信号。,频谱仪的工作原理,频谱仪的工作原理-FFT单元,频谱仪的工作原理-检波法,频谱仪的刻度,810格刻度,CRT显示管（阴极射线显示管）,SCANWIDTHMHzD I VZEROSCAN,100,50,20,10,5,2,1,0.5,0.2,0.1,0,频谱仪的刻度-扫描宽度,中心 频率Center Frequency,X 轴,频谱仪的刻度-扫描宽度,中心 频率Center Frequency,X 轴,A、当中心频率： 500MHz 时,B、当扫频宽度： 100MHz 时,400,300,200,100,600,700,800,900,500
27、,频谱仪的刻度-扫描宽度,A、当中心频率： 500MHz 时,B、当扫频宽度： 100MHz 时,以中心频率的刻度线为基础进行计算： 左五格的频率 = 中心频率线 - 减去格数 右五格的频率 = 中心频率线 + 减去格数,功率转换,信号的功率指在一定负载的情况下，负载所获得的功率。例如：相同电压加在不同负载上，负载会得到不同的功率。dBm与mw的互换。P(dBm)=10logP(mW) 0dBm=1mW, +3dBm=2mW, -10dBm=0.1mW使用dBm对功率计算带来的方便。,频谱仪的刻度-功率计算,频谱分析仪的幅度是以频谱线的最高顶点为典型值，由上至下进行读数，以屏幕刻度最高点（27
28、dBm）为起点，以纵轴（Y轴）为读数值，频率以横轴（X轴）为读数。屏幕中每10 dBm为一大格落差，每一大格内分5小格，每小格为刻度值2 dBm（如图1）。,频谱仪的刻度-扫描宽度,中心 频率Center Frequency,读数: 屏幕中每10 dBm为一大格落差，每一大格内分5小格，每小格为刻度值2 dBm。,27 dBm,37 dB,47 dB,57 dB,67 dB,77 dB,87 dB,97 dB,107dB,中心 频率Center Frequency,图2,频谱仪的刻度-功率计算,27 dBm,37 dB,47 dB,57 dB,67 dB,77 dB,87 dB,97 dB,107dB,中心 频率Center Frequency,如图计算一频谱线的幅度值，但其输入处已经衰减了20dB时。图中的频谱线的幅度是多少？,频谱仪的刻度-功率计算,The End !,
