常用仪器仪表

关于常用仪器仪表第1页，共73页，2023年，2月20日，星期三主要内容：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第2页，共73页，2023年，2月20日，星期三常用仪表：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；第3页，共73页，2023年，2月20日，星期三万用表-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左右第4页，共73页，2023年，2月20日，星期三万用表-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3½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3¾位、35/6位万用等。第5页，共73页，2023年，2月20日，星期三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：200Ω-2MΩ【±(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：第6页，共73页，2023年，2月20日，星期三万用表-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FLUKE189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。第7页，共73页，2023年，2月20日，星期三万用表-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第8页，共73页，2023年，2月20日，星期三万用表-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？第9页，共73页，2023年，2月20日，星期三万用表-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？第10页，共73页，2023年，2月20日，星期三电阻精确测量原理：恒流源+高精度AD万用表-交流电压测量：第11页，共73页，2023年，2月20日，星期三万用表-蜂鸣档：蜂鸣档的工作原理：第12页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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

电压表，电流表，功率计频率计，相位计脉冲特性，阻尼振荡第13页，共73页，2023年，2月20日，星期三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ARTLCDPC示波器-概述：第14页，共73页，2023年，2月20日，星期三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：第15页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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第16页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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fV第17页，共73页，2023年，2月20日，星期三正确失真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。第18页，共73页，2023年，2月20日，星期三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：第19页，共73页，2023年，2月20日，星期三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）第20页，共73页，2023年，2月20日，星期三探头和示波器共同组成一个测量系统，探头的带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/BWBW系统＝BW示波器2＋BW探头2RT系统＝RT示波器2＋RT探头2RT测量＝RT系统2＋RT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：第21页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-指标：采样：第22页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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。第23页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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），存储的时间越短第24页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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

第25页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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。第26页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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。

第27页，共73页，2023年，2月20日，星期三自动：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：第28页，共73页，2023年，2月20日，星期三由于示波器的输入信号经放大器分两路，一路进入A/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：第29页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-指标：脉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。

第30页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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-j2∏ftdt (连续) Xk=∑

xie-j2∏ik/N （离散）上式是一个DFT，需要大量的数学运算，速度很慢。从而出现FFT数学算法，两者差别如下： DFT N2 FFT Nlog2N第31页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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 频率分辨率最差第32页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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100MHz探头或示波器被设计为在高至100MHz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3～5倍快于被测脉冲

第33页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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，不能有过冲及圆弧第34页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-指标：地环路自感等效电路

第35页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-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；第36页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-指标：

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第37页，共73页，2023年，2月20日，星期三示波器-内部电路分析：本部分结合示波器DIY电路讲解第38页，共73页，2023年，2月20日，星期三信号源第39页，共73页，2023年，2月20日，星期三信号源图2.1—2几种典型的信号波形第40页，共73页，2023年，2月20日，星期三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。第41页，共73页，2023年，2月20日，星期三信号源第42页，共73页，2023年，2月20日，星期三EE1641型信号源技术参数输出频率

0.2Hz～2MHz（0.3~3M）按十进制分类共分七档输出信号阻抗

a)函数输出：50b)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：(2Vp–p～20Vp–p)10%连续可调；衰减20dB(0.2Vp–p～2Vp–p)10%连续可调；衰减40dB(20mVp–p～200mVp–p)10%连续可调；衰减60dB(2mVp–p～20mVp–p)10%连续可调；第43页，共73页，2023年，2月20日，星期三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脉冲输出：3V~15V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第44页，共73页，2023年，2月20日，星期三EE1641型信号源第45页，共73页，2023年，2月20日，星期三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、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。第46页，共73页，2023年，2月20日，星期三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第47页，共73页，2023年，2月20日，星期三EE1641型信号源电源插座保险丝座第48页，共73页，2023年，2月20日，星期三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，100MSa/s采样率，14bits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10MHz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：100mHz~200MHz(单通道)文件管理（支持U盘和本地存储）

第49页，共73页，2023年，2月20日，星期三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：1ms~500s。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。

第50页，共73页，2023年，2月20日，星期三DG1022型任意波形发生器第51页，共73页，2023年，2月20日，星期三DG1022型任意波形发生器第52页，共73页，2023年，2月20日，星期三双通道耦合：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100mHz~200MHz。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型任意波形发生器第53页，共73页，2023年，2月20日，星期三DG1022型任意波形发生器结合实际操作演示DG1022的全部功能第54页，共73页，2023年，2月20日，星期三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.频谱仪第55页，共73页，2023年，2月20日，星期三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、交调信号边带第56页，共73页，2023年，2月20日，星期三频谱仪简化结构框图第57页，共73页，2023年，2月20日，星期三ADCFFTfS输入显示器处理器

数字滤波器

模数转换器取样器衰减器

模拟滤波器频谱仪组成框图第58页，共73页，2023年，2月20日，星期三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。频谱仪的工作原理第59页，共73页，2023年，2月20日，星期三频谱仪的工作原理-FFT单元第60页，共73页，2023年，2月20日，星期三频谱仪的工作原理-检波法

第一变频器

第三变频器第二

变频器F1IFF2IFF3IFFRF

射频衰减器F1lo

第一

本振YTOYTF

带宽滤波器

对数放大器LOG扫描斜波发生器检波器显示器

低通滤波器

低通滤波器

带通滤波器

步进放大器MXR1MXR2第61页，共73页，2023年，2月20日，星期三频谱仪的刻度8×10格刻度CRT显示管（阴极射线显示管）第62页，共73页，2023年，2月20日，星期三SCANWIDTHMHzDIVZEROSCAN1005020105210.50.20.10频谱仪的刻度-扫描宽度第63页，共73页，2023年，2月20日，星期三SCANWIDTHMHzDIVZEROSCAN1005020105210.50.20.10中心频率CenterFrequencyX轴第64页，共73页，2023年，2月20日，星期三频谱仪的刻度-扫描宽度SCANWIDTHMHzDIVZEROSCAN1005020105210.50.20.10中心频率CenterFrequencyX轴A、当中心频率：

500MHz时B、当扫频宽度：

100MHz时400300200100600700800900500第65页，共73页，2023年，2月20日，星期三频谱仪的刻度-扫描宽度SCANWIDTHMH