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Harbin Institute of Technology

《电子测量原理》

知识点总结

0901102班

第一章、测量总述

1.1 测量的基本概念

1.1.1 测量的基本概念

狭义：为确定被测对象量值进行的实验，借助专门设备，直接或间接与同类已知单位量比较，用数值+单位表示结果

广义：为获取被测对象信息进行的实践，借助专门设备，通过感知和识别取得被测对象的属性和量值信息，以便于利用的形式表示结果

测量的基本要素

五大基本要素：测量对象、测量仪器、测量人员、测量技术、测量环境。

测量五大基本要素之间的关系

测量的分类

测量可以分为三类：定量测量、定性测量和定级测量。

定量测量：追求的是精准，通常要对测量结果进行误差分析，并给出不确定度。

定性测量：是判断被测对象属性的一种定性测量，对量值的精确度要求不高，是一种粗略的测量，一般不要求进行误差分析，即不要求给出误差数值。

定级测量：是以技术标准，规范或者检定规程为依据，分辨出被测量所属某一范围带，以此来判断被测量是否合格（符合某种级别）的一种定级测量。

测试和检验

测试：是测量和试验的总称。

试验---为了察看某事结果或某物性能所从事的实践活动。

检测：是检验和测量的总称。

检验---检查被测量量值是否处于某范围内，验证被测量是否合格或某现象是否存在。
1.1.2 电子测量的基本概念

电子测量：以电子技术理论为依据，以电子测量仪器设备为手段，以电量和非电量为测量对象。

电子测量的特点：

（1）测量频率范围宽
（2）量程范围宽
（3）测量准确度高
（4）测量速度快
（5）易于实现遥测
（6）易于实现测量自动化和智能化

1.2 计量的基本概念

1.2.1 计量的定义、特征、分类

计量：是实现单位统一、量值准确可靠的活动。是利用技术和法制手段实施的一种特殊形式的测量。

计量的三个主要特征是：法制性、统一性和准确性。

计量按具体内容可分为：科学计量、工程计量和法制计量。

测量与计量的比较

联系：word/media/image4.gif计量是一种特殊的测量word/media/image5.gif计量是测量的基础和依据

区别：word/media/image4.gif比较对象不同，word/media/image5.gif测量误差不同，word/media/image6.gif误差来源不同，word/media/image7.gif目的不同，word/media/image8.gif内容不同，word/media/image9.gif对象不同，word/media/image10.gif存在范围不同

1.2.2 比对、检定和校准

对比: 在规定条件下，对相同准确度等级的同种测量标准或者测量器具之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。

检定：由法定计量机构确定并证实计量器具是否完全满足要求而做的全部工作。

校准：在规定条件下，为确定测量仪器、实物量具、标准物质所表量值，与对应测量标准所复现量值之间关系的一组操作。

检定与校准的区别

1.2.3 基准和标准

基准：定义、实现、保存、复现某基本测量单位的量值、只用于检定其他量具的精度、不直接参加测量。

基准分为：主基准、副基准和工作基准。

主基准最高水平精度
副基准精度由主基准确定

工作基准精度由副基准确定

标准：根据工作基准复现的、不同等级的、便于经常使用的标准量具。

1.2.4 测量标准的传递

量值传递：自上而下的检定计量标准。

量值溯源：自下而上追踪计量标准的过程。

1. 3 测量误差

1.3.1 测量误差及其表示方法

绝对误差：测量值—真值（或约定真值）word/media/image12.gif

相对误差word/media/image13.gif：绝对误差与被测量真值之比。word/media/image14.gif

实际相对误差word/media/image15.gif:绝对误差与被测量的约定值之比。word/media/image16.gif

示值相对误差word/media/image17.gif: 绝对误差与示值误差之比。word/media/image18.gif

满度相对误差word/media/image19.gif: 绝对误差与量程满度值之比。

1.3.2 测量误差分类

测量误差可以分为：随机误差、系统误差和粗大误差。

随机误差：在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时，每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差。

特点：word/media/image4.gif测量结果以平均值为中心呈现随机离散性，但服从统计规律

word/media/image5.gif由无规律、不相关的因素造成

word/media/image6.gif只能减小、无法消除

word/media/image7.gif多次测量求平均-----随机误差的“抵偿性”

系统误差：在同一测量条件下，多次测量，误差大小、符号保持不变，或测量条件改变时按规律变化。

特点：word/media/image4.gif误差呈现规律性

word/media/image5.gif由固定不变的或按确定规律变化的因素造成

word/media/image6.gif不但可以减小、还可以消除

word/media/image7.gif消除误差来源、补偿法、引入修正值…

粗大误差：一种明显与实际值不同的误差。

精确度：包括精密度与准确度。

精密度：测量值重复一致的程度，反映测量受随即误差的影响。

准确度：测量值与真值的接近程度，反映测量受系统误差的影响。

1.4 测量方法

1.4.1 直接测量和间接测量

1.4.2 有源量测量和无源量测量

有源量----能携带和传递能量

无源量----不能主动提供能量

有源量测量----信号测量

无源量测量----系统测量或参数测量

4、静态、稳态和动态测量

第二章、时域测量

2.1 概述

时间和频率测量的特点：word/media/image4.gif测量精度高，word/media/image5.gif应用范围广，word/media/image6.gif自动化程度高，word/media/image7.gif测量速度快。

频率的定义：信号在word/media/image20.gif秒内重复变化N次，则信号的频率word/media/image21.gif.

计数器严格按照频率定义实现频率测量。

频率测量的方法分类

2.2 电子计数法测量频率

2.2.1 测频原理

计数法测频电路主要包括：时基电路、输入电路、闸门电路、计数显示电路和控制电路

时基电路：产生电路用来产生所使用的标准频率或时间间隔。

2.2.2 误差分析

测频的误差：包括量化误差和标准频率误差

量化误差（word/media/image24.gif误差）：word/media/image25.gif

标准频率误差：word/media/image26.gif

计数器直接测频的总误差word/media/image27.gif

TS越长、fx越高、标频精度越高，误差越小

减小直接测频的误差的方法：word/media/image4.gif TS越长、fx越高，测量误差越小。

word/media/image5.gif标准频率误差越小，测量误差越小。

2.3 电子计数法测量时间

2.3.1 测量周期原理

2.3.2计数器直接测周的误差

测周的误差主要包括：量化误差、标准频率误差和触发误差。

量化误差（word/media/image24.gif误差）：word/media/image29.gif

标准频率误差：word/media/image26.gif

合成误差：word/media/image30.gif

word/media/image31.gif越长、word/media/image32.gif越高、标频精度越高，误差越小;

触发误差：是指在门控脉冲受到干扰时，由于干扰信号的作用，使触发提前或者滞后所带来的误差。是一种随机误差。

消除触发误差的方法：word/media/image4.gif提高被测信号信噪比

word/media/image5.gif多周期测量求平均可减小触发误差

减小测周误差的方法：word/media/image4.gifword/media/image33.gif越长、word/media/image32.gif越高，误差越小。

word/media/image5.gif标频精度越高，测量误差越小；

word/media/image6.gif提高被测信号信噪比，可以减小触发误差，进而减小测量误差；

word/media/image7.gif多周期测量求平均可减小触发误差和量化误差，进而减小测量误差。

中界频率word/media/image34.gif

当直接测量频率和直接测量周期的量化误差相等时，就确定了一个测频和测周的分界点，这个分界点称为中界频率。

word/media/image35.gif

当word/media/image36.gif时，宜采用测频法。

当word/media/image37.gif时，宜采用测周。

2.4 高分辨力时间测量

2.4.1 内插法测时间原理

word/media/image38.gif

使用内插法能够使测时的测量误差缩小到原有的1/k，测时分辨力提高。

内插法分为模拟内插法和数字内插法。

2.4.2 模拟内插法

2.4.3 数字内插法—游标法计数器

原理：用两个量化单位量形成差值，使被测量被差值量化，当差值很小时测量分辨力很高。

2.5 调制域测量

调制域测量的根本目的是显示出频率随时间变化的动态特性。因此如何获得某一个时刻所对应的频率值（瞬时频率值）是调制域测量的最基本的一个任务。

所谓的瞬时频率也不是严格地处在某一个时刻所对应的频率值，而是一个相对较短的时间段里的平均频率。

第三章、电压测量

3.1交流电压测量

3.1.1 表征交流电压的5个基本参量

峰值word/media/image39.gif：以零电平为参考的最大电压幅值。

均值word/media/image40.gif：word/media/image41.gif , 是信号的直流分量。

振幅word/media/image42.gif：以直流分量为参考的最大电压幅值。

有效值word/media/image43.gif：一个周期T内，交流电压和某直流电压在纯阻上产生的热量相等，则用该直流电压值代表交流电压的有效值。word/media/image44.gif

波峰因数word/media/image45.gif: word/media/image46.gif

反映同一交流电压峰值和有效值的比例关系

波形因数word/media/image47.gif

反映同一交流有效值和平均值的比例关系

3.1.2 交流电压测量

word/media/image48.gif

交流/直流（AC/DC）电压转换原理

检波器有：word/media/image4.gif峰值检波、word/media/image5.gif均值检波和word/media/image6.gif有效值检波。

word/media/image4.gif峰值检波：

基本原理：通过二极管正向快速充电达到输入电压峰值，而二极管反向截止时保持该峰值（快速充电+慢速放电）。峰值检波器又分为串联式检波器和并联式检波器。

峰值检波电路的输出实际上存在较小的波动，其平均值略小于实际峰值。

word/media/image5.gif均值检波

基本原理：均值检波电路可由整流电路得到。经检波电路之后，输出的直流电流与输入的交流电压的均值成正比，而与输入交流电压的波形无关。

1、峰值电压表原理、刻度特性和误差分析

原理：峰值电压表对被测电压的峰值作出响应

刻度特性：表头按正弦交流电压有效值刻度

依据：若峰值相等，则表头读数α相等，反之亦然。

word/media/image49.gif

word/media/image50.gif

波形误差word/media/image13.gif：将表头读数α直接作为实际被测交流电压有效值产生的误差。

word/media/image51.gif

均值电压表原理、刻度特性和误差分析

原理：均值电压表对被测电压的均值作出响应

刻度特性：表头按正弦交流电压有效值刻度

依据：若均值相等，则表头读数α相等，反之亦然。

任意波的均值：word/media/image52.gif

任意波的有效值：word/media/image53.gif

波形误差word/media/image13.gif：将表头读数α直接作为实际被测波形有效值产生的误差

word/media/image51.gif

模拟式交流电压表的组成方案

两种组成方案：先检波后放大，称为检波-放大式

先放大后检波，称为放大-检波式

两个重要指标：带宽：工作频率范围

灵敏度：测量微弱信号的能力

word/media/image4.gif检波-放大式：

word/media/image54.gif

带宽、灵敏度、可测电压上限、输入阻抗由峰值检波器决定。

特点：word/media/image55.gif峰值电压表的常用形式

word/media/image56.gif主要用于高频电压信号的测量

提高指标的措施：word/media/image55.gif超高频检波二极管word/media/image56.gif检波器直接设计在探头中

word/media/image57.gif高增益低漂移的直流放大器

word/media/image5.gif放大-检波式：

word/media/image58.gif

带宽、灵敏度由交流放大器决定。

特点：word/media/image55.gif均值电压表的常用形式word/media/image56.gif灵敏度很高。

3.1.3 分贝测量

分贝（dB）：被测量与同类标准量之比的对数

以分贝为单位表示的功率比：word/media/image59.gif [dB]

以分贝为单位表示的电压比：word/media/image60.gif [dB]

绝对电平:

功率电平dBm,取P0=1mW，则PX的功率电平

word/media/image61.gif

电压电平dBV,取V0=0.775V，则VX的电压电平

word/media/image62.gif

分贝测量:表盘按dB刻度的电压测量或功率测量.

3.1.4 电压表的使用*

1、峰值电压表

检波-放大式

峰值响应、频率范围较宽（达1000MHz）但灵敏度低（mV级）

读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值（或峰值）

2、均值电压表

放大-检波式

均值响应、灵敏度比峰值表有所提高，主要用于视频场合

读数的换算：根据波形因数，将读数换算成有效值（或均值）

3、有效值电压表

可以直接读出有效值，非常方便

由于削波和带宽限制，将可能损失一部分被测信号的有效值，带来负的测量误差

较为复杂，价格较贵

3.2数字电压表组成原理及性能指标

核心部件：A/D转换器。决定了DVM的主要性能指标。

DVM主要性能指标：

word/media/image63.gif显示位数：完整显示位：0~9；非完整显示位(半位)：0和1，最高位。

word/media/image64.gif量程：

基本量程：无衰减放大时输入电压范围，由A/D转换器动态范围决定。

扩展量程：基本量程按10倍放大或衰减扩展

word/media/image65.gif分辨力：分辨最小电压变化量的能力，反映DVM灵敏度

每跳变一个字对应的输入电压变化量，V/字：word/media/image66.gif。

不同量程上分辨力不同，最小量程上具有最高分辨力。

word/media/image67.gif分辨率：

等于分辨力与量程之比：word/media/image68.gif

word/media/image69.gif测量速度：每秒完成的测量次数。

主要取决于A/D的转换速度。

word/media/image70.gif测量精度：DVM的测量精度常用固有误差表示，即

word/media/image71.gif

word/media/image72.gif为读数误差，与读数有关。

word/media/image73.gif为满度误差，与读数无关，只与选用的量程有关。

示值（读数）相对误差：word/media/image74.gif

被测量大时读数误差起主要作用，被测量小时满度误差起主要作用。

合理选择量程，使被测量大于满量程2/3以上。被测电压接近量程满度，测量相对误差小.

word/media/image75.gif输入阻抗:取决于输入电路，与量程有关。输入阻抗越大越好。

3.3电压测量的干扰及抑制技术

3.3.1 干扰来源及分类

串摸干扰：以串联叠加形式对被测信号产生的干扰。

串摸干扰的起因：word/media/image4.gif来自于被测信号本身

word/media/image5.gif测量引线受外界电磁场感应（50Hz工频信号、雷电、无线电信号引起的电磁干扰）。

特点：干扰信号频率从直流、低频到超高频

干扰信号波形可以是周期性的或非周期性

可以是正弦波、非正弦波，也可是随机的

50Hz工频干扰是最常见的干扰源

共摸干扰：干扰信号同时作用于DVM的两个输入端。

共摸干扰的起因：word/media/image4.gif被测电压本身就存在共模电压（被测电压是一个浮置电压）

word/media/image5.gif被测电压与DVM相距较远，两者的参考地电位不相等

特点：共模干扰电压可能是直流、工频、高频交流

共模干扰电压可以上百伏，甚至上千伏

3.3.2 串模干扰的抑制

抑制串摸干扰的基本方法：

直流串模：软件校准和数据处理方法

周期性串模干扰：滤波或积分式A/D的平均作用

尖峰脉冲干扰抑制：输入端限幅 + 滤波

串摸干扰的误差分析

串模抑制比：word/media/image76.gif [dB]

其中：word/media/image77.gif -----串模干扰电压幅值

word/media/image78.gif-----干扰引起最大测量误差

NMR越大，串模干扰抑制能力越强，抗干扰能力越强

串模干扰的误差分析（以积分式DVM为例）

分析可知，完全一致串模干扰（NMR=word/media/image79.gif）的方法是:

word/media/image4.gif设定第一积分时间为干扰信号周期的整数倍

word/media/image5.gif适当选择第一次积分的开始时间

当第一次积分时间T1一定时，干扰信号频率fn愈高，则NMR愈大，即串模干扰最大危险在低频，尤其50Hz的工频干扰。

串模抑制比越大，误差越小

积分式DVM的串模干扰抑制措施

依据：word/media/image4.gif设定第一积分时间为干扰信号周期的整数倍

word/media/image5.gif适当选择第一次积分的开始时间

措施：50Hz工频干扰周期Tn=20ms，积分时间=20ms、40ms、80ms、100ms

50Hz工频干扰受电网波动：50Hz±1Hz，积分时间自动调整。

3.3.3 共模干扰的抑制

共模干扰原理及基本抑制方法

共模干扰原理：共模干扰电压Ucm通过环路电流同时作用在DVM的H、L端，但是他们对H、L端的影响并不相等，即共模电压将转换成串模电压，从而造成测量误差。因此，抑制共模干扰的基本原理是减小环路电流。

抑制方法：word/media/image4.gif减小两路环路电流I1和I2

word/media/image5.gif使干扰对H、L端的影响互相抵消

共模抑制比：word/media/image80.gif [dB]

其中：word/media/image81.gif：共模干扰电压

word/media/image82.gif：共模电压引入到DVM输入端的串模电压，

CMR越大，共模干扰抑制能力越强，抗干扰能力越强。

共模干扰的抑制措施

（1）浮置测量，浮置接地端G，减小环路电流word/media/image83.gif和word/media/image84.gif。

word/media/image85.gif

word/media/image86.gif

采用浮置测量的结论：

word/media/image4.gif浮置测量有较高的抗共模干扰能力

word/media/image5.gif交流CMR小于直流CMR ，频率越高CMR越小

（2）双端对称测量

当满足平衡输入条件：word/media/image87.gif时，可是word/media/image88.gif，完全抑制共模干扰。

（3）其他抑制方法

word/media/image4.gif浮置双端对称测量：双端对称输入＋浮置方法

word/media/image5.gif屏蔽与隔离

内层屏蔽：内部模拟电路设置在一个屏蔽盒内

外层屏蔽：屏蔽盒与DVM的外壳高度绝缘

第4章时域测量

4.1 概述

示波器组成: 示波管、Y（垂直）通道和X（水平）通道组成。

示波器的主要技术指标：

(1)频带宽度BW和上升时间tr

频带宽度BW，一般指Y通道的频带宽度word/media/image89.gif

Y通道的频率带宽越宽，输入信号的高频分量衰减就越少，显示波形越陡峭，上升时间就越小。

上升时间tr:反映Y通道跟随输入信号快速变化的能力

tr越小，跟随速度越快

tr越大，跟随速度越慢

word/media/image90.gif

（2）偏转因数：在输入信号作用下，光点在荧光屏的垂直方向上移动1cm（即1格）所需的电压值。单位 V/cm, V/div

偏转灵敏度---偏转因素的倒数。

偏转因素越小，示波器观测微弱信号的能力越强。

（3）输入阻抗Zi

输入直流信号word/media/image91.gif; 输入交流信号word/media/image92.gif

(4)输入方式：被测信号接入示波器Y通道的方式

直流方式（DC）：将被测信号的直流成分和交流成分都接入

交流方式（AC）：滤掉直流成分，只接入交流成分

接地方式（GND）：输入直接接地，不与被测信号相连，确定0电平位置

（5）扫描速度：荧光屏上光点在单位时间内水平移动的距离，单位： cm/s 或 div/s

时基因数：扫描速度的倒数，单位距离代表的时间，单位： t/cm 或 t/div

时基因数小，便于观测高频信号或信号细节；时基因数大，便于观测低频信号。

（6）触发源选择方式

触发源：是指用于提供产生扫描电压的同步信号来源。

分为：内触发（INT）、外触发（EXT）和电源触发（LINE）。

4.2 模拟示波技术及通用示波器

4.2.1示波管的示波原理

示波管的组成：电子枪、偏转系统和荧光屏。

波形显示的基本原理：在电子枪中，电子运动经过聚焦形成电子束，电子束通过垂直和水平偏转板打到荧光屏上产生亮点，亮点在荧光屏上垂直或者水平方向偏转的距离，正比于垂直或者水平偏转板上的电压，即亮点在屏幕上移动的轨迹是加到偏转板上的电压信号的波形。

4.2.2通用示波器的垂直通道

word/media/image93.gif

垂直通道主要由：Y输入电路、Y前置放大器、延迟线和Y后置放大器（输出放大器）组成。

（1）输入电路：衰减器 + 输入选择开关

衰减器的作用：word/media/image4.gif衰减输入信号幅度，以免幅度过大导致显示波形失真

word/media/image5.gif频率补偿作用，使分压比与输入信号频率无关

示波器的垂直灵敏度粗调开关，可改变分压比。

输入耦合方式选择：见示波器的性能指标---输入方式。

（2）Y前置放大器

作用：放大输入信号；产生内触发信号；垂直灵敏度微调、Y轴移位、极性反转等。

结构：差分放大电路，输入不同的直流电位，波形在显示屏Y方向的位置随之改变，即Y轴移位，对应Y轴位移（ POSITION ）旋钮。

（3）延迟线：一种信号传输网络或信号传输线，起延迟时间的作用。

作用：把加到垂直偏转板上的脉冲延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间，这样就能保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。

延迟线在内触发信号之后引出的原因：

由于触发扫描的开始时间总是滞后于被测脉冲一段时间，信号波形无法完整地显示出来。延迟线在内触发信号之后引出，能保证屏幕上扫描出包括上升时间段在内的脉冲全过程。

（4）Y输出放大器（后置放大器）

作用：将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度，以驱动示波管的垂直偏转系统。

对应“倍率”开关：使放大量提高5倍或10倍。

4.2.4 通用示波器的水平通道

水平通道的主要任务：产生随时间线性变化的扫描电压，放大到足够幅度，输出到水平偏转板，使光点在屏幕水平方向上达到满偏转。

水平通道的组成主要包括：触发电路、扫描电路和水平放大器。

（1）触发电路

作用:为扫描电路提供合格的触发脉冲信号。

触发电路包括：触发源选择、触发耦合方式、触发极性选择、触发电平调节、扫描触发方式选择（TRIG MODE）、放大整形电路

word/media/image4.gif触发源选择（对应SOURCE选择开关）

内触发（INT）触发信号=被测信号

外触发（EXT）触发信号=外接与被测信号有严格同步关系的信号

电源触发（LINE）触发信号=用50Hz的工频正弦信号

word/media/image5.gif触发耦合方式选择

有四种耦合方式：word/media/image55.gif “DC”耦合、word/media/image56.gif “AC”交流耦合、word/media/image57.gif “AC低频抑制”耦合、word/media/image95.gif “AC高频”耦合.

word/media/image6.gif触发极性选择和word/media/image7.gif触发电平选择

作用：决定触发脉冲产生时刻

触发极性：触发脉冲是在触发信号的上升沿期间产生，还是下降沿期间产生？

触发电平：触发脉冲是在触发信号电压到达何值时产生？

word/media/image8.gif扫描触发方式选择（对应“MODE”选择开关）

常态触发方式（NORM）：有触发脉冲时示波器才扫描。

自动触发方式（AUTO）：有无触发脉冲示波器都扫描。

电视触发方式（TV）：用于电视信号进行监测与电视设备维修

word/media/image9.gif放大整形电路

作用：对触发信号进行放大、整形，产生满足要求的触发脉冲。

（2）扫描电路（扫描发生环）

扫描发生环主要由：扫描闸门、扫描锯齿波发生器和比较释抑电路。

word/media/image4.gif扫描闸门：在触发脉冲激励下产生闸门信号，闸门信号启动扫描发生器产生锯齿波电压，闸门信号送到增辉电路，加亮扫描光迹。

连续扫描方式（自动触发方式（AUTO））下，扫描闸门总有闸门信号输出

触发扫描方式（常态触发方式（NORM））下，只有触发脉冲作用下才产生闸门信号。

word/media/image5.gif扫描锯齿波发生器：在闸门信号激励下产生锯齿波扫描信号

利用积分器产生线性良好的锯齿波，调节积分器参数R或C，改变“扫描速度”。

word/media/image6.gif比较释抑电路

比较电路：使电路产生等幅的锯齿波扫描信号

释抑电路：保证每次扫描的逆程结束后才开始下一次扫描，避免当前扫描正程被打断

（3）水平放大器

word/media/image4.gif选择X轴信号：输入端置“内”：放大锯齿波扫描信号

输入端置“外”：放大前面板“X输入”端的接入信号，用作X-Y图示仪。

word/media/image5.gif放大X轴信号，使光迹在水平方向上达到满偏

4.3 波形取样技术及取样示波器

4.3.1 波形取样技术

取样：从被测波形上取得样点的过程。取样分为：实时取样和非实时取样。

实时取样：为了显示信号的一个波形，从这一个波形中取得所有取样点。

非实时取样（等效取样）：为了显示被测周期信号的一个波形，从许多相邻波形中取得取样点。

非实时取样原理：word/media/image4.gif被测信号是周期信号，word/media/image5.gif取样时间间隔：TS=mT+∆t，word/media/image6.gif取样信号的包络重现原信号的一个波形，word/media/image7.gif包络时间长，可用低频示波器来显示该包络信号。

非实时取样技术的核心电路是取样保持器，取样保持器在原理上可等效为一个取样开关和保持电容串联。

利用差值取样技术利于提高示波器输入阻抗，后续放大器易于制作。

步进间隔Δt与输入信号最高频率fh应满足采样定理，即word/media/image97.gif。

非实时取样的显示原理：word/media/image4.gif水平扫描信号为阶梯波电压，word/media/image5.gif阶梯持续时间=两个取样脉冲的时间间隔，即 TS=mT+∆t，word/media/image6.gif阶梯数=光点数.

取样示波器的主要参数

（1）带宽：由于取样后的信号频率已经非常低，因此对采样示波器的频率限制的主要在取样门。决定频带宽度的因素：word/media/image4.gif取样门的高频性能，元件高频性越好，带宽越宽；word/media/image5.gif取样脉冲底宽τ，τ越窄，带宽越宽。

取样脉冲有两种形式，规则脉冲，word/media/image98.gif；尖三角脉冲word/media/image99.gif。

取样门的最高工作频率（即取样示波器的带宽）word/media/image100.gif

由上式可知，取样示波器的带宽与取样脉冲底边的宽度成反比。

（2）取样密度：指电路扫描时，在示波器屏幕X轴上显示的被测信号每格对应的采样点数，单位为，光点数/厘米。

屏幕上的总光点数word/media/image101.gif

屏幕宽度确定，光点总数确定，则取样密度确定.

（3）等效扫速：取样示波器中，波形的实际经历时间为n(mT+Δt) ，等效于被测信号经过了nΔt

等效扫速word/media/image102.gif

word/media/image103.gif:X方向最大偏转电压,等效”扫速粗调’’

D:快斜波斜率,等效“扫速细调”

4.4 数字存储示波器

数字存储示波器的工作模式有两个：实时工作模式和存储工作模式。

（1）当数字存储示波器为实时工作模式时，其电路组成原理与一般模拟示波器一样。

（2）当数字存储示波器为存储工作模式时，其工作过程分为存储和显示两个阶段。

存储阶段：模拟信号数字化并存储；

显示阶段：数字信号模拟化并显示。

数字存储示波器的技术指标

（1）最高取样速率word/media/image104.gif：单位时间内的取样次数，用每秒A/D转换的最高次数衡量。主要由A/D转换速率决定；反映捕捉高频信号或快速信号的能力。

word/media/image105.gif

（2）存储带宽B：存储宽度与取样速率密切相关。

word/media/image106.gif，N=4~10 N为取样点数。

（3）存储容量：主存储器的最大存储容量，常以字（word）为单位。

（4）分辨率：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（电压分辨率）和水平分辨率（时间分辨率）

垂直分辨率：与 A/D 转换器分辨率相对应，用垂直每格分级数 (级/div) 或百分数表示。

水平分辨率：由存储器容量决定，用水平每格含取样点数（点/div）或百分数表示。

（5）读出速度：数据从存储器中读出的速度，时间/div

示波器测量脉冲上升时间及其修正（重点）

示波器带宽有限，上升时间测量存在系统误差

修正公式：word/media/image108.gif

其中，word/media/image109.gif为示波器固有频带宽度。

第5章频域测量

5.1 频谱分析的基本概念

信号频谱：信号的全部频率分量组成的幅度谱。

频谱的两种基本类型：连续频谱、离散频谱。

时频对应关系：

word/media/image110.gif

频谱仪的分类：

5.2 扫描式频谱仪

扫描式频谱仪可分为滤波式和外差式。

5.2.1 滤波式频谱分析技术

滤波式频谱仪的原理：先用带通滤波器选出待分析的信号，然后用检波器将频率分量变为直流信号，再送到显示器，将直流信号的幅度显示出来。为了显示输入信号的各频率分量，带通滤波器的中心频率要么有多个，要么是可变的。

根据滤波器的不同实现形式，可将滤波式频谱仪分为以下几种形式：（1）档级滤波式频谱仪、（2）并行滤波式频谱仪、（3）扫频滤波式频谱仪、（4）数字滤波式频谱仪

（1）档级滤波式频谱仪（非实时频谱测量）

由多个带通互相衔接的带通滤波器和公用检波器构成。

特点：word/media/image4.gif并行滤波，串行检波、word/media/image5.gif测量的实时性差、word/media/image6.gif体积大、分辨力不高、word/media/image7.gif适用于低频段的音频测试

（2）并行滤波式频谱仪

特点：word/media/image4.gif并行滤波，并行检波、word/media/image5.gif速度快，测量的实时性强、word/media/image6.gif体积大

（3）扫描滤波式频谱仪

实质是一个中心频率在整个宽频率范围内可调谐的窄带滤波器。

特点：word/media/image4.gif优点：结构简单、价格低廉

word/media/image5.gif缺点：测量的实时性差，损耗大，调谐范围窄，分辨力差。

（4）数字滤波式频谱仪

用个单个数字滤波器代替多个模拟滤波器，滤波器的中心频率由时基电路控制使之顺序改变。

优点：word/media/image4.gif频率分辨力高、word/media/image5.gif处理精度高

5.2.2 外差式频谱仪

特点：频率范围宽，灵敏度高，频率分辨力可变。

镜像频率word/media/image112.gif的幅值会叠加在word/media/image113.gif上，引起测量误差。

解决办法：word/media/image4.gif提高中频频率，从而增加镜像频率word/media/image112.gif和频率分量word/media/image113.gif的频率间距；

word/media/image5.gif多级混频---将高中频信号降低到固定低中频.

主要性能指标

（1）输入频率范围：频谱仪可以测量的最大频率区间，主要由扫描本振的频率范围决定。

（2）频率扫描宽度（Span）：一次测量（一次频率扫描）所显示的频率范围。

小于或等于输入频率范围，可手动设置或自动调节。

（3）频率分辨力（Resolution）：将最近邻的两个频率分量区分开的能力，由中频滤波器的分辨带宽（RBW）决定。

（4）频率精度：频率轴读数的精度，与本振频率稳定度、扫描宽度、分辨带宽等因素有关。

（5）扫描时间（Sweep Time，ST）：完成一次扫描测量所需的时间，也叫分析时间。扫描时间与频率扫描宽度、分辨带宽、视频滤波带宽相关。

（6）相位噪声：偏离本振频率某一个频偏处，相对于本振幅度下降的dBc数。反映本振信号频率短期稳定度指标，由本振信号频率或相位不稳定引起。本振越稳定，分辨带宽越窄，相噪越小。

（7）幅度测量精度

（8）动态范围：可同时测量的最大与最小信号的幅值之比。

（9）本底噪声（Noise Floor）：来自频谱仪内部的热噪声，导致信噪比下降，频谱图中为接近显示底部的噪声基线。

（10）灵敏度/噪声电平：可测最小信号电平的能力。

5.3 傅里叶分析仪

5.3.1 FFT分析仪原理

原理：输入信号首先经过可变衰减器以提供不同的幅度测量范围，然后经低通滤波器除去仪器频率范围之外的高频分量。接下来对信号进行时域波形的采样和量化，转变成数字信息。最后由微处理器，利用FFT计算波形的频谱，并将结果显示出来。

组成：

衰减器：调理输入幅度到允许的范围内

低通滤波：滤除允许频率范围之外的高频成分

取样和ADC电路：模拟信号转变为数字信号

微处理器：用FFT算法计算频谱。

第n个节点对应的频率值：word/media/image115.gif

FFT计算结果的频率范围: word/media/image116.gif

频率间隔：word/media/image117.gif

结论： FFT是基带变换，适合处理基带信号。

1、FFT分析之前的数字频带搬移

窄带带通信号，不适于直接用FFT计算频谱。

2、降数据率抽取与抗混叠滤波

由word/media/image117.gif可知，为提高频谱分辨力，可降低采样速率fS、增加FFT分析点数N

过低的fS会引起频谱混叠、减小分析带宽，导致信噪比下降；FFT的分析点数不能无限增大。

解决方案：word/media/image4.gif抽取数字信号以降低数据率、word/media/image5.gif对抽取后数据数字滤波。

3、频谱泄漏及其处理

FFT采用有限长的时间记录进行付氏变换，在总体上不断重复，以代表对实际无限长序列的积分。因为只截取有限长的时间，必然要有截断，截断就有可能引起频谱泄露。

解决办法：加窗处理，减小频谱泄漏；窗函数：汉宁窗、凯塞窗、矩形窗。

4、FFT分析仪的性能指标：

（1）频率特性

频率范围：由采样频率fS决定；

频率分辨力：取决于采样频率和采样点数，word/media/image117.gif。

（2）幅度特性

动态范围：取决于ADC位数、运算字长或精度；

灵敏度：取决于本底噪声，主要由前置放大器噪声决定；

幅度读数精度：幅度误差来源包括计算处理误差、频谱混叠误差、频谱泄漏误差等多种系统误差，以及每次单个记录分析所含的统计误差。

（3）分析速度

取决于N点FFT的运算时间、平均处理时间及结果处理时间。

（4）其他特性

可选的窗函数种类；数据触发方式；显示方式等

5.4 相位噪声测量

相位噪声：表征信号短期稳定度，反映频谱纯度。时域中表现为波形过零点抖动，不易辨别；频域中表现为载波的边带，较易测量。

单边带相位噪（SSB）：源信号频谱中，在载波频率的某一固定频偏处的1Hz带宽内的电平幅度，与载波电平幅度之差，单位为dBc（1Hz）或dBc/Hz。

频谱仪测量相位噪声分两步：

（1）测量载波电平幅度word/media/image118.gif

（2）测量频偏word/media/image119.gif处的相位噪声幅度word/media/image120.gif

word/media/image121.gif

word/media/image122.gif是距载波频偏word/media/image123.gif处1Hz带宽内的单边带相位噪声，单位为dBc（1Hz）；

word/media/image124.gif是载波电平，单位为dBm；

word/media/image125.gif是距载波频偏word/media/image123.gif处1Hz带宽内的噪声电平，单位为dBm