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第6章 现代常用测量仪器
6.1 多功能数字万用表 6.2 示波器 6.3 数字高斯计 6.4 阻抗分析仪 6.5 频谱分析仪 6.6 近场探头
6.1 多功能数字万用表
数字万用表的核心是直流数字电压表，在此基础上再配置电流-电压，交流-直 流，欧姆-电压等各类转换器，便可实现电流、电压、电阻等多参数的测量，并在 面板上显示出结果。
图6.3 交-直流转换工作原理
6.1.2 电压、电流量程转换
电压量程转换采用电阻分压法，如图6.4(a)所示，一般的数字电压表头，其满量程 值为±200mV或±2V，通过量程转换就能够扩展测量范围。电流的量程转换采用分 流电阻的方法加以实现，如图6.4(b)所示。
图6.4 电流、电压量程转换
6.1. 3. 欧姆-电压转换
1。示波器是用以观察和测定多个（一般为两个）不同电信号的时间过程 2。完成两信号间函数关系的图形显示，即所谓的x－y显示。 3。进行时域、频域参数的分析测定 4。带有向某外部设备（计算机或打印机）完成屏幕数据发送、通 讯或打印输出等分功能的扩充模块和插口。
示波器基本工作原理
在传统的模拟式示波器中，以静 电聚焦与静电偏转的阴极射线管（常 称示波管）为其显示器，其基本组成 有四个部分： Y 轴（垂直轴）增益和 位置控制系统；扫描、触发、整步系 统； X 轴增益和位置控制系统；示波 管显示和高低压电源供给系统（图中 未示）。
6.3 数字高斯计
传统的高斯计采用仪表放大器电路放大霍尔效应产生的感应电压，指针显示或者经过模数 转换后通过LED或者液晶显示测试值，在硬件电路中有零漂补偿和增益调整电路，结构较 复杂，且要通过调整霍尔元件的供电电流来标定。
图6.26 数字高斯计硬件电路框图
Allegro公司的A3515产品，其基本结构如图6.27所示，只需按照要求提供工作 电源，即可提供量程范围内100%的线性输出。
图6.33 程控扫频信号源实现原理图
图中，相位累加器（PSW）的位数为32位，时钟频率为42.96MHz，所以频率的分辨率为：
fo
=
42.96 ×106 232
=
0.1Hz
DDS是基于数字取样和数模恢复的处理 ，其输出波形含有相位噪声 和杂散噪声。
噪声产生的主要原因是：幅度/相位转换时的相位舍位!幅度量化及 DAC的非线性。
转换原理如图6.5所示，V+为数字电压表头电源电压输出端，W和R1组成基准比 较电阻（W为精密微调电阻），Rx为被测电阻接在表笔的+、−端，测定Rx上的 电压大小即可换算出Rx的电阻值。
图6.5 欧姆-电压转换
图6.6
4
3 4
位智能数字多用表整机电路
6.2 .1示波器的用途和基本工作原理
示波器的用途
解决噪声的措施 ：
1. 增加每个周期的采样数； 2. 采用14位高速转换芯片； 3. 设计两个7阶椭圆滤波器和六组ButterWorth2阶低通滤波器
信号调理和高速采样的模块主要用于实现对被测元件上电压及Байду номын сангаас流信号的 调理、采样。
图6.34 信号调理和高速采样原理图
系统软件包括ARM7上运行的控制及人机接口程序和DSP上运行的信号 处理程序 。
图6.27 A3515工作电路图
LINEAR公司生产的LTC2400芯片，该芯片是一种∑-δ型24位分辨率、SPI串行 接口的A/D转换器，外围器件少，编程简单。工作电路如图6.28所示。
图6.28 数据采集电路图
数字高斯计完成多功能的核心是微控制器。 图6.29 微控制器及外围电路图
在软件设计中，利用用来扫描显示的2ms循环时钟，做一个不需要精确定时的250ms循环时钟，以 250ms为1个周期，在1个周期内依次执行读取A/D采样值、采样值数据处理和更新显示数据，主程序的 程序框图如图6.30所示。
万用表其他部分工作原理如下所述：
6.1.1交-直流转换
指针式万用表采用二极管整流、滤波得到直流电压，但这种转换电路输入阻抗低，二 极管非线性影响大，因此数字式万用表中采用负反馈集成运算放大器来实现交-直流 转换，如图6.3所示。因集成运放的开环增益足够大，再加上深度负反馈就能够充分 减小二极管的非线性影响。
图6.35系统软件框图
6.5 频谱分析仪
6.51 通常信号分析方法有两种：
时域分析 (示波器是常见的时域分析仪器.) 频域分析
频谱分析仪是信号频域分析的重要仪器，是分析信号的基本技术手段之一。
6.52 频谱分析仪的功能
图6.36 频谱分析仪
6.53 扫频式频谱分析仪的原理
图6.37 扫频式频谱分析仪的原理图
图6.7 传统模拟示波器原理框图
图 6.8 现代数字存储式示波器原理框图
在现代数字存储式示波器中，以 静电聚焦和磁偏转的混合 CRT 为其显示器，其组成和基本工作 原理如图 6.8。
6.2.2 TDS1000和TDS2000 系列数宇存储示波器
( 1 ）功能 TDS1000 和 TDS2000 系列数字存储示波器是用于观察 和测量从直流、超低频～ 200MHz 的信号波形、周期、相位和幅 度的频带极宽的数字存储示波器。它通过在不连续点处采集输入信 号的值来数字化波形，并进行显示、测量。
6.4 阻抗分析仪
阻抗分析仪通常分为两大类 1. 射频 2. 中低频
图6.31阻抗分析仪原理框图
分析仪的硬件框图如图6.32所示，系统包括主控制模块、程控扫频信号 源模块、信号调理模块、高速采样模块和电源模块。
图6.32 阻抗分析仪硬件框图
阻抗分析仪的关键技术之一是产生高性能的扫频电源，因此利用数字频率合成 技术进行信号源的搭建。
图6.1 数字万用表基本工作原理框图
根据双积分A/D转换器工作原理，计数器在参考电压回积阶段的计数值n2代表着 A/D转换的结果，其与输入电压Vsr间存在如下线性关系：
n2
=
n1 Vref
Vsr
式中：Vref为机内提供的基准电压，n1为定时积分阶段时钟脉冲的计数值。
典型的直流数字电压表电路分为LED显示和LCD显示两种。 图6.2 由MC14433与LCD数字显示装置组成的直流数字电压表电路
6.54 频谱分析仪的主要参数
6.1 多功能数字万用表 6.2 示波器 6.3 数字高斯计 6.4 阻抗分析仪 6.5 频谱分析仪 6.6 近场探头
6.1 多功能数字万用表
数字万用表的核心是直流数字电压表，在此基础上再配置电流-电压，交流-直 流，欧姆-电压等各类转换器，便可实现电流、电压、电阻等多参数的测量，并在 面板上显示出结果。
图6.3 交-直流转换工作原理
6.1.2 电压、电流量程转换
电压量程转换采用电阻分压法，如图6.4(a)所示，一般的数字电压表头，其满量程 值为±200mV或±2V，通过量程转换就能够扩展测量范围。电流的量程转换采用分 流电阻的方法加以实现，如图6.4(b)所示。
图6.4 电流、电压量程转换
6.1. 3. 欧姆-电压转换
1。示波器是用以观察和测定多个（一般为两个）不同电信号的时间过程 2。完成两信号间函数关系的图形显示，即所谓的x－y显示。 3。进行时域、频域参数的分析测定 4。带有向某外部设备（计算机或打印机）完成屏幕数据发送、通 讯或打印输出等分功能的扩充模块和插口。
示波器基本工作原理
在传统的模拟式示波器中，以静 电聚焦与静电偏转的阴极射线管（常 称示波管）为其显示器，其基本组成 有四个部分： Y 轴（垂直轴）增益和 位置控制系统；扫描、触发、整步系 统； X 轴增益和位置控制系统；示波 管显示和高低压电源供给系统（图中 未示）。
6.3 数字高斯计
传统的高斯计采用仪表放大器电路放大霍尔效应产生的感应电压，指针显示或者经过模数 转换后通过LED或者液晶显示测试值，在硬件电路中有零漂补偿和增益调整电路，结构较 复杂，且要通过调整霍尔元件的供电电流来标定。
图6.26 数字高斯计硬件电路框图
Allegro公司的A3515产品，其基本结构如图6.27所示，只需按照要求提供工作 电源，即可提供量程范围内100%的线性输出。
图6.33 程控扫频信号源实现原理图
图中，相位累加器（PSW）的位数为32位，时钟频率为42.96MHz，所以频率的分辨率为：
fo
=
42.96 ×106 232
=
0.1Hz
DDS是基于数字取样和数模恢复的处理 ，其输出波形含有相位噪声 和杂散噪声。
噪声产生的主要原因是：幅度/相位转换时的相位舍位!幅度量化及 DAC的非线性。
转换原理如图6.5所示，V+为数字电压表头电源电压输出端，W和R1组成基准比 较电阻（W为精密微调电阻），Rx为被测电阻接在表笔的+、−端，测定Rx上的 电压大小即可换算出Rx的电阻值。
图6.5 欧姆-电压转换
图6.6
4
3 4
位智能数字多用表整机电路
6.2 .1示波器的用途和基本工作原理
示波器的用途
解决噪声的措施 ：
1. 增加每个周期的采样数； 2. 采用14位高速转换芯片； 3. 设计两个7阶椭圆滤波器和六组ButterWorth2阶低通滤波器
信号调理和高速采样的模块主要用于实现对被测元件上电压及Байду номын сангаас流信号的 调理、采样。
图6.34 信号调理和高速采样原理图
系统软件包括ARM7上运行的控制及人机接口程序和DSP上运行的信号 处理程序 。
图6.27 A3515工作电路图
LINEAR公司生产的LTC2400芯片，该芯片是一种∑-δ型24位分辨率、SPI串行 接口的A/D转换器，外围器件少，编程简单。工作电路如图6.28所示。
图6.28 数据采集电路图
数字高斯计完成多功能的核心是微控制器。 图6.29 微控制器及外围电路图
在软件设计中，利用用来扫描显示的2ms循环时钟，做一个不需要精确定时的250ms循环时钟，以 250ms为1个周期，在1个周期内依次执行读取A/D采样值、采样值数据处理和更新显示数据，主程序的 程序框图如图6.30所示。
万用表其他部分工作原理如下所述：
6.1.1交-直流转换
指针式万用表采用二极管整流、滤波得到直流电压，但这种转换电路输入阻抗低，二 极管非线性影响大，因此数字式万用表中采用负反馈集成运算放大器来实现交-直流 转换，如图6.3所示。因集成运放的开环增益足够大，再加上深度负反馈就能够充分 减小二极管的非线性影响。
图6.35系统软件框图
6.5 频谱分析仪
6.51 通常信号分析方法有两种：
时域分析 (示波器是常见的时域分析仪器.) 频域分析
频谱分析仪是信号频域分析的重要仪器，是分析信号的基本技术手段之一。
6.52 频谱分析仪的功能
图6.36 频谱分析仪
6.53 扫频式频谱分析仪的原理
图6.37 扫频式频谱分析仪的原理图
图6.7 传统模拟示波器原理框图
图 6.8 现代数字存储式示波器原理框图
在现代数字存储式示波器中，以 静电聚焦和磁偏转的混合 CRT 为其显示器，其组成和基本工作 原理如图 6.8。
6.2.2 TDS1000和TDS2000 系列数宇存储示波器
( 1 ）功能 TDS1000 和 TDS2000 系列数字存储示波器是用于观察 和测量从直流、超低频～ 200MHz 的信号波形、周期、相位和幅 度的频带极宽的数字存储示波器。它通过在不连续点处采集输入信 号的值来数字化波形，并进行显示、测量。
6.4 阻抗分析仪
阻抗分析仪通常分为两大类 1. 射频 2. 中低频
图6.31阻抗分析仪原理框图
分析仪的硬件框图如图6.32所示，系统包括主控制模块、程控扫频信号 源模块、信号调理模块、高速采样模块和电源模块。
图6.32 阻抗分析仪硬件框图
阻抗分析仪的关键技术之一是产生高性能的扫频电源，因此利用数字频率合成 技术进行信号源的搭建。
图6.1 数字万用表基本工作原理框图
根据双积分A/D转换器工作原理，计数器在参考电压回积阶段的计数值n2代表着 A/D转换的结果，其与输入电压Vsr间存在如下线性关系：
n2
=
n1 Vref
Vsr
式中：Vref为机内提供的基准电压，n1为定时积分阶段时钟脉冲的计数值。
典型的直流数字电压表电路分为LED显示和LCD显示两种。 图6.2 由MC14433与LCD数字显示装置组成的直流数字电压表电路
6.54 频谱分析仪的主要参数