电子测量仪器简述

可存储多个波形，所以能在屏幕上显示 同一时间或不同时间发生的几个波形。
（５）测量精度高。数字示波器的扫描 速度由取样脉冲的频率和扫描线上单位 长度中取样点所决定，而垂直精度由 Ａ／Ｄ 变换器的分辨率和基准电压所决定，由 于其时钟由晶振产生，而 Ａ／Ｄ 都采用高分 辨率和高稳定基准，因而测量精度高。
（６）便于对信号数据的后期处理。 １．数字示波器的基本工作原理 数字示波器简化方框图如图 １ 所示。
果和它所需的控制信号都是电信号，这 字信号由数模转换器（Ｄ／Ａ）转化为模拟
非常有利于直接或通过 Ａ／Ｄ 变换变成数 量在屏幕上显示。在这种示波器中，信号
字信号与计算机连接。随着计算机技术 的获取和显示功能是分开的。数字存储
和电子技术的发展，使电子仪器性能发 示波器具有以下特点：
生了很大的飞跃，使它具有高性能、多功
（４ ）频率带宽 频带宽度分为模拟
带宽和存储带宽。存储带宽按取样方式 不同又分为实时带宽和等效带宽。模拟 带宽是构成示波器输入通道电路所决定 的带宽。实时带宽是采用实时取样时所 具有的带宽。所谓“实时”是指采集和显 示波形发生在同一时帧内的波形。等效 带宽又称重复带宽，是 采用等效时间取样方式 时所具有的带宽，这种 采集方式只适用于输入 信号为重复信号。等效 带宽远大于实时带宽。
（１）能够捕捉单次瞬时信号。由于
能的特点。如在测量过程中实现程序控 数字示波器是将信号量化后存于存储器
制、遥控、自动调节、自动校准、自动故 中，故单次信号一旦被获取，便能够随
障诊断甚至修复。对测量结果可以自动 时显示。
记录、自动完成数据运算、分析和处理。
（２）能够无闪烁显示低频信号。在
目前很多电子测量中装有微处理芯片， 数字示波器中，存储器写入和读出速度
触发方式：当待测信号越过触发电 平时，产生触发信号启动 Ａ／Ｄ，同时ＲＡＭ 从零地址开始写入新数据，将原来内容 冲掉。当写满２ｎ 个单元后停止写操作，转 为读出显示。对应显示器屏幕上显示的 是触发点后的波形。
正延迟触发方式：触发信号到来时， 存储器不立即写入数据，要延迟 Ｐ 次 Ａ／ Ｄ 变换后才开始从零地址写入新数据。这 样显示器显示的是距离出发点 Ｐ 个点开 始的波形。
频谱分析仪按其工作原理分为实时 频谱仪和非实时频谱仪。实时频谱仪能 同时观测显示其规定频率范围内所有频 率分量，而且保持了两个信号间的时间 关系（相位关系），使得它不仅能分析周 期信号、随机信号，而且能分析瞬时信 号，显示相位关系；非实时频谱仪常采用 扫描调谐式。它对输入信号按时间顺序 在频谱域内进行扫描调谐，在某一瞬时 只能观察一个频率，逐次观察待测信号 的全部频率范 围。它只能分析 在规定时间内频 谱几乎不变的周 期，它的频率范 围宽、选择性好、 灵敏度高、动态 范围大，是目前 用途最广泛的一
专家论坛
电子测量仪器简述
·北京理工大学 罗伟雄 江柏森·
罗伟雄：北京理工大 学教授、博士生导 师、世行贷款招标专 家电子组组长、全国 大学生电子设计竞赛 专家组专家。
电子测量是利用电子技术来进行测 量的方法。随着电子科学技术的发展，由 于电子测量的一系列优点，许多物理量 都设法通过一定的传感器变换成电信号， 然后利用电子技术的方法进行测量。现 代化科学技术和现代化大生产中那些要 求精密和准确测量的内容通常都运用了 电子测量的方法来实现。
（２）存储器容量 又叫存储深度，通 常为获取波形的取样点的数目，用直接 存放 Ａ／Ｄ 变换后数据的存储器单元数来 表示。
（３）分辨率 它分为垂直分辨率和水 平分辨率。垂直分辨率取决于 Ａ／Ｄ 变换器 对量化值进行二进制编码的位数。若位 数为 ８ 位则分辨率为 １／２８；若显示屏上满 度为 １０Ｖ，则分辨率为 ３９．１ｍＶ；而水平 分辨率则由存储容量决定。若分辨率为 １０ 位，则存储器有 ２１０＝１０２４ 个单元，将 水平扫描调到 １０２４格，则平均每格有１００ 个样点。
近年来，国外频谱仪技术发展迅猛。 美国 Ａｇｉｌｅｎｔ、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ、ＩＦＲ，德国 Ｒ／Ｓ， 日本 ＡＤＶＡＮ Ｔｅｓｔ、ＡＮＲＩＴＳＵ 等公司不断 推出高性能频谱仪，并不断扩展其功 能。目前，国外频谱仪的发展方向一是 向更高宽频带、高灵敏度、高分辨率、大 动态范围方向发展。其中最具代表性的 是 Ａｇｅｌｉｎｔ 公司的 ８５６３Ｅ ，频率范围
６ 所示。激励信号源的频率分辨率最大输 出功率决定了矢量网络分析仪的频率分
图６
图４
就是中频窄带滤波器。 图 ４是频谱仪的原理框图，它是一台
由微机处理控制的扫描超外差接收机， 输入信号经过程控衰减器后被分为两路， 分别输入到高、低两个频段。
在低频段，频率为 ３０Ｈｚ￣２．９５ＭＨｚ 的 信号被切换到第一变频器中的基波混频， 得到第一中频，再经过第二变频器得到 第二中频。在高频段 ２．７５￣２６．５ＭＨｚ 的信 号通过调谐滤波器（ＹＴＦ），再在第一变 频器中谐波混频得到第二中频，再经过 第三变频器得到第三中频。在该中频上， 对信号进行处理，使信号经不同带宽滤 波器的选择，再经过线性和对数放大、检 波、数字量化和显示。
数字示波器国外以 Ａｇｉｌｅｎｔ（安捷伦）、 Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ（泰克）、ｌｅｃｒｏｙ（力科）公司产品为 优。其性能优、可靠性高、品种多。如 Ａｇｉｌｅｎｔ 公司的 ５４８５３Ａ，其带宽为２．５ＧＨｚ， 取样频率为 ２０ＧＳａ／ｓ。
频谱分析仪
频谱分析仪用来分析信号频谱，也 就是在频域中观察信号。它具有灵敏度 高、频带宽、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， 如频谱纯度、信号失真、寄生分量、交叉 调制、噪声等各种参数。
负延迟触发方式：首先，存储器一直 处于写的状态。新写入的数据不断刷新 老内容，直到触发脉冲到来才停止写入。 这样显示的波形为触发脉冲到来之前的 波形。
２．主要技术指标 （１）最高取样速率 ｆ（次 ／ 秒） 表示
ｓ
对输入模拟量在每秒钟取样并进行量化 的数目，常用 ＧＳａ／ｓ、ＭＳａ／ｓ 来表示。它由 变换器的速率决定。
图中 Ｙ 轴输入信号经前置放大器放大和 衰减至Ａ／Ｄ 变化器量化的范围内，经数据 采集和 Ａ／Ｄ 变换器按数字时基所设定的
百度文库
示波器一般指阴极射线示波器。它 取样频率进行量化，成为数据流，并按数
用一个或多个电子束的偏转得到表示某 字时基所产生的写地址和控制信号存入
变量函数瞬时值的显示。它主要用于观 随机存储器 ＲＡＭ 中。
（５）易于遥测和长期不间断地测量， 显示方式又可以做到清晰直观。可以把 电子仪器或与它连接的传感器放到人类 不易长期停留或无法到达的区域去进行
遥测。
一种数字化示波器，它是将输入待测信
（６）易于利用计算机，形成电子测量 号进行采样、量化、编码，变成数字信号，
与计算机技术的紧密结合。电子测量结 存入存储器中，然后从存储器中取出数
目前，ＦＦＴ 频谱仪多数采用大规模 ＤＳＰ 芯片或ＦＦＴ专用计算机。许多示波器 也带检测波形的频谱测量功能，也用 ＦＦＴ 的方式。如Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ公司和Ａｇｉｌｅｎｔ公 司生产的示波器。但由于 ＦＦＴ 所取的是 有限长度，运算的点数也是有限的。因此 运算出来的频谱和波形真实频谱是有差 距的。
（２）超外差式扫描频谱分析仪 如 果频率轴上有一个特定的窗口，只有进 入该窗口的信号才能被检测到。当窗口 从频率 ｆ１ 扫描到 ｆ２ 就可以得到不同频率 点上的信号功率，也就得到了被测信号 的频谱分布，如图 ３ 所示。为实现这个特
微型机算机（单片机）的引入使电子 测量仪器的电路设计和所能达到的性能 指标等各方面都发生了革命性的变革。 这标志着电子测量仪器又进入了一个蓬 勃发展的新阶段。现阶段电子仪器的发 展方向主要是向数字化、智能化和个人 化的方向发展。下面就几种通用电子仪 器的情况加以简述。
数字存储示波器
广泛应用。 （４）多波形显示。由于数字示波器中
图３
专家论坛
定的窗口和频率扫描，现代频谱仪将窗 口设计在一个固定频率点上，利用扫描 本振的方法，使混频得到的中频信号逐 个通过这个窗口。这样就等效于窗口的 频率扫描。减小窗口的大小就可更细致 地观察频差较小的两个频谱线，此窗口
９ｋＨｚ￣２６．５ＧＨｚ，分辨率带宽 １Ｈｚ，最佳 灵敏度－ １４９ｄＢｍ，噪声边带－ １１３ｄＢｃ／ Ｈｚ（１０ｋＨｚ 频偏） ；二是向宽带 高速实时方向发展，典型代表 产品是 Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ 公司的 ３０８６； 三是向宽中频矢量化方向发
从 １９８２ 年后，微计算机在电子测量 以方便地显示触发点以前的波形；窗口 中的应用还出现了一种称为“个人仪器” 触发和数字组合触发在数字系统中得到
的新形式。这种个人仪器是在个人计算 机上配置多种仪器插板和专用软件，利 用计算机与不同插件和不同软件的配合 应用，完成多种仪器和某些测试系统的 功能。这种个人仪器具有成本底、使用方 便、研制与生产周期短的优点。
２．主要技术指标 （１）频率分辨率 表征频谱仪能明 确分辨两个相邻频率分量的能力。它 受中频滤波器带宽和其矩形系数等因 素的影响。 （２）显示平均噪声电平 它是在最小 分辨率带宽和最小输入衰减情况下，充 分降低视频带宽以减小峰 － 峰值噪声波 动之后，在频谱仪上显示的噪声电平，通 常将它表示为灵敏度，用 ｄＢｍ 表示。 （３）动态范围 表示在给定精度范 围内，频谱仪可测量的最大信号和最小 信号的功率比，用 ｄＢ 表示。
察信号的时域波形。数字存储示波器是
ＲＡＭ的读／写操作受数字时基Ｒ／Ｗ所
· 4 ·电子世界 ２００５ 年 ７ 期
图１
控制。由 ＲＡＭ 读出的数据经过垂直 Ｄ／Ａ 恢复成模拟信号，并驱动显示器垂直偏 转系统。另一方面，读地址作为水平 Ｄ／Ａ 变换器的数据，由水平 Ｄ／Ａ 变换成水平时 基去驱动显示器水平偏转系统，从而使 被测信号在显示器上显示。根据触发信 号和启动的时间差，可分为触发、正延迟 触发和负时延触发三种同步方式。
图２
衰减器和滤波器后，扩展了仪器的输入 动态范围并滤除了不希望的频率分量。 取样器对输入的时域信号进行取样，由 Ａ／Ｄ 转换器完成量化。采用频率抽取式数 字滤波器能同时减小信号带宽和降低取 样频率，既改善了频率分辨率又避免出 现频率混选。微处理器接收滤波后的取 样波形，利用 ＦＦＴ 计算波形频谱，测量 结果输出在显示器上。
对仪器的工作进行统一指挥和管理，还 是不同的。对慢信号写入速度可以很
用计算机软件代替部分仪器硬件，增加 慢，但可以固定速度读出。所以光迹无
仪器的多功能和灵活性，构成所谓智能 闪烁现象。
仪器。这种仪器常有记忆存储、逻辑判
（３）具有多种触发功能。如：前触发
断、数学运算、命令识别等特点。
（负延时触发）、后触发（正延时触发）可
（３）测量准确度高。电子仪器的准 确度通常可比其它测量仪器高得多，特 别是对频率和时间的测量。由于采用了 原子频标作频率基准，使误差减小到 １０－１３￣１０－１４ 量级。这是目前人类在测量 准确度方面达到的最高标准。
（４）测量速度快。由于电子测量是通 过电子运动和电磁波的传播来进行工作 的，因此具有其它测量方法无法比拟的 高速度。
电子测量狭义来说，是在电子领域 测量有关的电量值。如电压、电流、功率、 各种不同的波形、信号频谱、各种元件和 电路参数等。与其它一些测量相比，电子 测量具有以下几个明显的特点：
（１ ）测量频率范围极宽。可达 １０－４ ￣１０－５Ｈｚ，高端可至 １００ＧＨｚ（甚至更高）。
（２）量程极广。由于所测电量的大小 相差极大，要求测量仪器的量程也极宽。 同一台电子仪器经常能做到量程宽达多 个数量级。
· 5 · 电子世界 ２００５ 年 ７ 期
专家论坛
类频谱分析仪。 １．基本工作原理 由于频谱分析仪种类较多，这里以
ＦＦＴ 型实时频谱分析仪和超外差扫描频 谱分析仪为例。
（１）ＦＦＴ 实时频谱分析仪 周期信号 通过傅氏级数运算，可表示为频域中离 散谱线；非周期信号通过傅氏变换在频 域中为一条连续频谱线。离散傅氏变换 为傅氏变换的离散形。它能将时域中的 离散信号变换为频域中的离散形式。快 速傅氏变换（ＦＦＴ）是实施离散傅氏变换 的一种快速而有效标法。图 ２为 ＦＦＴ 频谱 仪的简化框图。输入信号通过程控步进