电子测量仪器通用术语与相关原理

电子测量仪器是电子信息技术产业的基础支撑性设备,全球超过 50% 的电子仪器市场份额被是德科技 Keysight泰克 Tek力科 Lecroy罗德与施瓦茨 Rohde&Schwarz四家企业所垄断。伴随近几年电子科技行业卡脖子风险的上升,国内密集出台了多部涉及仪器仪表行业以及相关领域的产业政策,在政策支持与下游产业的快速发展之下,我国电子测量仪器近几年实现了高速增长,涌现出了 普源精电同惠电子优利德科技 等科创板挂牌上市仪器厂商。

电子工程实验当中,必不可少的涉及到大量测量仪器的使用,本文主要记录笔者工作室当中所使用的 数字万用表(Multimeter)、数字电桥(LCR Meter)、数字存储示波器(DSO)、逻辑分析仪(Logic Analyzer)、可编程直流电源(DC Supply)、信号发生器(Signal Generator)等仪器的性能指标术语,包括 三极管测量电源纹波晶振频率谐波输出 等常规的测量方法与技巧,以及相关的注意事项。

Multimeter 数字万用表

数字万用表(Multimeter)是一种多用途的电子测量仪器,可以用于测量电路当中的电压电流电阻电感晶体管等数据。手持式数字万用表的的显示规格通常为三位半或者四位半,其中三位半是指有三位数字可以显示 0 ~ 9,而最高位只能显示数字 1,而四位半同理。

  • LPF低通滤波器(Low-Pass Filter)是在测量过程当中,允许低频待测信号正常通过,而超过临界值的高频信号则会被阻隔与减弱;
  • NCV非接触式电压(Non-contact voltage)功能可以用于在不与导线产生物理接触的情况下,探测特定频率的交流电压信号;
  • V.F.C变频电压电流测量,进入该模式以后,可以准确的测量变频的电压与电流;
  • hFE共发射极混合参数正向电流增益Hybrid Parameter Forward Current Gain,Common Emitter),即晶体管在固定直流偏置下的电流放大倍数;
  • True RMS真有效值是测量交流信号的一种有效方法,也称为真均方根(True Root Mean Square)值,其计算方法是将一个交流波形划分为很多部分,然后求解每个部分振幅的平方,接着计算这些平方值的平均值,最后将平均值开方

判断三极管类型

数字万用表判断三极管属于 NPN 还是 PNP 类型,需要使用到二极管档位,此时红表笔相当于电池正极,黑表笔相当于是电池负极。由于三极管的 BCE 极之间都存在着 PN 结,当表笔向 PN 结施加正向电压时就能够导通(导通电压约 0.7V 左右),本测量方法正是基于这个原理。

  • NPN 型:当三极管的 B 极接红色表笔时,黑色表笔CE 极就会导通;
  • PNP 型:当三极管的 B 极接黑色表笔时,红色表笔CE 极就会导通;

LCR Meter 数字电桥

数字电桥(LCR Meter)是一种用于测量电感电容电阻元件参数的仪器,其主参数不仅能显示出元件值,副参数还能够反映 QDZLpLsCpCsKpKs 等参数。

  • 主参数电感(L)、电容(C)、电阻(R)、阻抗(Z);
  • 副参数电抗(X)、损耗因子(D)、品质因数(Q)、阻抗角(θ)、等效串联电阻(ESR);
  • 等效模型:由于实际的电感、电容、电阻并非理想阻抗元件,而是以串并联形式呈现为复合阻抗元件,所以需要将元件等效为简单的串联Series [ˈsɪəriːz])等效、并联Parallel [pærəlel])等效模型进行测量;

注意:通常情况下,低阻抗元件使用串联等效模型高阻抗元件使用并联等效模型

  • 直流电阻测量模式(DCR):可以测量线圈、变压器等电子元件的直流阻抗;
  • 电解电容测量模式(ELECT CAP):使用时需要注意元件的连接方向,红色开尔文夹连接电解电容正极,黑色开尔文夹连接电解电容负极;

DSO 数字存储示波器

数字存储示波器(DSO,Digital Storage Oscilloscope [əˈsɪləskoʊp])是一种将电信号数字化之后再重建波形,并且具有记忆、存储波形信号功能的电子仪器。

采样系统

采样原理

奈奎斯特(Nyquist)采样原理认为,对于最大频率 \(f_{MAX}\) 的带宽有限制信号而言,等距采样频率 \(f_S\) 必须超过最大频率 \(f_{MAX}\) 两倍以上,才能够产生出不会发生混叠的信号。

\[ 最大频率 f_{MAX} = \frac{等距采样频率 f_S}{2} = 奈奎斯特频率 f_N = 折叠频率 \]

采样率

数字示波器的实际采样率由当前的水平时基档位决定,采样率不足会引起波形出现失真混叠漏失等问题,从而造成波形无法正常进行显示:

波形失真:由于采样率低造成某些波形细节缺失,使示波器采样显示的波形与实际信号存在较大差异;

波形混叠:由于采样率低于实际信号频率的 2 倍,对采样数据进行重建时的波形频率小于实际信号的频率;

波形漏失:由于采样率过低,对采样数据进行重建时的波形没有反映全部实际信号;

带宽

示波器的带宽是指按照 3dB 衰减输入信号幅值的最低频率,对于没有超过示波器最大频率 \(f_{MAX}\) 的频率分量而言,所需要的采样率 \(f_S\) 为示波器带宽 \(f_{BW}\) 的两倍。

由于数字方波信号由基本频率位置的正弦波和多个奇次谐波组成,具有超出其基本频率的分量,所以正常显示波形的采样率 \(f_S\) 应当高于带宽 \(f_{BW}\) 的 4 倍以上。

存储深度

存储深度是指示波器在每一次触发采集当中,所能够存储的波形点数

存储深度 \(MDepth\)(单位为 pts)、采样率 \(SRate\)(单位为 Sa/s)、水平时基档位 \(TScale\)(单位为 s/div)、屏幕水平方向格数 \(HDivs\)(单位为 div) 三者的关系满足如下方程式:

\[ 存储深度 MDepth = 采样率 SRate \times 水平时基档位 TScale \times 屏幕水平方向格数 HDivs \]

注意:在相同的水平时基档位下,高存储深度可以保证高采样率

插值方式

通常情况下,示波器获取的采样点难以直观进行观察,为了提高信号的可视性,示波器通常会采用插值法进行显示。这里的插值法是一种连接各个采样点,并利用采样点推算出整个波形面貌的处理方法,主要分为线性插值 x正弦插值 sinx/x 两种方式:

  • 线性插值 x:相邻采样点之间以直线相互连接,该方式仅限于只需重建边缘的信号,例如方波
  • 正弦插值 sinx/x:相邻采样点之间以曲线相互连接,该方式通用性更强,当采样速率为带宽的 3 ~ 5 倍时,建议采用该方法;

Run/Stop & Single 触发控制

  • 【Run/Stop】按钮:开始或者停止触发采集,停止之后,示波器会显示最后一次采集到的信号;
  • 【Single】按钮:仅仅只触发一次,对于后续波形将不再触发采集;

波形获取方式

波形的获取方式用于控制如何从采样点当中产生出波形点,通常需要使用到示波器面板上的【Acquire】按钮。

  • 普通:按照相等的时间间隔对信号采样以重建波形,该模式对于大多数波形而言,可以生成最佳的显示效果;
  • 峰值:根据采样时间隔内信号的最大值和最小值,并将这些值作为两个相关的波形点,以此来构建波形;该模式能够捕获发生在波形采样点之间快速变化的信号,从而有效的观察到偶发的窄脉冲,但是会造成显示的噪声较大;该模式可以显示至少与采样周期一样宽度的全部脉冲,便于查看毛刺与窄脉冲;
  • 平均:对多次采样的波形进行平均,以减少输入信号上的随机噪声并提高垂直分辨率;平均次数越高,噪声越小并且垂直分辨率越高,但显示的波形对于波形变化的响应就会越慢;

垂直幅度

显示屏幕的垂直方向上,每一个刻度代表的是电压幅值,通常表示为 V/div,目前国产数字示波器的垂直档位调节范围在 500μV/div - 10V/div 之间。

通道耦合

设置耦合方式可以滤除不需要的信号,例如:被测信号是一个含有直流偏置的方波信号。

  • 当耦合方式为直流:被测信号含有的直流分量交流分量都可以通过;
  • 当耦合方式为交流:被测信号含有的直流分量被阻隔;
  • 当耦合方式为接地:被测信号含有的直流分量交流分量都被阻隔;

带宽限制

带宽限制可以减少显示波形中的噪声,例如:被测信号是一个含有高频振荡的脉冲信号。

  • 关闭带宽限制:被测信号含有的高频分量可以通过;
  • 带宽限制为 20MHz:被测信号当中大于 20MHz 的高频分量将会被衰减;

探头衰减比

衰减比是指被测信号的显示幅度与被测信号实际幅度之间的比值。

1
2
3
4
5
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7
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9
10
0.1X       0.1 : 1
0.2X 0.2 : 1
0.5X 0.5 : 1
1X 1 : 1
# ... ... ... ... #
500X 500 : 1
1000X 1000 : 1
2000X 2000 : 1
5000X 5000 : 1
10000X 10000 : 1

波形反相

关闭波形反相时,波形正常显示;打开波形反相时,波形电压值被反相

通道时滞

使用示波器进行实际测量时,探头电缆的传输延迟可能带来较大的误差(零点偏移,波形与触发电平线的交点相对于触发位置的偏移量)。此时通过设定一个延迟时间,可以校正对应通道的零点偏移。

水平时基

显示屏幕的水平方向上,每一个刻度代表的是时间基准,通常表示为 S/div,目前国产数字示波器的水平档位调节范围在 1.0ns/div ~ 100s/div 之间。

时基模式

  1. YT 模式Y 轴表示电压量,X 轴表示时间量;
  2. XY 模式:该模式下,示波器将两个输入通道从电压-时间转化为电压-电压,然后使用李沙育法测量相同频率的两个信号之间的相位差,下面是相位差的测量原理图:

根据 \(\sin \theta = \frac{A}{B} = \frac{C}{D}\),其中 ABCD 的定义见上图,而 \(\theta\) 表示两个通道之间的相差角,从而可以推导得到:

\[ \theta = \pm \arcsin (\frac{A}{B}) = \pm \arcsin (\frac{C}{D}) \]

  • 如果椭圆的主轴在 IIII 象限内,那么求解得到的相位差角应当位于 IIV 象限内,即 0 ~ π/2 或者 3π/2 ~ 2π 范围内。
  • 如果椭圆的主轴在 IIIV 象限内,那么所求得的相位差角将会位于 IIIII 象限内,即 π/2 ~ π 或者 π ~ 3π/2 范围内。

注意:该功能可以用于测量信号经过一个电路网络之后,所产生的相位变化。

滚动 Roll

滚动 Roll 模式下,波形自右向左滚动刷新显示,波形水平位移和触发控制不起作用。

慢扫描模式

慢扫描模式是指在 YT 模式下,当水平时基设定为 50ms/div 甚至更慢时,示波器会首先采集触发点左侧的数据,然后等待触发,在触发之后继续绘制触发点右侧的波形。应用慢扫描模式观察低频信号时,建议将通道耦合方式设置为直流

触发系统

数字示波器的触发信源可以是 CH1 ~ CH4 模拟信号通道,也可以选择 AC Line 交流市电输入。

触发电平

用于控制波形的触发位置,从而决定波形如何显示:

触发方式

  • 自动触发(Auto):如果指定时间内,没有找到满足触发条件的波形,示波器将会强制采集一帧波形数据;
  • 普通触发(Normal):只有查找到指定触发条件之后,才会进行触发与采集;
  • 单次触发(Single):搜索到指定的触发条件之后,示波器只会触发一次,然后就停止触发;
  • 强制触发(Force):通过手动按下【Force】按钮或者两次【Single】按钮,强制产生一个触发信号;

触发耦合

触发耦合决定信号的哪种分量被传送到触发模块。注意与“通道耦合”进行区别。

  • 直流耦合(DC):允许直流(DC)和交流(AC)信号通过触发路径;
  • 交流耦合(AC):阻挡信号的直流成份,并且衰减低于 8Hz 的信号;当信号具有较大的直流偏移时,使用交流耦合可以获得稳定的边沿触发;
  • 低频抑制(LFR):阻挡信号的直流成份,并且抑制低于 2MHz 的低频分量,当信号当中含有低频分量时,使用 LFR 可以获得稳定的边沿触发;
  • 高频抑制(HFR):抑制信号当中高于 1.2MHz 以上的高频成份;

注意:触发耦合与通道耦合是完全独立的两个概念,使用时不能进行混淆。

触发释抑

触发释抑可以稳定的触发复杂波形(例如脉冲序列、调制波),释抑时间是指示波器发生正确触发之后到重新启用触发电路之前等待的时间,在释抑时间内,即使满足触发条件,示波器也不会触发,直至释抑时间结束,示波器才会重新启用触发电路。

正确的触发释抑时间通常会略小于一次波形的重复时间,这样可以让重复的波形生成唯一的触发点,通常释抑时间的可调范围为 80ns ~ 1.5s

噪声抑制

噪声抑制可以抑制信号中的高频噪声,降低示波器被误触发的概率,但是这样同时也会降低触发的灵敏度,需要根据实际酌情使用。

触发类型

边沿触发:在输入信号指定边沿的触发阈 [yù] 值上触发;

斜率触发:让示波器在指定时间的正斜率负斜率上触发,适用于观测锯齿波或三角波;

脉宽触发:在指定宽度的正脉冲或者负脉冲上触发,即当输入信号的脉冲宽度满足条件时,示波器就会触发;

超时触发:从输入信号的上升下降沿跨过触发电平开始,到相邻的上升下降沿跨过触发电平结束的间隔时间 \(\Delta T\) 大于指定的超时时间就会触发;

欠幅触发:用于触发那些跨越过了一个触发电平,但是未能跨越过另外一个触发电平的脉冲;

码型触发:查找指定码型作为触发条件,码型是任意两个通道的逻辑关系(与非或非)组合,每个通道都可以设定为无效三种类型;

数学运算

FFT 运算

使用快速傅立叶变换FFT,Fast Fourier Transform Algorithm)可以将时域信号转换为频域分量(频谱,水平档位从时间 S 变换为频率 Hz,垂直档位从伏特 V 变换为分贝 dB),从而实现同时观测信号的时域波形频谱图。通过使用 FFT 运算可以方便的测量谐波分量与失真直流电源中的噪声特性分析振动等;

电源纹波测量

  1. 选择合适的探头档位,如果被测电源的输出电压较大,或者对于带宽的要求较高,则可以考虑使用 10X 档;正常情况下都建议使用 1X 档,避免不必要的噪声衰减影响纹波质量;除此之外,建议探头上使用接地弹簧进行接地,从而避免接地线过长带来的不必要干扰;
  2. 由于纹波属于交流成分,所以示波器的通道耦合方式应当选择【交流】,从而限制直流信号的输入;
  3. 酌情选择 20MHz 的带宽限制,滤除不必要的高频噪声;
  4. 触发方式可以选择边沿触发,触发模式在【Auto】或者【Normal】状态下皆可;

晶振信号测量

  1. 由于晶振输出的是交流信号,所以需要将示波器通道耦合方式设置为【交流】,从而滤除直流成分;
  2. 由于晶振当中的信号大部分属于高频信号,所以需要将示波器通道与探头的衰减比设置为 10X,防止探头带宽过低;
  3. 尽量选择接地弹簧来进行接地,避免由于接地线过长而引入不必要的干扰;

注意无源晶振通常输出的是正弦波,而有源晶振输出的信号可能是正弦波或者方波

Logic Analyzer 逻辑分析仪

逻辑分析仪是专门针对数字信号的调试工具,可长时间采集信号,并且无波形死区,支持复杂触发定位以及全面的协议内容解析。相比于数字存储示波器,由于逻辑分析仪只采集高低电平,因而更加擅长于分析数字通讯过程和复杂的协议解析。

采集时长采样率是逻辑分析仪的两个主要性能指标,目前市场上的逻辑分析仪都支持高采样率Buffer 模式,以及较长采集时间Stream 模式

  • Buffer 模式:将信号采集到 DRAM 之后,再通过 USB 传输给上位机;
  • Stream 模式:一边采集信号,一边通过 USB 将信号传递给上位机;

Stream 模式

由于 Stream 模式实时将采集到的数据通过 USB 传输到电脑内存,最大可以达到 16G 深度,从而可以大大提高波形的记录时长:

注意:Stream 模式的实时传输会受到 USB 接口的带宽限制(USB2.0 传输速率上限仅为 480Mbps,但是 USB3.0 传输速率上限可以达到 5Gbps)。

采样率

采样率越高,对于逻辑信号的还原精度就会越高,通常推荐采样率为被测数字信号频率的 10 ~ 100 倍。

DC Supply 可编程直流电源

可编程直流电源(Programmable DC Power Supply)用于将 220V 交流电转变成低压直流电,之所以称为可编程是由于内部并未采用电位器,而是通过微控制器来控制输出的电压与电流。

  • 开关稳压电源内部使用高频变压器,体积小重量轻,使用的贵金属少;其优点在于效率高、成本低,而缺点在于输出纹波较为严重;主要用于对输出电压纹波要求较低,对效率和成本要求较高的场合;
  • 线性稳压电源内部使用大功率的低频变压器,由于需要较多的铜线绕制,所以重量和体积都较大,成本也较高;但是其优点在于输出电压纹波很小,缺点在于效率相对较低,且成本较高;模电实验当中,通常使用的都是线性稳压电源

恒压与恒流输出

可编程直流电源通常提供有 恒压CV,Constant Voltage)和 恒流CC,Constant Current)两种输出模式:

  • 恒压 CV 模式:输出电压等于电压设置值,输出电流负载决定;
  • 恒流 CC 模式:输出电流等于电流设置值,输出电压负载决定;

电源的串并联

串联两个或多个隔离通道可以提供更高的电压并联两个或多个隔离通道可以提供更高的电流,这种工作模式通常用于单个通道输出的电压、电流上限无法满足实验需求的时候。

电源串联

可编程直流电源的串联工作模式可以提供更高的输出电压,其输出电压是所有通道的输出电压之和,此时内部接线方式如下图所示:

电源并联

可编程直流电源的并联工作模式可以提供更高的输出电流,其输出电流是单个通道的输出电流之和,此时内部接线方式如下图所示:

电源纹波

电源纹波(Ripple [ˈrɪpl])是由于直流稳压电源内部电压波动而造成的一种现象,由于直流稳压电源通常由交流电源经整流、稳压等环节而形成,从而不可避免的在直流稳压量当中携带了一些交流成份,这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。

Signal Generator 信号发生器

信号发生器(Signal Generator)是一种能够根据需要,产生各种模拟数字激励信号的电子仪器。

通道设置

  • 输出阻抗:输出阻抗的设置影响输出振幅和直流偏移,信号发生器输出端口通常连接有一个 50Ω 的固定串联输出阻抗,如果实际负载与指定值不同,则显示的电压电平将与被测电路的电压电平不匹配。要确保正确的电压电平,必须保证负载阻抗设置与实际负载相匹配。修改阻抗设置后,信号发生器将自动调整输出振幅偏移电压
  • 波形同步:从信号发生器背部的 Sync 接口,输出各种基本波形的同步信号;
  • 通道耦合:使两个输出通道互为基准源,当改变其中一个通道的频率、幅度、相位时,另一通道的频率、幅度、相位也将会自动调整;
  • 波形叠加:在当前基本波上叠加指定的波形;
  • 输出反相:相对于偏移电压进行反相;
  • 通道对齐:按下前面板的【Align】按键,信号发生器将会重新配置两个通道,使其按照设定的频率与相位输出;对于同频率或频率呈倍数关系的两个信号,通过该操作可以使其相位对齐;

幅度单位换算

\(V_{pp}\)\(V_{rms}\) 的换算

\(V_{pp}\) 是表示信号峰峰值的单位\(V_{rms}\) 是表示信号有效值的单位,信号发生器默认使用 \(V_{pp}\) 作为信号幅值的单位。对于不同的波形,\(V_{pp}\)\(V_{rms}\) 之间的关系不同。以正弦波为例,二者之间的关系如下图所示:

根据上图,可以推导出 \(V_{pp}\)\(V_{rms}\) 之间换算关系满足如下关系式:

\[ V_{pp} = 2 \cdot \sqrt{2} \cdot V_{rms} \]

\(dBm\)\(V_{rms}\) 的换算

\(dBm\) 是表示信号功率绝对值的单位,\(dBm\)\(V_{rms}\) 之间满足如下关系:

\[ dBm = 10 \cdot \lg(\frac{V_{rms}^2}{R} \times \frac{1}{0.001W}) \]

由于上面方程当中的 R 表示的是通道的输出阻抗,必须为确定的数值,所以当信号发生器的输出阻抗被设置为高阻时,就不能使用 \(dBm\) 作为单位。

基本波形

信号发生器可以输出包括 正弦波方波锯齿波脉冲噪声 在内的 5 种基本波形,

占空比

占空比是方波波形高电平持续的时间所占周期的百分比,该参数仅在输出方波或者脉冲波时有效。

对称性

对称性是指锯齿波波形的上升阶段占据周期的百分比,该参数仅针对锯齿波有效。

脉冲宽度 & 上升/下降沿

  • 上升沿时间是指脉冲幅度从波形 10% 位置上升至 90% 位置所持续的时间;
  • 下降边沿时间是指脉冲幅度从波形 90% 位置下降至 10% 位置所持续的时间;
  • 脉冲宽度是指从脉冲上升沿幅度 50% 位置到下降沿幅度 50% 位置之间的时间间隔;

谐波输出

信号发生器通常附带有谐波发生功能,可以输出具有指定次数幅度相位谐波,通常应用于谐波检测设备或者谐波滤波设备的测试当中。

傅立叶变换理论指出时域波形是由一系列正弦波叠加而成的,可以采用如下方程进行表示:

\[ f(t) = A_1 \sin(2 \pi f_1 t + \varphi_1) + A_2 \sin(2 \pi f_2 t + \varphi_2) + A_3 \sin(2 \pi f_3 t + \varphi_3) + ... \]

\(f_1\)基波频率,频率为 \(f_1\) 的分量就称为基波\(A_1\)基波幅度\(\varphi_1\)基波相位。上述方程当中其它各个分量的频率通常为基波频率的整数倍,称为谐波。频率为基波频率奇数倍的分量称为奇次谐波,频率为基波频率偶数倍的分量称为偶次谐波

扫频输出

信号发生器工作在扫频模式下时,会在指定的扫描时间内从起始频率终止频率变化的进行输出,正弦波方波锯齿波任意波 都可以进行扫频输出。

波形调制

信号发生器可以输出经过调制波形,支持的调制类型包括 AMFMPMASKFSKPSKPWM 等。所谓调制就是按照调制信号的变化改变载波信号某些参数(幅度、频率、相位等)的过程,这里的载波可以是正弦波方波锯齿波任意波脉冲波,而调制波则是来自内部或者外部的调制源。

调制类型 英文缩写 英文全称 调制方式描述
幅度调制 AM Amplitude Modulation 载波幅度随着调制波形瞬时电压的变化而变化;
频率调制 FM Frequency Modulation 载波频率随着调制波形瞬时电压的变化而变化;
相位调制 PM Phase Modulation 载波相位随着调制波形瞬时电压的变化而变化;
幅移键控 ASK Amplitude Shift Keying 配置信号发生器在两个预设的幅度载波幅度调制幅度)之间移动其输出幅度
频移键控 FSK Frequency Shift Keying 配置信号发生器在两个预设的频率载波频率跳跃频率)之间移动其输出频率
相移键控 PSK Phase Shift Keying 配置信号发生器在两个预置相位载波相位调制相位)之间移动其输出相位
脉宽调制 PWM Pulse Width Modulation 载波脉宽随着调制波形瞬时电压的变化而变化;

注意载波(Carrier Wave)和载波频率属于相同的物理概念,是一种在频率幅度相位方面被调制以传输信号的电磁波。