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电子测量仪器主要技术指标的剖析

电子测量仪器主要技术指标的剖析科学技术的发展促进了人类社会的进步,而正是测量奠定了科学技术发展的基石.它不但能够使人们得到真知,而且能够使人们发现未知.科学技术的发展促进了测量的发展,测量的发展促进了测量仪器的发展,而测量仪器的发展主要是技术指标的提高.近10年来,经过市场和技术的推动,我国电子测量仪器技术指标已经有了长足的进步,并在一些方面已接近并超过国际先进水平.目前,电子测量仪器正朝着高兼容性、高稳定性、高精确性、高便捷性的方向发展,使用也不像过去那么复杂.但要选择好、使用好,并得到精准的测量数据,除了要对测量对象有准确的了解外,还要了解其相关技术指标.本文从三个方面剖析电子测量仪器常用技术指标.


1 电压相关

1.1 电平特性


包括输出电平及其平坦度,常作为信号发生器的技术指标.输出电平范围是指仪器输出信号幅度的有效范围.信号发生器的输出电平常用峰值表示,一般输出各种波形的最大峰峰值相同,使用时注意输出各种波形的最大有效值是不同的.输出电平平坦度是指在有效频率范围内,输出电平随频率变化的程度,选用和使用信号发生器时也尽量使用平坦度小的频段.


1.2 输入阻抗和输出阻抗


输入阻抗是后级电路或仪器对前级电路或仪器所呈现出来的阻抗.输入阻抗非常高,意味着从被测电路流入后级电路或仪器的电流非常小,即测量不影响电路正常工作.信号源、放大器和电源都会向负载提供电压,但负载时输出电压总比空载时输出电压小,原因就是信号源、放大器和电源都存在输出阻抗,输出阻抗降低了一定的电压.输出阻抗越小,驱动负载的能力就越强.选用仪器或电路时要选用输入阻抗大、输出阻抗小的仪器或电路,但对负载功率有比较高的要求时,比如高频电路和仪器,一定要保证阻抗匹配,现在很多仪器输出阻抗可以直接在系统设置里调节,所以能非常方便的匹配.


1.3 动态范围


动态范围指能按要求精度测量、分析输入端同时出现的两个信号的最大功率比,用dB表示,上限受非线性失真的限制.能够表示频谱分析仪显示大信号和小信号频谱的能力.


1.4 最大输入电压


最大输入电压指仪器所能输入的最大信号幅度.为了确保安全使用测试仪器,很多测试设备都会标称CAT级别指标,IEC60664按照不同场合建立了由CATⅠ~Ⅳ的安全等级标准,也称为过电压范畴,定义如下:


CATⅠ即通过变压器或类似设备连接到墙上插座的二次电气回路;

CATⅡ即通过电源线连接到室内插座的用电设备的一次电气线路;

CATⅢ即直接连接到配电盘的大型设备的一次回路及配电盘与插座之间的电力线路;

CATⅣ即任何室外供电线路或设备.

表 1 过压分类

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衡量测试仪器或探头附件保护电路的关键除了最大输入电压这一指标,还包括抵御瞬间高压的能力.这一指标如若不高,则危害更大,因为当瞬间高压加在高能电路上时,能够导致比正常值大很多倍的电流.IEC1010关于耐压指标规定了三个准则:稳定状态电压、峰值瞬间高压和源电阻.它们组合在一起就可以确定一台仪器真正的耐压能力.过压分类如表1所示,由表1可知:


(1)在同一过压分类下,工作电压越高,所能承受的峰值瞬间高压越高.

(2)在不同过压分类下,因源电阻不同而有明显区别,例如二类的源电阻为12Ω,三类是2Ω,如果电压相同,那么三类仪器中的电流是二类的6倍,能量是二类的36倍.很明显满足三类600V过压标准的仪器比二类1000V的过压保护能力更强.


1.5 灵敏度


灵敏度指仪器测量小信号的能力,定义为显示幅度为满刻度时所能测量的最小电平值.受仪器中存在的噪声、杂波、失真以及杂散响应的限制,并与测量速度有关,速度越高,灵敏度越低.在测量小信号、判断电桥平衡及电路和仪器调零时一定要选择灵敏度高的仪器.


1.6 分辨率


分辨率指仪表所能显示被测电压最小变化值的能力.也即是显示器最末位读数跳一个单位所需要的最小电压变化值.在不同的量程上分辨率不同,最小的量程上分辨率最高.通常把一台仪器的最高分辨率作为这台仪器的分辨率指标.例如:3位半的DVM,在200mV量程上,可以测量的最大输入电压为199.9mV,其分辨率为0.1mV.


1.71dB 压缩点


对于放大器,输入信号太大,会导致输出信号一部分截止失真,一部分饱和失真,所以输入电平过高会引起信号增益下降,在动态范围内,下降1dB时的点,叫1dB压缩点.它可以表示仪器的过载能力.


2 频率相关

2.1 频率范围


频率范围指仪器各项指标均能得到保证时的最大频率区间.测量时,如果被测信号频率超出仪器频率范围,测得结果将不准确,甚至是错误的.


2.2 频率准确度


频率准确度指输出信号频率的实际值f与标称值f0的相对误差,其表达式为α=Δf/f0.


2.3 频率稳定度


频率稳定度指一定时间内仪器输出频率准确度的变化,它表示了信号源维持某一恒定频率的能力.分为短期频率稳定度(fmax-fmin)/f0和长期频率稳定度.


2.4 非线性失真度


信号发生器输出单一频率的正弦信号时,由于非线性失真、噪声等原因,往往输出信号中含有其他谐波成分,即信号的频谱不纯,用


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表示,式中:U1为信号基波有效值,U2~Un为各谐波有效值.


2.5 频率分辨率、分辨率带宽

频率分辨率是指频谱分析仪分辨相邻的两个频谱分量的能力,其受仪器中窄带滤波器的带宽限制;分辨率带宽是指窄带滤波器幅频特性的3dB带宽,其高低反映出频谱仪的档次高低,高档的频谱仪分辨率带宽可做到1Hz~5MHz.其它相关的指标还有频率选择性(滤波器60dB带宽与3dB带宽之比),在使用频谱仪时,频率选择性越小,分辨不等幅信号的能力就越强;一般仪器的频率选择性是固定的,而分辨率带宽是可调的,所以可以通过减小分辨率带宽,减小平均显示噪声电平,达到更好的测量微弱信号的效果.


2.6 扫宽、扫描时间


扫宽、扫描时间通常作为频谱分析仪的技术指标.扫宽通常是指频谱分析仪在一次扫描分析过程中所显示的频率范围,修改扫宽将自动修改起始频率和终止频率,扫宽最大时,为全扫宽模式;最小为零扫宽模式,此时测量的是输入信号对应频率点处的时域特性.扫宽和分辨率带宽改变将引起扫描时间的变化.


扫描时间是指在扫宽范围内完成一次扫描的时间.扫描时间小,测量速度高,但要保证设置的扫描时间大于自动耦合时的最短扫描时间,否则可能导致测量错误.


2.7 带宽与上升时间


电路具有幅频特性,一般随频率升高或下降信号会有衰减,定义信号幅度下降到3dB时的频率点为上升频率和下降频率,两者之差为带宽,使用时必须对高频和低频带宽都加以考虑.在电子测量中,示波器带宽不足会对测试信号产生两个方面的影响:(1)高频信号幅度下降;(2)信号高频成分消失,测得上升时间变慢.


所以使用示波器,正确选择带宽很重要,一般分两种情况:


(1)重点考虑谐波.以方波为例,方波是由基波和无数奇次谐波叠加而成的,谐波越多,越接近方波,普遍认为方波包含到9次谐波.即对于100MHz的方波,带宽要在900MHz以上才能进行测量,如图1所示.常见的三角波包含到3次谐波,不同占空比的脉冲包含的谐波数也不同,所以以谐波情况来选择示波器带宽首先要了解该波形的重要谐波数.


(2)重点考虑上升时间.在1GHz范围内,T上升=0.35/BW,测量所得上升时间


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波形上升时间越小,所含谐波越多.信号上升时间与仪表上升时间之比,会影响到测量精度,反之,根据对测量精度的要求,可以得知信号上升时间与仪表上升时间的比例要求,从而达到选择带宽的目的.


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图 1 基波与谐波叠加方波


3 数字相关

3.1 采样率


采样是将时间上、幅值上都连续的模拟信号,在采样脉冲的作用下,转换成时间上离散、幅值上仍连续的离散模拟信号.离散的采样点之间的间隔就是采样周期,采样周期的倒数就是采样率.


以示波器为例,简要说明采样过程及采样率不足所产生的影响.


采样过程:输入电压信号→前端放大器→采样/保持电路→A/D转换器→存储器→微处理器→显示屏.


实际测量中,如果示波器带宽确定,采样率的选择还与采样模式是实时采样还是等效采样有关.


实时采样非常直观,采样率超过模拟带宽4~5倍或更高,使用固定采样率采样.主要用来捕获单次信号或非重复性信号,一次触发后,连续采样(如图2所示).


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图 2 实时采样


等效采样如图3所示,对周期性波形中不同周期中不同点采样,把采样点拼接起来重建波形,需要多次稳定触发才能得到足够多的采样点.


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图 3 等效采样


示波器采样率不足将会对波形带来两个方面的影响,在实际使用示波器测量中,如果采样率不足,将会使波形失真,即波形细节缺失;还会使波形混淆,即重建波形频率将小于实际信号频率.


3.2 波形捕获率


波形捕获率是指1秒内仪器捕获波形的次数,即对波形的更新速率.示波器从采集信号到屏幕上显示出信号波形的过程,由若干个捕获周期组成.一个捕获周期包括采样时间和死区时间,模拟信号通过ADC采样量变化为数字信号同时存储的时间称为采样时间;对存储的数据进行测量运算显示等处理的时间称为死区时间,死区时间内不进行波形采集.捕获周期的倒数就是波形刷新率也称为波形捕获率,快的波形捕获率意味着死区时间短,便于观察在一个信号中偶然出现的干扰.


3.3 存储深度

存储深度指存储波形样本或数据的数量.采样点由触发点前后的预采样与延迟采样两部分组成.存储深度等于波形存储时间与采样率的乘积.


采集的样点在存储器中循环存放,采用先进先出原则.一个示波器所能采集信号的时间和能用的最大采样速率都由存储深度决定.图4中的3条线代表3种存储深度,它们的最高采样速率都是5GSa/s.图中横坐标表示时基,纵坐标代表采样速率.在时基很小时,都可以实现最高采样速率;随着时基的增大,每次采集波形的时间会增长,采集的点数也就增多,当采集点数大于示波器的存储深度时,为了让信号可以继续采集和存储,示波器就要降低自己的采样率,也就是发生了欠采样.存储深度越深,越可以长时间内保持最高采样速率.


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图 4 存储深度与采样率之间的关系


仪器具有很高的存储深度在实际测试中意义重大.如:电源软启动过程的测量、电源纹波和噪声的测量、FFT分析、发现随机或罕见错误、统计分析、抖动追踪分析、眼图等实际应用都需要长存储.


4 结语


电子测量仪器的技术指标很多,而且随着电子测量仪器的发展,还会增加新的技术指标.深入了解和剖析常用电子测量仪器技术指标不但对测量准确度起着至关重要的作用,而且了解电子测量仪器技术指标也是销售、购买电子测量仪器所必须考虑的重要因素之一.

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