电子测量仪器通用术语与测量原理

  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及相关领域的产业政策，在政策支持与下游产业的加快速度进行发展之下，我国电子测量仪器近几年实现了快速地增长，涌现出了

  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，和相关的注意事项。

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  数字万用表（Multimeter）是一种多用途的电子测量仪器，能够适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。

  （Low-Pass Filter）是在测量过程中，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；

  （Non-contact voltage）功能能用于在不与导线产生物理接触的情况下，探测特定频率的

  （True Root Mean Square）值，其计算方式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

  数字万用表判断三极管属于 NPN 还是 PNP 类型，需要用到二极管档位，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B、C、E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。

  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Q、D、Z、Lp、Ls、Cp、Cs、Kp、Ks等参数。

  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。

  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。

  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比较大差异；

  波形混叠：由于采样率低于实际信号频率的2倍，对采样数据来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，对采样数据来进行重建时的波形没有反映全部实际信号；

  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：

  通常情况下，示波器获取的采样点难以直观进行观察，为了更好的提高信号的可视性，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，大致上可以分为线性插值 x和正弦插值 sinx/x两种方式：

  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，常常要使用到示波器面板上的【Acquire】按钮。

  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；

  ，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；

  ：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；

  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。

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

  带宽限制能够大大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。

  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。

  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。

  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频率低的信号时，建议将通道耦合方式设置为直流。

  数字示波器的触发信源可以是CH1 ~ CH4模拟信号通道，也可以再一次进行选择AC Line交流市电输入。

  （Auto）：如果指定时间内，没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；

  （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；

  （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。

  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，这样做才能够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。

  噪声抑制能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，应该要依据实际酌情使用。

  斜率触发：让示波器在指定时间的正斜率和负斜率上触发，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、或、与非、或非）组合，每个通道都可以设定为无效、低、高三种类型；

  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），以此来实现同时观测信号的时域波形和频谱图。利用 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；

  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。

  采集时长和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的Buffer 模式，以及较长采集时间的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，最大能够达到 16G 深度，从而能够大大提高波形的记录时长：

  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。

  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。

  内部使用高频变压器，体积小重量轻，使用的贵金属少；其优点是效率高、成本低，而缺点在于输出纹波较为严重；大多数都用在对输出电压纹波要求较低，对效率和成本要求比较高的场合；

  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；但是其优点是输出电压纹波很小，缺点在于效率相比来说较低，且成本比较高；模电实验当中，通常使用的都是

  串联两个或多个隔离通道能够给大家提供更高的电压；并联两个或多个隔离通道能够给大家提供更高的电流，这种工作模式通常用于单个通道输出的电压、电流上限不足以满足实验需求的时候。

  可编程直流电源的串联工作模式能够给大家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：

  可编程直流电源的并联工作模式能够给大家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（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。

  信号发生器（Signal Generator）是一种可以依据需要，产生各种模拟和数字激励信号的电子仪器。

  ：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

  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，一定要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

  ：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；

  ：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；

  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}与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}与V_{rms}之间换算关系满足如下关系式：

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

  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，就不可以使用dBm作为单位。

  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。

  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、相位的谐波，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，能够使用如下方程进行表示：

  f_1为基波频率，频率为f_1的分量就称为基波，A_1为基波幅度，\varphi_1为基波相位。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。

  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到终止频率变化的进行输出，正弦波、方波、锯齿波、任意波都能够直接进行扫频输出。

  信号发生器可以输出经过调制波形，支持的调制类型包括AM、FM、PM、ASK、FSK、PSK、PWM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。

  这里要注意载波（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。