一、萬(wàn)用電橋
萬(wàn)用電橋也稱(chēng)萬(wàn)用交流電橋或交流電橋，是一種用來(lái)測(cè)量交流等效阻抗、電容及其介質(zhì)損耗、電感及其品質(zhì)因數(shù)的精密測(cè)量?jī)x器。
1交流電橋的基本原理
交流電橋的結(jié)構(gòu)和直流單臂電橋基本一樣，只是以交流電源代替了直流電源，4個(gè)橋臂是阻抗元件，在電橋的一條對(duì)角線上接入檢流計(jì)指零儀，另一條對(duì)角線上接入交流電源。通過(guò)調(diào)節(jié)各橋臂參數(shù)，可使檢流計(jì)上的電流為零，此時(shí)電橋4個(gè)橋臂達(dá)到平衡。
用交流電橋測(cè)量交流等效阻抗、電感和電容，要比直流電橋測(cè)量電阻復(fù)雜一些，這是因?yàn)樽杩筞是一個(gè)復(fù)數(shù)，除了要求相對(duì)臂的大小相等之外，還必須性質(zhì)相同，才能使檢流計(jì)指零儀指針指零。另外，交流電橋的平衡調(diào)節(jié)需反復(fù)進(jìn)行，即交流電橋的平衡調(diào)節(jié)要比直流電橋的調(diào)節(jié)困難一些。
2QS18A型萬(wàn)用電橋
（1）組成
將幾種類(lèi)型的電橋組合起來(lái)，成為能夠測(cè)量電阻、電感和電容元件參數(shù)的儀器，稱(chēng)為萬(wàn)用電橋。萬(wàn)用電橋主要由電橋主體、音頻振蕩器、交流放大器和指示檢流計(jì)等組成，如圖1-1所示。QS18A型萬(wàn)用電橋由惠斯登電橋、交流電容電橋和電感電橋組合而成。
圖1-1 萬(wàn)用電橋基本組成方框圖
（2）電容電橋
電容電橋主要用于測(cè)量電容器的電容量C及介質(zhì)損耗角。
① 被測(cè)電容并非理想元件，而是存在一定的介質(zhì)損耗。有損耗的電容器可用兩種理想電子元件組成的等效電路來(lái)描述：一種是理想電容元件與一個(gè)理想電阻元件相串聯(lián)；另一種為理想電容與一個(gè)理想電阻元件相并聯(lián)。為方便起見(jiàn)，通常采用損耗因數(shù) D 來(lái)描述電容器的損耗。
QS18A 型萬(wàn)用電橋中測(cè)量電容采用了如圖 1-2 所示的串聯(lián)電阻式電容電橋。
圖1-2 串聯(lián)電阻式電容電橋
② 串聯(lián)電阻式電橋也稱(chēng)維納電橋，主要用于測(cè)量損耗小的電容器的電容量和介質(zhì)損耗。被測(cè)電容器等效為 CX和RX串聯(lián)，接入電橋的一個(gè)臂，與被測(cè)電容相比較的標(biāo)準(zhǔn)電容Cn接入相鄰的橋臂，同時(shí)與Cn串聯(lián)一可變電阻Rn，橋的另外兩臂接入同軸聯(lián)動(dòng)的可變標(biāo)準(zhǔn)電阻R2和R3。當(dāng)電橋平衡時(shí)
被測(cè)電容的損耗因數(shù)
交流電橋的平衡調(diào)節(jié)需反復(fù)進(jìn)行。要使電橋平衡，至少應(yīng)調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)。通常標(biāo)準(zhǔn)電容是做成固定的，因此Cn是不能連續(xù)變動(dòng)的，這樣就必須同時(shí)調(diào)節(jié) R3/R2的比值以及 Rn，同時(shí)兼顧上述兩式。
（3）電感電橋
電感電橋測(cè)量電感器的電感量及其品質(zhì)因數(shù)。由于制造工藝上的原因，標(biāo)準(zhǔn)電容器可達(dá)到的準(zhǔn)確度常常高于標(biāo)準(zhǔn)電感，加上標(biāo)準(zhǔn)電容器不受外界磁場(chǎng)的影響，對(duì)溫度的變化也不敏感，所以電感電橋也常用標(biāo)準(zhǔn)電容作為比較元件，而且這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電容應(yīng)接入與被測(cè)電感相對(duì)的橋臂上。
實(shí)際應(yīng)用中的電感器用電感量和品質(zhì)因數(shù)Q來(lái)描述
QS18A型萬(wàn)用電橋中測(cè)量電感采用了并聯(lián)電阻式電橋。并聯(lián)電阻式電橋又稱(chēng)麥克斯韋電橋，簡(jiǎn)稱(chēng)麥?zhǔn)想姌颉Ｋ饕m用于測(cè)量 Q＜10 的電感元件，電路如圖1-3所示。當(dāng)電橋平衡時(shí)有
圖1-3 并聯(lián)電阻式電感電橋
麥?zhǔn)想姌虻钠胶鈼l件與頻率無(wú)關(guān)。電源為任何頻率或非正弦時(shí)，電橋都能平衡。
（4）電阻電橋
QS18A型萬(wàn)用電橋測(cè)量電阻采用的是惠斯登電橋，原理同直流單臂電橋。
圖 1-4 為 QS18A型萬(wàn)用電橋的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的電橋主體為電橋的核心結(jié)構(gòu)，它由標(biāo)準(zhǔn)電阻和標(biāo)準(zhǔn)電容以及轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組成。交流電源為晶體管正弦波音頻振蕩器，其輸出頻率為 1kHz，輸出電壓為1.5V和0.3V，供測(cè)量電容、電感以及0.1～10Ω電阻之用。當(dāng)測(cè)量大于10Ω的電阻時(shí)可使用電橋內(nèi)部的9V直流電源。電橋還備有外接電源插孔。交流檢流計(jì)指零儀由交流放大器、二極管整流器和檢流計(jì)組成，稱(chēng)為晶體管檢測(cè)放大器。
圖1-4 QS18A型萬(wàn)用電橋的結(jié)構(gòu)示意圖
3萬(wàn)用電橋的使用與維護(hù)
（1）技術(shù)特性
QS18A型萬(wàn)用電橋的主要技術(shù)特性如表1-1所示。
表1-1 QS18A型萬(wàn)用電橋的主要技術(shù)特性
注：表中的⊿為滑線盤(pán)最小分格的1/2。
（2）面板布置
QS18A型萬(wàn)用電橋的面板布置如圖1-5所示，各旋鈕作用如下。
圖1-5 QS18A型萬(wàn)用電橋的面板布置圖
① 被測(cè)接線柱和外接插孔：連接被測(cè)元件；使用外接音頻電源時(shí)，由外接孔引入。
② 電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和量程開(kāi)關(guān)：轉(zhuǎn)換電橋電源，分內(nèi)1kHz和外接兩擋；量程開(kāi)關(guān)用來(lái)選擇測(cè)量范圍，上面各擋的標(biāo)示值是指讀數(shù)在滿(mǎn)度時(shí)的最大值。
③ 測(cè)量讀數(shù)盤(pán)：由一個(gè)步進(jìn)式測(cè)量盤(pán)和一個(gè)連續(xù)可調(diào)的測(cè)量盤(pán)組成。
④ 測(cè)量選擇：轉(zhuǎn)換測(cè)量功能，進(jìn)行電感、電容或電阻的測(cè)量。它又兼電源開(kāi)關(guān)，測(cè)量完畢后應(yīng)置于“關(guān)”的位置。
⑤ 平衡指示表：指示電橋是否平衡，調(diào)節(jié)損耗平衡和讀數(shù)旋鈕時(shí)，應(yīng)使指針向零位偏轉(zhuǎn)，當(dāng)指針接近零點(diǎn)時(shí)，可認(rèn)為電橋近于平衡狀態(tài)。
⑥ 靈敏度調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)電橋放大器的放大倍數(shù)，開(kāi)始測(cè)量時(shí)，應(yīng)降低靈敏度使平衡指示表指示小于滿(mǎn)刻度，當(dāng)電橋接近平衡時(shí)，再逐漸增大靈敏度。
⑦ 損耗倍率：選擇損耗平衡的讀數(shù)范圍，分Q×1、D×0.01、D×1這3個(gè)擋。測(cè)量電感線圈時(shí)，此開(kāi)關(guān)放在Q×1處；測(cè)量小損耗電容時(shí)，放在D×0.01處；測(cè)量大損耗電容時(shí)，放在D×1處；測(cè)量電阻時(shí)，此開(kāi)關(guān)不起作用，可放在任何位置。
⑧ 損耗微調(diào)：微調(diào)平衡時(shí)的損耗值，一般情況下應(yīng)放在“0”的位置。
⑨ 損耗平衡：被測(cè)電感或電容元件的損耗讀數(shù)由此旋鈕指示，此讀數(shù)盤(pán)上的指示值再乘以倍率開(kāi)關(guān)的示值，即為測(cè)得的損耗示值。
⑩ 接地接線柱：接地點(diǎn)，與儀器的外殼相連。使用時(shí)應(yīng)接地，以減小外干擾的影響。
（3）萬(wàn)用電橋的使用方法
① 把被測(cè)元件接在測(cè)量接線柱上，根據(jù)被測(cè)元件的性質(zhì)，將測(cè)量選擇旋鈕轉(zhuǎn)至相應(yīng)的位置。
② 估計(jì)被測(cè)元件的大小，將量程開(kāi)關(guān)置于合適的擋位。
③ 根據(jù)被測(cè)元件的性質(zhì)，合理選擇損耗倍率的擋位。
④ 調(diào)節(jié)靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，使平衡指示表指針略小于滿(mǎn)度。
⑤ 測(cè)量電感和電容時(shí)，應(yīng)反復(fù)調(diào)節(jié)測(cè)量讀數(shù)盤(pán)旋鈕和損耗平衡，使平衡指示表指針最接近于零點(diǎn)。測(cè)量電阻時(shí)，只調(diào)節(jié)測(cè)量讀數(shù)盤(pán)旋鈕即可。
⑥ 讀取測(cè)量值。
被測(cè)Lx、Cx、Rx的值=“量程開(kāi)關(guān)”讀數(shù)×兩個(gè)“測(cè)量讀數(shù)盤(pán)”讀數(shù)之和。
Dx、Qx的值=“損耗倍率”讀數(shù)ד損耗平衡”讀數(shù)。
例：用QS18A型萬(wàn)用電橋測(cè)量標(biāo)稱(chēng)值為470pF的電容。
問(wèn)：（a）量程選擇和損耗倍率開(kāi)關(guān)應(yīng)放在何位置？
（b）若兩讀數(shù)盤(pán)示值分別為 0.4 和 0.056，損耗平衡示值為1.2，其電容量和損耗值各為多少？
解：（a）量程選擇開(kāi)關(guān)應(yīng)放在 1000pF 處，損耗倍率開(kāi)關(guān)應(yīng)放在D×0.01處。
（4）使用萬(wàn)用電橋的注意事項(xiàng)
① 按照電橋說(shuō)明書(shū)選擇交流電橋電源。
② 為獲取精確的測(cè)量結(jié)果，儀表的外殼應(yīng)妥善接地。
③ 合理布置各種儀器，連接導(dǎo)線應(yīng)盡可能短，以減少外界干擾。
④ 測(cè)量前各調(diào)節(jié)旋鈕均應(yīng)置于“0”位置。
⑤ 每次更換被測(cè)元件或變更電橋內(nèi)電路之前，都應(yīng)斷開(kāi)電橋電源。
（5）萬(wàn)用電橋的維護(hù)
① 電橋每次使用前，應(yīng)將各旋鈕來(lái)回旋轉(zhuǎn)幾次，使各接觸點(diǎn)工作良好。
② 工作之前應(yīng)檢查各連線接頭的接觸情況，使用完畢應(yīng)及時(shí)拆除所有連線。
③ 定期清洗電橋的開(kāi)關(guān)和接觸點(diǎn)。
④ 電橋應(yīng)避免受陽(yáng)光的直接照射并遠(yuǎn)離發(fā)熱體；也不能置于潮濕處，以免受潮后機(jī)內(nèi)元件霉變受損。
⑤ 每次使用后應(yīng)把電橋擦拭干凈，并用布遮蓋好，以免細(xì)小的金屬物或其他污物落入機(jī)內(nèi)，造成短路或降低絕緣性能。
二、數(shù)字示波器
數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）是現(xiàn)代示波器發(fā)展的一個(gè)重要方向，具有頻帶寬、波形觸發(fā)、能自動(dòng)測(cè)試、可存儲(chǔ)波形、精度高等突出特點(diǎn)，還能利用 GPIB 或 RS-232 等接口和計(jì)算機(jī)連接成測(cè)試分析系統(tǒng)，對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步地分析和處理。隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字存儲(chǔ)示波器也日益發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。圖 1-6 是 GDS-820數(shù)字彩色示波器的外形圖。
1GDS-800系列雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器的特點(diǎn)
GDS-800系列雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器的頻寬最高達(dá)250MHz，每一通道的取樣率均為100MSa/s；最快可觀測(cè)到10ns的短時(shí)脈沖；單色或彩色LCD顯示；兩個(gè)輸入通道，每一通道的記錄長(zhǎng)度為125K點(diǎn)和 8 個(gè)字節(jié)的垂直分辨率，兩個(gè)通道可同時(shí)采集波形；時(shí)基為1ns/DIV～10s/DIV；具有6位觸發(fā)計(jì)頻器；自動(dòng)快速調(diào)整和手動(dòng)操作；4種采集模式為取樣、峰值偵測(cè)、平均和累加；游標(biāo)和15種連續(xù)可調(diào)，自動(dòng)測(cè)量以下15種參數(shù)為Vhi、Vio、Vmax、Vmin、Vpp、Vaverage、Vrms、Vamp、上升時(shí)間、下降時(shí)間、工作周期、頻率、周期、正脈寬和負(fù)脈寬；15組儲(chǔ)存器用于前面板設(shè)置存取；2組存儲(chǔ)器可用于波形軌跡記錄；FFT 頻譜分析；具備“program mode”和“Go/No Go”功能；視頻和脈沖寬度觸發(fā)；8×12格波形顯示（關(guān)閉菜單）；具有打印機(jī)接口， RS-232和USB輸出接口，GPIB界面模塊；可儲(chǔ)存高達(dá)100組的自動(dòng)編輯程序。
圖1-6 GDS-820 數(shù)字彩色示波器的外形圖
32 位微處理器控制的 GDS-800 系列數(shù)字存儲(chǔ)示波器可以滿(mǎn)足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用要求。易于操作的“Autoset”功能可自動(dòng)調(diào)整測(cè)量參數(shù)；屏幕讀出和電壓、頻率的游標(biāo)測(cè)量功能使操作變得很方便；可存儲(chǔ)15組不同用戶(hù)在儀器上的設(shè)置并可不受約束的調(diào)出使用；利用內(nèi)置的RS-232系列接口可以用PC遠(yuǎn)程控制操作；6位計(jì)頻器提供用戶(hù)較精確的頻率值；標(biāo)準(zhǔn)USB接口可用特殊軟件將示波器LCD的屏幕轉(zhuǎn)移至計(jì)算機(jī)；“Program”模式可幫助用戶(hù)記錄所有必要的測(cè)量指令和重放所有指令；“Go/No Go”功能用來(lái)判斷新采集的波形是否與先前的存儲(chǔ)波形一致，以決定如何輸出。
2GDS-800系列雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器的前后面板
GDS-820前面板如圖1-7所示，主要分為顯示區(qū)、垂直控制、水平控制、觸發(fā)控制、其他控制及BNC控制幾個(gè)部分。
圖1-7 GDS-820 前面板
后面板如圖1-8所示，主要有電源開(kāi)關(guān)及插孔、GPIB接口、“Go/No Go”輸出端、USB連接器、打印機(jī)和RS-232接口等。
圖1-8 GDS-820 后面板
圖1-8中的（1）～（9）所代表的功能依次如下：
主電源開(kāi)關(guān)；
AC電源插座；
GPIB接口；
熔絲座；
自校正輸出端；
“Go/No Go”輸出端；
USB連接器；
打印機(jī)接口；
RS-232接口。
3應(yīng)用舉例
數(shù)字存儲(chǔ)示波器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)波形上任意兩點(diǎn)之間的電位差、時(shí)間差的測(cè)量，也可以觀測(cè)波形的平均值、峰-峰值、有效值以及波形的周期、頻率、脈寬及前后沿時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的疊加運(yùn)算等，還可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。（如快速傅里葉變換、對(duì)被測(cè)信號(hào)波形進(jìn)行失真度分析、調(diào)制特性分析等。）
數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)波形參數(shù)的測(cè)量分為自動(dòng)測(cè)量和手動(dòng)測(cè)量。一般參數(shù)測(cè)量為自動(dòng)測(cè)量，即示波器自動(dòng)完成測(cè)量工作，并將測(cè)量結(jié)果以數(shù)字形式顯示在屏幕上；特殊值的測(cè)量使用手動(dòng)光標(biāo)進(jìn)行，即在示波管的屏幕上設(shè)置兩條水平光標(biāo)線和兩條垂直光標(biāo)線，這4條光標(biāo)線可在測(cè)量程序控制下，根據(jù)光標(biāo)位置來(lái)完成測(cè)量工作，并將測(cè)量結(jié)果以數(shù)字的形式顯示在顯示屏上。
（1）使用前的檢查與校準(zhǔn)
① 儀器的初始化。
（a）打開(kāi)主電源（見(jiàn)圖1-8），合上電源（見(jiàn)圖1-7）。
（b）按Utility（功能）鍵，見(jiàn)圖1-9，顯示副菜單。
（c）連接探頭到校準(zhǔn)信號(hào)，并將校準(zhǔn)信號(hào)接到CH1連接器接口。
（d）按 AUTOSET（自動(dòng)設(shè)置）鍵，見(jiàn)圖 1-9，觀測(cè)校準(zhǔn)輸出的方波信號(hào)。
圖1-9 前面板其他控制部分按鈕
② 顯示區(qū)功能介紹。
圖1-10所示為常見(jiàn)的顯示區(qū)功能。
圖1-10 常見(jiàn)顯示區(qū)功能
圖中的（1）～（16）所代表的功能依次如下：
波形記錄指示條；
觸發(fā)位置（T）指示；
顯示波形的記錄片段；
Run/Stop指示；
觸發(fā)狀態(tài)；
觸發(fā)準(zhǔn)位指示；
信道位置指示；
延遲觸發(fā)指示；
CH1和CH2的狀態(tài)顯示；
取樣速率讀出；
水平狀態(tài)讀出；
觸發(fā)源和狀態(tài)讀出；
觸發(fā)類(lèi)型和模式讀出；
采集狀態(tài)；
界面類(lèi)型指示；
觸發(fā)計(jì)頻器。
③ 垂直部分、水平部分、觸發(fā)部分旋鈕的操作。
（a）VERTICAL（垂直部分），面板見(jiàn)圖1-11。
圖1-11 垂直控制面板
按 CH1（或 CH2）鈕，顯示副菜單，設(shè)定耦合方式、帶寬、探棒衰減；使用POSITION位置鈕和VOLTS/DIV鈕，調(diào)節(jié)垂直標(biāo)尺和位置；按MATH（數(shù)學(xué)值功能）鈕，顯示副菜單，選擇數(shù)學(xué)處理功能。
圖1-12所示為POSITION旋鈕操作時(shí)的示意圖，圖中的“（1）”表示如果信道1或2的位置改變，垂直位置的讀數(shù)在此處顯示。
圖1-13為MATH功能操作示意圖，圖中給出了CH1+CH2的波形圖。數(shù)學(xué)處理設(shè)定鍵MATH功能被選擇時(shí)，可用F1選擇CH1+CH2、CH1?CH2或FFT（快速傅里葉變換）功能。
圖1-12 POSITION 旋鈕的操作
圖1-13 MATH 功能操作
（b）HORIZONTAL（水平部分），面板見(jiàn)圖1-14。
圖1-14 水平控制面板
按HORIMENU（水平功能）鈕，顯示副菜單，選擇主時(shí)基，觸發(fā)鈕設(shè)定為電平；使用POSITION位置鈕和TIME/DIV鈕，調(diào)節(jié)水平標(biāo)尺位置；按HORIMENU鈕，控制所選波形的時(shí)基、水平位置和水平值。
圖1-15 波形縮放功能操作
圖 1-15 所示為波形縮放功能操作示意圖，其中的Main顯示主時(shí)基、Window選擇正常顯示或縮放（按下F2）、Window Zoom顯示縮放后的波形（按F3）、Roll選擇滾動(dòng)方式顯示波形（按F4）、XY模式讓CH1和CH2信號(hào)分別顯示在水平和垂直方向，如圖1-16所示。
圖1-16 X-Y 功能操作
（c）TRIGGER（觸發(fā)部分），面板見(jiàn)圖1-17。觸發(fā)功能分為視頻觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)和近階觸發(fā)等。
圖1-17 觸發(fā)控制面板
（2）用 GDS-820 數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)量1Hz的低頻信號(hào)
數(shù)字示波器可以連續(xù)更新慢變化波形的軌跡，而模擬示波器只能顯示慢速移動(dòng)的光點(diǎn)。
① 先將信號(hào)源提供輸出的 1Hz 正弦信號(hào)（幅值任意，探頭衰減1×）送至CH1連接器，并關(guān)閉CH2；
② 將CH1的垂直標(biāo)尺設(shè)為1V/DIV，水平標(biāo)尺設(shè)為1s/DIV，調(diào)節(jié)相關(guān)旋鈕，觀測(cè)波形。
（3）振幅變化的快前沿信號(hào)的測(cè)試
數(shù)字示波器可以觀測(cè)到脈沖信號(hào)的上升沿或下降沿，能提供快速變化信號(hào)的有用信息。
① 將信號(hào)源提供輸出的10Hz方波信號(hào)送至CH1連接器，并關(guān)閉CH2；
② 將CH1的垂直標(biāo)尺設(shè)為1V/DIV，水平標(biāo)尺設(shè)為50ns/DIV（或25ns/DIV）；
③ 按儀器初始化的步驟調(diào)節(jié)相關(guān)旋鈕，使顯示的波形穩(wěn)定；
④ 按 HORI MENU（水平功能）鈕，設(shè)定上升沿為視窗區(qū)域，并將視窗擴(kuò)展，觀測(cè)波形。
（4）帶毛刺信號(hào)的測(cè)試
數(shù)字示波器具有峰值檢測(cè)功能，可以在峰值檢測(cè)模式中捕獲信號(hào)波形。
① 將信號(hào)源提供輸出的 200Hz 窄脈沖方波信號(hào)送至 CH1 連接器，并關(guān)閉CH2；
② 將CH1的垂直標(biāo)度設(shè)為500mV/DIV，水平標(biāo)度設(shè)為1ms/DIV；
③ 按MENU（觸發(fā)功能）鈕，在副菜單中選擇邊沿觸發(fā)、斜率下降、自動(dòng)觸發(fā)方式，調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，使波形穩(wěn)定；
④ 按ACQUIRE（獲取）鈕，在副菜單中選擇峰值檢測(cè)，即可檢測(cè)到毛刺；
⑤ 調(diào)節(jié)時(shí)基旋鈕（將時(shí)基擴(kuò)展），將毛刺展寬。
（5）單次信號(hào)的捕捉
數(shù)字示波器能在示波器的全帶寬內(nèi)精確地捕獲單次信號(hào)。
① 將垂直標(biāo)度設(shè)為 500mV/DIV，時(shí)基設(shè)為 5ns/DIV，觸發(fā)電平設(shè)為1.5V左右；
② 按MENU（觸發(fā)功能）鈕，在副菜單觸發(fā)方式中選擇單次觸發(fā)；按凍結(jié)鍵，進(jìn)入預(yù)觸發(fā)準(zhǔn)備；
③ 將探頭連接到單次信號(hào)上，按一下按鍵以生成單脈沖信號(hào)。
三、電子測(cè)量裝置的防干擾技術(shù)
所謂干擾是指有用信號(hào)因噪聲或受惡劣環(huán)境影響而使信號(hào)變化部分的總稱(chēng)。在測(cè)量元件中，混入干擾信號(hào)會(huì)使測(cè)量值產(chǎn)生誤差；在控制系統(tǒng)中，干擾信號(hào)可能導(dǎo)致誤操作。因此，為使測(cè)控系統(tǒng)正常、可靠地工作，必須研究系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)。
1干擾信號(hào)源和侵入的途徑
干擾信號(hào)來(lái)自于干擾源。干擾有的來(lái)自設(shè)備內(nèi)部，有的來(lái)自設(shè)備外部。外部干擾與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，取決于使用條件和外部環(huán)境；內(nèi)部干擾則取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局、生產(chǎn)工藝及電路設(shè)計(jì)等因素。
（1）設(shè)備內(nèi)部干擾
① 熱動(dòng)干擾。
熱動(dòng)干擾是電阻元件在不合適的溫度下，導(dǎo)體內(nèi)部原子由于受熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾，它隨溫度的升高而增大。一般來(lái)說(shuō)，傳感器輸出的電壓信號(hào)是很微弱的，因此必須把它放大到所需的電量等級(jí)。在傳感器和放大器之間距離很長(zhǎng)的情況下，可以通過(guò)電纜傳送信號(hào)。由于傳感器有內(nèi)阻，在電纜中有等效串聯(lián)電阻，所以傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)這些電阻至放大器時(shí)就可能產(chǎn)生熱動(dòng)干擾。
② 元器件的物理噪聲干擾。
如元器件的噪聲、散粒噪聲、觸點(diǎn)熱電勢(shì)等。包括晶體內(nèi)部產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)噪聲，元器件質(zhì)量或特性不良產(chǎn)生的噪聲干擾以及插接件和開(kāi)關(guān)的接觸不良等所產(chǎn)生的干擾。
③ 由于電路參數(shù)及工作點(diǎn)選擇不適當(dāng)引起的振蕩或波形畸變。
在具有放大功能的電路中，由于不恰當(dāng)?shù)鸟詈隙a(chǎn)生的正反饋所引起的振蕩。
④ 尖峰或振鈴干擾。
在有電感元件的電路中，由于電流突變而產(chǎn)生的沖擊或衰減振蕩形成的干擾。
⑤ 交流電源紋波干擾。
整流及濾波電路不佳所形成的干擾。
⑥ 感應(yīng)干擾。
由于電路中布線和元器件安放位置不合理所引起的相互間的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)干擾。
（2）設(shè)備外部干擾
設(shè)備外部干擾可分為工業(yè)電網(wǎng)瞬變所引起的干擾以及自然界干擾。
① 工業(yè)電網(wǎng)瞬變干擾。
（a）由高壓回路及強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生的靜電感應(yīng)噪聲。如圖1-18所示，如果信號(hào)線1靠近高壓變流輸電線2平行敷設(shè)時(shí)，在交變電場(chǎng)的作用下，通過(guò)線間分布電容（C1、C2）會(huì)使控制裝置受到相應(yīng)分布電容產(chǎn)生的干擾。
圖1-18 交變電場(chǎng)干擾
（b）大電流回路及強(qiáng)磁場(chǎng)形成的電磁感應(yīng)噪聲。如圖1-19所示，在大功率變壓器、交流電動(dòng)機(jī)和大電流的交流電源線2附近均有較強(qiáng)的磁場(chǎng)。若信號(hào)線1敷設(shè)不合理，形成線環(huán)，則交變磁通穿過(guò)線環(huán)形成端間干擾。
圖1-19 交變磁場(chǎng)干擾
（c）由于繼電器、接觸器、斷路器、電磁閥等電氣設(shè)備的吸合與釋放所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲。
（d）由電焊機(jī)以及大功率設(shè)備啟動(dòng)和跳閘所引起的電流脈沖的干擾。
（e）由高頻振蕩設(shè)備及火花放電所致的電磁波引起的干擾。
（f）大功率晶閘管的導(dǎo)通與截止所致的噪聲。
（g）高壓電器的高壓飛弧所致的干擾。
② 自然界干擾。
（a）雷擊造成的過(guò)電壓和過(guò)電流所產(chǎn)生的干擾。
（b）宇宙輻射的自由電磁波所致的噪聲。
此外，還有光干擾、濕度干擾以及化學(xué)干擾等隨機(jī)干擾。下面主要分析傳感器以及電路元器件產(chǎn)生噪聲的原因。
2傳感器噪聲的產(chǎn)生原因
（1）外部噪聲
最大的外部噪聲源有連接在交流電源上的電動(dòng)機(jī)、焊機(jī)等產(chǎn)生火花的機(jī)器以及脈沖電動(dòng)機(jī)、繼電器等。這些噪聲源和傳感器電路之間通過(guò)靜電干擾或電磁耦合干擾產(chǎn)生了噪聲，如圖1-20所示。
圖1-20 考慮了噪聲感應(yīng)的等效電路
（2）數(shù)字電路噪聲
在傳感器電路中，模擬電路和數(shù)字電路混在一起，數(shù)字電路工作時(shí)，其電流的變化影響模擬電路而產(chǎn)生噪聲。有以下兩種情況：
① 模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的地線連在一起；
② 模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)共用一個(gè)電源。
（3）共用一個(gè)電源時(shí)的噪聲
如圖 1-21 所示，外部噪聲源和傳感器電路共用一個(gè)交流電源，這時(shí)，噪聲通過(guò)電源線進(jìn)入傳感器電路。另外，無(wú)線機(jī)器也會(huì)成為噪聲源。
圖1-21 共用一個(gè)電源時(shí)的噪聲傳播情況
3噪聲的耦合方式
在測(cè)量裝置中獲得噪聲或干擾的途徑叫噪聲耦合方式。噪聲耦合方式歸納如下。
（1）靜電耦合
圖 1-22 給出了兩根導(dǎo)線之間電容性耦合的表示方法及等效電路。圖中C12是導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間分布電容的總和，Clg和C2g是導(dǎo)線1和導(dǎo)線2分別對(duì)地的總電容，R是導(dǎo)線2的對(duì)地電阻。干擾源V1使導(dǎo)線2和地之間產(chǎn)生的噪聲干擾電壓Vn為：
圖1-22 兩導(dǎo)線間的電容性耦合及其等效電路
當(dāng) jωR（Clg+ C2g）<<1 時(shí)，上式可近似為：
由此式可以得出如下結(jié)論：干擾電壓與頻率、幅值、輸入阻抗以及耦合電容C1g成正比。因此，低電平信號(hào)放大器輸入阻抗應(yīng)盡可能小，一般希望在幾百歐以下。
當(dāng)導(dǎo)線2對(duì)地電阻R很大時(shí)，即jωR（Clg+C2g）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1時(shí)即可簡(jiǎn)化為：
在這種情況下，導(dǎo)線2 與地之間產(chǎn)生的噪聲電壓由 Clg和 C2g決定，與頻率無(wú)關(guān)。
（2）電磁耦合
在任何載流電路周?chē)臻g中都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)則對(duì)其周?chē)]合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。在設(shè)備內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁是一個(gè)很大的干擾；在設(shè)備外部，當(dāng)兩根導(dǎo)線在很長(zhǎng)一段區(qū)間平行架設(shè)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。這是由感應(yīng)電磁場(chǎng)引起的耦合，其感應(yīng)電壓為：
式中，ω為電流噪聲源Ing的角頻率，如圖1-23所示。
圖1-23 兩個(gè)電路間的電感性耦合
（3）共阻抗耦合
公共阻抗的耦合一般發(fā)生在兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會(huì)影響到另一個(gè)電路，如圖 1-24所示。
圖1-24 經(jīng)供電電源或控制電路的耦合
常見(jiàn)的共阻抗耦合有公共地和公共電阻兩種。圖 1-24 是經(jīng)公共電源或控制設(shè)備工作線路的內(nèi)阻和連線而產(chǎn)生的耦合。這里干擾源的電流流過(guò)供電電源電路，這些電流在電源、電路所有阻抗上產(chǎn)生電壓降。這些阻抗的一部分Zc接在接收器電路中，在Zc上的壓降將為接收器接收。阻抗 Zc的值與感應(yīng)電壓頻率有關(guān)。低頻時(shí)它基本上等于連接線的電阻和電源濾波器輸出電容的容抗；在高頻時(shí)，它基本上等于連接導(dǎo)線的感抗和電源濾波器輸出電容的容抗。
為了防止由電源輸出阻抗引起的干擾電壓的耦合，一般應(yīng)減小電源輸出阻抗或在電路中采用去耦電路。
（4）電磁場(chǎng)輻射耦合
電磁場(chǎng)輻射也會(huì)造成干擾耦合。當(dāng)高頻電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在該導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生的電力線和磁力線，將隨導(dǎo)體各部分瞬時(shí)電荷的變化而變化。這就成為一種在空間傳播的電磁波，處于電磁波中的導(dǎo)體，由于電磁波的作用便會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)頻率的電動(dòng)勢(shì)。
電磁場(chǎng)干擾是一種無(wú)規(guī)則的干擾，這種干擾極易通過(guò)電源耦合到系統(tǒng)中來(lái)。另外，較長(zhǎng)的信號(hào)輸入線、輸出線和控制線也具有天線效應(yīng)，也就是能輻射干擾波和接收干擾波。
各種干擾信號(hào)侵入途徑所占百分比如圖1-25所示。
4消除干擾的方法
在檢測(cè)和控制裝置中，為保證正常工作，采用抗干擾措施是非常必要的。干擾信號(hào)的形成原因多種多樣，故對(duì)不同的系統(tǒng)及不同的工作環(huán)境所采用的措施不盡相同。通常從以下幾個(gè)方面去考慮。
（1）裝置配線技術(shù)與信號(hào)電纜的選擇
正確設(shè)計(jì)布線系統(tǒng)，正確選擇傳感器和正確設(shè)計(jì)信號(hào)處理裝置是一個(gè)重要的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展動(dòng)向主要有3方面：①趨向計(jì)算機(jī)化，即智能化；②工業(yè)控制系統(tǒng)體積小型化；③采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的組合系統(tǒng)。但是，干擾信號(hào)通過(guò)各種線纜侵入電控裝置所占的比例可達(dá)90%以上，因而控制裝置的配線技術(shù)是首先應(yīng)該考慮的。對(duì)于靜電噪聲，可在信號(hào)線上包一層導(dǎo)體屏蔽層，若將屏蔽層兩端接地則效果更好。各種電纜的靜電屏蔽效果見(jiàn)表1-2。
圖1-25 干擾信號(hào)的各種侵入途徑所占的比重
表1-2 各種電纜的靜電屏蔽效果（1kHz）
對(duì)于電磁感應(yīng)噪聲，配線應(yīng)盡量使信號(hào)線遠(yuǎn)離強(qiáng)電線，以便減小互感和電磁感應(yīng)噪聲。信號(hào)電纜還可用導(dǎo)磁體來(lái)屏蔽，并使屏蔽的兩端接地。各種電纜的電磁屏蔽效果見(jiàn)表1-3。
表1-3 各種電纜的電磁屏蔽效果（50Hz）
除此之外，采用雙絞信號(hào)線對(duì)抑制噪聲也很有效，因?yàn)樵肼曅盘?hào)在雙絞線上所產(chǎn)生的磁通相互抵消。
一般說(shuō)來(lái)，從傳感器輸出的微弱信號(hào)需用放大器先進(jìn)行放大，理想的方法是將這些放大器用雙屏蔽層加以防護(hù)，即讓輸入信號(hào)的模擬地“浮空”，不與任何點(diǎn)連接，而在它們的外面套上一個(gè)屏蔽盒，外屏蔽盒并不與屏蔽線的屏蔽層連接。
降低外部噪聲或混入噪聲的方法舉例：降低外部噪聲和傳感器電路噪聲的方法是在它們之間施行靜電屏蔽，具體做法如圖1-26所示，把傳感器的輸出信號(hào)線擰在一起，這樣，可以減小磁力線耦合感應(yīng)的影響。
圖1-26 降低外部噪聲方法的例子
下面主要討論設(shè)備內(nèi)部抗干擾的布線問(wèn)題。
布線包括印制電路板的布線和電氣控制箱走線。合理的走線就是要設(shè)法減小電路的分布電容、雜散的電磁場(chǎng)所引起的干擾。
① 強(qiáng)弱信號(hào)線分開(kāi)，高低壓電路分開(kāi)。
強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)線捆扎在一起或互相平行且走線距離過(guò)長(zhǎng)，都可能把50Hz的干擾信號(hào)傳給回路。在一般儀器或設(shè)備中都將交流220V 電源通過(guò)面板開(kāi)關(guān)又返回變壓器。在這種情況下采用如圖1-27所示的雙絞線結(jié)構(gòu)，或用屏蔽線將電源線屏蔽。這時(shí)一般采用雙芯屏蔽線，且金屬網(wǎng)一端接地，如圖1-28所示。
圖1-27 雙絞線結(jié)構(gòu)
圖1-28 雙芯屏蔽線
② 大、小電流分開(kāi)。
電路中有電流流過(guò)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，流過(guò)電流越大，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)越強(qiáng)。有大電流工作的回路，必將是一個(gè)大的電磁干擾源，特別是在頻率較高時(shí)，這種影響更為顯著。因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)注意將大電流回路與弱電流回路分開(kāi)走線，以避免強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)產(chǎn)生干擾。在無(wú)法完全分開(kāi)的情況下，應(yīng)盡量縮短大電流回路的長(zhǎng)度和減小環(huán)路的面積。從圖1-29中可知，對(duì)于同樣的電路，圖1-29（b）要比圖1-29（a）優(yōu)越。
圖1-29 大、小電流分開(kāi)布線
③ 印制線路板的走線。
印制板是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。一般而言，對(duì)于信號(hào)回路，印制銅箔條的相互距離要有足夠的尺寸，而且這個(gè)尺寸要隨信號(hào)頻率或者電壓的升高而增大，尤其是頻率極高或前沿十分陡的脈沖電路更要注意，這是由于印制板銅箔條之間有分布電容的存在。設(shè)計(jì)線路時(shí)，有時(shí)布線要平行走線，從抗干擾的角度要注意如下工藝。
（a）采用隔離走線。在許多不得不平行走線的電路中可先考慮采用圖1-30所示的方法，即兩條信號(hào)線中加一條接地的隔離走線。
（b）短接線。在線路無(wú)法排列或只有繞大圈才能走通的情況下，干脆用絕緣“飛線”連接而不用印制線，或采用雙面板印制飛線，或用阻容元件引線直接跨接，如圖1-31所示。
圖1-30 采用隔離走線
圖1-31 短接線
（c）拐角采用鈍角斜線如圖 1-30所示。由于干擾信號(hào)的尖端效應(yīng)，連線拐角采用銳角或直角容易引入干擾信號(hào)，將拐角改成鈍角后可大大降低電路板導(dǎo)線的尖端效應(yīng)，從而達(dá)到隔離干擾信號(hào)的目的。
（d）采用屏蔽線。如前所述，也可采用將信號(hào)回路屏蔽或?qū)⒏删€屏蔽的方法，將屏蔽線外的金屬網(wǎng)接地而截?cái)嚯娏€，從而達(dá)到抑制干擾的目的。
