電子測量技術(shù)教案《8》公開課一等獎省優(yōu)質(zhì)課大賽獲獎?wù)n件

章節(jié)目錄8.1失真度儀介紹8.2失真度儀應(yīng)用8.3實訓(xùn)1第8章

失真度儀

本章關(guān)鍵點

基波抑制法失真度儀基本組成及原理框圖

失真度儀應(yīng)用

28.1失真度儀介紹

純粹弦波信號經(jīng)過電路后，假如該電路中存在非線性，則輸出信號中除包含原基波分量外，還會含有其它諧波分量，這就是電路產(chǎn)生諧波失真，亦稱非線性失真。諧波失真度最慣用測量方法有各種：是基波抑制法，大多數(shù)失真度測量儀都是依據(jù)這個原理制成。38.1.1失真度儀組成及框圖原理1．

失真度儀基本結(jié)構(gòu)基波抑制法就是將被測信號中基波成份濾除，測量出全部諧波成份量總有效值，再確定與被測信號總有效值相比百分數(shù)即失真度值。失真度儀基本結(jié)構(gòu)是輸入信號調(diào)整電路、基波抑制電路、轉(zhuǎn)換開關(guān)和電子電壓表。

4圖8-1失真度儀基本原理框圖

8頁5（1）諧波失真度定義信號失真程度用諧波失真度表示。它定義是全部諧波能量與基波能量之比平方根。對于純電阻負載，則定義為全部諧波電壓（或電流）有效值與基波電壓（或電流）有效值之比，即：=（8-1）上式中，U1為基波電壓有效值；U2，U3…，Un為各次諧波電壓有效值；D0也可稱為失真系數(shù)或失真度。6由上式中基波電壓極難單獨得到。實際基波抑制法測量，是用下式測量失真度。即：

=（8-2）上式表示，失真度D是諧波電壓總有效值與被測信號總有效值之比。D0與D之間關(guān)系為：

（8-3）當(dāng)D0=10%時，D0與D相差約0.5%；D0=20%時相差約2%。當(dāng)失真小于10%時能夠認為有D0=D。14頁13頁7（2）失真度測量基本原理如圖8-1所表示，失真度測量儀是由輸入電路、濾波電路和電壓表三個基本部分所組成。其中濾波電路是用來濾除基波分量。當(dāng)S1時，被測信號總電壓有效值u；當(dāng)S2時，濾除基波分量后電壓有效值u’。所以，測量出u和u’就是測量信號失真度。

圖中“校準電位器”起什么作用呢?為了讓電壓表指示為一個確定值，就是當(dāng)S1時讓電壓表指示為1V(即100％)，當(dāng)S2時，不動電位器，即可讀出失真度。8（3）幾個慣用失真度測量儀從表8-1中能夠看出，失真度測量儀主要技術(shù)性能，頻率范圍和能夠測失真度范圍。表中失真度測量儀叫“點頻失真儀”。“點頻”是指在某一個頻率時，輸出信號失真情況?！傲Ⅲw聲失真度測量儀”所選“點頻”只有400Hz和lkHz，這是因為人耳對該頻率及其附近頻率較敏感。9型號及名稱頻率范圍失真度范圍及準確度備注SZ-3型失真度儀20Hz

~20kHz0.1%~100%±0.01%有顯示管BS-1A型失真度儀20Hz

~200kHz0.1%~100%±0.01%有顯示管HG4110型自動點頻失真度儀50Hz

、1kHz0.1%~10%±10%

HG4111型自動點頻失真度儀315Hz、400kHz、1kHz0.1%~10%±10%

S-907自動失真度儀20Hz

~100kHz0.03%~30%±0.01%

ZN4J12型超低失真度儀10Hz

~100kHz0.003%~30%

ZN4111型立體聲失真度儀400Hz、1kHz0.1%~30%±10%±0.01%

ZH4110型立體聲失真度儀315Hz、1kHz0.1%~30%±10%±0.01%

DF4120同時失真度儀10Hz~109kHz見技術(shù)參數(shù)

103．

DF4120A同時失真度儀（1）DF4120同時失真度儀原理框圖DF4210型同時失真度儀是采取集成電路儀器。它含有測試精度高、信號源失真小、操作方便、性能可靠等特點。它主要是用來測量音頻信號及各種音頻設(shè)備非線性失真，又可作為超低失真音頻信號發(fā)生器和音頻電壓表使用，并能對放大器及各種音頻設(shè)備進行信噪比和頻率特征測試。DF4210同時失真度儀原理框圖如圖8-2所表示。11圖8-2DF4210同時失真度儀原理框圖。12（2）DF4120同時失真度儀基本原理DF4120同時失真度儀電路如圖8-2。失真度測量原理：在測量失真度時，輸入被測信號經(jīng)過輸入電路至自動電平調(diào)整電路，在此穩(wěn)定輸出1V，并送至橋T型基波抑制器，在這里把測量信號基波分量抑制掉，保留全部諧波成份，然后經(jīng)過表頭電路測其大小，該大小則為被測信號失真度。當(dāng)失真度小于10%時，D0=D，當(dāng)失真度大于10%時，應(yīng)按（8-3）式作修正。下面介紹各部分電路。

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輸入電路：一個高輸入阻抗跟隨器，以降低對輸入衰減器影響；輸入端接有過壓保護電路。

自動電平調(diào)整電路

輸入被測信號經(jīng)衰減以后，使其送至自動電平調(diào)整電路電壓約為100~316mV，在該電壓范圍內(nèi)，自動電平調(diào)整電路能自動調(diào)整可變衰減器中光敏電阻值，使電路穩(wěn)定輸出1V，則使(8-2)式分母為1。

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橋T型基波抑制器橋T型基波抑制器由無源橋T型網(wǎng)絡(luò)、基波抑制運放、諧波正反饋跟隨器、中和電路四個部分組成。

圖8-3無源橋T型網(wǎng)絡(luò)

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圖8-3網(wǎng)絡(luò)基波抑制頻率f=當(dāng)Cl=10C2時，其基波抑制量約為16dB，二次諧波衰減約為60%，顯然不可能滿足失真儀要求。為了滿足失真儀對基波抑制量友好波衰減要求，所以加入一個有源基波抑制運放和一個諧波正反饋跟隨器。電容中和電路是用來降低無源橋T型網(wǎng)絡(luò)輸出端分布電容影響。16

頻率自動調(diào)諧控制電路失真度測量頻率粗調(diào)，是由失真儀面板頻段開關(guān)和頻率數(shù)值開關(guān)設(shè)定完成。失真度測量頻率微調(diào)則是由頻率自動調(diào)諧控制電路進行。頻率自動調(diào)諧控制分為相位誤差控制和幅度誤差控制。相位誤差控制幅度誤差控制17

濾波器電路本儀器有這三個濾波器：400Hz高通濾波器、30kHz和80kHz低通濾波器。濾波器主要用來濾除交流電源哼聲和高頻白噪聲，以確保小失真度測試精度。18

表頭電路失真度測量時，來自基波抑制器失真度電壓和電平測量時來自電壓放大器電壓，在表頭電路中進行放大約300倍，然后用均值檢波器變成直流推進表頭指示。均值檢波前交流信號同時送至面板上示波器插座，能夠接示波器觀察諧波失真成份。電路中有一個約4V限幅電路，同時表頭采取毫伏表，含有較大過載能力，測量中無須為表頭短暫打針而驚慌。19電平判別電路自動電平調(diào)整系統(tǒng)有一個作用范圍，超出該范圍，自動電平調(diào)整電路就不能穩(wěn)定輸出1V。為了確保失真度測量正確，用一個電平判別電路來判斷輸入電壓是否在自動電平調(diào)整作用范圍內(nèi)。輸入電壓過大，過壓指示燈亮，輸入電壓過小，欠壓指示燈亮，在此范圍內(nèi)，二燈均熄滅。20振蕩器如圖8-4，振蕩頻率決定于橋型濾波網(wǎng)絡(luò)，式中取C2=100C1，C1C2由面板頻段開關(guān)設(shè)定，R阻值由面板頻率數(shù)值開關(guān)設(shè)定。振蕩器輸出幅度、起振情況由R1和R2比值決定，并由幅度控制電路調(diào)整。幅度控制電路監(jiān)視振蕩器輸出，并與一個參考電平比較，產(chǎn)生一個誤差信號，經(jīng)積分器后改變場效應(yīng)管等效電阻R0，控制振蕩器正反饋強弱。21圖8-4振蕩器電路簡化框圖228.1.2失真度儀誤差1．理論誤差理論誤差是系統(tǒng)誤差，可給予糾正。2．基波抑制度不高引發(fā)誤差諧波電壓增加量高于含有基波在內(nèi)測量值而引進誤差。3．電平調(diào)整和電壓表指示誤差電壓表指示值校準電平調(diào)整有誤差或電壓表指示值有誤差，都將影響最終測量結(jié)果。238.2失真度儀應(yīng)用8.2.1主要技術(shù)參數(shù)1．失真度測量（1）測量頻率范圍：10Hz~109kHz分四個頻段。（2）失真度測量范圍：

20Hz~20kHz，0.01%~30%

10Hz~109kHz，0.03%~30%（3）失真度測量誤差：

300Hz~5kHz，小于滿度值±7%±0.01%

20Hz~20kHz，小于滿度值±10%±0.015%

10Hz~109kHz，小于滿度值±30%±0.025%24（4）機內(nèi)引入失真：

300Hz~5kHz，小于±0.015%

20Hz~20kHz，小于±0.025%

10Hz~109kHz，小于±0.035%（5）輸入電壓自動調(diào)整范圍：大于10dB（6）失真度最小可測電壓：100mV2．電壓測量

400Hz高通，30kHz低通，在失真度0.03%檔時均接入。

在失真度0.03%檔，檔基波頻率大于10kHz，接入400Hz高通和80kHz低通，當(dāng)基波頻率小于300Hz時，只接30kHz低通。25（1）電壓測量范圍：300μV~100V分十一個量程（欲測100V~300V電壓，另配一個衰減器附件）。（2）電壓測量基本誤差：小于滿度值±5%（1kHz）（3）電壓頻率附加誤差：20Hz~50kHz，小于0.5dB5Hz~300kHz，小于1dB（4）電壓噪聲底度：小于50μV（5）最大可測信噪比110dB263．失真儀輸入阻抗：100kΩ±2%，輸入電容小于100pF4．振蕩器（1）振蕩頻率：10Hz~109kHz（2）頻率示值誤差：小于0.05fo，±1Hz（3）非線性失真

300Hz~5kHz，小于±0.005%20Hz~20kHz，小于±0.015%10Hz~109kHz，小于±0.07%（4）最大輸出電壓：大于3Vrms（開路）（5）最大輸出電壓頻率不均勻性100Hz~10kHz，少于±0.5dB10Hz~109kHz，少于±1dB（6）輸出阻抗：600Ω278.2.2使用方法1．DF4120A同時失真度儀面板結(jié)構(gòu)（1）電源指示燈：指示電源接通是否，燈亮接通，燈滅電源斷。（2）電源開關(guān)：控制電源通斷，直鍵按下接通，抬鍵電源斷。（3）測量表頭：與測量量程配合，可讀出失真度和電壓等大小。（4）輸入量程以l0dB跳步衰減輸入信號。（5）過欠壓指示：輸入電壓過大時，左邊指示燈亮，輸入電壓過小時，右邊指示燈亮。（6）頻段開關(guān)：改變失真度測量和振蕩器工作頻率頻段。31頁28（7）頻率數(shù)值開關(guān)(一)：改變失真度測量和振蕩器工作頻率前面一位數(shù)。（8）頻率調(diào)諧指示：當(dāng)測量信號頻率相對失真儀工作頻率過低時，左邊指示燈亮，當(dāng)測量信號頻率相對失真儀工作頻率過高時，右邊指示燈亮，正確調(diào)諧兩指示燈均滅。（9）頻率數(shù)值開關(guān)(二)：改變失真度測量和振蕩器工作頻率后面一位數(shù)。（10）頻率微調(diào)：對振蕩器頻率起微調(diào)作用，當(dāng)其處于“關(guān)”位置時，振蕩器頻率就由頻段開關(guān)和頻率數(shù)值開關(guān)決定，當(dāng)頻率微調(diào)旋鈕打開后，伴隨旋鈕向右，振蕩器頻率逐步增加。（11）振蕩器輸出：振蕩器輸出電壓由此送出。31頁29（15）功效開關(guān)：選擇失真儀工作種類。（16）測量輸入：被測信號由此送入。（17）相對調(diào)整功效開關(guān)在“相對電平”位時應(yīng)用，當(dāng)需要測量放大器信噪比或頻率特征，而被測信號表頭指示不滿度時，可經(jīng)過調(diào)整它使表頭指示滿度，便于讀出電平相對值。（18）濾波器：測量小失真度信號時，依據(jù)被測信號工作頻率接入對應(yīng)濾波器，按鍵則接入，抬鍵則斷開。（19）示波器插座：當(dāng)需要觀察被測信號諧波波形時，能夠從這里接至示波器。30圖8-5DF4120A同時失真度儀面板圖28頁29頁312．DF44120A同時失真度儀使用方法接通電源，予熱10~15min；全部量程開關(guān)置最左位；頻率微調(diào)開關(guān)置“關(guān)”位和濾波器按健全部抬鍵。（1）失真度測量失真儀功效開關(guān)置“失真度”位；利用機內(nèi)信號源。依據(jù)工作頻率，放置好失真儀頻率波段開關(guān)和頻率數(shù)值開關(guān)，儀器連接如圖8-6所表示。圖8-6失真度同時測量連接圖32依據(jù)被測設(shè)備設(shè)置振蕩器輸出衰減器，調(diào)整振蕩器輸出電平；依據(jù)被測音頻設(shè)備輸出大小適當(dāng)放置失真度輸入量程，使過欠壓指示燈均熄滅；逐步向右轉(zhuǎn)動失真度量程，使表頭指示于最便于讀數(shù)位置；依據(jù)表頭讀數(shù)結(jié)合失真度量程就可測得失真度Ki；假如振蕩器輸出信號非線性失真度為Ci，則被測音頻設(shè)備非線性失真為KK=(8-5)為了提升小失真度測量下限及測試精度，依據(jù)工作頻率接入對應(yīng)高低通濾波器。35頁33利用機外信號源儀器連接如圖8-7所表示，(a)是測量音頻信號源失真度，(b)是測量音頻設(shè)備非線性失真。圖8-7失真度異步測量連接圖34按照要測工作頻率放置好信號源頻率開關(guān)；按照被測設(shè)備輸入大小要求，調(diào)整好信號源輸出幅度；改變失真儀輸入量程，使過欠壓指示燈均熄滅。把失真儀工作頻率放在信號源工作頻率上，如發(fā)覺頻率調(diào)諧指示燈亮及表針指示不能變小，能夠適當(dāng)改變失真儀或信號源工作頻率，逐步改變失真度量程使表頭指示于最便于讀數(shù)位置，結(jié)合失真度量程就可測得失真度。在圖8-7a線路中，失真儀測得數(shù)據(jù)就是信號源失真度。在圖8-7b線路中，被測設(shè)備失真度仍要按公式(8-5)求得。不過在Ci<Ki／3情況下，能夠認為失真儀測得失真度K

，就是被測設(shè)備產(chǎn)生失真度。35

為了提升小失真度測量下限及測試精度，依據(jù)工作頻率接入對應(yīng)濾波器。注意：在失真度測量時，有時可能表頭指針不往下降，能夠改變一下頻段開關(guān)，然后再打回原測量頻段，就可消除不調(diào)諧現(xiàn)象。失真度量程置檢驗檔時，表頭指針下降較慢，為了使它下降快一些，能夠置于30%以下更靈敏量程，當(dāng)然這會出現(xiàn)打表針現(xiàn)象，但不會損壞表頭。（2）電壓測量功效開關(guān)置“輸入電平”，濾波器全部抬鍵。將被測信號接至失真儀測量輸入端，改變失真儀輸入量程，使表頭指示最便于讀數(shù)位置，結(jié)合輸入量程和表頭指示值就可讀出被測電壓大小。（3）信噪比測量功效開關(guān)置“相對電平”位，儀器連接如圖8-8所表示。36圖8-8信噪比測量連接圖37依據(jù)工作頻率，放置好振蕩器頻段開關(guān)和頻率數(shù)值開關(guān)；依據(jù)被測設(shè)備輸入大小要求設(shè)置振蕩器輸出衰減器，調(diào)整振蕩器輸出電平；依據(jù)被測音頻設(shè)備輸出大小適當(dāng)放置失真儀輸入量程，使表頭指針不要超出滿度。比如測量頻率1kHz，放大器輸出lV~3V時信噪比，即失真儀輸入量程(設(shè)dB數(shù)為b1)置“3V(10dB)”，把被測放大器輸出信號送入失真儀測量輸入端，調(diào)整相對調(diào)整旋鈕，使表頭指針滿度，然后斷開失真儀振蕩器輸出，使被測放大器輸入短路，保持“相對調(diào)整”旋鈕位置不變，改變失真儀輸入量程(設(shè)dB數(shù)為b2)，使表頭指示于最便于讀數(shù)位置，讀出表頭指示dB數(shù)(設(shè)為a)，測得信噪比為(b1-b2－a)。38（4）放大器頻率特征測量功效開關(guān)“相對電平”位，儀器連接如圖8-9所表示。把失真儀振蕩器頻率置“l(fā)kHz”，依據(jù)被測設(shè)備輸入大小要求設(shè)置振蕩器輸出衰減，頻響尤其好標(biāo)準電壓置對應(yīng)量程，調(diào)整振蕩器輸出電平，使標(biāo)準表滿度。被測設(shè)備輸出送至失真儀測量輸入端，改變失真儀輸入量程，調(diào)整相對調(diào)整旋鈕，使失真儀表頭指示滿度。改變失真儀振蕩器工作頻率，調(diào)整振蕩器輸出電平，仍使標(biāo)準表滿度，保持失真儀“相對調(diào)整”旋鈕不動，讀出失真儀表頭指示dB數(shù)，它大小反應(yīng)了被測設(shè)備頻率特征；dB數(shù)絕對值小頻率特征好，反之則差。39圖8-9頻率特征測量連接圖40（5）用“振蕩器”作信號源DF4120A型同時失真儀也可作為音頻信號源使用。僅作音頻信號源使用時，可把功效開關(guān)置“振蕩電平”，這時從表頭讀數(shù)結(jié)合失真儀輸入量程(或振蕩器輸出衰減量程)就可直接知道振蕩器輸出電壓大小。要轉(zhuǎn)換振蕩器工作頻率，可改變頻率波段開關(guān)和頻率數(shù)值開關(guān)，以及頻率微調(diào)旋鈕。要改變振蕩器輸出大小，只要改變振蕩器輸出衰減量程，調(diào)整振蕩器輸出電平即可。418.2.3應(yīng)用舉例BS3型失真度儀主要用途是測量音頻信號失真度，最少失真度可測至0.03％。另外，還可測量交流電壓和噪聲。儀器還附有音頻信號源，可獨立輸出點頻信號。主要技術(shù)特征以下：（1）失真度測量：頻率范圍(基波)20Hz～20kHz共分三檔；失真度測量范圍1％～100％(滿刻度)共分五檔；輸入信號幅度范圍300mV～300V(有效值)；頻率刻度準確度±10％；失真度準確度±l0％(滿刻度)±0.05％；干擾噪音優(yōu)于0.25mV。42（2）電壓測量：電壓范圍10mV～300V共分五檔。頻率范圍20Hz～200kHz優(yōu)于±0.5分貝。輸入阻抗：1MΩ左右。電壓表準確度：±3％。干擾噪音優(yōu)于0.05mV。（3）點頻信號源：點頻頻率：20Hz、100Hz、400Hz、1kHz、20kHz、100kHz、200kHz。（4）輸出幅度：0～3V以上，連續(xù)可調(diào)。（5）儀器電源：儀器使用220V、50Hz市電，消耗功率6W。431．電壓測量（1）接通電源之前，將工作開關(guān)置于“電壓”位置，分壓器開關(guān)置于1V位置，衰減器開關(guān)應(yīng)按待測信號電壓范圍，選好量程，當(dāng)待測信號電壓大小不明時，應(yīng)把它置于300V位置。（2）接通電源，指示燈亮，待表針穩(wěn)定3～5min后即可測試。（3）將待測信號接入輸入端，改變衰減器開關(guān)K1，使電壓表指至顯著位置，直至lV。若指示仍很小(則待測信號電壓遠小于lV)。則應(yīng)繼續(xù)改變分壓器開關(guān)K2位置，直至電壓表指針指至顯著讀數(shù)時為止(超出滿刻度1/3)。（4）依據(jù)衰減器開關(guān)位置及分壓器開關(guān)位置，從電壓表上直接讀出待測信號電壓有效值。（5）測試完成后，應(yīng)把各開關(guān)恢復(fù)至第一項位置，K1置于300V位置。442．失真度測量（1）在接通電源之前，將分壓器開關(guān)置于100％(1V)位置，工作開關(guān)置于“電壓”位置。（2）接通電源，將待測信號接至輸入端，控制衰減器旋鈕，使待測信號電壓指示為300mV~1V。（3）將工作選擇開關(guān)置于“校準”位置，調(diào)整校準電位器使電壓表指示在滿刻度位置。（4）將工作選擇開關(guān)置于“失真度”位置，改變頻率開關(guān)到對應(yīng)于待測信號頻率波段，然后重復(fù)調(diào)整“調(diào)諧”、“微調(diào)”、“相位”等旋鈕，使電壓表取得最小指示為止(對應(yīng)改變分壓器位置)，此時，依據(jù)分壓器位置從電壓表指示上直接讀出失真度百分數(shù)。（5）測試完成；將分壓器開關(guān)恢復(fù)到“10％”位置，將工作選擇開關(guān)置于“校準”位置，電壓表仍應(yīng)指示滿刻度，若指示改變，則應(yīng)重新按(3)，(4)兩項進行測試。453．點頻信號源（1）儀器接通電源3-5min之后，信號源便進行工作。（2）若需本儀器電壓表作指示時，應(yīng)把衰減器開關(guān)置于“10V”位置，分壓器開關(guān)置于“1V”位置，然后撥開工作選擇開關(guān)置于“音頻”位置，此時電壓表便有點頻輸出指示。（3）撥動“音頻頻率”開關(guān)至所需要頻率。控制衰減器、分壓器開關(guān)和輸出調(diào)整旋鈕，直到取得所需要信號電壓大小(并在表上有顯著指示)。（4）由儀器附有電纜插頭，引出輸出信號。（5）假如不需要本儀器電壓表作指示時，只需按上述1、3、4項進行即可，但應(yīng)首先把輸出調(diào)整置于最小位置，然后慢慢增加至所需信號幅度。在進行失真度或電壓測量時，信號源能夠同時獨立作為信號使用。468.3實訓(xùn)測量音頻信號幅度（1）實訓(xùn)目能正