第5章　交流正弦信号的特点与测量

5.1　信号的基本特点和测量方法

5.1.1　信号波形的观测

在家用电子产品工作过程中，信息的产生、加工、处理、传输都是以各种信号的形式进行的。例如音频信号、视频图像信号、无线电信号、数据信号等，这些信号的正常传输是确保家电产品工作正常的关键。在家电产品的研发、生产、调试和维修等岗位都离不开对信号的检测。因此信号检测的基本方法也是电子产品制造业中从业工人和技术人员的基本技能之一，因而对于各种信号本身的特点需要了解，对于各种信号的测量方法和操作技能需要掌握。

图5-1是歌手演唱时的音频信号波形，可见信号波形的疏密与演唱者声调的高低有关，波形的幅度与演唱者声音的大小有关。

图5-2是音频信号处理电路中不同部位的信号波形。如果某些电路失常就会使该电路输出的信号失常，通过检测便可知电路中的故障部位。

各种信号的测量多使用示波器，它不仅可以测量信号的波形，而且可以测量信号的幅度、频率周期等参数。下面我们介绍一下使用示波器测量信号的方法。

5.1.2　信号幅度的检测

信号幅度的测量首先要明确是仅仅测量交流信号的幅度，还是也包含直流分量。如果包含直流分量，则必须先在示波器屏幕上确定0线（0电平）的位置。

（1）直流电压（含交流成分）的测量

首先将被测信号加到示波器信号输入端，并将输入耦合开关置于地（GND）位置，于是示波管上将出现一条水平扫描线，此线可能处于任意位置。如被测信号为正极性，则调整垂直位置钮使0电平线处于屏幕下部0的位置；如果被测信号为负极性，则调垂直位置钮使0电平线处于上部100％位置，如图5-3所示。

上述设定完成后，将输入耦合开关置于直流（DC）位置。于是一个直流信号上叠有交流分量的波形就会出现在示波管屏幕上，如图5-4所示。

从波形的直观位置可以看出直流电压幅度为4.3DIV（格），折合为电压值为：

UDC=垂直距离（DIV）×垂直灵敏度值（V/DIV）×探头衰减比

如此时垂直灵敏度为0.2V/DIV，探头衰减比为10:1，则测量电压值为：

UDC=4.3（DIV）×0.2（V/DIV）×10=8.6V

（2）交流信号的幅度测量

如果只测量交流信号的幅度，可将被测信号送入示波器输入端，使输入耦合开关置于交流（AC）位置。此时调整垂直灵敏度钮以及扫描时间钮使波形大小适当。如图5-5所示。

调整垂直位置钮使波形下部与0电平线齐平，然后观测波形上下的垂直距离（DIV），计算方法同上，如灵敏度挡为0.5V/DIV，探头衰减比为10:1，则交流电压幅度为：

UAC=4.6（DIV）×0.5（V/DIV）×10=23V

（3）测量误差

由于被测信号源存在内阻，在测量时可能会因此使所测电压值产生误差。如图5-6所示，被测电路信号源的内阻为RS，示波器的输入阻抗为Ri，则信号源的电压送到示波器时，示波器所得的电压值实际上是两个电阻的分压值。

例如，信号源内阻为0.02MΩ，示波器输入阻抗为1MΩ，信号源电压为1V，实际测量电压为：

则误差约为0.02V，即约为2％。

5.1.3　信号周期或时间差的测量

使用示波器测量信号的周期是常规项目。进行这种测量时，首先要将时间轴微调钮旋至校准位置（CAL）。将信号送入示波器，示波管上会出现信号波形。调整水平位置钮使波形的测量始点位于左侧1格处，如图5-7所示，然后根据时间轴扫描开关的位置即可计算出周期T。

5.1.4　两信号时间差的测量

具有同步关系的两个信号，如要测其时间差，则必须使用双踪示波器。两个信号分别送到CH1和CH2，垂直模式开关选择ALT或CHOP。一般信号频率较高时选ALT方式（交替显示方式），频率较低选CHOP方式。这样两信号的波形会同时出现在显示屏上，微调垂直位置使波形的1/2幅度处于中间位置，如图5-8所示。观测两信号上升沿之间的水平距离，然后乘以扫描时间轴的标示值（50μs/DIV）即可算出两个信号时间差的数值。

时间差（T）=3.4（DIV）×50（μs/DIV）=170μs

5.1.5　相位差的测量

典型信号的相位关系如图5-9所示，检测相位差可以使用双踪示波器一次选两个信号进行比较。进行多次比较可分别测出多个信号之间的相位差。

（1）用单踪示波器测量正弦信号的相位差

对于频率相等的两正弦信号的相位差可以使用示波器进行简单的测量。如果使用单踪示波器进行测量，则应先将作为基准的信号送到垂直输入端，同时将此信号加到外触发信号输入端。此时调整时间轴使波形的一个周期为8DIV（格），如图5-10（a）所示。再调整垂直位置钮，使波形处于屏幕的中央位置。从图5-10（a）中可见一个水平格相当于360°/8=45°（π/4）。

经过上述调整后，保持外触发输入的信号不变，将进行比较的被测电路的信号送到垂直输入端。此时在相位上有一个被延迟的波形出现在示波管上，波形起始位置与作为基准的信号的起始位置的水平距离即为相位差。从图5-10（b）中可见，此相位差为1.4DIV（格），则相位差（用Φ表示）为：

Φ=1.4（DIV）×45°（/DIV）=63°

（2）用双踪示波器测量正弦信号的相位差

如果使用双踪示波器测量相位差，则比使用单踪示波器简单而且准确。

测量时，将要比较的两个信号分别送到示波器的CH1和CH2输入端，垂直模式开关置于ALT或是SHOP任一位置。将触发信号源置于作为比较基准的信号输入端，例如以CH1输入的信号为基准，则触发信号开关置于CH1。于是波形会出现在示波管上，如图5-11所示。调整时间轴和水平位置使波形的一个周期在水平轴上为8格，起始点为左侧1格处，此时两信号起始点之间的水平距离即为相位差。此例距离为1.5DIV，相位差Φ则为：

Φ=1.5（DIV）×45°（/DIV）=67.5°

如果相位差很小，可以使用水平轴扩展钮扩大10倍（或5倍），此时观测比较精确。

5.1.6　利用X-Y功能进行频率和相位的测量

（1）利用X-Y功能测量频率

利用X-Y功能进行频率测量就是利用李沙育（LISSAJOUS）图形进行频率测量。当示波器的垂直和水平的信号输入端同时分别输入信号时，在示波器上会出现如图5-12所示波形中的一种形状。从图中可见，当两个信号的频率和相位不同时，会有不同的波形。利用这个功能，在测量某一个未知信号的频率和相位时，可以取一个已知的信号频率作为输入信号之一，未知频率的信号作为另一信号输入。在测量时可以改变已知信号的频率，同时观察示波器上的波形，根据波形的形状即可判定未知信号的频率。

（2）利用X-Y功能测量相位差

从图5-12可知X-Y功能中两信号频率相同（1:1）相位不同时会有不同形状的波形，利用这种方法即可进行相同频率的相位差检测。

图5-13（a）是两信号的频率比为1:1，相位差为0°的李沙育图形的分解图，此图是Y信号和X信号同相位时在示波管上所形成的图形。图5-13（b）则是X信号相对Y信号延迟30°的信号关系。

正弦波的解析图如图5-14所示。从图中可见圆周上的一点D，由D0开始以恒定角速度旋转，D0→D1→D2…，D0、D1、D2、…在y轴上的坐标可以用sinθ来表示，设圆的半径为α，D0、D1、D2、…的y坐标为D，相位角为θ（相位差用Φ表示），则：

在测量过程当中，如果信号之间的相位差不是0°、45°、90°、180°、…这些容易观测的值，则估算误差往往比较大。在这种情况下，为减小误差应先测出李沙育波形，再按图5-15所示的值进行测量，然后按公式进行计算以求出精确的相位差值。即：

则： 　　

图5-16是求相位差的实例，测量值A为4.4DIV，B为2.4DIV。按上述公式求得：

5.1.7　示波器的误差及其消除方法

（1）用示波器测量电压的误差

前面我们介绍了示波器垂直灵敏度约有±2％的误差，这个误差与垂直灵敏度挡（VOLTS/DIV）的位置也有关。对双踪示波器来说，CH1和CH2两个信号通道之间误差也不同，约有3％的误差。要进行较为精确的测量，必须了解各信号通道在不同测量范围内的误差大小。这样在实际测量时便可根据示波器本身具有的误差去修正实际测量值，然后得到精确的测量值。

如图5-17所示为一个实际测量情况，将两个信号相位一致、幅度不同的信号分别送到CH1（2.1V）和CH2（1.9V）。如果两信道的误差分别为+1％和-1％，各自的幅度误差为：

CH1　2.1（DIV）×1％=0.021（DIV）

CH2　1.9（DIV）×（-1％）=-0.019（DIV）

上述两信号的差电压应为U=2.1-1.9=0.2（V）

两个信号之差的电压值也会有误差，其误差为0.021-（-0.019）=0.04（V）。实际测量时，可用示波器的差状态测量。通过这种计算可知，用示波器测量的两个信号的差值会有20％的误差。

实际测量时将示波器垂直灵敏度挡调至0.2V/DIV挡（指高灵敏度），则显示的差信号幅度为1.2DIV。

进行实际测量的时候，先对示波器两个信号输入端CH1、CH2输入同一个信号，如图5-18所示，由于两个信号通道的增益有误差，所以示波管上会有大小不同的波形显示。因为实际波形应当是相同的，这时可微调一下波形幅度大的信号通道的灵敏度微调钮（VARIABLE），使两个显示的波形大小相当。这种调整实际上是使两个信号通道的增益相等，如图5-18（b）所示。经过这样调整后再输入图5-18中的两个信号就没有误差了，如图5-18（c）所示。

（2）探头对脉冲波形的影响

示波器的输入耦合方式采用交流（AC）方式。观测低频方波信号，会出现如图5-19所示的波形，如果采用直流（DC）耦合方式，就不会有图5-19中的下降情况。示波器的下降量D可用波形的下降幅度与波形的上升沿幅度之比来表示。这种下降量是与频率有关的。

5.1.8　测量高频信号的方法

测量高频时常常需要使用探头。示波器所用的探头有很多种，其性能中最重要的就是高频特性，影响高频特性的主要是探头的头部结构，如图5-20所示。头部挂钩的部分可以拧下来，检测的信号通过电缆送到示波器的信号输入端。

示波器探头的高频特性可用图5-21所示的方法进行测量。将示波器探头接到具有50Ω输出阻抗的信号源输出端，在这种状态下通过调整可以得到最佳特性。但是当用示波器的探头进行电路测量时，如使用如图5-22所示的整机接地线，会对高频信号产生不利的影响（30～50MHz）。特别是由于接地线过长，易于感应噪声，其影响会更大，使用示波器接地夹接到所测电路的接地点会减少这种影响。

5.1.9　差动放大器输出信号的检测方法

示波器的输入方式如选择直流耦合方式，当测量重叠在直流分量上的交流信号时，如果直流电压的值远远大于交流分量，观测合成信号的时候交流部分的波形就不容易看清楚。若提高灵敏度，则交流波形就会移出示波管屏幕。例如观测图5-23所示的差动放大器的输出信号Uout），就会遇到这个问题。为此，在检测端与地之间分别并接R、C元件。C为交流接地元件，R上的压降为交流分量，C上的压降为直流分量。一般R为10kΩ，C为30μF。数字万用表测量直流电压值，示波器测量交流信号波形。