第7章信號的顯示與記錄

1、第7章信號的顯示與記錄71 知識要點7.1.1信號輸出的形式及類型1.什么是信號的輸出技術(shù)？信號的顯示與記錄有哪幾種？測試儀器的信號輸出技術(shù)是指將測試結(jié)果（包括中間結(jié)果）以特定形式提供給特定對象，或為特定對象提供特定的接口技術(shù)。根據(jù)被記錄信號的類型不同可分為模擬信號記錄和數(shù)字信號記錄；根據(jù)記錄介質(zhì)的不同又可分為顯式記錄儀（如光線示波器）和隱式記錄儀（如磁帶機(jī)）；根據(jù)被記錄信號的頻率變化范圍不同又可分為低速記錄儀（如筆式記錄儀）、中速記錄儀（光線示波器）和高速記錄儀（磁帶機(jī)等）。具體類型如下：2.測試過程中在選擇顯示與記錄裝置時需要考慮哪些因素？(1）被測信號的精度要求；(2）被測信號的頻率范圍

2、；(3）信號的持續(xù)時間；(4）是否同時記錄多路信號；(5）記錄信號同時是否需立即顯示；(6）其他因素包括記錄裝置的重量、體積、價格因素、抗振性要求等。3.常見的顯示記錄裝置性能有何特點？表7-1常見記錄裝置的性能一覽表記錄裝置名稱自動平衡記錄器X-Y記錄器筆式記錄儀光線示波器磁帶記錄器陰極射線,示波器照相特點記錄精度較高，記錄幅度寬，完全直線書寫，響應(yīng)相當(dāng)緩慢記錄精度高，記錄幅度寬，在平面上記錄兩種物理量關(guān)系的記錄器結(jié)構(gòu)簡單，使用較廣，操作方便，記錄幅值小，頻響特性較差使用較廣，頻率響應(yīng)好，可多線記錄，多半需匹配電路存儲信息量大，靈活性大，頻率響應(yīng)好，可多路記錄，無顯示功能，信噪比較低頻率響應(yīng)

3、最好，頻帶寬，操作復(fù)雜，記錄要配相機(jī)主要用途各種物理量的長時間記錄特性曲線自動記錄同時記錄變化頻率較低的現(xiàn)象同時記錄高、低頻現(xiàn)象同時記錄高低頻現(xiàn)象，暫態(tài)過程記錄瞬態(tài)過程及其它信號監(jiān)視記錄單元名稱伺服機(jī)構(gòu)伺服機(jī)構(gòu)磁電式檢流計振動子磁頭、磁帶示波管記錄方式墨水筆、圓珠筆記錄墨水筆、圓珠筆記錄墨水、熱筆、電筆、及劃痕記錄光筆使記錄紙感光記錄磁帶的剩磁記錄熒光屏的熒光效應(yīng)顯示及照記錄主要參數(shù)工作頻帶(最高點)1Hz3Hz30100Hz5kHz(最高超過12kHz)4080kHz (最高400kHz)100MHz或微秒級瞬變振幅精度0.25%0.25%2%2%15%取決于精度靈敏度110mv/滿幅10m

4、v/滿幅0.52.5mm/mA(檢流計)1.9×105mm/mA.m記錄線數(shù)1316(Y軸)112達(dá)60達(dá)5612記錄速度2cm/h50cm/min125cm/s25cm/min200cm/s1.19305cm/s記錄幅寬150250mm縱橫250mm40mm100mm輸入阻抗不平衡時100k以上不平衡時100k以上約4k10200約100k7.1.2光線示波器與電子示波器1.簡述光線示波器的工作原理及類型光線示波器是一種由光學(xué)、機(jī)械、磁、電系統(tǒng)綜合組成的通用記錄儀器，主要用于模擬量的數(shù)據(jù)記錄。它利用磁電式振動子將輸入的電流信號轉(zhuǎn)換成光點的橫向移動，然后在等速移動的感光紙上描繪出波形

5、，該波形表達(dá)了被測信號與時間的關(guān)系。光線示波器按供電方式不同分為交流供電示波器、直流供電示波器和交直流兩用光線示波器；按記錄方式的不同可分為直接記錄和暗記錄兩種；按磁系統(tǒng)的不同可分為單磁式和共磁式兩種。2.光線示波器有何優(yōu)缺點？(1)由于光線示波器采用光學(xué)放大系統(tǒng)，使用高質(zhì)量磁系統(tǒng)及高靈敏度的振動子，因此可獲得很高的靈敏度。(2)動圈式振動子的自振頻率可高達(dá)上萬赫茲，因此記錄信號的頻率可達(dá)數(shù)千赫茲，這是筆式記錄儀的十幾倍。(3)能同時記錄多個信號，光線筆不會相互干擾、碰撞，可實現(xiàn)交叉記錄，能最大限度地利用記錄紙。(4)使用調(diào)整方面，能夠得到曲線形式的資料，并且直觀性好。光線示波器的不足之處主要

6、有以下幾個方面：(1)工作頻率還不夠?qū)挕?2)記錄曲線不能利用數(shù)字分析儀器或計算機(jī)進(jìn)行處理。(3)感光記錄紙價格較貴，且不能重復(fù)使用。3.如何選擇光線示波器的振動子？使用光線示波器很重要的一個問題就是如何選擇振動子。如果振動子選擇不合適，則會使得測量誤差增大。選擇振動子的原則是根據(jù)對被測信號的頻率、電流值的初步估計和振動子的各項性能參數(shù)，使記錄的波形盡可能滿足誤差要求，如實反映被測信號，并且有足夠大的記錄幅度，以利于分辨。一般有以下幾個原則：(1)振動子固有頻率的選擇。為了將所測量的信號不失真地記錄下來，所選擇的振動子固有頻率至少應(yīng)為記錄信號最高頻率的1.7倍，這樣可將幅度誤差控制在5%之內(nèi)。

7、(2)靈敏度的選擇。振動子的靈敏度與其固有頻率相互制約，高靈敏度的振動子常具有比較低的固有頻率。在選擇振動子時往往是在滿足固有頻率的要求下盡量選取高靈敏度的振動子。(3)振動子最大允許電流值的選定。要特別注意防止由于引入過大信號電流而損壞振動子。當(dāng)信號電流較大時，可以利用光線示波器內(nèi)提供的并聯(lián)分流電阻進(jìn)行分流，或者在回路中加入串、并聯(lián)電阻。在滿足以上條件的前提下，還要有適當(dāng)?shù)墓恻c偏侈。對于通過放大器輸出的信號電流，選用振動子時要做到阻抗匹配。使用振動子時，還要注意振動子的正確安裝，使圓弧誤差最小。4.什么是無紙記錄儀？有何特點？無紙記錄儀是一種無紙、無筆、無墨水、無一切機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的全新記錄儀

8、器，它以微處理器為核心，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，存儲在大容量芯片上，并利用液晶顯示。它主要具有如下幾方面的優(yōu)點：(1)可實現(xiàn)高性能、多回路的檢測、報警和記錄。(2)對輸入信號的處理可實現(xiàn)智能化，可直接輸入熱電偶、熱電阻等信號。(3)可高精度實時顯示輸入信號的數(shù)值大小、變化曲線及棒圖，并可追憶顯示歷史數(shù)據(jù)。(4)具有與微型計算機(jī)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口，可與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也可實現(xiàn)記錄儀的集中管理。(5)無紙記錄儀多用于生產(chǎn)過程中多路緩變信號長時間巡檢與記錄，因此采樣頻率較低。5.試述數(shù)字顯示系統(tǒng)的組成一個數(shù)字顯示系統(tǒng)通常由計數(shù)器、寄存器、譯碼器和顯示器等四個部分組成，如圖7.1所示。圖7.1數(shù)字顯

9、示系統(tǒng)組成計數(shù)器能對輸入脈沖進(jìn)行計數(shù)，完成計數(shù)、分頻、數(shù)控、數(shù)據(jù)處理等功能。計數(shù)器種類繁多，在數(shù)字系統(tǒng)和計算機(jī)中它常用做脈沖計數(shù)和分頻之用。計數(shù)器通常由具有記憶功能的觸發(fā)器和門電路組成。按照計數(shù)進(jìn)制的不同，計數(shù)器可分為二進(jìn)制計數(shù)器、二十進(jìn)制計數(shù)器和N進(jìn)制(即任意進(jìn)制)計數(shù)器等。在數(shù)字顯示系統(tǒng)中應(yīng)用最多的是BCD8421碼的二十進(jìn)制計數(shù)器。譯碼器則是進(jìn)行碼制變換，將一種數(shù)碼轉(zhuǎn)換成另一種數(shù)碼。把代碼的特定含義翻譯出來的過程稱作譯碼，實現(xiàn)譯碼功能的電子電路稱為譯碼器。在數(shù)字顯示系統(tǒng)中常用BCD8421碼二-十進(jìn)制的七段譯碼器來驅(qū)動數(shù)碼管。數(shù)碼顯示器按發(fā)光材料的不同，可分為發(fā)光二極管顯示器(簡稱LED

10、)和液晶顯示器(又稱熒光數(shù)碼管)。圖像顯示器有陰極射線管顯示器、液晶顯示器、等離子顯示器等。7.1.3磁帶記錄儀1.簡述磁帶記錄儀的工作原理、類型及性能特點磁記錄系隱式記錄，須通過其它顯示記錄儀器才能觀察波形，磁帶記錄儀主要部件為磁頭和磁帶。記錄磁頭和重放磁頭結(jié)構(gòu)大體相同，在帶有磁隙的環(huán)行鐵芯上繞 有線圈。鐵芯由高磁導(dǎo)率、低電阻、耐磨性好的軟磁性鐵磁材料薄片迭成。磁帶是一條涂有一層磁性材料的長塑料帶。磁帶上的磁性材料采用硬磁材料，以滿足大矯頑力和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度的要求。記錄時，輸入信號先被放大，再供給記錄磁頭。記錄磁頭線圈內(nèi)的信號電流在磁頭的鐵芯中產(chǎn)生磁力線。由于氣隙的磁阻較大，大部分磁力線都繞

11、過氣隙，通過磁帶表面層的磁性材料而閉合，從而使磁頭底下的一小部分磁層磁化。隨著磁帶的移動，被磁化的磁層離開記錄磁頭，由于磁滯效應(yīng)，磁帶的磁化材料就產(chǎn)生了與磁場強(qiáng)度相應(yīng)的剩磁（Br）。由于磁場強(qiáng)度與輸入線圈的信號電流I成正比，則剩磁Br亦與信號電流成正比。這就是磁帶記錄過程。當(dāng)記錄有剩磁通的磁帶經(jīng)過重放磁頭的磁隙時，因重放磁頭鐵芯的磁阻很小，剩磁通穿過鐵芯形成回路，與磁頭線圈交鏈耦合，而在線圈中 產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其大小與剩磁通變化率成正比。這樣，經(jīng)過重放磁頭，剩磁通的變化率則轉(zhuǎn)換成磁頭線圈的輸出電壓，這就是磁帶信號的再現(xiàn)過程。磁記錄器有磁帶式、磁盤式和磁鼓式；按照信號記錄方式不同可分為數(shù)字式和模擬

12、式兩類。磁帶記錄儀具有以下特點：(1)記錄頻帶寬，可記錄02MHz的信號，適用于高頻交變信號的記錄。(2)能同時進(jìn)行142路信息及更多信息的記錄，并能保證這些信息之間的時間和相位關(guān)系。(3)具有改變時基的能力，可對高頻信息采用快速記錄，慢速重放。對低頻信號可慢速記錄，快速重放，便于分析研究信息，在數(shù)據(jù)處理中是十分有用。(4)特別適用于長時間連續(xù)記錄，并可將信息長時間保存在磁帶中，在需要時重放。它適用于需要反復(fù)研究信息的情況。信息不需要時，又可抹去；再記錄新的信息，因而使用方便且經(jīng)濟(jì)。(5)記錄的信息精度高、信噪比高、失真小、線性好、零點漂移小、對環(huán)境（溫度、濕度）不敏感，抗干擾能力強(qiáng)。(6)輸

13、入、輸出均為電信號，磁帶記錄器前面可加放大器，便于與數(shù)據(jù)處理設(shè)備及計算機(jī)連接，可實現(xiàn)整個測試系統(tǒng)自動化，大大節(jié)約測試時間。2. 磁帶記錄儀記錄方式有哪些？各有何特點？（1）直接記錄式（DR式）：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，工作頻帶寬（50Hz1MHz）。因為重放磁頭的感應(yīng)電勢具有微分特性，對低頻信號感應(yīng)電勢很弱，而具有積分特性的電路對低頻特別敏感，因此不宜記錄50Hz以下的低頻信號。其高頻上限則受走帶速度和磁頭工作間隙的限制。（2）頻率調(diào)制記錄式（FM式）：頻率調(diào)制記錄方式在測量用磁帶記錄儀中應(yīng)用較廣，把信號變成調(diào)頻波后，調(diào)頻波是等幅的，其頻率的偏移正比于輸入信號的幅值。這種調(diào)頻波很容易轉(zhuǎn)換為具有“0”和

14、“1”兩值的信號，或者疏密不等的脈沖信號，所以將不受剩磁曲線非線性的影響，對信號跌落也不敏感。重放時，重放磁頭只要檢測出磁帶上的頻率信息，經(jīng)過解調(diào)、低通濾波后輸出記錄信號。頻率調(diào)制記錄方式具有較高的精確度，抗干擾的性能更好。記錄過程不再需要加偏磁技術(shù)。雖然調(diào)頻波的偏移只和信號的幅值有關(guān)，信號的頻率只反映調(diào)頻波疏密變化的頻率，但顯然“載波”頻率（指記錄信號為零值時的調(diào)頻波頻率）應(yīng)該數(shù)倍于信號中的最高頻率。因此FM記錄方式的工作頻帶上限受到限制，其工作頻帶一般為0100kHz，適宜于記錄低頻信號。3.走帶速度對磁帶記錄儀的性能有何影響？對某一固定頻率，走帶速度影響其記錄波長，。過慢的走帶速度限制記

15、錄信號的頻率上限，走帶速度的上限則受走帶機(jī)構(gòu)、帶長儲備和記錄時間的限制。一般磁帶記錄儀有若干檔固定走帶速度可供選擇。對于一個磁帶記錄儀，重要的是記錄和重放時的走帶速度，或者保持一致，或者保持預(yù)選的、恒定的比例。同時，要保持走帶速度的均勻，既不允許瞬間跳動，也不允許長周期的慢變化。對于DR記錄方式，走帶速度的不勻影響所錄信號的頻率，對FM記錄方式則影響所錄信號的幅值。所以磁帶記錄儀走帶機(jī)構(gòu)有恒速控制系統(tǒng)。此外，走帶機(jī)械還應(yīng)保持清潔，防止塵埃。磁帶也應(yīng)保持清潔和平整，不允許有凸凹扭曲，這對多通道的同時記錄尤為重要，因為這些缺陷所造成的長度變化就相當(dāng)于各通道的時間差異。4.簡述數(shù)字式磁帶記錄儀的工作

16、原理及性能特點數(shù)字式磁帶記錄儀是由于計算機(jī)的廣泛應(yīng)用而而發(fā)展起來的一種新型磁帶記錄儀，其結(jié)構(gòu)與模擬式記錄儀相同，但采用的記錄方式是數(shù)字記錄方式。數(shù)字記錄方式又稱為脈沖碼調(diào)制（PCM）方式，它是把待記錄信號放大后，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換變換成二進(jìn)制代碼脈沖，并經(jīng)記錄磁頭記錄在磁帶中。重放時再將該信號經(jīng)DA轉(zhuǎn)換還原為模擬信號，從而恢復(fù)被記錄的波形，或?qū)⒃撁}沖碼直接輸入數(shù)字處理裝置，進(jìn)行后續(xù)處理和分析。數(shù)字式記錄方式的特點是被記錄的信息只是二進(jìn)制的“0”和“1”，這不僅便于記錄，而且便于運算。用磁帶記錄“0”和“1”,是分別利用磁帶磁層的正或負(fù)方向的飽和磁化。所以在磁帶上作記錄時，記錄磁頭是將一連串脈沖相應(yīng)地轉(zhuǎn)

17、換成飽和磁化存儲在磁帶上。數(shù)字記錄方式的優(yōu)點是準(zhǔn)確可靠，記錄帶速不穩(wěn)定對記錄精度基本沒有影響，記錄、重放的電子線路簡單，存儲的信息重放后可直接送入數(shù)字計算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字信號處理器進(jìn)行處理分析，因此數(shù)字式磁帶記錄儀可作為計算機(jī)的外設(shè)。它的缺點是在進(jìn)行模擬信號記錄時需作AD轉(zhuǎn)換，而需模擬信號輸出時，重放后還需作DA轉(zhuǎn)換，使記錄系統(tǒng)復(fù)雜化。另外，數(shù)字記錄的記錄密度低，只有FM方式。7.1.4伺服式記錄儀1.簡述筆式記錄儀的工作原理及性能筆式記錄儀實際上是在指針式電表的基礎(chǔ)上，把指針換成記錄筆或在指針的尖端裝有筆而成。分可動線圈式、可動鐵芯式和感應(yīng)式幾種。核心是磁電式檢流計，故又稱為檢流計式筆錄儀，其原

18、理和結(jié)構(gòu)如圖7.2所示。待記錄信號電流輸入線圈，受電磁力矩的作用線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。此時游絲產(chǎn)生與轉(zhuǎn)角成正比的彈性恢復(fù)力矩與電磁力矩相平衡。一定的電流幅值對應(yīng)于一定的轉(zhuǎn)角，從而使安裝在線圈軸上的記錄筆在記錄紙上作放大幅值的偏斜，記錄紙勻速走紙，筆就在紙上給出被記錄信號的波形。這種儀器主要是記錄電流信號，當(dāng)用它來記錄電壓信號時，必須保持電路中電阻值的恒定。另外還應(yīng)考慮到當(dāng)記錄儀在工作中溫度發(fā)生變化時，線圈的電阻，游絲的剛度及磁場強(qiáng)度都會發(fā)生變化。解決的辦法是在電路中串聯(lián)一個由錳銅合金制成的溫度補(bǔ)償電阻，以彌補(bǔ)由上述原因造成的溫度誤差。再者，在使用中應(yīng)對儀器預(yù)熱一定時間，來減少工作中較大的溫度變化。筆式

19、記錄儀由于轉(zhuǎn)動部分具有一定的轉(zhuǎn)動慣量，因而其工作頻率不高。筆尖幅值在10mm范圍之內(nèi)時，其最高工作頻率可達(dá)125Hz。另外，由于筆尖與紙接觸所引起的摩擦力矩較大，可動部分質(zhì)量大，需要相當(dāng)大的驅(qū)動力矩，并需要抑制筆急速運動時跳動的強(qiáng)力阻尼裝置，因而造成較大的誤差、其靈敏度較低。因此，這種記錄儀只適合于長時間慢變化信號，要求指示與記錄同時進(jìn)行的場合。圖7.2檢流計式筆式記錄儀2.簡述函數(shù)記錄儀的工作原理及性能函數(shù)記錄儀是一種自動平衡式儀表，它能高精度地自動顯示和記錄已轉(zhuǎn)化成電壓的信號，最常用的是閉環(huán)零位平衡系統(tǒng)的伺服記錄儀。工作原理如圖7.3所示，若待記錄的直流信號電壓ui與電位計的比較電壓u0不

20、相等，則有電壓ue輸出。電壓ue經(jīng)調(diào)制、放大、解調(diào)后驅(qū)動伺服電動機(jī)，電動機(jī)軸的轉(zhuǎn)動通過傳動帶(或鋼絲)等傳動機(jī)構(gòu)帶動記錄筆作直線運動，實現(xiàn)信號的記錄，同時與記錄筆相連的電位器的電刷也隨著移動，從而改變著u0的值。當(dāng)u0=ur時，ue=0，后續(xù)電路沒有輸出，伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，記錄筆不動。信號電壓ur不斷變化，記錄筆就跟蹤運動。由于電位器是線性變化的，所以記錄筆的運動幅值與ur的幅值成正比。由于采用零位平衡原理，記錄的幅值準(zhǔn)確性高，一般誤差小于全量程的±0.2%。但是，由于傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械慣性大，頻率響應(yīng)通常在10Hz以下，所以只能記錄變化緩慢的信號。圖7. 3閉環(huán)零位平衡系統(tǒng)的伺服記錄儀工

21、作原理圖如果將記錄紙固定不動，使用兩個互相垂直的記錄筆，它們分別由兩套零位平衡伺服系統(tǒng)驅(qū)動，那么在記錄紙上便描繪出兩個被測量的關(guān)系曲線，這就是x-y函數(shù)記錄儀的工作原理。其結(jié)構(gòu)框圖如圖7.4所示。x-y函數(shù)記錄儀是一種最常用的通用筆式記錄儀。其x、y軸各由一套獨立的隨動系統(tǒng)驅(qū)動，使記錄筆能在幅面寬大的記錄紙上精確記錄函數(shù)曲線。在加載速率比較緩慢的力學(xué)性能試驗中是測量和記錄負(fù)荷-變形曲線的理想設(shè)備。圖7.4x-y函數(shù)記錄儀結(jié)構(gòu)方框圖7.1.5盤式記錄儀1.盤式記錄儀有哪些類型？硬盤有哪幾種？盤式記錄儀有磁盤記錄儀和光盤記錄儀。磁盤從構(gòu)造來看，它可以分為“硬磁盤”和“軟磁盤”兩大類，簡稱硬盤和軟盤

22、以及光盤儲存器。硬盤存儲器主要由磁頭、盤片、硬盤驅(qū)動器和讀/寫控制電路組成，盤片用鋁合金或玻璃等材料制成，其表面涂有磁性材料，硬盤存儲器根據(jù)磁頭和盤片結(jié)構(gòu)的不同可以分為固定磁頭硬盤，活動磁頭固定盤片硬盤以及活動可換盤片硬盤等幾種類型。按盤片可分為單片式和多片組合式。在多片組合式中有2片、8片、12片等。盤片直 徑有14英寸、8英寸、5.25英寸、3.5英寸和2.5英寸，存儲容量從幾MB到數(shù)百GB。磁盤的轉(zhuǎn)速有12000轉(zhuǎn)/分、7200轉(zhuǎn)/分、5400轉(zhuǎn)/分等多種，并且朝著越來越快的方向發(fā)展。硬盤的性能主要由它的技術(shù)參數(shù)決定，如數(shù)據(jù)傳輸率、平均尋道時間、硬盤接口類型等2.光盤儲存器有哪幾種？簡述

23、光盤記錄儀的工作原理常見的光盤儲存器是CD-ROM。CD-ROM光盤大致可以分為以下幾種：只讀光盤(CD-R)、只寫一次光盤、可讀寫光盤。其工作原理是把被記錄信息經(jīng)過數(shù)字化處理，變成了“0”與“1”，其對應(yīng)在光盤上就是沿著盤面螺旋形狀的信息軌道上的一系列凹點和平面。所有的凹點都具有相同的深度和長度，其深度約為0.11至0.13，寬度約為0.4到 0.5，而激光光束能在1內(nèi)從1的面積內(nèi)獲得清晰的反射信號。一張C D光盤上大約有28億個這樣的光點，當(dāng)激光映射到盤片上時，如果是照在平面上就會有70%到80%的激光被反射回；如果照在凹點上就無法反射回激光。根據(jù)其反射回激光的狀況，光盤驅(qū)動器就能將其解讀

24、為“0”或“1”的數(shù)字編碼了。3.光盤刻錄機(jī)有哪幾種？光盤刻錄機(jī)有CD-R、CD-RW、DVD-R、DVD-RW和DVD-RAM等類型，其中目前較常用的是CD-R和CD-RW兩種，存儲容量約650MB。CD-R光盤刻錄機(jī)是一種只可一次寫入的CD-R光盤的刻錄機(jī)；CD-RW光盤刻錄機(jī)使用的盤片是CD-RW(可重寫)光盤；DVD被譽為“新世紀(jì)的記錄媒體”，最主要特色在其超大的記錄容量，兩層式雙面記錄的最大容量約可達(dá)17GB。DVD的光盤可分為：DVD-ROM(即通常所說的DVD盤片)，DVD-R(可一次寫入)，DVD-RAM(可多次寫入)，DVD-RW(可重寫)四種，其中DVD-RAM是以后的發(fā)展

25、趨勢。7.1.6瞬態(tài)波形記錄分析儀1.什么是瞬態(tài)波形記錄分析儀？簡述其工作原理。瞬態(tài)波形記錄分析儀，也叫瞬態(tài)波形存貯器或存貯示波器。是國外20世紀(jì)60年代后發(fā)展起來的一種新型測試儀器。它主要用于精確測量非周期瞬態(tài)過程。如爆炸、沖擊、振動、武器發(fā)射、共振及電路的暫態(tài)過程等。瞬態(tài)波形存貯器的一般工作原理是高速瞬態(tài)模擬信號經(jīng)過模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成一連串的數(shù)字信號。這些數(shù)字信號立即被存入一個高速大容量半導(dǎo)體存貯器。存入后，即可反復(fù)取出這些數(shù)字信號?？蓪⑦@些數(shù)字信號通過接口送入微處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，或?qū)⑦@些數(shù)字信號送至數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器，還原成模擬波形送入示波器觀察波形。瞬態(tài)波形存貯器的精度主要

26、取決于它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。位數(shù)越長，則精度越高。瞬態(tài)波形存貯器的內(nèi)存大多采用半導(dǎo)體存貯器。它的特點是速度高、容量大、價格便宜。當(dāng)信號存入后，可用各種速度反復(fù)讀出，供處理和觀察，當(dāng)機(jī)器重“寫”時，原來存貯的信息才抹掉。2.瞬態(tài)波形記錄分析儀有何特點？（1）儀器外配一臺PC機(jī)（臺式微機(jī)或筆記本微機(jī)）并帶有EPP并行接口，便成為波形記錄、波形顯示、波形或頻譜分析、計算機(jī)處理的多功能波形記錄儀。（2）儀器采用104線的總線結(jié)構(gòu)形式，在同一系統(tǒng)內(nèi)可插入不同性能的模塊，計算機(jī)自動檢測識別，對記錄模塊不存在特殊的位置。當(dāng)系統(tǒng)加電后，系統(tǒng)自動識別各記錄模塊的型號并顯示出其所在位置?？紤]到用戶測試對象的變化，

27、只需更換或增加不同性能的模塊，便可滿足各種不同測試的需要，適應(yīng)新的測試需要。（3）每次測量前都能按要求進(jìn)行“0”點自動校正和按需要進(jìn)行自動直流偏移調(diào)整。從而可以克服因溫度變化引起的漂移、既能實現(xiàn)雙極性輸入模擬信號滿度A/D轉(zhuǎn)換，又能實現(xiàn)單極性輸入模擬信號滿度A/D轉(zhuǎn)換，充分利用A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，提高測量精度。（4）在有多個記錄模塊存在的系統(tǒng)內(nèi)，每個記錄模塊都可以設(shè)置成允許觸發(fā)和不觸發(fā)兩種狀態(tài)，并且有內(nèi)、外觸發(fā)選擇，在選擇內(nèi)觸發(fā)的條件下還有上升沿觸發(fā)，下降沿觸發(fā)，窗口觸發(fā)，事件觸發(fā)等多種觸發(fā)功能選擇。由于觸發(fā)功能完備，保證了信號捕捉的穩(wěn)定可靠，提高了信號捕捉率。（5）系統(tǒng)內(nèi)每一個記錄模塊都有獨立

28、的時基，可實現(xiàn)獨立的記錄時鐘選擇，有獨立的預(yù)置延遲選擇設(shè)置，有獨立的記錄長度選擇。對于所需記錄的信號具有非常靈活的選擇。特別適用在同一事件中需記錄多個信號，而多個信號之間又存在較大的時差，較大的頻率差異和持續(xù)長短差異等都能滿足。既便于測量和觀察被測信號的全貌，又便于測量和觀察某些需要特別仔細(xì)測量和觀察時段，提高測量效果。（6）系統(tǒng)具有豐富的軟件。軟件在WINDOWS平臺下運行，采用虛擬儀器軟面板，中文圖形化界面。使用儀器軟面板進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置，待命、記錄、數(shù)據(jù)的傳送，波形水平軸放大、縮小、滾動，垂直方向的放大、縮小、移動，雙光標(biāo)可方便地確定波形的幅值、相位、時間、頻率關(guān)系，磁盤管理，最大值、

29、最小值、均方根，積分，微分，幅度直方圖，自相關(guān)，互相關(guān)，F(xiàn)FT、幅值譜、相位譜等軟件處理功能。72 例題解析【例7.1】現(xiàn)用型振動子記錄10Hz 正弦信號，信號幅值為2v，要求在記錄紙上偏轉(zhuǎn)幅值，求需串、并聯(lián)的電阻值。（設(shè)信號源內(nèi)阻。）解:查型振動子的技術(shù)參數(shù)得：固有頻率30Hz，工作頻帶010Hz,電流靈敏度為，振動子內(nèi)阻，要求外電阻。光點在記錄紙上偏轉(zhuǎn)幅值為50mm時，則通過振動子的電流為:這時加在振動子上的電壓為：其所需串聯(lián)的電阻為:所需并聯(lián)電阻為取【例7.2】現(xiàn)用固有頻率為1200Hz的振動子記錄基頻為600Hz的方波信號，振子阻尼率試分析記錄結(jié)果。解：方波信號可用傅里葉級數(shù)展開為一正

30、弦序列：光線示波器的振動子，當(dāng)時，則其頻率特性相當(dāng)于一個低通濾波器，故所列方波的各次諧波經(jīng)過振動子時均會產(chǎn)生不同程度的衰減和削弱。由于：所以可計算出各次諧波分量的幅值：基波，幅值；三次基波，幅值；同樣計算出五次諧波的幅值為0.047；七次諧波分量為0.015?？梢娖叽沃C波分量已經(jīng)很微弱了，近似用基波、三次諧波、五次諧波的合成來表示記錄波形時其表達(dá)式為：【例7.3】選擇合適的光線示波器振子來記錄下面兩個信號： ； ，設(shè)信號源內(nèi)阻為20，要求信號在記錄紙上的偏移量為。解：首先計算出待記錄信號的頻率，查振子技術(shù)參數(shù)可知：適于用型振子；適于用型振子。這兩種振子的技術(shù)參數(shù)如表7-2所示表7-2振子參數(shù)表

31、型號工作頻率電流靈敏度（S）內(nèi)阻（）要求外阻（）最大電流0200Hz72mm/mA5527.52mA0800Hz2.45mm/mA161630mA第二步是確定流入振子的最大電流。由偏移量要求可知：型:型:由、可知加在兩振子上的電壓分別為：；第三步確定振子外部需串、并聯(lián)的電阻。對型振子，要有串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，以同時滿足和外阻的要求。對型振子，因是油阻尼，無外阻要求，故可只用一個串聯(lián)電阻來分壓。它們的等效電路如圖7.5所示。 FC6-400 FC6-2500圖7.5例7-5解圖型 ，型 解析：選用光線示波器振子時主要有三個要點：（1）所選振子要適合于所記錄信號的頻率；（2）確定流入振子的最大電流

32、，該電流值可由所要求的記錄信號的幅度決定，但最大不超過振子允許的電流；（3）計算所需的串、并聯(lián)電阻。73 習(xí)題1.判斷題7-1伺服式記錄儀的特點是記錄中頻信號幅值準(zhǔn)確性高。7-2記錄磁帶快錄慢放，放演信號的頻譜帶寬擴(kuò)寬，幅值壓低。7-3用光線示波器振子的電流靈敏度和要求的光點偏移量來計算輸人振子的交流電流，這里的是指通過振子電流的平均值。7-4為了使油阻尼的振子不受溫度影響，應(yīng)采用冷卻恒溫方法。7-5筆式記錄儀結(jié)構(gòu)簡單，指示與記錄能同時進(jìn)行，適合于短時間快速變化的信號記錄。7-6光線示波器是利用磁電式振動子將輸入的電流信號轉(zhuǎn)換成光點的橫向移動，然后在等速或變速移動的感光紙上將被測信號記錄下來。

33、7-7在磁帶記錄器模擬記錄方式中，最常用的是間接記錄和頻率調(diào)制兩種方式。7-8無紙記錄儀是以微處理器為核心，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，存儲在大容量芯片上，并利用液晶顯示的儀器。7-9瞬態(tài)波形記錄分析儀精度主要取決于它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，位數(shù)越短，則精度越高。7-10陰極射線管是利用電子束撞擊熒光屏，使之呈現(xiàn)光點的。2.選擇題7-11為測量和記錄200HZ的正弦信號，最好選用 型號的振動子比較合適。AFC6120；BFC6120A；CFC6400；DFC612007-12在選用振子時，除了使阻尼比接近.外，應(yīng)使被測正弦信號的最高頻率fm 振動子的固有頻率fnA等于 ；B>2倍；C （.）；

34、D<.1倍7-13伺服式記錄儀的特點是 。A記錄緩變信號幅值準(zhǔn)確性高 ；B記錄緩變信號幅值準(zhǔn)確性低；C記錄中頻信號幅值準(zhǔn)確性高；D記錄高頻信號準(zhǔn)確性高7-14為了用分析儀或計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在現(xiàn)場記錄實驗數(shù)據(jù)時應(yīng)采用 。A光線示波器 ；B筆式記錄儀；C伺服式記錄儀 ；D磁帶記錄儀7-15欲測量和記錄最高頻率為Hz的信號，應(yīng)選用 型號的振動子為好。A. ；B.；C.；D.；7-16磁帶記錄一個最高頻率分量為500Hz 的信號，用上限頻率為300Hz的放大器作回放信號的放大，為了使放大后的信號不失真，應(yīng)采用方法是 。A快錄慢放；B慢錄快放；C錄放速度不作變化7-17定量記錄氣體壓縮過程中溫

35、度隨壓力變化的直接關(guān)系曲線，最好采用 。A.光線示波器；B.函數(shù)記錄儀；C.檢流計式筆錄儀；D.磁帶記錄儀7-18光線示波器高頻振子的阻尼率達(dá)到0.7的方法是 。A充人硅油；B保證要求的外電阻；C串聯(lián)合適電阻D并聯(lián)合適電阻7-19為了記錄變量X與Y之間的關(guān)系，應(yīng)選用 。A檢流計式；B光線示波器；C磁帶機(jī)；D.X一Y函數(shù)記錄儀7-20為了用分析儀或計算機(jī)進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的處理，在現(xiàn)場記錄實驗數(shù)據(jù)時應(yīng)選用 。A光線示波器；B伺服式記錄儀；C磁帶記錄儀；D陰極射線示波器3.填空題7-21光線示波器記錄的方波信號時，考慮到五次諧波成分，記錄誤差不大于5時，則應(yīng)選用振動子的固有頻率為 Hz的振動子。7-22

36、為使光線示波器的振子達(dá)到最佳阻尼，低頻振子（）采用 ，高頻振子（）采用 。7-23振動子電路電阻匹配的目的，從測量電路來看是希望 ，從振動子本身角度來看是為了 。7-24振動子的阻尼率時，并且記錄正弦信號的頻率不大于固有頻率的 倍時，記錄信號的幅值誤差將不大于 。7-25磁帶記錄儀一般由 、 和 組成。光線示波器由 和 組成。7-26為了保證光線示波器的輸出不產(chǎn)生幅、相頻失真，應(yīng)使選用的振動子滿足條件 和 。7-27光線示波器的振子的固有頻率越高，其電流靈敏度 。7-28不作校正，直錄式磁帶記錄儀失真的主要原因是 。7-29自動平衡式記錄儀適宜于記錄的頻帶范圍 。7-30光線示波器的使用頻率范

37、圍是 ，磁帶記錄儀的使用頻率范圍為 ,X一Y函數(shù)記錄儀的使用頻率范圍是 。4問答題7-31測試儀器的信號輸出有哪些類型？7-32信號顯示記錄儀表和裝置有哪幾種類型？7-33什么是屏幕顯示儀表？7-34什么是模擬顯示儀表？有哪幾種？各有何特點？7-35什么是數(shù)字顯示儀表？有何特點？7-36模擬顯示儀表是如何發(fā)展變換成數(shù)字顯示儀表的？7-37顯示儀表在過程控制系統(tǒng)中的作用是什么？7-38常用在顯示儀表中的工作原理有哪些？主要應(yīng)用在什么場合？7-39數(shù)字式顯示儀表的特點是什么？7-40數(shù)碼顯示常用的顯示器有哪些？各有何特點？5分析計算題7-41有一臺數(shù)字儀表滿度顯示為“20060”，此時它從放大器接

38、受的信號為5v，現(xiàn)與一測壓變送器配套測量壓力，其輸出為010mA DC，它所對應(yīng)的測壓范圍為020000Pa，問應(yīng)采取什么辦法才能使數(shù)字表直接顯示壓力數(shù)？7-42現(xiàn)采用鉑電阻檢測溫度，希望數(shù)字顯示，現(xiàn)有一臺滿量程為“1000”的數(shù)字顯示儀表，其分辨率為，問應(yīng)如何處置，才能配套使用顯示溫度？7-43用鉑電阻與數(shù)字顯示儀表配合測量0200溫度，要求非線性誤差不得超過0.5%，試設(shè)計一個數(shù)字線性方案。7-44磁帶記錄器的重放放大器特性有何要求，為什么？7-45說明磁帶記錄儀直接記錄方式（DR）與調(diào)頻記錄方式（FM）的優(yōu)缺點。7-46如圖7.6所示為動圈式磁電指示機(jī)構(gòu)，試述其工作原理。圖7. 6動圈式

39、磁電指示機(jī)構(gòu)7-47圖7.7所示為光線示波器的結(jié)構(gòu)，試述其工作原理。圖7.7光線示波器結(jié)構(gòu)圖7-48磁帶記錄器的結(jié)構(gòu)如圖7.8所示，根據(jù)此圖說明磁帶記錄器的記錄、重放和消磁原理。圖7.8磁帶記錄器的結(jié)構(gòu)原理圖7-49自動電位差計式自動平衡顯示儀表的工作原理是什么？7-50電橋式自動平衡顯示儀表的基本工作原理是什么？74 習(xí)題解答1判斷題解答7-1×；7-2；7-3×；7-4×；7-5×；7-6×；7-7×；7-8×；7-9×；7-10。2選擇題解答7-11 D；7-12 C；7-13 A；7-14 D；7-15 B

40、；7-16 A；7-17 C；7-18 A；7-19 D；7-20 C。3填空題解答7-21 5000Hz7-22電磁阻尼；油阻尼7-23輸出功率最大；獲得合適的阻尼率使7-24 0.5；5% 7-25磁頭；放大器；磁帶及走帶機(jī)構(gòu)；振動子及磁系統(tǒng)；光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)；電氣系統(tǒng)7-26；7-27越低7-28剩磁曲線的非線性和重放感應(yīng)電勢的微分性質(zhì)7-29 02.5Hz7-30 5kHz；1MHz；10Hz4.問答題解答7-31答：測試儀器的信號輸出類型如圖7.9所示。圖7.9題7-31解圖7-32答：信號顯示記錄儀表和裝置主要可分為模擬顯示記錄儀表、數(shù)字顯示記錄儀表和計算機(jī)屏幕顯示記錄儀表。7-

41、33答：屏幕顯示儀表其本質(zhì)上是配有專門的數(shù)據(jù)采集處理接口、專門的顯示屏幕和其他附加裝置的計算機(jī)系統(tǒng)。7-34答：將一些不能直接或不能精確直接感知的物理量用易于精確觀察到物理量來表示的方法稱為物理模擬法，凡是用物理模擬方法對被測信息實現(xiàn)顯示的儀表稱為模擬顯示儀表，通常使用指針或記錄筆的偏轉(zhuǎn)角或位移、光柱（條）的長短變化等方法來顯示被測參數(shù)連續(xù)的變化。模擬顯示儀表一般可分為直接變換式和平衡式兩大類。直接變換式儀表測量線路簡單，價格較低，但準(zhǔn)確度較低，線性刻度較差，信息能量傳遞效率低，靈敏度不高；平衡式儀表測量線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較高，但準(zhǔn)確度高，靈敏度和信息能量傳遞效率都較高，線性度好。常見的模擬顯

42、示儀表有動圈式顯示儀表、自動平衡式的電子電位差計和電橋式自動平衡顯示儀表等。7-35答：數(shù)字顯示儀表就是把被測參數(shù)連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)的數(shù)字量并以數(shù)碼形式顯示的儀表，具有測量速度快，抗干擾性能好，準(zhǔn)確度高，讀數(shù)直觀，具有自動報警、自動量程切換、自動檢測、參數(shù)自整定、濾波、非線性處理以及進(jìn)行各種運算等功能，其性能優(yōu)于模擬顯示儀表。7-36答：進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，顯示及記錄儀表也開始步入了微機(jī)化的過程。數(shù)?；旌嫌涗泝x就是該發(fā)展過程的一種典型產(chǎn)物。全數(shù)字記錄儀表是在數(shù)?；旌嫌涗浀幕A(chǔ)上發(fā)展而成的。7-37答：在控制系統(tǒng)中，顯示儀表具有重要的地位，它可將控制過程中的參數(shù)

43、變化、被控對象的過渡過程顯示和記錄下來，供操作人員及時了解控制系統(tǒng)的變化情況，掌握被控對象的狀態(tài)，是進(jìn)行系統(tǒng)控制、工況監(jiān)測、性能分析及事故評判等工作所必不可少的環(huán)節(jié)。7-38答：常用在顯示儀表中的工作原理有電位差計自動平衡原理、電橋式自動平衡原理和差動變壓器式自動平衡原理。電位差計式自動平衡原理主要應(yīng)用在對直流電壓或直流電流轉(zhuǎn)換成的電壓進(jìn)行測量的場合；電橋式自動平衡原理主要應(yīng)用在利用敏感電阻作為傳感器對被測參數(shù)進(jìn)行測量的場合；差動變壓器式自動平衡原理主要應(yīng)用在位移的檢測場合。7-39答：由于在數(shù)字式顯示儀表中用微處理器取代了常規(guī)自動顯示及記錄儀表的測量電路，從而大大減少了儀表的機(jī)械結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了

44、儀表的數(shù)字處理能力和運算能力，使得數(shù)字式顯示儀表變得小巧、精確、靈活和可靠。7-40答：數(shù)碼顯示常用的顯示器有發(fā)光二極管（LED）、液晶顯示器(LCD)和熒光管顯示器。以熒光管顯示器亮度最高，發(fā)光二極管次之，而液晶顯示器最弱。其中液晶顯示器為被動顯示器，必須有外光源。熒光管由于其特殊的真空結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電壓比較高（一般需要1015v，而LED和LCD一般只需要2.75v），而且使用不如LED和LCD靈活，因此測試儀器中部如LED和LCD普及。但在一些特殊的顯示需求下，熒光管顯示器具有獨特的高亮度和低功耗的顯示特性。5.分析計算題解答7-41答：將壓力變送器的輸出接一的精密電阻即可實現(xiàn)使數(shù)字表直接顯

45、示壓力數(shù)的功能。7-42答：設(shè)被測溫度為150時，則與熱電阻配套使用的數(shù)字表應(yīng)顯示150”。而該數(shù)字表達(dá)分辨率為，要使數(shù)字顯示儀表顯示“150”，則輸入數(shù)字表的電信號應(yīng)是：同理，如被測溫度為200，則輸入數(shù)字表的電信號應(yīng)是20.則任務(wù)即變?yōu)閷K電阻從阻值的變化變?yōu)?520的電壓變化，就是要設(shè)計一個標(biāo)度變換電路，來完成上面所要求的電阻到電壓的轉(zhuǎn)換，使得熱電阻能很好的與數(shù)字顯示儀表配套測量溫度。要完成電阻到電壓的轉(zhuǎn)換，用得最多的是電橋線路，為了減小環(huán)境溫度變化對測量的影響，常采用三線接法，故標(biāo)度變換的原理線路如圖7.10所示。圖7.10中， 是連線電阻，常取為某一定植；、是橋臂電阻；是熱電阻；是橋路穩(wěn)壓源；是輸出信號。在橋路設(shè)計時，可以通過適當(dāng)選擇橋路電源和橋臂電阻、來實現(xiàn)。這里由于鉑電阻阻值的變化與溫度之間呈非線性關(guān)系，還需進(jìn)行線性化處理之后才能顯示。圖7.10題7-42圖7-43答：由于鉑電阻在0200溫度范圍內(nèi)阻值變化與溫度呈非線性特性，所以首先由特性表擬合電阻-溫度特性曲線，而且需要將