電子測量技術教案《8》

8.1失真度儀簡介8.2失真度儀的應用8.3實訓1電子測量技術教案《8》第8章

失真度儀

本章要點

基波抑制法失真度儀的基本組成及原理框圖

失真度儀的應用

2電子測量技術教案《8》8.1失真度儀簡介

純正弦波信號通過電路后，如果該電路中存在非線性，則輸出的信號中除包含原基波分量外，還會含有其他諧波分量，這就是電路產(chǎn)生的諧波失真，亦稱非線性失真。諧波失真度最常用的測量方法有多種：是基波抑制法，大多數(shù)的失真度測量儀都是根據(jù)這個原理制成的。3電子測量技術教案《8》8.1.1失真度儀的組成及框圖原理1．

失真度儀的基本結(jié)構(gòu)基波抑制法就是將被測信號中基波成分濾除，測量出所有諧波成分量總的有效值，再確定與被測信號總有效值相比的百分數(shù)即失真度值。失真度儀的基本結(jié)構(gòu)是輸入信號調(diào)節(jié)電路、基波抑制電路、轉(zhuǎn)換開關和電子電壓表。

4電子測量技術教案《8》圖8-1失真度儀基本原理框圖

8頁5電子測量技術教案《8》（1）諧波失真度的定義信號失真的程度用諧波失真度表示。它的定義是全部諧波能量與基波能量之比的平方根。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電子測量技術教案《8》由上式中的基波電壓很難單獨得到。實際的基波抑制法測量，是用下式測量失真度的。即：

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

（8-3）當D0=10%時，D0與D相差約0.5%；D0=20%時相差約2%。當失真小于10%時可以認為有D0=D。14頁13頁7電子測量技術教案《8》（2）失真度測量的基本原理如圖8-1所示，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的。其中的濾波電路是用來濾除基波分量的。當S1時，被測信號總電壓的有效值u；當S2時，濾除基波分量后的電壓有效值u’。因此，測量出u和u’就是測量信號的失真度。

圖中的“校準電位器”起什么作用呢?為了讓電壓表的指示為一個確定的值，就是當S1時讓電壓表的指示為1V(即100％)，當S2時，不動電位器，即可讀出失真度。8電子測量技術教案《8》（3）幾種常用的失真度測量儀從表8-1中可以看出，失真度測量儀的主要技術性能，頻率范圍和能夠測的失真度范圍。表中的失真度測量儀叫“點頻失真儀”?！包c頻”是指在某一個頻率時，輸出信號的失真情況?！傲Ⅲw聲失真度測量儀”所選的“點頻”只有400Hz和lkHz，這是因為人耳對該頻率及其附近的頻率較敏感。9電子測量技術教案《8》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同步失真度儀10Hz~109kHz見技術參數(shù)

10電子測量技術教案《8》3．

DF4120A同步失真度儀（1）DF4120同步失真度儀原理框圖DF4210型同步失真度儀是采用集成電路的儀器。它具有測試精度高、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備的非線性失真，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備進行信噪比和頻率特性的測試。DF4210同步失真度儀的原理框圖如圖8-2所示。11電子測量技術教案《8》圖8-2DF4210同步失真度儀的原理框圖。12電子測量技術教案《8》（2）DF4120同步失真度儀的基本原理DF4120同步失真度儀的電路如圖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，在這里把測量信號的基波分量抑制掉，保留所有諧波成分，然后通過表頭電路測其大小，該大小則為被測信號的失真度。當失真度小于10%時，D0=D，當失真度大于10%時，應按（8-3）式作修正。下面介紹各部分電路。

13電子測量技術教案《8》

輸入電路：一個高輸入阻抗的跟隨器，以減少對輸入衰減器的影響；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)整電路的電壓約為100~316mV，在該電壓范圍內(nèi)，自動電平調(diào)整電路能自動調(diào)整可變衰減器中的光敏電阻值，使電路穩(wěn)定輸出1V，則使(8-2)式分母為1。

14電子測量技術教案《8》

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、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

15電子測量技術教案《8》圖8-3網(wǎng)絡的基波抑制頻率f=當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和諧波衰減的要求，因此加入一個有源的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減少無源橋T型網(wǎng)絡輸出端分布電容的影響。16電子測量技術教案《8》

頻率自動調(diào)諧控制電路失真度測量頻率粗調(diào)，是由失真儀面板的頻段開關和頻率數(shù)值開關設定完成的。失真度測量頻率微調(diào)則是由頻率自動調(diào)諧控制電路進行的。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電子測量技術教案《8》

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，以保證小失真度測試精度。18電子測量技術教案《8》

表頭電路失真度測量時，來自基波抑制器的失真度電壓和電平測量時來自電壓放大器的電壓，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動表頭指示。均值檢波前交流信號同時送至面板上的示波器插座，可以接示波器觀察諧波失真成份。電路中有一個約4V的限幅電路，同時表頭采用毫伏表，具有較大過載能力，測量中不必為表頭短暫打針而驚慌。19電子測量技術教案《8》電平判別電路自動電平調(diào)整系統(tǒng)有一個作用范圍，超過該范圍，自動電平調(diào)整電路就不能穩(wěn)定輸出1V。為了保證失真度測量正確，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，過壓的指示燈亮，輸入電壓過小，欠壓的指示燈亮，在此范圍內(nèi)，二燈均熄滅。20電子測量技術教案《8》振蕩器如圖8-4，振蕩頻率決定于橋型的濾波網(wǎng)絡，式中取C2=100C1，C1C2由面板頻段開關設定，R阻值由面板頻率數(shù)值開關設定。振蕩器的輸出幅度、起振情況由R1和R2的比值決定，并由幅度控制電路調(diào)整。幅度控制電路監(jiān)視振蕩器的輸出，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管的等效電阻R0，控制振蕩器正反饋強弱。21電子測量技術教案《8》圖8-4振蕩器電路簡化框圖22電子測量技術教案《8》8.1.2失真度儀的誤差1．理論誤差理論誤差是系統(tǒng)誤差，可予以糾正。2．基波抑制度不高引起的誤差諧波電壓增加量高于含有基波在內(nèi)的測量值而引進的誤差。3．電平調(diào)節(jié)和電壓表的指示誤差電壓表的指示值校準電平調(diào)節(jié)有誤差或電壓表指示值有誤差，都將影響最后的測量結(jié)果。23電子測量技術教案《8》8.2失真度儀的應用8.2.1主要技術參數(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，不大于滿度值的±7%±0.01%

20Hz~20kHz，不大于滿度值的±10%±0.015%

10Hz~109kHz，不大于滿度值的±30%±0.025%24電子測量技術教案《8》（4）機內(nèi)引入失真：

300Hz~5kHz，不大于±0.015%

20Hz~20kHz，不大于±0.025%

10Hz~109kHz，不大于±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，當基波頻率小于300Hz時，只接30kHz低通。25電子測量技術教案《8》（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：不大于滿度值的±5%（1kHz）（3）電壓頻率附加誤差：20Hz~50kHz，不大于0.5dB5Hz~300kHz，不大于1dB（4）電壓噪聲底度：不大于50μV（5）最大可測信噪比110dB26電子測量技術教案《8》3．失真儀輸入阻抗：100kΩ±2%，輸入電容不大于100pF4．振蕩器（1）振蕩頻率：10Hz~109kHz（2）頻率示值誤差：不大于0.05fo，±1Hz（3）非線性失真

300Hz~5kHz，不大于±0.005%20Hz~20kHz，不大于±0.015%10Hz~109kHz，不大于±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：600Ω27電子測量技術教案《8》8.2.2使用方法1．DF4120A同步失真度儀面板結(jié)構(gòu)（1）電源指示燈：指示電源接通與否，燈亮接通，燈滅電源斷。（2）電源開關：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：改變失真度測量和振蕩器工作頻率的頻段。31頁28電子測量技術教案《8》（7）頻率數(shù)值開關(一)：改變失真度測量和振蕩器工作頻率的前面一位數(shù)。（8）頻率調(diào)諧指示：當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(二)：改變失真度測量和振蕩器工作頻率的后面一位數(shù)。（10）頻率微調(diào)：對振蕩器頻率起微調(diào)作用，當其處在“關”位置時，振蕩器頻率就由頻段開關和頻率數(shù)值開關決定，當頻率微調(diào)旋鈕打開后，隨著旋鈕向右，振蕩器頻率逐漸增加。（11）振蕩器輸出：振蕩器輸出電壓由此送出。31頁29電子測量技術教案《8》（15）功能開關：選擇失真儀的工作種類。（16）測量輸入：被測信號由此送入。（17）相對調(diào)節(jié)功能開關在“相對電平”位時應用，當需要測量放大器的信噪比或頻率特性，而被測信號表頭指示不滿度時，可通過調(diào)節(jié)它使表頭指示滿度，便于讀出電平的相對值。（18）濾波器：測量小失真度信號時，根據(jù)被測信號的工作頻率接入相應的濾波器，按鍵則接入，抬鍵則斷開。（19）示波器插座：當需要觀察被測信號的諧波波形時，可以從這里接至示波器。30電子測量技術教案《8》圖8-5DF4120A同步失真度儀面板圖28頁29頁31電子測量技術教案《8》2．DF44120A同步失真度儀的使用方法接通電源，予熱10~15min；所有量程開關置最左位；頻率微調(diào)開關置“關”位和濾波器按健全部抬鍵。（1）失真度測量失真儀的功能開關置“失真度”位；利用機內(nèi)信號源。根據(jù)工作頻率，放置好失真儀的頻率波段開關和頻率數(shù)值開關，儀器連接如圖8-6所示。圖8-6失真度同步測量連接圖32電子測量技術教案《8》根據(jù)被測設備設置振蕩器輸出衰減器，調(diào)整振蕩器輸出電平；根據(jù)被測音頻設備輸出大小適當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)的位置；根據(jù)表頭讀數(shù)結(jié)合失真度量程就可測得失真度Ki；如果振蕩器輸出信號的非線性失真度為Ci，則被測音頻設備的非線性失真為KK=(8-5)為了提高小失真度測量下限及測試精度，根據(jù)工作頻率接入相應的高低通濾波器。35頁33電子測量技術教案《8》利用機外信號源儀器連接如圖8-7所示，(a)是測量音頻信號源的失真度，(b)是測量音頻設備的非線性失真。圖8-7失真度異步測量連接圖34電子測量技術教案《8》按照要測的工作頻率放置好信號源頻率開關；按照被測設備輸入大小要求，調(diào)節(jié)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)現(xiàn)頻率調(diào)諧指示燈亮及表針指示不能變小，可以適當改變失真儀或信號源的工作頻率，逐步改變失真度量程使表頭指示于最便于讀數(shù)的位置，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)就是信號源的失真度。在圖8-7b線路中，被測設備的失真度仍要按公式(8-5)求得。不過在Ci<Ki／3情況下，可以認為失真儀測得的失真度K

，就是被測設備產(chǎn)生的失真度。35電子測量技術教案《8》

為了提高小失真度測量下限及測試精度，根據(jù)工作頻率接入相應的濾波器。注意：在失真度測量時，有時可能表頭指針不往下降，可以改變一下頻段開關，然后再打回原測量頻段，就可消除不調(diào)諧現(xiàn)象。失真度量程置檢查檔時，表頭指針下降較慢，為了使它下降快一些，可以置于30%以下更靈敏的量程，當然這會出現(xiàn)打表針現(xiàn)象，但不會損壞表頭。（2）電壓測量功能開關置“輸入電平”，濾波器全部的抬鍵。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)的位置，結(jié)合輸入量程和表頭指示值就可讀出被測電壓的大小。（3）信噪比測量功能開關置“相對電平”位，儀器連接如圖8-8所示。36電子測量技術教案《8》圖8-8信噪比測量連接圖37電子測量技術教案《8》根據(jù)工作頻率，放置好振蕩器的頻段開關和頻率數(shù)值開關；根據(jù)被測設備輸入大小要求設置振蕩器輸出衰減器，調(diào)整振蕩器輸出電平；根據(jù)被測音頻設備輸出大小適當放置失真儀輸入量程，使表頭指針不要超過滿度。例如測量頻率1kHz，放大器輸出lV~3V時的信噪比，即失真儀輸入量程(設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)節(jié)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)節(jié)”旋鈕位置不變，改變失真儀輸入量程(設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)(設為a)，測得的信噪比為(b1-b2－a)。38電子測量技術教案《8》（4）放大器頻率特性測量功能開關“相對電平”位，儀器連接如圖8-9所示。把失真儀振蕩器頻率置“l(fā)kHz”，根據(jù)被測設備的輸入大小要求設置振蕩器輸出衰減，頻響特別好的標準電壓置相應量程，調(diào)整振蕩器輸出電平，使標準表滿度。被測設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)節(jié)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，仍使標準表滿度，保持失真儀“相對調(diào)節(jié)”旋鈕不動，讀出失真儀的表頭指示的dB數(shù)，它的大小反映了被測設備的頻率特性；dB數(shù)的絕對值小頻率特性好，反之則差。39電子測量技術教案《8》圖8-9頻率特性測量連接圖40電子測量技術教案《8》（5）用“振蕩器”作信號源DF4120A型同步失真儀也可作為音頻信號源使用。僅作音頻信號源使用時，可把功能開關置“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和頻率數(shù)值開關，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。41電子測量技術教案《8》8.2.3應用舉例BS3型失真度儀主要用途是測量音頻信號的失真度，最少失真度可測至0.03％。此外，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。主要技術特性如下：（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電子測量技術教案《8》（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。43電子測量技術教案《8》1．電壓測量（1）接通電源之前，將工作開關置于“電壓”位置，分壓器開關置于1V位置，衰減器開關應按待測信號電壓范圍，選好量程，當待測信號電壓大小不明時，應把它置于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K1，使電壓表指至明顯位置，直至lV。若指示仍很小(則待測信號電壓遠小于lV)。則應繼續(xù)改變分壓器開關K2位置，直至電壓表指針指至明顯讀數(shù)時為止(超過滿刻度的1/3)。（4）依據(jù)衰減器開關位置及分壓器開關位置，從電壓表上直接讀出待測信號電壓的有效值。（5）測試完畢后，應把各開關恢復至第一項位置，K1置于300V位置。44電子測量技術教案《8》2．失真度測量（1）在接通電源之前，將分壓器開關置于100％(1V)位置，工作開關置于“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）將工作選擇開關置于“失真度”位置，改變頻率開關到相應于待測信號頻率的波段，然后反復調(diào)節(jié)“調(diào)諧”、“微調(diào)”、“相位”等旋鈕，使電壓表獲得最小指示為止(相應的改變分壓器位置)，此時，根據(jù)分壓器位置從電壓表指示上直接讀出失真度的百分數(shù)。（5）測試完畢；將分壓器開關恢復到“10％”位置，將工作選擇開關置于“校準”位置，電壓表仍應指示滿刻度，若指示改變，則應重新按(3)，(4)兩項進行測試。45電子測量技術教案《8》3．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，應把衰減器開關置于“10V”位置，分壓器開關置于“1V”位置，然后撥動工作選擇開關置于“音頻”位置，此時電壓表便有點頻輸出指示。（3）撥動“音頻頻率”開關至所需要的頻率?？刂扑p器、分壓器開關和輸出調(diào)節(jié)旋鈕，直到獲得所需要的信號電壓的大小(并在表上有明顯指示)。（4）由儀器附有的電纜插頭，引出輸出信號。（5）如果不需要本儀器的電壓表作指示時，只需按上述1、3、4項進行即可，但應首先把輸出調(diào)節(jié)置于最小位置，然后慢慢增加至所需的信號幅度。在進行失真度或電壓測量時，信號源可以同時獨立作為信號使用。46電子測量技術教案《8》8.3實訓測量音頻信號幅度（1）實訓目的能正確測量音頻信號電壓，能正確熟練用失真度儀。（2）實訓儀器設備失真度儀（DF4120A同步失真度儀或