《电子测量技术基础》实验指导书加.docx

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1、电子测量技术基础实验指导书电子信息工程系2010-12-22目 录实验一 电压表的使用及交流电压的测量1实验二 通用计数器的实验5实验三 示波器测试技术与示波器的使用13实验一 电压表的使用及交流电压的测量一、 实验目的1、掌握低频电压的测量原理及测量方法2、掌握高频电压的测量原理及测量方法二、 实验仪器1、F05A型数字合成函数信号发生器2、DF2170D型交流毫伏表3、AS2271A型超高频毫伏表三、 实验原理1、 用交流毫伏表（均值电压表）测量低频电压均值电压表常用来测量1MHZ以下的低频信号电压。均值电压表的组成如图1-1所示。称放大检波式电压表，即先放大后检波。检波器的基本电路如图1

2、-2所示。 图1-1 均值电压表的组成 图1-2 平均值检波器均值电压表的直流输出恰好为|ux|的平均值，因此均值电压表的表头偏转正比于被测电压的平均值。均值电压表虽然是均值响应，但仍以正弦电压有效值刻度，因此，当被测信号为正弦信号时，其读数直接就是正弦电压的有效值。当被测信号为非正弦信号时，就需要如下换算：其中KF为被测波形的波形系数。2、 用超高频毫伏表（峰值电压表）测量高频电压峰值电压表又称检波放大式电压表，即被测交流电压先检波后放大，然后再驱动直流电压表。峰值电压表的组成见图1-3所示。 图1-3 检波放大式电压表在峰值电压表中，常采用二极管峰值检波器，即检波器是峰值响应的。峰值电压表

3、的表头偏转正比于被测电压（任意波形）的峰值，除特殊测量需要（例如脉冲电压表）外，峰值电压表是按正弦电压有效值刻度的，即：式中正弦电压有效值KP正弦电压的波峰因数这样，当用峰值电压表测量任意波形的电压时，只有把读数乘以时，才等于被测电压的峰值。被测电压的有效值为：式中Kp被测电压的波峰因数四、 实验内容1、 用函数发生器分别产生峰峰值为5V、频率为1KHz、100KHz的正弦波、方波和三角波电压，用均值电压表分别予以测量，计算它们的峰值、均值和有效值，并计算误差，结果填入表1-1。2、 用函数发生器分别产生峰峰值为1V、频率为100KHz、1MHz的正弦波、方波和三角波电压，用峰值电压表分别予以

4、测量，计算它们的均值、峰值和有效值，并计算误差，结果填入表1-2。五、 实验注意事项1、 AS2271A型超高频毫伏表（1）接通电源，预热5分钟；（2）平衡调节把探头接到探头插座上，探头插入本仪器提供的T型接头内并接终端负载，置量程为1mV档，调节BAL（平衡）钮使表针指在BAL区内；（3）测量被测信号选择合适的量程，对被测电压进行测量。六、 实验报告要求1、 实验结果填入表1-1和表1-2。表1-1 均值表测量结果被测信号Vp-p=5V，f=1KHz读数均值有效值峰值误差正弦波方波三角波被测信号Vp-p=5V，f=100KHz读数均值有效值峰值误差正弦波方波三角波表1-2 峰值表测量结果被测

5、信号Vp-p=1V，f=100KHz读数均值有效值峰值误差正弦波方波三角波被测信号Vp-p=1V，f=1MHz读数均值有效值峰值误差正弦波方波三角波2、 分析上面计算误差的结果，并与均值表、峰值表的理论频率误差比较，理论与实际是否吻合，若不吻合请说明原因。实验二 通用计数器的实验一、实验目的1、熟悉通用计数器的工作原理及使用方法2、掌握用通用计数器进行频率测量的方法3、掌握用通用计数器进行周期、时间测量的方法二、实验仪器1、F10A、F05A型数字合成函数信号发生器 各一台2、SP3122A型等精度通用计数器三、实验原理1、 通用计数器测量频率的原理框图如图2-1所示：图2-1 通用计数器测量

6、频率的原理框图被测频率由A通道输入，经放大整形后，所得的矩形脉冲（其频率与被测信号的频率相同）输往主门，而门控双稳的输出信号控制主门的开启，门控双稳是用时基信号控制的（时基信号是晶振经逐级分频而获得的）。因此，在所选用的时基内，经整形后的被测信号通过主门而进入十进制计数器计数。被测频率为：注：一般计数器具有小数点自动移位功能，无须再换算。测量信号频率时，应将功能选择开关中的“测频”键按下。还应根据被测信号频率的高低选取“闸门时间”（闸门时间的调节方法：按下“闸门”按钮，调节“”、“”箭头键，按“确定”即可）。一般来说，当被测信号频率较高时，闸门时间可取得短一些。当被测信号频率较低时，闸门时间应

7、取得长一些。闸门时间取得愈短，测量结果与接近瞬时值，反之则愈接近于平均值。 测频时，当被测频率有抖动时，要采用多次平均测量方法测量。方法如下：（1）被测信号从A通道输入，“测频”键按下。（2）设置测量次数：按“参数”键，选择“Sample Number”（取样次数），再用面板上右侧的箭头键选择数值大小，至满意为止。调节范围22000。（3）按“功能”键，再按“”、“”箭头键，选择“AVG多次平均测量”即可。测量完毕后，显示的频率为N次测频的算术平均值：。2、频率比的测量测量频率比的原理框图如图2-2所示： 图2-2 测量频率比的原理框图被测信号fA和fB分别由A、B通道输入，都经放大、整形后变

8、换成脉冲波。B通道的输出加到门控双稳，门控双稳的输出使主门开启，其开启时间等于fB的周期TB。则计数器计得TB时间内通过的fA信号，如果计数为N，则：为了提高测量精度，可将B通道的输出进行m倍的分频（这里m=1,10,100,1000,10000）即TB可扩大m倍，则由于小数点位置与m取值的开关联动，故可直接以计数器读数表示所测频率的比值。测量两信号的频率比值时，应按下功能选择开关中的“频率比”键，被测信号中频率较高的可从“输入B”插座输入。上述测量时注意：（1）当被测信号的频率低于100KHz时，按下相应通道的“低通滤波器”选择键，对被测信号滤波。（2）当被测信号低于1KHz时，请选用DC耦

9、合。3、测量周期的原理框图见图2-3所示：图2-3 测量周期的原理框图测量信号周期时应按下功能选择开关中“周期B”键，被测信号应从A通道输入。被测信号经放大整形后输到门控双稳，门控双稳的输出做主门控制信号，使主门只在测周期T的时间开启，标准时标信号通过主门进入计数器，标准时标信号是由石英晶体振荡器的输出信号经放大、整形后再进行分频或者倍频得到的。设时标周期为T0，计数数目为N，被测周期T为： T0可为0.1s，1s，10s，0.1ms，1ms。4、时间的测量（1）时间A-B的测量时间A-B的测量是指测量A、B两列信号的时间差TA-B，其电路框图如2-4所示。测量方法与测量周期相仿，信号A和B分

10、别控制主门的开与关，则主门开启时间就是A与B信号间的间隔。在主门开启的时间内，选择适当的时标信号通过主门送到计数器显示电路，设计数器读数为N，所选择的时标信号周期为T0，则A-B的时间间隔TA-B为：图2-4 测量时间A-B的原理框图时间间隔测量方法：按“测时”键，仪器显示TAB=Wait进入时间间隔测量状态。一般A、B通道信号性质相同时，A、B通道输入状态也应相同。再按“测时”键，仪器显示Wait进入脉冲宽度测量状态。此时信号有A通道输入，在A、B通道窗口，通过上升沿和下降沿选择键，可测量正脉冲宽、负脉冲宽和单周期。（选择键指示灯灭时为上升沿触发，指示灯亮时为下降沿触发。）再按“测时”键，仪

11、器显示Duty= Wait进入占空比测量状态，输入状态设置同脉冲宽度测量，测量时序如下图所示：占空比 （2）时间A/B-C的测量时间A/B-C的测量指的是：测出在B-C的时间内，A信号的脉冲数。测量电路如图2-5所示。与时间B-C测量的不同之处是：计数脉冲不是时标信号，而是从A通道输入的外接信号提供的。信号B和C分别作为主门的开与关信号，计数器计得在B-C时间内A信号的脉冲数N。这种测量往往用以测量非电量。5、 计数测量计数的测量，指在一定时间内，对被测信号所送出的脉冲个数的测量。测量方框见图2-6所示。门控时间为所选定的测量时间。由于在计数测量中，所选定的测量时间往往较长，故计数开始和停止的

12、控制可用手动操纵。开始计数时，按下“计数”键，计数结束时再按“计数”键，计数即告停止。此时，数码管上所显示的数字即为从计数到停止这一段时间内输入信号的脉冲个数。注意：计数时，被测信号应从“输入A”通道输入。四、实验内容1、用F05A型函数发生器作为被测信号源，输出频率分别为100Hz、10KHz、100 KHz的正弦信号，信号峰峰值为2V。计数器的闸门时间T分别为1s、1ms、10s时，记录计数器的指示值，且讨论测量结果。2、用F05A型函数发生器输出频率约为1MHz的正弦信号，另用F10A型函数发生器输出频率分别为100Hz、10KHz、100 KHz的正弦信号。他们分别接入计数器的A、B输

13、入端，测量A、B通道的频率比。记录计数器的指示值，且讨论测量结果。3、用F05A函数发生器输出f=100Hz、1KHz、10KHz的正弦信号，闸门时间T分别为1s、0.1s、0.01s时，测量信号的周期。记录计数器的指示值，且讨论测量结果。4、从A通道输入频率为10KHz的方波信号，分别测量它的正向脉宽和占空比。5、函数发生器输出f=1KHz的信号，手动计数10s，记录显示值。五、实验注意事项1、 测频设置测量次数时，“Sample Number”选择1020即可，取太大则测量太慢。2、 函数发生器的直流偏移及波形调整要关掉，左旋到底即可；函数发生器的衰减开关不要用。3、 当被测信号频率低于1

14、00KHz时，按下相应通道的“低通滤波器”选择键，对被测信号滤波。4、 当被测信号低于1KHz时，请选用DC耦合。5、 记录数据时，函数发生器和计数器的频率值都要记录下来。6、 实验内容5手动计数中，10s用自己的表或时钟设备控制。六、实验报告要求1、 照表2-1、表2-2和表2-3记录实验内容1、内容2和内容3的数据：表2-1 频率测量读数被测频率fA100Hz10KHz100KHz闸门时间1s1ms10s1s1ms10s1s1ms10s显示值相对误差表2-2 频率比测量读数fA=1MHzfB100Hz10KHz100KHz显示值相对误差值表2-3 周期测量读数被测频率fA100Hz1KHz

15、10KHz闸门时间1s0.1s0.01s1s0.1s0.01s1s0.1s0.01s显示值相对误差2、 用波形的形式表示实验内容4中的测量结果，标出脉宽和占空比。3、 手动计数1KHz频率10s的结果是 。4、 分析表2-1、表2-2和表2-3的误差结果，说明被测信号频率的改变和闸门时间的大小对测量准确度的影响。5、 结合误差计算结果，给出不同频率的被测信号应该采用的测量方法。实验三 示波器测试技术与示波器的使用一、实验目的1、 熟悉和掌握示波器的基本工作原理。2、 掌握用示波器进行电压测量的方法。3、 掌握用示波器进行频率测量的各种方法。4、 掌握用示波器进行周期、脉冲间隔、脉冲上升时间的测

16、量。5、 掌握用示波器进行信号间的相位差测量的方法。二、实验用仪器1、F10A、F05A型数字合成函数信号发生器 各一台2、双踪示波器3、RC移相电路三、实验原理与方法双踪示波器的基本原理框图3-1如下所示：图3-1 双踪示波器的基本原理框图1、 示波器的调整接通示波器电源开关前，按下列设置操作：a) INTENSITY旋钮：逆时针方向旋转到头b) FOCUS：中心位置c) AC-GND-DC开关：GNDd) 垂直 POSITION旋钮：中心位置（旋钮推入状态）e) 垂直MODE开关：CH1f) 触发MODE开关：AUTOg) 触发SOURCE开关：INTh) INT TRIG开关：CH1i)

17、 触发LEVEL旋钮：中心位置j) TIME/DIV开关：0.5ms/DIVk) 水平POSITION旋钮：中心位置（旋钮推入状态）l) 垂直VAR旋钮：顺时针方向旋转锁定于CAL位置m) SWP VAR旋钮：顺时针方向旋转锁定于CAL位置进行以上设置后，接通POWER开关，等待约10s后顺时针方向旋转INTEN旋钮，可显示出扫描辉线。调整CH1的POSITION旋钮，将辉线移至显示屏的中心刻度上，若由于地磁场等外界因素的影响，使扫描辉线与水平刻度线形成夹角不重合时，调整TRACE POTATION进行校准。此时VOLTS/DIV和TIME/DIV均被校准于其设定值。CH1和CH2的AC-GN

18、D-DC开关置于GND，TRIG MODE开关置于AUTO,调整辉线至显示屏中央。用改锥调整面板上的DC BAL,使辉线的位置在切换VOLTS/DIV开关于5mV/DIV和10mV/DIV两档之间时不发生变化。调整完成后，示波器扫描时间误差为3%，示波器垂直灵敏度误差为3%，上升时间约为17.5ns。2、 用直接测量法测量波形的电压所谓直接测量法就是直接从示波器屏幕上量出被测电压的高度，然后换算成电压值。若已知CH1通道的偏转灵敏度为Dh 则被测电压值为：其中：被测电压峰峰值或任意两点间的电压值，单位为V。偏转灵敏度，单位为V/DIV，可从CH1通道的VOLTS/DIV开关读出。被测电压波形峰

19、峰高度或任意两点间的高度，单位为DIV。注：用示波器测量时，测量通道的VAR旋钮应位于CAL处。3、 用比较测量法测量方波电压信号的电压比较测量法就是用已知电压和被测电压比较，求出被测电压值。比较测量法原理方框图如图3-2所示。图3-2 比较测量法原理框图进行测量时，先将被测信号接入Y通道，选择合适的垂直灵敏度，从屏幕上得到高度合适的波形（使峰峰高度不超过6格，以保证Y通道良好的线性），读出被测两点间的高度h1，然后将比较信号V1接入Y通道，保持垂直灵敏度不变，选择比较信号步进器，使屏幕上得到的高度与h1差不多，设高度为h2，则被测电压V为：比较测量法的测量误差主要取决于比较电压的准确度和确定

20、h1、h2的误差，而与输入衰耗器和垂直通道的增益无关，因此，测量误差比直接测量误差要小些。4、 用直接法测量信号的频率如果示波器的水平扫描是直接对时间校准的，所观察波形的时间间隔可以在荧光屏上直接测量，若被测信号一个周期所对应光迹在水平方向的距离为，则信号的周期T为：其中：示波器的时基因数。则被测信号的频率。在用直接法测周期、频率时，扫描速度微调应在CAL位置，扫描速度开关的位置也应恰当，使被测信号所对应的光迹长度适中。用此方法亦可测量脉冲上升时间及脉冲宽度。5、 用李沙育图形法测量频率测量原理框图如图3-3所示 ： 示波器处于X-Y图示仪状态。调节x通道灵敏度和y通道灵敏度 使李沙育图形幅度

21、适中，便于观察。调节标准信号源的频率，使 图3-3 用李沙育图形测量频率时的仪器连接屏幕上的李沙育图形尽量简单稳定或呈圆形、椭圆形，这时分别数出图形上水平方向和垂直方向的切（交）点数，记作n和m，若标准信号源输出频率为f0，则被测信号频率为：典型的李沙育图形如图3-4所示。(a) 频 率 相 同(b) 标准信号频率低于被测信号频率341213212121312113234123412512341251111(c) 标准信号频率高于被测信号频率图3-4 典型李沙育图6、 用调制法测量频率调制环法是把未知频率信号与已知频率信号进行比较。标准信号发生器、被测信号源与示波器按图3-5所示连接，示波器处

22、于X-Y图示仪状态。电阻R：4.7K可调，电容C：0.47F图3-5 调制法测频时仪器连接移相电阻R两端的信号与被测信号串联后加到“X轴输入”端，因而形成了调制。标准信号发生器输出端RC移相网络中的电容的容抗（1/）应与移相电阻的阻值R相等。移相电阻采用可变电阻是为了在标准信号发生器输出频率变动后，能调节R的阻值，使其仍与电容的容抗相等。调节标准信号发生器输出信号的频率，使其远低于被测信号的频率，而其输出信号的幅度要求大于被测信号（幅度比约为10：1）。调节X、Y轴灵敏度开关，使图形的大小适中，而居于屏幕中央。此时屏幕上出现的图形将会扭动。调节标准信号发生器的输出频率，尽可能使图形停止扭动。同

23、时调节移相电位器。使屏幕上的图形水平幅度增大，以利于观测。数出图形中单一方向上的峰点数记着m，如图3-6所示。若此时标准信号的频率为f0，则被测信号的频率为：图3-6 调制环形图7、 环形图测量频率标准信号发生器、被测信号源与示波器按图3-7所示连接。示波器处于X-Y图示仪状态。电阻R：4.7K可调，电容C：0.47F图3-7 断续环法测频时仪器连接标准信号发生器的输出端接RC移相网络。移相器中的电容在标准信号源输出信号频率确定时的容抗应等于电阻的阻值，即1/=R,以形成圆扫描。由于加到“Y轴输入”端和“X轴输入”端的信号频率相同（相位不同），所以显示在屏幕上的图形是一个圆或椭圆。由于加到Z轴

24、上的被测信号的频率高于标准信号源输出的频率，因此，圆或椭圆将被测信号的正负半周分割成亮、暗间隔的小段（断续环形图），如图3-8所示。调节X、Y轴的灵敏度及移位旋钮，使屏幕上的圆环足够大，且居中。调节标准信号源输出信号的频率，同时仔细观察屏幕上的圆环，使圆环的亮点不沿圆环走动。同时微调相移器中的电阻，尽量使圆环成标准的圆形。阻值的调节方向应与标准信号源频率的调节方向对应起来。如果标准信号源的输出频率调高，则相移电阻的阻值应调小。圆环上的亮点停止走动时，表明此时被测信号的频率与标准信号源输出的频率正好成正倍数。数出圆环上的亮点数记为m，读出标准信号的频率记为f0，则被测信号的频率为：8、虚线法测量

25、频率标准信号发生器、被测信号源与示波器按图3-9所示连接。图3-9 虚线法测频时的仪器连接示波器处于波形显示状态。调节X、Y两轴“移位”旋钮，使扫描线位于屏幕中间。调节X、Y灵敏度旋钮使屏幕上一个周期的波形不超过水平方向有效观察范围。调节标准信号发生器输出信号频率，使其比被测信号的频率低数倍，并让屏幕上出现的虚线稳定，此时被测信号的频率正好与标准信号的频率成整倍数。数出虚线上亮点数，记着m,并读出标准信号发生器输出信号的频率，记为，则被测信号的频率为：9、 双迹法测量相位差 对所有频率的信号，双迹法测量相位差的准确度都较高，它特别适合于高于100KHZ的频率，双迹法的另一个特点使可以测量幅度、

26、频率和波形不同的信号之间的相位差。测量RC移相电路的相位差时仪器的连接如图3-10所示。电阻R：4.7K可调，电容C：0.47F图3-10 测量RC网络相位移时的仪器连接示波器处于波形显示状态。将u1、u2分别接入示波器的CH1、CH2通道后，调节示波器，使两通道的零位位于统一刻度线上，用CH1（或CH2）通道的信号作为内触发信号。适当调节显示器灵敏度旋钮，使屏幕上两屏幕上两个波形的幅度适中，改变扫描速度开关，使屏幕上的波形略大于一个周期，如图3-11所示。再调节X轴“移位”旋钮，使其中一个波形周期的起点对准纵横坐标刻度的交点。读出一个周期波形的起点与终点间X轴方向的距离，记为x，再读出两信号

27、波形起点间的X轴方向的距离，记为，则两波形之间的相位差为：注：若以CH1通道的信号作为触发信号，则为CH2的信号滞后于CH1信号的相角，同样，若以CH2通道的信号作为触发信号，则为CH1的信号滞后于CH2信号的相角。图3-11 双迹法测量波形相位10、李沙育图形法测相位差 示波器处于X-Y图形显示状态。测量连线图仍如图3-10所示。其中u1送入CH1通道，u2送入CH2通道，由于加到示波器X、Y输入端的信号频率相同（相位不同），因此屏幕将上显示图3-12中的图形之一。00 00900 900 9001800 1800 2700 3600 2700 18002700 图3-12 李沙育图形调节显

28、示器的灵敏度及移位旋钮，使椭圆大小适中，并居屏幕中间，如图3-13所示。测出垂直中心线与椭圆两交点之间距离，量出椭圆最大垂直高度，便可求得X，Y两通道信号之间的相位差为： 上式仅表明了X、Y轴输入信号间的相位差，但并未表明哪个信号的相位超前或滞后。为此，可在Y轴输入端串一个小电容，使加到Y轴输入端的信号比原来超前一相位角。这时，X、Y两轴的信号加到示波器的X、Y偏转板 图3-13 用李沙育图形测相位上，必然形成另一个椭圆，再按上述方法求出相位差，如果，说明原来求得的角为Y轴超前；反之说明Y轴滞后。相位角的超前或滞后，也可通过双迹法确定。李沙育图形法用于测量同频率的两个正弦信号之间的相位差。这种

29、方法用于测量小于100KHz信号的相位差时，精度可高于双迹法。但是对高于100KHz的信号，由于示波器水平和垂直通道的固有相位差的影响，使测量很难准确。因此，李沙育图形法仅用于测量同频率低频信号的相位差。四、实验任务及要求1、 分别用直接测量法和比较测量法测试方波电压信号的峰峰值。被测方波信号由函数信号发生器提供，f=1KHz，Vp-p=1V；比较信号由示波器内部校准信号提供（f=1KHz，Vp-p=1V，方波信号）。计算两次测量的误差，并比较两种测量方法的优劣，结果填入表3-1。2、 用一台函数信号发生器作为被测信号源，输出峰-峰值为5V的正弦信号，用另一台函发作为标准信号源，同样输出最大幅

30、度为5V的正弦信号。（1）标准信号源输出信号频率为f0=400Hz，被测信号分别约为200Hz，800Hz 时，用李沙育图形校验被测信号的频率，并画出各自的图形。（2）标准信号频率为1000 Hz，被测信号频率约为6000 Hz，分别用虚线法和断续环形法验证被测频率的准确性。3、 按图1-10连接仪器，用一台函数发生器作为被测信号源，输出峰-峰值为5V的正弦信号。（1）先测试示波器两通道间是否有相位差。若有相位差，记录数值，并在下面的测量中减去该值。（2）函数发生器输出信号频率分别为2KHZ、200KHZ时，用双迹线法测量u1，u2之间的相位差。测量时记录电路的电阻和电容值，计算RC电路的实际

31、相移，并与实测值相比较。计算测量值的相对误差。（3）在上述测量时，同时用李沙育图形法测量u1，u2之间的相位差，求出测量值的相对误差。五、实验注意事项1、 断续环形法测频率需要用到的Z轴在示波器背面。六、实验报告要求1、 测量方波电压信号的峰峰值，结果填入表3-1。2、 测频法的验证结果填入表3-2。3、 测相位法的结果填入表3-3。表3-1 两种方法测量方波信号被测信号f=1KHz，Vp-p=1V直接测量方法= = 误差：间接测量方法=( / ) 0.5= 误差：表3-2 测频法验证李沙育图形法测频率fx=200Hz接 通道fo=400Hz接 通道fx=800Hz接 通道fo=400Hz接 通道图形结果m= ，n= m= ，n= 虚线法和环形断续法测频率虚线法环形断续法fx=6000Hz接 通道fo=1000Hz接 通道fx=800Hz接 通道fo=400Hz接 通道图形表3-3相位测量方法双迹法测相位通道相位差2KHz200KHz图形参数x1= ,x= ,x1= ,x= ,x1= ,x= ,理论值R= ,C= ; .R= ,C= ; .误差李沙育法测相位通道相位差2KHz200KHz图形参数x0= , xm= ,y0= , ym= ,x0= , xm= ,y0= , ym= ,x0= , xm= ,y0= , ym= ,理论值R= ,C= ; .R= ,C= ; .误差24