实验一 数据测量与处理Word文件下载.docx

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这样，当用峰值电压表测量任意波形的电压时，其读数没有直接意义，只有把读数乘以Kp~=

时，才等于被测电压的峰值Vp。

②均值电压表：

放大-检波式电子电压表，即被测交流电压先放大后检波。

检波器对被测电压的平均值产生响应，一般都采用二极管全波或桥式整流电路作为检波器。

均值电压表的表头偏转正比于被测电压（任意波形）的平均值，特指经过检波后的平均值。

但均值电压表仍是以正弦电压有效值来刻度的，即

α=V~=KF~

KF~为任意波形的波形因数。

由于不同电压波形的波形因数KF~不一样，故当测量非正弦电压时，其读数α就没有直接的物理意义，只有把读数α除以KF~，才表示被测电压的平均值

。

③有效值电压表：

在电压测量技术中，经常需要测量非正弦波，尤其是失真正弦波电压的有效值。

交流电压的有效值V是指在一个周期内，通过某纯电阻负载所产生的热量与一个直流电压在同一个负载产生的热量相等时，该直流电压的数值就是交流电压的有效值。

在数学上，有效值与均方根值是一致的。

在现代有效值电压表中，经常采用两种方法，即热电变换和模拟计算电路来实现有效值电压的测量。

由于测量过程数值的非线性，在实际的有效值电压表中，必须采取措施来使表头刻度线性化。

以正弦有效值刻度的有效值电压表，当测量非正弦波时，理论上不会产生波形误差。

实际上，由于第一，受电压表线性工作范围的限制，当测量波峰因数大的非正弦波时，有可能削波，从而使一部分波形得不到响应；

第二，受电压表带宽限制，使高次谐波受到损失；

而使得读数偏低，产生波形误差。

3．晶体管毫伏表测量功率电平和电压电平

电平的测量实质上是交流电压的测量，只是表头以分贝刻度。

①电平的定义：

功率电平dBm：

以基准量Po=1mW作为零功率电平（0dBm），则任意功率（被测功率）Px的功率电平定义为

Pw[dBm]=10lgPx/Po

电压电平dB：

以基准量Vo=0.775V（正弦有效值）作为零电压电平（0dB），则任意电压（被测电压）Vx的电压电平定义为

Pv[dB]=20lgVx/Vo

注意：

这里定义的电平，都没有指明阻抗大小，所以，Px或Vx应理解为任意阻抗上吸取的功率，或其两端的电压。

很明显，若在600Ω电阻上测量，那么功率电平等于电压电平，因为在600Ω电阻上吸取1mW功率，其两端电压刚好为0.775V。

②被测电平的读出

在电平表中，被测电平直接从步进衰减器步位上所标的dB值和表头所指dB值共同读出，即被测电平值等于这两个读数的代数和。

③功率电平和电压电平的换算

根据功率电平的定义，功率电平在进行表头刻度时，需要预先选定一个阻抗Zo（通常取600Ω），才能定标零电平刻度。

我们不应把零刻度基准阻抗Zo与电平表的输入阻抗Zi混淆，唯有当Zo=Zi=600Ω时，才能直接从表头读出功率电平（dBm），否则实际读出的是电压电平。

若只能读得电压电平，须进行换算，才能得到被测功率电平，换算式如下：

Pw[dBm]=Pv[dB]+10lgZo/Zi

三、实验仪器及设备

直流单电桥数字万用表直流电源

晶体管毫伏表信号发生器系列电阻和电容

四、实验内容

　　1.电阻测量

1）根据电阻上的标识分别读出系列电阻的阻值并记录。

2）用数字万用表按顺序测量系列电阻各4次，注意选择合适的量程，使有效数字位最多。

计算平均值、标准偏差的估计值，并根据仪表准确度0.8％1个字，计算出其不确定度

，将其写成

3）用直流单电桥（电源外接5V直流，将检流计外接短路）按顺序测量系列电阻各一次，作为电阻阻值的真值，并根据仪表实际的准确度（0.2％），计算出各电阻的最大绝对误差

和相对误差

/

　　2.电容测量

1）根据电容上的标识分别读出系列电容的容值并记录。

2）用数字万用表按顺序各测量系列电容各3次，方法同电阻测量中的1）；

注意选择合适的量程，使有效数字位最多，计算平均值及标准偏差的估计值，并根据仪表的准确度2.5％3个字，写出有效安全数字。

3.电压测量

1）用数字万用表分别测量信号发生器输出的方波、正弦波的电压值，判断所用电压表的类型并计算出被测信号的电压有效值。

2）用晶体管毫伏表分别测量信号发生器输出的方波、正弦波的电压值，判断所用电压表的类型并计算出被测信号的电压有效值。

3）用晶体管毫伏表分别测量信号发生器输出的方波、正弦波的电压电平值Pv（在晶体管毫伏表的输入端并联Zi=360Ω），并计算出此时的功率电平值Pw。

被测信号分别为：

1）峰峰值分别为120mV和280mV的100Hz的方波；

2）峰峰值分别为120mV和280mV的100Hz的正弦波。

五、实验报告要求

1．对直流单电桥、数字万用表测量的电阻数值进行分析和处理，以直流单电桥测量得到的电阻值为真值，验证数字万用表用于测量电阻的精度等级是否合格；

2．对数字万用表测量的电容数值进行分析和处理，计算出电容标称值的误差等级；

3．对数字万用表和晶体管毫伏表测量方波、正弦波得到得电压值进行分析和处理，判断数字万用表和晶体管毫伏表用于电压测量时表的类型，分别计算出被测信号的电压有效值；

4．对晶体管毫伏表测量方波、正弦波得到的电压电平值进行分析和处理，计算出在晶体管毫伏表的输入端并联阻抗Zi=360Ω时的功率电平值。

实验二测量仪器的综合应用

1．了解模拟和数字示波器的主要特性及组成，熟悉主要旋钮或按键的作用和使用方法；

2．掌握模拟和数字示波器的基本应用；

3．学会多种测量仪器测量电压、时间、相位和幅频特性的方法。

1．模拟示波器

在示波器中屏幕显示器件是示波管，它可以同时接受两个信号的作用。

一个是被测信号Vi，另一个称为线性扫描电压Vx，是一个随时间线性变化的电压，这两个电压同时作用于示波管，驱动其电子束运动，使之在屏幕上产生二维坐标的显示。

图2示波器的原理框图

示波器是以示波管为核心的电子仪器，其原理框图如图2所示。

除了示波管之外；

还应该有垂直通道（即图中的Y放大器电路）和扫描发生器（它相应于水平通）。

示波管中Y1、Y2为一对Y偏转板；

X1、X2为X偏转板。

垂直通道（或称Y通道）的电路是对被测信号Vi进行处理，以满足Y偏转板的需要。

扫描发生器则产生能满足X偏转板要求的线性扫描电压Vx。

为了使被测信号准确、稳定地显示在荧光屏上，并能进行定量测量，一个较为实用的示波器基本组成如图9所示。

垂直输入电路包括输入衰减器和前置放大器，对各种幅度的被测信号进行衰减或放大，垂直末级放大器对信号进一步放大，以满足Y偏转板的要求。

时基发生器是扫描电路的核心，由它产生线性扫描电压。

被测信号经过触发电路产生触发脉冲去启动时基发生器工作；

水平末级放大器对扫描电压进行放大以满足X偏转板的要求。

Z电路用于控制示波管的Z电极，即控制电子束的有无、强弱，也就是控制荧光屏显示的亮暗程度（通常称为示波器的辉度）。

图3示波器的原理结构图

图3中设置延迟级是为了能在屏幕上观测到被测信号的起始部分。

在通用示波器中，如果从被测信号产生触发脉冲，启动时基发生器，直至X偏转板得到扫描电压需要一段时间；

另一方面，被测信号Vi经Y通道到达Y偏转板所需时间较少，即水平通道的延迟时间比垂直通道的延迟时间要长，以至信号的起始部分得不到显示。

为了能观测到信号的起始部分，在Y通道加一延迟级以推迟被测信号到达Y偏转板的时间，使被测信号的起始部分能够得到显示。

图4扫描发生器环原理电路

为了对被测信号进行准确测量，线性扫描电压必须满足周期性、线性化和同步性。

扫描电压由扫描发生器环产生，其原理电路框图如图4所示，它是一个具有反馈的闭环系统，

由时基闸门、扫描发生器、电压比较器及释抑电路等组成，输出线性扫描电压Vo。

在示波器中有两种产生扫描电压的基本方法，即在外触发信号的作用下产生扫描电压的触发扫描，以及扫描发生器环在没有触发脉冲的情况下也能自行输出扫描电压的自激扫描。

对于不连续的单次信号必须采用单次扫描，而且扫描必须由单次信号本身，或者由与单次信号有关的事件触发产生，每次观测只进行一次扫描过程。

在某些测量中，要求能够对两个信号同时进行测量和显示，能方便地对它们幅值大小或相位关系进行比较，这就要求示波器具有双踪显示功能，双踪显示是分时轮流地扫描显示两个波形，双踪示波器有两种不同的时间分割方式，即交替方式（适于观测高速信号）和断续方式（适于观测低速信号）。

在测量中，有时对被测信号的某一部分特别感兴趣，并且要了解它在整个波形中的位置，这就要求示波器具有双扫描显示功能，双扫描是指示波器可以同时产生两个扫描时基：

一个是慢扫描，称为A扫描；

另一个是快扫描，称为B扫描。

双扫描显示是在示波器中用A扫描和B扫描轮流将被测信号显示在屏幕上，并且对B扫描显示的波形要在A扫描波形的相应部分进行加亮。

2．数字存储示波器

在数字存储示波器中用于存储数字化波形的器件是数据存储器（RAM），简称为存储器。

由于大多数被测信号是模拟量，必须通过量化之后才能存入RAM。

数字存储示波器通过模数转换器（A/D）对模拟信号进行量化，量化后的离散量值与A／D的位数及编码方式有关，例如8位A/D，用二进制编码方式，则28=256个量化值，数字化波形的幅度分辨力为1/256。

因此，A/D的位数越多，测量分辨力越高，而量化值就越接近模拟量，测量误差也越小。

A/D的位数是数字存储示波器的一项重要技术指标，其转换速率则是数字存储示波器的另一项重要技术指标。

根据采样定理，A/D的转换速率必须高于被测信号最高频率分量的两倍。

数字存储示波器对被测信号逐点量化的数据依次存入RAM各单元，这就是信号的存储过程。

在示波器中为了在屏幕上再现被测信号波形，需要依次（按原来存储的次序）从RAM中读出数据，并经过D/AY（数模转换器）和Y放大器恢复为模拟信号再作用于示波管的Y偏转板。

为了能在屏幕上将被测信号展现出来，还需要对X偏转板加扫描电压。

由于Y偏转信号是时间离散的幅值，因此X偏转电压不是用锯齿波发生器产生，而是用数码经D/AX产生的阶梯波。

因此，数字存储示波器的基本组成如图5所示。

图5数字存储示波器原理框图

由于被测信号已经被存储，波形的显示和存储可以分开进行，因此数字存储示波器对其显示功能的速度要求不高，只要选择一个适合人们观察的速度即可。

此外，对于变化极慢的信号，由于采用了合适的显示速度，也不会给人以闪烁的感觉。

与模拟示波器相比，虽然数字存储示波器存在采样的“死区”，不能显示实时信号，但其强大的信号存储和数据处理能力，为数字存储示波器的测量提供了极大方便，且有许多测量功能是模拟示波器无法实现的。

3.相位的测量方法

相位测量是测两个（或多个）信号之间的相位关系以及被测信号相对于某一特定时刻的关系，通常有如下几种方法：

①时间坐标法：

用双综示波器将两个被测信号波形显示在屏幕上，借助时间坐标进行测量和计算。

图6计数器测量相位差

②触发扫描法：

测量被测信号相对于触发脉冲的时间关系。

测量时使示波器工作于触发扫描状态，而后在显示屏幕上借助时间坐标进行测量。

通用计数器亦使用触发扫描法测量相位差，这种测量，实际上是测量两个正弦波形上两个相应点之间的时间间隔。

在图6中是测量两个波形过零点之间的时间间隔（t1或t2）。

当两个信号幅度有区别时，为使测量误差最小，可将两个通道的触发电平调至零。

为了减小系统误差，可利用两个通道的触发沿选择开关，第一次都置于“＋”，则测得t1；

第二次置于“－”，则测得t2，取平均可得准确值tθ=（t1+t2）/2，于是相位差为θ=（t1+t2）ω/2，式中ω为信号角频率。

图7李沙育图形法测相位差

③李沙育图形法：

把两个相位关系不同的正弦波分别加在示波器的X、Y偏转板，可以得到不同的李沙育图形，如图7所示，根据这一原理就可以测出波形间的相位差。

在测量前，须调X和Y轴位移，使椭圆的中心与荧光屏坐标原点对正（这时椭圆与坐标的上、下和左、右截距分别相等），然后测量出x0、xm或y0、ym，那么这两个正弦波的相位差为：

θ=sin-1（2x0/2xm）或

θ=sin-1（2y0/2ym）。

双踪模拟示波器数字存储示波器数字信号发生器

直流电源通用计数器二阶低通滤波电路板

四、实验内容及要求

1.幅度测量

从信号发生器A路输出直流偏移分别为2V、0V、-2V的正弦波信号（1V/3kHz，输出衰减设置为0db），分别使用模拟示波器和数字存储示波器观察并测量其电压。

2．时间测量

使用模拟示波器和数字存储示波器分别测量信号发生器输出的1OOkHz方波的上升沿时间和下降沿时间。

3．相位测量

使用模拟示波器，对图8所示二阶低通滤波电路的输入和输出信号的相位移进行测量，加入的输入信号频率分别为1kHz，幅度为200mVp-p的正弦波。

图8二阶低通滤波器

4．幅频特性测量

我们将对图8所示的二阶低通滤波电路进行幅频特性测量。

①在低频段，测量电路增益：

输入频率为1kHz，幅值Up-p=200mV的正弦信号，在输出波形不失真情况下，分别使用模拟示波器和数字存储示波器测量该电路的动态放大倍数A=Uop-p/Uip-p；

②在低频段，测量电路的线性工作范围：

输入一个频率为1kHz，幅值可变的正弦信号，使用模拟示波器的X-Y方式，测量电路在线性工作区域内的Uomp-p和Uimp-p值；

③观察二阶低通滤波电路的幅频特性：

用数字信号发生器常规功能，给电路输入一个频率可变，幅值Up-p=200mV的正弦信号，在输出波形不失真情况下，使用数字存储示波器测量电路输出，观测二阶低通滤波电路的幅频特性，找出截止频率f0。

1．实验报告中要求简单描述所做实验的具体步骤，使用仪器的工作特点。

2．对比各种仪器测量得到的幅度、时间和相位差数据，分析各种仪器在测量幅度、时间和相位差时产生误差的可能来源。

3．通过对二阶低通滤波电路幅频特性的测量，总结示波器用于测量电路的动态放大倍数、线性工作范围、通频带的方法。

实验三逻辑分析仪的使用

1．了解逻辑分析仪的原理；

2．掌握逻辑分析仪的使用方法；

3．掌握逻辑分析仪的触发设置；

4．熟练使用逻辑分析仪测量数字信号频率、周期、脉宽；

5．熟练使用逻辑分析仪测量总线数据；

6．熟练使用逻辑分析仪进行SPI测量。

通过测量流水灯实验板为例来说明逻辑分析仪的使用。

流水灯实验板原理图如图9所示。

单片机P89LPC913通过SPI接口控制74HC164，使LED1～LED8亮灭。

图中设置CH0到CH11十二个测量点。

图9流水灯原理图

使用USB电缆连接逻辑分析仪和PC机，打开逻辑分析仪软件，界面如图10所示。

注意观察设备是否在线，只有设备在线才可以正常使用。

接下来分为频率测量、总线测量、测量SPI传输等几个步骤对系统进行测量。

图10逻辑分析仪软件界面

1．频率测量

为了使单片机正常工作，内部RC振荡起振是必须的条件。

使用逻辑分析仪可以很容易的判断振荡电路是否正常。

●步骤1:

用PODA上的任意一根线连接到单片机的晶振频率输出引脚（图9流水灯原理图中的CH0测量点）。

当系统正常时，内部RC振荡起振，通过逻辑分析仪软件的逻辑笔可以观察到如图11所示的现象。

逻辑笔中PODA表示检测到输入通道0有波形在变化，说明内部RC振荡电路已经正常工作。

图11晶振测量结果

●步骤2:

点击菜单中的【设置】->

【总线/信号】，把默认的MyBus0删除，把Mybus1重新命名为XTAL，如图12所示。

图12命名XTAL

●步骤3:

【采样】选项卡，使用默认设置，如图13所示。

图13采样频率设置

●步骤4:

【触发】选项卡，选择【立即触发】，如图14所示，点击【确定】按钮。

图14触发设置

●步骤5:

点击工具栏中的（单次启动）按钮，逻辑分析仪显示对XTAL测量的波形，测量结果如图15所示。

当鼠标放在测量的波形上时，逻辑分析仪软件就自动弹出测量提示。

逻辑分析仪对鼠标所在的高电平进行测量，XTAL高电平时间为140ns。

图15XTAL测量结果

2．总线测量

把逻辑分析仪PODA上的任意八根线，连接到74HC164的Q0～Q7测量引脚CH4～CH11。

点击【设置】->

【总线/信号】，点击【插入】按钮，添加LED测量总线，如图16所示。

点击【确定】按钮。

图16添加LED总线

点击工具栏中的（单次启动）按钮，逻辑分析仪的测量结果如图17所示。

图17XTAL与LED测量结果

因为XTAL的频率比LED频率高得多，难以与LED信号一起观察，为了便于观测LED总线，需要通过【总线/设置】对话框把XTAL信号删除，只保留LED信号，操作方法如以上删除MyBus0。

因为LA1024不具有数据压缩功能，因此对于低频信号的采集，应将采样频率设置为2kHz，如图18所示。

图18更改采样频率

点击工具栏中（单次启动）按钮，进行LED信号的单独测量。

点击工具栏中（缩小到全屏）按钮，逻辑分析仪的测量结果如图19所示。

这次可以看见LED流水灯操作的完整波形了，因为LED是共阳连接，所以当逻辑分析仪测量结果为0时LED亮。

图19LED测量结果

在图19中发现有些数据位上有一些毛刺变化，如图19中红线框住的地方。

把鼠标移到波形变化的地方，按下键盘【Ctrl】按键，鼠标将变成放大镜模式，这时点击鼠标左键为放大，点击鼠标右键为缩小。

连续点击鼠标左键对变化部分进行放大，可以观察到变化的波形的实际情况，如图20所示。

把鼠标指向其中一个毛刺（即窄脉冲）的低电平上，自动提示该窄脉冲宽度为500us，这是使用肉眼观察不到的速度，所以只能看见LED在不断的移动而看不见瞬间移位的过程，使用逻辑分析仪就可以把该过程看得清清楚楚了。

图20鼠标放大镜模式观察毛刺信号

3．SPI测量

完成测量74HC164的输出，接下来对74HC164的输入进行测量。

观察74HC164的输入与输出的关系。

74HC164是串行移位芯片，并不是标准的SPI接口芯片，为了便于观察，驱动LED的74HC164是单片机使用模拟SPI接口进行控制。

P89LPC913的P2.5作为SPI的CLK（时钟信号），P2.3作为SPI的DATO（数据输出信号），当时钟信号为上升沿时传输数据。

P0.6作为SPI输出的CS（片选信号），当CS为低时表示正在传输SPI数据。

把CS、CLK、DATO（分别对应CH1、CH2、CH3引脚）分别连接到PODA上的任意三根线上。

【总线/信号】，添加总线CS、CLK、DATO，如图21所示，点击【确定】按钮。

保持采样频率为2kHz不变。

图21添加SPI总线

点击工具栏中（单次启动）按钮，进行SPI输入与LED信号关系的测量。

测量结束后，点击工具栏中（缩小到全屏）按钮，可以观察到全部测量结果，如图22所示。

图22SPI传输测量全屏

4．设置下降沿触发，观察SPI传输

触发的作用是把用户的目光聚焦到特定的地方，如干扰、控制异常、传输错误等。

逻辑分析仪从触发点开始记录用户关心的数据，因为逻辑分析仪的存储容量有限，而测量的数据又源源不断，所以逻辑分析仪只能根据需要来把某个时刻电路的工作状态记录下来。

能否准确的设置触发点是能否准确的找到异常的关键。

点击菜单栏【设置】->

【触发】来进行设置触发条件。

如需要SPI传输数据时才开始触发，可以选择下降沿触发，使用CS的下降沿来作为触发条件，如图23所示。

图23设置下降沿触发

点击工具栏中（单次启动）按钮，测量结果如图24所示。

图24下降沿触发下的SPI传输

从测量结果可以得出，在CLK的上升沿后芯片把DATO数据更新到LED上。

其中标志及其下方的红线表示触发点位置，触发点为CS的下降沿，与设置相符。

因为LA系列逻辑分析仪具有触发位置设置功能，而触发位置采用默认设置（10%），所以可以观测到部分触发前信号。

具有触发位置调整的逻辑分析仪使用户可以十分方便地观测到触发前和触发后的数据，在调试过程中十分有用。

如根据错误现象来设置触发点，出错时触发逻辑分析记录数据，有触发点设置的逻辑分析仪就可以观测到出错前和出错后的数据，方便分析为什么会出错和出错后系统如何处理。

计算机

LA1024逻辑分析仪

基于P89LPC913单片机控制的流水灯实验板

使用LA1024逻辑分析仪对流水灯实验板（线路图参见图9）进行逻辑分析与测量。

在图中设置了CH0到CH11共十二个测量点。

1．频率测量：

用PODA上的任意一根线连接到单片机的晶振频率输出引脚CH0上，测量其波形和频率（采样频率设置为100MHz）。

2．总线测量：

把PODA上的任意八根线，连接到74HC164的Q0～Q7测量引脚CH4～CH11上，测量LED流水灯操作的完整波形和移位过程（采样频率设置为2kHz）。

并观察每位数据上可能出现的一些毛刺信号。

3．把CS、CLK、DATO（分别对应CH1、CH2、CH3引脚）分别连接到PODA上的任意三根线上，观察74HC164的输入与输出的关系（采样频率设置为2kHz）。

4．选择下降沿触发，使用CS的下降沿来作为触发条件，观察SPI传输与LED的变化关系（采样频率设置为100MHz）。