《电子测量与仪器》实验指导报告册.docx
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《电子测量与仪器》实验指导报告册
电子测量与仪器
实验指导/报告册
（电子信息工程技术、通信技术专业适用）
电子测量与仪器课程组编写
修订日期2012年11月
实验一：
惠氏电桥测电阻
一、实验原理
1.惠斯通电桥的测量原理
如图1所示，由已知阻值的三个电阻R0、R1、R2和一个待测电阻Rx组成一个四边形，每一条边称为电桥的一个臂，在对角A、B之间接入电源E，对角C、D之间接入检流计G。
适当调节R0、R1、R2的阻值，可以使检流计G中无电流流过，即C、D两点的电势相等，电桥的这种状态称为平衡态。
电桥的平衡条件为
（1）
式中比例系数K称为比率或倍率，通常将R1、R2称为比率臂，将R0称为比较臂。
2.电桥的灵敏度
式
（1）是在电桥平衡的条件下推导出来的，而电桥是否达到真正的平衡状态，是由检流计指针是否有可察觉的偏转来判断的。
检流计的灵敏度是有限的，当指针的偏转小于0.1格时，人眼就很难觉察出来。
在电桥平衡时，设某一桥臂的电阻是R，若我们把R改变一个微小量ΔR，电桥就会失去平衡，从而就会有电流流过检流计，如果此电流很小以至于我们未能察觉出检流计指针的偏转，我们就会误认为电桥仍然处于平衡状态。
为了定量表示检流计的误差，我们引入电桥灵敏度的概念，它定义为
（2）
式中，ΔR为电桥平衡后电阻R的微小改变量，Δn为电阻R变化后检流计偏离平衡位置的格数，所以S表示电桥对桥臂电阻相对不平衡值ΔR/R的反应能力。
3.滑线式惠斯通电桥
滑线式惠斯通电桥的构造如图2所示。
A、B、C是装有接线柱的厚铜片（其电阻可以忽略），A、B之间为一根长度为L、截面积和电阻率都均匀的电阻丝。
电阻丝上装有接线柱的滑键可沿电阻丝左右滑动，按下滑键任意触头，此时电阻丝被分成两段，设AD段的长度为L1、电阻为R1，DB的长度为L2、电阻为R2，因此当电桥处于平衡状态时，有
（3）
式中，L1的长度可以从电阻丝下面所附的米尺上读出，R0用一个十进制转盘式电阻箱作为标准电阻使用。
另外电源E串联了一个滑线变阻器RE，对电路起保护、调节作用。
为了消除电阻丝不均匀带来的误差，可用交换R0与Rx的位置重新测量的方法来解决。
也就是在测定Rx之后，保持R1、R2不变（即D点的位置不变），将R0与Rx的位置对调，重新调节R0为
，使电桥达到平衡，则有
（4）
所以
（5）
由式（5）可知，Rx与R1、R2（或L1、L2）无关，它仅取决于R0的准确度。
可以证明当K=R1/R2=1时，电桥的灵敏度最高，由于灵敏度限制而引起的误差最小，显然我们应在此最佳条件下测量。
为此测量时可先将D点放在电阻丝的中间，调节R0的值，使电桥尽量接近平衡，然后再微调D点的位置即可使电桥达到平衡。
4.箱式惠斯通电桥
在面板的左上方是比率臂旋钮（量程变换器），比率臂R1、R2由8个定位电阻串联而成，旋转调节旋钮，可以使倍率K从0.001改变到1000共7个挡，在不同的倍率挡电阻的测量范围和准确度不同，如表1所示。
面板右边是作为比较臂的标准电阻R0，它由4个十进位电阻器转盘组成，最大阻值为9999Ω；检流计安装在比率臂下方，其上有调零旋钮；将待测电阻接在Rx两接线柱之间；“B”是电源的按钮开关，“G”是检流计的按钮开关；使用箱内电源和检流计时应将“外接”短路；当电桥平衡时，待测电阻由式
（1）可得。
5.检流计
检流计是一种可监测微小电流的仪器，在物理实验中常用作指零仪表。
本实验所用AC5/4型直流指针式检流计，使用时需水平放置。
其上装有零位调节器，当指针不指零时可以调回零位。
检流计上标有“+”、“–”两个接线柱，另外还有“电计”及“短路”按钮。
在使用过程中如需将检流计与外电路短时间接通，只要将“电计”按钮按下即可》若在使用过程中检流计指针不停地摆动，将“短路”按钮按下，指针便立刻停止摆动。
二、实验目的
1.了解惠斯通电桥的构造和测量原理。
2.掌握用惠斯通电桥测电阻的方法。
3.了解电桥灵敏度的概念及其对电桥测量准确度的影响。
三、实验仪器及设备
滑线式电桥，箱式电桥，检流计，电阻箱，滑动电阻器，待测电阻，电源，开关，导线等。
四、实验内容、步骤
1.用滑线式惠斯通电桥测电阻
（1）了解滑线式惠斯通电桥的构造及用法。
（2）按图1接好线路，选取电阻箱的阻值R0，使其接近待测电阻Rx的估计值。
（3）选取合适的D点，调整R0的阻值，使电桥处于平衡位置，记录R0和L1的值。
（4）保持D的位置不变，将待测电阻Rx和电阻箱R0的位置互换，重复上述步骤，记录
的值，计算待测电阻Rx的阻值。
Rx=
（5）测量电桥的灵敏度，在电桥平衡后将R0改变ΔR，记录检流计指针偏离平衡位置的格数Δn，计算电桥的灵敏度S。
S=
（6）换一个待测电阻，重复上述步骤。
（7）计算待测电阻的绝对不确定度并表示出测量结果。
Rx=
2.用箱式惠斯通电桥测电阻
（1）根据待测电阻Rx的估计值，确定倍率K=，使R0阻值与倍率K的乘积接近Rx的估计值。
（2）按下“B”、“G”按键，观察检流计指针偏转程度，并逐个调节比较臂的千、百、十、个位读数旋钮，直到检流计准确指零为止。
（3）记录R0（比较臂四个转盘电阻之和）与倍率K的值，求出待测电阻Rx值，并由表1给出测量不确定度。
（4）换一个待测电阻，仿照上述步骤再次测量。
五、实验数据记录
1、滑线式电桥测量电阻Rx：
组数
R3/
Ω
Rx在左边
Rx在右边
原来电源极性
改变电源极性
原来电源极性
改变电源极性
L1/cm
L2/cm
Rx/Ω
L1/cm
L2/cm
Rx/Ω
L1/cm
L2/cm
Rx/Ω
L1/cm
L2/cm
Rx/Ω
1
1000Ω
2
2000Ω
总平均值
2、QJ23型箱式惠斯登电桥测电阻Rx：
电压选择
Rx（标称值）/Ω
R3（Ω）
倍率
Rx（Ω）
仪器不确定度（Ω）
3v
3v
3v
六、实验思考与小结
1、使用电桥时应该怎样保护灵敏电流计？
2、用惠斯登电桥测量电阻时，为什么要将R3，Rx的位置互换？
为什么要改变电源的极性？
3、箱式惠斯登电桥的倍率若选择不当会出现什么问题？
4、实验误差分析
指导老师签字：
实验日期：
实验二：
直流、交流电压测量
一、实验原理
直流稳压电源是用来提供直流电压的电源设备，在电网电压或负载变化时，能保持其输出基本稳定。
直流稳压电源的内阻非常小，在其工作范围内，直流稳压电源的输出特性接近于理想电压源。
用数字显示测量电参量数值的万用表叫数字万用表，它的测量原理与指针式万用表完全不同，从而结构和使用方法也不一样。
它具有很高灵敏度和准确度，显示清晰直观，性能稳定，过载能力强，便于携带的特点。
1．直流电压测量
①将黑表笔插入“COM”插孔，红表笔插入“V/Ω/Hz”插孔。
②将量程开关转至相应的DCA量程上，然后将测试表笔跨接在被测电路上，红表笔所接的该点电压与极性显示在屏幕上。
2．交流电压测量
①将黑表笔插入“COM”插孔，红表笔插入“V/Ω/Hz”插孔。
②将量程开关转至相应的ACV量程上，然后将测试表笔跨接在被测电路上。
3．直流电流测量
①将黑表笔插入“COM”插孔，红表笔插入“mA”插孔中（最大为200mA），或红表笔插入“20A”插孔中（最大为20A）。
②将量程开关转至相应的DCA量程上，然后将仪表串入被测电路中，被测电流值及红表笔点的电流极性将同时显示在屏幕上。
4．交流电流测量
①将黑表笔插入“COM”插孔，红表笔插入“mA”插孔中（最大为200mA），或红表笔插入“20A”插孔中（最大为20A）。
②将量程开关转至相应的ACA量程上，然后将仪表串入被测电路中。
5．电阻测量
①将黑表笔插入“COM”插孔，红表笔插入“V/Ω/Hz”插孔。
②将量程开关转至相应的电阻量程上，将两表笔跨接在被测电阻上。
二、实验目的
1．熟悉可调直流稳压电源的使用
2．用数字万用表测量直流电压、直流电流
3．根据电路图正确搭接电路
三、实验仪器及设备
序号
名称及型号
数量
序号
名称及型号
数量
1
数字万用表VC9807A+
1块
2
直流稳压电源YB1731
1台
3
实验电路板
1块
四、实验内容、步骤及数据记录
图2-1简单直流电路
（1）测量电路中R1和R2的实际阻值，并记录。
R1=_______Ω，R2=________Ω
（2）按图2-1连接电路
（3）调整直流稳压电源的输出电压为9V。
（用万用表测量）
（4）用数字万用表直流电压档测量US、U1和U2的电压，直流电流档量电路中的电流I，填入下表中。
U1（V）
U2（V）
I（mA）
测量值
计算值
误差（%）
五、实验思考及小结
1．将测量结果与理论计算进行比较，分析误差原因
2．总结数字万用表测量直流电流的步骤
指导教师（签名）：
实验成绩：
实验三：
示波器测量技术
一、实验原理
示波器是最常用的测试仪器之一，它可将电信号波形形象而直观地显示在荧光屏上。
利用示波器，可以测量信号的幅值、瞬时值、频率、周期、相位和脉冲信号的宽度、上升时间、下降时间等参量。
通过传感器，还能测量各种非电量，如温度、压力、振动、冲击、距离、热、光、声音和磁效应等。
双路示波器主要调节机构名称及功能介绍
1．电源开关（MainPower）按入为打开电源，弹出为关上电源。
2．辉度（Intensity）控制光迹扫描线的亮度
3．聚焦（Focus）控制光迹扫描线条的聚焦，使之清晰
4．光迹旋转（TraceRotation）
5．通道输入选择开关（AC-GND-DCSwitch）
控制输入信号通过耦合电容（AC方式）接Y放大器，或直接（DC方式）接到Y放大器，或对地短路为零输入（GND方式）。
6．Y轴位移（YPosition）X轴位移（XPosition）
分别控制光迹在垂直方向和水平方向的移动
7．Y轴量程（VerticalRange）与Y轴增益（VerticalGain）
Y轴量程（也称Y系统偏转因数）选择开关与Y轴增益旋钮套装在一起。
中间为增益旋钮，外部为量程开关。
定量测量输入信号电压值时，按Y轴输入信号的幅度选择量程。
示波器屏幕上垂直方向共分为10大格，开关位置所标电压值定义为每格显示的电压值。
（Vols/Div,orVoltsperDivision）上述定义只有在增益旋钮顺时针旋到底时才成立。
8．X轴量程（HorizontalRange）X轴细调（XVariable）
X轴量程（也称X轴扫描因数）开关用来选择X扫描时基。
当X轴细调旋钮顺时针旋到底时，X轴量程开关位置所标数值定义为屏幕上水平方向每格显示的时间，量纲单位为mS或µS。
据此可根据显示的信号波形读出信号周期，换算出信号频率。
9．触发电平（TriggerLevel）
调节X扫描电路，使之与所测信号同步（被测信号的频率是X扫描频率的整数倍）。
使屏幕显示波形稳定。
10．触发源选择开关（TriggerSource）
一般选择通常（Normal），或自动（Auto）
二、实验目的
1．了解示波器的组成框图及工作原理
2．掌握示波器各控制开关和旋钮的意义和功能。
学会示波器的一般使用方法，
3．学会用示波器测量直流电压和交流电压
4．学会用示波器观察信号波形和测量信号频率
5.学会测量矩形波上升时间和下降时间的方法
6．了解示波器的X—Y法应用
三、实验仪器及设备
1．双踪示波器
2．函数信号发生器
3．双路直流稳压电源
4．数字万用表
5．晶体管毫伏表
6．NF2000数字频率计数器
7.CBB22-50V-104电容
8．CBB22-50V-103电容
9．RT14-1KΩ电阻
10．RT14-10KΩ电阻
四、实验内容、步骤以及数据记录
1．对照说明书，熟习实验所用示波器各主要开关和旋钮的位置。
2．对照说明书，把该示波器主要技术指标填入表3-1中。
表3-1主要技术指标
Y轴频带宽度
Y轴偏转因数
Y轴输入阻抗
Y轴最大允许输入电压
X轴偏转因数
X扫描线性误差
3．用示波器测量直流电压
测量直流电压只需一个Y通道，选用通道CH1,把相应开关置于CH1的位置，输入电缆接到CH1的Y轴插口上
1）调节参考零点光迹位置。
CH1的通道输入选择开关置GND位置，Y轴增益旋钮顺时针旋到底。
调节Y轴位移旋钮，使光迹与屏幕上底部刻度线对齐。
底部即为零电压位置。
2）用示波器测量直流稳压电源输出的电压
通道选择开关置DC位置，用示波器和万用表分别测量表4-2所列稳压电源的输出电压值，测量结果填入表3-2中。
表3-2示波器和万用表对直流电压测量结果的比较
直流稳压电源输出电压
0.5V
1V
2.5V
5V
10V
15V
用示波器测量的电压值
用万用表测量的电压值
3．用示波器测量交流电压
1）通道选择开关置AC位置，用Y轴位移把光迹调到屏幕中央。
2）X轴量程开关置0.5mS/Div档。
3）函数信号发生器产生1KHz的正弦信号
4）信号发生器输出电缆接示波器Y轴输入电缆，调节触发电平旋钮（Trigger），使示波器显示波形稳定。
5）用示波器和晶体管毫伏表分别测量表3-3所列信号幅度的函数信号发生器的输出电压幅度，并比较测量结果。
6）注意示波器Y轴量程开关必须和输入信号幅度相当，Y轴增益旋钮必须顺时针旋到底。
表3-3示波器和晶体管毫伏表对交流电压测量结果的比较
信号发生器输出电压有效值
50mV
100mV
500mV
1V
用毫伏表测量的电压有效值
换算毫伏表测量的峰-峰值
用示波器测量的电压峰-峰值
5．用示波器测量交流信号频率
1）把函数信号发生器输出电压调到100mV。
产生表3-4所列信号频率的正弦信号。
2）示波器Y轴量程开关置50mV/Div。
3）用频率计数器和示波器分别测量以上信号的频率。
把结果填入表4-4中。
4）注意用示波器测量时，选择的X轴量程应和信号周期相当，一般为信号频率的1/2—1/3。
同时应调节触发电平（Trigger）旋钮，使波形稳定。
表3-4用频率计数器和示波器测量交流信号频率的结果比较
信号发生器输出信号的频率
500Hz
1KHz
5KHz
10KHz
用频率计数器测量的信号频率
用示波器测量的信号周期（T）
换算的信号频率f=1/T
6．用示波器观察非正弦波信号的波形并记录其波形。
1）用函数信号发生器分别产生矩形波和三角波。
幅度和频率任意，记录其值。
2）用示波器观察矩形波的波形，画出其波形，说明为什么上升沿和下降沿亮度几乎看不到？
3）用示波器观察三角波的波形，试测量三角波的周期和幅度，记录其波形并标出周期和幅度值。
4）试根据测量结果计算三角波信号的有效值为。
7.用示波器测量脉冲信号的上升时间和下降时间。
1）用函数信号发生器产生频率为20KHz的矩形波脉冲信号。
图3-1低通滤波电路
2）按图3-1连接电阻和电容，组成一个低通网络。
3）因为函数信号发生器输出的脉冲信号上升时间较小，不易测量，所以把脉冲信号通过低通网络后送到示波器测量，以加大脉冲信号的上升时间，便以测量。
4）调节示波器X轴的偏转因素选择开关，尽量使屏幕上突出显示脉冲的上升沿部分或下降沿部分。
并配合使用X轴位移旋钮，使对应上升沿10%（或下降沿90%）高度处的测量点对齐X轴的某个刻度线，然后读出对应上升沿90%（或下降沿10%）高度处另一测量点到上一测量点的相对时间值。
该相对时间值便是所测脉冲的上升时间（或下降时间）。
读数等于刻度个数乘上X轴偏转因数。
5）注意以上操作只有在X轴细调（Variable）旋钮顺时针旋到底后读数才是正确的。
8．用双踪法测量两个信号的相位差
1）先用信号发生器产生一个频率为20KHz的幅度为1V的正弦信号。
2）再按图3-2连接电阻和电容，组成一个阻容延迟网络。
信号发生器输出信号一路直接作为信号1送入示波器CH1通道，另一路通过阻容延迟网络后作为信号2送入示波器CH2通道。
由于信号2通过延迟网络，所以信号2比信号1在时间上要延迟，两个信号之间存在着相位差。
图3-2阻容延迟网络
3）用示波器测量频率相同的两个信号之间的相位差
示波器置交替工作状态，调节X轴偏转因数选择开关（也称X轴扫描速度选择开关），对20KHz的信号频率，可置于10µS/Div档，调节触发电平（Trigger）旋钮，使显示的两个波形稳定。
分别调节CH1和CH2两个Y轴位移旋钮，使两个波形的扫描时基线重合，在屏幕上可看到一前一后两个正弦波。
测量信号周期T，并测量两个信号之间的时间延迟量ΔT。
按下式计算两个信号的相位差φ。
φ=360∘×ΔT/T
4）把屏幕显示的波形和测量结果画成图。
思考一下：
在上述测量过程中，X轴细调（Variable）旋钮是否一定要按测量要求顺时针旋到底？
如放在任意位置，对测量结果是否有影响？
为什么？
9．示波器的X—Y应用和椭圆法测量相位差
1）示波器的X—Y应用，是指两个信号分别从X通道和Y通道送入示波器，示波器内部X振荡器不用，靠外接被测量信号之一来驱动电子束作水平方向的扫描。
所以此时光迹在水平方向的扫描反映了接在X通道的被测量信号的规律。
而屏幕上显示的光迹图形和两个被测信号的参数都有关。
示波器的X—Y法可用来测量未知信号的频率，其测量依据是李沙育图形（LissajousPatterns）。
示波器的X—Y法也可应用于相位差的测量，这就是椭圆法测量相位差。
2）先把辉度旋钮调小，使得刚能看到光迹，然后把X偏转因数选择开关（X扫速开关）置于X-Y档。
此时屏幕上只有一个亮点。
注意此时不能把辉度开大，以免能量集中灼伤荧光屏。
调节Y轴位移和X轴位移旋钮，使光点在屏幕中央刻度线原点。
3）按照上述步骤2产生同频率的两个信号，分别送到X输入插口和Y输入插口（选CH1或CH2都可）。
示波器Y轴工作模式开关从交替工作模式改为相应的CH1或CH2。
3）分别调节Y轴增益旋钮（Variable）和X轴细调旋钮（Variable），使两个信号的幅度相同，此时屏幕上将显示一个斜椭圆。
4）测量椭圆交Y轴的交点高度h1和椭圆最高点的高度h2。
两个信号的相位差φ按照下式计算：
φ=sin-1h1/h2
5）把屏幕显示的图形和测量结果画成图，比较一下两种方法的测量结果是否相同？
如有误差，则分析误差原因，你认为哪种测量方法准度（Accuracy）较高？
哪种方法精度（Prisition）较高？
五、实验思考与小结
1．分析影响示波器测量直流电压的误差主要因素是什么？
2．并说明影响示波器测量交流信号频率误差的主要因素是什么？
指导教师（签名）：
实验成绩：
实验四：
频率特性测试仪的使用
一、实验原理
频率特性测试仪的组成单元和工作原理
1．频率特性测试仪实际是由扫频信号发生器和专用示波器组合而成。
所以也把它称为扫频仪。
用来测量被测网络的幅频特性。
它的主要组成单元为扫频信号发生器，频标发生器，显示单元。
2．扫频信号发生器产生的信号其频率随时间扫动变化即“扫频”。
发出的信号其频率从起始频率fL由低到高变到终止频率fH，再返回起始频率重复扫频过程。
扫频一次的周期为20mS。
扫频频率为50Hz。
起始频率和终止频率由扫频宽度和扫频中心两个旋钮来调节。
扫频宽度BW定义为终止频率和起始频率之差，有BW=fH-fL。
扫频中心频率则为扫频范围的中点，由于扫频信号的频率是随时间线性改变的，所以扫频中心频率fC=（fH-fL）/2。
确定了BW和fC，也就确定了起始频率fL和终止频率fH。
扫频信号的输出端设有1个最大可达70dB的衰减器。
可任意组合使用，以定量调节扫频信号的输出幅度。
3．由于扫频信号频率是变化的，其扫频周期和显示示波器的光迹扫描周期相同并同步。
所以在显示屏幕上显示光迹的水平坐标代表信号的频率。
高度即反映了被测网络对不同频率的响应。
但由于扫频宽度及中心频率的不同，光迹水平坐标表示的频率值也不同，这样就无法从屏幕上读出具体的频率值。
必须在产生扫频信号的同时，再产生一组频率刻度标记，叠加在扫频信号上。
显示示波器在显示光迹时，也同时显示这些频标，这样有了这些频率刻度标记，就可以读出光迹上任意点处水平坐标的频率值。
4．频标发生单元产生频率标记信号，并叠加在扫频信号上。
频率标记有三种选择方式：
1）1MHz/10MHz同时产生1MHz和10MHz的刻度标记，即每隔1MHz和每隔10MHz有一个频标。
1MHz为小频标，10MHz为大频标。
2）50MHz只产生50MHz的刻度标记，以便较易找到频率零点。
根据零点，才能确定刻度标记处的频率。
3）外接频标由外接频标输入插口送入特定的频标
5．显示单元，为一个专用示波器，其X轴偏转因数固定为扫频周期不能调节，也不需要触发电平调节。
Y轴的使用同通用示波器，但Y轴量程只有×1，×10，×100三档。
二、实验目的
1．了解频率特性测试仪的组成框图和工作原理
2．了解频率特性测试仪与被测网络的连接方法
3．学会频率特性测试仪扫频宽度和扫频中心频率的调节
4．掌握频率标记的使用和读取
5．学会对放大电路幅频特性的测量
三、实验仪器
1．BT3-GⅡ频率特性测试仪
2．双路直流稳压电源
3．黑白电视机机芯
五．实验内容、步骤及数据记录
1．扫频信号扫频范围的调节
把BT3G-II的扫频输出调到起始频率f1为30MHz，扫频宽度为10MHz。
1）把扫频宽度调到最大（顺时针到底），然后调中心频率，观察显示器先找到零标记（与其他频率标记不同），然后从零标记开始向右找第三个10MHz频率标记，该标记处即为30MHz的频率。
同理，第四个频率标记处即为40MHz的频率。
2）再调小扫频宽度，使得第三个频率标记和第四个标记之间的距离拉开，以便观察。
在此过程中，还需不时调节中心频率，使30MHz和40MHz的频标都不跑出屏幕。
直到30MHz频标在显示屏最左，40MHz频标在最右。
2．测量电视机中放电路的幅频特性
1）按图4-1在实验机芯上找到中放电路输入端和输出端，并找到中放电路的电源和接地端。
然后按图4-2连接频率特性测试仪和实验机芯。
检查无误后，把直流稳压电源调到11.5V，
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