电子测量技术实验指导书.docx
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电子测量技术实验指导书
电子测量技术实验指导书
龚卫民姜淑香编著
山东科技大学
信息与电气工程学院
2006年11月
1
第一章电压和电流的测量------------------------------------------------------2§1-1概述------------------------------------------------------------------------2§1-2示波器与被测信号的连接-----------------------------------------------2§1-3Y轴偏转灵敏度的测定--------------------------------------------------3§1-4交流电压的测量---------------------------------------7实验一:
用示波器测量交流电压--------------------------------9实验二:
用示波器测量直流电压--------------------------------9§1-5用测试电阻器的电流测量=-----------------------------10实验三:
用示波器测量电流-----------------------------------11第二章时间和频率的测量------------------------------------11§2-1概述------------------------------------------------------------------------11§2-2时间的测量------------------------------------------11实验四:
用示波器测量信号的时间-----------------------------15实验五:
用示波器测量脉冲的上升沿和下降沿时间,以及脉冲宽度---------------------------------------------------15§2-3频率测量--------------------------------------------16实验六:
用李沙育图形测量信号频率---------------------------19第三章相位测量--------------------------------------------19§3-1概述------------------------------------------------------------------------19§3-2相位测量--------------------------------------------20实验七:
用示波器测量移相电路的相位差-----------------------21
2
实验一基本电参量的测量
一、实验目的
1.掌握常用电子测量仪器的使用方法;
2.掌握电压电流等基本电参量的不同测量方法。
二、实验仪器设备
双踪示波器;信号发生器;直流稳压电源;标准电阻。
三、实验原理
1、概述
示波器能把非常抽象的,眼睛看不到的电过程,变换成具体的看得见的图像。
因此,使用示波器测量电压和电流时,可在显示被测电压或电流幅值的同时,还可显示波形、频率、相位。
这是其它电压测量仪表,如电压表等无法做到的。
一般电压表的读数与被测电压波形有关,而用示波器测量时,其精度可不受被测电压和电流波形形状的影响。
另外,示波器的响应速度极快,也没有指针式仪表所具有的惯性。
但是,示波器作定量测试时,测试值是以屏面上波形幅值所占的垂直刻度值乘Y轴偏转灵敏度得出的,而屏面上波形幅值所占的垂直刻度值将受到光迹宽度、视差及示波器固有误差和工作误差等因素的影响,往往不易精确读出测试值,这就决定了示波器的测试精度不可能太高。
2、示波器与被测信号的连接
要获得正确的测量结果,示波器与被测信号的正确连接十分重要。
选择连接形式时,应考虑以下几个因素:
1、被测信号输出端的等效输出阻抗;
2、被测信号的频率与幅度;
3、外部噪声大小;
4、测试点的距离。
3
㈠被测信号频率较低时的连接
测量低频信号时,可采用探头。
如果信号幅度较小,用
10:
1探头灵敏度太低时,可直接用屏蔽线连接示波器Y轴输入端与测试点。
㈡被测信号频率较高时的连接
测量高信号时,用探头要比用屏蔽线或普通电缆失真小,精度高,但测试距离受探头电缆长度的限制,灵敏度因探头的衰减比而有所下降。
一般高频测量时,可采用同轴电缆,当同轴电缆特性阻抗与被测信号源输出阻抗及示波器输出阻抗相匹配时,可保证高频信号不失真。
应特别注意,对输出阻抗高的信号源作远距离测量时,最好采用分压器或射极跟随器等电路,将输出阻抗降低到与连接电缆特性阻抗相等的值,再经连接电缆引至示波器进行测量。
§1-3Y轴偏转灵敏度的测定-
当用示波器定量测试电压时,必须先测定Y轴的偏转灵敏度。
一些示波器给出了Y轴偏转灵敏度:
当其Y轴灵敏度（v/cm开关的“微调”旋钮处于“标准”位置时,“v/cm”开关各档的指示值为标准值,其读书读数即为Y轴的偏转灵敏度。
但当“微调”不在“标准”位置,而又要作定量测量时,就需要测定Y轴偏转灵敏度。
另一些示波器,它的Y轴偏转灵敏度本来就没有给出,作定量测试前,必须先测定Y轴偏转灵敏度。
测定示波器Y轴的偏转灵敏度可用示波器内部的比较讯号或内部的方波标准信号发生器。
若没有内部标准信号发生器,则可用幅度已知的外接直流或交流电源作标准,接到Y轴输入端去测定Y轴偏转灵敏度。
㈠、用内部比较讯号测定Y轴偏转灵敏度
计算公式:
4
5（轴衰减”指示标。
“示波的垂直偏转值
“比较讯号”指示值轴偏转灵敏度YcmvY⋅=/（1-1
[例1]示波在屏面上的垂直偏转距离为2.5cm（见图1-1比较讯号置于0.05V档,“Y轴衰减”置于“1”位置。
则:
。
轴偏转灵敏度（cmmvcmvcm
VcmvY/20/02.015.205.0/==⋅=
㈡用内部标准信号测定Y轴偏转灵敏度
接线图如图1-2所示。
计算公式:
（（（
cmvcmvY标准信号显示幅度标准信号电压峰峰值轴偏转灵敏度=/（（（cmcmvYv待测两点的垂直距离轴偏转灵敏度被测信号电压⋅=/
[例2],当示波器用10:
1探头进行测量时,屏面上显示的被测信号峰峰间的垂直距离为3cm;不改变“v/cm”开关及“微调”旋钮的位置,并用同一探头接入10v标准信号时,屏面上显示的标准信号幅度（峰峰值为2cm,则示波器带有探头时:
（cmvcmvcmvY/5210/==
轴偏转灵敏度图1-1“比较讯号”测定
Y轴偏转灵敏度
图1-2标准信号测量Y轴偏转灵敏度
6（（vcmcmvv153/5=⋅=被测信号电压
㈢用外接直流电源测定Y轴偏转灵敏度接线图:
如图1-3所示。
计算公式:
（屏面上直线的垂直距离
直流电源输出电压
轴偏转灵敏度=
cmvY/
（（（cmcmvYv被测信号电压幅度轴偏转灵敏度被测信号电压⋅=/
应注意:
被测信号波形在基准线上方时,被测信号电压为正;被测信号波形在基准线下方时,被测信号电压为负。
[例3]、测量结果如图1-4所示。
用10:
1探头接入10v直流电压时,扫描垂直偏转距离为2cm,则示波器带有探头时:
（cmvcm
v
cmvY/5210/==
轴偏转灵敏度（（vcmcmvv255/5=⋅=锯齿波幅度
㈣用外接交流电源测定Y轴偏转灵敏度
图1-3外接直流电源测定Y
轴偏转灵敏度
图1-4锯齿波电压的测量
7
接线图:
如图1-5所示。
当示波器内部没有标准信号发生器,Y轴频率下限又不是直流时,可以用用外接交流电源测定Y轴偏转灵敏度。
对交流电源的要求,其精度应高于示波器精度,输出电压幅度可调且具有精确的指示器。
标准信号的交流电源峰峰值,一般采用整数倍:
如可取80mv,200mv,
400mv等数值,当显示幅度为4cm,则灵敏度分别为20mv/cm,50mv/cm,100mv/cm。
[例4]、外接交流电源的输出电压峰峰值为800mv,波形幅度为4cm,如图1-5（b所示,则“Y轴衰减”在“1”及“100”档时的灵敏度分别为:
“Y轴衰减”在“1”档时:
Y轴偏转灵敏度（v/cmcmmvcm
mv
/20014800=⋅=
“Y轴衰减”在“100”档时:
Y轴偏转灵敏度（v/cmcmvcm
mv
/201004800=⋅=
§1-4交流电压的测量
用示波器测量交流电压时,一般是测量交流电压波形的峰峰值或某两
点间的电位差值。
其测量结果经过计算得出:
屏面上被测两点间的垂直距离乘以Y轴偏转灵敏度（使用探头时,应乘以探头的衰减系数,即为被测两点间的电位差。
（a
（b图1-5外接交流电源测定Y轴偏转灵敏度
8
计算公
式:
（轴衰减”指示值。
“
示波垂直偏转距离
“比数信号”指示值
轴偏转灵敏度YcmvY⋅=/（（（cmvYcmv/轴偏转灵敏度被测两点间垂直距离被测两点电位差⋅=
探头衰减系数×
[例5]、“Y轴衰减”置于“10”档,用10:
1探头测试,屏面上显示的被测信号波形如图1-6（a所示,测得Y轴偏转灵敏度为0.5v/cm,则:
被测信号峰峰电压=3.6cm×0.5v/cm×10=1.8v
[例6]、屏面上显示的被测信号波形如图1-6（b所示,其它条件同例5,则A、B两点间电位差=2cm×0.5v/cm×10=10v。
表1-1
图1-7正弦波的平均值,有效值,峰值和峰峰值之间的换算
（a（b
图1-6交流电压的测量
9
如果被测电压为正弦波,如图1-7所示。
则可在测得峰峰值后按表
1-1换算成峰值、有效值或平均值。
实验一:
用示波器测量电压
一、实验目的
1.熟练掌握示波器的使用方法;
2.用示波器测试各种交流波形信号和直流信号电压的幅度。
二、实验仪器
示波器一台信号发生器一台直流稳压电源一台三、实验任务
1.利用直流稳压电源自行设计测试直流信号,从示波器上观测信号波
形,并计算其幅值;
2.利用信号发生器自行设计交流测试信号（包括正弦波、三角波、矩形
波和方波等,从示波器观测信号波形,并计算信号的峰值和有效值四、预习要求
1.复习示波器的工作原理。
2.复习交流电压峰值和有效值的计算方法。
换算已知数
平均值
有效值
峰值
峰峰值
平均值—1.111.571.274有效值0.9
—
1.414
2.828
峰值0.6370.707—2峰峰值
0.31850.35350.5
—
103.自拟实验数据表格。
五、报告要求1.列出实验步骤2.整理实验数据3.分析实验产生的误差4.实验心得体会
§1-5用测试电阻器的电流测量
用一只精度高、阻值已知的无感电阻器来测量电流,如图1-8所示。
⑴测量直流时:
用欧姆定律I=U/R换算成被测电流值。
⑵测量正弦交流时:
例:
设在1Ω测试电阻器两端测得压降峰峰值为:
10V,则:
（A
A51210
2===测试电阻值
电源峰峰值被测电流峰值
（AA535.32
52
===
电流峰值
被测电流有效值
⑶测量非正弦波形时:
（（
2
2
直流分量交流分量有效值总电流有效值−=
实验二:
用示波器测量电流
一、实验目的
1.熟练掌握示波器的使用方法;
2.用示波器测试正弦交流电流和直流电流的波形和幅度。
二、实验仪器
1-8用无感电阻测量电流
示波器一台
信号发生器一台
直流稳压电源一台
标准电阻一只
三、实验任务
1.利用直流稳压电源自行设计测试直流信号,从示波器上观测流过标
准电阻的电流波形,并计算其幅值;
2.利用信号发生器设计不同幅度的正弦交流测试信号,从示波器观测
流过标准电阻的电流波形,并计算电流的峰值和有效值。
四、预习要求
1.复习示波器的工作原理。
2.复习电流的有关知识。
3.自拟实验数据表格。
五、报告要求
1.列出实验步骤
2.整理实验数据
3.分析实验产生的误差
4.实验心得体会
六、思考题
1.若电路中采用的电阻为非线性电阻元件,从示波器上将会看到什么
样的图形?
2.当用数字式万用表直接测量直流电流时,标准电阻的阻值大小对电
路工作状态有影响吗?
第一章时间和频率的测量
§2-1概述
11
12示波器是测量电压和电流的时间和频率的理想仪器。
如果水平扫描是
直接以时间校准的,则在测量电压时,可直接在荧光屏上读出其对应的时间值;测量频率时,可先读出被测波形中一个完整周期的时间间隔,再按频率是周期倒数的关系,算出频率来。
如果水平扫描不是直接以时间校准的,则不利用李沙育图形进行准确的频率和时间测量。
本章叙述交流信号,脉冲和示波信号的时间和频率的测量方法。
§2-2时间的测量
当示波器水平扫描速度开关微调在标准位置时,扫描开关各档的刻度
值,表示荧光屏上水平刻度所代表的时间值。
因此,示波器不仅可用于显示示波器,而且可用于直接测得整个波形（或波形任何部分的时间。
㈠示波器测量交流电压的周期
用示波器测量交流电压的周期,如图2-1所示。
[例2-1]、测得如图2-1（b所示波形上对应两点间的水平距离为5cm,“扫描时间”旋钮的指示值为0.1μs/cm,则被测波形周期为:
scmcms……5.05/1.0=⋅=⁄
（a（b（c
图2-1周期测量
被测信号
13
若用“时标”开关进行精确的测量时,可将“时标”旋钮适当位置,
使被测波形上出现清晰可数的亮点（如图2-1c所示,用以计算被测波形的周期。
[例2-2]、测得波形一个周期内的两点为14点,“时标”在10档,则被测波形周期为:
ss……1401410=⋅=⁄
计算亮点时,应以一亮点的起始点到下一亮点作为一个亮点。
测量时,应:
如图2-1（c所示,调节“X轴移位”旋钮,使被测部分起点与某一亮点的起始点重合。
假如此时被测部分终点未落在第h+1个亮点的起始点上,则应用小数表示最后一个亮点的值,才能得到精确的测量结果。
㈡时间间隔测量
用示波器测量如图2-2所示,波形中两点的时间间隔T时,可用上述方法测量。
（三、用示波器测量两信号的时间差
图2-3（a为示波器测量两信号时间差的接线图。
[例2-3]、如示波器垂直工作方式开关在“交替”位置,在屏面上测得两信号距离为5cm,如图2-3（b所示,“t/cm”开关在0.5μs/cm档,则:
图2-2测量波形中两点的时间间隔
图2-3时间差测量
被测信号
B
14scmcmsT……5.25/5.0=⋅=时间差
（四、用示波器测量脉冲上升沿或下降沿时间和脉冲宽度⑴脉冲上升或下降时间测量
调节水平“位移”,使脉冲上端10%处与垂直中心线相交,如图2-4所示,即可在水平中心线上读出时间t1（t=扫描速度开关“t/cm”的指示值×水平距离。
调节水平“位移”,使脉冲下端幅度10%处与垂直中心线相交,如图2-4所示,即可在水平中心线上读出时间t2。
将时间t1和t2相加,即为脉冲的视在的上升时间。
[例2-4]、测得:
t1=0.9cm×0.05μs/cm=0.045μs
t2=0.9cm×0.05μs/cm=0.045μs
则脉冲上升时间为:
t=t1+t2=0.045+0.045=0.09μs⑵脉冲宽度的测量
调节垂直“位移”,使脉冲波形幅度的中点处在水平中心处,读出前沿和后沿与水平中心线交点间的距离,即前沿中点至后沿中点间的距离.用测得的水平距离乘以“t/cm”开关的指示值,即为被测脉冲宽度。
[例2-5]、测得图2-5所示的距离为7cm,“t/cm”开关在0.5μs/cm
图2-4脉冲上升（或下降
时间测量
90%
10%
图2-5脉冲宽度测量
档,则脉冲宽度为:
7cm×0.5μs/cm=3.5μs
若用“时标”测量脉冲宽度时,调节“时标”开关,使波形上出现清晰可数的亮点。
则脉冲宽度=前沿中点至后沿中点的亮点数ד时标”开关指示值。
实验三:
用示波器测量信号的时间
一、实验目的
1.掌握用示波器测量周期的方法;
2.用示波器测量时间间隔的方法。
二、实验仪器
双踪示波器一台
信号发生器一台
555定时器多谐振荡器电路一块
三、实验任务
1.用示波器测量正弦交流信号的周期
2.用示波器测量时间间隔和脉冲宽度
3.用示波器测量脉冲上升（或下降时间
4.用示波器测量两脉冲信号的时间差
四、预习要求
1.复习脉冲宽度,上升时间、下降时间的定义及计算方法。
2.复习双踪示波器的应用
五、报告要求
15
161.列出实验步骤
2.整理实验数据
3.分析实验产生的误差
4.实验心得体会
六、思考题
1.用示波器测量交流信号的周期时,如何才能保证其测量精度?
2.请在实验中试着用手去摸示波器的输入探头,在示波器上看到的是
什么信号的波形?
为什么会看到这个波形?
§2-3频率测量
㈠利用时间测量法确定频率周期性重复波形的频率测量与周期测量在原理上完全相同,按信号频率为周期倒数的关系,首先测得周期,然后用1除以周期即为频率。
测试步骤和测周期完全相同。
计算举例:
测得周期在屏面上的距离为8cm,扫描速度为0.1μs/cm,且无扩展,则:
扩展倍数扫描速度水平距离周期⋅=sT…8.011.08=⋅=
代入已知值得:
HZTf125010
8.0113=⋅==则频率:
㈡用李沙育图形测量频率几乎任何一种示波器均可用李沙育图形进行准确的频率测量。
测量时,内扫描发生器不工作,但水平放大器应接入经校准、频率可变的标准信号,此信号可由标准频率信号源供给,图2-6为用李沙育图形测量频率的接线图。
17
利用李沙育图形测量频率时,通常是将被测信号接入垂直放大器,将频率已知的标准信号接入水平放大器进行比较测量,调节信号源频率使示波器屏面上显示图形呈圆形或椭圆形,则表明信号的频率与信号频率相同但相位不一致;当信号源可调频率范围过小,以致不能调至被测信号的准确频率时,可将信号源频率调至成被测信号频率的倍数或约数,即只有当
为整数时
nmnmffxy,（:
:
荧光屏上才会出现稳定的闭环图形,图2-7为不同频率比和不同相位差时的Lissajous图形,如果能从这些图形确定比值m/n,而标准信号源的频率又是已知的,就可算出被测信号频率
xyfn
mf下面分析如何确定m,n的数值:
nmffxy:
:
时显示稳定图形,
说明在相同的时间内垂直通道的信号uy（t改变m个周期,水平通道的信号ux（t则恰好改变n个周期。
因为信
号每改变一个周期必须与轴线相交两次,也就是uy（t应与水平X轴相交
2m次,而ux（t应与Y轴相交2n次,因而荧光屏上显示的图形应与X轴
相交2m个交点,与Y轴有2n个交点,所以只要从显示的Lissajous图形上输出这些交点,即可决定两信号的频率比,具体的做法是,在Lissajous
图2—6用李沙育图形测频率
18图形上分别作两条不通过图形本身的交点,也不与图形相切的水平线和垂直线,数出图形与水平线的交点即2m,与垂直线的交点即为2n,如图b第一个图所示2:
1:
:
nmffxy
由于这种方法采用的是频率比,因而它的测量准确度取决于标准信号源的准确度和稳定性,这种方法一般适用于被测频率和标准频率十分稳定的低频信号,而且一般要求两频率比最大不超过10倍,否则图形过于复杂而难以测准。
（c标准信号频率低于被测信号频率时的李沙育图形
图2-7用李沙育图形测量频率
（a频率相同时的李沙育图形30°或330°90°或270°（b标准信号频率高于被测信号频率时的李沙育图形
2-7（a是频率相同而相位不同时的李沙育图形
图2-7（b所示的李沙育图形是当水平放大器接入的标准信号频率为垂直放大器接入的被测信号频率的倍数时,图形与水平轴的交点多于与垂直轴的交点。
例如,标准信号频率为被测信号频率的三倍时,图形有三个与水平轴的交点和一个与垂直轴的交点,如标准信号频率为300HZ,则被测信号频率就是100HZ。
又如,图形有三个与水平轴的交点和两个与垂直轴的交点,则被测信号频率即为标准信号频率的三分之二。
图2-7（c所示的李沙育图形是当水平放大器接入的标准信号频率为垂直放大器接入的被测信号频率的约数时,图形中的水平交点多于垂直交点点。
例如,标准信号频率为被测信号频率的四分之一时,图形有四个水平交点和一个垂直交点,如标准信号频率为100HZ,则被测信号频率就是400HZ。
在实际操作中,应尽量采用圆形图形。
如不能做到这一点,则应尽可能减少闭环数量,以便于测量。
实验四:
用李沙育图形测量信号频率
一、实验目的
1.掌握用示波器测量频率的方法;
2.熟练掌握Lissajous方法。
二、实验仪器
示波器一台
标准信号源两台
三、实验任务
1.用示波器测量正弦信号的频率。
2.自行设定不同频率的被测信号,用示波器观察标准信号源和被测信
号在不同整数倍和不同约数时的李沙育图形。
19
四、预习要求
1.复习Lissajous图形法测量频率的原理。
2.复习双踪示波器的应用
五、报告要求
1.列出实验步骤
2.整理实验数据
3.分析实验产生的误差
4.实验心得体会
六、思考题
1.除了Lissajous图形法测量频率的方法外,
2.用Lissajous图形法可以测量相位吗?
第二章相位测量
§3-1概述
示波器除了测量电压和电流的时间和频率之外,还可测量两个信号之间的相位差。
当示波器有两个垂直通道时（即双踪或双线示波器,信号可同时显示。
因而可在荧光屏上直接测得两个信号间的相位差;如果示波器只有一个垂直通道时（即单踪示波器,则两个信号之间的相位差可借用电子开关或用李沙育图形测出。
§3-2相位测量
用双踪示波器或配用电子开关的单踪示波器,能测量不同幅度和波形间相位差,而且对所有频率均能进行非常准确的测量。
这种方法测量相位差的程序包括:
在示波器荧光屏上同时显示两条光迹;按坐标刻度测量两条光迹有关点间的距离,将测得的距离换算成相位差。
20
21
两个信号相位差测量的接线图,如图3-1所示。
计算公式:
离基准信号周期的水平距基准信号的相位因数0
360=
相位差=两信号对应点间的水平距离×相位因数。
[例3-1]、设基准信号周期的水平距离为9cm,两信号对应两点间的水
平距离为0.6cm,求两个信号之间的相位差。
解:
mmcm/409360↵↵
==相位因数
0024406.0=⋅=∏相位差
1.移相电路原理:
①RC超前移相电路
图3-3（a为RC超前移相电路,图3-3（b为RC超前移相电路的向量图。
由此可知:
RjX
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