实验一电压源与电压测量仪器实验报告材料.docx
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实验一电压源与电压测量仪器实验报告材料
实验一电压源与电压测量仪器实验报告
一、实验目的：
1、掌握电压源（直流稳定电源和函数信号发生器）的功能、技术指标和使用方法；
2、掌握四位半数字万用表及低频毫伏表的功能、技术指标和使用方法；
3、学会正确选用电压表测量直流、交流电压，及含有直流电平的交流电压。
二、实验原理以及仪器介绍
所需仪器
1、直流稳定电源1台
2、数字函数信号发生器1台
3、“四位半”数字多用表1台
4、交流毫伏表1台
（一）.设置信号发生器各项参数
考虑如下信号表达式子：
在该式子中，A：
信号的幅值、B为信号的直流分量、
表示信号的形式、
表示信号的频率，
表示信号的相位角。
若不考虑信号的相位角，则式可以简化为：
若信号没有叠加直流分量，则B为0；
从上式可以发现，若需要简单的产生某一信号，只需要确定该信号的波形的形状（函数形式）、幅值、和频率（周期）即可。
下图（a）、（b）、（c）画的是一个完整周期的波形。
对比下图（a）和图（b），可以注意到，图（a）的正半周期和负半周期大小是一致的，图（b）信号的周期和图（a）一致，但是图（b）的正半周期和负半周期大小是不一致的，这是因为图（a）和图（b）的信号各自占空比都不一样，占空比为正半周与周期的比值。
对比图（c）和图（a）、图（b）的信号，则可以注意到，图（a）、图（b）的信号是关于0电平线对称的，图（c）的信号，其中轴相对0电平线有向上平移；这是因为，图（c）的交流信号，相对图（a）和图（b）的信号，叠加了一个直流分量。
通过对以上图形的对比，可以得到这么一个结论：
当需要生成一个信号的时候，只需要根据信号的波形形状、频率、幅度、占空比、直流分量（偏移）等相关参数逐一进行设置，即可得到我们需要的信号输出；当然，设置好正确的信号后，要使信号能够正确输出，根据信号发生器的不同型号，可能还需要进行相关的输出设置。
（二）RIGOLDG10XX型数字函数信号发生器简介及其使用方法
DG10xx系列双通道函数/任意波形发生器使用直接数字合成（DDS）技术，可生成稳定、精确、纯净和低失真的正弦信号。
该型信号发生器为用户提供了操作简单而功能明了的的前面板、人性化的键盘布局及丰富的接口、直观的图形用户操作界面。
1.DG10xx系列双通道函数/任意波形发生器特点
DG10xx系列双通道函数/任意波形发生器具有如下特点：
。
DDS直接数字合成技术，得到精确、稳定和低失真的输出信号；
。
双通道输出，可以实现通道耦合、通道复制；
。
输出5种基本波形，内置48种任意波形；
。
可编辑输出14-bit，4k点的用户自定义任意波形；
。
100MSa/s采样率
。
频率特性：
正弦波1uHz-20MHz；
方波1uHz–5MHz；
锯齿波1uHz–150KHz；
脉冲波500uHz–3MHz；
白噪声5MHz带宽（-3dB）；
任意波形1uHz–5MHz
。
幅度范围2mVp-p-10Vp-p（50Ω）4mVp-p-20Vp-p（高阻）
。
高精度、宽频带频率计：
测量功能：
频率、周期、占空比和正/负脉冲宽度
频率范围：
100mHz–200MHz（单通道）
。
丰富的调制功能，输出各种调制波形：
调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）、二进制频移键控（FSK）、线性和对数扫描（Sweep）及脉冲串（Burst）模式；
。
丰富的输入输出：
外接调制源，外接基准10MHz时钟源，外触发输入、波形输出和数字同步信号输出。
此为，还有一些辅助功能，具体的可参看使用书册（可从服务器下载获得说明书）。
2DG10xx系列双通道函数/任意波形发生器前面板及用户界面介绍
图***信号发生器前面板
上图为信号发生器的前面板，先根据信号发生的流程，对前面板的各功能区作如下简要说明；
1.电源开关：
控制电源的开、关。
2.
通道切换键：
切换活动通道，以便于设定每通道的参数及观察、比较波形
3.波形选择：
选择信号发生器生成的信号的形状；
4、菜单键：
根据选择的波形，按照LCD上显示的菜单，对各项参数进行设置；
5、数字键盘：
输入数字，改变数参数的大小；
6、方向键：
用于切换数值的权位、任意波文件/设置文件的存储位置；
7、旋钮：
改变数值大小，在0-9内，顺时针转一格数字加1，逆时针转一格数字减1；切换内建波形的种类，任意波形文件/设置文件的存储位置、文件名输入符号；
8、模式/功能键：
实现存储和调出、辅助系统功能、帮助功能，具体的用法见使用说明书；
9、LCD显示模式：
DG10xx系列双通道函数/任意波形发生器提供了三种界面显示模式：
单通道常规模式、单通道图形模式及双通道常规模式，这三种模式可以通过前面板左侧的View视图切换键切换。
下图为三种界面模式：
图*****信号发生器显示模式
以上为信号发生器简单的介绍，进一步的了解该型信号发生器的功能及其使用方法，请参考《用户手册》。
3、DG10xx系列双通道函数/任意波形发生器使用方法：
在使用信号发生器之前，应该掌握信号发生器的基本使用方法和要产生的信号的各种参数，以避免因仪器不熟或者不了解待发生信号的参数而得不到我们想要的输出信号。
下面是信号发生器的使用步骤：
（1）.顺次打开信号发生器后面板、前面板上的电源开关；
（2）.按通道切换键，切换信号输出通道；
（3）.按波形选择键，选择需要的波形；
（4）.顺次在菜单键上按相应的参数设置键，用小键盘、方向键、旋钮中的一个或多个配合设置对应的参数值后，选择对应的参数单位；
（5）.检查菜单键中，其余未用到的参数设置键，是否有错误的设置值或者前次设置而本次不需要的设置值；
（6）.根据步骤
（2）中选择的通道，按下对应的通道使能键，使设置好的信号能够从正确的端口输出；
（7）.将对应的输出端口的信号端和示波器探头信号拾取端相连、地端互连，检查示波器上显示的波形形状和各项参数是否正确无误后，将该输出接到需要的信号输入端口。
DG10xx系列双通道函数/任意波形发生器使用故障及其解决方法：
（a）故障1：
经示波器检查，信号发生器输出端无输出波形；
可能的主要原因如下：
I:
信号发生器在使用过后，关闭了电源，再次使用时，忘记打开电源了；
II：
信号输出通道对应的使能按键没有按下，设置好的信号未能输出；
III：
输出的通道选择错误，不是从步骤
（2）、（6）选择的通道输出；
IV：
信号发生器输出的信号线断掉，无法输出信号；
V：
检查该输出信号的示波器或者使用该输出信号的电路设置有错，误以为无信号；
解决办法：
对于以上I-III的三种情况，可目视检查，如有错误，调整设置即可；
对以上IV-V两种情况则需用自检过的示波器确认属于哪一种情况，并根据实际情况，转向对应的故障排查步骤；
（b）故障二：
用户设置的波形形状和实际输出的波形形状不符合：
I：
这种情况通常是信号设置通道和实际输出通道不一致导致；请目视检查通道，确保设置和输出一致。
II：
在信号的参数设置过程中，不需要设置的参数被设置了参数值；如占空比参数、偏移参数等；
III：
观察信号的示波器设置不正确，未能观察到正确的波形；则重新正确设置示波器后再次观测；
以上（a）、（b）为常见的故障及其解决办法，若出现其他情况，可以自行研究解决或寻求指导老师的帮助；
（三）GDM-8145型“四位半”数字万用表
1、GDM-8145型“四位半”数字万用表的主要技术指标：
“四位半”数字万用表比普通万用表性能更优，有“四位半”的数字显示，即：
当被测数值以1开头，则显示五位有效数字，当被测数值以其它数字开头，则显示四位有效数字因而读数更精确，灵敏度更高，其主要技术指标均与“三位半”数字表相同或更高。
DF1945型“四位半”数字表是具有4-1/2位DigitalLED显示的台式数字电表，可以测量交、直流电压，电流和电阻；具有如下特点：
（1）TRUERMS量测量交流或交流加直流信号，可测量高达50KHz的交流电压；TRUE
（2）多种测量功能：
（I）交流和直流电压测量：
可测量
的标准线性直流电压或者10mV-1000V交流或交直流叠加电压的有效值；
（II）交流和直流电流测量：
可测量10nA-20A的标准线性直流电流或者
交流或交直流叠加电流的有效值；
（III）阻抗测量：
可测量
的标注阻抗；
（IV）
（V）二极管测量：
阻抗测量功能可以用来测试二极管和晶体管的PN结，前面板上有一个二极管标志的按键，
为最大范围；
2、GDM-8145型“四位半”数字万用表的面板及功能键
图4DEF1945数字万用表面板图
3、GDM-8145型“四位半”数字万用表使用方法：
使用通过检查，功能完好的数字万用表测量的步骤如下：
（1）选择测量功能：
根据需要测量的信号，正确判断该信号的属性是交流（AC）还是直流（DC），是电压，电阻，二极管的正向压降还是电流，并根据这些判断，正确选择红表笔的插孔位置，按下正确的功能开关；
（2）选择测量量程：
根据需要测量的信号，预估该信号的测量量的数值大小，选择对应的量程档位，如不知道如何判断该测量量的大小，初始量程可从最大量程开始；
（3）读数：
红表笔接正端，黑表笔接负端，进行测量，读数；
数字万用表由于使用频繁，有可能导致电气故障；在使用过程中，不正确的拔插表笔很容易造成表笔的损坏（内部断路），为了避免电气故障和表笔内部损坏等原因给测量带来的影响，在初次使用之前，请对数字万用表进行必要的检查，检查方法如下：
（1）将量表笔短接，测量红黑表笔的短接电阻，正常时为0；
（2）测量一个已知的直流电压（通常是实验箱面板上的直流输出电压），看是否正确；
4、使用注意事项
（1）根据所需测量参数合理选择功能键，并按正确方法测量（电压并接、电流串接）。
（2）在预先不知道被测信号幅度的情况下，应先把量程键放在最高档。
（3）当显示出现“0000”闪烁（过载）时，应立即将量程键切换至更高量程，使过载显示消失，避免仪器长时间过载而损坏，否则应立即拨出输入线，检查被选择的功能键是否出现错误或有其它故障（如输入电压过大或有内部故障等）。
（4）测量电压时不应超过最大输入电压（直流1200V，交流750V）
（5）测量电流时，输入线不要插错，不大于2A输入线插在2A端子上，不大于20A插在20A端子上。
（五）SAKO低频毫伏表
1、交流毫伏表的主要技术指标：
（1）电压测量范围：
100μV～300V；
（2）频率范围：
10Hz～2MHz；
（3）输入阻抗：
Ri>1MΩ，Ci<50pF；
（4）允许接入直流电压；
2、交流毫伏表前面板及功能键如图5所示
（1）电源指示灯：
灯亮表示电源通电。
（2）电源开关：
按下电源开关，接通电源。
（3）调零旋钮；调整表头的零点偏移。
（4）量程转换开关：
1mV～300V十二档调整。
（5）输入插孔：
输入被测正弦电压。
（6）输出插孔；可接示波器测量被测信号。
3、使用方法：
（1）按下电源开关，电源指示灯亮；
（2）大致估计被测电压范围，把量程转换至适
当位置（若不能估计被测电压范围，则应
把量程转换开关置最大量程档）。
（3）将连线接至测量点；
（4）为准确测量被测电压，调整量程开关，使
电表指针在满刻度的三分之一以上位置。
图5HZ2181交流毫伏表面板图
3、实验内容
1、直流电压测量
采用“四位半”数字万用表同时测量直流电压。
测量方法：
确定测量仪器设置在直流电压测量状态；将测量仪器（COM）与被测电源（COM）端相连，则：
测量笔接触被测点即可测量被测点的电压。
若已知被测电压时，应根据被测电压大小，选择合适量程，使测量数据达到最高精度；若未知被测电压时，应将测量仪器量程置于最大，然后逐渐减少量程，使测得数据有效数字最多。
（1）固定电源测量：
测量稳定电源的固定电压5V（2A）；
（2）可变电源测量：
按表1调节稳定电源输出，并测量之。
表1：
直流电压测量
主路表头指示值（V）
6V
18V
“四位半”测量值（V）
5.950
18.00
（3）有公共端的CH1/CH2串联模式：
GPD-3303型直流稳定电源工作在有公共端的CH1/CH2串联模式，调整CH1路输出电压时，则CH2路跟踪变化；这样，即可将两路独立电源构成一个正、负对称电源。
将“四位半”数字表的黑表笔（COM）接正、负对称电源的公共端（主路-和从路+），按表2调节稳定电源输出并测量之。
表2：
正、负对称电源测量
CH1路表头调整值（V）
6V
18V
CH1路“四位半”测量值（V）
6.000
18.000
CH2路表头指示值（V）
6.003
16.500
CH2路“四位半”测量值（V）
5.918
16.668
2、正弦电压（有效值）的测量：
（1）函数信号发生器输出正弦波，信号频率fs=1KHz，输出幅度按下表调节，用“四位半”数字表和毫伏表按表3进行测量。
测量方法：
确定测量仪器设置在交流电压测量状态；其余同直流电源测量方法。
注：
一般测量仪器只能测量正弦信号，且测量值为有效值；示波器测量的峰峰值和有效值之间存在如下关系：
表3：
正弦电压测量
fs
输出幅度（Vop-p）
2V
200mV
1k
“四位半”测量值（V）
0.194
70.85mA
毫伏表测量值（V）
-
-
（2）将信号发生器频率改为fs=100KHz，重复上述测量，记入表4。
注意：
下表中，由于100kHz已经超出了四位半的频率范围，当使用四位半测量时，会出现各种类型的错误，只需记下其中一组错误值即可；通过表四四位半和毫伏表的对比，可以进一步明确各种测量仪器都有其给定频率范围，超出该频率范围使用时错误的做法这一概念。
表4：
正弦电压测量
fs
输出幅度（Vop-p）
2V
200mV
100K
“四位半”测量值（V）
0.194
26.55mA
毫伏表测量值（V）
-
-
3、含有直流成份的交流电压测量
（1）函数信号发生器输出正弦波，信号频率fs=1KHz，将“四位半”数字万用表接入信号发生器输出端，调整输出幅度，使数字万用表读数为1V（交流）。
（2）调节函数信号发生器直流偏移按钮，设置偏移量为2V；
（3）经过上述设置后，我们得到一个含有直流成份的交流电压，此时如果按下数字万用表ACV±键，可以得到真均方根值（TRUERMS）；对于一个交直流混合信号，其真均方根值的计算式子如下：
4、函数信号发生器内阻（输出电阻）的测量:
按图5搭接电路，函数信号发生器设置fs=1KHz正弦波，用毫伏表按表5测量并计算出Ro值。
当K置“1”时，数字表测量值为VOL；当K置“2”时，数字表测量值为VO∞；
图5信号发生器内阻测量装置图
表5：
信号源内阻测量
VO∞（V）
VOL（V）
RL（Ω）
（Ω）
1.424
0.702
52
53.481
四、思考题
1、用数字万用表测量正弦波，表头显示的是正弦电压的什么值？
应选用何种电压测量方式？
测出的是交流电压的有效值，将表笔分别接在其两端，量程从小到大测量。
2、可否用数字万用表测量三角波，斜波，锯齿波？
为什么？
不能，因为他是利用平均值响应来测量其有效值的。
3、怎样用数字万用表测量含有直流电平的交流电压？
直接按下数字万用表中的ACV±键测量即可。
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