电子测量实验.docx

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电子测量实验

实验一　示波器的使用

一、实验目的

　　1.熟悉低频信号发生器、脉冲信号发生器各旋钮、开关的作用及其使用方法。

2.初步掌握用示波器观察电信号波形，定量测出正弦信号和脉冲信号的波形参数。

3.初步掌握示波器、信号发生器的使用。

二、实验说明

　　1.正弦交流信号和方波脉冲信号是常用的电激励信号，可分别由低频信号发生器和脉冲信号发生器提供。

正弦信号的波形参数是幅值Um、周期T（或频率f）和初相；脉冲信号的波形参数是幅值Um、周期T及脉宽tk。

本实验装置能提供频率围为20Hz～50KHz的正弦波及方波，并有6位LED数码管显示信号的频率。

正弦波的幅度值在0～5V之间连续可调，方波的幅度为1～3.8V可调。

2.电子示波器是一种信号图形观测仪器，可测出电信号的波形参数。

从荧光屏的Y轴刻度尺并结合其量程分档选择开关（Y轴输入电压灵敏度V/div分档选择开关）读得电信号的幅值；从荧光屏的X轴刻度尺并结合其量程分档（时间扫描速度t/div分档）选择开关，读得电信号的周期、脉宽、相位差等参数。

为了完成对各种不同波形、不同要求的观察和测量，它还有一些其它的调节和控制旋钮，希望在实验中加以摸索和掌握。

　　一台双踪示波器可以同时观察和测量两个信号的波形和参数。

三、实验设备

序号

名称

型号与规格

数量

备注

1

双踪示波器

1

2

低频、脉冲信号发生器

1

DG03

3

交流毫伏表

0～600V

1

D83

4

频率计

1

DG03

四、实验容

1.双踪示波器的自检

将示波器面板部分的“标准信号”插口，通过示波器专用同轴电缆接至双踪示波器的Y轴输入插口YA或YB端，然后开启示波器电源，指示灯亮。

稍后，协调地调节示波器面板上的“辉度”、“聚焦”、“辅助聚焦”、“X轴位移”、“Y轴位移”等旋钮，使在荧光屏的中心部分显示出线条细而清晰、亮度适中的方波波形；通过选择幅度和扫描速度，并将它们的微调旋钮旋至“校准”位置，从荧光屏上读出该“标准信号”的幅值与频率，并与标称值（1V，1KHz）作比较，如相差较大，请指导老师给予校准。

2.正弦波信号的观测

（1）将示波器的幅度和扫描速度微调旋钮旋至“校准”位置。

（2）通过电缆线，将信号发生器的正弦波输出口与示波器的YA插座相连。

　　（3）接通信号发生器的电源，选择正弦波输出。

通过相应调节，使输出频率分别为50Hz，1.5KHz和20KHz（由频率计读出）；再使输出幅值分别为有效值0.1V，1V，3V（由交流毫伏表读得）。

调节示波器Y轴和X轴的偏转灵敏度至合适的位置，从荧光屏上读得幅值及周期，记入表中。

频率计读数

所测项目

正弦波信号频率的测定

50HZ

1500HZ

20000HZ

示波器“t/div”旋钮位置

一个周期占有的格数

信号周期（s）

计算所得频率（HZ）

交流毫伏表读数

所测项目

正弦波信号幅值的测定

0.1V

1V

3V

示波器“V/div”位置

峰—峰值波形格数

峰—峰值

计算所得有效值

3.方波脉冲信号的观察和测定

（1）将电缆插头换接在脉冲信号的输出插口上，选择方波信号输出。

（2）调节方波的输出幅度为3.0VP－P（用示波器测定），分别观测100Hz，3KHz和30KHz方波信号的波形参数。

（3）使信号频率保持在3KHz，选择不同的幅度及脉宽，观测波形参数的变化。

五、实验注意事项

　　1.示波器的辉度不要过亮。

2.调节仪器旋钮时，动作不要过快、过猛。

3.调节示波器时，要注意触发开关和电平调节旋钮的配合使用，以使显示的波形稳定。

4.作定量测定时，“t/div”和“V/div”的微调旋钮应旋置“标准”位置。

5.为防止外界干扰，信号发生器的接地端与示波器的接地端要相连（称共地）。

6.不同品牌的示波器,各旋钮、功能的标注不尽相同,实验前请详细阅读所用示波器的说明书。

7.实验前应认真阅读信号发生器的使用说明书。

六、预习思考题

　　1.示波器面板上“t/div”和“V/div”的含义是什么?

2.观察本机“标准信号”时，要在荧光屏上得到两个周期的稳定波形，而幅度要求为五格，试问Y轴电压灵敏度应置于哪一档位置？

“t/div”又应置于哪一档位置？

　　3.应用双踪示波器观察到如图12-1所示的两个波形，YA和YB轴的“V/div”的指示均为0.5V，“t/div”指示为20μS，试写出这两个波形信号的波形参数。

七、实验报告

1.整理实验中显示的各种波形，

绘制有代表性的波形。

2.总结实验中所用仪器的使用

方法及观测电信号的方法。

3.如用示波器观察正弦信号时，

荧光屏上出现图12-2所示的几种情

况时，试说明测试系统中哪些旋钮

的位置不对？

应如何调节？

4.心得体会及其它。

图12-1

　　　　　　　　　图12-2

实验二函数信号发生器的调试

一、实验目的

　１．了解单片多功能集成电路函数信号发生器的功能及特点。

　２．会用示波器测量波形的各种参数。

３．掌握正弦波失真调节、频率调节和幅度调节的方法。

二、实验仪器

1．双踪示波器

2．频率计

三、实验原理

图1-1函数信号发生器

　１．ICL8038是单片集成函数信号发生器，其部框图如图1-2所示。

它由恒流源I1和I2、电压比较器A和B、触发器、缓冲器和三角波变正弦波电路等组成。

外接电容C由两个恒流源充电和放电，电压比较器A、B的阈值分别为电源电压（指UCC+UEE）的2/3和1/3。

恒流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，但必须I2>I1。

当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，恒流源I1给C充电，它的两端电压UC随时间线性上升，当UC达到电源电压的2/3时，电压比较器A的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2>I1（设I2=2I1），恒流源I2将电流2I1加到Ｃ上反充电，相当于Ｃ由一个净电流I放电，Ｃ两端的电压UC又转为直线下降。

当它下降到电源电压的1/3时，电压比较器B的输出电压发生跳变，使触发器的输出由高电平跳变为原来的低电平，恒流源I2断开，I1再给C充电，…如此周而复始，产生振荡。

若调整电路，使I2=2I1，则触发器输出为方波，经反相缓冲器由管脚⑨输出方波信号。

Ｃ上的电压UC，上升与下降时间相等，为三角波，经电压跟随器从管脚③输出三角波信号。

将三角波变成正弦波是经过一个非线性的变换网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波电位向两端顶点摆动时，网络提供的交流通路阻抗会减小，这样就使三角波的两端变为平滑的正弦波，从管脚②输出，而尖端存在一点失真。

图1-2ICL8038原理框图

　　２．ICL8038管脚功能图

图1-3ICL8038管脚图

四、实验容

PTP7和PTP8用作扩展外接电容用，电容越小，频率越大，PS1、PS2、PS3对应值为1000P、0.01µf、0.1µf。

　１．参考实验原理图1-1，对照实验箱集成函数信号发生器实际电路部分，连接好跳线PS3，正确连接电路电源线+12V和-12V（从电源部分±12V插孔用连接线接入，千万不要接反，否则损坏集成芯片），打开直流开关通电。

　2．连接好跳线PS4，用示波器观察OUT为方波波形，调节电位器PRW2，测出方波的占空比（单位周期高电平所占整个周期的比例）围情况，调节电位器PRW1，测出方波的频率（示波器在扫描速率为1mS档的情况下，一个周期的方波占一个格子为1KHz，也可用频率计直接测出）围情况；调节电位器PRW5，测出方波的幅值（峰峰值）围情况，并都列表记录之。

3．连接好跳线PS4，调节电位器PRW2，使方波的占空比为50%；调节电位器PRW1，使方波的频率为1KHz；调节电位器PRW5，使方波的幅值为5V（峰峰值），把PS4换为PS5，用示波器观察OUT为三角波波形，调节电位器PRW1，测出三角波的频率围情况，调节电位器PRW5，测出三角波的幅值（峰峰值）围情况，并都列表记录之。

另外调节电位器PRW2，观察三角波变为锯齿波（占空比不为50%）的情况。

4．连接好跳线PS4，调节电位器PRW2，使方波的占空比为50%；调节电位器PRW1，使方波的频率为1KHz；调节电位器PRW5，使方波的幅值为5V（峰峰值），把PS4换为PS6，用示波器观察OUT为正弦波波形，若有明显失真，反复调节PRW3、PRW4，使正弦波无明显的失真（一旦调好就不要再动PRW3、PRW4），调节电位器PRW1，测出正弦波的频率围情况，调节电位器PRW5，测出正弦波的幅值（峰峰值）围情况，并都列表记录之。

5．在断开电源情况下，分别取PS1和PS2连接，重复上述步骤。

说明一下：

PS1、PS2、PS3相对应的电容值越小，输出频率越大，且不同的电容所对的频率段不同，每个频率段所包括的频率围不同，故上述所有步骤所给的1KHz的频率值不是很恰当，仅作为实验参考值。

测量各种波形的频率、占空比、幅度要保证波形不是很明显失真，且在有效围，如调节PRW5阻值很小时，无论怎么调节PRW1、PRW2、PRW3、PRW4电位器仍无法有波形出现。

原理图中还有一个一级无源低通滤波电路，PTP3插孔处可以引入电容，通过并入电容改变截止频率，此滤波电路可以对正弦波起一定的滤波作用（由于无源滤波电路存在负载效应，效果不是很好，此引入滤波电路，抛砖引玉，具体滤波器的设计参考后续实验容），有兴趣的同学可以接入调试一下，不做要求，方法：

断开PS4、PS5、PS6的连接，接入PS7、PS8，调节一个无明显失真的正弦波即可。

实验三电子信号的测量（晶体管共射极单管放大器）

一、实验目的

1．掌握放大器静态工作点的调试方法，学会分析静态工作点对放大器性能的影响。

2．掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。

3．熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。

二、实验仪器

1．双踪示波器

2．万用表

3．交流毫伏表

4．信号发生器

三、实验原理

图2-1共射极单管放大器实验电路

图2-1为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图。

它的偏置电路采用RB2和RB1组成的分压电路，并在发射极中接有电阻RE，以稳定放大器的静态工作点。

当在放大器的输入端加入输入信号Ui后，在放大器的输出端便可得到一个与Ui相位相反，幅值被放大了的输出信号U0，从而实现了电压放大。

在图2-1电路中，当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于晶体管T的基极电流IB时（一般5~10倍），则它的静态工作点可用下式估算，UCC为供电电源，此为+12V。

（2-1）

（2-2）

（2-3）

电压放大倍数

（2-4）

输入电阻

（2-5）

输出电阻

（2-6）

放大器静态工作点的测量与调试

1）静态工作点的测量

测量放大器的静态工作点，应在输入信号Ui=0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的数字万用表，分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。

一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压，然后算出IC的方法，例如，只要测出UE，即可用

算出IC（也可根据

，由UC确定IC），同时也能算出

。

2）静态工作点的调试

放大器静态工作点的调试是指对三极管集电极电流IC（或UCE）调整与测试。

静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大的影响。

如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时uO的负半周将被削底，如图2-2（a）所示，如工作点偏低则易产生截止失真，即uO的正半周被缩顶（一般截止失真不如饱和失真明显），如图2-2（b）所示。

这些情况都不符合不失真放大的要求。

所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的ui，检查输出电压uO的大小和波形是否满足要求。

如不满足，则应调节静态工作点的位置。

（a）饱和失真（b）截止失真

图2-2静态工作点对U0波形失真的影响

改变电路参数UCC，RC，RB（RB1，RB2）都会引起静态工作点的变化，如图2-3所示，但通常多采用调节偏电阻RB2的方法来改变静态工作点，如减小RB2，则可使静态工作点提高等。

最后还要说明的是，上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的，应该是相对信号的幅度而言，如信号幅度很小，即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。

所以确切的说，产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。

如须满足较大信号的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。

图2-3电路参数对静态工作点的影响

2.放大器动态指标测试

放大器动态指标测试包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压（动态围）和通频带等。

1）电压放大倍数AV的测量

调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输入电压ui，在输出电压uo不失真的情况下，用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和Uo，则

AV=

（2-7）

2）输入电阻Ri的测量

为了测量放大器的输入电阻，按图2-4电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R，在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出US和Ui，则根据输入电阻的定义可得

R

=

=

=

（2-8）

测量时应注意

1测量R两端电压UR时必须分别测出US和Ui，然后按UR=US-Ui求出UR值。

2电阻R的值不宜取得过大或过小，以免产生较大的测量误差，通常取R与Ri为同一数量级为好，本实验可取R=1～2KΩ。

3）输出电阻RO的测量

按图2-4电路，在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载RL的输出电压UO和接入负载后输出电压UL，根据

U

=

（2-9）

即可求出RO

RO=（

）R

（2-10）

在测试中应注意，必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。

图2-4输入、输出电阻测量电路

4）最大不失真输出电压UOPP的测量（最大动态围）

如上所述，为了得到最大动态围，应将静态工作点调在交流负载线的中点。

为此在放大器正常工作情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节RW（改变静态工作点），用示波器观察uo，当输出波形同时出现削底和缩顶现象（如图2-5）时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。

然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，用交流毫伏表测出UO（有效值），则动态围等于2

UO。

或用示波器直接读出UOPP来。

图2-5静态工作点正常，输入信号太大引起的失真

5）放大器频率特性的测量

放大器的频率特性是指放大器的电压放大倍数AV与输入信号频率f之间的关系曲线。

单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图2-6所示：

图2-6幅频特性曲线

Avm为中频电压放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的1/

倍，即0.707Avm所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH，则通频带

fBW=fH-fL（2-11）

放大器的幅频特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数AV。

为此可采用前述测AV的方法，每改变一个信号频率，测量其相应的电压放大倍数，测量时要注意取点要恰当，在低频段与高频段要多测几点，在中频可以少测几点。

此外，在改变频率时，要保持输入信号的幅度不变，且输出波形不能失真。

三、实验容

1．连线

在实验箱的晶体管系列模块中，按图2-1所示连接电路：

DTP5作为信号Ui的输入端，DTP4（电容的正级）连接到DTP26（三极管基极），DTP26连接到DTP57，DTP63连接到DTP64（或任何GND），DTP26连接到DTP47（或任何10K电阻），再由DTP48连接到100K电位器（RW）的“1”端，“2”端和“3”端相连连接到DTP31，DTP27（三极管射极）连接到DTP51，DTP27连接到DTP59（或DTP60），DTP24连接到DTP32（或DTP33），DTP25先不接开路，最后把电源部分的+12V连接到DTP31。

注：

后续实验电路的组是这样按指导书提供的原理图在实验箱相应模块中进行连线，把分立元件组合在一起构成实验电路，以后连接实验图都是如此，不再如此详细说明。

2．测量静态工作点

静态工作点测量条件：

输入接地即使Ui=0.

在步骤1连线基础上，DTP5接地（即Ui=0），打开直流开关，调节RW，使IC=2.0mA（即UE=2.4V），用万用表测量UB、UE、UC、RB2值。

记入表2-1。

表2-1IC=2.0mA

测量值

计算值

UB（V）

UE（V）

UC（V）

RB2（KΩ）

UBE（V）

UCE（V）

IC（mA）

3．测量电压放大倍数

调节一个频率为1KHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui。

断开DTP5接地的线，把输入信号连接到DTP5，同时用双踪示波器观察放大器输入电压Ui（DTP5处）和输出电压Uo（DTP25处）的波形，在Uo波形不失真的条件下用毫伏表测量下述三种情况下（1.不变实验电路时；2.把DTP32和DTP33用连接线相连时；3.断开DTP32和DTP33连接线，DTP25连接到DTP52时）的Uo值（DTP25处），并用双踪示波器观察Uo和Ui的相位关系，记入表2-2。

表2-2IC=2.0mAUi=mV（有效值）

RC（KΩ）

RL（KΩ）

U0（V）

AV

观察记录一组U0和Ui波形

2.4

∞

1.2

∞

2.4

2.4

注意：

由于晶体管元件参数的分散性，定量分析时所给Ui为50mV不一定适合，具体情况需要根据实际给适当的Ui值，以后不再说明。

由于Uo所测的值为有效值，故峰峰值Ui需要转化为有效值或用毫伏表测得的Ui来计算AV值。

切记万用表、毫伏表测量都是有效值，而示波器观察的都是峰峰值。

4．观察静态工作点对电压放大倍数的影响

在步骤3的RC=2.4KΩ，RL=∞连线条件下，调节一个频率为1KHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui连到DTP5。

调节RW，用示波器监视输出电压波形，在uo不失真的条件下，测量数组IC和UO的值，记入表2-3。

测量IC时，要使Ui=0（断开输入信号Ui，DTP5接地）。

表2-3RC=2.4KΩRL=∞Ui=mV（有效值）

IC（mA）

2.0

U0（V）

AV

5．观察静态工作点对输出波形失真的影响

在步骤3的RC=2.4KΩRL=∞连线条件下，使ui=0，调节RW使IC=2.0mA（参见本实验步骤2），测出UCE值。

调节一个频率为1KHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui连到DTP5，再逐步加大输入信号，使输出电压Uo足够大但不失真。

然后保持输入信号不变，分别增大和减小RW，使波形出现失真，绘出Uo的波形，并测出失真情况下的IC和UCE值，记入表2-4中。

每次测IC和UCE值时要使输入信号为零（即使ui=0）。

表2-4RC=2.4KΩRL=∞Ui=mV

IC（mA）

UCE（V）

U0波形

失真情况

管子工作状态

2.0

6．测量最大不失真输出电压

在步骤3的RC=2.4KΩRL=2.4KΩ连线条件下，同时调节输入信号的幅度和电位器RW，用示波器和毫伏表测量UOPP及UO值，记入表2-5。

表2-5RC=2.4KΩRL=2.4KΩ

IC（mA）

Uim（mV）有效值

Uom（V）有效值

UOPP（V）峰峰值

*7．测量输入电阻和输出电阻

按图2-4所示，取R=2K，置RC=2.4KΩ，RL=2.4KΩ，IC=2.0mA。

输入f=1KHz、峰峰值为50mV的正弦信号，在输出电压uo不失真的情况下，用毫伏表测出US，Ui和UL，用公式2-8算出Ri。

保持US不变，断开RL，测量输出电压UO，参见公式2-10算出R0。

*8．测量幅频特性曲线

取IC=2.0mA，RC=2.4KΩ，RL=2.4KΩ。

保持上步输入信号ui不变，改变信号源频率f，逐点测出相应的输出电压UO，自作表记录之。

为了频率f取值合适，可先粗测一下，找出中频围，然后再仔细读数。

*号为选作容，以后不再作说明。

另外测量幅频特性时要求用外置信号源，以后测量幅频特性时不再说明。

*附晶体管系列元件分布图如下：

实验四电子信号的测量（RC正弦波振荡器）

一、实验目的

１．进一步学习RC正弦波振荡器的组成及其振荡条件。

２．学会测量、调试振荡器。

二、实验仪器

1．双踪示波器

2．频率计

三、实验原理

实验电路如下图所示：

图8-1RC串并联选频网络振荡器

从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的，带选频网络的正反馈放大器。

若用R、C元件组成选频网络，就称为RC振荡器，一般用来产生1HZ~1MHZ的低频信号。

上图为RC串并联（文氏桥）网络振荡器。

电路型式如图8-2所示：

图8-2RC串并联网络振荡器原理图

振荡频率

（8-1）

起振条件

（8-2）

电路特点　　　　可方便地连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，容易得到良好的振荡波形。

四、实验容

　1．在晶体管系列模块中按图8-1正确连接线路。

2．断开RC串并联网络，测量放大器静态工作点及电压放大倍数（参考实验二容），记录之。

3．接通RC串并联网络，打开直流开关，调节RF并使电路起振，用示波器观测输出电压U0波形，调节RF使获得满意的正弦信号，记录波形及其参数。

4．用频率计或示波器测量振荡频率，并与计算值（995Hz）进行比较。

5．改变Ｒ或Ｃ值，用频率计或示波器测量振荡频率，并与计算值（用公式8-1来计算）进行比较。

*元件分布图参见实验二晶体管系列模块元件分布图