电子测量实验指导书shb.docx

电子测量实验指导书shb.docx

《电子测量实验指导书shb.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子测量实验指导书shb.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电子测量实验指导书shb

《电子测量》

实验指导书

电气与测控教研室编写

电工电子实验中心

2010年9月

目录

实验一：

常用电子仪器的使用3

实验二：

函数信号发生器的设计与调测4

实验三：

非电量电测方法-温度测量及标定实验5

实验四：

频率合成信号源6

实验五：

扫频仪的使用及有源滤波器性能测试8

实验六：

简易数显频率计的设计11

实验七：

基于声卡的数据采集系统14

实验一：

常用电子仪器的使用

一、实验目的

1、熟悉信号发生器、示波器等常用电子仪器的主要技术性能和使用方法。

2、了解示波器校准的基本方法。

3、掌握上升沿和下降沿的测量方法，利用示波器对波形的前沿和后沿、幅度、脉宽及周期进行测量，测量示波器校准信号波形的幅值、脉宽和周期；

二、实验内容

1．示波器的调整

（1）不接外信号，进入非X-Y方式

（2）调整扫描信号的位置和清晰度

（3）设置示波器工作方式

2．示波器的定标和波形电压、周期的测量

（1）把Y轴偏转因数和扫描时间偏转因数旋钮都放在“校准”位置（指示灯“VAR”熄灭）。

（2）把校准信号输出端接到Y轴输入插座

（3）把信号发生器的正弦电压接到Y轴输入端，用示波器测量正弦电压的幅值和周期，并和信号发生器上显示的频率值比较。

（4）选择不同幅值和频率的5种正弦波，重复步骤（3），记下测量结果。

（5）观察三角波、方波和锯齿波的波形，

（1）至（4）的步骤，保存三角波、方波和锯齿波信号的图形

3．李莎如图形的观测

（1）把信号发生器后面50Hz输出信号接到X通道，而Y通道接入可调的正弦信号

（2）分别调节两个通道让他们能够正常显示波形

（3）切换到X-Y模式，调整两个通道的偏转因子，使图形正常显示

（4）调节Y信号的频率，观测不同频率比例下的李萨如图

四、实验步骤

1、了解信号发生器的性能与使用方法：

用信号源输出高频信号，用示波器观察高频信号发生器的正弦波输出和调幅波输出，观察改变调制度时波形的变化。

2、熟悉触发器正负极性及触发电平的功能：

用高频信号源输出正弦波，用示波器进行观察。

当示波器上出现清晰的波形后，适当将波形右移，使波形的起始端出现在屏幕上。

改变触发极性，即将触发极性钮拉出或推入，观察波形的变化。

再转动触发电平旋钮，观察波形变化。

3、测试偏转灵敏度：

使信号源输出正弦波信号，频率为100KHz，调节输出幅度，用超高频毫伏表测量，使之为0.5V。

示波器探头置于×1档，偏转因数选择开关置于0.2V/cm，微调钮置于“校准”（CAL）。

将信号源输出接入示波器，从荧光屏上读出信号幅度的格数，记录在表1-1中，计算出偏转因数，与选择开关指示值（0.2V/cm）比较。

将信号幅度改为0.1V，示波器偏转因数选择开关置于50mv/cm，重复上面的测量。

4、测试扫描速度：

示波器的扫描速度开关置于0.2ms，扫描微调置于校正（CAL），输入函数发生器的1KHz方波。

测出一个信号周期T所占的水平格数，则可算出扫描速度=T/格数，与扫描速度选择开关指示值（0.2ms）相比较，计算出相对误差。

记录在表1-2中。

将输入信号改为2KHz，扫描速度选择开关置于0.1ms，重复上面的测量。

5、测试通频带：

信号源产生正弦信号输入到示波器中，用超高频毫伏表测量输出幅度。

改变正弦波频率，保持有效值始终为0.5V，记录下不同频率时，示波器荧光屏上的幅度值。

注意在频率上升到高端，荧光屏上信号幅度下降时，应适当多读一些数据。

将读得数据记入表1-3中，并在方格纸上画出频率特性曲线。

6、用外同步方式和内同步方式观察移位寄存器的输出波形：

表1-1偏转因数测量数据

输入正弦信号

显示幅度

（格数）

测得偏转因数

=

/格数

选择开关指

示偏转因数

相对误差

有效值

0.5V

0.1V

表1-2扫描速度数据表

输入信号

测得T所占水平格数

测得扫描速度

=T/格数

选择开关指

示扫描速度

相对误差

频率

周期

1K

2K

表1-3通频带测量数据表

频率

显示幅度

实验报告

1、实验数据填入表格，用通频带的测量数据在方格纸上画出频率特性曲线。

2、将外同步测量时的几种波形画出，对此作出分析。

3、在实验中，你对思考题中的问题是如何解决的。

实验二：

函数信号发生器的设计与调测

一、实验内容

设计一个能产生三角波、正弦波、方波信号的函数信号发生器。

二、设计要求

基本要求：

信号频率范围1Hz～20kHz

正弦波峰峰值3V幅值可调

方波峰峰值5V幅值可调

三角波峰峰值5V幅值可调

提高要求：

输出频率范围上限1MHz，输出阻抗50欧

要有仿真与测试结果。

三、实现方法参考

（1）用分立元件、晶体管、集成运放等通用器件制作组成函数发生器，要求给出仿真结果，并利用测试工具给出几个常见的性能指标。

（2）利用单片集成芯片的函数发生器：

能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。

如美国马克西姆公司开发的新一代函数信号发生器ICMAX038，可以达到更高的技术指标。

MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。

在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。

（3）利用单片机配合D/A转换器实现。

（4）利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器：

能产生任意波形并达到很高的频率，具体实现可以采用CPLD或FPGA等芯片。

（5）利用虚拟仪器技术，通过对声卡的控制实现各种信号的产生。

实验三：

非电量电测方法-温度测量及标定实验

一、实验目的：

了解常用的温度测量方法；了解集成温度传感器（AD590）基本原理、性能与应用；掌握利用集成温度传感器设计电子温度计的方法，特别是标定的原理与方法。

二、实验仪器：

智能调节仪、PT100、AD590、温度源、温度传感器实验模块。

三、实验原理：

集成温度传感器AD590是把温敏器件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。

其特点是使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠；不足的是测温范围较小、使用环境有一定的限制。

AD590能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，在一定温度下，相当于一个恒流源，一般用于－50℃－＋150℃之间温度测量。

温敏晶体管的集电极电流恒定时，晶体管的基极-发射极电压与温度成线性关系。

为克服温敏晶体管Ub电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。

本实验仪采用电流输出型集成温度传感器AD590，在一定温度下，相当于一个恒流源。

因此不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，具有很好的线性特性。

AD590的灵敏度（标定系数）为1

A/K，只需要一种＋4V～＋30V电源（本实验仪用+5V），即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为传感器调理电路单元中R2=100Ω）即可实现电流到电压的转换，使用十分方便。

电流输出型比电压输出型的测量精度更高。

四、实验内容与步骤

1．将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入集成温度传感器AD590。

2．将±15V直流稳压电源接至温度传感器实验模块。

温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。

3．将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节电位器Rw4使直流电压表显示为零。

4．拿掉短路线，按图28-1接线，并将AD590两端引线按插头颜色（一端红色，一端蓝色）插入温度传感器实验模块中（红色对应a、蓝色对应b）。

5．将R6两端接到差动放大器的输入Ui，记下模块输出Uo2的电压值。

6．改变温度源的温度每隔50C记下Uo2的输出值。

直到温度升至1200C。

并将实验结果填入下表。

T（℃）

Uo2（V）

五、实验报告

1．由表28-1记录的数据数据计算在此范围内集成温度传感器的非线性误差。

实验四：

频率合成信号源

一、实验目的

1、理解倍频式锁相环和频率合成信号源的基本原理。

2、了解锁相环和计数器电路的使用方法。

3、锻炼学生整理数据的能力。

二、实验内容

观测压控振荡器的频率变化和锁相环的频率锁定状态。

用锁相环集成电路和分频器集成电路组成一个输出频率可变的信号源。

三、实验原理、方法和手段

1、倍频式锁相环

倍频式锁相环电路如图4－1所示：

图4－1

改变计数器的

，即可获得不同的

2、锁相环电路CD4046

CD4046是一块锁相环电路的集成芯片，其内部结构和管脚如图4－2所示：

图4－2

CD4046内有相位比较器、压控振荡器。

低通滤波器用外接电阻、电容实现（13，9端），压控振荡器外接振荡电容

（6、7端）。

自由振荡频率主要受

及

影响。

4046电路最高工作频率约1.2MHz。

3、计数器电路C185（CD14526）见实验一。

四、实验组织运行要求

1、学生在进行实验前必须进行充分的预习，熟悉实验内容。

2、学生严格遵守实验室的各项规章制度，注意人身和设备安全，配合和服从实验室人员管理。

3、教师在学生实验过程中予以必要的辅导，独立完成实验。

4、采用集中授课形式。

五、实验条件

1、示波器YB4340C1台

2、函数信号发生器XJ16311台

3、稳压电源WYK-303B1台

4、万用表1台

5、集成电路2块

6、电容、电阻若干

六、实验步骤

1、4046锁相环的观测

（1）VCO压控特性的测量

如图4-3，将锁相环电路的③脚与④脚断开，⑨脚与

脚断开。

⑨脚通过－100K电阻接至可调电源上（电位器

）。

电源电压

=5V。

用示波器观察④端输出波形的频率，改变电位器

输出电压，测出对应的频率变化范围。

（2）自由振荡频率

的测量

在上面步骤的基础上，将⑨脚直流电压调为

，用示波器观察④脚波形的频率，此时频率即为自由振荡频率

。

（3）锁定的判断

将③脚与④脚相连，⑨通过电阻与

脚相连，如图4-3。

脚输入信号发生器的方波信号，改变信号频率，观察④脚波形，若与输入信号频率同时变化，则为锁定状态。

2、计数器分频的实现

将计数器按图4-3连接好，但不与锁相环相连。

在CP端输入信号源方波，改变开关的状态，用示波器观察

端输出波形，判断分频系数。

3、频率合成信号源的实现

图4-3

将计数器与锁相环按图4-3连接在一起，在锁相环14端输入一固定频率方波（例50KHz），从锁相环④端观察频率合成源输出，改变开关状态，注意输出频率的变化，记下开关状态和对应的输出频率。

（自己设计记录表格）。

七、思考题

1、选用50KHz作为fi是什么道理？

结合实验中具体数据给予说明。

八、实验报告

1、报告中包含实验预习情况，包括实验内容、实验步骤等。

2、自行设计频率合成实验中开关状态和输出频率的表格，并记录数据。

3、在实验中，你对思考题中问题的分析。

实验五：

扫频仪的使用及有源滤波器性能测试

一、实验目的

1、了解扫频仪的原理和使用，加深对系统频率特性曲线的感性认识；

2、了解由集成运放组成的有源滤波电路设计方法；

3、学习使用扫频仪测量有源滤波器的幅频特征。

二、实验内容

学习扫频仪的使用，观测扫频仪的扫频范围，用扫频仪测量有源滤波的频率特性。

三、实验原理、方法和手段

1、扫频测量技术

在现代测量中，为了测量系统的全面表征，需要从以往的静态测量转变到动态测量。

扫频测量就是一种动态测量。

所谓扫频，就是利用某种方法，使正弦信号的频率随时间按一定规律，在一定范围内反复扫动，这种频率扫动的正弦信号，称为扫频信号。

利用扫频信号，可以在频域内对元器件或系统的频率特性进行动态测量，例如，图示一个放大器的动态频率特性曲线等。

2、常见有源滤波器设计及点频法幅频特性测量

⑴低通滤波器。

按图1接线。

输入端加1V左右的正弦信号，扳动频率选择开关，用示波器观察输出波形及幅度变化，选择频率，将测量的V0值（包括V0max、0.707V0max值），填入表1中。

图1低通滤波器

表1低通滤波器实验数据

f（Hz）

V0（V）

⑵高通滤波器。

实验电路如图2所示。

实验内容与要求同上。

将实验结果填入表2中。

图2高通滤波器

表2高通滤波器实验数据

f（Hz）

V0（V）

⑶带通滤波器。

实验电路可有上述电路为参考设计，或采用图3电路，该电路是中心频率为300Hz、带宽为200Hz的带通滤波器。

输入端加1V左右的正弦信号，扳动频率选择开关，用示波器观察输出波形及幅度变化，选择频率，将测量的V0值（包括V0max、0.707V0max值），填入表3中。

图3带通滤波器

表3带通滤波实验数据

f（Hz）

0.707V0max

V0max

0.707V0max

V0（V）

4、用扫频测量技术对上述各有源滤波器幅频特性进行测量，并与点频法进行对比。

四、实验报告

1、以自拟的表格中填入测量的数据，画出曲线。

2、用扫频仪画出有源滤波器幅频特性曲线，并分析其频率特性。

3、分析两种方法的优缺点，总结体会与误差分析。

附BT—3G频率特性测试仪说明

一、BT—3G主要技术性能

扫频范围：

2—300MHz

中心频率：

2—300MHz

扫频宽度：

最宽不小于100MHz，最窄不大于1MHz

频率标记：

50MHz、10MHz和1MHz组合，外接三种。

二、BT—3G面板说明

面板图：

图5-4

1．POWER电源开关2．INTEN辉度3．FOCUS聚焦

4．V—POSITION垂直位移5．PICTURE－十／－影象极性

6．PICTURE—FDEM鉴频7．V—GAIN垂直增益

8．V—ATTEN垂直衰减

9．V—INPUT垂直输入10．RFOUT射频输出

11．PULL插件拉出手柄12．

振荡器工作方式控制

13．OUTPUTATTEN粗衰减器14．SELECTOR频标选择

15．OUTPUTATTEN细衰减器16．MARKERSIZE频标幅度

17．CENTERFREQ中心频率18．SWEEPWIDTH扫频宽度

19．EXT—IN外接频标输入

三、BT—3G的使用

1、打开电源，调节“辉度”、“聚焦”电位器，使扫描线平滑明亮。

2、置衰减于0dB，

键抬起，调节“Y轴增益”旋钮，可看到带频标的横线。

改变“频标选择”键，可看到二种不同的频标。

3、零拍的观察：

按实验步骤1中连接方式接好，顺时钟方向转动“中心频率”旋钮到底，即可在显示屏上看到一个脉冲状波形，这就是零拍，它标志了频率轴的零点位置，由此开始，可以读出频率轴上各频标的读数。

4、扫频范围的观察：

将“频标选择”定在50MHz，“扫频宽度”为最大，逆时针转动“中心频率”旋钮，依次读频标，可找出300MHz频标。

扫频法仿真结果举例：

1、电路图。

2、幅频特性曲线及截止频率的测量。

幅频特性曲线

测

量值

V0max（V）

1.9994

fO（Hz）：

1178.1

fH（Hz）：

1259.8

fL（Hz）：

1101.2

B（Hz）：

158.6

Q：

1.346

实验六：

简易数显频率计的设计

一、实验目的

1.学习时钟发生器，分频器及放大器、施密特触发器、计数、译码显示、控制电路等单元电路的综合应用。

2.进一步熟悉进行大中型电路的设计方法，掌握基本的原理及设计过程。

二、实验内容

分析数字频率计电路的组成、各部分功能及工作原理，利用模拟电路和数字电路中运放、单稳态触发器、时钟发生器、计数器、译码显示器等器件设计简易的数字频率计。

列出数字频率计电路的测试表格和调试步骤。

用EWB或MULTISIM设计电路并进行仿真，利用软件提供的测试设备对设计的产品的性能进行测试。

四、设计任务

1.设计一个数字频率计电路，要求能够测量1Hz至100KHz的正弦波，三角波，方波等信号的频率，峰值为0.5V——5V。

2.精度在1Hz以内。

3.数码管显示输入信号的频率。

五、实验原理

图1为简易数显频率计电路的逻辑框图。

按功能分成5个单元电路进行分析。

图1简易数显频率计电路的逻辑框图

设计提示：

1、秒振荡电路应能输出频率为1Hz、幅度为5V的时钟脉冲，要求误差不超过0.001S。

为提高精度，可用555设计一个输出频率为10000Hz的多谐振荡器，再通过10000分频（10000进制计数器）而得到1Hz的时钟脉冲。

2、放大整形电路能把最小幅值放大到接近5V，并整形为脉冲信号。

3、译码显示电路最多显示9999，需4片BCD译码器和4个数码管。

4、主控制电路由两个单稳态触发器组成，能够在1秒内完成计数器的复位、锁存控制。

5、单元子电路如图2、3、4、5所示。

图21Hz时钟产生电路

图3放大整形电路

图4计数译码显示电路

图6主控制电路

六、实验报告

1、分析每个单元的设计要求并用所给的元器件设计出各单元电路和整体电路，并在计算机上进行仿真。

2、对单元电路进行调试，直到满足设计要求，记录各电路等逻辑功能、波形图等参数。

3、待各单元电路工作正常后，再将有关电路逐级连接起来，并进行测试。

4、写出实验报告。

实验七：

基于声卡的数据采集系统

1实验目的

（1）学习用声卡作为数据采集装置的LabVIEW编程方法；

（2）从设计中深入理解虚拟仪器的组成，理解数据采集、数据分析的重要性，用LabVIEW实现测试系统的优点；

（3）实验的应用：

目前的测试教学实验中常常要用到A/D采集卡，而A/D采集卡价格不菲，以实验室有限的经费，不能较多地购置以供同学们实验使用。

进而考虑计算机中的声卡本身就是一个A/D、D/A的转化装置，而且造价低廉，性能稳定，在教学实验中完全可以满足实验的需求，可以进一步开发研制一个广泛应用的测试教学实验系统。

2实验设备、仪器

计算机、声卡、LabVIEW软件，其组成如下图。

3实验任务

设计一个基于声卡的频谱分析仪，它可以采集从麦克风输入的声音，仪器可以调节采样频率、数据缓冲区的大小等，可显示其波形，并对波形作幅值谱分析。

4实验原理

4．1声卡简介

声卡是现在计算机中非常常见的一个组件，是多媒体的标准配置。

目前市场上的一般声卡按照其位数可以分成8位和16位：

8位：

8位声卡把音频信号的大小（音量）分成256个等级（0～255）。

16位：

16位声卡把音频信号的大小分成为65536个等级（0～65535）。

位数的每一等级对应一个相应的二进制数。

在声音录入（采样）时，按其音量大小给定一个二进制数，播放时按此二进制数实施还原。

显然，在LabVIEW软件中，对于声卡的声道可以分为mono8-bit（单声道8位）、mono16-bit（单声道16位）、stereo8-bit（立体声8位）、stereo16-bit（立体声16位）。

其中，16位声道比8位声道采样的信号质量好，立体声（stereo）比单声道（mono）采样信号好，采样的波形稳定，而且干扰小。

另外，用单声道采样，左右声道信号都相同，而且每个声道的幅值只有原来幅值的1/2；用立体声采样，左右声道信号互不干扰，可以采两路不同的信号，而且采样的信号幅值与原幅值相同。

声卡的采样频率（rate）有4种选择，即8000Hz、11025Hz、22050Hz、44100Hz，采样频率不同，采到波形的质量也不同，应该根据具体情况而采用合适的频率。

4．2LabVIEW中有关声卡的函数简介

LabVIEW中提供了一系列使用Windows底层函数编写的与声卡有关的函数。

这些函数集中在下图所示的SoundVI下。

由于使用Windows底层函数（不是更高级更方便的MCI函数以及DirectX接口）直接与声卡驱动程序打交道，因此封装层次低，速度快，而且可以访问、采集缓冲区中任意位置的数据，具有很大的灵活性，能够满足实时不间断采集的需要。

图SoundVI

本节主要关心的是SoundOutput和SoundInput这两个子模板。

下表是SoundInput中提供的函数。

表SoundInput函数简介

图标

函数名称

功能说明

SIConfig

该函数的功能是设置声卡中与数据采集相关的一些硬件，如采样率、数据格式、缓冲区长度。

声卡的采样率由内部时钟控制，只有3～4种固定频率可以选择，一般采样频率设置为44100Hz，数据格式设置为16位字长。

缓冲区长度可取默认值。

SIStart

该函数用于通知声卡开始采集外部数据。

采集到的数据会被暂存在缓冲区中，这一过程无需程序干预，由声卡硬件使用DMA直接完成，保证了采集过程的连续性。

SIRead

该函数用于等待数据缓冲区满的消息。

当产生这一消息时，它将数据缓冲区的内容读取到用户程序的数组中，产生一个采集数据集合。

若计算机速度不够快，使得缓冲区内容被覆盖，则会产生一个错误信息。

这时应调节缓冲区大小，在采样时间与读取数据之间找到一个理想的平台。

SIStop

该函数用于通知声卡停止采集外部数据。

已采集而未被读出的数据会留在缓冲区中，可以使用SIRead函数一次完成。

SIClear

该函数用于完成最终的清理工作，例如关闭声卡的采样通道，释放请求的一系列系统资源（包括DMA、缓冲区内存、声卡端口等）

由上面的介绍可以看出，使用LabVIEW构建基于声卡的虚拟仪器思路是相当清晰的。

实际的数据采集流程如下图所示，这个流程与一般数据采集卡并无多大差别。

图声卡数据采集的流程

声音的输出是声卡的主要功能。

SoundOutput中提供的有关声音输出的函数比SoundInput的函数相对多一些，有：

SOClearSOStop

SOConfigSOVolume

SOPauseSOWaite

SOStartSOWrite

SOSetNumBuffers

5实验步骤

1.选择File>>New，打开一个新的前面板窗口。

2.从AllControl>>Graph中选择2个WaveformGraph放到前面板中。

3.在第一个WaveformGraph的标签文本框中输入“TimeWaveform”。

4.在第二个WaveformGraph的标签文本框中输入“Spectrum”,然