测试技术实验指导书.docx
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测试技术实验指导书
现代测试技术
实验指导书
青岛农业大学
目录
实验规则------------------------------------------------------------------------------------0
实验一非正弦周期信号的分解与合成--------------------------------------------1
实验二二阶系统特性测试---------------------------------------------------------4
实验三金属箔式应变片单臂、半桥、全桥比较------------------------------8
实验四无源和有源滤波器实验---------------------------------------------------10
实验五采样定理---------------------------------------------------------------------12
实验六相关实验---------------------------------------------------------------------14
实验七位移测量实验---------------------------------------------------------------16
实验八计算机辅助测试实验------------------------------------------------------19
实验规则
1、实验前应认真阅读教材,进行实验预习,熟悉实验内容和步骤。
学生必须持实验预习报告进实验室,经教师检查及提问后合格者才可参加实验,否则不得参加实验。
2、预习时根据实验电路,根据实验内容及附录所提供的资料,通过分析计算,估算被测量的大小,以便正确选择测试仪表的档位和量程。
3、实验时,应明确每一实验步骤中各仪表状态及测试方法。
4、接好线路后,请指导教师检查无误后才可接通电源,进行实验。
5、实验做完后,将实验数据结果交给实验指导教师审阅,教师签字认可才可拆卸电路,按规定清点设备,实验小组组长在仪器卡上签字后,才可离开实验室。
6、实验小组指定一名小组长,实验前把参加实验的小组成员名单交给教师,实验小组成员没有正当理由不得变更。
7、实验后用统一的报告纸写实验报告,实验报告应根据实验结果。
实验现象,实验数据进行分析,要理论理想实际,写出有分析,有理论计算,误差分析等内容的实验报告。
分析总结的过程就是提高的过程。
8、实验成绩的评定是以操作能力,分析解决问题的能力为主。
因此要求同学积极参与,实验成绩不及格者,不得参加期末考试。
9、实验课和课堂上课一样重要,因此,要求同学提前十分钟走进实验室静心准备实验。
10、注意安全用电,实验过程中发现异常现象及异味,应及时切断电源,查找原因,请教师协助排除故障后才可继续进行实验。
实验一非正弦周期信号的分解与合成
一、实验目的
1.掌握傅立叶级数谐波分析方法
2.了解不同的非正弦周期信号波形的谐波成分有哪些不同,进一步掌握锯齿波与方波所含频谱的差异。
二、实验仪器
1.XPF-4型谐波分析实验仪一台
2.双踪示波器一台
3.数字万用表一个
三、实验内容
1.锯齿波波形的分解与合成
2.方波波形的分解与合成
四、实验步骤
1.锯齿波波形的分解与合成
(1)接通实验仪交流220V电源,拨动“电源”开关,指示灯亮。
(2)将锯齿波信号接入滤波器的输入端。
将各通道幅值调到最大。
(3)用示波器和万用表观察、记录各通道输出波形的幅值与频率并填入表1-1
带通滤波器7f0相位调节正反向选择幅度调节
幅值示波器
加x轴y轴
器
对称
带通滤波器f0相位调节正反向选择幅度调节
图1-1
表1-1锯齿波的幅频特性
通道
f0
2f0
3f0
4f0
5f0
6f0
7f0
锯齿波
频率
有效值(v)
(4)用李沙育图形法观察与调节各谐波与基波分量的相位差为零
将基波分量相位调节后的波形送示波器的有y轴,2f0分量相位调节后的信号送示波器的X轴。
按下示波器上的X-Y方式转换按钮CH1-X键,屏幕上出现李沙育图形(适当降低示波器的亮度,以避免示波器荧光粉受损),调节2f0分量相位,使李沙育图形满足图1-2所示波形。
之后,f0分量相位调节器不动,分别观察和调节其他各通道的李沙育图形,使其满足要求(相位差为0)
二次谐波与基波三次谐波与基波四次谐波与基波
五次谐波与基波六次谐波与基波七次谐波与基波
图1-2各高次谐波与基波的李沙育图形
(5)将示波器的一个通道接入加法器输出,另一个通道锯齿波输出端,恢复示波器的双通道显示方式。
将正反相选择开关全部拨向正向。
将加法器前的2f0~7f0开关拨向地端,观察双通道波形
(6)依次打开2f0~7f0开关,观察合成波形地变化,记录其总叠加波形
各次谐波的波形与相位各次谐波的总叠加波形
(7)将基波分别与2f0~7f0波形叠加(任选2个通道),在输出端观察结果并记录。
2.方波的分解与合成
(1)将方波信号接入滤波器的输入端,调节对称旋钮,使其对称(用示波器观察其波形)重复锯齿波的分解与合成实验的过程,将相应的数据填入表1-2并记录相应的合成图形
表1-2方波的幅频特性
通道
f0
2f0
3f0
4f0
5f0
6f0
7f0
方波
频率
有效值(v)
五、实验报告要求
1.根据实验数据,在同一坐标纸上,画出锯齿波及分解后的基波和各次谐波波形,
2.画出锯齿波与方波合成的波形图(包括基波与各次谐波叠加及所有通道叠加波形)。
分析误差原因。
3.解答思考题。
六、思考题
1.滤波器输出时,各谐波分量之间需调节相位才能使相位为零,讨论误差产生的可能原因?
2.波形合成后,其波形与原信号不太一致,原因是什么?
实验二二阶系统特性测试
一、实验目的
1.掌握二级系统中阻尼比对系统频率特性的影响
2.全面掌握二级系统幅频与相频的特点
3.进一步理解二级系统阶跃响应的特点,掌握过渡过程的基本分析方法
二、实验仪器
1.TPESS-2型实验箱一台
2.双踪示波器一台
3.电位器10KΩ×1
三、实验内容
1.测量二阶系统的幅频特性与相频特性
2.二阶系统阶跃响应的测量
四、实验步骤
1.测量二阶系统的幅频特性与相频特性
(1)接通实验仪交流220V电源,拨动“电源”开关,指示灯亮。
(2)将函数波发生器的波形选择开关拨至正弦波,将正弦波信号串接10KΩ电位器后作为二阶网络状态轨迹显示模块的输入,将示波器的双通道分别接该模块的输入端和x轴输出端。
电路见图2-1
Rw示波器
函数波发生器
10kx轴y轴
图2-1
(3)函数波发生器的输出分别接至数字频率计与真有效值毫伏表,以便随时观察和控制输出信号的频率与幅值。
(4)调整正弦波的输出频率至4KHz,调整幅值,使其输出有效值为1v。
按表2-1的要求分别调整电位器的阻值,测量输出电压及输入输出之间的相位差,将测量结果填入表2-1
补充:
观察相位差的两种方法
1)李沙育图形法。
示波器用X-Y方式显示,把
输入示波器的X轴,把
输入示波器的Y轴,选择适当的档位,使之易于观测。
当两信号相位差为
时,波形为一直线,当两信号相位差为
时,波形为一个正椭圆,当两信号相位差为
时,波形为一个右斜椭圆,参见图2-2,此时,
。
当
时,与之类似,不过椭圆方向向左倾斜,
。
图2-2
2)
直接比较法。
利用示波器的双通道进行测试,把输入信号接入示波器一通道,输出接二通道,观察并计算相位差。
。
如图2-3。
图2-3
将正弦波的输出频率分别按表2-1的要求进行调整。
重复上一步骤,将测量结果填入表2-1。
表2-1二阶系统频率特性
频率
4KHz
15KHz
30KHz
80KHz
ξ为最小
Rw=0
Ucm(V)
A/B
ξ为中间值
Rw=(中间值)
Ucm(V)
A/B
ξ为最大
Rw=最大
Ucm(V)
A/B
注意:
(1)每调整一次频率,都要观察并调整其输出幅值,保证其输出幅值不变
(2)频率升高时,适当调整示波器的水平扫描开关
2.测固有频率根据二阶系统的特点,设计实验方法测出二阶系统的固有频率。
3.二阶系统阶跃响应的测量
(1)将输入信号频率改为f=0.5KHz,Um=2V的方波信号,将两个电位器逆时针旋转到阻值最小,将电容两端的电压分别引到示波器的x轴y轴,观察并记录两个波形与其李沙育图形,与图2-4(a)比较。
(a)欠阻尼时系统的阶跃响应
(b)临界阻尼时系统的阶跃响应
(c)过阻尼时系统的阶跃响应
图2-4
注:
实际观测中,由于
,示波器接收
,观察其图形并通过李沙育图形来观测两者之间的关系。
但由于示波器的两个输入端只有一个共地端,即两个探头的接地端电位必须一致,因而将电路简化成如下图7-3。
由于R=30Ω很小,近似认为
,
,用李沙育图形就可近似观察到RLC电路的状态轨迹。
观测超调量与振荡次数。
超调量=uφ/u1)×100%=,振荡次数:
。
uφ
u1
(2)保持方波幅值频率不变,逐渐调大
的阻值,观察其相应波形与李沙育图形,记录它的变化。
当
增大到一定程度后,电路将进入临界阻尼状态,记录此刻的
阻值,并记录相应波形与李沙育图形与7-2(b)相比较。
1、继续增大
,直至最大,这期间电路处于过阻尼状态。
记录相应波形并与图7-2(c)比较。
记录在
变大过程中,波形的变化。
2、将电路恢复到欠阻尼状态,不断调大方波频率,观察其波形的变化,记录之。
在电路处于临界阻尼、过阻尼状态下,不断调大方波频率,记录波形的变化。
再减小频率观察结果。
五、实验报告
1.整理实验结果,并加以必要的分析与计算(例如相位差计算),将计算结果填入表2-2
表2-2二阶系统频率特性
频率
4KHz
15KHz
30KHz
80KHz
ξ为最小
Rw=0
Ucm(V)
相位差
ξ为中间值
Rw=(中间值)
Ucm(V)
相位差
ξ为最大
Rw=最大
Ucm(V)
相位差
固有频率:
2.根据实验结果,绘制二阶系统的幅频曲线与相频曲线
3.回答思考题
六、思考题
1.什么情况下,RLC串联电路能实现不衰减的正弦波振荡,此时电路处于哪种状态。
实验三、金属箔式应变片单臂、半桥、全桥比较
一、实验目的
验证单臂、半桥、全桥性能
二、实验设备
CSY-910型传感器系统实验仪
三、实验步骤
1.有关旋钮初始设置
(1)直流稳压电源:
±2V档
(2)毫伏表:
±0.5V档,F/V表:
2V档
(3)差动放大器增益最大
(4)接通总电源及差动放大器电源(副电源)
(5)差动放大器调零:
用导线将正负输入端与地端连接起来,然后将输出端接到电压表的输入端插口,调整放大器的调零旋钮使表头指示为零,然后将增益旋钮调小。
(6)将测微头刻度预先旋至中部附近(15mm处,这样既可以再向上旋,又可以向下旋)。
装上测微头,旋紧固定螺丝。
转动测微头,使梁处于水平位置(目测)并将横向旋钮的0度线对准纵向刻度线。
由于测微头有一磁铁,这样随着旋钮的转动,梁端将随之上下移动,其位移可由测微头上的刻度测出。
2.金属箔式应变片单臂电桥的特性
(1)按图3-1接线图中R4为工作片,r及W1为调平衡网络。
+4V
R1Rw
R+电压表
W1-(V)
R2R3
-4V
图3-1金属箔式应变片单臂电桥接线图
(2)将直流稳压电源打到±4V档,选择适当的放大增益,然后调整电桥平衡电阻W1,使电压表表头指零(需预热几分种才能稳定下来)。
(3)向上、向下旋转测微头,使梁向上、向下移动,每隔1mm读一个数,将测量数据填入表3-1
表3-1金属箔式应变片单臂、半桥、全桥比较
位移(mm)
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
电压(单臂)mV
电压(半桥)mV
电压(全桥)mV
3.金属箔式应变片半桥特性的测量
保持放大器增益不变,将R3换为与R4工作状态相反的另一应变片,形成半桥。
调好零点,重复上一步骤,将测得的数据填入表3-1
+4V
R1Rw
R+电压表
W1-(V)
R2R3
-4V
图3-2金属箔式应变片半桥接线图
4.金属箔式应变片全桥特性的测量
保持放大器增益不变,按图3-3接成应变片全桥电路。
调好零点,重复上一步骤,将测得的数据填入表3-1
+4V
R1Rw
R+电压表
W1-(V)
R2R3
-4V
图3-3金属箔式应变片全桥接线图
注意事项:
(1)接全桥时注意区别各应变片的工作状态与方向,不能接错
(2)直流稳压电源不能扩大,以免损坏应变片或造成严重自然效应
(3)在实验过程中如有发现电压表发生过载,应将量程扩大,可直接使用数字式电压表。
四、实验报告
1.在同一张坐标纸上描绘x-V曲线。
2.计算并比较三种接法的灵敏度。
实验四无源和有源滤波器实验
一、实验目的
1.了解无源和有源滤波器的种类,基本结构和特性。
2.学会测量滤波器的幅频和相频特性。
3.分析与比较无源和有源滤波器的滤波特性。
二、实验仪器
1.双踪示波器
2.TPE—SS2型实验箱
三、实验内容
1.测试无源滤波器的幅频及相频特性。
2.测试有源滤波器的幅频及相频特性。
四、实验步骤
1.低通滤波器的频率特性测量
将实验箱中的函数波发生器的波形开关拨至正弦波,频率粗调调至最低档(10~100Hz),将信号输出接至无源低通滤波器的信号输入端,调整正弦波幅值,使其有效值在1V左右(用有效值毫伏表测量)。
逐渐改变信号频率,用交流毫伏表测量出相应的输出电压Uo的有效值,并将数据记录在表4-1中,同理用示波器分别观测Ui和Uo的波形,并大致测量输入与输出信号之间的相位差。
(方法见实验二)
表4-1低通滤波器的频率特性
频率(Hz)
10
100
800
2000
5000
*
6000
9000
*
10KHz
无源滤波器
Uo(V)
0.707
A/B
相位差
有源滤波器
Uo(V)
0.707
A/B
相位差
注意:
(7)每次改变频率时,都必须观测输入信号,使Ui的幅值保持不变。
(8)在*处请仔细调节频率,使滤波器输出为输出最大值的0.707倍左右。
(9)相位差一相是根据测量的A、B计算出的相位差。
(10)有源滤波器实验时,输入端不可短路,以免损坏运算放大器。
当频率超过60KHz后,输出波形有可能会失真,这是由集成运放导致的。
2.测试无源和有源高通滤波器的幅频、相频特性。
将信号源的输出接至高通滤波器上,根据表4-2的频率要求重复上述步骤,将实验数据填入表4-2
表4-2高通滤波器的频率特性
频率(KHz)
10
20
*
30
50
*
60
70
75
123KHz
无源滤波器
Uo(V)
0.707
A/B
相位差
有源滤波器
Uo(V)
0.707
A/B
相位差
分析:
有源滤波器当频率升高时,幅值下降的原因。
3.带通、带阻滤波器截至频率的测量
首先在保证测量范围内找出最大输出电压有效值Uom(在保证输入电压有效值1V情况下)然后调整频率,找出截止频率:
在保证输入电压有效值1V情况下,输出幅值在Uom的0.707倍处。
此时的频率即为截止频率。
表4-3带通、带阻滤波器
fL(KHz)
fH(KHz)
Uom(Ui=1V)
无源带通滤波器
有源带通滤波器
无源带阻滤波器
有源带阻滤波器
五、实验报告
1.根据实验测量所得的实验数据,绘制各类滤波器的幅频特性曲线和相频特性曲线。
对于同类型的无源与有源滤波器的特性曲线,绘在同一坐标纸上,以便比较。
计算各个特征频率,截止频率和通频带,
2.比较分析各类无源与有源滤波器的滤波特性。
六、思考题
试比较有源滤波器与无源滤波器各自的优缺点。
实验五采样定理
一、实验目的
1.了解利用采样脉冲从连续信号中采样的方法以及信号的恢复方法。
2.验证采样定理。
二、实验仪器
1.双踪示波器一台
2.TPE-SS2型实验箱一台
三、实验内容
1.单一频率正弦波采样与恢复
2.多频率信号采样与恢复
四、实验步骤
1.八阶开关滤波器与低通滤波器截止频率估算
(1)打开电源。
请自行测量信号采样/恢复电路中提供的低通滤波器的幅频特性,估算截止频率。
(2)测试八阶开关电容滤波器频率特性,估算截止频率。
实验所用的是八阶低通开关电容滤波器。
由引脚CLK引入时钟频率,由引脚IN引入需滤波的信号,引脚OUT引出滤波合成输出。
要求输入电压范围在±4V之间,截止频率
从0.1Hz~25KHz,推荐使用时钟最高频率为2.5MHz,其输出负载要求不少于20KΩ。
实验箱提供了四组矩形脉冲,其频率由晶振分频得出,稳定性高。
实验中同学们可直接使用它们作时钟信号,也可另外引入一个
以上的方波作为时钟信号。
(3)测量方波发生器采样频率。
fsmin=fsmax=
2.单一频率正弦波的采样与恢复
(1)将频率f=50Hz,幅值不超过4伏的正弦波信号接入采样器的输入端,采样器的输出端接低通滤波器。
用示波器观察其抽样结果与通过滤波器后的抽样结果。
改变抽样频率fs,从最小调至最大,观察变化(由于频率较低,注意示波器的档位),绘制fs为最小和最大时的采样与恢复波形。
(2)改变输入信号频率,f=100Hz,,再次调节fs,观察输出波形的变化,并解释出现变化的原因,若想避免这个问题,应如何解决,试实验并验证之。
(3)继续加大输入正弦波的频率,在多大频率附近又会出现什么现象,并解释之。
3.含多频率信号的抽样与恢复
(1)将采样频率调至1.8K,将信号采样/恢复信号输入端改至由“信号分解与合成”的加法器端输入,采样信号输出端接至八阶开关电容滤波器信号输入端。
“信号分解与合成”由锯齿波作为信号输入。
接线图如图5-1所示:
INOUT
CLK
八阶开关
采样器电容滤波器
方波发生器
图5-1多频率信号的抽样与恢复接线图
(2)先将f0BPF-1信号送到加法器,观察采样后及恢复之后的信号,再逐渐加入2f0、3f0、4f0、…,逐一画出输入输出的波形,出现输出波形频率失真的最高频率分量f=。
要想让7f0信号不失真的采样频率应≥。
五、实验报告
1.写出测量低通滤波器幅频特性的步骤及连线图,并得出估计的截止频率
2.测量方波发生器的采样频率fsmin=fsmax=及测量方法
3.绘制单一频率正弦波采样前与恢复后的波形,(fsmin和fsmax时)并回答有关问题及解决方案。
4.分别绘制f0+2f0、+3f0、+4f0、…,时的采样与恢复波形,并回答有关问题。
六、思考题
1.非正弦周期信号抽样恢复后失真的原因是什么?
实验六相关实验
一、实验目的
1.掌握“同频检测”的理论基础――相关原理
2.测试同频检测器排除噪声的能力
3.了解复杂时间信号的频率结构及谱分析方法
二、实验设备
1.TPJ-4同频检测学习机一台
2.XPF-4谐波分析实验仪一台
3.双踪示波器一台
4.信号发生器一台
三、实验内容
1.互相关函数Rxy(τ)曲线绘制
2.同频检测的排噪能力的实验
3.频谱分析实验
四、实验步骤
1.互相关函数Rxy(τ)曲线绘制
(1)将TPJ-4同频检测学习机的“频率选择”置任一档(如300Hz),用示波器观察0o,90o,180o,270o,四路正交正弦信号,观察0o~360o移相输出信号。
(2)将工作选择开关置0o,(此时,内部正弦信号自动接模拟同频光电信号J8);模拟信号开关置ON,此时0o~360o移相输出信号自动接至加法器J6,在0o相移时,调节其频率,使“同频检测输出表”输出为满刻度,即100μA,记下J13及J9点波形。
(3)将0o~360o移相输出信号按四个象限,每象限按10o分档(共36档)调节移相角φ(代表y(t)的时间延迟)。
分别读出同频检测输出表的读数及相应的J13点的波形,并绘出Rxy(τ)波形,将测量结果填入表6-1。
表7-1同频检测输出数据
延迟(度)
0
30
90
120
180
210
270
330
同频检测输出
2.同频检测的排噪能力的实验
(1)将TPJ-4同频检测学习机的模拟信号开关置ON,选择频率f0=300Hz,相角选0o。
工作选择开关置0o,则方波基准信号也为300Hz。
调节幅值调节旋钮,使同频检测输出为满刻度的二分之一(即50μA)。
注意调节示波器的档位。
(2)由信号发生器给出100Hz正弦信号,模拟噪声干扰,输入学习机的J7点,用示波器观察J5、J7两点,调节干扰信号的幅值,使其分别为模拟信号幅值的0.5倍,1倍,2倍,观察并记录同频检测表输出读数的变化。
(3)改变信号发生器输出信号频率,观察相关处理输出结果。
(4)画出有用信号、噪声干扰信号及叠加复杂信号(只画一组)。
3.频谱分析实验
(1)将