实  验  指  导  书

电子测量实验室 编 写

实验一  示波器性能研究及使用

实验二  交流电压的测量

实验三  时间的测量

实验四  相位差和频率的测量

实验五  测量放大器参数测试

实验六 函数信号发生器的设计与调测

实验七 扫频仪的使用及有源滤波器性能测试

实验八 简易数显频率计的设计

前   言

《电子测量》是一门理论与实践并重的课程。它主要介绍电学中常见物理量（如电压、电流、电阻、电感、频谱、频率特性等）的测量方法、测量时使用的测量仪器以及基本的测量误差理论。学生通过本课程的学习，应该在理解原理的基础上，掌握各物理量的测量方法，会使用相关的测量仪器。

《电子测量》课程实验开设目的：首先是加深理解在课堂上获得的理论知识，将理论知识形象化；同时学习仪器设备的实际操作，加强动手能力，积累实践经验；另外通过一些综合性实验达到对已学过的其它课程知识融会贯通的效果。

实验一  示波器性能研究及使用

一  实验目的

熟悉示波器的工作原理；

掌握正确使用示波器测量各种参数的方法。

二  实验原理

我们可以把示波器简单地看成是具有图形显示的电压表。

普通的电压表是在其刻度盘移动的指针或数字显示来给出信号电压的测量度数。而示波器则不同，示波器具有屏幕，它能在屏幕上以图形的方式显示信号电压的随时间的变化，即波形。

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。

本次实验目的是熟悉示波器各功能旋钮的使用，掌握用屏面上波形及屏幕标尺测量波形幅值及时间的方法。示波器使用方法见附录一。

三  实验设备

1. 示波器  一台

2．信号发生器  一台

3．超高频毫伏表 一台

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”。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，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。

表1-1  偏转因数测量数据

（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（将衰减微调顺时针旋足）。

（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

7、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沙育图形。

五、思考题

1 能否用一个带宽为20MHz的示波器观测频率为15MHz的正弦波和方波？为什么？

2 当利用示波器观测某一直流信号时，示波器的输入耦合方式，触发耦合方式和扫描方式应如何选择？

3 什么是李沙育图形？用李沙育图形测频率是基于替代法、比较法还是微差法？

当偏转板上无扫描信号时，你能在荧光屏上看见什么？

实验二  交流电压的测量

一 实验目的

了解交流电压测量的基本原理，分析几种典型电压波形对不同检波特性电压表的响应，以及它们之间的换算关系，并对测量结果做误差分析。

二 实验原理

设被测交流电压的瞬时值为u（t），则：

全波平均值              

有效值        

波形因素      

波峰因素      

由于被测交流电压大多数是正弦电压，而且人们通常只希望测量其有效值，故除非特别说明，交流电压表都是以正弦波为测量对象，并按有效值定度，即表头示值是被测电压为正弦电压时的有效值。测量非正弦电压时，电压表的读数 必须通过波形因素或波峰因素换算才能得到测量结果：

对均值电压表            

    对峰值电压表            

对有效值电压表          

三 实验设备

1. 数字存储示波器ADS7062C  一台

2. .函数信号发生器SP12B   一台

 3. YB2172低频毫伏表   一台

 4. YB2174高频毫伏表  一台

四  实验步骤

1.被测电压波形对测量结果的影响。

（1）等读数测量：调节函数信号发生器输出频率为150KHZ，按下正弦波、三角波、或方波按钮，将分别得到这三种波形输出。

 a. 用超高频毫伏表（YB2174）测量正弦、三角和方波输出，调节函数信号发生器的幅度调节旋钮，使超高频毫伏表（YB2174）对不同电压波形读数都相同。

         例如： 1= 2= 3

      记录读数，用示波器观察三种波形并画出三种波形图，在图上标明被测电压的峰值。将超高频毫伏表的读数及示波器的读数填入表1。

 b. 用YB2172低频毫伏表测量三种电压波形，方法同上。

 c. 根据三种特性电压表的测量结果（读数），分别计算出被测电压的平均值、峰值和有效值填入表1，并对测量结果进行分析说明。

表1：

 a. 调节函数信号发生器，使输出频率为20KHZ，输出幅度为1V（用示波器监视）。分别输出正弦波、三角波和方波，用峰值电压表（YB2174）测量各输出波形，记录读数并填入表2中。

 b. 用YB2172低频毫伏表测量三种电压波形，方法同上。

 c. 用示波器测量三种波形的有效值，方法同上。

 d. 根据测量结果，计算被测电压的有效值，填入表2，并进行分析说明。

表2：

五、思考题

（1）在等幅度测量中，用峰值电压表测量三种波形时，读数相同吗？为什么？用均值电压表测量时，读数相同吗？为什么？

（2）在实际测量中，对于各种非正弦信号电压，如何得到其有效值电压？

（3）什么是波形误差？如何消除这项测量误差？

实验三  时间的测量

一  实验目的

1．掌握用示波器测量周期和时间的方法；

2．掌握用示波器测量时间间隔的方法。

二 实验原理

当示波器水平扫描速度开关微调在校准位置时，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。 

  1  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4-1 所示。

图4.1  周期的测量

[例4-1]  测得如图4-1（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： T=5 ×0 5 =2.5µS 

2 时间间隔测量

用示波器测量如图4-2 所示，波形中两点的时间间隔T 时，可用上述方法测量。

图4.2测量波形中两点的时间间隔

3  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 4.4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4.4 所示，即可在水平中心线上读出 时间t2。 将时间t1 和t2相加，即为脉冲的上升时间。

图4.4 脉冲上升（或下降）时间测量            图 4.5 脉冲宽度测量

⑵ 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。

三 实验设备

1. 数字存储示波器ADS7062C  一台

2. 函数信号发生器SP12B   一台

 3. 导线   若干

四  实验步骤

1. 正弦波周期的测量

将函数信号发生器SP12B的输出接至数字存储示波器ADS7062C的输入（如通道A），开启示波器、信号发生器电源。信号源频率设置为800Hz(正弦波)、输出幅度（峰峰值为2伏）；将示波器通道A的扫描线调整在零位，调节垂直灵敏度使波形在屏幕上显示一个完整的正弦波；按下RUN/STOP按钮，用光标测量正弦波的周期，并将结果填入表4.1。 

表4.1  正弦波周期的测量

保持信号源频率和幅度不变（800Hz,峰峰值2伏），将波形设置为方波输出；按下RUN/STOP按钮，用光标测量脉冲的宽度，将结果填入表4.2.

表4.2 方波脉冲宽度的测量

    测量条件如2，示波器触发设定为上升沿触发，调节水平扫描时间旋钮，使方波信号上升沿观察到明显的变化，按下RUN/STOP按钮，用光标测量方波的上升时间，并将结果填入表4.3。

表4.3 方波上升沿的测量

    测量条件及方法如3，示波器触发设定为下降沿触发，按下RUN/STOP按钮，用光标测量方波的上升时间，并将结果填入表4.4。

表4.4 方波下降沿的测量

1. 计算测量的结果，并分析相对误差；

2. 时间测量还有哪些方法方法？

实验四  相位差和频率的测量

一  实验目的

掌握用示波器测量相位差的方法；

学会用李沙育图形测量信号频率及相位差。

二  实验原理

1. 用测量时间的方法转换成测量相位差

当用双综示波器测量两同频率，但有相位差的正弦波时，其波形如图5.1所示。则两正弦波的相位差的计算式： 

图5.1  相位差的测量

2. 用用李沙育图形测量频率和相位差

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。

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，荧光屏上才会出现稳定的闭环图形， 图5.2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。

（a）频率相同时的李沙育图形

（b）标准信号频率高于被测信号频率时的李沙育图形

（c）标准信号频率低于被测信号频率时的李沙育图形

图5.2 用李沙育图形测量频率

三  实验设备

1. 数字存储示波器ADS7062C  一台

2. 函数信号发生器SP12B   一台

3. 高频信号发生器           一台

4. 移相电路板               一块

5. 导线若干

四 使用步骤

1. 测量同频率正弦量的相位差

将函数信号发生器（频率调节至75KHz，VP-P=3.0V）的输出端接至数字示波器的通道B，并和移相电路的输入端相连，移相电路的输出端和数字示波器的通道A相连；将数字示波器的显示设置为X-Y方式，调节移相电路的电位器分别出现如图5.2（a）所示的图形，并将示波器设置为常规方式，测量其相位差。并将测量的数据填入表5.1中。

表5.1 相位差的常规测量

将高频信号发生器（输出幅度VP-P=3V）的输出接至示波器的通道A，函数信号发生器的频率和输出幅度分别调节到1000Hz，VP-P=3V；将高频信号发生器频率缓慢地调节（＞1000Hz），当分别观察到Lissajous图形如图5.2（b）的形状时，记录下高频信号发生器的频率。

将高频信号发生器频率缓慢地调节（＜1000Hz），当分别观察到Lissajous图形如图5.2（b）的形状时，记录下高频信号发生器的频率。

五 使用总结

1．测量相位差的方法还有哪些？ 

2．测量相位差的方法各有哪些优缺点？

3. 除了Lissajous图形法测量频率的方法外， 还有哪些方法可以测频？

实验五  测量放大器参数测试

一 实验目的

1．学会测量放大器参数的测试及方法；

2. 理解测量放大器的性能指标；

3. 进一步熟悉常用电子仪器设备的使用。

二 实验原理

测量放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。大多数情况下，测量放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109 Ω。其输入偏置电流也应很低，典型值为 1 nA至 50 nA。与运算放大器一样，其输出阻抗很低，在低频段通常仅有几毫欧（mΩ）。

测量放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、高增益及调节方便等优点，能将差动输入信号转换为单端输出信号，通常用作传感器放大器及各种微弱电信号的放大。下面对测量放大器共模抑制能力进行分析，以确定在电路设计时如何选择器件。

    测量放大器的电路形式如图6.1所示。第一级采用两个运放组成同相放大器，可获得很高的输入阻抗。设运放A1、A2的共模抑制比为和，则可推出第一级电路的共模抑制比如下：

                                  （1）

    由（1）式知，严格挑选运放A1、A2，使其共模抑制比尽量相等，则可保证第一级的共模抑制比尽可能大。

第二级由运放A3组成差动放大器，在理想情况下，运放器件本身的为无穷大，若R5=R6，R7=R8，即电路处于完全平衡状态，则共模输入信号可完全被抑制，放大器输出信号只反映差模输入。因此，对共模信号的实际抑制程度，取决于运放器件本身的值的大小和外部电路电阻的匹配误差。在失配最严重的情况下，可推导出由于电阻的失配所引起的共模抑制比为，则可推出第二级的共模抑制比为：

          （2）

式中为运放A3本身的共模抑制比。整个放大器的共模抑制比为：

                         （3）

当时，（3）式可简化为：

                                  （4）

可以证明，该测量放大器的差模增益计算公式如下：

                       （5）

一般是通过调节RG来改变差模增益。

三  实验设备

1. 检测与转换实验台YL610  一台

2. 数字存储示波器ADS7062C  一台

3. 信号发生器SP12B   一台

4. 实验电路板     一块

5. 万用表 UT56   一块

四  实验步骤

图6.2 测量放大器实际电路图

1. 测量放大器调零

将实验台的正负15伏电源接入到实验电路板的电源端；再将电路板两输入端短接，并与电路板的地相连；万用表与输出端连接。合上实验台的电源开关，调节RW4使仪表放大器输出为零。

2. 测量差摸放大倍数

将函数信号发生器的频率调节至1000Hz，波形设置为正弦波，输出幅度调节至最小。并将信号源的输出接到仪表放大器的输入端，下端与地相连。用数字存储示波器通道A和B 分别测量输入和输出信号的峰峰值，并将测量的数据填入表6.1。

表6.1 差摸放大倍数的测量

   将仪表放大器的两输入端短路，信号源与放大器输入端和地相连。测量方法如2，并将测量结果填入表6.2。

               表6.2 共模放大倍数的测量

1. 计算差摸、共模放大倍数及共模抑制比；

2. 试论述测量放大器有何特点? 它与普通放大器有何不同?

实验六 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。

实验七 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

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

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

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。

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2 1Hz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。下载本文