示波器仪器仪表的实验课件.pdf

实验目的：1、了解示波器的工作原理和技术指标。2、熟悉示波器面板上各旋钮的作用3、学会正确使用示波器测量各种电参数的方法4、用示波器测量电信号的幅值、频率和周期5、学会正确使用函数信号发生器、数字交流毫伏表。6、学习使用Mu 11 i s i m 7电子电路仿真软件。实验原理：（文字叙述，电路图）测量原理测量中所采用的原理、方法和技术措施。电子测量的对象是材料、元件、器件、整机和系统的特征电磁量。这些电磁量大致 包括：基本参量，如电压、功率、频率、阻抗、衰减和相移等；综合参量，如网络参 量、信号参量、波形参量和晶体管参量等；对于某一测量对象，一般有多种测量技术可供选择，而某一种测量技术又往往可用 于不同的测量对象。用于同一测量对象，不同测量技术的效果可能大致相同，也可能大 不相同。在电子测量中，对于不同参量、不同量程、不同频段以至不同传输线形式，往 往要采用不同的测量技术。直接和间接测量技术按照测量的实测对象，测量技术可分为以下两种。直接测量技术：在测量中，无需通过与被测量成函数关系的其他量的测量而直接 取得被测量值。如用电压表直接测量电压。其测量不确定度主要取决于测量器具的不确 定度，在一般测量中普遍采用。间接测量技术：在测量中，通过对与被测量成函数关系的其他量的测量而取得被 测量值。如通过测量电阻R两端的电压u和流经电阻R的电流I,然后利用R=u/I的 关系求得电阻值。其测量不确定度分量的数目要多一些，一般在被测量不便于直接测量 时采用。按照测量的进行方式，测量技术可分为以下两种。直接比较测量技术：在测量中，将被测量与已和其值的同一种量相比较。其测量 不确定度主要取决于标准量值的不确定度和比较器的灵敏度和分辨力，它可克服由于测 量装置的动态范围不够和频率响应不好所引入的非线性误差。替代法、换位法等属于这 一类。非直接比较测量技术：不是将被测量的全值与标准量值相比较的比较测量。微差 法、符合法、补偿法、谐振法、衡消法等属于这一类。在建立计量标准的测量中，经常采用基本测量技术，即绝对测量技术。这是通过对 有关的基本量的测量来确定被测量值。其测量不确定度一般是通过实验、分析和计算得 出，精度高，但所需装置复杂。无源参量和有源参量测量技术按照测量对象的性质，测量技术可分为以下两种。无源参量测量技术：无源参量表征材料、元件、无源器件和无源电路的电磁特性，如阻抗、传输特性和反射特性等。它只在适当信号激励下才能显露其固有特性时进行测 量。这类测量技术常称为激励与响应测量技术。由于测量时必需使用激励源，它又称为 有源测量技术。有源参量测量技术：有源参量表征电信号的电磁特性，如电压、功率、频率和场 强等。它的测量可以采用无源测量技术，即让被测的有源参量以适当方式激励一个特性 已知的无源网络，通过后者的响应求得被测参量的量值，如通过回路的谐振测量信号频 率。有源参量的测量也可采用有源测量技术，即把作为标准的同类有源参量与它相比较,从而求得其量值。此外，电子测量技术还可有许多分法，如模拟和数字测量技术;动态和静态测量技术；接触和非接触测量技术；内插和外推测量技术；实时和非实时测量技术；电桥法、Q表法、示波器法和反射计法等测量技术；时域、频域和数据域测量技术；点频、扫频和广频等测 量技术等。变换测量技术在电子测量中，为了绕过在某些量程、频段和测量域上对某些参量的测量困难和减 小测量的不确定度，广泛采用下列各种变换测量技术。参量变换测量技术：把被测参量变换为与它具有确定关系但测量起来更为有利 的另一参量进行测量，以求得原来参量的量值。例如，功率测量中的量热计是把被测功 率变换为热电势进行测量，而测热电阻功率计是把被测功率变换为电阻值进行测量；相 移测量中可把被测相位差变换为时间间隔进行测量；截止衰减器是把衰减量变换为长度 量进行测量；有些数字电压表是把被测电压变换为频率量进行测量。频率变换测量技术：利用外差变频把某一频率（一般是较高频率或较宽频段内 频率）的被测参量变换为另一频率（一般是较低频率或单一频率）的同样参量进行测量。这样做的一个重要原因是计量标准和测量器具在较低频率（尤其是直流）或单一频率上 的准确度通常会更高一些。例如，在衰减测量中的低频替代法和中频替代法就是在频率 变换基础上的比较测量技术；采样显示、采样锁相在原理上也是利用了采样变频的频率 变换测量技术。量值变换测量技术：把量值处于难以测量的边缘状态（太大或太小）的被测参 量，按某一已知比值变换为量值适中的同样参量进行测量。例如，用测量放大器、衰减 器、分流器、比例变压器或定向耦合器，把被测电压、电流或功率的量值升高或降低后 进行测量；用功率倍增法测噪声和用倍频法测频率值等。测量域变换测量技术：把在某一测量域中的测量变换到另一更为有利的测量域 中进行测量。例如，在频率稳定度测量中，为了更好地分析导致频率不稳的噪声模型，可以从时域测量变换到频域测量；在电压测量中，为了大幅度地提高分辨力，可以从模 拟域测量变换到数字域测量。减小测量的不确定度 测量的目标是以尽量小的不确定度求出被测量值。在电子测 量中，为了减小测量的不确定度，还可以采用以下的一些测量技术。双通道相关测量技术：在比较测量中，为了减小电路和环境条件的变化所引入的 误差，可采用双通道相关测量技术，也就是为被测的量和标准量建立两个相同的通道，从而使电路和环境条件的变化对它们的影响基本相同并相互抵消。卫星时间频率同步测 量中，为抵消通道时延而采用的双向法就是一例。自校准技术：为了消除某些测量器具在检定了一段时间之后所产生的误差，如温 漂和时漂等误差，可以为它们配备自校准（包括自调零）装置，以保证继续准确。例如 高精度数字电压表一般都具备自校准能力。测量数据处理技术：过去对于测量数据的处理总是在测量之后在纸面上进行。随着 计算机在测量中的应用，一些根据数理统计原理对测量数据的处理，如粗差的剔除、加 权平均、阿仑方差的计算等已能在测量时进行。测量中的技术措施在电子测量中，还有一些基本技术措施对于低电平、高频率、高精度的测量十分重 要。接地：接地不良会导致地回路电流，这将改变测量状态和影响测量结果。因此，对于测量系统的低电平部分要采用单点接地或浮地等技术措施。防干扰：为了减弱电磁干扰，须对敏感的输入部分采用电磁屏蔽，要在模拟和数 字两部分之间采用光电隔离，并采取去藕、滤波和同步抑制等技术措施以减弱或去除市 电和无用信号等干扰。此外，增强有用信号以提高信噪比也是防干扰的另一重要措施。阻抗匹配：阻抗匹配在电子测量中是一个重要问题。它牵涉到能否取得最佳功率 和防止反射、驻波的产生。为此还可以采用阻抗变换和缓冲隔离等技术措施。在集总参数的高频测量中，须采取防止和消除寄生分布参量影响的技术措施。电子测量技术对电子技术和其他科学技术的新原理、新方法、新器件和新工艺十分 敏感并且反应很快。例如，电子技术中的采样、锁相、频率合成、数字化、信号处理乃 至微处理机应用等技术，已广泛地用于电子测量技术中。此外，全景和分段的频谱分析 技术可用于信号特性的测量；时域反射和快速傅里叶变换技术可用于脉冲特性的测量；网络分析和六端口技术可用于网络特性的测量；程序控制和实时处理采用计算机技术等.至于激光、超导、遥测、自动控制、光导传输和图像显示等新成就，也都在电子测量技 术中得到了应用。电子测量的内容从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段而进行的测量，即以电子科学 技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量所进行的测量。电子测量的内容是：1.按具体的被测物理量来分类，电子测量包括下列电参数的测量：(1)电能量的测量：包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等测量。(2)电路参数的测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等 的测量。(3)电信号特征的测量 包括信号、频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数字信号的逻辑状态等的测量。(4)电子设备性能的测量 包括放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪 声系数的测量。(5)特性曲线的测量 包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。对各种非电量进行测量，一般方法是采用非电量的电测法，首先是通过传感器将众 多非电量(如温度、压力、流量等)转换成电量，再进行电子测量。2.从基本的测量对象来分类，电子测量是对电信号和电系统的测量：(1)电子测量的基本对象是未知的信号与系统(2)电子测量的基本工具是已知的信号与系统(3)电子测量的基本工作机理是信号与系统的相互作用一个系统与其输入、输出之间的关系可用图2-1表示，其中工和y分别表示输 入量与输出量，表示系统的传递特性。三者之间一般有如下的几种关系：1)已知系统的传递特性力和输出量y，来推知系统的输入量工。这就是用测 量系统来测未知物理量的测量过程。2)已知系统的输入量”)和输出量丁，求系统的传递特性人。这通常用于对被 测系统的特性测量或故障诊断，以及对测量系统的性能检定。3)若已知输入量%)和系统的传递特性以)，则可综合出系统的输出量y。这种方式可用于信号的产生，电压或功率分配，多级系统组建等。测量误差根据测量误差的性质，测量误差可分为随机误差、系统误差、粗大误差三类。随机误差的定义：在同一测量条件下(指在测量环境、测量人员、测量技术和测量 仪器都相同的条件下)，多次重复测量同一量值时(等精度测量)，每次测量误差的绝对 值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差随机误差的产生原因：对测量值影响微小但却互不相关的大量因素共同造成。这些 因素主要是噪声干扰、电磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地 微震、测量人员感官的无规律变化等。随机误差的新定义：随机误差(6)是测量结果看与在重复性条件下，对同一被测 量进行无限多次测量所得结果的平均值了之差。即a=xi-x%+,+%_ 1 V yx-乙乙“孔 i=i(n oo)定义的意义：随机误差是测量值与数学期望之差，它表明了测量结果的分散性随机误差愈小，精密度愈高。系统误差的定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值 和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。系统误差是由固定不变的或按确定规律变化的因素造成的，这些因素主要有：1）测量仪器方面的因素：仪器机构设计原理的缺点；仪器零件制造偏差和安装不 正确；电路的原理误差和电子元器件性能不稳定等。如把运算放大器当作理想运放，而 被忽略的输入阻抗、输出阻抗等引起的误差。2）环境方面的因素：测量时的实际环境条件（温度、湿度、大气压、电磁场等）对标准环境条件的偏差，测量过程中温度、湿度等按一定规律变化引起的误差。3）测量方法的因素：采用近似的测量方法或近似的计算公式等引起的误差，4）测量人员方面的因素：由于测量人员的个人特点，在刻度上估计读数时，习惯 偏于某一方向；动态测量时，记录快速变化信号有滞后的倾向。系统误差（）的定量定义：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所 得结果斗，迎，Z-s）的平均值元与被测量的真值4之差。即8 X 4在去掉随机因素（即随机误差）的影响后，平均值偏离真值的大小就是系统误差。系统误差差越小，测量就越准确。所以，系统误差经常用来表征测量准确度的高低。在任何一次测量中，系统误差和随机误差一般都是同时存在的，而且两者之间并不 存在绝对的界限。实验记录：按实验任务的顺序测取数据，填写数据表格，画出相应的波形图。一、正弦波的测量1、用示波器测量正弦波(1)VOLTS/DIV 位置：2V/格信号发生器输出信号波形正弦波电压幅度（峰-峰值）（V）10频率(Hz)50示波器测量电压和频率VOLTS/DIV 位置(V/格)2峰-峰值（V）读数（格）/TIME/DIV位置(ms/格)周期（ms）读数（格）/波形图:(2)TIME/DIV位置：5ms/格信号发生器输出信号波形正弦波电压幅度（峰-峰值）（V）10频率(Hz)50示波器测量电压和频率TIME/DIV位置(ms/格)5周期（ms）读数（格）/VOLTS/DIV 位置(V/格)峰-峰值（V）读数（格）/波形图:2、分别用示波器、毫伏表测量信号发生器输出正弦波的电压最大值、电压有效值Um 二 U 二实验记录：按实验任务的顺序测取数据，填写数据表格，画出相应的波形图。二、方波的测量2、用示波器测量方波（1）设置信号发生器输出频率：50Hz 改变输出电压幅度波形图:信号发生器输出信号波形方波频率（Hz）50电压幅度（峰-峰值）（V）示波器测量电压和频率TIME/DIV位置（ms/格）周期（ms）读数（格）/VOLTS/DIV 位置（V/格）峰-峰值（V）读数（格）/（2）设置信号发生器输出电压幅度：10V 改变输出频率信号发生器输出信号波形方波电压幅度（峰-峰值）（V）10频率（Hz）示波器测量电压和频率TIME/DIV位置（ms/格）周期（ms）读数（格）/VOLTS/DIV 位置（V/格）峰-峰值（V）读数（格）/波形图:实验记录：按实验任务的顺序测取数据，填写数据表格，画出相应的波形图。1、整流电路电路原理图：Us=Uo=整流输出电压波形：2、整流滤波电路电路原理图：Us=Uo=整流滤波输出电压波形:误差计算（相对误差）及分析: