测试技术实验指导书.doc

现代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 XPF4 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11 带通滤波器7 f0 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 11 表11 锯齿波的幅频特性通 道f02f03f04f05f06f07f0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12 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2f07f0开关拨向地端，观察双通道波形（6） 依次打开2f07f0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2f07f0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12并记录相应的合成图形表12 方波的幅频特性通 道f02f03f04f05f06f07f0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1TPESS-2型实验箱 一台2双踪示波器 一台3电位器 10K1三、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10K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21 Rw 示波器 函数波发生器 10k x轴 y轴图21（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21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21 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2-22) 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23。图23 将正弦波的输出频率分别按表21的要求进行调整。重复上一步骤，将测量结果填入表21。表 21 二阶系统频率特性频 率4KHz15 KHz30KHz80KHz为最小Rw=0Ucm(V)A/B为中间值Rw=（中间值）Ucm(V)A/B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，Um2V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24（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=30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u/u1）100 ，振荡次数： 。 u 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22表 22 二阶系统频率特性频 率4KHz15 KHz30KHz80KHz为最小Rw=0Ucm(V)相位差为中间值Rw=（中间值）Ucm(V)相位差为最大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31接线 图中 R4为工作片，r及W1为调平衡网络。 +4V R1 Rw R + 电压表 W1 （V） R2 R3-4V 图31 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31表31金属箔式应变片单臂、半桥、全桥比较位移（mm）-5-4-3-2-1012345电压（单臂）mV电压（半桥）mV电压（全桥）mV3 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31 +4V R1 Rw R + 电压表 W1 （V） R2 R3-4V 图32 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33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31 +4V R1 Rw R + 电压表 W1 （V） R2 R3-4V图33 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 TPESS2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（10100Hz），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41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41 低通滤波器的频率特性频率（Hz）1010080020005000*60009000*10KHz无源滤波器Uo(V)0.707A/B相位差有源滤波器Uo(V)0.707A/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42的频率要求重复上述步骤，将实验数据填入表42表42 高通滤波器的频率特性频率（KHz）1020*3050*607075123KHz无源滤波器Uo(V)0.707A/B相位差有源滤波器Uo(V)0.707A/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 43 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2TPE-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0.1Hz25KHz，推荐使用时钟最高频率为2.5MHz，其输出负载要求不少于20K。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51所示： IN OUT CLK八阶开关采样器 电容滤波器 方波发生器 图51 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f02f0、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1TPJ-4同频检测学习机 一台2XPF-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（）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（）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0o360o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0o360o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100A，记下J13及J9点波形。（3） 将0o360o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（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（）波形，将测量结果填入表61。表 71 同频检测输出数据延 迟（度）03090120180210270330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50A）。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TPJ-4同频检测学习机上的工作选择开关置“关”，模拟信号开关置OFF，频率选择置30Hz，调节幅值为1V左右。（2） 利用XPF-4谐波分析实验仪加法器输出作为相关处理的模拟信号输入接至J6；选择锯齿波作为谐波分析仪的输入信号；接线图如图71 XPF-4谐波分析实验仪 示 波 器 x轴 y轴 TPJ-4同频检测学习机 信号发生器 图61 频谱分析实验接线图（3） 在谐波分析仪中加法器前的各通道开关中任选3个开关接通加法器，其他开关接地，如选择f0、f2、f4等，则输出为多个频率分量组成的复杂信号。（4） 利用谐波分析仪逐渐调整信号发生器的输出频率，当同频检测输出表头有较大输出时，表明模拟信号中有此频率相近的频率分量。记下读数。继续调节信号发生器的输出频率，直到找出所有频率分量。（5） 画出幅频图。五、实验报告1 根据表71中的延迟度数，绘制J13点处波形。2 绘制互相关函数Rxy（）曲线3 同频检测的排噪能力的实验部分：画出有用信号、噪声干扰信号及叠加复杂信号（只画一组）。4 绘出多频率分量组成的复杂信号的幅频特性图。5 回答思考题六、思考题1相关处理输出在检测频率附近时，越接近信号频率，表头摆动越慢，而相应的摆幅越大，为什么？实验包：A包：完成实验1 起评分60； 满分80B包：完成实验1、2 起评分80； 满分90B包：完成实验1、2 、3 起评分90； 满分100实验七 位移测量实验一、实验目的1 比较几种不同的传感器静态特性的差别2 了解几种位移测量系统的组成二、实验设备1GSY型传感器系统实验仪 一台3双踪示波器 一台4万用表 一台三、实验内容1 差动变压器式位移测量2 电涡流式位移测量3 霍尔式位移测量4 差动变面积式电容位移测量四、实验步骤1差动变压器式位移测量 所需单元及部件：音频振荡器、差动放大电路、移相器、相敏检波器、低通滤波器、测微头、电桥、电压表 （1）按图51接好线路音频振荡器 0 c Lv + - W1 W2 r 图 7-1 差动变压器式位移测量接线图（2） 装上测微头，上下调整使差动变压器铁心处于线圈的中段位置（3） 利用示波器，调整音频振荡器幅度旋钮，使激励电压幅值为1.5V（4） 利用示波器和电压表，调整各调零及平衡电位器，使电压表指零（5） 给梁一个较大的位移，调整移相器，使电压表指示为最大，同时可用示波器观察相敏检波器的输出波形（6） 旋转微测头，每隔1.00mm读数记录实验数据，填入表71： 表71 位移的测量位 移 mm54321012345电压mV差动变压器式电涡流式霍尔式差动变面积电容2. 电涡流式位移测量 （1）装好传感器和测微头。 （2）观察传感器的结构，它是一个平绕线圈。 （3）用导线将传感器接入涡流变换器的输入端，将输出端接至电压表，电压表初始位置置于20V档。见图62涡流传感器 涡流变换器 图72 电涡流式位移测量接线图 （4）松开固定涡流传感器的螺丝，使之与被测铝片有一较大距离（大约10mm）并固定之。 （5）用示波器观察涡流变换器输入端波形。 （6）旋转测微头改变传感器与被测体的距离，记录电压表度数，填入表613 霍尔式位移测量（1） 按图73接线，W1、r1为电桥单元中的直流平衡网络。 +2V + - -2V 图 73霍尔式位移测量接线图（2） 装好测微头（3） 开启电源，差动放大器调零，然后接好线路（4） 调整w1使电压表指示为零（5） 上下旋转测微头，记下电压表的读数，将数据填入表61注意：激励电压不能增大，以免损坏霍尔片4 差动变面积式电容位移测量（1） 将电容变换器增益，差动放大器增益调至最大，差动放大器的调零也调至最大，按图64接线（2） 装上测微头，将标尺旋至10mm左右，在附近上下旋转，调至输入电压最接近0处。再细调差动放大器的调零旋转，使数字电压表显示为零。注意：电容器中的动、静触片不能相碰（3） 旋状测微头，将电压表的数据填入表71 1 3