1、电子测量实验报告电子测量原理实验指导书电子测量实验报告电子测量原理实验指导书电子测量原理 实验指导书 _大学自动化学院 目 录 电子测量实验系统组成原理及操作 1 电子计数器原理及应用 10 示波器原理及应用 16 R、L、C参数测量 24 逻辑分析仪原理及应用 31 交流电压测量 40 电子测量实验系统组成原理及操作 一、实验目的 1了解SJ-8002B电子测量实验系统的原理和组成。 2学习操作本实验系统并完成一些简单实验。 二、实验内容 1操作本系统的实验箱内部DDS信号源，产生出多种信号波形，并用外接示波器观察。 2使用本实验箱内部数字示波器，去观察外部信号源的信号波形。 3使用本实验箱
2、内部数字示波器，观察内部DDS信号源产生的信号波形。 三、实验器材 1SJ-8002B电子测量实验箱 1台 2双踪示波器（20MHz模拟或数字示波器） 1台 3函数信号发生器（1Hz1MHz） 1台 4计算机(具有运行windows20_0和图形化控件的能力) 1台 四、实验原理 SJ-8002B电子测量实验系统由三大部分组成：a电子测量实验箱；b系列化的实验板；c微型计算机（含配套的实验软件），如图11所示。此外，实验中根据需要可以再配备一些辅助仪器，如通用示波器、信号源等。 图11 电子测量实验系统的基本组成 电子测量实验系统的外貌图如图12所示。 图12 电子测量实验系统 电子测量实验箱
3、主板如图13所示。 图13 电子测量实验箱主板 主板上的短路块说明： 短路块名 短路位置 连接说明 使用场合 S 左边 7109直流电压差分输入端DC不接地 温度实验时使用 右边 109直流电压差分输入端DC接地 通常情况下应用 S102 左边 采集两个通道输入Ain1和Ain2不连接 通常情况下应用 右边 采集两个通道输入Ain1和Ain2短接 快速检查实验板时使用 S602 置于“no” 信号源1输出不加滤波 一般情况 置于“filter” 信号源1输出加滤波 需加滤波 S702 置于“no” 信号源2输出不加滤波 一般情况 置于“filter” 信号源2输出加滤波 需加滤波 1电子测量实
4、验箱 实验箱由五个基本功能模块组成，即信号源模块、高速数据采集模块、测频模块、数电子测量字I/O模块、以及直流电压测量模块构成。这里先介绍两个模块，其他模块在相应实验中介绍。 （1）信号源模块 它是一个采用直接数字合成（DDS）的任意波形发生器，由平台软件直接提供了十六种函数的波形数据，可产生正弦波、方波、三角波等16种波形。也可以由用户自己提供波形的数据，产生用户所需的任意波形。信号源的频率和幅度均可由用户编程控制。DDS信号源的组成原理如图14所示。 图14 DDS信号源的组成结构 由图14可见：DDS信号源由相位累加器、RAM波形存储器、DAC数模转换器以及低通滤波器组成。其工作原理是：
5、相位累加器在时钟信号驱动下对频率控制码进行累加，输出累加值即相位序列码作为RAM的地址。从RAM里面取出预先存放的一个周期输出波形的幅值编码，然后再经DAC转换得到模拟的阶梯电压，最后经过低通滤波器使其平滑后即得到所需要的信号波形。 DDS信号源有如下优点：（1） 信号频率稳定，分辨率高，输出频点多（可达到2N-1个频点，N为相位累加器的位数）；（2）频率切换速度快，可达us级；（3）频率切换时相位连续；（4）可以产生任意波形信号，其主要性能指标为： 分辨力： 输出频率小于1MHz时分辨力为1Hz ； 输出频率范围：正弦波：1Hz 2MHz ，其它波形：1Hz 20_KHz； 输出信号幅度范围
6、：0.1V 16V峰峰值； 幅度分辨率：1； 通道数：2（2个独立的DDS信号源）。 （2）采集模块（数字示波器） 采集模块有CH1和CH2两个采集数据输入通道。通道增益、采样速率、采样点数、触发源等也可通过编程控制。图15所示为实验平台中数据采集模块的原理框图。该采集模块既可以实现示波器的功能也可以实现交流电压表等的功能。为了扩展输入的电压范围，通道中包含有前级衰减电路前级仪用放大电路中间衰减器和后级放大电路，最后由A/D转换电路，变换成数字量并且存储在RAM中，当采集完成以后计算机通过EPP口把数据取回，并对其进行数据处理。 数据采集采用了8位的A/D转换器，模拟输入电压范围（峰峰值）：-
7、50V到+50V； 采样速率20M、10M、5M、2.5M、1M、500K、250K、100K、50K、25K、12.5KSPS； 可程控增益20、10、5、2、1、0.5、0.2、0.1、0.05、0.02； 数据缓存深度：30KB。 图15 数据采集部分一个通道的原理框图 2系列化实验板 包括R、L、C电路实验板、滤波器电路实验板、温度检测实验板、CPLD实验板、键盘点阵实验板、电路自装实验板（白板）等，如图16所示。 图16 系列化实验板 实验平台上安装有一62芯的双排插座，系列化实验板插入此插座，实现实验板和平台之间的信号线的可靠连接，从而可进行不同的实验。 实验时，实验电路板插入62
8、芯插座接入测试平台，实验平台内的信号源模块通过插槽上的AO（模拟输出AO1和AO2）插脚给实验板提供激励信号；测试平台内的采集模块通过插座上的AI（模拟输入AI1和AI2）插脚实时的采集并存储实验板的输出响应信号。当采集完预置的点数后，微机通过EPP接口读取采集数据，再经分析和处理后，将实验结果显示在屏幕上。 五、实验步骤 1实验准备 （1）按照图1-7所示的方法连线，S602接“no”端。 （2）先打开实验箱电源，电源指示灯“亮”。然后在PC机上运行主界面程序，如图18所示，再从主界面进入“电子测量实验室”，其界面如图19所示，最后选择实验一，软件则自动打开了信号源和示波器的界面。 图17
9、实验连接框图 图18 主程序界面 图19 电子测量实验室界面 2信号源的操作 （1）虚拟信号源的面板如图110所示： 图110 信号源面板 （2）设置DDS信号源1的输出Aout1的幅度、频率，默认设置为幅度2.0V，频率4.885KHz。点选16种波形的任意几种，用外接示波器观察，并记录波形于表11中。 表11 _波 _波 _波 _波 _波 _波 _波 _波 3示波器功能操作 (1)虚拟数字存储示波器的面板如图111所示： 图111数字存储示波器 （2）设置信号源使它产生一个幅度（峰峰值）为5V，频率为5kHz的正弦波信号，点击数字存储示波器界面上的“开始”，选择合适的“秒/格”和“伏/格”
10、,其它选用默认值（耦合选“直流”，触发源选“时钟CLK1”，测量方式选“循环”），观察波形并记录于表1-2。把波形改为三角波、方波，用虚拟示波器观测幅度和频率，并与信号源相应的输出值进行比较。 表12 波形 峰值 频率 正弦波 三角波 方波 （3）用Q9线将Aout1和Ain1连接起来，在信号源面板上设置Aout1的幅度为3V、频率为5KHz，产生一个正弦波，用虚拟示波器观测幅度和频率。 六、思考和练习题 1虚拟仪器和传统仪器的组成和操作使用有什么不同？ 注意：1) 实验前不通电，先接线和插卡。 2）在运行软件前要先打开实验箱的电源。 3）示波器和信号源的软件界面可同时运行，但是信号源在修改设
11、置参数时，请先停止示波器的测量。 4）以上注意事项适合于本实验课程的其他实验。 电子计数器原理及应用 一、实验目的 1.了解频率测量的基本原理。 2.了解电子计数器测频/测周的基本功能。 3.熟悉电子计数器的使用方法。 二、实验内容 1.频率测量，并了解测频方式下：闸门时间与测量分辨率关系。 2.周期测量，并了解测周方式下：时标、周期倍增与测量分辨率关系。 三、实验器材 1.SJ-8002B电子测量实验箱 1台 2双踪示波器（20MHz模拟或数字示波器） 1台 3函数信号发生器（1Hz1MHz） 1台 4计算机(具有运行windows20_0和图形化控件的能力) 1台 四、实验原理 1.测频原
12、理 所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间变化的次数。电子计数器是严格按照fN/T的定义进行测频，其对应的测频原理方框图和工作时间波形如图2-1 所示。从图中可以看出测量过程：输入待测信号经过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可得到其频率。若闸门开启时间为T、待测信号频率为f_，在闸门时间内计数器计数值为N，则待测频率为 f_ = N/T (2-1) 若假设闸门时间为1s，计数器的值为1000，则待测信号频率应为1000Hz或1.000kHz，此时，测频分辨力为1Hz。 图2-1 测频原理框图和时间波形 2.测周原理 由于周期和频率
13、互为倒数，因此在测频的原理中对换一下待测信号和时基信号的输入通道就能完成周期的测量。其原理如图2-2所示。 时基 信号发生器 分频电路 脉冲 形成电路 闸门 电子计数器 门控电路 脉冲 形成电路 周期倍乘MMMMMMMMM To T_ 图2-2 测周原理图 待测信号T_通过脉冲形成电路取出一个周期方波信号加到门控电路，若时基信号(亦称为时标信号)周期为To，电子计数器读数为N，则待测信号周期的表达式为 （2-2） 例如：f_ = 50Hz，则主门打开1/50Hz（= 20ms）。若选择时基频率为fo = 10MHz，时基To0.1us，周期倍乘选1，则计数器计得的脉冲个数为 = 20_000
14、个，如以ms为单位，则计数器可读得20.0000(ms) ，此时，测周分辨力为0.1us。 3.中界频率 当直接测频和直接测周的量化误差相等时，就确定了一个测频和测周的频率分界点，这个分界点的频率值称为中界频率。由测频和测周的误差表达式并结合图2-3可以看出：测频时的量化误差和测周时的量化误差相等时，即可确定中界频率为 （2-3） 故 （2-4） 式中，为测频时选用的频标信号频率，即 闸门时间的倒数；为测周频时选用的时标信号频率，；当时，应使用测频的方法；当时，则应使用测周频的方法。对于一台电子计数器特定的应用状态，可以在同一坐标图上同时作出直接测频和直接测周的误差曲线（图2-3），两曲线的交
15、点即中界频率点。 4.电子计数器测频/测周的自动功能 电子计数器的自动测频/测周功能主要取决于中界频率。假定选择闸门时间为1s和测周/频时标信号频率为10MHz，则中界频率为MHz(=3162Hz)。因此在选用电子计数器自动测量时，先指定用测频的方式预测一下输入信号的频率，再与中界频率比较之后自动确定电子计数器测频/测周方式。 图2-3 测频和测周时的误差曲线 5测量时间和计数值 （1）测频模式 测量时间闸门时间T 计数值N= f_T 闸门时间短，测量低频信号，N可能很小，甚至为0，这种情况应避免。 由于我们使用24位计数器，计数值N224（16777216），否则溢出（OVER）。 （2）测
16、周模式 测量时间 计数值 测量时间与被测信号的周期和周期被乘系数成正比，若选择大的周期倍乘系数，测量低频信号时，测量时间将很长。 低频信号选用大的周期被乘系数和高的时标时，计数值会很大，产生溢出。 五、实验步骤 1.按如图2-4所示,连接实验系统。 图2-4 实验平台及实验器材连接图 说明：被测输入信号有两种接法，一种是如图2-3所示的，由外接信号发生器连接实验箱测频输入f_的BNC插座；一种是如图2-3所示的，由实验箱上的信号源Aout1(或Aout2)连接实验箱测频输入f_的BNC接头，并用示波器监测输入信号的幅度和频率大小。然后按照电子计数器测频/测周实验运行电子计数器程序进行测量。 2
17、.电子计数器的面板如图2-5所示。 图2-5 虚拟电子计数器面板 使用说明： （1）当选择测频/测周按钮置“测频”时，可选“闸门时间”分别为：1ms,10ms,100ms,1s,10s，时标选择旋钮不使能； （2） 当选择测频/测周按钮置“测周”时，可选“周期倍乘”分别为：1，10，100，1000，10000。时标选择旋钮可选10MHz,1MHz,100KHz,10KHz,1KHz。 （3）当选择“自动”按钮时，测频/测周按钮、时标选择旋钮和测频/测周按钮不使能，将自动根据被测信号与中界频率的大小关系来确定采用测频或测周方式，并显示相关内容。 注意：在“测周”模式下，若选择大的周期倍乘系数，
18、测量低频信号时，测量时间将很长。 3.电子计数器测频/测周实验 （） 利用函数信号发生器产生不同频率的信号，波形可分别为方波、正弦波、三角波，幅度为1V5V,由虚拟电子计数器对其进行“测频”，选择不同的闸门时间，对测量结果进行比较和分析。记录测量的频率值，并填入表2-1： 表2-1 信号频率 闸门时间 25Hz 250Hz 2kHz 20kHz 20_kHz 2MHz 1ms 不做 不做 10ms 不做 100ms 1s 10s 提问：本实验中测频模式，闸门时间选用10S时，测量2M信号为什么会溢出？ （） 利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号，波形可分别为方波、正弦波、三角波，幅度为1V5
19、V,由虚拟电子计数器对其进行“测频”，选择不同的闸门时间，对测量结果进行比较和分析。记录测量的频率值，并填入表2-2： 表2-2 信号频率 闸门时间 25Hz 250Hz 2kHz 20kHz 20_kHz 2MHz 1ms 不做 不做 10ms 不做 0.1s 1s 10s （） 利用函数信号发生器产生不同频率的信号，由虚拟电子计数器对其进行“测周”，时标选择为10MHz，幅度为2V，改变不同的周期倍乘，对测量结果进行比较和分析。记录测量的周期值，并填入表2-3： 表2-3 信号周期 周期倍乘 0.2s (5Hz) 20ms (50Hz) 2ms (500Hz) 0.2ms (5kHz) 2
20、0us (50kHz) 2us (0.5MHz) 1 10 100 不做 1000 不做 不做 10000 不做 不做 不做 提问：本实验中测周模式，周期被乘选用10时，测量5Hz信号为什么会溢出？ （） 利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号，由虚拟电子计数器对其进行“测周”，时标选择为10MHz，幅度为2V，改变不同的周期倍乘，对测量结果进行比较和分析。记录测量的周期值，并填入表2-4： 表2-4 信号周期 周期倍乘0.2s (5Hz) 20ms (50Hz) 2ms (500Hz) 0.2ms (5kHz) 20us (50kHz) 2us (0.5MHz) 1 10 100 不做 10
21、00 不做 不做 10000 不做 不做 不做 （5）利用函数信号发生器产生一个频率为60Hz,幅度为3V左右的方波信号，由虚拟电子计数器对其进行“测周”，选择不同的时标频率，对测量结果进行比较和分析。记录测量的周期值和频率值，并填入表2-5： 时标选择 10MHz 1MHz 100KHz 10KHz 1KHz 频率 周期 （6）利用函数信号发生器产生不同频率的信号，幅度为2V，由虚拟电子计数器对其进行测量，选择“自动方式”，观察仪器自动选择的“测频或测周”模式，记录测量的频率值和周期值，对测量结果进行比较和分析，并填入表2-6： 表2-6 信号频率 20Hz 20_Hz 3kHz 4kHz
22、50kHz 1.5MHz 测频/测周模式 实测频率 实测周期 六、思考和练习 1、分析以上测量数据，在电子计数器测频过程中，闸门时间对测量分辨力有何影响？ 2、时标选择对电子计数器测周分辨力有何影响？ 示波器原理及应用 一、实验目的 1了解数字示波器测量的基本原理。 2熟悉虚拟数字存储示波器的操作，观察几种典型信号的波形并进行参数测量。 二、实验内容 1测量周期信号的幅值、频率。 2测量信号的时域参数。 3、信号的测量、存储、回放。 4、观察李沙育图形。 三、实验器材 1SJ-8002B电子测量实验箱 1台 2双踪示波器（60MHz模拟或数字示波器） 1台 3函数信号发生器（0.1Hz10MH
23、z） 1台 4计算机(具有运行windows20_0和图形化控件的能力) 1台 四、实验原理 1数字示波器原理 数字存储示波器是用 A/D 变换器把模拟信号转换成数字信号，然后把数据存储在半导体存储器 RAM 中。当有需要时，将 RAM 中存储的内容调出，通过 LCD 用点阵或连线的方式再现波形，其原理框图可以参考图61。在这种示波器中信号采集和信号显示功能是分开的，它的功能和性能主要取决于进行信号采集与处理的A/D、RAM 和微处理器的性能。由于采用 RAM 存储器，可以快写数慢读数，或者慢写数快读数，这样即使得即使在观察缓慢信号或者观测高速信号时显示带宽限制时也不会有闪烁现象。 2虚拟数字
24、存储示波器组成 图61 虚拟数字存储示波器 虚拟示波器将计算机和测量功能融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器物理面板。通过相关的软件可以设计出的操作方便、形象逼真的仪器面板，不仅可以实现传统示波器的功能，而且具有存储、再现、分析、处理波形等特点，还可以进行各种信号的处理、加工和分析，完成各种规模的测量任务。而且仪器的体积小、耗电少，方便携带，可以在不同的计算机上使用。 在SJ-8002B中，采用了虚拟数字存储示波器的原理来实现数据的采集。其中的信号调理、AD转换、存储数据的SRAM以及控制逻辑都在是实验平台中，计算机主要起到了数据的处理和显示的作用
25、。 3SJ-8002B电子测量实验箱示波器硬件结构 （1）测量范围及指标 测量电压幅度范围：20V20V（峰峰值） 测量频率范围：1Hz1MHz 采样时钟：20MHz12.5KHz 数据缓存深度：64KB 显示波形的峰值、平均值、有效值和频率、周期等参数。 通道数： 2 垂直偏转因素(V/div) Div序号 div 3 4 5 6 7 8 9 垂直偏转因素(V/div) 50mv/div 0.1v/div 0.2v/div 0.5v/div 1v/ div 2v/ div 5v/ div 量程(V) 0.5 1 2 5 10 20 50 通道总增益 2 1 0.5 0.2 0.1 0.05
26、0.02 水平时基因素（秒/格） 序号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 秒/格 0.1u 0.2u 0.5u 1u 2u 5u 10u 20u 50u 100u 采样频率Hz 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M 序号 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 秒/格 20_u 500u 1m 2m 5m 10m 20m 50m 0.1S 0.2S 采样频率Hz 10M 5M 2.5M 1M 500K 250K 100K 50K 25K 12.5K （2）硬件原理图 图62 SJ8002B示波器硬件原理图 图62为示波器模块的
27、原理框图。由图可见，高速采集的双通道是完全独立的，可以实现虚拟双踪数字存储示波器的各种功能，完成多种不同的测试任务。 4 数据处理 根据采集的波形数据，计算出被测信号的有效值、均值、峰值、频率。 离散信号的电压平均值及峰值的数学表达式如下所示： 电压有效值： 电压平均值： 电压峰峰值： 。 五、实验步骤 1实验准备 （1）按照图63连线。 示波器从Ain1输入，在两种连接方式中选择一种，使用外部信号源，使用内部信号源1通道。 （2）先打开实验箱电源，电源指示灯“亮”。然后在PC机上运行主界面程序，再从主界面进入“电子测量实验室”，最后选择实验六，软件则自动打开了信号源和示波器的界面。 图63
28、实验连接框图 2虚拟数字存储示波器面板 虚拟数字存储示波器面板如图64所示，它与实际的仪器有相似的面板，有CH1（绿）、CH2（黄）两个通道，面板下部还同时显示出伏/格、峰值(平均值、有效值)、频率、秒/格。 示波器显示波形窗水平通道和垂直通道均为10格（div）。 图64 虚拟数字存储示波器面板 3测量如下各种波形的参数 操作接在Ain1的信号源产生以下信号，用CH1（绿）通道进行测量，调整秒/格使信号波形在屏幕上显示25个周期，调整伏/格使信号波形充满半个屏幕到满屏。 （1）正弦波（Aout1，Ain1） 信号源产生一个正弦波如图65，用虚拟示波器观察,把显示面板上的峰值和频率填在表61中
29、。 图65 正弦波 表61 输入幅度(峰值V) 输入频率kHz 选择秒/格 读出秒格数 估算周期 估算频率 示波器频率读数 选择 伏/格 读出峰峰值伏格数 估算峰峰值 示波器峰值读数 根据读数计算 有效值 1 1 2 5 4 50 6 100 信号周期一个周期所占秒格数秒/格 信号频率1/信号周期 信号峰峰值波形垂直伏格数伏/格 峰值峰峰值 1/2 （2）三角波 图66 三角波 波形换成三角波如图66，观察波形对称度。 表62 输入幅度（峰值V） 输入频率（kHz） 选择 秒/格 格数 格数 1 1 5 5 5 50 8 100 图67 方波 （3）方波 信号源产生一个方波，用虚拟示波器观察上
30、升时间和下降时间。 表63 输入幅度（峰值V） 输入频率（kHz） 选择秒/格 秒/格读数 （s） 秒/格读数 （s） 5 100 5 20_5 500 图68 调幅波 （4）调幅波 用Q9线把Aout1和Ain1连接起来，启动虚拟信号源程序，产生一个调幅波，用示波器测量调幅系数 表64 输入幅度（峰值V） 输入频率（kHz） 选择 伏/格 a格数 b格数 m 5 0.5 5 5.0 5 20 4双踪显示波形的观测 由两台函数信号源分别产生两路电压信号，分别输入给Ain1和Ain2，一个信号幅度为5V，频率为5KHz的正弦波，另一个信号幅度为3V，频率为5KHz的三角波，由虚拟数字存储示波器进
31、行双踪显示，记录选择的伏格和秒格，并画出波形。 注意：实验箱主板上方的S102短路块位置放在左边。 画信号一波形： 画信号二波形： 5波形存储与回放 在用示波器测量的过程中，随时可以把波形数据保存。方法是点击面板上面的“保存”按钮，就会弹出一个对话框，取一个文件名，再选择路径、文件扩展名之后单击保存就能把波形数据保存在计算机的硬盘里。要把计算机硬盘里存储的波形文件打开，就直接单击面板上面的“打开”按钮（注意此时不能启动采集），就能够实现波形的回放，这时通过调节“伏/格”和“秒/格”能够改变波形的显示。 把实验步骤3中的波形先保存到硬盘，然后再打开，对比它们有无变化。 6观察李沙育图形 在双踪示波器上选择_-Y显示方式，利用示波器_和Y通道分别输入被测信号和一个已知信号，调节已知信号的频率使屏幕上出现稳定的图形，这些图形称为李沙育图形。 （1）调节电子实验箱输出通道Aout1和Aout2，输出相同正弦波信号，幅度为2V，频率为1KHz，调节示波器，使之工作于_-Y方式，Aout1输入示波器_通道，Aout2输入示波器Y通道，观察李沙育图形，并画出波形
