电子测量原理实验指导书21.docx
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电子测量原理实验指导书21
第一章示波器原理及应用
1、实验目的
1.学习示波器和信号发生器原理,并完成相关测量。
2.了解虚拟仪器相关知识。
2、实验内容
1.操作本系统的虚拟信号发生器产生多种信号波形,并外接示波器观察。
2.使用本实验的虚拟示波器去观察外部信号输入。
3.使用虚拟示波器来观察虚拟信号发生器的输入波形。
3、实验器材
1.信号发生器一台;
2.示波器一台;
3.电脑一台(含PCI6251一块);
4.电子测量实验板;
4、实验原理
1.虚拟信号发生器原理
图1-1虚拟信号发生器原理图
如图1-1所示,在PC端软件界面上,进行波形、频率、电平等信号参数的设置,产生相应的数字信号,并在虚拟信号发生器界面上进行波形的显示;进行输出设备相关参数设置。
在数据采集卡的硬件模块中,进行D/A转换,后续输出级处理,包括功率放大、电平调整、阻抗匹配等。
最后输出设定的模拟信号。
图1-2是一个虚拟信号发生器的主界面。
前面板上半部分的显示窗口显示波形,频率和幅值按钮可以设置产生波形的频率和幅度。
偏移量大小的调整中间值,占空比的大小只对于方波的有效。
下部的触发开关调整波形产生的方式。
调整信号类型可以改变波形,下面的公式框图利用公式来产生波形。
噪声类型按钮可以加入不同的噪声,它的幅值可以在幅值按钮处进行修改。
运行程序后,要点击开始按钮才能产生波形,退出系统按钮可以退出程序。
Fs按钮修改采样频率,#s修改样点数,具体值会在相应实验中给出,自行调整时,注意fs要比设置需要的频率大两倍,注意不稳定现象出现的原因。
图1-2虚拟信号发生器前面板
2.虚拟示波器原理
图1-3虚拟信号发生器原理图
如图1-3所示,双通道被测信号经输入级处理,包括放大、衰减、滤波等,然后从数据采集卡模拟输入端口输入,由板卡内A/D转换模块进行数模转换,对被测信号进行采样和量化,获得数字信号。
在PC机上,基于LabVIEW软件平台,进行虚拟数字存储示波器的软件编程。
包括板卡参数的设置、采集参数的设置;数据采集卡传来的数字信号经过计算和处理,进行波形显示,虚拟数字存储示波器软件面板上可进行时基、幅度等显示参数设置;处理后的数据利用PC机的资源进行数据存储和读取,虚拟数字存储示波器软件面板上可进行存储参数设置,最终实现虚拟数字存储示波器。
图1-4是示波器的主界面,在示波器的界面左上部分的显示框显示波形,参数显示在波形的右边。
右边的触发沿可以选择上升沿还是下降沿。
当选择了两路的通道之后可以切换触发通道来让信号稳定显示,如果只是一路,这个值不能改变。
触发值的大小在图中触发值按钮下进行调节,一般不需要调节,默认为零。
幅度按钮可以调整显示窗口中一格代表的幅值大小,时基的按钮调整一格时基的大小。
可以进行通道的选择的,在通道选择按钮上进行调整。
开始按钮是启动键,暂停按钮使波形固定在面板上,用于稳定记录数据。
图1-4虚拟示波器前面板
5、实验步骤
1.信号发生器实验:
(1)物理连接:
连接Ai0和Ao0口让虚拟信号发生器和虚拟示波器通道1连接。
(2)设置虚拟信号发生器的幅值、频率,设置幅值为2.0V,频率4.885KHz。
输出三种波形,用外接示波器观察,并记录波形于表1-1中。
(或者用虚拟示波器观察然后把实验结果的图片截取下来)(在面板上填入fs=488500,#s=1000)(注意在运行程序之前要先给fs和#s赋值,然后点运行按钮之后要点击开始按钮)
表1-1
波形
峰值
频率
正弦波
三角波
方波
2.示波器实验:
实验前的步骤:
连接ai0和ao0,用CH1通道进行测量,调整秒/格使信号波形在屏幕上显示出可以分辨清晰的图形,调整伏/格使信号波形充满半个屏幕到满屏。
图1-5正弦波
(1)正弦波(Aout1,Ain1)
虚拟信号发生器产生一个正弦波如图1-5,用虚拟示波器观察,把显示面板上的峰值和频率填在表1-2中。
(输入频率为1KH和5KH时,fs=500000,#s=500。
当输入频率为50KH时,fs不变,#s=100,此时需要重新运行程序)
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
表1-2
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)方波
图1-6方波
虚拟信号发生器产生一个方波如图1-6所示,用外接示波器观察上升时间和下降时间,将ai0和ao0断开,连接外接示波器红接头接ai0黑接头地。
(fs=2*10^6,#s=100)记录在表1-3中。
表1-3
输入幅度(峰值V)
输入频率(kHz)
选择秒/格
秒/格读数
(μs)
秒/格读数
(μs)
5
100
5
200
5
500
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?
2.能否用一个带宽为20MHz的示波器观测重复频率为15MHz的正弦波和方波?
为什么?
3.利用示波器测量各种波形参数时,你如何减小其测量误差?
第二章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.双踪示波器或虚拟示波器
2.函数信号发生器或虚拟信号发生器(1Hz~1MHz)
3.计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力),PCI6251
4.电子测量实验板、连接线若干
四、实验原理
1.测频原理
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f=N/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fx,在闸门时间T内计数器计数值为N,则待测频率为
fx=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
图2-2测周原理图
待测信号Tx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:
fx=50Hz,则主门打开1/50Hz(=20ms)。
若选择时基频率为fo=10MHz,时基To=0.1us,周期倍乘选1,则计数器计得的脉冲个数为
=200000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),两曲线的交点即中界频率点。
图2-3测频和测周时的误差曲线
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。
实验已选择闸门时间为1s和测周时标信号频率为100Hz,则中界频率为316.2Hz。
因此在选用电子计数器自动测量时,将会用测频的方式预测一下输入信号的频率,与中界频率比较之后自动确定电子计数器测频/测周方式。
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=fx*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。
(2)测周模式
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。
五、实验内容
1.按实验说明,正确连接实验线路。
说明:
实验待测信号由虚拟信号发生器产生(也可由外部信号发生器产生)
Ø待测信号输出端:
ao0
Ø测频模式:
(使用计数器0进行边沿计数,待测信号作为源信号输入,内部时基作为计数的门控信号)
待测信号输入端:
CTR0_SOURCE
内部时基信号已连接
Ø测周模式:
(计数器0产生时基信号,作为计数器1的源信号,待测信号作为计数器1的门控信号)
待测信号输入端:
CTR1_GATE
时基信号输入端:
CTR1_SOURCE
时基信号输出端:
CTR0_OUT
按电子计数器测频/测周实验运行电子计数器程序进行测量。
2.电子计数器的面板如图2-4所示。
图2-4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;
(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。
时标选择旋钮可选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【自动测量时,时标自动设为100K,周期倍乘自动设为1,闸门时间自动设为1s】。
注意:
在“测周”模式下,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。
3.电子计数器测频/测周实验
(1)利用函数信号发生器产生不同频率的信号,波形设为方波,幅度为1V~5V,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
100kHz
10ms
不做
100ms
1s
10s
(2)利用函数信号发生器产生不同频率的方波信号,由虚拟电子计数器对其进行“测周”,时标选择为100KHz,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2-2:
表2-2
信号周期
周期倍乘
0.2s
(5Hz)
20ms
(50Hz)
2ms
(500Hz)
0.2ms
(5kHz)
20us
(50kHz)
1
10
100
1000
不做
不做
(3)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2-3:
表2-3
时标选择
1MHz
100KHz
10KHz
1KHz
实测周期
频率
(4)利用函数信号发生器产生不同频率的方波信号,幅度为3V,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2-4:
表2-4
信号频率
20Hz
200Hz
3kHz
4kHz
50kHz
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?
第三章R、L、C参数测量
一、实验目的
1.熟悉电阻、电感、电容(R、L、C)元件参数测试的原理。
2.掌握本实验系统测量R、C的基本方法。
二、实验要求
1.实验前要求预习关于“阻抗参数的数字化测量”相关内容。
2.基于本实验系统,完成R、C参数的测量,记录测量数据,并对电阻测量进行误差分析。
三、实验器材
1.双踪示波器或虚拟示波器1台
2.函数信号发生器或虚拟信号发生器(1Hz~1MHz)1台
3.计算机(含LabVIEW软件及DAQ插件)1台
4.数字万用表1块
5.RLC参数测量实验板?
1块
6.R、C被测试元件各3~5个
四、实验原理
1.R、L、C参数测试原理
图3-1R、L、C电路原理图
如图3-1中
为被测阻抗,
为采样电阻(标准电阻)。
为幅度频率可调信号源。
由图知:
?
(3-1)
令被测阻抗
(3-2)
则
(3-3)
(3-4)
式中
为
和
或
和
的相位差。
若被测阻抗
分别为Rx、Lx、Cx的理想元件(不考虑Lx、Cx的损耗),即
?
(3-5)
(3-6)
(3-7)
则有:
(3-8)
(3-9)
?
(3-10)
根据式(3-8)、(3-9)、(3-10),即可进行元件参数Rx、Lx、Cx的测量,式中
、
为同频正弦波的有效值或峰值,
为角频率。
与
相比,表现为幅度和相位的变化(对于纯电阻,无相位变化,对于L、C元件,相差
),通过改变采样电阻
的大小,即可改变R、L、C参数测量的量程。
图3-2是根据上述原理设计的RLC参数测量实验板。
图中,测试信号(正弦波)由RLC参数测量内部信号源产生(也可用外部信号源或前面的信号发生器程序产生),信号源峰值为1V(频率值为1kHz)。
图中
为实现测量校准的标准电阻,通过程序面板选择被测元件或校准电阻。
采用差分输入的方法通过Ai1和Ai2分别采集
、
的的电压U1、U2,实现信号采集并通过计算得到信号的幅值。
根据原理得到元件参数Rx、Lx、Cx,即3-8、3-9、3-10所得数值。
图3-2R、L、C参数测量实验板原理图
3.校准方法
因为运放的输入电阻不是无穷大,所以在测较大阻抗值的时候,由于运放的分流会产生结果的偏差,本软件内置校准测量功能。
可以在实验之前根据标准电阻算出校准系数,测相应量程阻抗时,输入校准系数再进行测量,就会得到比较精确的结果。
如在测1k电阻时,校准电阻选择1k,单击测量得出测量结果,在单击校准得出校准系数,记录此校准系数,并在测量外界电阻时将此校准系数输入校准系数栏,即能得到比较精确的结果。
五、实验步骤
1.实验准备
(1)连线
实验箱Ao0接到RLC参数测量实验板(以下简称实验板)信号输入端(RLC-IN);
实验板RLC-OUT1、RLC-OUT2接入实验箱68(+)、34(-)、33(+)、66(-);
实验箱Dop0.0、p0.1、p0.2接入实验板1A0、1A1、1A2,Dop1.0、p1.1接实验板2A0、2A1;1A3,2A2接GND(36)
(2)在PC机上运行RLC参数测量.Vi
2.校准电阻及校准系数测量
(1)RLC参数测量界面,如图3-3所示。
图3-3虚拟R、L、C测试仪面板测量300Ω电阻时
(2)在测试程序的主界面上,选择采样电阻和表3-1给出的校准电阻。
(3)先选择“电阻”,然后选量程,校准系数设为1(默认即为1),采用默认激励参数(1v、1kHz)。
(4)点击“测量”,根据状态提示做出相应调整就得到了阻抗值进行记录(量程和采样电阻对应关系见表3-4)。
再点击校准,读取校准系数并计入表格。
将测量值填入表3-1。
表3-1校准电阻测试
校准电阻(Ω)
选择电阻
量程
测量值
(读数,Ω)
绝对误差(Ω)
相对误差
校准系数
300
1K
10K
30K
100K
300K
1M
3.外加电阻测试
(1)选择5个待测电阻,并用数字万用表测量其阻值作为该电阻的实际值,填入表3-2中第一栏和第二栏。
(2)本实验使用软件内部信号源,提供默认频率为1kHz、幅度峰值为1V的激励信号。
(3)接入一个待测电阻,在测试程序的主界面上,校准电阻选择外接阻抗,测量元件选择“电阻”,然后选量程(用默认设置,30~300Ω)。
(4)点击“测量”,先根据面板的提示“状态”来更换量程,并根据量程输入相应校准系数,“30~300”(单位为Ω)是最小量程,选好量程后,将测量值填入下表。
观察左侧波形图显示的波形,注意由于是纯电阻测量,两个波形没有相位差。
将测量值填入表3-2中第三栏。
(5)将上述测量结果记录于表3-2,并用数字电压表测量值作为实际值,计算测量误差。
(6)改换另一个待测电阻,重复(3)~(5)。
表3-2外加电阻测试
标称值(Ω)
数字万用表测量值(Ω)
选择电阻
量程
校准系数
测量值
(读数,Ω)
绝对误差(Ω)
相对误差
4.电容测量
(1)校准系数确定:
在测试程序的主界面上,选择要测量的元件为“电容”;
校准电容选择102;然后选量程(量程和采样电阻对应关系见表3-4,选择相应量程应对应相应校准电容);
点击“测量”,根据状态提示做出相应调整就得到了粗侧电容值)。
再点击校准,读取校准系数并计入下表。
重复上述步骤。
电容
校准系数
电容
校准系数
电容
校准系数
电容
校准系数
102
103
104
105
(2)选择5个待测电容,将标称值填入表3-3中第一栏。
由于不易得
到电容的实际值(数字电压表测量电容误差较大),因此,电容测量不做误差分析。
(3)在测试程序的主界面上,选择要测量的元件为“电容”,然后选量程(用默认设置)。
(4)本实验使用软件内部信号源,默认频率为1kHz、幅度峰值为1V。
(5)点击“测量”,先根据面板的提示“状态”来更换量程,“100μ~1μ”对应最小量程,选好量程后,同时,观察左侧波形图上显示的波形,注意对于电容测量,两个波形相位差为
。
将测量结果(显示值)填入表3-3中第二栏,并根据公式(3-10)和各测量参数计算理论值,填入表中。
表3-3
标称值(uF)
选择
量程
校准系数
角频率
(rad/s)
比值
测量值
(读数,uF)
量程对应采样电阻Rr(Ω)
理论计算值(uF)
表3-4电容量程和采样电阻对应关系
序号
1
2
3
4
电感量程
电阻量程
1Ω~300Ω
300Ω~3kΩ
3kΩ~30kΩ
30kΩ~300kΩ
电容量程
100u~1u
1u~0.1u
0.1u~0.01u
0.01u~1000P
采样电阻Rr(Ω)
100
1k
10k
100k
六、思考和练习题
1.测量电容与哪些因素有关?
测量中应该注意什么?
2.分析R、L、C测量中误差产生的原因有哪些?
3.本实验仅对理想元件参数的测量,若对含有虚实部的阻抗(含电阻和电抗分量)测量,上述测量方法则不能实现,此时应如何改进测量方案?
第四章逻辑分析仪原理及应用
一、实验目的
1.了解逻辑分析仪的基本工作原理。
2.掌握虚拟逻辑分析仪的使用。
3.学会使用逻辑分析仪进行数字电路的测试分析。
二、实验内容
1.用逻辑分析仪分析组合逻辑译码器74138实验。
2.用逻辑分析仪分析时序逻辑电路十进制计数器74190及数码显示实验。
3.实验中译码器74138、计数器74190和译码器7447的真值表见附表。
三、实验器材
1.双踪示波器或虚拟示波器
2.函数信号发生器或虚拟信号发生器(1Hz~1MHz)
3.计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力),PCI6251
4.电子测量实验板?
逻辑分析仪模块、短接线若干
四、实验原理
1.逻辑分析仪原理
逻辑分析仪的组成结构如图4-1所示,它主要包括数据捕获和数据显示两大部分。
由于数字系统的测试一般要观察较长时间范围的信号间逻辑关系或较长的数据流才能进行分析,逻辑分析仪一般采用先进行数据捕获即采集并存储数据,然后进行数据显示并观察分析的方式。
因此逻辑分析仪内部结构可划分为两大部分:
数据捕获及数据显示。
数据捕获部分包括信号输入、采样、数据存储、触发产生和时钟电路等。
外部被测信号送到信号输入电路,与门限电平进行比较,通过比较器整形为符合逻辑分析仪内部逻辑电平的信号(如TTL电平信号)。
采样电路在采样时钟控制下对信号进行采样,采样获得的数据流送到触发产生电路进行触发识别,根据数据捕获方式,在数据流中搜索特定的数据字(触发字),当搜索到符合条件的触发字时,就产生触发信号。
数据存储电路在触发信号的作用下进行相应的数据存储控制,而时钟电路可以选择外时钟或内时钟作为系统的工作时钟。
数据捕获完成后,由显示控制电路将存储的数据以适当方式(波形或字符列表等)显示出来,以便对捕获的数据进行观察分析。
图4-1逻辑分析仪的组成结构
2.虚拟逻辑分析仪的面板
图4-2虚拟逻辑分析仪面板
使用说明:
实验选择分为74138实验和74190实验;计数方式分为递加计数和递减计数;显示点数范围为0—200;触发方式分为:
手动触发和序列触发,每次实验时,触发显示将显示本次实验选择的触发方式;触发序列的设置可根据实验要求进行相应设置;实验结果显示有波形显示和数据列表显示,其中数据波形显示格式有二进制、八进制
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- 电子 测量 原理 实验 指导书 21