2013版电子测量实验指导书

实验一实验二实验三实验四实验五

目 录

通用模拟与数字双踪示波器的使用及测量................... 1 信号发生器性能测试和应用.............................. 11 相位、时间和频率的测量............................... 18 交流电压表的测量及分析............................... 20 的示波器原理及应用仿真实验 .................... 27

0

LabVIEW

实验一 通用模拟与数字双踪示波器的使用及测量

一、实验目的和要求

1． 根据已学的示波器理论知识学习正确使用通用双踪示波器，并利用示波器进行各种电

信号的测量，熟练掌握模拟示波器的使用。 2． 学习数字式通用示波器的使用，了解其在测量上的强大功能，并与模拟示波器进行比

较，体会各自在测量上的特点。

3．认真按实验内容的要求进行实验，记录有关的数据和波形，回答实验内容中提出的有

关问题，并按时提交实验报告。

二、实验原理

在时域信号测量中，电子示波器无疑是最具代表性的典型测量仪器。它可以精确复现作为时间函数的电压波形（横轴为时间轴，纵轴为幅度轴），不仅可以观察相对于时间的连续信号，也可以观察某一时刻的瞬间信号，这是电压表所做不到的。我们不仅可以从示波器上观察电压的波形，也可以读出电压信号的幅度、频率及相位等参数。

电子示波器是利用随电信号的变化而偏转的电子束不断轰击荧光屏而显示波形的，如果在示波管的X偏转板（水平偏转板）上加一随时间作线性变化的时基信号，在Y偏转板（垂直偏转板）加上要观测的电信号，示波器的荧光屏上便能显示出所要观测的电信号的时间波形。

若水平偏转板上无扫描信号，则从荧光屏上什么也看不见或只能看到一条垂直的直线。因此，只有当X偏转板加上锯齿电压后才有可能将波形展开，看到信号的时间波形。

一般说来，Y偏转板上所加的待观测信号的周期与X偏转板上所加的扫描锯齿电压的周期是不相同的，也不一定是整数倍，因而每次扫描的起点对待观测信号来说将不固定，则显示波形便会不断向左或向右移动，波形将一片模糊。这就有一个同步问题，即怎样使每次扫描都在待观测信号不同周期的相同相位点开始。近代电子示波器通常是采用等待触发扫描的工作方式来实现同步的。只要选择不同的触发电平和极性，扫描便可稳定在待观测信号的某一相应相位点开始，从而使显示波形稳定、清晰。

在现代电子示波器中，为了便于同时观测两个信号（如比较两个信号的相位关系），采用了双踪显示的办法，即在荧光屏上可以同时有两条光迹出现，这样，两个待测的信号便可同时显示在荧光屏上，双踪显示时，有交替、断续两种工作方式。交替、断续工作时，扫描电压均为一种，只是把显示时间进行了相应的划分而已。

由于双踪显示时两个通道都有信号输入，因此还可以工作于叠加方式，这时是将两个信号逐点相加起来后送到Y偏转板的。这种工作方式可模拟谐波叠加，波形失真等问题。同时，如果改变其中一个的极性，也可以实现相减的显示功能。这相当于两个函数的相加减。

示波器除了用于观测信号的时间波形外，还可将两个相同或不同的信号分别加于垂直和水平系统，以观测两信号在X－Y平面上正交叠加所组成的图形，如李沙育图形。它可用于观测两个信号之间的幅度、相位和频率关系。

三、实验仪器设备

1．模拟双踪示波器 CS－4135A 一台 2．数字双踪示波器 TDS－1002B 一台

3．DDS函数信号发生器 DG1022 一台

1

图1－1 CS-4135A示波器前面板示意图

示波器前面板之说明：

1．CRT显示屏 显示范围为垂直轴8div（80mm），水平轴10div（100mm）。为使显示信号与刻度间不会产生视差，采用了标示于荧幕内侧的刻度。此外在刻度的左端则标示有测定响应时间的%记号。2．POWER 电源开关按钮。3．电源指示灯。

4．CAL端子 为校正用信号输出端子。使用于校正探头时，可得到1Vp-p正极性，1kHz之方波信号输出。5．刻度照明 控制CRT格子刻度线的亮度。

6．TRACE ROTA 用于调节水平扫描线的倾斜度。7．FOCUS 扫描线焦距调节旋钮。 8．INTEN辉度旋钮 用于调整扫描线的亮度。9．GND 接地端子。

10&13．调节CH1和CH2波形的垂直位置。12．BAL 用于调整垂直通道的DC平衡。 11&14．AC-GND-DC 垂直通道的输入耦合方式，即选择以何种方式观测输入信号。 15&16．偏转灵敏度（垂直轴衰减）旋钮粗调和微调，为获得正确的读数微调旋钮必需旋至CAL位置。27&28．扫描速度粗调和微调旋钮，同样读数时微调旋钮必需旋至CAL位置。

19．MODE 用于选择触发方式。AUTO：由触发信号启动扫描，若无输入触发信号则显示扫描时间基线。NORM：若无正确输入触发信号则没有任何显示。FIX：在固定的触发电平位置开始触发扫描。TV-F：将复合射频信号的垂直同步脉冲分离出来实现触发。 TV-L：将复合射频信号的水平同步脉冲分离出来实现触发。

20．VERT MODE 用于选择垂直通道输入信号的显示模式。CH1：显示CH1的输入信号。CH2：显示CH2的输入信号。ALT：采用交替方式显示CH1和CH2的输入信号（用于高速扫描）。CHOP：以固定的250kHz频率采用断续方式显示CH1和CH2的输入信号（用于低速扫描）。 21．CH2 INVERT 按下此按钮，CH2输入信号极性被反相。

22．X-Y 按下此按钮，示波器变为X-Y轴图示仪，此时CH1为Y轴，CH2为X轴。

23．SOURCE 选择触发信号源。VERT：触发源由VERT MODE加以选择（其中CHOP方式触发源由CH1提供）。CH1（CH2）：触发源为CH1（CH2）的输入信号。LINE：触发源为商用电源的电压波形。EXT：外部接入的触发源。26．外触发源输入端。

24．SLOPE 用于选择触发信号的极性。25．TRIGGER LEVEL 用于调整触发电平。

29．调节显示波形的水平位置。30．X10MAG 按下此按钮，信号在水平方向上扩展10倍。

2

四、预习要求

1、复习好教材《电子测量与仪器》第六章时域测量的内容，掌握示波器的原理。

2、查找相关资料及参照实验仪器使用说明书，预先了解双踪示波器、函数信号发生器各旋钮、开关的作用。

3、详细阅读实验指导书，作好绘制波形和测试记录的准备。

五、实验内容

（一）、学习并熟练掌握通用模拟示波器的使用

1．打开示波器预热后调出扫描线，对照上一页图1－1的标示，熟悉CS-4135A模拟示波

器各个开关和旋钮的作用。

2．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为5Vpp的正弦波，输入到CS-4135A模拟示波器的CH1（垂直通道1）上并稳定显示，示波器的一些初始设置如下：MODE位于AUTO，VERT MODE位于CH1，SOURCE位于VERT，TRIGGER LEVEL约位于中间位置，偏转灵敏度旋钮和扫描速度旋钮处于适当位置，按键按钮都处于弹出状态；接着完成以下操作： （1）．把触发源SOURCE的选择杆从VERT的位置拨至CH1和CH2，理解为什么在CH2位置

时波形变得不稳定，然后拨回VERT位置。 （2）．旋转水平位移旋钮，把波形的扫描起点右移到显示屏幕的可视位置，然后按下和弹

起SLOPE按键，查看波形的不同触发极性（正极性上升沿触发，负极性下降沿触发）。 （3）．旋转TRIGGER LEVEL旋钮，观察波形起点的位置变化，当起点超过波形的正负峰值

时，波形显示会有什么变化？体会触发电平在获取稳定波形显示过程中的重要作用。 （4）．把VERT MODE选择杆从CH1拨至CH2，会出现什么情况？此时再把MODE选择杆从AUTO

位置拨至NORM，又会出现什么情况？体会触发和扫描的工作状况。最后把各设置拨回初始位置。

3．熟悉示波器的双通道显示功能。

从DG1022函数信号发生器的CH2输出另一个频率为1.5kHz，幅值为5Vpp的正

弦波(注意CH2的默认波形是三角波)，输入到CS-4135A模拟示波器的CH2（垂直通道2）上，此时示波器显示的仍然是CH1输入的信号，若要显示CH2输入的信号，需把VERT MODE从CH1拨至CH2，则示波器的显示变成CH2输入的信号。若想同时显示两个通道的信号，可以把VERT MODE拨至ALT或CHOP位置，ALT采用交替方式实现双踪显示，此时两个通道的输入信号都能够得到稳定的显示（但是这时两个通道的信号被设置在信号周期的同一位置开始触发，从显示上不能判别出两信号的相位关系）。CHOP采用断续方式实现双踪显示，但是只能稳定显示一个通道的信号，另一个通道的信号不能稳定（如果两个通道的信号频率刚好是整数比关系时，则能同时稳定），稳定与否由触发源决定，当SOURCE位于VERT或CH1位置时，CH1通道稳定显示，当SOURCE位于CH2位置时，CH2通道稳定显示。请同学们结合教材内容进一步理解示波器的双踪显示情况。

4．在一台性能良好的示波器上观测一个电压幅度1V，频率1KHz正弦波形，但是在示波器的屏幕上却出现如图1－2所示各种非正常的波形显示，请把图中所给出的各种不正常波形在示波器上显示出来，然后把波形调回正常显示状态，试分析每种不正常波形产生的原因（有的现象可能有多种原因），并说明应如何调整示波器的哪些相关开关、旋钮才能观测到正常的波形。

3

图 1－2 非正常显示波形

（注：图（3）的现象可能是一根竖线从左向右缓慢移动，也可能是稳定不动。图（10）

是一种不稳定显示的情况，屏幕上看到的线或多或少。）

5．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为8Hz，幅值为5Vpp的正弦波，输入到模拟示波器的CH1（垂直通道1）上，通过调节示波器的相关旋钮，在示波器显示屏上获得稳定显示的正弦波波形（显示1～3个周期）。说明你判断波形已经稳定显示的依据，并解释此时示波器的显示现象及其产生原因。 6．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为10kHz，幅值为5Vpp的正弦波，输入到模拟示波器的CH1上并让波形适中稳定显示，通过调节水平位移旋钮把波形的起点右移到显示屏内能够看得到的位置；接着按下DG1022信号发生器的Mod键，在屏幕菜单上选“深度”参数项，把参数改为50.0％，其它参数不动；然后把示波器的扫描速度旋钮调到2ms/DIV的位置，不论此时波形是否稳定，都左右旋转触发电平（TRIGGER LEVEL）旋钮，并最终让波形稳定下来，判断触发电平处于什么位置（不是TRIGGER LEVEL旋钮的位置）能够获得稳定显示的波形（可以文字表述，也可以直接在波形上标注说明）？最后把波形记录下来，此波形是一个调幅AM波。

（二）、学习TDS1002B数字示波器的使用和测量

数字示波器的功能较多，图1－2是示波器的前面板，前面板被分成若干个易于操作的功能区，下面对屏幕显示信息以及一些功能区域做简要的说明；关于本示波器的详细资料，大家可以通过示波器的“HELP”菜单做进一步的学习。 1．电压探头检测

数字示波器的探头是示波器的重要组成部分，探头的性能好坏将直接关系到信号测量的准确性和完整性。可以使用探头检查向导来验证电压探头是否操作正常，该向导帮助我们调节电压探头的补偿，设置每个通道的衰减选项系数。要使用探头检查向导，请按下PROBE CHECK（探头检测） 按钮。如果电压探头连接正确、补偿正确，而且示波器“垂直”菜单中的“衰减”选项设置与探头相匹配，示波器就会在屏幕的底部显示一条“合格”信息。否则，示波器会在屏幕上显示一些指示，指导如何纠正这些问题。

探头有不同的衰减系数，它影响信号的垂直刻度；探头检查向导验证示波器的衰减系数是否与探头匹配。探头本身和“衰减”选项的默认设置都为10X。如果更改探头上的“衰减”

4

在进行信号的FFT分析之前，需先设置好合适的被测时域波形。然后按下MATH MENU按钮，在“操作”项中选FFT，“信源”选信号的输入通道，“视窗”选Hanning，要知道某一频率分量是多少，请将其谱线移到坐标纵轴的中心刻度线处对准，则其频率值会在屏幕右上方的Pos:位置显示。为了看清各谐波分量的谱线，可以通过“FFT缩放”进行适当放大。要返回时域状态，再按一下MATH MENU按钮即可。

实验内容：从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为10kHz，幅值为5Vpp的正弦波信号，输入到数字示波器的CH1上，数字示波器CH1的垂直分辨率设为1V/格，水平扫描速度设为100μs/格，让波形在屏幕上稳定显示；然后切换到FFT频谱显示界面，“视窗”选Hanning，“FFT缩放”选X5，此时可以看到屏幕只有一根明显的谱线，通过调节示波器“水平位置”旋钮，把谱线移到中心刻度线处查看其频率值，同时查看其它相关参数，最后记录正弦波信号的FFT谱线图。

把正弦波信号分别改为方波和锯齿波，所有参数设置不变，观察方波和锯齿波的FFT频谱情况，记录方波和锯齿波的FFT谱线图，说明方波和锯齿波各次谐波的频谱特征。

任意改动信号参数设置，自由观察 FFT频谱的变化情况。

六、思考题

1．使用模拟示波器，从具体观测的情况来说，要想获得一个正常合适稳定显示的波形

需要具备哪些条件？

2．用本实验所用的CS-4135A模拟示波器观测一个频率为5Hz的正弦信号时，如果要

求稳定显示一个以上的完整周期波形，会出现什么现象？为什么？从仪器操作上能不能消除这种现象？你认为从技术上能如何改善显示效果？ 3．总结本实验中你对触发电平的操作体会，说说触发电平是如何帮助波形的稳定显示。 4．说明TDS1002B数字示波器60MHz带宽这一指标的含义。 4．总结模拟示波器和数字示波器各自的优缺点。

5．查阅更多关于探头的资料，体会探头在示波器测量中的重要性。

6．查阅相关资讯，了解示波器的最新技术进展，列出几个世界著名的示波器生产商名字。

七、实验报告要求

1．写明实验目的。 2．简单概括实验原理。 3．写明实验所用仪器设备。

4．整理实验数据和波形，回答实验内容中提出的有关问题，分析实验结果。 5．完成思考题。

10

实验二 信号发生器性能测试和应用

一、实验目的和要求

1．了解信号发生器产生波形的基本原理。

2．熟悉实验所用低频、高频和DDS函数信号发生器的性能参数，熟练掌握实验所用信号发生器的使用，重点掌握DG1022双通道函数/任意波形发生器的使用。

3．检测低频、高频和函数信号发生器所输出的几种典型周期信号的幅频特性，分析并比较它们的性能，总结不同信号发生器的使用特点。

4．认真按实验内容的要求进行实验，记录有关的数据和波形，回答实验内容中提出的有关问题，并按时提交实验报告。

二、预习要求

1．复习好教材《电子测量与仪器》第三章信号发生器的理论知识，了解信号源的分类，熟悉信号波形的产生原理。

2．参照实验仪器使用说明书，预先了解实验仪器的性能指标及熟悉实验仪器各旋钮、开关的作用。

3．详细阅读实验指导书，作好测试记录和绘制波形的准备。

三、实验原理及仪器介绍

信号发生器用途主要是：提供激励信号、信号仿真和用作标准信号源，可以按照频率范围、输出波形、性能指标以及用途、调制类型、频率调节方式等进行分类。信号源的主要组成部分包括：主振器、缓冲放大、调制、输出级以及电源等，正弦信号的性能指标主要包括频率特性、输出特性以及调制特性。由于正弦信号是分析线性系统频域特性的一种最基本的信号，而且也是最容易产生、描述和广泛应用的载波信号，因此正弦信号发生器具有特殊地位，它包括低频信号发生器和高频信号发生器。

脉冲信号发生器是专门用于产生脉冲波形的信号源，而函数发生器可以产生多种波形，如正弦波、三角波、方波和锯齿波等。正弦信号也可以通过频率合成的方式产生，频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率，通过基本的代数运算得到一系列所需的频率。锁相频率合成技术是一种最常用的频率合成技术，锁相环实际上是一个负反馈相位控制系统，通过相位比较实现频率的锁定。锁相频率合成可以实现小步进，但切换时间长，而直接数字合成（DDS）可以在实现小步进的同时实现频率的快速切换，但它具有频率上限低、杂散较大等缺点。将几种频率合成技术综合应用，可以取长补短，同时实现快捷变，小步进及较高的频率上限。

信号源的组成结构如下图所示：

主振器 缓冲 调制 输出 输出 电 源 监测

图2－1 信号发生器结构框图

11

1．低频信号发生器

低频信号发生器频率范围一般为20Hz～1MHz，故又称音频信号发生器。 主振级 缓冲 放大 电平 控制 功率 放大 衰减器 阻抗 变换 输出

波段 调节 频率 细调 电平调节 电平指示 图2-2 低频信号发生器组成原理

主振级一般采用RC正弦振荡器，其每一分波段的频率覆盖系数通常为10。因此要覆盖较宽的频率范围，需要多个分波段。 2．高频信号发生器

高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz～1GHz，稳定度一般优于10/15分，输出电压在0.1μV～1V左右，输出阻抗为标准的50Ω（或75Ω）。

主振级 缓冲 调制级 输出级 输出 外调制输入 波段 频率 选择 监测器 细调 调制振荡器 图2－3 高频信号发生器原理框图

-4

3．函数发生器

函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形的信号发生器。 函数发生器一般以某种波形为第一波形，然后在该波形基础上转换导出其它波形。

函数发生器的典型原理框图如下图所示。 比较器 正恒 三角波 流源 外部缓冲器 函数 率频率控 频 制网络 控制选择 及其 积分电路 正弦波形 输出放输出滤 负恒 它波 综合及缓冲 大 波 输出 流源 形产生 方波 直流补偿 缓冲器 图2－4 函数发生器基本组成原理

12

4．DG1022双通道函数/任意波形发生器简介

DG1022双通道函数/任意波形发生器使用直接数字合成（DDS）技术，可生成稳定、精确、纯净和低失真的正弦信号。它还能提供5MHz、具有快速上升沿和下降沿的方波。另外还具有高精度、宽频带的频率测量功能。DG1022实现了易用性、优异的技术指标及众多功能特性的完美结合，可帮助用户更快地完成工作任务。 DG1022双通道函数/任意波形发生器向用户提供简单而功能明晰的前面板。人性化的键盘布局和指示以及丰富的接口，直观的图形用户操作界面，内置的提示和上下文帮助系统极大地简化了复杂的操作过程，用户不必花大量的时间去学习和熟悉信号发生器的操作，即可熟练使用。内部AM、FM、PM、FSK调制功能使仪器能够方便的调制波形，而无需单独的调制源。 性能特点：

??DDS直接数字合成技术，得到精确、稳定、低失真的输出信号； ??双通道输出，可实现通道耦合，通道复制；

??输出5种基本波形，包括正弦波、方波、锯齿波、脉冲波、噪声波，内置48种任意波形； ??可编辑输出14-bit、4k点的用户自定义任意波形； ??100MSa/s采样率；

??频率特性：

正弦波：1μHz 到 20MHz； 方 波：1μHz 到 5MHz； 锯齿波：1μHz 到 150kHz； 脉冲波：500μHz 到 3MHz； 白噪声：5MHz带宽 (-3dB) ；任意波形：1μHz 到 5MHz； ??幅度范围（CH1）：

2mVPP ～ 10VPP （50?） 4mVPP ～ 20VPP （高阻） ??具有丰富的调制功能，输出各种调制波形：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）、二进制频移键控（FSK）、线性和对数扫描（Sweep）及脉冲串（Burst）模式； ??丰富的输入输出：外接调制源，外接基准10MHz时钟源，外触发输入，波形输出，数字同步信号输出；

??高精度、宽频带频率计：

测量功能：频率、周期、占空比、正/负脉冲宽度 频率范围：100mHz ～ 200MHz （单通道） ???支持即插即用USB存储设备，并可通过USB存储设备存储、读取波形配置参数及用户自定义任意波形，以及进行软件升级； ??标准配置接口：USB Host&Device；

??与DS1000系列示波器无缝对接，直接获取示波器中存储的波形并无损地重现； ??可连接和控制PA1011功率放大器，将信号放大后输出； ??图形化界面可以对信号设置进行可视化验证； ??中英文嵌入式帮助系统； ??支持中英文输入。

5．DG1022双通道函数/任意波形发生器的用户界面

DG1022具有简洁而功能明晰的前面板，操作非常方便，人机界面友好。如图2-5所示，前面板上包括各种功能按键、旋钮及菜单软键，我们可以进入不同的功能菜单或直接获得特定的功能应用。

13

图2-5 DG1022双通道函数/任意波形发生器前面板

DG1022双通道函数/任意波形发生器提供了3种界面显示模式：单通道常规模式、单通道图形模式及双通道常规模式。这3种显示模式可通过前面板左侧的 View 按键切换。我们可通过

来切换活动通道，以便于设定每通道的参数及观察、比较波形。

图 2-6 单通道常规显示模式

图 2-7 单通道图形显示模式

图 2-8 双通道常规显示模式

14

图3－2 用李沙育图形测相位差

实验内容：从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为1Vpp的正弦波，分别加至图（1）和图（2）的Vi端，利用李沙育图形法重新测量图（1）和图（2）的相位差。要求画出李沙育图形，并在李沙育图形上标出测量结果。要求分别用模拟示波器和数字示波器进行测量，比较两种示波器在相位测量上的特点，分析产生误差的因素。

说明：对于模拟示波器，直接按下X－Y按钮就可以获得李沙育图形。对于数字示波器，先按下DISPLAY按钮，显示屏幕右边会出现一行菜单，把“格式”项设置成“XY”。 3．将步骤1和2的测量结果分别与理论计算值进行比较，你认为哪一种测量方法更为准确？

模拟示波器和数字示波器的测量结果哪一种更准确？分析其原因。 对于图（1），其输入与输出关系为：V0?1Vi 则??tg?1?RC

1?j?RC 对于图（2），其输入与输出关系为：V0?11?1j?RCVi 则??tg?11 ?RC

（二）、用双踪示波器观察不同频率比的李沙育图形

实验原理：把示波器设置为X－Y图示仪状态，当两个频率成整数比，而存在一定相位差的正弦信号加到图示仪的X和Y通道时，屏幕会显示一个呈现某一形状的李沙育图形，如图3－3所示。如果这两个正弦信号有相同的主振来源，则能保证信号的频率是真正的整数倍，那么它们之间的相位差就能够保持不变，呈现出来的李沙育图形形状也能保持固定；假如两个正弦信号来源于不同的信号源，则两信号之间存在着必然的频率偏差，极难达到

20

真正的整数倍，频差的存在使到两信号之间的相位差不固定，而是从0??360?循环变化，那么呈现出来的李沙育图形也是不停的循环变化。

图3－3 李沙育图形的观测

实验内容：首先把模拟双踪示波器设置为X-Y图示仪功能状态，接着从AS1033低频信号发生器输出一个频率为1kHz，电压显示为1.00V的正弦波，接到图示仪的X通道；再从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为1Vpp的正弦波接到图示仪的Y通道，此时图示仪将显示1:1的李沙育图形。

1．观察屏幕所显示的李沙育图形，如果李沙育图形的变化太快，说明两信号频率之比偏离1:1较大，通过微调两信号发生器的频率输出，尽量使李沙育图形转得最慢，以获得较好的观察效果，从而也使两信号的频率之比接近真正的1:1。（此步骤仅观察不用记录。） 2．改变两个信号源的输出频率，使到X通道和Y通道输入的信号频率之比分别为1:2，1:3，2:3，仔细调节信号发生器的频率调节旋纽，使获得的李沙育图形移动最慢并观察这三种不同频率比的图形。（此步骤仅观察不用记录。） 3．使用DG1022函数信号发生器的双通道输出功能来观察不同频率比、不同相位差的李沙育图形。由于此时信号源的两个通道有相同的主振来源，则能保证两个信号的频率是真正的整数倍，而它们之间的相位差可以由我们来设置，这样呈现出来的李沙育图形形状就能保持固定。

从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为1Vpp的正弦波接到图示仪的X通道，再从信号发生器的CH2输出一个频率为1kHz，幅值为1Vpp的正弦波（CH2默认波形是三角波）接到图示仪的Y通道，先按一下“同相位”键，接着设置CH2输出信号的相位差分别为0°、45°、90°、135°和180°，同时观察并记录不同相位差时所得到的不同李沙育图形。

4．改变信号发生器两通道的输出频率比分别为1:2，1:3和2:3，对于每一种频率比同样设置CH2输出信号的相位差分别为0°、45°、90°、135°和180°，同样观察并记录不同相位差时所得到的不同李沙育图形。

注意：改变频率比之后要先按“同相位”键，同步两通道信号的初相位，接着再设置

相位差。

（三）频率计的学习

1．复习有关电子计数器的理论课程，明白电子计数器在时间和频率测量中所产生的测量误差对测量结果的影响；熟悉实验使用的GFC-8010H频率计面板上各个按钮的功能。 2．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为50Hz，幅值为1Vpp的正弦波，接到GFC-8010H频率计的输入端（按下LPF按钮），将频率计的门控时间（闸门时间）分别置为0.1S，1S和10S，观察并记录频率计的测量结果（频率计读数取小的），说明不同门控时间下的频率测量特点。

21

3．DG1022函数信号发生器分别产生50Hz，5kHz和500kHz的正弦信号，用数字示波器直接读出各信号的频率（示波器屏幕右下角的频率显示，取小的），计算相对误差；再用频率计（门控时间置为1S）分别测量这三个信号频率（频率计读数取小的），计算相对误差；比较并分析评论测量结果。（注意：当用频率计测量50Hz信号时，需按下LPF按钮。）

4．熟悉DG1022函数信号发生器的频率计功能。按 Utility功能键 ??频率计 进入频率计测量工作模式（此时CH2成为频率计输入端）。从AS1033低频信号发生器输出一个频率为1kHz，电压显示为1.00V的矩形脉冲波，连接到频率计的输入端，按频率计的 “自动”键进入自动测量模式（该模式下，耦合方式采用AC耦合，并自动调整触发电平和灵敏度，直到读数显示稳定为止），然后按“频率”键读取输入信号的频率（等待5秒钟，读取最大值），按“周期”键读取输入信号的周期（等待5秒钟，读取最小值）。

然后调节矩形脉冲波输出的DUTY旋钮，当DUTY旋钮处于最左边时，读取信号的“占空比”和“正脉宽”、“负脉宽”；再把DUTY旋钮旋到最右边，同样读取信号的“占空比”和“正脉宽”、“负脉宽”。

五、思考题

1．查阅相关资料，回答用李沙育图形法测相位差时，对输入信号有没有特定要求？ 2．如果给定的两个同频信号中一个的信号频率为标准频率，而另一个为待测频率，利用这种李沙育图形法，能否求出待测频率跟标准频率之间的频率偏差是多少？若能，请说明应该如何求；若不能，请说明理由。

3．用频率计进行频率测量时会出现哪些测量误差？我们能否加以消除？

六、实验报告的要求

1．写明实验目的。 2．简单概括实验原理。 3．写明实验所用仪器设备。

4．整理实验数据和波形，回答实验内容中提出的有关问题，分析实验结果。 5．以表格形式列一个信号不同频率比与不同相位差的关系图。 6．完成思考题。

22

实验四 交流电压表的测量及分析

一、实验目的和要求

1． 了解交流电压测量的基本原理。

2． 熟悉实验所用模拟电压表和数字电压表的性能参数，掌握电压表的基本测量方法。 3． 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。

能对不同检波特性电压表的读数进行解释和修正，并对测量结果做误差分析。

4． 认真按实验内容的要求进行实验，记录有关的数据和波形，回答实验内容中提出的

有关问题，并按时提交实验报告。

二、预习要求

1．复习好教材《电子测量与仪器》第五章电压测量的理论知识，掌握电压测量的基本方法。

2．参照实验仪器使用说明书，预先了解实验仪器的性能指标及熟悉实验仪器各旋钮、开关的作用。

3．详细阅读实验指导书，作好测试记录和绘制波形的准备。

三、实验原理

?，平均值U，有效值U，以及波形因数K，波 一个交流电压的大小，可以用峰值UF

峰因数KP等表征，若被测电压的瞬时值为u(t)，则

全波平均值为

有效值为 波形因数为 波峰因数为

U?1TT?0u(t)dt

U?1T2u(t)dtT?0

KF?KP?UU ?UU

而用来测量电压的指针式电压表中的检波器有多种形式，一般来说，具有不同检波特性的电压表都是以正弦电压的有效值来定度的，但是，除有效值电压表外，电压表的示值本身并不直接代表任意波形被测电压的有效值。因此，如何利用不同检波特性的电压表的示值（即

?，有效值U，这便是一个十分值得注意的问题。读数）来正确求出被测电压的均值U，峰值U

根据理论分析，不同波形的电压加至不同检波特性的电压表时，要由电压表读数确定被?、U、U，一般可根据表4－1的关系计算。 测电压的U从表4－1可知，用具有有效值响应的电压表和平均值响应的电压表分别对各种波形的电?，很多情况下压测量时，就算读数相同，要正确求出被测电压的均值U、有效值U和峰值U还需进一步的换算。更详细的波形参数请参见教材160页表5.1。

23

表4－1 电压表 类型 波形 读数 正弦 A1 平均值检波 锯齿 A2 42有效值检波 方波 A4 22峰值检波 方波 A4 A4 A4 正弦 A1 三角 A2 方波 A3 三角 A3 42正弦 A1 锯齿 A2 三角 A3 ?U 2A1 A1 ?42A2 ?42A3 ?22A4 A4 2A1 A1 3A2 A2 3A3 A3 2A1 A1 2A2 2 A2 32A3 U U ?3A2 ?3A3 ?2A3 2222222222?A1 ?A2 ?A3 ?A4 ?A1 32A2 32A3 A4 22?A1 2A 222A3 四、实验仪器设备

1．数字双踪示波器 TDS－1002B 一台 2．DDS函数信号发生器 DG1022 一台 3．交流模拟毫伏表（平均值检波） WY2174A 一台 4．交流数字毫伏表（有效值检波） TD1914C 一台 5．超高频毫伏表（峰值检波） WY2282 一台 6．数字万用表 VC88E 一台

五、实验步骤

注意：1、由于毫伏表都有量程选择，并且当量程超载时很容易损坏仪器，所以必须确认

量程的选择正确，当你无法确定被测信号电压的大小时，毫伏表应选择相对较大的量程。另外，毫伏表一般要先预热15～30分钟才能获得比较稳定的输出，当你来到实验室之后，先把实验用到的三种毫伏表先通电预热。

2、测量时各种仪器分开单独与信号源连接读数，不要把各种仪器都接在一起之后

再分别读数。

3、为了使到数字示波器的读数比较稳定，把示波器的采样模式设置成16次的平均

采样。 1. 将WY2174A交流毫伏表置于1V档位，并将输入线短接，然后接通电源，让仪器预热，

让指针稳定。

2．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为100kHz，幅值为2Vpp的正弦波信号，

接到WY2174A交流毫伏表的输入端。

3．调节函数信号发生器的幅值输出，使WY2174A交流毫伏表的指针指示到0.7V。

4．用数字示波器读出正弦波信号的峰值（最大值）和有效值（均方根值），填入表4－2。 5．将函数信号发生器的输出分别改为方波和三角波（锯齿波的对称性为50.0％时就是三角波），并调节其幅值使交流毫伏表指示均为0.7V，然后由数字示波器读出方波和三角波信号的峰值（最大值）和有效值（均方根值），填入表4－2。

6．将WY2174A交流毫伏表（平均值检波）换为TD1914C交流数字毫伏表（有效值检波），选择1V档位，并将其输入线短接，然后接通电源，让仪器预热和自动调零。

7．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为100kHz，幅值为2Vpp的正弦波信号，

24

接到TD1914C交流数字毫伏表的输入端。调节函数信号发生器的输出幅值，使交流数字毫伏表的读数显示为0.7V，并从数字示波器上读出正弦波信号的峰值（最大值）和有效值（均方根值），填入表4－2。

8．将函数信号发生器的输出分别改为方波和三角波，并调节其幅值使交流数字毫伏表指示均为0.7V，然后由数字示波器读出方波和三角波信号峰值（最大值）和有效值（均方根值），填入表4－2。

9．将TD1914C交流数字毫伏表换为WY2282超高频数显毫伏表（峰值检波），选择4V档位，然后接通电源，让仪器预热和自动调零（如果存在细小的零点误差是正常的）。 10．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为100kHz，幅值为2Vpp的正弦波信号，接到超高频数显毫伏表的输入端。调节函数信号发生器的输出幅值，使超高频毫伏表的显示为0.7V，并从数字示波器上读出正弦波信号峰值（最大值）和有效值（均方根值），填入表4－2。

11．将函数信号发生器的输出分别改为方波和三角波，并调节其幅值使超高频毫伏表指示均为0.7V，然后由数字示波器读出方波和三角波信号峰值（最大值）和有效值（均方根值），填入表4－2。 12．根据三种毫伏表的读数并参照表4－1及教材表5.1各种波形参数的关系计算出三种波

?和有效值U，然后和由数字示波器直接读出的峰值和有效值相比较，计算形的峰值U它们的绝对误差和相对误差（假设数字示波器的读数是准确的），并进行误差分析。

表4－2 毫伏表类型 波 形 读 数 示波器读数 峰值? U由读数计算 误差大小 示波器读数 有效由读数值U 计算 误差大小 误差分析 平均值检波 WY2174A 正弦 方波 三角 有效值检波 TD1914C 正弦 方波 三角 正弦 峰值检波 WY2282 方波 三角 0．7V 0．7V 0．7V 0．7V 0．7V 0．7V 0．7V 0．7V 0．7V 要考虑各种因素，象原理上的、仪器上的和测量上的等。 13．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为100kHz的正弦波信号，并调节其输

出电压幅值，使数字示波器的峰值读数为1V，接着用WY2174A表、TD1914C表和WY2282表进行测量，把读数填入表4－3。

14．将函数信号发生器的输出分别改为方波和三角波，并调节其输出电压幅值，使数字示

波器的峰值读数为1V，接着用WY2174A表、TD1914C表和WY2282表进行测量，把读数

25

填入表4－3。

表4－3 输入波形 示波器读数（峰值） WY2174A表读数 TD1914C表读数 WY2282表读数 误差分析 正弦波 1V 方波 1V 三角波 1V 注意：当用TD1914C表测量方波时如读数超过1.1V需切换成10V量程档！ 15．根据表4－3三种毫伏表各自所测得的数据，分别计算正弦波、方波及三角波的平均值、

有效值和峰值，要求自己设计表格，把计算结果填在表格里，并根据三种不同波形由测量值所计算出的峰值，求出计算峰值与示波器读数峰值之间的相对误差，并进行误差分析。 16．先将WY2174A交流毫伏表置于300mV档位，VC88E数字万用表设置在交流电压位置，

然后从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为200Hz，幅值为200mVRMS的正弦波，分别接到WY2174A交流毫伏表和VC88E数字万用表上，记录两个电表的电压读数。 17．接着保持低频信号发生器的输出电压不变，输出频率则逐渐提高为300Hz、400Hz、500Hz、

600Hz、800Hz、1kHz、1.5kHz、2kHz、5kHz、10kHz，在每一个频率点上，都分别记录下两个电表的电压读数。从对比这两个电表所测得的两组数据，你发现了什么问题？

六、思考题

1．我们经常使用的万用表也有测量交流电压的功能，能否用以代替毫伏表测量交流信号

的电压？为什么？请根据实验结果并查阅有关资料作答。

2．查阅教材和其它相关资料，总结数字电压表都有哪些主要的工作特性（性能指标）？ 3．查阅相关资料，回答超高频毫伏表输入探头的功用及输入端所接三通头的作用？

七、实验报告的要求

1．写明实验目的。 2．简单概括实验原理。 3．写明实验所用仪器设备。

4．整理实验数据和波形，回答实验内容中提出的有关问题，分析实验结果。 5．完成思考题。

26

实验五 LabVIEW的示波器原理及应用仿真实验

一、实验目的和要求

1．了解实验室虚拟仪器工作平台LabVIEW的功能和使用方法。

2．通过一个利用仿真软件LabVIEW制作完成的示波器原理仿真实验平台，在仿真环境中进一步掌握示波器的原理和应用。

3．初步学习使用仿真软件进行辅助电路设计、分析及现场调试的技能。

4．认真按实验内容的要求进行实验，记录有关的数据和波形，回答实验内容中提出的有关问题，并按时提交实验报告。

二、预习要求

1．复习好教材《电子测量与仪器》第六章时域测量的理论知识，掌握示波器的结构组成和工作原理。

2．查阅有关资料，了解虚拟仪器的相关知识及LabVIEW的功能和使用方法。 3．详细阅读实验指导书，作好测试记录和绘制波形的准备。

三、实验仪器设备

安装有LabVIEW 8.5中文版、LabVIEW Run-time Engine 6.1软件和基于真实仪器场景的全仿真示波器实验软件的PC机一台。

四、实验原理

虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）也叫计算机仪器， 是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能以摩尔定律（每半年提高一倍）飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。

虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用，它们相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。 LabVIEW程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器；但LabVIEW程序很容易改变设置和功能。因此，LabVIEW特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。

专家们指出，在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，因此，在21世纪，虚拟仪器将大行其道，日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命。 LabVIEW是NI推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际

27

生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。

LabVIEW采用图形化编程语言--G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样；因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习LabVIEW驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用LabVIEW。也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。

总之，由于LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。例如，用户可以将原有的带有RS232接口的仪器、 VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作。

五、实验内容

（一）虚拟仪器图形编程软件LabVIEW入门教程

1、打开电脑桌面“计算机虚拟仪器图形编程LabVIEW实验教材.rar”压缩包，再打开里

面的word文档“LV教材.doc”，按照教材内容对LabVIEW先做全面的了解。 2、运行LabVIEW 8.5中文版软件，结合“LV教材”初步熟悉软件的使用。 3、完成“LV教材”第一、第二课的练习题。

（二）利用LabVIEW应用模块完成示波器原理及应用的仿真实验

1、运行电脑桌面 “示波器原理及应用仿真实验”仿真软件。

2、点击示波器的POWER开关，作好示波器扫描线的聚焦、校正等准备工作。 3、测量如下的各种波形参数。

（1）测量直流偏置电压V0。点击函数信号发生器的POWER开关，产生1000Hz的方波，

并调节OFFSET旋钮产生一定的直流偏置，将示波器的耦合方式置为DC，读波形峰值的格数g1；将示波器的耦合方式置为AC，读波形峰值的格数g2。

U（2）测量重复周期T0及电压峰—峰值P?P。函数信号发生器产生1000Hz的正弦波信号。

电压峰—峰值P?P= 波峰到波谷的格数×垂直幅度刻度

重复周期T0= 单周期的格数×扫描时基刻度

UTa（3）测量三角波的波形对称度Tb。函数信号发生器产生1000Hz的三角波信号。

上升时间Ta=上升沿格数×扫描时基刻度 下降时间Tb=下降沿格数×扫描时基刻度

4、显示波形的观测。

（1）观测不同的扫描速度。函数信号发生器产生10000Hz的正弦波信号，调节示波器的扫

28

描速度旋钮。

（2）观察波形叠加。由两个函数信号发生器分别产生三角波和方波，并按下示波器的双通

道显示按钮（DBL），按下示波器的叠加按钮（ADD）。

（3）观察任意两种波形的李莎育图形。由两个函数信号发生器分别产生两个三角波信号，

并按下示波器的X-Y按钮，同时调节函数信号发生器的相位旋钮（PHASE），进行观察；由两个函数信号发生器分别产生两个正弦波信号，同时调节函数信号发生器的相位旋钮（PHASE），进行观察。

六、思考题

1．如何通过观测两个正弦波的李莎育图形，来判断它们的频率比？

2．能否通过观察李莎育图形来测量两个三角波的频率比？两个方波呢？

七、实验报告的要求

1．写明实验目的。 2．简单概括实验原理。

3．整理实验数据和波形，回答实验内容中提出的有关问题，分析实验结果。 4．完成思考题。

29

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4bzg.html