电子测量实验..

实验一 示波器的使用示波器的使用 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉低频信号发生器 脉冲信号发生器各旋钮 开关的作用及其使用方法 2 初步掌握用示波器观察电信号波形 定量测出正弦信号和脉冲信号的波形参数 3 初步掌握示波器 信号发生器的使用 二 实验说明二 实验说明 1 正弦交流信号和方波脉冲信号是常用的电激励信号 可分别由低频信号发生器和脉 冲信号发生器提供 正弦信号的波形参数是幅值 Um 周期 T 或频率 f 和初相 脉冲信 号的波形参数是幅值 Um 周期 T 及脉宽tk 本实验装置能提供频率范围为 20Hz 50KHz 的正弦波及方波 并有 6 位 LED 数码管显示信号的频率 正弦波的幅度值在 0 5V 之间 连续可调 方波的幅度为 1 3 8V 可调 2 电子示波器是一种信号图形观测仪器 可测出电信号的波形参数 从荧光屏的 Y 轴刻度尺并结合其量程分档选择开关 Y 轴输入电压灵敏度 V div 分档选择开关 读得电 信号的幅值 从荧光屏的 X 轴刻度尺并结合其量程分档 时间扫描速度t div 分档 选择 开关 读得电信号的周期 脉宽 相位差等参数 为了完成对各种不同波形 不同要求的 观察和测量 它还有一些其它的调节和控制旋钮 希望在实验中加以摸索和掌握 一台双踪示波器可以同时观察和测量两个信号的波形和参数 三 实验设备三 实验设备 序号名 称型号与规格数量备注 1双踪示波器1 2低频 脉冲信号发生器1DG03 3交流毫伏表0 600V1D83 4频率计1DG03 四 实验内容四 实验内容 1 双踪示波器的自检 将示波器面板部分的 标准信号 插口 通过示波器专用同轴电缆接至双踪示波器的 Y 轴输入插口 YA或 YB端 然后开启示波器电源 指示灯亮 稍后 协调地调节示波器面 板上的 辉度 聚焦 辅助聚焦 X 轴位移 Y 轴位移 等旋钮 使在荧光屏的 中心部分显示出线条细而清晰 亮度适中的方波波形 通过选择幅度和扫描速度 并将它 们的微调旋钮旋至 校准 位置 从荧光屏上读出该 标准信号 的幅值与频率 并与标 称值 1V 1KHz 作比较 如相差较大 请指导老师给予校准 2 正弦波信号的观测 1 将示波器的幅度和扫描速度微调旋钮旋至 校准 位置 2 通过电缆线 将信号发生器的正弦波输出口与示波器的 YA插座相连 3 接通信号发生器的电源 选择正弦波输出 通过相应调节 使输出频率分别为 50Hz 1 5KHz 和 20KHz 由频率计读出 再使输出幅值分别为有效值 0 1V 1V 3V 由交流毫伏表读得 调节示波器 Y 轴和 X 轴的偏转灵敏度至合适的位置 从荧光屏 上读得幅值及周期 记入表中 正弦波信号频率的测定频率计读数 所测项目50HZ1500HZ20000HZ 示波器 t div 旋钮位置 一个周期占有的格数 信号周期 s 计算所得频率 HZ 正弦波信号幅值的测定交流毫伏表读数 所测项目0 1V1V3V 示波器 V div 位置 峰 峰值波形格数 峰 峰值 计算所得有效值 3 方波脉冲信号的观察和测定 1 将电缆插头换接在脉冲信号的输出插口上 选择方波信号输出 2 调节方波的输出幅度为 3 0VP P 用示波器测定 分别观测 100Hz 3KHz 和 30KHz 方波信号的波形参数 3 使信号频率保持在 3KHz 选择不同的幅度及脉宽 观测波形参数的变化 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 示波器的辉度不要过亮 2 调节仪器旋钮时 动作不要过快 过猛 3 调节示波器时 要注意触发开关和电平调节旋钮的配合使用 以使显示的波形稳定 4 作定量测定时 t div 和 V div 的微调旋钮应旋置 标准 位置 5 为防止外界干扰 信号发生器的接地端与示波器的接地端要相连 称共地 6 不同品牌的示波器 各旋钮 功能的标注不尽相同 实验前请详细阅读所用示波器的 说明书 7 实验前应认真阅读信号发生器的使用说明书 六 预习思考题六 预习思考题 1 示波器面板上 t div 和 V div 的含义是什么 2 观察本机 标准信号 时 要在荧光屏上得到两个周期的稳定波形 而幅度要求 为五格 试问 Y 轴电压灵敏度应置于哪一档位置 t div 又应置于哪一档位置 3 应用双踪示波器观察到如图 12 1 所示的两个波形 YA和 YB 轴的 V div 的指示 均为 0 5V t div 指示为 20 S 试写出这两个波形信号的波形参数 七 实验报告七 实验报告 1 整理实验中显示的各种波形 绘制有代表性的波形 2 总结实验中所用仪器的使用 方法及观测电信号的方法 3 如用示波器观察正弦信号时 荧光屏上出现图 12 2 所示的几种情 况时 试说明测试系统中哪些旋钮 的位置不对 应如何调节 4 心得体会及其它 图 12 1 图 12 2 实验二 函数信号发生器的调试 一 实验目的 了解单片多功能集成电路函数信号发生器的功能及特点 会用示波器测量波形的各种参数 掌握正弦波失真调节 频率调节和幅度调节的方法 二 实验仪器 1 双踪示波器 2 频率计 三 实验原理 图 1 1 函数信号发生器 ICL8038 是单片集成函数信号发生器 其内部框图如图 1 2 所示 它由恒流源 I1 和 I2 电压比较器 A 和 B 触发器 缓冲器和三角波变正弦波电路等组成 外接电容 C 由 两个恒流源充电和放电 电压比较器 A B 的阈值分别为电源电压 指 UCC UEE 的 2 3 和 1 3 恒流源 I1 和 I2 的大小可通过外接电阻调节 但必须 I2 I1 当触发器的输出为低电平 时 恒流源 I2 断开 恒流源 I1 给 C 充电 它的两端电压 UC 随时间线性上升 当 UC达到 电源电压的 2 3 时 电压比较器 A 的输出电压发生跳变 使触发器输出由低电平变为高电 平 恒流源 I2 接通 由于 I2 I1 设 I2 2I1 恒流源 I2 将电流 2I1 加到 上反充电 相当 于 由一个净电流 I 放电 两端的电压 UC 又转为直线下降 当它下降到电源电压的 1 3 时 电压比较器 B 的输出电压发生跳变 使触发器的输出由高电平跳变为原来的低电平 恒流源 I2 断开 I1 再给 C 充电 如此周而复始 产生振荡 若调整电路 使 I2 2I1 则触发器输出为方波 经反相缓冲器由管脚 输出方波信号 上的电压 UC 上升与下 降时间相等 为三角波 经电压跟随器从管脚 输出三角波信号 将三角波变成正弦波是 经过一个非线性的变换网络 正弦波变换器 而得以实现 在这个非线性网络中 当三角波 电位向两端顶点摆动时 网络提供的交流通路阻抗会减小 这样就使三角波的两端变为平 滑的正弦波 从管脚 输出 而尖端存在一点失真 图 1 2 ICL8038 原理框图 ICL8038 管脚功能图 图 1 3 ICL8038 管脚图 四 实验内容 PTP7 和 PTP8 用作扩展外接电容用 电容越小 频率越大 PS1 PS2 PS3 对应值为 1000P 0 01 f 0 1 f 参考实验原理图 1 1 对照实验箱集成函数信号发生器实际电路部分 连接好跳线 PS3 正确连接电路电源线正确连接电路电源线 12V 和和 12V 从电源部分 从电源部分 12V 插孔用连接线接入 千插孔用连接线接入 千 万不要接反 否则损坏集成芯片 万不要接反 否则损坏集成芯片 打开直流开关通电 2 连接好跳线 PS4 用示波器观察 OUT 为方波波形 调节电位器 PRW2 测出方波的 占空比占空比 单位周期内高电平所占整个周期的比例 范围情况 调节电位器 PRW1 测 出方波的频率 示波器在扫描速率为 1mS 档的情况下 一个周期的方波占一个格子 为 1KHz 也可用频率计直接测出 范围情况 调节电位器 PRW5 测出方波的幅 值 峰峰值 范围情况 并都列表记录之 3 连接好跳线 PS4 调节电位器 PRW2 使方波的占空比为 50 调节电位器 PRW1 使方波的频率为 1KHz 调节电位器 PRW5 使方波的幅值为 5V 峰峰值 把 PS4 换为 PS5 用示波器观察 OUT 为三角波波形 调节电位器 PRW1 测出三角波的频 率范围情况 调节电位器 PRW5 测出三角波的幅值 峰峰值 范围情况 并都列 表记录之 另外调节电位器 PRW2 观察三角波变为锯齿波 占空比不为 50 的 情况 4 连接好跳线 PS4 调节电位器 PRW2 使方波的占空比为 50 调节电位器 PRW1 使方波的频率为 1KHz 调节电位器 PRW5 使方波的幅值为 5V 峰峰值 把 PS4 换为 PS6 用示波器观察 OUT 为正弦波波形 若有明显失真 反复调节 PRW3 PRW4 使正弦波无明显的失真 一旦调好就不要再动 PRW3 PRW4 调 节电位器 PRW1 测出正弦波的频率范围情况 调节电位器 PRW5 测出正弦波的 幅值 峰峰值 范围情况 并都列表记录之 5 在断开电源情况下 分别取 PS1 和 PS2 连接 重复上述步骤 说明一下 PS1 PS2 PS3 相对应的电容值越小 输出频率越大 且不同的电容所 对的频率段不同 每个频率段所包括的频率范围不同 故上述所有步骤所给的 1KHz 的频率值不是很恰当 仅作为实验参考值 测量各种波形的频率 占空比 幅度要保证波形不是很明显失真 且在有效范围内 如调节 PRW5 阻值很小时 无 论怎么调节 PRW1 PRW2 PRW3 PRW4 电位器仍无法有波形出现 原理图中还 有一个一级无源低通滤波电路 PTP3 插孔处可以引入电容 通过并入电容改变截 止频率 此滤波电路可以对正弦波起一定的滤波作用 由于无源滤波电路存在负载 效应 效果不是很好 此引入滤波电路 抛砖引玉 具体滤波器的设计参考后续实 验内容 有兴趣的同学可以接入调试一下 不做要求 方法 断开 PS4 PS5 PS6 的连接 接入 PS7 PS8 调节一个无明显失真的正弦波即可 实验三 电子信号的测量 晶体管共射极单管放大器 一 实验目的 1 掌握放大器静态工作点的调试方法 学会分析静态工作点对放大器性能的影响 2 掌握放大器电压放大倍数 输入电阻 输出电阻及最大不失真输出电压的测试方 法 3 熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用 二 实验仪器 1 双踪示波器 2 万用表 3 交流毫伏表 4 信号发生器 三 实验原理 图 2 1 共射极单管放大器实验电路 图 2 1 为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图 它的偏置电路采用 RB2和 RB1 组成的分压电路 并在发射极中接有电阻 RE 以稳定放大器的静态工作点 当在放大器的 输入端加入输入信号 Ui后 在放大器的输出端便可得到一个与 Ui相位相反 幅值被放大 了的输出信号 U0 从而实现了电压放大 在图 2 1 电路中 当流过偏置电阻 RB1和 RB2的电流远大于晶体管 T 的基极电流 IB时 一般 5 10 倍 则它的静态工作点可用下式估算 UCC为供电电源 此为 12V 2 1 CC BB B B U RR R U 21 1 2 2 C E BEB E I R UU I 2 3 ECCCCCE RRIUU 电压放大倍数 2 4 be LC V r RR A 输入电阻 2 5 beBBi rRRR 21 输出电阻 2 6 C RR 0 放大器静态工作点的测量与调试 1 静态工作点的测量 测量放大器的静态工作点 应在输入信号 Ui 0 的情况下进行 即将放大器输入端与地端 短接 然后选用量程合适的数字万用表 分别测量晶体管的集电极电流 IC以及各电极对地 的电位 UB UC和 UE 一般实验中 为了避免断开集电极 所以采用测量电压 然后算出 IC的方法 例如 只要测出 UE 即可用算出 IC 也可根据 E E EC R U II C CCC C R UU I 由 UC确定 IC 同时也能算出 ECCEEBBE UUUUUU 2 静态工作点的调试 放大器静态工作点的调试是指对三极管集电极电流 IC 或 UCE 调整与测试 静态工作点是否合适 对放大器的性能和输出波形都有很大的影响 如工作点偏高 放 大器在加入交流信号以后易产生饱和失真 此时 uO的负半周将被削底 如图 2 2 a 所示 如工作点偏低则易产生截止失真 即 uO的正半周被缩顶 一般截止失真不如饱和失真明显 如图 2 2 b 所示 这些情况都不符合不失真放大的要求 所以在选定工作点以后还必 须进行动态调试 即在放大器的输入端加入一定的 ui 检查输出电压 uO的大小和波形是否 满足要求 如不满足 则应调节静态工作点的位置 a 饱和失真 b 截止失真 图 2 2 静态工作点对 U0 波形失真的影响 改变电路参数 UCC RC RB RB1 RB2 都会引起静态工作点的变化 如图 2 3 所示 但通常多采用调节偏电阻 RB2的方法来改变静态工作点 如减小 RB2 则可使静态工作点 提高等 最后还要说明的是 上面所说的工作点 偏高 或 偏低 不是绝对的 应该是相对 信号的幅度而言 如信号幅度很小 即使工作点较高或较低也不一定会出现失真 所以确 切的说 产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致 如须满足较大信号的 要求 静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点 图 2 3 电路参数对静态工作点的影响 2 放大器动态指标测试 放大器动态指标测试包括电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 最大不失真输出电压 动态范围 和通频带等 1 电压放大倍数 AV的测量 调整放大器到合适的静态工作点 然后加入输入电压 ui 在输出电压 uo不失真的情况 下 用交流毫伏表测出 ui和 uo的有效值 Ui和 Uo 则 AV 2 7 i O U U 2 输入电阻 Ri的测量 为了测量放大器的输入电阻 按图 2 4 电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入 一已知电阻 R 在放大器正常工作的情况下 用交流毫伏表测出 US和 Ui 则根据输 入电阻的定义可得 R 2 8 i i i I U R U U R i R UU U iS i 测量时应注意 测量 R 两端电压 UR时必须分别测出 US和 Ui 然后按 UR US Ui求出 UR值 电阻 R 的值不宜取得过大或过小 以免产生较大的测量误差 通常取 R 与 Ri 为同一数量级为好 本实验可取 R 1 2K 3 输出电阻 RO的测量 按图 2 4 电路 在放大器正常工作条件下 测出输出端不接负载 RL的输出电压 UO和接入负载后输出电压 UL 根据 U 2 9 LO LO L U RR R 即可求出 RO RO R 2 10 1 L O U U L 在测试中应注意 必须保持 RL接入前后输入信号的大小不变 图 2 4 输入 输出电阻测量电路 4 最大不失真输出电压 UOPP的测量 最大动态范围 如上所述 为了得到最大动态范围 应将静态工作点调在交流负载线的中点 为此在 放大器正常工作情况下 逐步增大输入信号的幅度 并同时调节 RW 改变静态工作 点 用示波器观察 uo 当输出波形同时出现削底和缩顶现象 如图 2 5 时 说明静 态工作点已调在交流负载线的中点 然后反复调整输入信号 使波形输出幅度最大 且无明显失真时 用交流毫伏表测出 UO 有效值 则动态范围等于 2UO 或用2 示波器直接读出 UOPP来 图 2 5 静态工作点正常 输入信号太大引起的失真 5 放大器频率特性的测量 放大器的频率特性是指放大器的电压放大倍数 AV与输入信号频率 f 之间的关系曲 线 单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图 2 6 所示 图 2 6 幅频特性曲线 Avm为中频电压放大倍数 通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的 1 倍 即 0 707Avm所对应的频率分别称为下限频率 fL和上限频率 fH 则通频带2 fBW fH fL 2 11 放大器的幅频特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数 AV 为此可采用前述测 AV的方法 每改变一个信号频率 测量其相应的电压放大倍数 测量时要注意取点要恰当 在低频段与高频段要多测几点 在中频可以少测几点 此外 在改变频率时 要保持输入 信号的幅度不变 且输出波形不能失真 三 实验内容 1 连线 在实验箱的晶体管系列模块中 按图 2 1 所示连接电路 DTP5 作为信号 Ui 的输入端 DTP4 电容的正级 连接到 DTP26 三极管基极 DTP26 连接到 DTP57 DTP63 连接到 DTP64 或任何 GND DTP26 连接到 DTP47 或任何 10K 电阻 再由 DTP48 连接到 100K 电位器 RW 的 1 端 2 端和 3 端相连连接到 DTP31 DTP27 三极管射 极 连接到 DTP51 DTP27 连接到 DTP59 或 DTP60 DTP24 连接到 DTP32 或 DTP33 DTP25 先不接开路 最后把电源部分的 12V 连接到 DTP31 注 后续实验电路的组成都是这样按指导书提供的原理图在实验箱相应模块中进行连线 注 后续实验电路的组成都是这样按指导书提供的原理图在实验箱相应模块中进行连线 把分立元件组合在一起构成实验电路 以后连接实验图都是如此 不再如此详细说明 把分立元件组合在一起构成实验电路 以后连接实验图都是如此 不再如此详细说明 2 测量静态工作点 静态工作点测量条件 输入接地即使输入接地即使 Ui 0 在步骤 1 连线基础上 DTP5 接地 即 Ui 0 打开直流开关 调节 RW 使 IC 2 0mA 即 UE 2 4V 用万用表测量 UB UE UC RB2值 记入表 2 1 表 2 1 IC 2 0mA 测 量 值计 算 值 UB V UE V UC V RB2 K UBE V UCE V IC mA 3 测量电压放大倍数 调节一个频率为 1KHz 峰峰值为 50mV 的正弦波作为输入信号 Ui 断开 DTP5 接地 的线 把输入信号连接到 DTP5 同时用双踪示波器观察放大器输入电压 Ui DTP5 处 和 输出电压 Uo DTP25 处 的波形 在 Uo波形不失真的条件下用毫伏表测量下述三种情况 下 1 不变实验电路时 2 把 DTP32 和 DTP33 用连接线相连时 3 断开 DTP32 和 DTP33 连 接线 DTP25 连接到 DTP52 时 的 Uo值 DTP25 处 并用双踪示波器观察 Uo和 Ui的相 位关系 记入表 2 2 表 2 2 IC 2 0mA Ui mV 有效值 有效值 RC K RL K U0 V AV观察记录一组 U0 和 Ui 波形 2 4 1 2 2 42 4 注意 由于晶体管元件参数的分散性 定量分析时所给注意 由于晶体管元件参数的分散性 定量分析时所给 Ui为 50mV 不一定适合 具体情况不一定适合 具体情况 需要根据实际给适当的需要根据实际给适当的 Ui值 以后不再说明 由于值 以后不再说明 由于 Uo 所测的值为有效值 故峰峰所测的值为有效值 故峰峰 值值 Ui 需要转化为有效值或用毫伏表测得的需要转化为有效值或用毫伏表测得的 Ui 来计算来计算 AV值 切记万用表 毫伏表值 切记万用表 毫伏表 测量都是有效值 而示波器观察的都是峰峰值 测量都是有效值 而示波器观察的都是峰峰值 4 观察静态工作点对电压放大倍数的影响 在步骤 3 的 RC 2 4K RL 连线条件下 调节一个频率为 1KHz 峰峰值为 50mV 的正弦波作为输入信号 Ui连到 DTP5 调节 RW 用示波器监视输出电压波形 在 uo不失 真的条件下 测量数组 IC和 UO的值 记入表 2 3 测量 IC时 要使 Ui 0 断开输入信号 断开输入信号 Ui DTP5 接地 接地 表 2 3 RC 2 4K RL Ui mV 有效值 有效值 IC mA 2 0 U0 V AV 5 观察静态工作点对输出波形失真的影响 在步骤 3 的 RC 2 4K RL 连线条件下 使 ui 0 调节 RW使 IC 2 0mA 参见本实参见本实 验步骤验步骤 2 测出 UCE值 调节一个频率为 1KHz 峰峰值为 50mV 的正弦波作为输入信号 Ui连到 DTP5 再逐步加大输入信号 使输出电压 Uo足够大但不失真 然后保持输入信号 不变 分别增大和减小 RW 使波形出现失真 绘出 Uo的波形 并测出失真情况下的 IC和 UCE值 记入表 2 4 中 每次测每次测 IC和和 UCE值时要使输入信号为零 即使值时要使输入信号为零 即使 ui 0 表 2 4 RC 2 4K RL Ui mV IC mA UCE V U0波形失真情况管子工作状态 2 0 6 测量最大不失真输出电压 在步骤 3 的 RC 2 4K RL 2 4K 连线条件下 同时调节输入信号的幅度和电位器 RW 用示波器和毫伏表测量 UOPP及 UO值 记入表 2 5 表 2 5 RC 2 4K RL 2 4K IC mA Uim mV 有效值Uom V 有效值UOPP V 峰峰值 7 测量输入电阻和输出电阻 按图 2 4 所示 取 R 2