SJ8002B电子测量原理实验指导书(V3.1)

1、SJ-8002B 虚拟仪器虚拟仪器 电子测量原理 实验指导书 （V3.1） 电电子子科科技技大大学学自自动动化化 工工程程学学院院 目目 录录 实验一 电子测量实验系统组成原理及操作 .1 实验二 电子计数器测频和测周的原理 .10 实验三 双积分式 A/D 原理和直流电压测量 .16 实验四 交流电压表原理实验 .21 实验五 R、L、C 元件参数测量.27 实验六 数字存储示波器原理和应用 .34 实验七 数字合成信号源 .41 实验八 滤波器频率特性测试 .49 实验九逻辑分析仪的原理及应用 .58 实验十 温度检测与控制系统设计实验 .67 实验十一 数据采集及数据处理系统设计 .74

2、 实验十二 人机对话接口电路的设计与调试 .79 实验十三 信号频谱分析和测试 .92 实验十四 压力测量和称重仪实验 .101 附录 A 虚拟仪器仓库说明.111 附录 B 实验箱主板说明.112 附录 C 62 芯插座引脚定义 .113 实验一 电子测量实验系统组成原理及操作 一、实验目的一、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使用本实验箱内部数

3、字示波器，观察内部 DDS 信号源产生的信号波形。 三、实验器材三、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 windows2000 和图形化控件的能力) 1 台 四、实验原理四、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。 FPGA 两路DDS信号源 两路高速A/D采集电子计数器 双

4、积分A/D转换 EPP 62芯插座扩展I/O电源 虚拟仪器仓库 电子测量实验 电子测量实验箱 电路自装实验板 RLC电路实验板 滤波器电路实验板 温度检测实验板 CPLD实验板 计算机 电子频率计测频 和测周的原理 双积分A/D原理 和直流电压测量 交流电压表原理 实验 RLC元件参数测 量 数字存储示波器 原理和应用 任意波形发生器 的设计与调试 温度检测与控制 系统设计实验 逻辑分析仪的原 理及应用 CPLD逻辑电路 的设计与调试 数字存储示波器 RLC参数测试仪 电子计数器 频谱分析仪 直流电压表 函数发生器 频率特性测试仪 扫频信号源 交流电压表 任意波形信号源 逻辑分析仪 系列化 实

5、验板 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 电子测量实验箱主板如图 13 所示。 S102 短路块 62芯插座， 实验电路板 AC9V 温度板用电源 EPP插座， 连接计算机 并口 键盘板接口 电位器 直流可调电压S101 短路块 S702 短路块 S602 短路块 采集1通道 输入Ain1 信号源1输 出Aout1 测频输入Fx 采集2通道 输入Ain2 信号源2输 出Aout2 直流电压输 入DCin 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 S101 左边7109 直流电压

6、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 左边采集两个通道输入 Ain1 和 Ain2 不连接 通常情况下应用 S102 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 置于“no”信号源 1 输出不加 滤波 一般情况 S602 置于“filter”信号源 1 输出加滤 波 需加滤波 置于“no”信号源 2 输出不加 滤波 一般情况 S702 置于“filter”信号源 2 输出加滤 波 需加滤波 1电子测量实验箱 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/

7、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。 N比特相 位累加器 SRAM波 形存储器 DAC数模 转换器 LPF低通 滤波器 时钟 clk F 频率控制码 FCW 地址数据 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、R

8、AM 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：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

9、辨力为 1Hz ； 输出频率范围：正弦波：1Hz 2MHz ，其它波形：1Hz 200KHz； 输出信号幅度范围：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

10、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）：-50V 到+50V； 采样速率 20M、10M、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。 衰 减 仪 用 放 大 电 路 衰 减 电 路 数 据 存 储 器 EPP 接 口 CPLD 内部电路 A/ D 转 换 器 地址发生器 触发方式选择 EPP 控制电路 采集控制逻辑 触发源选择 晶 振

11、 采样频率选择 后 级 放 大 电 路 单 通 道 输 入 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 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

12、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。 EPP 示波器 信号发生器 电源 计算机 Ain1 Aout1 电子测量实验箱 S602 图 1

13、7 实验连接框图 图 18 主程序界面 图 19 电子测量实验主界面 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 5KHz。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“

14、秒/格”和“伏/格”,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：注意：1) 实验前不通电，先接线和插卡。实验前不通电，先接线

15、和插卡。 2）在运行软件前要先打开实验箱的电源。）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置参）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置参 数时，请先停止示波器的测量。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。）以上注意事项适合于本实验课程的其他实验。 实验二 电子计数器测频和测周的原理 一、实验目的一、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、实验内容二、实验内容 1. 频率测量，并了解测频方式下：闸门时间与测

16、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 windows2000 和图形化控件的能力) 1 台 四、实验原理四、实验原理 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 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

17、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 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。 To Tx 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

18、 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） M TN T O X 例如：fx = 50Hz，则主门打开 1/50Hz（= 20ms） 。若选择时基频率为 fo = 10MHz， 时基 T，周期倍乘选 1，则计数器计得的脉冲个数为 = 200000 个，如以 ms O X T T N 为单位，则计数器可读得 20.0000(ms) ，此时，测周分辨力为。 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

19、等时，即可确定中界频率为 xs ff / x TT / 0 xm f （2-3） 0 0 f f T T f f xm xmxm s 故 （2-4） 0 fff sxm 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 s f Ss Tf/1 0 f 频时选用的时标信号频率，；当时，应使用测频的方法；当 00 /1 Tf xmx ff 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 xmx ff 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。 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 1

20、s 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10 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 MMMM MMMMM 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。 由于我们使用 24 位计数器，计数值 N8 )- 0 x

21、a1; qu=(point_quwei rec=(qu*94+wei)*32L; （2）ASC码与相应区位码的转换 ASC码的所有符号全在区位码的第三区，位码的偏移量为 0 x21H。ASC码在字库中 的偏移量为： (区码*94 + (位码-21H)*32L 由此可编辑偏移量的源代码为： inter_code.ed0=charactercount; point_quwei=; wei= (point_quwei qu=0 x03-0 x01; rec=(qu*94+wei)*32L; 五、实验步骤五、实验步骤 1 1实验准备实验准备 （1）硬件连线 硬件连线如图 12-7 EPP 电子测量实验

22、箱 电源 计算机 20PIN 插座 J005 SJ-9001 键盘点阵实验板 图 12-7 键盘点阵实验板硬件连线框图 在开电源前，用 20PIN 的带线连接电子测量实验箱主板 J005（20PIN 插座）和 键盘点阵实验板 J1。连通 EPP 线。 （2）打开实验箱的电源，运行实验程序，选择实验十二人机对话接口电路的设计 与调试。显示界面如图 12-8。 图 12-8 人机对话接口实验软件界面 2 2人机对话实验人机对话实验 （1）点阵显示 “显示刷新速度”调整的是点阵显示刷新速度。 运行人机对话实验软件界面后，出现图 12-8 界面。点击“演示” ，将在“字符输入” 框自动的显示静态的字符

23、“欢迎使用电子科技大学虚拟仪器电子测量实验系统” ， “字符 输入”框动态的显示，键盘点阵实验板的点阵面板上逐个的显示以上的汉字。 在“字符输入”框里可以输入任意字符，再点击“显示” ，输入的字符在“字符输出” 框动态显示，同时，点阵面板上也个逐个显示同样的字符。 （2）按键操作 点击人机对话接口实验软件界面（图 12-8）的“开始”键，任意点击键盘点阵实验 板上的按键，观察人际对话接口实验软件界面变化和点阵面板的显示。退出前，先点 “停止”键。再点“退出” 。 3 3键盘编程实验键盘编程实验 （1）键盘的编程思路 键盘编程流程如图 12-9 开始 line0 xbf ? EPP初始化 键盘点

24、阵实验板初始化 行号:line=0 x7f 列号:ordinate=0 xff 键按下标志:storke=0 line=0 x7f Y N man_stop=1? 是否按下面板的停止键? 扫描当前行 Y N 读键盘列号 ordinate=0 xff ? line=line+64 storke=0 storke=0 ? 去抖延时0.01s storke=1 由此时行号line列号ordinate 取得键名和返回值 结束 N N Y Y 返回err=1 EPP读数是否正常 ? N Y 返回err=8 图 12-9 键盘编程流程图 （2）LabWindows/CVI 编程步骤 打开 CVI 软件，创

25、建一个空的工程文件。进入用户界面的编辑窗口，创建 UIR 文 件，对用户界面进行设计。 参考设计界面如下图 12-10；面板上各控件的主要属性设置如下表 12-1： 图 12-10 用户界面设计 表 12-1 面板主要控件的基本属性列表 类型 Constant Name Callback Function 作用 面板 PanelPANEL Command ButtonSTARTstart 控制开始 Command ButtonQUITQuit 退出程序 TextOUTPUT 显示键名 控件 Decoration DECORATION_13美观 在用户界面编辑窗口，由图形界面生成源代码框架，并给

26、工程文件命名。打开 SJ8002C 驱动函数文件“sj8002C.fp”并添加到工程文件中。 向 C 代码文件添加函数。 （调用 sj8002C.fp） 1）EPP 初始化函数 epp_init（） 无输入参数，无返回值。 2）矩阵键盘识键、判键的函数： int wait_valid_key (int Panel_Handle, int stop_ID, unsigned char *linekey, unsigned char *ordinatekey) 扫描方式读出用户当前所按下的键位置。 输入值： Panel_Handle（中断读键的控件面板句柄） ；stop_ID（中断读键的控件名 称

27、） 。 输出值： linekey（按下键的行号） ； ordinatekey（按下键的列号） 。 返回值： 0读键成功；输出值有效； 1读键不成功，被中断；输出值无效； 8读键不成功，EPP 不能读数；输出值无效。 3)键处理函数：find_keyname (unsigned char linekey, unsigned char ordinatekey, char *returnkey：name,unsigned char *num) 由读出的行号 line 和列号 ordinate，查出键名 key_name。 输入值： linekey（行号） ； ordinatekey（列号） 。 输出

28、值： keyname（按下的键名） ； num（返回按键的值） 。 函数无返回值。 注意：图注意：图 12-912-9 的编程流程图是包括完整的识键、判键的函数和键处理函数。在添加的编程流程图是包括完整的识键、判键的函数和键处理函数。在添加 驱动函数文件驱动函数文件“sj8002C.fp”“sj8002C.fp”后，可以在主程序适当的位置直接调用函数后，可以在主程序适当的位置直接调用函数 intint wait_valid_keywait_valid_key（）和（）和 find_keynamefind_keyname（）（） ，不需要再编写同样的程序段。，不需要再编写同样的程序段。 4 4点

29、阵显示图形的实验点阵显示图形的实验 （1）由 LED 点阵显示原理写出下图 12-11 和 12-12 的点阵码。 图 12-11 树型图案 图 12-12 鱼吐气泡图案 （2）编写显示图 12-11 和图 12-12 的程序段。 打开 CVI 软件，创建一个空的工程文件。进入用户界面的编辑窗口，创建 UIR 文 件，对用户界面进行设计。 参考设计界面如下图 12-13；面板上各控件的主要属性设置如下表 12-2 图 12-13 用户图形参考界面 表 12-2 面板主要控件的基本属性列表 类型 Constant NameCallback Function 作用 面板 PanelPANEL Co

30、mmand ButtonSTARTstart 显示启动 Command ButtonQUITQuit 退出程序 Ring SlideSPEED 显示刷新速度调节 控件 Decoration DECORATION_14美观 在用户界面编辑窗口，由图形界面生成源代码框架，并给工程文件命名。 向 C 代码文件添加 LED 点阵板显示图 12-11 和图 12-12 的程序段如下。 （数组 unsigned char tree32= 的元素为图 12-11 的点阵码，unsigned char fish32= 的元素为 图 12-12 的点阵码） int CVICALLBACK start (int

31、panel, int control, int event, void *callbackData, int eventData1, int eventData2) unsigned char tree32= ; unsigned char fish32= intint i,j,K,speed;i,j,K,speed; switch (event) case EVENT_COMMIT: GetCtrlValGetCtrlVal (panelHandle(panelHandle，PANEL_SPEED,PANEL_SPEED, forfor (j=0;(j=0; j=speed;j=speed;

32、 j+)j+) /设置显示刷新时间 for(i=0;for(i=0; i16;i16; i+)i+) /点阵显示 tree epp_write_data(DOTLINE,i);epp_write_data(DOTLINE,i); epp_write_data(DOTL,treeepp_write_data(DOTL,tree i*2);i*2); epp_write_data(DOTR,treei*2+1);epp_write_data(DOTR,treei*2+1); forfor (k=0;k5;k+)(k=0;k5;k+) /延时 epp_write_data(DOTLINE,i);ep

33、p_write_data(DOTLINE,i); /熄灭当前行 epp_write_data(DOTL,0);epp_write_data(DOTL,0); epp_write_data(DOTR,0);epp_write_data(DOTR,0); Delay(0.5);Delay(0.5); for(i=0;for(i=0; i16;i16; i+)i+) /点阵显示 fish epp_write_data(DOTLINE,i);epp_write_data(DOTLINE,i); epp_write_data(DOTL,epp_write_data(DOTL, fishi*2);i*2)

34、; epp_write_data(DOTR,fishi*2+1);epp_write_data(DOTR,fishi*2+1); forfor (k=0;k5;k+)(k=0;k5;k+) /延时 epp_write_data(DOTLINE,i);epp_write_data(DOTLINE,i); /熄灭当前行 epp_write_data(DOTL,0);epp_write_data(DOTL,0); epp_write_data(DOTR,0);epp_write_data(DOTR,0); break; 5 5点阵显示任意字符点阵显示任意字符 （1）点阵的编程思路 开始 EPP初始化

35、 键盘点阵实验板初始化 读入字符刷新速度 读入要显示的字符串 获取字符串长度length 判断此字符是汉字或数字和特殊符号 ASC码与区位码的转换 flag=1 读入一个显示字符内码的第一位 读入此显示字符内码 的第二位 取字符点阵码 结束 内码与区位码的转换 flag=2 count=0 显示字符 countlength ? count=count+flag N Y 汉字 数字和 特殊符号 图 12-14 编程流程图 （2）显示任意字符的 LabWindows/CVI 编程步骤 打开 CVI 软件，创建一个空的工程文件。进入用户界面的编辑窗口，创建 UIR 文 件，对用户界面进行设计。 参考

36、设计界面如下图 12-15；面板上各控件的主要属性设置如下表 12-3 图 12-15 用户图形参考界面 表 12-3 面板主要控件的基本属性列表 类型 Constant NameCallback Function 作用 面 板 PanelPANEL Command ButtonSTARTStart 控制显示任意字符 Command ButtonQUITQuit 退出程序 Ring SlideSPEED 显示刷新速度 StringINPUT 输入显示字符 控 件 Decoration DECORATION_12美观 在用户界面编辑窗口，由图形界面生成源代码框架，并给工程文件命名。打开 SJ80

37、02C 驱动函数文件“sj8002C.fp”并添加到工程文件中。 向 C 代码文件添加函数。 （调用 sj8002C.fp） 1)EPP 初始化函数 epp_init（） ； 无输入参数，无返回值。 2)显示多个字符 led_dots (char *inputs, int speed) 输入值： inputs （用户面板上输入的 char 数据(可以是数字,特殊字符和汉字)） ； speed（刷新速度） 。 函数无返回值。 注意：必须把字库文件注意：必须把字库文件 hzk16j.dothzk16j.dot 拷贝到程序运行的目录下拷贝到程序运行的目录下 6键盘综合实验键盘综合实验 图 12-16

38、 键盘控制的数字电压表的参考界面 如图 12-16，使用键盘的功能键 F1 和 F2 作为电压表的“测试”和“清零”按纽。使 用时，先点“开始” ，启动键盘自动扫描读键，判键，处理键的程序段，当按下“测试 （F1） ”的时候，程序就开始运行测试电压程序段。 （1）编程思路 开始 EPP初始化 键盘点阵实验板初始化 是F1或F2？ 结束 N 识键判键 键处理 启动7109 Y Y 是F2是F1 运行7109 设置显示参数 显示数据 清零面板 显示888 停止 ？ N Y 图 12-17 键盘控制的数字电压表的编程流程图 （2）LabWindows/CVI 编程步骤 打开 CVI 软件，创建一个空

39、的工程文件。进入用户界面的编辑窗口，创建 UIR 文 件，对用户界面进行设计。 参考设计界面如图 12-16；面板上各控件的主要属性设置如下表 12-4 表 12-4 面板主要控件的基本属性列表 类型 Constant NameCallback Function 作用 面 板 PanelPANEL Text ButtonSTARTtimer 启动键盘扫描 Text ButtonTEST 测试电压 Text ButtonCLEAR 清屏 Command ButtonQUITQuit 退出程序 TimerTIMERstart 循环键盘扫描 NumericOUTPUT 输出 控 件 Decorati

40、on DECORATION_14美观 在用户界面编辑窗口，由图形界面生成源代码框架，并给工程文件命名。打开 SJ8002C 驱动函数文件“sj8002C.fp”并添加到工程文件中。 向 C 代码文件添加函数。 （调用 sj8002C.fp） 1）EPP 初始化函数 epp_init（） ； 无输入参数，无返回值。 2）矩阵键盘识键、判键的函数： int wait_valid_key (int Panel_Handle, int stop_ID, unsigned char *linekey, unsigned char *ordinatekey) 扫描方式读出用户当前所按下的键位置。 输入值：

41、 Panel_Handle（中断读键的控件面板句柄） ；stop_ID（中断读键的控件名 称） 。 输出值： linekey（按下键的行号） ； ordinatekey（按下键的列号） 。 返回值： 0读键成功；输出值有效； 1读键不成功，被中断；输出值无效； 8读键不成功，EPP 不能读数；输出值无效。 3）键处理函数：find_keyname (unsigned char linekey, unsigned char ordinatekey, char *returnkey：name,unsigned char *num) 由读出的行号 line 和列号 ordinate，查出键名 key

42、_name。 输入值： linekey（行号） ； ordinatekey（列号） 。 输出值： keyname（按下的键名） ； num（返回按键的值） 。 函数无返回值。 4）启动 7109 的函数：start_7109()。 函数无参数，无返回值。 5）运行 7109 测电压的函数：int run_7109 (unsigned char m_what, unsigned char gain_cw,double vref, double *rult)。 输入值：m_what（测试对象） ，gain_cw（量程控制字） ，vref（参考电压（默认 2.048） ） 。 输出值：rult（测量

43、结果(V)） 。 返回值：0读数有效，2读数无效，正溢出，3读数无效，负溢出，8读数 不成功，EPP 不能读数。 六、思考和练习六、思考和练习 1.去掉去抖延时时间，对按键的实际效果有何影响？ 2.思考：相邻两行的扫描时间间隔对显示效果的影响（特别注意延长相邻两行的扫描 时间间隔后的显示效果） 。 实验十三 信号频谱分析和测试 一、实验目的一、实验目的 1了解周期函数的傅立叶变换理论及虚拟频谱分析仪的工作原理； 2熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。 二、实验要求二、实验要求 1测量典型信号（正弦波、三角波、方波）的频谱并记录； 2、测量由基波、二次谐波、三次谐波的

44、组合波形的频谱并计录。 三、实验器材三、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函数信号发生器或数字存储示波器（1Hz1MHz） 1 台 4计算机(具有运行 windows2000 和图形化控件的能力) 1 台 四、实验原理四、实验原理 1非正弦周期函数的傅立叶分解 (1)定义 如果给定的周期函数满足狄里赫利条件（函数在任意有限区间内，具有有限个)(tf 极值点与不连续点） ，则该周期函数定可展开为一个收敛的正弦函数级数。而在电工技术 中，我们所遇到的周期函数通常均满足该条件。这样 1 0 1 0 )cos( )sinco

45、s()( k kkm k kk tkAA tkbtkaatf 其中，两式中的各个系数的计算公式及对应的系数的关系 2 2 0 0 )( 1 )( 1 T T T dttf T dttf T a )()cos()( 1 )()cos()( 1 )cos()( 2 )cos()( 22 0 2 2 0 tdtktftdtktfdttktf T dttktf T a T T T k )()sin()( 1 )()sin()( 1 )sin()( 2 )sin()( 22 0 2 2 0 tdtktftdtktfdttktf T dttktf T b T T T k 在该展开式中，称为周期函数的恒定分

46、量，也称为直流分量；与原周期函数 0 A)(tf 的周期相同的正弦分量称为一次谐波，也称为基波分量。其他各项称为)cos( 11 tA m 高次谐波（如 2 次谐波、3 次谐波等等） (2)各种常用周期信号的傅立叶展开 1）方波 f(t) A t 0.5T -A T 图 1 方波 ，其中的)7sin 7 1 5sin 5 1 3sin 3 1 (sin 4 )( tttt A tf T 2 2）三角波 f(t) A t T -A 图 2 三角波 ，其中的)7cos 49 1 5sin 25 1 3sin 9 1 (sin 8 )( 2 tttt A tf T 2 3）锯齿波 f(t) A t

47、T 2T 3T 图 3 锯齿波 ，其中)4sin 4 1 3sin 3 1 2sin 2 1 (sin 2 )( tttt AA tf T 2 2非正弦周期函数的有效值 以电流为例，周期电压、电流的有效值的定义为： T dtti T I 0 2 )( 1 前面已经谈到，任意周期函数均可展开为傅立叶级数： 1 10 )sin()( n nnm tnIIti 代入有效值的定义式： T n nnm dttnII T I 0 2 1 10 )sin( 1 积分号内的平方式展开有以下几种情况： 2 0 0 2 0 1 IdtI T T 2 )(sin 1 2 0 1 22nm T nnm I dttnI

48、 T 0)sin(2 1 0 10 T nnm dttnII T npdttptnII T T pnpmnm 0)sin()sin(2 1 0 11 因此，的有效值为：。其中，)(ti 2 3 2 2 2 1 2 0 1 2 2 0 2 IIII I II n nm 为各个 n 次谐波分量的有效值。同理，任意电压的有效值为： 2 nm n I I )(tu ，其中，为各 n 次谐波分量的 2 3 2 2 2 1 2 0 1 2 2 0 2 UUUU U UU n nm 2 nm n U U 有效值。 (1).非正弦周期函数的频谱 对某函数以频率为横轴，各个频率对应的正弦函数的幅值为纵轴所绘出的

49、线段系称 为该函数的频谱。 对于周期函数而言，其频谱为一系列谱线。如 方波 f(t) A t 0.5T -A T Akm 4A/ 4A/3 4A/5 4A/7 3 5 7 图 4 矩形波的傅立叶频谱 三角波 f(t) A t T -A Akm 8A/2 8A/252 3 5 7 8A/92 图 5 三角波的傅立叶频谱 锯齿波 f(t) A t T 2T 3T Akm A/2 A/ A/2 A/3 A/4 O 2 3 4 图 6 锯齿波的傅立叶频谱 (2). 傅立叶变换与频谱函数 1)周期函数的傅立叶级数的指数形式 11 0 1 0 1 0 2 )( 2 )( ) 2 () 2 ()sincos

50、()( k tjk kk k tjk kk k tjktjk k tjktjk k k kk ejbaejba a j ee b ee aatkbtkaatf 令，且对所有，均有，则，其中 2 kk k jba c 0k 00 ac k tjk ke ctf)( ，dtetf T c tjk T k 0 )( 1 00 ac 2)幅度频谱与相位频谱 体现|与频率之间的关系的谱线，称为幅度频谱。 k c 由于指数级数中的 k 可以分别取相应的正负值，因此幅度频谱关于 Y 轴对称；而其 谱线的高度仅为付氏频谱谱线高度的一半。例如方波 图 7 方波及其傅立叶频谱、幅度谱 4信号的离散傅立叶变换（DF

51、T） x(t)经采样后变为 x(nT)，T为采样周期，采样频率 fs=1/T 。离散信号 x(nT)的 傅里叶变换可以表示为： ，n=0，1，N-1 Nnkj N n enxkX /2 1 0 X(k)是复数，信号的频谱是它的模，为了方便显示，做归一化处理，用来NkX)( 表示频谱。 频率分辨率为：fNff s Nkfkff sk FFT 是 DFT 的快速算法。 5. 虚拟频谱分析仪 数字式虚拟频谱分析仪是通过 A/D 采样器件，将模拟信号转换为数字信号，传给微 处理器系统或计算机来处理.在对交流信号的测量中，根据奈奎斯特采样定理，采样速率 必须是信号频率的两倍以上，采样频率越高，时间轴上的

52、信号分辨力就越高，所获得的 信号就越接近原始信号，在频谱上展现的频带就越宽。 本频谱分析仪采用快速傅立叶变换的方法，分析信号中所含各个频率份量的幅值。 其构成框图如图 8 所示： 模拟输入调理电路A/D存储器FFT频谱显示 图 8 频谱分析仪框图 频谱仪界面如图 9 所示。 说明：1. 频谱仪的纵轴为幅度（有效值） 。 2改变参数时，请先停止测量 3改变内部信号源时，请先停止测量 4由于本实验平台的 A/D 分辨率只有 8 位，决定了频谱分析的精度不高，同 学们重点掌握频谱分析的方法。 Akm 4A/ 4A/3 4A/5 4A/7 3 5 7 图 7(a) 方波的傅立叶频谱 |ck| 2A/

53、2A/3 2A/5 2A/7 3 5 7 图 7(b) 方波的幅度频谱 f(t) A t 0.5T -A T 图 9 频谱仪界面 五、实验步骤五、实验步骤 1测量典型信号（正弦波、三角波、方波）的频谱测量典型信号（正弦波、三角波、方波）的频谱 11 用 Q9 线连接信号发生器与实验平台的 Ain1 端，并用 EPP 排线连接实验平台和计 算机之间的 EPP 接口，最后打开电源.。接线图如图 10 所示。有使用外部信号源和内部 信号源两种连线方法，S102 短路块放于左边，可外接示波器在 Ain2 检测输入信号波形。 EPP 电子测量实验箱 信号发生器 电源 计算机 Q9 线 示波器 监 测 A

54、in1 Aout 1 S102 Ain2 图 10 接线图 信号发生器产生一个频率为 10K，峰值为 3V 左右的正弦波，启动实验平台配套的频 谱分析软件，其界面如下图所示意。 图 11 虚拟频谱分析仪界面 12 由信号源产生一个频率为 10KHz，峰值为 3V 的正弦波，用数字频谱分析仪对该信 号进行频谱测量，幅度刻度方式设为线性刻度，不加窗函数，起始频率为 0Hz，结束频 率为 100KHz，Y 线性参考电压为 2V，将测量结果填入表 1，并计算出频谱的理论值填入 表 1。 表 1 基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波六次谐波七次谐波 频率（Hz） 测量幅度 有效值（V） 幅度理论值 有效

55、值（V） 13 由信号源产生一个频率为 10KHz，峰值为 3V 的三角波，用数字频谱分析仪对该信 号进行频谱测量，幅度刻度方式设为线性刻度，不加窗函数，起始频率为 0Hz，结束频 率为 100KHz，Y 线性参考电压为 2V，将测量结果填入表 2，并计算出频谱的理论值填入 表 2。 表 2 基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波六次谐波七次谐波 频率（Hz） 测量幅度 有效值 （V） 理论有效值 （V） 14 由信号源产生一个频率为 10KHz，峰值为 4V 的方波，用数字频谱分析仪对该信号 进行频谱测量，幅度刻度方式设为线性刻度，不加窗函数，起始频率为 0Hz，结束频率 为 100KHz，Y

56、 线性参考电压为 5V，将测量结果填入表 3，并计算出频谱的理论值填入表 3。 表 3 基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波六次谐波七次谐波 频率（Hz） 测量幅度 有效值 （V） 幅度理论值 （V） 2. 用实验平台的用实验平台的 DDS 信号源产生一个由基波、二次谐波、三次谐波的组合波形，观察其信号源产生一个由基波、二次谐波、三次谐波的组合波形，观察其 频谱频谱 （1）连接实验箱的 Aout1 到 Ain1，进入 DDS 信号源程序界面，选择“任意波形” ， 弹出窗口如图 12 所示。 （2）在组合波形界面的左下方输入基波、二次谐波、三次谐波的系数，相位延迟角 度取 0，点击“绘图” ，右

57、上方的显示窗显示生成的组合波形，点击“数据写入 Aout1” ， 选择组合波形的幅度（峰峰值） ，频率（基波频率） ，最后点击“启动” ，则从 Aout1 输出 要求的信号，可外接示波器观察。 （3）回到频谱分析界面，测量组合波形频谱，注意选择的结束频率比 3 次谐波稍大 即可。 （4）观察各次谐波的频率和幅度，它们的比值关系满足设定的系数。 （5）改变各次谐波的相位延迟角度（0360 度） ，重新测量，观察波形和频谱有无 改变。 六、思考和练习题六、思考和练习题 1为什么组合波形各分量的相位改变，波形会发生变化，但幅度频谱不变？ 2数据采集的采样频率对频谱测量有什么影响？ 图 12 任意波形

58、和组合波形界面 图 13 组合波形的频谱 实验十四 压力测量和称重仪实验 一、实验目的一、实验目的 1了解应变式压力传感器工作原理和主要技术指标 2掌握压力传感器测量放大电路的原理 3了解虚拟称重仪的组成和工作原理 4. 学会实验数据记录、分析和处理 二、实验内容二、实验内容 1. 测试放大器增益 2. 标定和校准虚拟电子秤 3. 计算虚拟电子称重仪的精度 三、实验器材三、实验器材 1SJ-8002B 电子测量实验箱 1 台 2EPP 接口线。 1 根 3计算机(具有运行 windows2000 和图形化控件的能力) 1 台 4. 标准砝码 1kg 5 个 5. 称重传感器 1 个 6. 放大

59、电路板 1 块 四、实验原理四、实验原理 1. 虚拟电子称重仪的总体设计方案虚拟电子称重仪的总体设计方案 虚拟电子称重仪的硬件由称重传感器、放大器和 A/D 转换器、接口电路和计算机等 组成，其原理框图如图 1 所示。称重传感器完成重量到电压的变换，被变换的电压经适 当放大后，由 A/D 转换器实现模/数转换，其转换的输出量是计算机能够接受的数字信号， 计算机再进行数据处理，显示出重量。虚拟称重仪是建立在数字化和计算机化的基础上 的。 压力 传感器 实验电路板 测量放大电路 重物或 砝码 实验箱 A/D转换 和控制 EPP 接口 多位数码管 计算机 图 1 虚拟电子称重仪原理框图 2. 称重传

60、感器的工作原理及变换关系。 紧固螺钉 秤盘 F 引线 支撑快 应变片R1 应变片R2 秤盘 支撑快 应变片R3 应变片R4 底板 弹性梁 图 2 实验中使用的称重传感器结构 称重传感器利用应变测力原理，通过弹性元件将力以形变的形式传递给应变片。本 实验使用的压力测量传感器结构如图 2 所示，它是一种典型复合悬臂梁结构，双连孔弯 曲梁作为弹性元件。在弹性元件上粘上一组应变片形组成应变电桥，四片应变片分别粘 贴在梁的上、下两表面上，可组成全桥电路，如图 3 所示。当载荷 W 作用时，弹性体受 力发生形变，受拉伸，阻值增加；受压缩，阻值减小，电桥因桥臂电阻12RR、34RR、 的变化而失去平衡，输出