现代测试技术实验指导书电子电科专业使用

1、现代测试技术实验指导书（电子信息工程、电子信息科学与技术专业应用）苏州科技学院电子与信息工程学院2009年3月实验基本要求现代测试技术是一门实践性很强的学科。做好课内实验是巩固和加强理论知识，提高分析和解决实际问题能力的重要手段。通过动手实践，同学们要理解常用电子测量测试仪器的结构原理和测量方法，学习典型测试系统的参数设计。为保证人身与仪器设备安全，保证实验教学工作严谨、科学、文明、有序地进行，进入实验室要严格遵守实验室安全管理制度和实验仪器设备安全操作规程。1、保障人身安全实验室中常见的危及人身安全的事故是触电，为避免事故的发生，进入实验室后应遵循以下规则：实验时不允许赤脚，各种仪器设备应有

2、良好的接地；仪器设备、实验装置中通过强电的连接导线应有良好的绝缘外套，芯线不得外露；实验者在接通或断开220V交流电源时，最好用一只手操作。拔电源插头时应用手抓住插头而不要抓住导线，以免导线被扯断发生触电或短路事故；若发生触电事故，应首先迅速切断电源，使触电者立即脱离电源并采取必要的急救措施。2、保证仪器设备安全使用仪器前应认真阅读使用说明书，掌握仪器的使用方法和注意事项；实验中要有目的地操作仪器面板上的开关旋钮，禁止盲目拨弄开关，切忌用力过猛；实验过程中要特别注意异常现象的发生。若嗅到焦臭味，见到冒烟和火花，听到“劈啪”的响声，感到设备或元件过热，电源指示灯异常熄灭及保险丝熔断等，应立即切断

3、电源，并及时报告实验指导老师。在查明原因、排除故障后才能再次开机继续实验。如发生损坏仪器设备事故，应主动向指导老师汇报；未经允许不得随意调换仪器，更不得擅自拆卸仪器设备；确需搬动的，经指导老师同意后，搬动设备时，必须轻拿轻放；仪器使用完毕后，应将面板上各旋钮、开关置于合适位置，如将数字万用表开关旋至OFF，将指针万用表的档位开关置于交流电压最大挡；实验完毕切断电源；为保证器件及仪器安全，在连接实验电路时，应在电路连接完成并检查完毕后，再接通电源及信号源。3、文明实验实验室严禁大声喧哗和打闹。要保持实验室卫生，严禁带吃的东西进入。废弃物应扔入纸娄，实验完毕后，要将仪器设备整理好，将配件收拾整齐，

4、关闭电源，并将凳子归到桌子下面摆放整齐。 【实验一】常规测试测量仪器综合使用一、实验目的：了解通用示波器、信号发生器、万用表等常规测试测量仪器的原理、学习其一般的使用方法。通过典型测量技术的计算机仿真与实验室电路搭建，掌握常规测试测量仪器综合使用的基本技能，提高分析问题与解决问题的能力。二、实验内容1、学习通用示波器、信号发生器、万用表等常规测试测量仪器的原理。应用通用示波器观测信号发生器发出的常用波形。通过按钮操作，进一步了解通用示波器中触发及扫描电路的工作过程。熟悉通用示波器的操作方法。2、学习用集成模拟乘法器实现全载波调幅的方法与过程，熟悉调幅系数的示波测量法。仿真时，模拟乘法器1496

5、可由学生自行设计。3、学习二阶有源滤波器的设计方法、调试方法和步骤。并参照学习材料，查资料自行设计一带通或带阻滤波器自拟实验步骤，测出电路中心频率，测量并画出电路的幅频特性。三、参考学习材料1、示波器的组成框图 电平调节电路Y轴放大器触发电路时基发生器X轴放大器示波管高压和显示电路其他附属电路低压电源 y输入 垂直系统x输入外触发水平系统图1.12、调幅系数M的定义和计算公式 设载波信号为：uc(t) = Vccost ，调制信号为：us(t) = Vscost 则调幅波信号的表达式为： uAM(t) = Vc1+()cost·cost = Vc1+M costcost 其中，为载波

6、信号的频率，为调制信号的频率，调制信号与载波信号幅度比，称为调幅系数。 从调幅波的表达式可以看出，已调幅波包络的最小值出现在cost= -1的瞬间，包络的最大值出现在cost = 1的瞬间。设包络的最大峰峰值为B，最小峰峰值为A，有 uAM (t)|max = Vc(1+ M)cost =uAM (t)|min = Vc(1- M)cost = 由上两式可得： M= 图1.23、调幅系数线性扫描测量法把已调幅信号加到示波器的Y轴，X轴采用示波器内的线性锯齿波电压，并把调制信号作为同步信号输入示波器的外触发或同步触发端，调整扫描电压的频率，应使其等于调制信号的频率（或是它的若干分之一），则可以在

7、示波器屏幕上得到一稳定的调幅波波形（如上图所示）。线性扫描测量方法的优点是较为直观，可以发现调制过程中的瞬变情况，但它的准确度取决于波形线条的粗细程度，故准确度不高，尤其是当M之值比较小时更是如此，通常这种方法作为波形的定性观察之用。4、应用集成模拟乘法器1496芯片构成调幅器（1）1496芯片管脚说明图1.3、: 载波输入端（对应IN1）、: 调制输入端（对应IN2）、: 接正电源+12v: 接负电源-8v（2）用1496芯片构成的调幅器图1.4 1496构成的调幅器Rp1用来调节引出脚、之间的平衡Rp2用来调节引出脚、之间的平衡线性扫描法操作步骤：将载波信号与调制信号分别加到IN1与IN2

8、端，out接到示波器，可观察波形，测调幅系数。5、利用multisim创建1496模块与调幅仿真实验（1）创建MCl496模块MCl496是构成调幅电路的核心器件。利用ltisim可以创建MCl496模块。模块的内部结构可如图1.5所示。T1、T2与T3、T4组成双差分放大器，T5、T6组成的单差分放大器用以激励T1T4。 T7、T8及其偏置电路构成恒流源。管脚8与10接输入电压Vx，管脚1与4接另一个输入电压Vy，输出电压Vo从管脚6输出。管脚2与3可外接电阻，对差分放大器T5、T6产生串联电流负反馈，以扩展输入电压V的线性动态范围，并调节模拟乘法器增益。管脚5可外接电阻，用来调节偏置电流及

9、镜像电流。管脚14为负电源端。创建的MCl496模块以子电路形式保存，在仿真实验过程中，可以随时调用并观察内部参量的变化。 （2）设计调幅实验电路 进入Multisim的编辑窗口，调用MCl496模块，按图1.6设计调幅实验电路。载波信号和调制信号采用单端输入。载波信号Uc通过电容C2加到乘法器的输入端管脚10，调制信号U经低频耦合电容C1，从管脚1输入，调制信号UAM由管脚12单端输出。图1.6中接于正电源电路的电阻Rc1、Rc2：用来分压，负电源通过RP、R7、R8、R9、R10的分压为管脚内部的差分对管T5、T6提供基极偏压，C3为低频旁路电容，将管脚4交流接地。R4、R5、R6将直流正

10、电源分压后为管脚8、10内部的晶体管T1T4提供基极偏压，C4为低频旁路电容，将管脚8交流接地。RP称为载波调零电位器，调节RP可使电路对称以减小载波信号输出。接于管脚2、3端的电阻Re用来扩大U的线性动态范围和调节增益。（3）调幅实验电路静态工作点的调整 将调制信号输入端和载波信号输人端对地短接，用Muhisim提供的实时测量探针测量 MCl496模块的各管脚电压，测量结果见表1。表中的参考值是保证MCl496器件内部的静态工作点处于正常工作时的电压值。（4）调幅实验电路仿真结果 用信号发生器产生幅度为60 mV、频率为10 MHz的载波信号Uc，将调制信号输入端先对地短路，此时示波器观察到

11、的输出波形为等幅载波。调节电位器及P使输出波形逐渐成为一条直线，此时V1=V4，调制信号输入端未叠加直流信号，这样就抑制了载波。此时电位器及P恰好调节到中间位置，管脚1、4的电位应该是相等的。接人调制信号后就可以在虚拟示波器中得到如图1.7所示的波形。还可清楚地看到平衡调幅波在调制过零时的载波反相现象。如果调节电位器RP偏离中间位置使管脚1、4的电位不等，即相当于在u，输入端上叠加了 一个直流成分。可以看到示波器中载波成分逐渐增加，稳定后得到如图1.8所示的有载波调幅6、二阶有源滤波器原理与设计 滤波器是一种只传输指定频段信号，抑制其它频段信号的电路。滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种： 无

12、源滤波器: 由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成 有源滤波器: 一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。从功能来上有源滤波器分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、全通滤波器（APF）。其中前四种滤波器间互有联系，LPF与HPF间互为对偶关系。当LPF的通带截止频率高

13、于HPF的通带截止频率时，将LPF与HPF相串联，就构成了BPF，而LPF与HPF并联，就构成BEF。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数AVP、通带截止频率fP及阻尼系数Q等。二阶有源低通滤波器（二阶压控电压源LPF）：低通滤波器的特点是使低频信号（或直流成分通过、抑制或衰减高频信号，主要用于削弱高次谐波或频率较高的干扰和噪声信号，例如整流电路中的滤波电路。该滤波器有如下的关系式：通带电压放大倍数：通带截止频率：典型的二阶有源低通滤波器电路如图1.9所示：图1.9电路的选频特性基本上取决于RC网络，电路还兼有同相放大功能，调节RF、

14、Rf即可调节电路增益。由于运算放大器在同相工作时输入端有较高的共模电压，故应选用共模输入电压较高的运算放大器。该电路特点是在组件前加了二阶RC低通网络，在阻带区能提供 -40dB/十倍频程的衰减，其幅频特性如图1.10所示：图1.10二阶有源高通滤波器（二阶压控电压源HPF）：高通滤波器用于通过高频信号，抑制或衰减低频信号（或直流成分）。将前述低通滤波器中的R与C互换，即成为二阶有源高通滤波器电路，如下图1.11(a)所示。它能在阻带区提供40dB/十倍频程的正斜率，其幅频特性如图1.11 (b)所示。图1.11二阶有源高通滤波器电路（a）及其幅频特性(b)在二阶有源高通滤波器中，有如下关系式

15、：通常取C1 = C2 = C， 通带放大倍数：通带截止频率： 6、二阶有源滤波器调试步骤（1） 首先将放大器调零。按试验电路图接线路。（2） 按要求连接正、负电源，并用数字式万用表调节Vcc=±12V。（3） 接通电源，使输入端Vi=0（对地短路），调节RP，对运放进行调零（Vo=0）。（4） 送入Vi=1V的交流正弦信号，在20Hz200kHz范围内改变信号源频率。用示波器监视输出波形，用交流毫伏表测量输出电压Vo(注意：在fo附近多测一些点，改变信号源频率时要保持Vi不变)。观察电路是否具有高通特性或低通特性，并记录相应的频率及输出电压幅值。以次绘制出电路的幅频特性。测出的数据

16、可填入以下表格：低通滤波器幅频特性数据表Vi（v）f（Hz）5103060100150200250300350400500VO（v）高通滤波器幅频特性数据表Vi（v）f（Hz）1020501000120150180200250300350400VO（v）【实验二】电压测试技术及应用实验一、实验目的：学会正确使用晶体管毫伏表。了解交流电压测量的基本原理，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，并对测量结果做误差分析。通过实验，进一步了解非线性失真的表现形式，学会测量、估计、判断失真度的一般方法。掌握失真度仪的使用方法。二、实验内容通过计算机仿真与实验室电路搭建，分

17、别用平均值、峰值，有效值检波的三种电压表测量函数发生器输出的正弦波，方波、三角波电压，判断各表的检波类型。测量其中一只电压表响应于正弦波时的幅频特性。练习失真度仪的操作技术。三、参考学习材料1、交流电压表的原理与类型（1）电压表的波形响应电子电压表有多种型号，按它们检波器的不同，可分为均值电压表，有效值电压表和峰值电压表三种类型。一般电压表都是按正弦波有效值进行刻度的，因此，当被测电压为非正弦波时，随着波形的不同，会出现不同的结果，此现象称为电压表的波形响应。（2）峰值电压表峰值电压主要由峰值检波器、步进分压器、直流放大器组成。目前，为了解决直流放大器的增益与零点漂移之间的矛盾，普遍采用了斩波

18、式直流放大器。利用斩波器把直流电压变换成交流电压，并用交流放大器放大。到最后再把放大的交流电压恢复成直流电压。斩波式直流放大器的增益可以做的很高，而且噪声和零点漂移都很小。所以用它做成检波放大式电压表，灵敏度可以达到几十uV。峰值电压表的一个优点是，可以把检波二极管及其电路从仪器引出放置在探头内。这对高频电压测量特别有利，因为可以把探头的探针直接接触到被测点。峰值电压表是按正弦有效值来刻度的，即：a电压表读数Vp正弦电压的峰值Kp正弦波的波峰因素（3）均值电压表均值电压表一般由宽带放大器和检波器组成。检波器对被测电平的平均值产生响应，一般都采用二极管全波或桥式整流电路作为检波器。电压表的频率范

19、围主要受宽带放大器带宽的限制。均值电压表的表头偏转正比于被测电压的平均值。平均值为：具有正弦有效值刻度的均值电压表的读数为：a电压表读数V电压表所刻的正弦电压有效值被测电压平均值（4）有效值电压表交流电压的有效值是指在一个周期内，通过某纯电阻负载所产生的热量与一个直流电压在同一个负载上产生的热量相等时，该直流电压的数值就是交流电压的有效值。在现代有效值电压表中，常采用热电变换和模拟计算电路两种方法来实现有效值的测量。热电变换是通过一个热电偶实现的，当加入电压后，热电偶两端由于存在温差而产生热电动势，于是热电偶中将产生一个电流使得电流表偏转而产生读数。模拟计算电路是使用模拟电路直接实现有效值电压

20、表的计算公式来得到电路的有效电压。2、非线性失真测量原理正弦电压是应用最广泛的一种测试信号，也是许多理论研究的基本假设前提之一。然而，在正弦电压的产生、放大及传输过程中，由于种种原因，会使正弦电压的波形发生失真(或称畸变)。一般说来，要获得一个理想的“纯正弦”信号是极其困难的。失真的类型一般可分为非线性失真、频率失真以及相位失真三种。非线性失真：是指在线性电路中，由于电路工作点不正常或信号幅度超过了电路的线性动态范围，使信号处于非线性区而产生的失真。非线性失真的主要特点是输出信号中产生了新的频率分量。设加入放大器的输入信号是频率为f的正弦电压。由于放大器的非线性影响，其输出信号的波形产生了失真

21、。根据傅立叶级数的分析，可将该失真的正弦电压分解成一系列幅度不同、相位不同的基波电压及各次谐波电压的叠加。信号的非线性失真，通常用非线性失真系数(简称失真度)来表示。其定义为：全部谐波分量的功率与基波功率之比的平方根值。如果负载与信号频率无关，则信号的失真度又可定义为全部谐波电压(或电流) 的有效值与基波电压(或电流)有效值之比，并用百分数表示。于是有： (21)式中U1基波信号的有效值；Ui第i次谐波电压的有效值。由式(21)可见，为了测出待测信号的值，需要利用两个选择性网络分别选出信号中的谐波电压总有效值及基波电压有效值。这显然是不方便的。为此，通常只用一个基波抑制网络(简称滤基网络)来测

22、出所有谐波电压总的有效值，然后再与待测信号总的有效值相比，即： (22)，称为实际测得的非线性失真系数。在一般技术测量中，当失真率不大时，可以认为 。由此引入的方法误差可以忽略不计。例如：当 =30时， 4；当 =20时，2；当 =10时，0.5。由于本身的测量误差约为土10，因此，的影响可不考虑。如 较大，或需对 进行精确测量，则应将所测的值按式(33)进行修正，即 (23)一般的非线性失真测量仪(失真度仪)，其示值均代表值。失真度仪的基本原理如图2.1所示。（a）、（b）为两种最常用的方案。图2.1在图（a）方案中，测量失真度时，先将开关K置“1”，此时有效值电压表将测出待测电压总的有效值

23、即式(22)右端的分母部分。适当调节输入电平，使电压表刚好指到满度值(相当于令电压的总有效值为1个单位)Um，此即失真仪的校准过程。然后将开关K置于“2”，调节基波抑制网络，直至电压表读数最小(需相应地降低电压表的量程)，此时电压表的读数即为滤除基波后所有谐波电压总有效值之和U 即式(22)右端的分子部分。于是有：=U （24）由式(24)可见， 电压表可按直接进行刻度。国产SZ4-1、SZ-3、BS-1、BS-2等型号的失真度仪即采用这种方案。在图(b)方案中，开关K指向“1”及“2”时， 指示器分别示出待测信号的谐波有效值U及总有效值Um。调节衰减器A，使两次读数相等，并令衰减器分压比为k

24、，于是得待测电压的失真度为= k (25)由式(25)可见，失真度可直接在衰减器度盘上加以刻度。为了减小刻度误差，通常作成多级步进衰减器的形式。英国的TF-142F型失真仪即采用这种方案。利用失真度仪，可以定量地测出信号发生器、放大器及其它传输网络的失真度。其缺点是测量方法一般比较费时，测量结果只表明一个总的效应，不能判断出引起非线性失真的原因及波形畸变程度。3、失真度仪使用说明整机面板示意图：1、表头；2、示波管；3、调谐频率显示；4、电源开关；5、阻尼开关；6、示波管亮度调节；7、示波管聚焦调；8、校准旋钮；9、相位粗调；10、相位细调；11、频率调谐细调；12、频率粗调；13、输入端口；

25、14、输入衰减器开关；15、分压器开关；16、工作选择开关；17、失真度测量频率范围选择开关 图2.2使用方法（1）电压测量：、 将工作选择开关16置电压位置，输入衰减器开关14置“50dB”位，分压器开关15置“0dB”位。、 接通电源，预热15分钟后即可测试。、 将被测信号接入输入端口13。、 依次改变输入衰减器开关14或分压器开关15使电压表指针指便于读数位置，根据输入衰减器开关14、分压器开关15位置及表头指针指示的位置读出被测信号的电压有效值。、 测试完毕将各开关恢复到1规定位置，当被测信号频率小于10Hz时可将阻尼开关5按下。（2）失真度测量 ·、 在接通电源前将分压器开

26、关15置“l00(0dB)”位置，工作 选择开关置“电压”位置。、 接通电源4，输入被测信号，改变输入衰减开关14使表头指示在可读范围内(200mV1V)。、 将工作选择开关16置“校准”位，调节校准电位器旋钮8使表头指示为满度，再将工作选择开关16置“失真”位。、 置失真度测量频率范围选择开关17于被测信号频率波段，根据数字指示调节频率粗调旋钮12和相位粗调旋钮9使示波管显示为一竖线。、 反复调节频率细调11及相位微调10，改变分压器开关15，使表头指示为最小为止，依照分压器位置从表头直读失真度测量值。、 测试完毕将分压器开关15置“100”位，工作选择开关16置“校准”位表头仍应指满度。(

27、3)实例用晶体管毫伏表测正弦波、方波与三角波的电压。注意以下环节：调零，读数，误差。用失真度仪对通过放大器的正弦波非线性失真系数进行测量。失真度仪直接测量法操作步骤：、在接通电源前，将分压器开关置“100%（0dB）”位置。工作选择开关置“电压”位置。、接通电源，输入被测信号，改变输入衰减开关使表头指示在可读范围内（300mv1v）、将工作选择开关置“校准”位，调节电位器旋钮使表头指示为满度。步骤（1）至（3）表示用有效值电压表测出待测电压的总的有效值：U =适当调节输入电平，使电压表刚好指到满度值，相当于令电压的总有效值为1个单位。此为失真度仪的校准过程。、再将工作选择开关置“失真”位置，将

28、频率范围选择开关置于被测信号频率波段。、根据数字指示调节频率粗调旋钮和相位粗调旋钮，使示波管显示为一竖线。、反复调节频率细调及相位微调，改变分压器开关，使表头指示为最小为止。、依照分压器位置从表头直读失真度测量值（分压器分七档，满度值分别为100%、30%、10%、1%、0.3%、0.1%）步骤（4）至（7）表示电压表的读数为滤除基波后所有谐振电压总有效值之和：于是：=【实验三】频率测量技术及应用实验一、实验目的：通过计算机仿真与实验室电路搭建，理解频率测量与周期测量技术的基本原理、掌握误差分析方法，学习频率测量技术的基本技能与基本应用。二、实验内容：由同学自行设计频率测量电路或周期测量电路。

29、通过实验，进一步了解频率测量电路的工作原理。掌握减少测量误差及对测量误差进行分析的方法。可等精度测量某一频率（例如1kHz或其他指定值）若干次，或对标称频率f0=1Hz、20Hz、5kHz、175kHz、1MHz等，自行修改 电路参数，以达到减少误差的目的。三、实验要求电路设计原理合理，结构简单，能达到一定的精度要求。四、参考学习材料：1、利用电子计数器测量频率的基本方法及误差分析在电子技术中，频率是指电信号在单位时间内重复变化的次数。假设单位时间为1秒，电信号重复变化的次数为N，则称该信号的频率为N赫芝。频率与周期有关。周期是指电信号每重复变化一次所需要的时间。频率越高，周期越短，反之亦然。

30、频率及周期之间的关系互为倒数：            式中    f-电信号的频率；    T-电信号的周期。正弦信号的一般表达式为：u=Upsin（t+0）    上式中，信号的瞬时相位（又称相角）为：=t+0=2ft+0 其中，0称为信号的初始相位或初相角，它表示当t=0时信号的相位。正弦信号每变化一周（时间），对应变化相位是360度。因此，如果信号变化的时间为t，则对应的变化相位将为，它们之间的关系为

31、：                 =360                    通常，相位测量是指对两个信号之间相位差的测量，即测量两个信号之间的相位差别。应当注意，被测量的两个信号应当是同频率的，否则，测量将毫无意义。电子计数器测量频

32、率时的原理框图如图3-1所示。图3.1图中，被测信号经放大整形等环节后进入计数闸门。晶体振荡器产生频率稳定度和准确度都非常高的正弦信号，经一系列分频之后输出脉冲信号，用以控制计数闸门的“开启”或“关闭”。计数器为十进制计数器，与显示数码一一对应。假设闸门的开启时间为t秒，计数器的累计结果为N，则被测信号的频率fx为                       

33、0;             （3-1）例如：设t=1秒，计数结果N=100，则被测频率为100Hz；又如，当t=0.1秒时，N=138，则fx=138Hz.电子计数器测量周期的过程是：被测信号经输入电路之后变为尖脉冲，触发门控电路输出门控信号。晶振信号经分频或倍频后得到周期为1秒的10n倍的时间标准信号Tb，加至闸门的输入端。当门控信号到来，闸门开启，计数器对时标信号Tb计数；门控信号结束，闸门关闭，计数器停止计数。假设在闸门开启时间内，计数器的累计结果为N，显然有： &#

34、160;      Tx=N Tb                   （3-2） 由于时标信号Tb的周期准确、稳定，因此，计数结果N能反映也被测信号的周期Tx。例如，设Tb=1s，当N=20000时，被测信号的周期Tx=20ms。 工程上，有时还有进行频率比的测量。测量原理框图如图3-2所示。图3.2测量时，要求频率较高的被测信号送往A输入端，频率较低的被测信号送往

35、B输入端。门控信号的脉宽等于B端被测信号的周期TB，在闸门开启时间内送往计数器的计数脉冲是A端的被测信号。假设在闸门开启时间内计数器的计数结果为N，则有：          TB =N TA 式中，TA为A端被测信号的周期。由上式可得：fA/fB=N               （33） 电子计数器的测量误差分两种情况讨论：（1）频率测量误差电子计数器在测频时的测量误

36、差主要由两部分构成。 量化误差：这是电子计数器固有的误差。量化误差的特点是，无论计数器累计结果N为多少，其绝对误差都是±1，即绝对误差N=±1，因此，                    （3-4） 由上式可见，累计结果N越大，量化误差的影响就越小。时基误差：它由晶体振荡器的频率准确度和稳定度决定。频率测量误差是上述两项误差之和。在时基误差一定时，计数器累计结果N越大，频率测量误差就越小。 （2

37、）周期测量误差 电子计数器在测周期误差时的测量误差主要由三部分构成：量化误差、时标误差和触发误差。 周期测量误差是上述三项误差之和。为了减小测量误差，测量时，建议尽量采用多周期测量方法和较小的时标信号，使N值增大。当被测周期较小时，宜采用间接测量法，即先测出其频率再转换成周期。另外，尽可能提高被测信号的幅度，即提高信噪比，这样有利于减小触发误差，提高测量精度。2、频率测量电路实例（利用f/V变化电路）图3.3 测量频率时，被测频率信号加在输入端f，经IC1开环放大，IC2整形后，送到f/V转换电路IC3转换为相应的电压信号，送去进行A/D转换。本电路信号电压应为50mV-10V（有效值）。频率

38、测量范围是10Hz-20kHz，配4数字电压表。分辨率可达1Hz。3频率测量电路实例（简易数字频率计）（1）设计要求频率测量范围：信号为方波、三角波和正弦波，幅度为0. 55V、频率范围为19 999Hz。十进制数字显示，显示刷新时间为1s。（2）任务分析所谓频率就是周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得周期性信号的重复变化次数为N，则频率可表示为f=N/T(Hz)。图1数字频率计的组成框图根据设计要求数字频率计的组成如图1所示，被测信号vx经放大整形电路变成计数电路所要求的脉冲信号fxh，其频率与被测信号vx的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号Clock，

39、其高电平持续时间t1=1s，当1s信号来到时，闸门电路开通，被测脉冲信号通过闸门电路，成为计数电路的计数脉冲CP，计数电路开始计数，直到ls信号结束时闸门电路关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数电路计得的脉冲个数为N，则被测信号频率f=NHz。控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲CLK，使显示电路上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲RD，使计数电路每次测量从零开始计数。采用Multisim进行设计和仿真时，可将整体电路图分成时基控制电路(包括时基电路、控制电路、闸门电路)、放大整形电路(包括放大和整形电路)、计数译码显示电路(包括计数、锁存、译码显示电路)3个局部电路图，分别创建。（3）放大

40、整形电路的设计和仿真放大整形电路由晶体管2N3904与74LS14N施密特触发器等组成。其中由晶体管2N3904组成的放大电路将输入频率为fx的周期信号如正弦波、方波等进行放大，施密特触发器对放大电路输出信号进行整形，使之成为与输入信号同频率的矩形脉冲。创建局部电路如图2所示，输入信号由信号发生器供给，其设置为： 7Hz、1Vpp的正弦波(三角波或方波)，示波器A通道测量输入信号的波形， B通道测量放大整形之后的波形fxh，仿真波形如图3所示，放大整形之后的波形fxh是与输入信号同频率的矩形脉冲。图2放大整形电路设计与仿真图3放大整形电路仿真波形（4）时基控制电路的设计和仿真创建时基控制电路如

41、图4所示，时基电路由定时器555构成的多谐振荡器产生，调节电位器R13的接入阻值，使标准时间信号Clock高电平的持续时间为1s。控制电路由单稳态触发器SN74123N组成，在标准时间信号Clock结束时，由两个单稳态触发器SN74123N分别产生锁存信号CLK，锁存信号CLK结束时产生清“0”信号RD，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。并且锁存信号CLK和清“0”信号RD的脉宽之和不能超过标准时间信号Clock的低电平持续时间。另外，清零信号也可以由手动复位开关J1的按钮B来控制，开关J1闭合时，计数电路清“0”。两种方式清零信号加在U2A与非门74LS00N的两个输入端，与非门74LS0

42、0N的输出即为计数电路的清“0”信号RD。电路中U2B与非门74LS00N组成闸门电路，其作用是产生计数脉冲CP。当手动复位开关J1闭合，再打开时，各信号之间的时序关系如图5所示， 4踪示波器的测量波形为：A通道是标准时间信号Clock的波形，其高电平的持续时间为1s；B通道是锁存信号CLK的波形；C通道是清“0”信号RD的波形，其波形第一个清零信号正脉冲是由手动复位开关J1给出的；D通道是计数电路的计数脉冲CP的波形，与标准时间信号Clock波形相对应，可知在1s内有7个脉冲上升沿，即1s内有7个放大整形信号fxh脉冲通过。图4时基控制电路的设计与仿真图5信号时序关系图（5）计数、锁存、译码

43、显示电路的设计和仿真创建计数、锁存、译码显示电路如图6所示，计数电路由4个二五十进制计数器74LS90N组成四位十进制计数器，计数电路在1s内所计得的脉冲波形上升沿的个数就是该波形的频率。为了简化电路，在此页电路中采用了总线设计方法，使电路图更加清晰、规范。图6计数、锁存、译码显示电路设计与仿真【实验四】非电量测试系统设计实验一、实验目的：学习初步工程设计。通过计算机仿真与实验室电路搭建，理解非电量测试系统的组成原理、掌握误差分析方法，学习非电量测试系统的基本应用，提高综合运用电子技术的能力。二、实验内容：自行设计简单的非电量测试系统电路，分析原理，确定参数。设计实验方案，描述实验过程，进行误

44、差分析，并得出结论。三、实验要求设计原理合理，结构简单，能达到一定的精度要求。四、参考学习材料：、 1、温度测量系统设计与应用实例具有负温度系数的热敏电阻广泛地应用于温度测量和温度控制技术中。这类热敏电阻大多数是由一些过渡金属氧化物（主要有Mn、Co、Ni、Fe等氧化物）在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制做而成，它们具有型半导体的特性。对于一般半导体材料，电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度，而迁移率随温度的变化相对来说可以忽略。但对上述过渡金属氧化物则有所不同，在室温范围内基本上已全部电离，即载流子浓度基本与温度无关，此时主要考虑迁移率与温度的关系，随着温度升高，迁移率增

45、加，所以这类金属氧化物半导体的电阻率下降，根据理论分析，对于这类热敏电阻的电阻一温度特性的数学表达式通常可以表示为 （4-1）其中和分别表示环境温度为和（以为单位）时热敏电阻的阻值；的单位为，；为材料常量，其大小随制做热敏电阻时选用的材料和配方而异，对于某一确定的热敏电阻元件，它可由实验上测得的电阻一温度曲线的实验数据，用适当的数据处理方法求得。下面对以这种热敏电阻为检测元件的温度传感器的电路结构、工作原理、电压一温度特性的线性化、电路参数的选择和非线性误差等问题论述如下：图4.11、电路结构及工作原理电路结构如图4.1(b)所示，它是由含的桥式电路及差分运算放大电路两个主要部分组成。当热敏电

46、阻所在环境温度变化时，差分放大器的输入信号及其输出电压均要发生变化。传感器输出电压随检测元件 环境温度变化的关系称温度传感器的电压一温度特性。为了定量分析这一特性，可利用电路理论中的戴维南定理把图4.1（a）所示的电路等效变换成图4.1（b）所示的电路，在图4.1（b）中：， （41）它们均与温度有关；而， 与温度无关。根据电路理论中的叠加原理，差分运算放大器输出电压可表示为 其中和分别为图 4.1所示电路中和单独作用时对输出电压的贡献。由运算放大器的理论知：， （42）式中的为单独作用时运放电路同相输入端的对地电压。由于运放电路输入阻抗很大，故 把以上结果代入式（4-2），并经适当整理得 （

47、4-3）由于上式中和与温度有关，所以该式就是温度传感器电压一温度特性的数学表达式，只要电路参数和热敏元件的电阻一温度特性已知，式（4-3）所表达的输出电压与温度的函数关系就完全确定。2、电压一温度特性的线化和电路多数的选择一般情况下，式（4-3）表达的函数关系是非线性的，但通过适当选择电路参数可以使得这一关系和一直线关系近似。这一近似引起的误差与传感器的测温范围有关。设传感器的测温范围为，则就是测温范围的中值温度。若对应、和三个温度值，传感器的输出电压分别为、和所谓传感器电压一温度特性的线性化就是适当选择电路参数使得这三个测量点在电压一温度坐标系中落在通过原点的直线上，即要求 ， （44） 在

48、图4.1（a）所示的电路中，需要确定的参数有七个，即 、和的阻值，电桥的电源电压 和传感器的最大输出电压，这些参数的选择和计算可按以下原则进行：（1）当温度为时，电路参数应使得 ，这时电桥应工作于平衡状态和差分运放电路参数应处于对称状态，即要求（热敏电阻在温度时的阻值），但为了充分利用成品电阻元件，通常选取，式中为阻值最接近的电阻元件的系列值。（2）为了尽量减小热敏电阻中流过的电流所引起的发热对测量结果带来的影响，的大小不应使中流过的电流超过。（3）传感器的最大输出电压的值应与后面联接的显示仪表相匹配，例如为了使测量仪表的指示与被测温度的数值一致，要求在数字上与测温范围（）的数字一致。（4）最

49、后两个电路参数和的值可按式（4-3）所表示的线性化条件的后两个关系式确定，即 （45） （46）其中、（）是热敏电阻所处环境温度为时按（4-1）式计算所得的和值。当电桥各桥臂阻值、电源电压和热敏电阻的电阻一温度特性以及传感器最大输出电压已知后，在（4-5）、（4-6）两式中除、外其余各量均具有确定的数值，这样只要联立求解（4-5）、（4-6）两式就可求出和的值。然而（C.1.9）、（C.1.10）两式是以和为未知数的二元二次方程组，其解很难用解析的方法求出，必须采用数值计算技术。3、确定和的数值计算技术图4.2电压-温度特性及非线形误差如前所述、方程（4-5）和（4-6）是以和为未知数的两个二

50、元二次方程组，每个方程式在（和）直角坐标系中对应着一条二次曲线，两条二次曲线交点的坐标值即为这个联立方程组的解。这个解可以利用叠代法求得。由于在处与式（4-6）对应的曲线对轴的截距较式（4-5）对应的曲线的截距大（由数值计算结果可以证明），因此为了使叠代运算收敛，首先令代入式（4-6），由式（C.1.10）求出一个值，然后把这一值代入式（4-5），并由式（4-5）求出一个新的值，再代入式（4-6）创此反复叠代，直到在一定的精度范围内可认为相邻两次算出的和值相等为止。 4、非线性误差的理论分析热敏元件电阻一温度曲线测定后和、及电路参数确定后，传感器由式（4-3）所表达的电压一温度特性的函数关系就

51、完全确定了，虽然在电路参数的选择上保证了与、和对应的三个测量点在（、）平面上落在通过原点的同一直线上，但在整个测温范围内，式（4-3）所表达的电压一温度特性不是一条直线，而是一条如图4.2所示的形曲线。在此情形下，若在传感器的输出端用刻度特性均匀的电压表头来显示温度值，就相当于用上述直线关系代替式（4-3）所表达的曲线关系。除、和三个温度值外，对于其余各点，这一替代均存在着由于传感器电压一温度特性的非线性引起的误差，根据图4.2所示的关系，在理论上计算这一误差的公式可以写成如下形式： （4-7）上式中是传感器探头所在环境的实际温度值，右边第二项（方括弧中的算式）代表具有均匀刻度特性的电压表头显

52、示的温度值，其中是由实际温度按式（4-3）算出的传感器的输出电压。2、压力测量系统设计与应用实例压力传感器的输入压力信号与其输出应变电阻成正比，所以只要对压力传感器的输出电阻能够准确地测量，就可达到测量压力的目的。对其他输出电阻信号的传感器，测量原理都是类似的。图所示压力测量电路中，输出压力信号P与其输出电阻RY成正比，即RY = KPK为比例常数。从图中可求知 （1） 在输入压力信号P为零时，RY = 0，要求U0=0，这时从上式可得 （2） 当取R1 = R3 = R4 = R2 + RW = R时，式（2）仍成立，式（1）变为 （3） 则达到了测量压力的目的。 上面电路是个实用电路，运算

53、放大器可选用高增益、低漂移、低噪声的型号，如F5027、OP07、F7650、XFC78等。附录：Multisim 使用简介Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。下面将以教育版为演示软件，结合教学的实际需要，简要地介绍该软件的概况和使用方法，并给出几个应用实例。

54、第一节 Multisim概貌软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。一、Multisim的主窗口界面。启动Multisim后，将出现如图1所示的界面。图1界面由多个区域构成：菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。二、菜单栏菜单栏位于界面的上方，通过菜单可以对Multisim的所有功能进行操作。图2不难看出菜单中有一些与大多数Windows平台上的应用软件

55、一致的功能选项，如File，Edit，View，Options，Help。此外，还有一些EDA软件专用的选项，如Place，Simulation，Transfer以及Tool等。1. FileFile菜单中包含了对文件和项目的基本操作以及打印等命令。命令功能New建立新文件Open打开文件Close关闭当前文件Save保存Save As另存为New Project建立新项目Open Project打开项目Save Project保存当前项目Close Project关闭项目Version Control版本管理Print Circuit打印电路Print Report打印报表Print Instrument打印仪表Recent Files最近编辑过的文件Recent Project最近编辑过的项目Exit退出Multisim2. EditEdit命令提供类似于图形编辑软件的基本编辑功能，用于对电路图进行编辑。命令功能Undo撤消编辑C