《现代测试技术》实验指导书(电子电科专业使用)120415

1【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)=Vccosωt，调制信号为：us(t)=VscosΩt则调幅波信号的表达式为：uAM(t)=Vc[1+(scVV)cosΩt]·cosωt=Vc[1+McosΩt]•cosωt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2其中，ω为载波信号的频率，Ω为调制信号的频率，scVM=V——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cosΩt=-1的瞬间，包络的最大值出现在cosΩt=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)cosωt=B2uAM(t)|min=Vc(1-M)cosωt=A2由上两式可得：M=B-A100%B+A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3图1.3⑻、⑽:载波输入端（对应IN1）⑴、⑷:调制输入端（对应IN2）⑹、⑿:接正电源+12v⒁:接负电源-8v（2）用1496芯片构成的调幅器图1.41496构成的调幅器Rp1——用来调节引出脚⑴、⑷之间的平衡Rp2——用来调节引出脚⑻、⑽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T1—T4。T7、T8及其偏置电路构成恒流源。管脚48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UΩ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将直流正电源分压后为管脚8、10内部的晶体管T1—T4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UΩ的线性动态范围和调节增益。5（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60mV、频率为10MHz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。6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：①无源滤波器:由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成②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。7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：fFVPRRA1通带截止频率：212121CCRRfP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、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1.108二阶有源高通滤波器（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：通常取C1=C2=C，通带放大倍数：fFVPRRA1通带截止频率：2121RRCfP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20Hz～200kHz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。测出的数据可填入以下表格：9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。10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：ppKVVa~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：TdttvTV0|)(|1具有正弦有效值刻度的均值电压表的读数为：VVKVaF11.1~a－电压表读数V～－电压表所刻的正弦电压有效值V－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