电子测量原理实验指导书

电子测量原理实验指导书南京邮电大学自动化学院目录电子测量实验系统组成原理及操作…………………………1电子计数器原理及应用………………………………………10示波器原理及应用……………………………………………16R、L、C参数测量……………………………………………24逻辑分析仪原理及应用………………………………………31交流电压测量…………………………………………………401电子测量实验系统组成原理及操作一、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字示波器，观察内部DDS信号源产生的信号波形。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（1Hz～1MHz）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1－1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采集电子计数器双积分A/D转换EPP62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验板}图1－1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1－2所示。2图1－2电子测量实验系统电子测量实验箱主板如图1－3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1－3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直流电压差分输入端DC－不接地温度实验时使用3右边109直流电压差分输入端DC－接地通常情况下应用S102左边采集两个通道输入Ain1和Ain2不连接通常情况下应用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S602置于“no”信号源1输出不加滤波一般情况置于“filter”信号源1输出加滤波需加滤波S702置于“no”信号源2输出不加滤波一般情况置于“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/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1－4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clkF频率控制码FCW地址数据图1－4DDS信号源的组成结构由图1－4可见：DDS信号源由相位累加器、RAM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时分辨力为1Hz；4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1－5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、2.5M、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采样频率选择后级放大电路单通道输入图1－5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1－6所示。5图1－6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。6五、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1－8所示，再从主界面进入“电子测量实验室”，其界面如图1－9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Ain1Aout1电子测量实验箱S602图1－7实验连接框图图1－8主程序界面7图1－9电子测量实验室界面2．信号源的操作（1）虚拟信号源的面板如图1－10所示：8图1－10信号源面板（2）设置DDS信号源1的输出Aout1的幅度、频率，默认设置为幅度2.0V，频率4.885KHz。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1－1中。表1－1______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1－11所示：图1－11数字存储示波器9（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“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1－2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：1)实验前不通电，先接线和插卡。2）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。10电子计数器原理及应用一、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1.频率测量，并了解测频方式下：闸门时间与测量分辨率关系。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（1Hz～1MHz）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1.测频原理所谓“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f＝N/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Ｔ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112.测周原理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。ToTx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MTNTOX（2-2）例如：fx=50Hz，则主门打开1/50Hz（=20ms）。若选择时基频率为fo=10MHz，时基To＝0.1us，周期倍乘选1，则计数器计得的脉冲个数为OXTTN=200000个，如以ms为单位，则计数器可读得20.0000(ms)，此时，测周分辨力为0.1us。3.中界频率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xsff/和测周时的量化误差xTT/0相等时，即可确定中界频率xmf为00ffTTffxmxmxms（2-3）故0fffsxm（2-4）式中，sf为测频时选用的频标信号频率，即闸门时间的倒数SsTf/1；0f为测周频时选用的时标信号频率，00/1Tf；当xmxff时，应使用测频的方法；当xmxff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。4.电子计数器测频/测周的自动功能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1s和测周/频时标信号频率为10MHz，则中界频率为10MHz(=3162Hz)。因此在选用电子计数器自动测量时，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。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ＭMMMM