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1、1电子测量实验主 编：倪树范 李健明物理与电子信息工程系2目 录实验一 频率的测量 .1实验二 示波测量的研究 .6实验三 模拟式电子电压表测量交流电压研究 .11实验四 频 率特性的扫频测量 .16实验五 示波测量技术研究（综合实验） .20 温度监测及控制电路 .201实验一 频率的测量一、实验目的1理解多种频率测量方法的原理。2掌握多种频率测量的方法。二、实验原理频率是表征电磁振荡特性的基本参数，频率的测量是电子测量的基本任务之一。目前，广泛采用的频率测量方法主要有：示波器测量法，计数器（频率计）测量法，拍频和差频测量法。1、示波器法测量频率（1）信号周期测量法示波器的“X 轴扫描”开关
2、具有时间标度 t/div,表示荧光屏上水平方向每一格长度对应的时间。因而，测量荧光屏上一个信号周期对应的水平刻度数，乘以时间标度得到信号周期，其倒数即为信号频率。如果测量多个信号周期的时间求平均，可提高测量精度。（2）李萨育图形法示波器置于 X-Y 工作方式。将被测信号 fx接入示波器的 Y 轴输入端，将频率可调的已知信号 fc接于示波器的 X 轴输入端，荧光屏上将呈现李沙育图形。如果 Y 轴输入端和 X 轴输入端的信号频率相同，则李沙图形呈现为一个圆或者椭圆。如果 Y 轴输入端和 X轴输入端的信号频率不相同，李沙育图形会是一个较复杂的图形。但是，如果接入 Y 轴输入端和 X 轴输入端的信号频
3、率之间为一个特定的关系（例如比值较小的倍数关系或分数关系） ，则可以得用图 11 不同频率的李沙育图形2这个图形求出被测频率。不同频率但有一定倍数关系的李沙育图形参见图 1-1.李沙育图形法测量信号频率可用切点法（或截点法）求得。缓慢在地调整已知频率 fc，当两个信号频率成 2 倍或者 1/2 关系时，荧光屏上显示出稳定的李萨育图形，参见图 1-2。在图形的水平和竖直方向各做一条与图形相切的直线，如果水平方向的切点数为 M，垂直方向的切点数为 N，同样由 即可求得被测频率 。MfcxxfCxff也可以在图形的水平和竖直方向各做一条与图形相割的直线，如果水平方向的交点数为 P，垂直方向的交点数为
4、 Q，同样由 即可求得被测频率 。Pfcxxf为了测量的简便，通常尽量调节已知信号频率使荧光屏上显示图形为椭圆（或圆形） ，此时 。cxf用李萨育图形法测量频率，测量精度主要决定于已知信号频率的精度。图 12 用切点法或截点法在李沙育图形上求被测频率切点法 截点法32、电子计数器法测量频率随着电子技术的进步，现已广泛采用电子计数器（数字频率计）测量频率。根据频率的定义 ，直接测量单位时间内信号的周期来确定信号频率，TNf这种方法可以达到很能高的测量准确度，原理电路参见图 1-3。被测信号经过脉冲形成电路变换成一个脉冲序列，每一个周期信号对应一个脉冲。时基电路通过门控电路产生门控脉冲信号，控制闸
5、门的开启和关闭。在闸门的开启的时间间隔内，被测信号脉冲经由闸门进入电子计数器计数，即可得到信号的频率值。3、拍频和差频法测量频率在不具备示波器和计数器的情况下，可经采用拍频或差频测量法，又称为比较示测频。（1）拍频测量法拍频是将两个频率(fl 和 f2)接近的信号直接叠加在线性元器件(例如电阻或耳机)两端，合成信号的拍频 f:f=|f1一 f2|拍频的“包络幅度”在| U 1+U2 |到|U 1+U2|的限度内变化。当信号频率(f 1f 2)处于音频范围内时，在耳机中可以听到信号声，并且声音的响度按拍频 f=|f1一 f2|周期性地起伏变化。f 1越接近 f2，耳机中声音响度的起伏(若用直流电
6、压表观察，为表针的摆动)次数越少。图 14 拍频法测量频率声图 13 电子计数器测频原理图4因此，只设法用秒表测出频拍 f（或 t 秒钟内的拍频次数 N） ，即可求得被测频率 f1：f1=f2f=f2 tN如果信号频率本身的起伏过大时就无法观测到拍频现象。因此拍频方法不适于直接测量高频。(2) 差频测量法差频是将两个频率(f 1和 f2)接近的信号输入非线性元件或混频器，输出的信号将含有多种成分，例如基频、各种借频，和频(fl+f2)、差频 f=|flf2|。采用差频法测量时，通常 f1和 f2的频率高于音频，人耳不能直接听到。但当差频 f=|flf2|处于音频范围时，可从耳机中听到声音。由于
7、人耳可以听到的最低音频为1020Hz，所以差频法用耳机测量频率的绝对误差为 1020Hz。这个数值虽然不小，但对于被测信号的高频率，其相对误差还是很小的。为了进一步提高测量的准确度，实现“零差”测量，可以用表针时间常数足够小的电表做进一步的精确指示。“外差式频率计”的测量原理就是“差频法” ，是测量高频信号频率的一种高精度测频仪器，三、实验仪器1函数信号发生举 2低频信号发生罪3电子计数器 4双踪示波器5秒表 6耳机7二极管、电阻、电容等四、实验内容1用示波器的“x 轴扫描”功能测量信号周期换算成频率。(该内容可以不做)2用拍频法和计数器测量频率图 15 差频法测量频率5(1) 按图 14 连
8、接好实验电路。(2) 调节被测信号的信号源频率 fl约 1KHz 正弦波，输出信号幅度大小以耳机中听到的声音音量适中为准。(3) 调节标准可调信号源的信号 f2(选正弦波)的输出幅度与被测信号幅度大致相等。(4) 戴上耳机细心调节标准可调信号源的输出频率 f2，直至耳机中听到差拍声并使差拍声起伏变化次数变少。(5) 分三次用秒表测出拍频(t 秒钟内的变化次数 N)。(6) 用电子计数器测量频率 f2，用 计算 f1并分析误差。tNff2212用差频法和计数器测量频率(1) 按图 15 连接好实验电路。(2) 调节被测信号的信号源频率 f1 约 100KHz 正弦波，输出信号幅度大小以耳机中听到
9、的声音音量适中为准。(3) 调节标准可调信号源的信号 f2 (选正弦波)的输出幅度与被测信号幅度大致相等。(4) 戴上耳机细心调节标准可调信号源输出频率 f2 ，使耳机中听到的差频频率逐渐降低(直至入耳可以听到的最低音频以下)。(5) 用电子计数器测量频率 f2 并以此作为 f1，分析此种方法的相对误差。五，实验结果分析讨论1计算实验数据，分析误差并讨论实验结果。2比较几种测量频率的方法，说明它们各有什么特点。六、实验预习1复习教材有关频率测量的相关内容。2熟悉本实验的目的，内容，要求和步骤。3设计实验数据记录表格。七、思考题1如何估算拍频法的测频误差。2，能否将差频法与拍频法配合使用从而提高
10、差频法测频的准确度。6实验二 示波测量的研究一、实验目的1在电子技术基础实验中已学习过的示波器基本使用方法的基础上，进一步研究电子测量中的示波测量方法。2训练实验中测量方案、步骤和数据记录表格的设计。二、实验原理示波测量在电子测量中占有非常重要的作用。在电子技术基础实验中已经学 习了应用示波器对波形的幅度、波形的时间参数（周期、频率、上升时间、下降时间等)进行测量，本实验进一步研究示波测量方法。1测量相位差(1) 双踪示波法测量相位差测量绝对的相位是没有意义的，具有实际意义的相位测量是指两个同频率的 正弦信号间的相位差。相位差的测量方怯很多，用双踪示波器测量相位差是在要求精度不太高时，尤其测量
11、电路内部的固有相移时最直观、最简便的方法。利用双踪示波器，将两个信号v1(t)、v 2(t)分别送到双踪示波器的两个 Y 通道(CHl、CH2)。示波器置于双踪显示方式，调节有关旋钮，使荧光屏上显示大小适当的稳定波形，如图 21 所示。需要注意的是，为了能提供一个统一的参考点，示波器的触发信号应该选择其中一个波形。图 21 双踪示波器测量相位差7调节示波器有关功能旋钮，使两正弦波形上下部分相对同一个水平轴线对称 (如图 11 使 、 )。1y2在荧光屏上测出一个波形的周期 x(对应 360 相位角)以及两波形对应起点0间隔的长度 （对应相位差 )。1x可得相位差： 0136x为减小可能由于示波
12、器带来的扫描非线性误差，式中的 可由荧光屏上测1x得的 获得。21x这种方法很容易从波形图上判断出信号 V1(t)、V 2(t)之间超前或者滞后的关系。(2) 李萨育图形法测量相位差李萨育图形法虽然比双踪示波法复杂，但测量相位差较为精确。示波器采用 X-Y 工作方式。将 V1(t)、V 2(t)两个信号分别接到示波器的垂直通道和水平通道。荧光屏上会出现椭圆(特殊情况出现圆或直线)，如图 22所示。图中，加在 Y 输入端的波形：tSinVym加在 x 输入端的波形：tix如果调节示波器的“Y 轴位移”和“X 轴位移” ，使椭圆的中心与荧光屏的坐标原点对正(此时椭圆与坐标的上、下和左、右截距分别相
13、等)。由图可见，加在示波器 x 轴偏转板上的电压和李沙育图形的关系为： 即 ,20mSinmxSin201式中： 为椭圆与横轴相截的距离0x图 22 李沙育图形测量相位差8为荧光屏上 X 方向的量大偏转距离mx2同理可得： mySin201式中： 为椭圆与纵轴相截的距离0为荧光屏上 X 方向的最大偏转距离m2显示非时间函数图形利用示波器的 XY 工作方式，配合一定的附加电路可以显示一些非时间函数图形。下面通过示波器显示二极管伏安特性曲线一例，介绍示波器显示非时间函数图形的方法。二极管的伏安特性是二极管的电压和电流的关系，其函数关系为 。vfI伏安特性曲线见图 23。如果设法使加在二极管两端的电
14、压 V 是由负到正规律变化的交流电压，将这个电压输入示波器的 X 轴输入端，同时将流过二极管的电流 I 也转换成交流电压后输入示波器的 Y 轴输入端，则在示波管上就会合成相应的伏安特性曲线。示波器显示二极管伏安特性曲线的基本附加电路参见图 24。图中交流电源采用50Hz 正弦电压，可以用具有功率输出的正弦波发生器，也可以通过电源变压器将 220V 交流电降为合适的电压使用。电阻 R 可以用 100 。三、实验仪器及器材l. 双踪示波器 2函数信号发生器3电阻、电容、二极管等图 24 示波器显示二极管伏安特性的附加电路图 23 二极管伏安特性曲线9四、实验内容l. 双踪示波法测量相位差要求：（1）用图 25 电路产生同频不同相的两路被测正弦
