示波器原理及应用研究、交流电压测量、多种测量仪器的应用研究

班级：13生工 姓名：蒲紫微 所在组号：第一组

实验时间：2016年05月11日

一、实验目的

1. 了解电子示波器工作原理，学会正确使用数字存储示波器测量各种电参数的方法

2. 了解交流电压测量的基本性质，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，并对测量结果做出误差分析

3. 学习频谱分析仪、数字万用表、任意波发生器、失真度仪的使用 二、实验设备 工作台号 设备名称 函数信号发生器 数字存储示波器 计算机 Multisim 11.0软件 晶体管毫伏表 万用表 射频频谱分析仪 任意波发生器 数字多用表 失真度测试仪 示波器 任意波发生器 14 型号 固纬GW AFG-2225 安捷伦 54622D Kenwood VT-181 Agilent E4411B Agilent 33250A Agilent 34401A KENWOOD HM-250 TEK 2022B GW AFG2225 表1 实验设备说明

三、实验原理

1. 示波器原理及应用研究 在时域信号测量中，电子示波器无疑是最具代表性的典型测量仪器。它可以精确复现作为时间函数的电压波形（横轴为时间轴，纵轴为幅度轴），不仅可以观察相对于时间的连续信号，也可以观察某一时刻的瞬间信号，这是电压表所做不到的。我们不仅可以从示波器上观察电压的波形，也可以读出电压信号的幅度，频率及相位等参数。

电子示波器是利用随电信号的变化而偏转的电子束不断轰击荧光屏而显示波形的。双踪显示时，有交替、断续两种工作方式。

示波器除了用于观测信号的时间波形外，还可以将两个相同或不同的信号分别加于垂直和水平系统，以观测两信号在X-Y平面上正交叠加所组成的图形。 2. 交流电压测量

^编号 YQ2013004722 20082747 20106180 14号桌 14号桌 14号桌 一个交流电压的大小，可以用峰值U，平均值U，有效值U，以及波形因数KF，波峰因数KP等表征，若被测电压的瞬时值为u(t)，则

_全波平均值为：U?1TT?|u(t)|dt

0有效值为：U?1T2u?(t)dt 0T波形因数为：KF?UU?

^波峰因数为：KP?U U^U、不同波形的电压加至不同检波特性的电压表时，要由电压表读数确定被测电压的U、U，

一般可根据表2计算。 电压表类型 波形 读数 ^平均值检波 正弦 A1 锯齿 A2 三角 A3 方波 A4 正弦 A1 有效值检波 锯齿 A2 三角 A3 方波 A4 A4 A4 A4 U U 2A1 A1 42?42A2 42?42A3 22?22A4 2A1 A1 3A2 A2 3A3 A3 ?322A2 ?322A3 ?22A4 U 22?A1 ?A2 ?A3 ?A4 22?A1 3A2 23A3 2表2 不同波形的电压加至不同检波特性的电压表计算公式

3. 多种测量仪器的应用研究 1) 频谱分析仪

影响频谱分析仪幅度迹线显示的因素有频率、幅度两方面。

与频率有关的频谱仪指标有：频率范围、扫描宽度、频率分辨率、扫描时间、相位噪声。 与幅度显示有关的频谱仪指标有：动态范围、灵敏度、参考电平、纵坐标类型、刻度。 2) 失真度仪

典型的失真度仪用于测量20HZ~100KHZ之间信号的失真情况，包括对音频信号的测量。 3) 任意波发生器

固纬 AFG2225除了可以产生正弦、方波、三角波等常规函数信号，还内置有多种数学函数波形，并且允许用户自行编辑任意波形。 四、实验步骤

(一) 示波器原理及应用研究 1. 实物仪器的使用

（1）作好使用示波器前的调亮、聚焦、校正等准备工作

将两个通道的耦合方式置地，调节“位移”旋钮将通道1通道2的扫描线调至合适位置，使两条基线分开适当距离

（2）测量各种波形参数，要求自行设计表格记录数据

a.方波：信号源输出1KHz方波信号，调节示波器时基旋钮将波形展开，使用示波器的游标，测量上升时间tr，和下降时间tf

上升时间tr=上升沿格数*扫描时基刻度 下降时间tf=下降沿格数*扫描时基刻度

b.正弦波：信号源输出1KHz正弦波信号，调节CH1的垂直幅度旋钮并读数，测量重复周期T0及电压峰-峰值Up-p

电压峰-峰值Up-p=波峰到波谷的格数*垂直幅度刻度 重复周期T0=单周期的格数*扫描时基刻度

c.三角波：信号源输出1KHz三角波信号，占空比为50%，在示波器上稳定显示波形，使用游标测出上升时间Ta和下降时间Tb，计算波形对称度Ta/Tb 上升时间Ta=上升沿格数*扫描时基刻度 下降时间Tb=下降沿格数*扫描时基刻度

调节信号源占空比，改变波形对称性，再次测量对称度 （3）显示波形的观测：

a 选择不同的触发极性，按示波器（Edge），在显示屏下方出现（Edge Trigger Menu），选择不同触发源，观察波形显示

b 选择不同的扫描速度，在示波器面板上（Horizontal）模块中，调节扫描时基旋钮，观察不同扫描速度下的波形显示

c 观察交替扫描，将示波器一个探头接自身测试信号输出端，另一个探头接信号发生器，同时显示这两个信号，在示波器面板上（Trigger）模块中，改变不同触发源，观察波形

d 观察波形叠加，在示波器面板上（Analog）模块中按下math，根据菜单中不同 选项，对两路信号进行数学运算，观察波形变化

e 观察任意两种波形的X-Y合成图形，在示波器面板上（Horizontal）模块中，按下（Main Delayed），屏幕下方出现选项，按X-Y功能键。 观察两个同项正弦波的X-Y合成图形

观察频率比分别为1:2、1:3、2:3的两个正弦波的X-Y合成图形，调节其中一个正弦波的幅度并观察图形变化。 2. 虚拟仪器的使用

（1）在Multisim中选择虚拟安捷伦函数信号发生器及虚拟安捷伦示波器、泰克示波器，按图所示连接仪器，重复步骤（一）中各步测试 （2）在Multisim中设计一个简单的移相网络，用示波器观察输出端上升沿及下降沿的变化，改变时间常数，观察变化规律。

移相网络电路连接图

（3）在Multisim中观察李沙育图形，在Agilent 54622D面板上（Horizontal）模块中，按下（Main Delayed），屏幕下方出现选项，按XY功能键。两个信号发生器分别输出1KHz，2KHz的正弦波，观察图形。分别改变输出频率比、输出信号幅度，观察波形 (二) 交流电压测量

（1）打开函数信号发生器的电源，选择产生1KHz左右的正弦信号，将函数信号发生器的信号线与晶体管毫伏表的输入端相接，调节函数信号发生器的幅度输出，使毫伏表的指示为0.7伏，将示波器探头与信号相接，使用示波器游标（cursor），读出信号峰值，填入表中。 （2）由函数信号发生器分别产生三角波、方波，并调节其幅度使电压表指示为0.7V，然后由示波器读出信号峰值，填入表中

（3）改变函数信号发生器的输出频率分别为60Hz，50KHz的正弦波、方波、三角波，使用万用表和毫伏表同时测量输出电压，并将测量和计算结果填入表中。 (三) 多种测量仪器的应用研究

（1） 按图连接虚拟仪器，调整面板参数，测试信号发生器输出为1MHz正弦波、方波、

锯齿波时频谱分布情况。

频谱分布测量连接电路图

（2） 使用任意信号发生器调出其中预设的几种特殊波形，连接示波器观察并记录输出波

形。

（3） 失真度的测量，按图连接信号发生器和失真度仪，设置信号发生器输出分别为80Hz、

1KHz的正弦波、方波、三角波，测量信号失真度。

五、实验数据表格及处理 (一) 示波器原理及应用研究 1. 波形参数： 波形 方波 频率 1KHz 上升时间tr 实物 40ns 表3 方波波形参数 波形 正弦波 给定频率(KHz) 给定峰峰值（V） 实物 1 虚拟 1 实物 6 虚拟 3 重复周期T0 实物 1000us 虚拟 1000us 电压峰-峰值Up-p 实物 6V 虚拟 3V 虚拟 10us 下降时间tf 实物 40ns 虚拟 10us 表4 正弦波波形参数

波形 三角波 三角波 三角波 频率 1KHz 1KHz 1KHz 占空比 50% 70% 30% 上升时间Ta 实物 500us 700us 300us 虚拟 500us — — 下降时间Tb 实物 500us 300us 700us 虚拟 500us — — 波形对称度 实物 1 7/3 3/7 虚拟 1 — — 表5 三角波波形参数

2. Multisim测量波形参数截图 1) 方波

2) 正弦波

3) 3. 1) 2)

三角波

Multisim观察移相网络截图 t=RC=60000ns

t=RC=2ms

4. 1) 2) 3)

Multisim观察李沙育图形截图

两信号分别为：1KHZ、2KHZ，幅值比为1:1

两信号分别为：1KHZ、1KHZ，幅值比为1:1

两信号分别为：1KHZ、2KHZ，幅值比为1:2

（二）交流电压测量 电压表类型 波形 读数 ^毫伏表 正弦 0.7V 0.99V 1.03V 表6 毫伏表测量1KHZ信号 三角 0.7V 1.21V 1.328V 方波 0.7V 0.7V 6.88V 由电压表读数计算 示波器读数 误差分析 U 示波器人为读数时，标线未精确对齐波峰波谷 频率 电压表类型 波形 读数 由读数U 计算 ^60Hz 毫伏表（V） 正弦 0.7 三角 0.7 方波 0.7 0.7 万用表（V） 正弦 三角 方波 正弦 0.7 三角 0.7 50KHz 毫伏表（V） 方波 0.7 0.7 万用表（V） 正弦 三角 方波 0.73 0.73 0.72 0.07 0.09 0.03 0.10 0.16 0.03 0.99 1.21 1.03 1.26 0.72 0.99 1.21 U示波1.04 1.30 0.66 1.04 1.30 0.66 1.05 1.31 0.67 1.05 1.31 0.67 器读数 表7 毫伏表和万用表测量60HZ和50KHZ信号

（三）多种测量仪器的应用研究 1. Multisim测量频谱分布截图 1) 1MHz正弦波

频谱分析频率为991.736KHz

2) 1MHz方波

频谱分析频率为991.736KHz 3) 100KHz三角波

频谱分析频谱为99.174KHz

2. Multisim观察任意信号发生器中预设的几种特殊波形截图 1) SINC

2) NEG_RAMP

3) CARDIAC

4) EXP_FALL

3. Multisim测量失真度截图 1) 80Hz正弦波

2) 80Hz方波

3) 80Hz三角波

4) 1KHz正弦波

5) 1KHz方波

6) 1KHz三角波

波形 频率 失真度 0% 正弦波 80HZ 1KHZ 0% 80HZ 42.902 方波 1KHZ 42.834% 三角波 80HZ 12.044% 1KHZ 12.021% 表8 Multisim测量波形失真度

六、 实验结论和讨论

(一) 实验结果及分析

1. 在示波器原理及应用研究实验之测量波形参数中，Multisim测量的方波上升时间和

下降时间比实物测量的更短。可能原因为，实物与虚拟测量的方波的给定驱动电流不同。Multisim和实物测量的正弦波的重复周期和峰峰值与给定均相同。Multisim和实物测量的三角波的波形对称度与给定相同。 2. 在示波器原理及应用研究实验之移相网络观察中，随着时间常数的增大，输出端上

升沿时间越小。

3. 在交流电压测量实验中，示波器读数与电压表读数计算所得有微小偏差，可能原因

为：电压表人为读数产生误差，示波器人为读数产生误差。在对50KHz信号测量中，万用表与毫伏表测量结果偏差较大，原因为：万用表不能用于测量高频信号峰值。

4. 在多种测量仪器的应用研究实验之Multisim测量频谱分布中，对1MHZ正弦波、

1MHZ方波、100KHZ三角波频率测量，分别为991.736KHz、991.736KHz、99.174KHz，与给定基本相同，误差来源可能为人为选取标线产生偏差。

5. 在多种测量仪器的应用研究实验之Multisim测量失真度中，失真度：正弦波<方波

<三角波，且随着频率增大，失真度减小。

(二) 思考题

1. 比较各电压表读数计算出的峰值和由示波器直接读出的峰值是否一致，分析产生这

种结果的原因。 低频时，毫伏表与万用表读数计算出的峰值与示波器直接读出的基本一致。高频时，毫伏表与示波器基本一致，而万用表偏差较大。微小误差原因为：人为读数产生误差。万用表高频测量出入较大的原因为：万用表的采样频率低于测量频率，万用表不能用于高频测量，只能用于测量1KHz以下信号。

2. 万用表和毫伏表在测量高频信号时是否有差别？试分析原因。

有。用表内部是采用整流成直流电压，然后根据直流电压和交流电压的有效值比例，实现测量的。万用表的采样频率低于测量频率，万用表不能用于高频测量，只能用于测量1KHz以下信号。而毫伏表则可以测量高频电压。

3. 比较实体仪器与虚拟仪器在使用及测试结果上的异同，试分析原因。

实体仪器比虚拟仪器在使用上更为复杂，也需更为谨慎。测试结果上，虚拟仪器更为准确。原因为：a.实体测量时，易受到外部环境，如磁场等干扰;b.实际测量有导线干扰 (三) 实验心得

通过本次实验，对示波器、信号发生器、万用表等仪器的使用有了更深的了解。对Multisim软件在测量中有了熟练的掌握，知道从何处寻找所需仪器，如何连接电路图，如何进行仿真等。对测量原理的理解更加深刻。在本次测量中，巩固了电子测量方面的知识。以下两点需要特别注意：a.示波器测量正弦信号电压时，输出电压必须呈现高阻态。b.万用表不可用于高频信号电压的测量。