电子测量课程设计3

同检波特性的电压表都是以正弦电压的有效值来定度的，但是，除有效值电压表外，电压表的示值本身并不直接代表任意波形被测电压的有效值。因此，如何利用不同检波特性的电压表的示值（即读数）来正确求出被测电压的均值，峰值，有效值U ，是一个十分值得注意的问题。

根据理论分析，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 、_

U ，可根据表1的关系计算。

从表1可知，用具有有效值响应的电压表和平均值响应的电压表分别对各种波形的电压测量时，若读数相同，只分别表示不同波形的被测电压有效值U 相同和平均值相同，而其余的并不一定相同。

表1

1) 实验设备

（1）DA-16晶体管毫伏表（均值检波）1台； （2）TD1914A 数字毫伏表（有效值检波）1台；

（3）函数信号发生器，型号YB1634，指标：0.2Hz-2MHz ，数量1台； （4）双踪示波器，型号YB4320A ，指标：20MHz ，数量1台。 2) 实验步骤

（1）将均值电压测量的实验仪器准备就绪，如下图所示。

U U ?

U

均值电压测量的实验平台

（2）将DA-16晶体管毫伏表置于1V/0db档位，如下图所示。

调节电压表档位

（3）将DA-16晶体管毫伏表的输入线短接，如下图所示。

输入线短接

（4）将DA-16晶体管毫伏表接通电源，待表针稳定，进行调零，如下图所示。

（5）打开函数信号发生器的电源，选择产生1KHz左右的正弦波信号，如下图所示。

产生正弦波信号

（6）将函数信号发生器的信号线与DA-16晶体管毫伏表的输入端相接，如下图所示。

将函数信号发生器与电压表相接

（7）调节函数信号发生器的幅度输出，使DA-16的指示为0.7V，如下图所示。

调节信号幅度使电压表指示为0.7V

（8）打开示波器的电源，并进行校准，如下图所示。

打开示波器并校准

（9）将示波器探头与信号相接，并读出信号峰值，填入表2，如下图所示。

将示波器探头与信号相接并读数

（10）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2。

（11）将DA-16电压表（平均值检波）换为TD1914A电压表（有效值检波），选择1V/0db档位，并将其输入线短接，自动调零，如下图所示。

自动校准TD1914电压表

（12）将示波器、函数信号发生器、电压表进行连接，如下图所示。

连接示波器、函数信号发生器及电压表

（13）调节函数信号发生器的输出幅度，使电压表显示为0.7V ，并从示波器上读出信号峰值，填入表2，如下图所示。

调节信号幅度使电压表指示为0.7V

（14）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2。

比较由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，并将测量和计算结果填入表2。

表2

U ?

U ?

（15）按照上述操作方法，调节函数信号发生器的输出幅度，使示波器的峰值读数为1V，观测各种电压表的读数与波形的关系，测量结果填入表3，并求出电压测量的波形误差。

表3

3)思考题：

（1）实验过程中为了仪器的安全，电压表量程是否应尽量选大一些（如3V，10V甚至30V档）？

（2）为什么模拟电压表一定要有峰值、均值、有效值响应特性之分？它们能由一种代替吗？它们各有什么特点？各用在什么场合下？

3、电子计数器原理及应用研究

1)测频原理

计数器的测频原理如下图所示。f x为输入待测信号频率，f0为时钟脉冲的频率。闸门信号GATE控制计数时间，F x和F0两个计数器在同一时间T内分别对f x和f0进行计数，f0已知，时间T可由计数器F0的计数值算出。计数器F x的计数值N x=f x×T，计数器F0的计数值N0＝f0×T。

由于N x/f x＝N0/f0＝T，则被测频率f x为：f x＝(N x/N0)×f0

测频原理框图

2) 实验步骤

利用函数信号发生器产生不同频率的方波信号，由通用示波器器对其进行测频，选择不同的闸门时间，对测量结果进行比较和分析。记录测量的频率值，并填写下表：

（1）分析以上测量数据，在用电子计数器对频率进行测量中，闸门时间对测量精度有何影响？

（2）对于本实验系统而言，闸门时间的选择有何限制？ 3、频谱分析仪原理及应用研究（选作） 1) 频谱分析仪原理

频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号的电压、功率、频率等参数进行测量并显示的仪器。频谱仪有多种分类方法，按照分析处理方法的不同，可分为模拟式频谱仪、数字式频谱仪和模拟/数字混合式频谱仪；按照基本工作原理，可分为扫描式频谱仪和非扫描式频谱仪等。

模拟式频谱仪以扫描式为基础构成。扫描式频谱仪根据组成方法的差异又分为调谐滤波器型、超外差型两种，分别采用滤波器或混频器实现被分析信号中各频率分量的逐一分离。经典的频谱仪由超外差结构为基础，而且至今仍被沿用或

显示

f

采纳。数字式频谱仪以数字滤波器或快速付立叶变换为基础构成。现代频谱仪将外差式扫描频谱分析技术与FFT 数字信号处理结合起来，前端采用传统的外差式结构，中频处理部分采用数字结构，中频信号由ADC 量化，FFT 则由通用微处理器或专用数字逻辑实现。

频谱分析仪的组成

本实验所使用的频谱分析仪就是一种“外差式FFT 分析仪”，其组成如图所示。被测信号经输入衰减之后进入混频电路，在扫描本振信号的作用下，被测信号的各种频率成分被依次混频，然后以固定的中频频率通过中频滤波器，被选择出来进行后续处理。在数字中频处理电路中，被测信号的各个频率分量被量化、正交分解、时-频域变换，最后送入显示器。各功能电路的作用简述如下。

● 输入衰减：防止送入混频器的信号电平过高，以致产生增益压缩甚至烧毁器

件

● 混频器：实际工程实现时，通常用3~4级混频来实现混频镜频的抑制、提高

滤波性能

● 中频滤波器：用于减小噪声带宽，同时实现对各频率分量的分辨。模拟式频

谱仪的分辨率带宽RBW 即是由中频滤波器的组合响应决定的

● DDC （数字下变频）电路：完成①数字混频，实现正交分解，将中频信号向

下“搬移”到基带，便于进行FFT 分析；②抽取，提高FFT 分析的频率分辨率；③低通滤波，防止抽取后事实上的采样频率降低可能引起的频谱混叠 ● FFT 分析：按照快速付氏变换算法进行时-频域转换，得到频谱数据。

本实验将使用频谱分析仪观测三种连续信号的幅度谱：正弦波、方波、三角波。

正弦波的频谱

对一个周期为T 的连续正弦波，其时域表达式及其付氏变换式为：

其中

。由付氏变换式可见，正弦波只有单一谱线。

方波的频谱

对于一个周期为T 、高为1的连续方波，可用时域表达式表示为：

进行付氏变换，可得对应的付氏级数为

信号

输入

()()[]000j t sin ωωδωωδπω--+?T

20π

ω=

()()

kT t P t f k T -=

∑∞

-∞=

考虑正频部分：当n =0时，F n =1/2；n =1时，F n =1/π；n =2时，F n =0；n =3时，F n =-1/3π；n =4时，F n =0；n =5时，F n =1/5π……。

由付氏级数可见，方波仅有奇次谐波分量，偶数谐波均为0。基波幅度最大，其余奇次谐波的幅度随谐波次数的增加而递减。 三角波的频谱

对于周期为T 的连续三角波，可用时域表达式表示为：

进行付氏变换，可得对应的付氏级数为

由付氏级数可见，周期三角波的频谱与方波类似，仅有奇次谐波分量，谐

n πn πn πSa F n ?

?? ??=??

? ???=2sin 221()()()t δt P T t

t f T T *?=

24()?

?? ???-=

2n sin n 8j

2

ππn F