信号观察与测量实验优化

【实验目的】

(1)了解各种常见交流信号的参数及其意义。

(2)练习使用函数信号发生器产生不同的信号。

(3)练习使用数字示波器和毫伏表观察和测量不同的信号。

(4)练习手工定量画波形。

【实验任务】

1.正弦信号的观察和测量

(1)选择函数信号发生器输出正弦信号(Sine),并设定其频率为1 k Hz、峰峰值为60 m V、直流偏移为0 m V,用示波器观察该信号波形并将波形定量画在坐标纸上,同时用毫伏表测量该信号有效值。

示波器测量信号的频率、峰峰值,并与函数信号发生器的设定值相比较。

示波器时间灵敏度选200μs或400μs,测量信号的均方根、周期均方根,并与毫伏表的测量值相比较。

将函数信号发生器输出频率改为3 k Hz,时间灵敏度分别选100μs和40μs,观察均方根、周期均方根测量值的变化,分析二者的区别。

记录以上各项测量结果。

(2)函数信号发生器输出正弦信号(Sine),设定其频率为1 k Hz、峰峰值为15 m V、直流偏移为0 m V,用示波器观察该信号并测其周期均方根,同时用毫伏表测量该信号有效值。

(*此信号幅度较小,因此观察波形时如发现有直流成分,输入耦合可选择AC,然后再测其周期均方根。另外观察小信号时,触发耦合注意选择“高频抑制”,信号采集模式可选择“平均”。)

(3)函数信号发生器输出仍为正弦信号(Sine),设定其频率为5 k Hz、峰峰值为0.5 V、直流偏移为0.5 V,用示波器观测函数信号发生器的输出信号,同时用毫伏表测量该信号有效值,万用表直流电压挡测量其直流成分。

示波器测量信号的频率、峰峰值,并与函数信号发生器的设定值相比较。示波器测量信号的平均值和周期平均值,并与万用表的测量值相比较。在坐标纸上定量画出示波器测量显示的波形,并记录各项测量结果。

2.方波、矩形脉冲信号的观察和测量

(1)选择函数信号发生器输出方波信号(Square),设定其周期为0.1 ms、峰峰值为2 V、直流偏移为零,用示波器观测函数信号发生器的输出信号。

示波器测量信号的周期、峰峰值,并与函数信号发生器的设定值相比较。

示波器测量信号的周期均方根、周期平均值,对比二者的不同。

在坐标纸上定量画出示波器测量显示的波形,并记录各项测量结果。

(2)选择函数信号发生器输出矩形脉冲信号(Pulse),设定其周期为1 ms、峰峰值为2 V、直流偏移为1 V、占空比为30%。用示波器观测函数信号发生器的输出信号,同时用万用表直流电压挡测量其直流成分。

(*此信号即为单向正脉冲信号,幅度设置也可以用设置高电平2 V、低电平0 V的方法进行。)

示波器测量信号的周期、峰峰值,并与函数信号发生器的设定值相比较。

示波器测量信号的周期平均值,并与万用表的测量值相比较。

调信号的占空比从10%到90%变化,观察周期平均值和万用表读数的变化情况。

在坐标纸上定量画出示波器测量显示的占空比30%的波形,并记录以上各项测量结果。

3.干扰信号的观察和测量

(1)完成任务2的测量后,将示波器时间灵敏度调至40 ms,观察示波器和函数信号发生器的地线断开前后,示波器屏幕显示的信号的不同,分析原理。

(2)示波器探头开路,电压灵敏度选1 m V时间灵敏度选20 ms,观察示波器显示的波形。

然后用手触摸示波器探头,观察波形的变化,调示波器电压灵敏度至适当值,使屏幕显示完整的波形。测量该信号的频率、周期均方根,分析信号的来源。

(3)示波器探头和地线短接,电压灵敏度调至最高,观察示波器显示的情况并测量其均方根,说明此时测量的信号意义,体会测量过程中引入的噪声。

4.双踪观测两路信号

用1 kΩ的电阻R和0.1μF的电容C组成一个RC移相电路,如图7.4.1所示。输入正弦信号ui频率为1 k Hz、幅度200m V。

图7.4.1　RC移相电路

(1)示波器两个通道同时观察输入信号ui和uR的波形,在屏幕上读出相关参数并利用这些参数,计算两个信号的相位差,列出计算过程,描述两个信号的相位关系。

(2)示波器直接测量两个信号的相位差,所得结果与(1)的结果相比较。

(3)示波器采样改用X-Y方式,观察屏幕所显示的椭圆,将R改为10 kΩ、100 kΩ,分别观察椭圆的变化情况,分析原因。

【实验预习】

(1)阅读第一篇相关内容或查阅相关资料,了解万用表、示波器、交流毫伏表、函数信号发生器的工作原理。

(2)阅读本实验【相关知识】,了解掌握函数信号发生器、示波器和交流毫伏表的使用要点和注意事项,了解手工定量画波形的要点。

(3)预习思考题:

①正弦信号的峰峰值和有效值之间如何换算?在进行实验任务1过程中,如果示波器显示的峰峰值与毫伏表测出的有效值之间不满足正常的换算关系,可能的原因有哪些?

②交流信号有效值的意义是什么?

③什么是信噪比?本次实验操作中会不会有噪声?噪声可能的来源有哪些?实际操作中如何避免噪声对信号的干扰?

【报告撰写】

针对实验操作过程总结、分析和思考:

(1)实验过程中给你印象最深刻的一点是什么?(操作、问题、故障等)。

(2)为什么示波器测量小信号和测量大信号的操作方式有所不同?总结示波器测量小信号时的操作注意事项。

(3)如何理解数字示波器的平均采样?

(4)根据实验操作情况总结示波器使用要点和注意事项。(www.xing528.com)

【相关知识】

1.示波器使用基本要点

示波器是一种用途很广的电子测量仪器,它既能把肉眼看不见的电信号转换成看得见的图像,将电信号由抽象转为具体,又能对显示的信号波形进行各种参数的测量,如幅度、周期、频率、平均值、均方根等。正确使用示波器的要点如下。

(1)正确使用探头

示波器是通过具有BNC接口的探头将被测信号接入的,探头的电缆与信号源的引线一样都是同轴电缆的结构,只是末端只有一个与屏蔽线相连的黑色鳄鱼夹子,而与芯线相连接的是方便与测试点相连的钩子,如图7.4.2所示。

图7.4.2　示波器用探头

探头上有一个衰减选择开关(如图7.4.3所示):X10和X1选择。当选择X1挡时,信号无衰减直接进入示波器;而选择X10挡时,信号幅度衰减为原来的1/10送入示波器被测量。因此,当使用探头的X10挡时,应将示波器上的读数扩大10倍得到被测信号的实际值。有些示波器可在示波器内部的探头设置中选择X10挡,以配合探头使用,这样测量波形的幅度时直接读数即可。

图7.4.3　探头的衰减选择

探头的X10挡的输入阻抗比X1挡要高10倍,因此在测试驱动能力较弱的信号波形时,可用X10挡以减小对被测信号的影响;测量较高电压时,可以利用探头的X10挡功能,将电压衰减后再送入示波器。

作为测量仪表,示波器信号输入线上的探头钩子和起屏蔽作用的黑色夹子是可以相短接的,二者短接则示波器的输入信号为零,正确操作下可以在屏幕上可以看到一条电压为零的直线,或称为电压为零的波形,在这种情况下如果观察到电压有微小的起伏,则为示波器本身引入的噪声。如果探头钩子和黑夹子开路,在示波器灵敏度适当的情况下,可以看到明显的工频干扰信号的波形。可以通过观察探头钩子和黑夹子开路、短接两种不同情况下屏幕的显示,来判断示波器输入线是否存在断路问题。

在测量时,示波器电缆的小黑夹子应和被测电路的参考地(GND)连接,探头钩子与被测电路中的测试点相连。接线的顺序先接黑夹子后接探头钩子;拆线时则先拆探头钩子后拆黑夹子。

(2)正确选择示波器输入通道及输入耦合方式

将示波器探头与被测信号正确相连后,还需恰当地进行一些选择和设置,才能使被测信号正确馈入示波器。

一般示波器都是双通道的,可以同时测量显示两个通道接入的信号,也可以通过通道的选择,单独测量显示某一通道接入的信号。因此通道的选择与实际被测信号的连接情况应保持一致。

示波器的输入耦合方式分为直流(DC)和交流(AC)。交流(AC)耦合表示被测信号在示波器内经过滤波将直流分量滤除,只保留交流分量被测量显示,因此显示出来波形只是被测信号的交流部分。直流(DC)耦合表示被测信号直接进入示波器被测量显示,示波器显示的波形包括被测信号的所有成分。

因此用示波器进行观察测量信号时,输入耦合方式一般选用“直流”,以观察测量信号的所有成分。

(3)正确设置示波器

将被测信号正确接入示波器后,还需要对示波器进行相应设置才能使示波器进入正常的工作状态,将被测信号准确地显示和测量。

①正确选择触发源

用示波器对信号进行测量时触发源的选择非常关键。示波器显示稳定的被测信号波形,被称为被测信号的同步。不同的示波器触发源的选项有不同的表示,从根本上都分为内触发(INT)、外触发(EXT)、电源触发(LINE)等。内触发使用被测信号作为触发源信号,是经常使用的触发方式。通常进行内触发源选择时,一般按如下原则进行:

只观察一路信号时,用哪个通道就选那个作为触发源。

同时观察两路信号时,如果两个信号周期严格一致(比如放大电路的输入输出信号),触发源选信号幅度比较大的那一路;如果两个信号周期不同但有严格整数倍关系(如分频电路的输入输出信号),触发源选择周期最大的那一路;如果两路信号的周期不存在严格的关系,则应选择交替触发方式,否则只能稳定观察一路信号。

②正确选择触发类型、触发模式、触发极性、触发耦合等

触发方式、触发扫描模式、触发极性、触发耦合等在不同的示波器中有不同的组合方式。

示波器的触发方式对于传统模拟示波器来说只有简单的边沿触发方式,而数字示波器则可以设置更多更复杂的触发方式,满足了不同特征波形的触发和观察,一般对模拟信号的测量则使用边沿触发方式即可。

触发极性的选项有正、负两种,是选择在被测信号的上升沿还是下降沿触发,一般情况下触发极性可以随意选择。

触发耦合是指触发信号的耦合方式,一般包括交流(AC)、直流(DC)、高频抑制(HFR)、低频抑制(LFR)等选项。交流耦合是指触发信号经过电容滤波后,只使用其交流成分进行触发,通常在信号频率不是过低的情况下,交流触发耦合的效果比较好;当触发信号频率较低或占空比较大时使用DC触发耦合效果好;低频抑制触发时触发信号经过高通滤波器加到触发电路,触发信号的低频成分被抑制;高频抑制触发时,触发信号通过低通滤波器加到触发电路,触发信号的高频成分被抑制。在测量低频小信号时,由于信噪比低,常选用高频抑制耦合。

③正确进行数字示波器的数据采集设置

数字示波器的数据采集模式有:采样、峰值检测、高分辨率、包络、平均等。平均指将多次普通采样的波形进行算术平均,当被测信号的信噪比较低时,选用平均采样可以改善波形的显示,获得较清晰的波形。平均采样数应合理设置,太低起不到改善作用;太高则影响波形更新速度。

(4)正确调节示波器

被测信号顺利接入示波器,并将示波器进行正确的设置之后,还需要对示波器进行适当的调节,才能在屏幕上显示出清晰稳定且便于观察的被测信号波形。

①调节触发电平(LEVEL),使波形同步

通过旋转触发电平调节旋钮,可以设定一个触发电平值,当触发信号超过该电平值时,示波器扫描被触发,被测信号波形被同步,可以稳定地被显示出来。因此应调节触发电平位于触发源信号的电压最大值和电压最小值之间。

②恰当调节垂直方向位移和垂直方向(电压)灵敏度

调垂直方向位移可以改变波形在显示屏垂直方向的位置,而调节垂直灵敏度则可以改变波形在垂直方向上的尺寸大小,一般调波形在垂直方向上尺寸最大但不超出屏幕范围,这样可以清晰地观察波形,减小视觉误差。

③恰当调节水平方向位移和水平方向(时间)灵敏度

调水平方向位移可以改变波形在显示屏水平方向的位置,而调节水平灵敏度则可以改变波形在水平方向上的疏密程度,也就是改变观察的时间范围。一般调节水平灵敏度使波形在水平方向上显示2～3个周期,这样可以清晰地观察波形,减小视觉误差。

(5)正确测量和读取波形参数

被测信号的波形稳定清晰显示后,模拟示波器可通过垂直灵敏度数值和波形上不同的点在垂直方向的距离,计算出相应的电压,如峰峰值、半峰值、电压最大值等;通过水平灵敏度数值和波形上不同的点在水平方向的距离,计算出相应的时间参数,如周期、脉宽、上升时间、下降时间等。

数字示波器也可以按照上述方法读出波形的水平和垂直方向参数。但数字示波器具有强大的波形后处理功能,可以提供丰富的测量选项,能够自动测量波形更多的参数,使用时可根据需要灵活选择。

2.交流毫伏表使用要点

交流毫伏表按照测量原理的不同有均值检波型和真有效值型之分。均值检波型毫伏表只能直接测量正弦交流信号的有效值,若测量其他非正弦交流信号有效值,读数要经过换算。而真有效值型毫伏表则可以直接测量任意交流信号的有效值。

交流毫伏表使用的信号输入线和函数信号发生器相同,在与被测信号连接时,同样需要黑夹子和被测电路的参考地(GND)连接,红夹子与被测电路的测试点相连;接线顺序为先接黑夹子后接红夹子,拆线时则先拆红夹子后拆黑夹子。

交流毫伏表为高输入阻抗测试仪表,如果输入信号线末端的红、黑夹子开路,打开电源后,数字式交流毫伏表会出现有示数现象;指针式交流毫伏表会出现指针偏转现象(也称“开机自起”现象)。此时可以将红、黑夹子对接(这样输入毫伏表的被测信号才为零),可以观察到示数减小到接近为零或指针回零的现象,用这种方法也可以检查电缆线是否存在接触不良或断路的故障。

3.手工定量画波形要点

(1)坐标系要完整,要准确标注各个坐标轴的名称和单位。

(2)一般情况下只画t≥0范围内的波形,交流信号画出2～3个周期即可。

(3)在相应的坐标轴上准确标注波形的关键参数,如电压最大值、电压最小值、直流分量的值、周期、脉宽等。

(4)在适当的位置标注其他测量值,比如频率、有效值等。

以上四点为定量画波形的基本要求,实践中根据不同的具体情况可能会有不同的具体规范。