哈工大2016高级电子技术综合实验.doc

高级电子技术综合实验电子仪器仪表的使用姓名： 学号： 学院： 专业： 日期： 2016年6月实验一 Agilent DSO-X 2002A示波器基本应用1. 必备知识Agilent InfiniiVision 2000X系列拥有入门级的价位和卓越的性能，以及同类产品不能提供的可选功能。安捷伦的突破性技术可在同等预算条件下提供性能更优异的示波器。它具有同档产品中的最大显示屏、最深存储器和最快波形更新速率，可以观察更长时间的信号，并观察更多信号的细节。它将示波器和WaveGen内置函数发生器的功能集于一身，能够执行更多测量。1） 最大显示屏为获得最佳信号可视性，Agilent 2000 X系列示波器配备了业内同档次中最大的显示屏。8.5 英寸 WVGA 显示屏与同档的其他示波器相比，显示面积至少大两倍，分辨率至少高五倍。2） 最快更新速率InfiniiVision 2000X系列采用安捷伦的MegaZoom IV定制ASIC技术，具有高达每秒 50,000 个波形的更新速率。利用这个速度，能观察到某段时间内的更多信号细节和偶发异常。3） 更深的存储器，更长的捕获时间Agilent 2000X系列具有高达100 kpts的存储器，比同档的其他示波器至少高 40 倍，能够捕获长时间的信号，同时在调整水平设置时，可以在较大的时间/格时仍维持高采样率，并且可以对感兴趣的区域进行迅速缩放。深存储器使示波器可在更长时间内保持高采样率。4） 业内独有的WaveGen内置函数发生器2000X系列是业界首款集成了20MHz函数发生器的波器，特别适合非常注重工作台空间和预算的教学实室或设计实验室使用。集成的函数发生器能为被测件出正弦波、方波、斜波、脉冲、直流和噪声波形等激励。 示波器探头用来连接测试设备与示波器的输入接口。为了保证在测试过程中，示波器及其探头不能改变测试信号的特征，需要高阻抗连接将示波器与测试电路分隔开。示波器探头在测试点提供相对较高的输入阻抗。 示波器的探头分为很多种类，本次试验使用的是无源探头，该类型探头不包含晶体管和放大器等任何有源组件。实际使用中，需要根据无源探头的比例，正确设置示波器探头的衰减常数，以保证结果的正确性。2. 实验目的1） 了解国际上技术先进的X2000系列示波器原理、主要技术指标。2） 熟悉X2000系列的示波器自带的培训信号。3）熟悉示波器状态的正确调整方法，掌握用示波器测量直流电压、交流电压、时间间隔以及脉冲波形的上升沿、下降沿等参数的方法。4）掌握示波器触发模式和耦合模式的使用；熟悉示波器波形的采集控制等。3. 实验内容（1）观察示波器校准信号1）将示波器CH1通道的测试端与示波器的“Probe Comp”端相连，黑色夹子与示波器接地端相连。2）按下“Auto Scale”自动设置按键，观察示波器屏幕，关闭CH2通道。3）选择CH1通道为“交流耦合”，并开启“带宽限制”功能。4）按下“Trigger”按键，触发类型选择“边沿”触发，触发源选择“1”。按下“Mode Coupling（耦合）”按键，触发模式，选择“自动”。5）调节“触发电平”旋钮，观察触发电平（黄色T线）大于波形幅度最大值和小于幅度最小值时，波形的变换情况，如图1.1所示。然后将将触发电平调节到合适位置。只有当触发电平介于波形幅度最大值和最小值之间时，波形才能稳定。 图1.1 触发电平高低对示波器的校准信号波形的影响6）调节示波器水平时基设置和CH1通道垂直幅度和位置设置，将波形大小合适的显示在示波器的屏幕上。7）按下“Meas”快速测量按键，测试源选择“1”，分别测量交流耦合和直流耦合两种情况下，波形的峰峰值，周期和频率，并填写到如下的表格中。示波器校准信号峰峰值周期频率最大电平最小电平交流耦合2.53V998.8us1.0012khz1.25V-1.32V直流耦合2.53V998.8us1.0012khz2.37V-160mV8）记录校准信号的波形，要求在图中标出峰峰值，周期，最大电平和最小电平。9）图1.2（a）和（b）分别对应，示波器交流耦合和直流耦合状态下的校准信号。 （a） （b）图1.2 示波器的校准信号（2）观察培训信号将示波器通道1连接到Demo 1端，通道2连接到Demo 2端，两个通道的黑色夹子连接到示波器的接地端。按下前面板右上部分附近的“缺省设置（Default Setup）”按键，恢复示波器默认设置。按示波器显示屏下方的培训信号软键，选择相应的培训信号。1） 正弦波培训信号选择“正弦波”，DEMO 1为正弦波，DEMO 2关闭，点击输出，则通道1显示为正弦波。分别调节通道1的垂直设置旋钮和水平设置旋钮，直到显示屏出现两个以上周期的完整正弦波波形，如图1.3所示。利用快速测量“Meas”按键，可以测试正弦波峰峰值、频率、周期等参量，如图1.3右侧所示。也可以利用“Cursors”光标测量法，手动测量上述数据。测试方法峰峰值周期频率最大电平最小电平Meas22.1V200ns5mhz10.5V-11.5VCursors21.875V201.5ns4.975mhz10.31V-11.56V图1.3 培训信号正弦波2） 带噪声的正弦波培训信号选择“带噪声的正弦波”，DEMO 1为正弦波（噪声），DEMO 2关闭，点击输出，则通道1显示为正弦波（噪声），如图1.4（a）所示。按下Mode Coupling（模式/耦合）按键，选择“高频抑制”软键，以打开高频抑制滤波器。使用高频抑制触发噪声正弦波如图1.4（b）所示。 （a） （b）图1.4 培训信号带噪声的正弦波信号需要注意的是，由于高频抑制滤波器基于固定的50kHz低通硬件滤波器，因此不能在更高频率的信号上使用。如果在20MHz噪声正弦波上使用触发高频抑制，则50kHZ滤波器将掩盖噪声和基本20MHz正弦波，使其不可能触发任何信号。按下前面板“Acquire（采集）”按键，将示波器的采集模式更改为平均模式，示波器会对多个波形采集一起进行平均操作。如果信号中的噪声是随机的，则噪声分量会平均出来，这样对于基本信号分量能够执行更为准确的测量，如图1.5所示。图1.5 培训信号带噪声的正弦波信号（平均采集模式下）3） 相移正弦波培训信号选择“相移正弦波”，DEMO 1为正弦波1，DEMO 2为正弦波2，点击输出，则通道1显示为正弦波1，通道显示为正弦波2。按下“相位”按键，可以调节两组正弦波波形的相位差。调节相位为，相移波形如图1.6（a）所示，调节相位为，相移波形如图1.6（b）所示，利用快速测量“Meas”按键，可以进行快速测量。 （a） （b）图1.6 培训信号相移正弦波按下“Horiz（水平）”按键，将时基模式更改为XY模式，此时示波器显示的波形称为Lissajous（李萨如）波形，调节相移正弦波的相位，观察不同相位下的李萨如波形，并记录，如表1.1所示。表1.1 不同相位下的李萨如波形相位大小李萨如波形0度45度90度135度180度360度恢复标准时基模式，按下“Math（数学运算）”按键，选择算子为减法模式，则显示屏紫色波形为使用示波器的数学函数从通道1波形减去通道2波形得出的结果。改变两个正弦波的相移，记录不同相移下的结果，如表1.2所示。表1.2 不同相位下的相移正弦波数学运算结果0度45度90度180度4） 带毛刺的正弦波理想的正弦波是没有毛刺等干扰信号的，然而实际应用中，经常有干扰信号存在，在波形上表现为偶发毛刺信号。培训信号选择“带毛刺的正弦波”，DEMO 1为正弦波（噪声），DEMO 2关闭，点击输出，则通道1显示为带毛刺的正弦波，如图1.7所示。图1.7 培训信号带毛刺的正弦波5） 调幅正弦波 幅度调制是使载波的幅度与调制信号的幅度成比例变化的调制方法。培训信号选择“调幅正弦波”，DEMO 1为同步信号，DEMO 2为AM调幅波，点击输出，则通道1显示为调制信号，通道2显示为调幅波波形。如图1.8所示。利用“Meas”按键进行测量。图1.8 培训信号调幅正弦波 由图1.8可以看出，通道1为频率26kHz，峰峰值为7Vpp，0V偏移的调制信号正弦波，通道2为调幅信号，峰峰值为3Vpp，0V偏移，具有13MHz载波和正弦波包络。载波信号的频率远远大于调制信号的频率，调幅波的包络线即代表了调制信号，调幅波的带宽为调制信号频率的2倍，这种调幅波称为标准调幅波。6） RF猝发培训信号选择“RF猝发”，DEMO 1为RF猝发信号，DEMO 2关闭，点击输出，显示波形如图1.9（a）所示。从图1.9（a）可以看出，每4ms发生一次猝发，将波形展开，猝发波形如图1.9（b），为频率10MHz的调幅正弦波的5周期猝发，峰峰值为2.6V，偏移量为0V。 （a） （b）图1.9 培训信号RF猝发7） FM猝发培训信号选择“FM猝发”，DEMO 1为FM猝发信号，DEMO 2关闭，点击输出，显示波形如图1.10所示。从图1.7可以看出，在100us内，产生FM猝发，从100kHz调制1MHz，峰峰值为5V，具有600mV的偏移。图1.10 培训信号FM猝发8） 重复脉冲（带振铃）培训信号选择“重复脉冲（带振铃）”，DEMO 1为重复脉冲（带振铃）信号，DEMO 2关闭，点击输出，显示波形如图1.11所示。从图1.11可以看出，该数字脉冲信号频率为500kHz，峰峰值为3V，1.5V的偏移，脉冲宽度为500ns，并带有振铃，由于该振铃的存在，示波器自动测量的峰峰值略大于3V。利用“Meas（测量）”按键，自动测量频率，峰峰值、最大电平、最小电平、上升时间、下降时间等参数。此外，利用全部快照功能，能够一次性测量多个参数。图1.11 培训信号重复脉冲（带振铃）重复脉冲峰峰值脉冲宽度最大电平最小电平上升时间下降时间27.7V479.5ns26.0V-1.7V43.5ns43.5ns9） 单次脉冲（带振铃）培训信号选择“单次脉冲（带振铃）”，DEMO 1为单次脉冲（带振铃）信号，DEMO 2关闭，示波器运行控制点击“Single”，单次采集，点击输出，并按下“传输单冲”按键，显示波形如图1.12所示。从图1.12可以看出，该单次数字脉冲信号宽度约为500ns，带振铃，由于该振铃的存在，示波器自动测量的峰峰值略大于3V。分别自动和手动测量单次脉冲的峰峰值，最大电平、最小电平。需要注意的是，必须使用标准触发模式来捕获单次脉冲，标准触发模式只有等待有效地触发事件出现后，才捕获并显示图像。也可以使用示波器单个采集模式，当采用单个采集模式时，示波器将捕获一次且仅捕获一次单冲事件，并自动选择标准触发模式。图1.12 培训信号单次脉冲（带振铃）10）带偶发毛刺的时钟培训信号选择“带偶发毛刺的时钟”，DEMO 1为带偶发毛刺信号，频率为500kHz，峰峰值为2V，偏移量1V，并带有罕见毛刺（每50000次定时有1个毛刺），DEMO 2关闭。示波器触发设置（Trigger），选择触发类型为脉冲宽度，触发源为通道1，脉冲宽度触发设置为正脉冲，设置正脉冲触发时间小于100ns，点击“Single”，单次采集，显示波形如图1.13所示。为了清楚的看到时钟信号的罕见毛刺，需要启用示波器的“余辉”显示模式。按下“Display（显示）”按键，按下“余辉”软件，选择无限余辉显示模式，如图1.14（a）所示。如果启用“无限余辉”模式，示波器将显示所有捕获波形的永久图像。如果没有启用“无限余辉”模式，示波器将以60Hz的频率擦除所有捕获的波形。在尝试捕获极为罕见的事件时，例如每两个小时才出现一次的毛刺，可以使用“无限余辉”模式。图1.13 培训信号带偶发毛刺的时钟将触发脉冲宽度事件改为小于50ns，观察罕见毛刺波形，如图1.14（b）测试该罕见毛刺波形的宽度和幅度等参数。 （a） （b）图1.14 培训信号带偶发毛刺的时钟罕见毛刺波形测试结果幅度脉冲宽度最大电平最小电平20.7V21.9ns20.0V-2.5V11）数字猝发培训信号选择“数字猝发”，DEMO 1为数字猝发信号，每50us发生一次数字脉冲的猝发，峰峰值为3.6V，偏移量1.5V，DEMO 2关闭。示波器触发设置（Trigger），选择触发类型为边沿触发，触发源为通道1，将触发释抑时间设置为约45us，显示波形如图1.15所示。使用触发释抑功能，可以指示示波器始终在每次脉冲猝发之间的信号停滞时间内接通触发。选择释抑时间为45us，表明示波器将在脉冲猝发的第一个上升沿触发，随后在45us的释抑时间内禁止触发。图1.15 培训信号数字猝发12）带有罕见毛刺的数字猝发培训信号选择“带有罕见毛刺的数字猝发”，DEMO 1为数字猝发信号，每80us发生一次6个数字脉冲（以及罕见毛刺）的猝发，峰峰值为3.6V，偏移量为1.8V，DEMO 2关闭。示波器触发设置（Trigger），选择触发类型为脉宽触发，触发源为通道1，将触发脉宽时间设置为小于300ns，并启用分屏缩放（Zoom）显示，显示波形如图1.16所示。从图1.16中可以看到，6个数字脉冲波形，以及罕见毛刺。测试该6个数字脉冲的宽度，填入下表。图1.16 培训信号带有罕见毛刺的数字猝发正脉冲宽度第一个脉冲第二个脉冲第三个脉冲第四个脉冲第五个脉冲第六个脉冲300ns600ns400ns400ns400ns300ns（3）正弦波的测量X2000示波器内置有波形发生器，并通过“Gen Out”端口输出。启用波形发生器之前应当注意：波形发生器的两输出端不得短路；波形发生器的输出端不得接在“Demo 1”或“Demo 2”端子上；波形发生器的输出端不得并接在外部其它电源上；波形发生器输出线的黑色夹子、波形测试通道的黑色夹子和示波器面板的“ ”端子均为公共端；颜色不同的夹子不能接在一起。要访问“波形发生器菜单”并在“Gen Out”端口上启用或禁用波形发生器输出的方法为按下示波器面板上的“Wave Gen”键。从波形发生器调出一频率为下表所示的正弦波，峰-峰值为3V，要求波形的偏移为0V。用示波器测量其峰-峰值、交流有效值、周期和频率（所用通道的“带宽限制”功能关闭）。利用安捷伦数字万用表测量电压的交流有效值，将示波器和万用表所测得的结果进行比较。波形发生器显示的频率值用示波器测量万用表测量的有效值峰-峰值有效值周期频率1kHz3.06V1.05V1ms1khz1.055V10kHz3.06V1.052V99.97us10.003khz1.094V50kHz3.06V1.052V20.036us49.91khz1.039V注：其它型号的万用表测量高频电压的能力会与本万用表不同，某些高端的万用表可测量更高频率的电压，而某些低端的万用表在设计时并未考虑50Hz以外的交流电压。分析：针对万用表测量高频电压的结果进行分析。调节函数信号发生器，使其输出频率为1kHz，峰峰值为2V的正弦波，用示波器（直流DC耦合）观察波形。按照表1.3更改波形发生器的偏移大小，记录相应的波形结果。表1.3 不同偏移大小下的正弦波波形偏移大小示波器波形将直流DC耦合改为交流AC耦合，观察波形有无变化，观察完后，再改为直流DC耦合。（4）方波的测量从波形发生器调出一频率为1kHz的方波，峰-峰值分别为4V、1V、100mV，偏移为0V，占空比为50%。用示波器对峰-峰值和周期进行测量，要求峰-峰值测量分别采用自动测量法和光标测量法。波形发生器显示的峰峰值用示波器测量周期（自动测量 Meas）峰峰值VPP（自动测量 Meas）峰峰值VPP（光标法 Cursors）4V1ms4.7V3.91V1V999.8us1.31V0.975V100mV1ms0.157V0.0906V分析：比较利用自动测量法和光标测量法测得的峰峰值是否相同？如果结果不相同，分析产生该现象的原因。答：两个方法测得峰峰值不同，原因是光标测量法存在一定的手动操作误差。分析：测量100mV电压时，将对应通道的“带宽限制”功能开启，观察波形如何变化？比较通道的“带宽限制”功能开启和关闭对波形的影响。答：波形变细，因为带宽限制功能滤除了高频频带下的噪声。4. 思考题(1) 用示波器观察信号波形时，要达到下面的要求，应分别调整哪些旋钮？ 波形稳定。触发电平旋钮 改变能观察到的波形的个数。水平旋钮 改变波形的高度。对应垂直旋钮 改变波形的宽度。水平旋钮(2) 示波器的Y轴输入在什么情况下用交流耦合，什么情况下用直流耦合？ 在测量纯交流量时用交流耦合，测量有直流分量的波形用直流耦合。(3) 函数信号发生器的波形选择按钮调至正弦波时，输出必定是正弦波么？要想让函数信号发生器输出一个纯正弦信号，“OFFSET”应设置为多少？输出不一定是正弦波，纯正弦信号的“OFFSET”应设置为0.(4) 示波器触发的模式有哪些？分别应用在什么场合？有电平触发、边沿出发、脉冲宽度触发等。实验二 Agilent DSO-5032A示波器和33220A任意波形发生器基本应用（1）函数信号发生器（Sweep）功能验证将函数信号发生器的Sine和Sweep按键按下。利用示波器观察输出波形，按照表2.4进行验证。表2.1 函数信号发生器Sweep功能验证函数信号发生器调节示波器波形如何变化Sine按键Sweep按键AmplOffsetLinear/LogStartStopSweep Time2Vpp0Linear1Hz10Hz2s0Log1Hz10Hz2s0Log1Hz10Hz4s0Log1Hz100Hz4s（2）函数信号发生器（Arb）功能验证键入Arb按键，Agilent 33220A可输出最多64k个点和最高6MHz重复频率的任意波形。最多可以将4个用户定义波形存储到非易失性存储器中，还可在易失存储器中存储一个。选择频率为10kHz，峰峰值为4V，OFFSET为0V，Select Wform选择Built IN。任意函数信号发生器Arb按键具有内置的指数上升波形Exp Rise（Exponential rise），内置的指数下降波形Exp Fall（Exponential fall），内置的反向斜坡波形Neg Ramp（Negative Ramp），内置的正弦波形Sinc具体波，以及内置的心波形Cardiac。33220A也允许创建新的任意波形、编辑非易失性存储器中的现存波形或编辑易失性存储器中的波形。不能编辑那五个内置的任意波形。表2.5 函数信号发生器Arb功能验证函数信号发生器调节Arb按键示波器波形如何变化AmplOffsetFreq4Vpp010kHzExp Rise010kHzExp Fall010kHzNeg Ramp010kHzSinc010kHzCardiac010kHz用户创建波形（3）电子仪器仪表综合应用图2.1所示为实验电路RC网络，在实验箱上搭接该电路。图2.1 RC网络1）测量不同频率下两正弦波的相位