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现代测试实验指导书 现代测试技术及应用实验指导书适用专业:信息工程课程代码:8413660总学时:48总学分:编写单位:信息工程系编写人:贺德全审核人:审批人:批准时间:年月日目录实验一电子计数器测频和测周的原理2实验二数字存储示波器原理和应用6实验三信号频谱分析和测试11实验四（综合性实验）滤波器频率特性测试18主要参考文献24实验一电子计数器测频和测周的原理 一、实验目的任务1.了解频率测量的基本原理。 2.了解电子计数器测频/测周的基本功能。 3.熟悉SJ-8002B电子测量实验系统的基本操作。 二、实验内容1.频率测量，并了解测频方式下闸门时间与测量分辨率关系。 2.周期测量，并了解测周方式下时标、周期倍增与测量分辨率关系。 三、实验器材1.计算机台2.SJ-8002B电子测量实验箱台3.Q9连接线根 四、实验原理1.测频原理所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间变化的次数。 电子计数器是严格按照fN/T的定义进行测频，其对应的测频原理方框图和工作时间波形如图1-1所示。 从图中可以看出测量过程输入待测信号经过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可得到其频率。 若闸门开启时间为T、待测信号频率为fx，在闸门时间内计数器计数值为N，则待测频率为fx=N/T(1-1)若假设闸门时间为1s，计数器的值为1000，则待测信号频率应为1000Hz或1.000kHz，此时，测频分辨力为1Hz。 图1-1测频原理框图和时间波形2.测周原理由于周期和频率互为倒数，因此在测频的原理中对换一下待测信号和时基信号的输入通道就能完成周期的测量。 其原理如图1-2所示。 图1-2测周原理图待测信号Tx通过脉冲形成电路取出一个周期方波信号加到门控电路，若时基信号(亦称为时标信号)周期为To，电子计数器读数为N，则待测信号周期的表达式为OXTNT?例如fx=50Hz，则主门打开1/50Hz（=20ms）。 若选择时基频率为fo=10MHz，（1-2）时基To0.1us，计数器计得的脉冲个数为OXTTN?=200000个，如以ms为单位，则计数器可读得20.0000(ms)，此时，测周分辨力为0.1us。 五、实验步骤1实验准备 （1）按照图1-3所示的方法连线，S602接“no”端。 图13实验连接框图说明被测输入信号有两种接法，一种是如图1-3所示的，由外接信号发生器连接实验箱测频输入fx的BNC插座；一种是如图1-3所示的，由实验箱上的信号源Aout1(或Aout2)连接实验箱测频输入fx的BNC接头。 （2）先打开实验箱电源，电源指示灯“亮”。 然后在PC机上运行主界面程序，如图14所示。 图14主程序界面 (3)从主界面进入“电子测量实验室”，其界面如图15所示，最后选择实验二，软件则自动打开了电子计数器测频和测周的界面,实验运行电子计数器程序进行测量。 图15电子测量实验室界面2.电子计数器的面板如图1-7所示。 图1-7虚拟电子计数器面板使用说明 （1）当选择测频/测周按钮置“测频”时，可选“闸门时间”分别为1ms,10ms,100ms,1s,10s，时标选择旋钮不使能； （2）当选择测频/测周按钮置“测周”时，可选“周期倍乘”分别为1，10，100，1000，10000。 时标选择旋钮可选10MHz,1MHz,100KHz,10KHz,1KHz。 （3）当选择“自动”按钮时，测频/测周按钮、时标选择旋钮和测频/测周按钮不使能，将自动根据被测信号与中界频率的大小关系来确定采用测频或测周方式，并显示相关内容。 注意在“测周”模式下，若选择大的周期倍乘系数，测量低频信号时，测量时间回很长。 3.电子计数器测频/测周实验 （1）利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号，波形可分别为方波、正弦波、三角波，幅度为1V5V,由虚拟电子计数器对其进行“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，并填入表1-1表1-1信号频率闸门时间10Hz100Hz1kHz10kHz100kHz1MHz1ms10ms0.1s1s10s （2）利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号，由虚拟电子计数器对其进行“测周”，选择不同的周期倍乘，对测量结果进行比较和分析。 记录测量的周期值，并填入表1-2表1-2信号周期周期倍乘(10Hz)(100Hz)(1kHz)0.1s10ms1ms0.1ms(10kHz)10us(100kHz)1us(1MHz)1101001000可不做10000可不做可不做 （3）利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号，选择“自动方式”，观察仪器自动选择的“测频或测周”模式，记录测量的频率值和周期值选择不同的周期倍乘，对测量结果进行比较和分析，并填入表1-3表1-3信号频率10Hz100Hz1kHz10kHz100kHz1MHz测频/测周模式实测频率实测周期 六、思考和练习 1、分析以上测量数据，在电子计数器测频过程中，闸门时间对测量分辨力有何影响？ 2、时标选择对电子计数器测周分辨力有何影响？实验二数字存储示波器原理和应用 一、实验目的任务1了解示波测量的基本原理。 2熟悉虚拟数字存储示波器的操作，对几种典型电压波形进行参数测量并观察双踪波形的显示。 二、实验内容1测量周期信号的幅值、频率。 2、非周期信号的测量、存储、回放。 三、实验器材1SJ-8002B电子测量实验箱1台2计算机1台3信号源（也可以使用本实验箱的DDS信号源）2台 四、实验原理1数字示波器原理数字存储示波器是用A/D变换器把模拟信号转换成数字信号，然后把数据存储在半导体存储器RAM中。 当有需要时，将RAM中存储的内容调出，通过LCD用点阵或连线的方式再现波形，其原理框图可以参考图21。 在这种示波器中信号处理和信号显示功能是分开的，它的性能主要取决于进行信号处理的AD、RAM和微处理器的性能。 由于采用RAM存储器，可以快写数慢读数，使得即使在观察缓慢信号时也不会有闪烁现象。 2虚拟数字存储示波器组成输入电路A/DRAM控制系统ViPC机图21虚拟数字存储示波器虚拟示波器将计算机和测量系统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器物理面板。 通过相关的软件可以设计出的操作方便、形象逼真的仪器面板，不仅可以实现传统示波器的功能，而且具有存储、再现、分析、处理波形等特点，还可以进行各种信号的处理、加工和分析，完成各种规模的测量任务。 而且仪器的体积小、耗电少，方便携带，可以在不同的计算机上使用。 因此，在SJ-8002B中，也引用了虚拟数字存储示波器的原理来实现数据的采集。 其中的信号调理、AD转换、存储数据的SRAM以及控制逻辑都在是实验平台中，计算机主要起到了数据的处理和显示的作用。 3SJ-8002B电子测量实验箱示波器硬件结构 （1）测试范围及采集参数调整范围测试电压幅度范围20V20V（峰峰值）测量频率范围1Hz1MHz采样时钟timebas012e序号3456789采样时钟20M20M20M20M20M20M20M20M20M20M timebase序号10111213141516171819采样时钟10M5M2.5M1M500K250K100K50K25K12.5K可程控增益Div序号0123456789通道总增益xx5210.50.20.10.050.02数据缓存深度64KB对采集的数据进行分析，显示波形的峰值、平均值、有效值和频率、周期等参数。 （2）硬件原理图图22SJ8002B示波器硬件原理图图22为示波器模块的原理框图。 由图可见，高速采集的双通道是完全独立的，因此可以完成多种不同的测试任务，实现虚拟双踪数字存储示波器的各种功能。 4数据处理根据采集的波形数据，计算出被测信号的有效值、均值、峰值、频率。 离散信号的电压平均值及峰值的数学表达式如下所示电压有效值21N1NKK?UV?电压平均值11NKK?UVN?电压峰峰值maxmin?KKUVV? 五、实验步骤1实验准备 （1）按照图23连线。 （2）先打开实验箱电源，电源指示灯“亮”。 然后在PC机上运行主界面程序，再从主界面进入“电子测量实验室”，最后选择实验六，软件则自动打开了信号源和示波器的界面。 电子测量实验箱信号发生器电源计算机Q9线示波器监测Ain1Aout1图23实验连接框图2虚拟数字存储示波器面板虚拟数字存储示波器面板如图24所示，它与实际的仪器有相似的面板，有CH1（绿）、CH2（黄）两个通道，面板下部还同时显示出伏/格、峰值(平均值、有效值)、频率、秒/格。 图24虚拟数字存储示波器面板3测量如下各种波形的参数操作接在Ain1的信号源产生以下信号，用CH1（绿）通道进行测量，调整秒/格使信号波形在屏幕上显示25个周期，调整伏/格使信号波形充满半个屏幕到满屏。 （1）正弦波信号源产生一个正弦波如图25，用虚拟示波器观察,把显示面板上的峰值和频率填在表21中。 （2）三角波表21输入幅度(V)输入频率kHz秒/格格数伏/格格数峰值频率1125450波形换成三角波如图26，观察波形对称度T。 baT表22输入幅度（V）输入频率（kHz）秒/格a T格数b T格数baT T115555081008200 （3）方波信号源产生一个方波，用虚拟示波器观察上升时间和下降时间。 表23输入幅度（V）5100输入频率（kHz）秒/格rt ftft5xx500 （4）调幅波用Q9线把Aout1和Ain1连接起来，启动虚拟信号源程序，产生一个调幅波，用示波器测量调幅系数?ba测量结果填入表2-4.%100?bam vaTb Tt?t图26三角波rtftt?tv图27方波vt?t图25正弦波t?tvba图28调幅波表24a格数输入幅度（V）5输入频率（kHz）5伏/格b格数ftm55051004双踪显示波形的观测由两台函数信号源分别产生两路电压信号，一个产生幅度为5V，频率为5KHz的正弦波，另一个产生幅度为3V，频率为5KHz的三角波，由虚拟数字存储示波器进行双踪显示，并画出波形。 画信号波形5波形存储与回放在用示波器测量的过程中，随时可以把波形数据保存。 方法是点击面板上面的“保存”按钮，就会弹出一个对话框，取一个文件名，再选择路径、文件扩展名之后单击保存就能把波形数据保存在计算机的硬盘里。 要把计算机硬盘里存储的波形文件打开，就直接单击面板上面的“打开”按钮（注意此时不能启动采集），就能够实现波形的回放，这时通过调节“伏/格”和“秒/格”能够改变波形的显示。 把实验步骤3中的波形先保存到硬盘，然后再打开，对比它们有无变化。 六、思考和练习题1能否用一个带宽为20MHz的示波器观测重复频率为15MHz的正弦波和方波？为什么？2利用示波器测量各种波形参数时，你如何减小其测量误差？实验三信号频谱分析和测试 一、实验目的任务1了解周期函数的傅立叶变换理论及虚拟频谱分析仪的工作原理；2熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。 二、实验要求1测量典型信号（正弦波、三角波、方波）的频谱并记录； 2、测量由基波、二次谐波、三次谐波的组合波形的频谱并计录。 三、实验器材 1、计算机一台 2、虚拟仪器实验箱一台 3、虚拟频谱分析仪程序 四、实验原理1非正弦周期函数的傅立叶分解 (1)定义如果给定的周期函数)(tf满足狄里赫利条件（函数在任意有限区间内，具有有限个极值点与不连续点），则该周期函数定可展开为一个收敛的正弦函数级数。 而在电工技术中，我们所遇到的周期函数通常均满足该条件。 这样?1010)cos()sincos()(kkkmkkktkAAtkbtkaatf其中，两式中的各个系数的计算公式及对应的系数的关系?2200) (1)(1TTTdttfTdttfTa?)()cos() (1)()cos() (1)cos() (2)cos()(220220tdtktftdtktfdttktfTdttktfTaTTTk?)()sin() (1)()sin() (1)sin() (2)sin()(220220tdtktftdtktfdttktfTdttktfTbTTTk在该展开式中，0A称为周期函数)(tf的恒定分量，也称为直流分量；与原周期函数的周期相同的正弦分量)cos(11?tAm称为一次谐波，也称为基波分量。 其他各项称为高次谐波（如2次谐波、3次谐波等等） (2)常用周期信号的傅立叶展开1）方波图3-11)7sin715sin53sin31(sin4)(?ttttAtf，其中的T?22）三角波图3-2)7cos4915sin2513sin91(sin8)(2?ttttAtf，其中的T?22非正弦周期函数的有效值以电流为例，周期电压、电流的有效值的定义为?TdttiTI02)(1前面已经谈到，任意周期函数均可展开为傅立叶级数?110)sin()(nnnmtnIIti代入有效值的定义式?TnnnmdttnIITI02110)sin(1积分号内的平方式展开有以下几种情况1dtIT?12nmIT?10?TT?xx0IT?2)(sin2nm012TnIdttn?0)sin(201?TnnmdttnII npdttptnIITpnpmnm?0)sin()sin(21011因此，)(ti的有效值为?232221xxnm202IIIIIIIn。 其中，2nmnII?为各个n次谐波分量的有效值。 同理，任意电压)(tu的有效值为?232221xxnm202UUUUUUUn，其中，2nmnUU?为各n次谐波分量的有效值。 3.频谱 （1）非正弦周期函数的频谱对某函数以频率为横轴，各个频率对应的正弦函数的幅值为纵轴所绘出的线段系称为该函数的频谱。 对于周期函数而言，其频谱为一系列谱线。 如?方波f(t)A t0.5T-A TAkm4A/?4A/3?4A/5?4A/7?3?5?7?图3-3矩形波的傅立叶频谱?三角波f(t)A tT-A Akm8A/?28A/25?2?3?5?7?8A/9?2图3-4三角波的傅立叶频谱 （2）傅立叶变换与频谱函数1）周期函数的傅立叶级数的指数形式?k?k?k?k?2?2?11010102) (2)()()()sincos()(tjkkktjkkktjktjkktjktjkkkkejbaejbaajeebeeaatkbtkaatf令2kkkjbac?，且对所有0?k，均有00ac?，则?ktjkkectf)(，其中dtetfTctjkTk?0)(1，00ac?2）幅度频谱与相位频谱?体现|由于指数级数中的k可以分别取相应的正负值，因此幅度频谱关于Y轴对称；而其谱线的高度仅为付氏频谱谱线高度的一半。 例如方波kc|与频率之间的关系的谱线，称为幅度频谱。 图3-5方波及其傅立叶频谱、幅度谱4.虚拟频谱分析仪数字式虚拟频谱分析仪是通过A/D采样器件，将模拟信号转换为数字信号，传给微处理器系统或计算机来处理.在对交流信号的测量中，根据奈奎斯特采样定理，采样速率必f(t)A t0.5T-A T|ck|2A/?2A/3?2A/5?2A/7?3?5?7?须是信号频率的两倍以上，采样频率越高，时间轴上的信号分辨力就越高，所获得的信号就越接近原始信号，在频谱上展现的频带就越宽。 由于本实验平台的A/D分辨率只有8位，决定了频谱分析的精度不高，同学们重点掌握频谱分析的方法。 本频谱分析仪采用快速傅立叶变换的方法，分析信号中所含各个频率份量的幅值。 其构成框图如图3-6所示图3-6频谱分析仪框图 五、实验步骤1测量典型信号（正弦波、三角波、方波）的频谱 （1）用Q9线连接信号发生器与实验平台的Ain1端，并用EPP排线连接实验平台和计算机之间的EPP接口，最后打开电源.。 由信号发生器产生一个频率为10KHz，均方根值（有效值）为3V的正弦波，启动实验平台配套的频谱分析软件，其界面如图3-7所示。 图3-7虚拟频谱分析仪界面用数字频谱分析仪对该信号进行频谱测量，幅度刻度方式设为线性刻度，不加窗函数，起始频率为0Hz，结束频率为100KHz，Y线性参考电压为3V，将测量结果填入表3-1，并计算出频谱的理论值填入表3-1。 （2）由信号源产生一个频率为10KHz，均方根值为3V的三角波，用数字频谱分析仪对该信号进行频谱测量，幅度刻度方式设为线性刻度，不加窗函数，起始频率为0Hz，结束频率为100KHz，Y线性参考电压为3V，将测量结果填入表3-2，并计算出频谱的理论值填入表3-2。 表3-1基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波六次谐波七次谐波频率（Hz）测量幅度（V）幅度理论值（V）表3-2基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波六次谐波七次谐波频率（Hz）测量幅度（V）理论值（V） （3）由信号源产生一个频率为10KHz，峰-峰值为10V的方波，用数字频谱分析仪对该信号进行频谱测量，幅度刻度方式设为线性刻度，不加窗函数，起始频率为0Hz，结束频率为100KHz，Y线性参考电压为3V，将测量结果填入表3-3，并计算出频谱的理论值填入表3-3。 表3-3基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波六次谐波七次谐波频率（Hz）测量幅度（V）幅度理论值（V）2用实验平台的DDS信号源产生一个由基波、二次谐波、三次谐波的组合波形，观察其频谱 （1）连接实验箱的Aout1到Ain1，进入DDS信号源程序界面，选择“任意波形”，弹出窗口如图3-8所示。 （2）在组合波形界面的左下方输入基波、二次谐波、三次谐波的系数，点击“绘图”，右上方的显示窗显示生成的组合波形，点击“数据写入Aout1”，选择组合波形的幅度（峰峰值），频率（基波频率），最后点击“启动”，则从Aout1输出要求的信号，可外接示波器观察。 图3-8任意波形和组合波形界面 （3）回到频谱分析界面，测量组合波形频谱，注意选择的结束频率比3次谐波稍大即可（图3-9）。 （4）观察各次谐波的频率和幅度，它们的比值关系满足设定的系数。 图3-9组合波形的频谱 六、思考和练习题1数据采集的采样频率对频谱测量有什么影响？2为什么组合波形各分量的相位改变，波形会发生改变，但幅值频谱不变？参考书 1、电子测量原理古天祥主编，机械工业出版社出版， xx2、现代测试技术王厚军等编著，电子科技大学出版社， xx3、现代测试技术及应用张发启编著，西安电子科技大学出版社，xx。 实验四滤波器频率特性测试(综合性实验) 一、实验目的1理解虚拟信号发生器如何在软件控制下产生扫频信号。 2.了解虚拟仪器实验平台的滤波器幅频特性的自动测试原理。 3掌握无源和有源滤波器特性的测试方法。 二、实验内容1点频测试滤波器特性。 2扫频信号的产生。 3自动扫频测试滤波器。 三、实验器材1计算机1台2SJ-8002B电子测量实验箱1台3滤波器电路实验板1块4.信号发生器1台5数字示波器1台 四、实验原理1滤波器原理滤波器的功能是有选择地让一定频率范围内的信号通过，对此频率范围以外的信号抑制或急剧衰减。 在信号处理、数据传输、抑制干扰等方面有广泛的应用，仅仅由RLC元件串联组成的滤波器称为无源滤波器。 由RLC元件与运算放大器组成的滤波器称为有源滤波器 （1）一阶无源低通滤波器一阶无源低通滤波器电路如图8-1所示，幅频特性如图8-2所示，其中截止频率112?1RCfC?。 图8-1一阶无源低通滤波器电路图8-2一阶无源低通滤波器幅频特性 （2）一阶有源低通滤波器在一阶RC低通滤波器电路的输出端再加上一个同相比例放大电路，就成为一阶有源低通滤波器，不仅具有滤波功能，还能起放大作用。 一阶有源低通滤波器电路如图8-3所示，幅频特性如图84所示，其截止频率112?1RCfC?图8-3一阶有源低通滤波器电路图8-2一阶有源低通滤波器幅频特性 （3）二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器电路如图8-5所示。 它是一种具有正相增益的常用二阶低通滤波器电路，运放和它的两个连接电阻3R、4R形成一个电压控制电压源（VCVS）。 运放的增益为341RRK?，它为滤波器提供了增益。 幅频特性如图8-6所示，其中截止频率21212?1CCRRfC?。 图8-5二阶有源低通滤波器电路图8-6二阶有源低通滤波器幅频特性VCVS滤波器具有元件数量少、输出阻抗低、元件间差值范围小和放大能力比较高等优点。 而且增益值可用电位器微调3R、4R进行精确的调整。 VCVS滤波器一般用于品质因数值不高于10的场合。 （4）二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器电路如图8-7所示。 滤波器中的运放增益为341RRK?，也可将3R开路而4R短路，让运放构成一个电压跟随器。 幅频特性如图8-8所示。 其中截止频率21212?1CCRRfC?图8-7二阶有源高通滤波器电路图8-8二阶有源高通滤波器幅频特性2实验电路图原理 （1）滤波器实验硬件原理图8-9滤波器实验板硬件原理图在滤波器实验电路板SJ-7003Filter上有四种滤波器，每种滤波器都有3档不同的截止频率，分别是500Hz，5kHz和50kHz。 测试信号由实验箱的任意信号源通道的输出（AO1）或外部其他信号发生器提供；滤波后的信号与实验箱的高速采集通道（AI1）连接。 （2）滤波器实验电路板介绍滤波器板的选择输入信号时，需要接跳线为SW1，选项如表8-1，表8-1SW1跳线选择表SW1上符号符号所表示选择的信号源In虚拟仪器实验平台SJ8002B的任意信号源（AO1）Out外部信号源滤波器实验板上的四种滤波器是一阶无源低通滤波器、一阶有源低通滤波器、二阶有源低通滤波器、二阶有源高通滤波器。 截止频率档位固定的滤波器选择的跳线符号如表8-2。 表8-2固定截止频率滤波器档位选择的跳线符号表截止频率cf滤波后信号输出跳线连接符号滤波器种类500Hz5kHz50kHz一阶无源低通滤波器S01S02S03LPF0一阶有源低通滤波器S01S02S03LPF1二阶有源低通滤波器S11，S15S12，S16S13，S17LPF2二阶有源高通滤波器S21，S25S22，S26S23，S27HPF2截止频率可变的滤波器选择的跳线符号如表8-3表8-3截止频率可变滤波器选择的跳线符号表改变cf的电容代号及通道跳线改变增益的电阻及通道跳线滤波后信号输出跳线连接符号一阶无源低通滤波器C00，S00R04，S04LPF0一阶有源低通滤波器C00，S00R04，S04LPF1二阶有源低通滤波器S10，C10，S14，C14R15，S18LPF2二阶有源高通滤波器C20，S20，C24，S24R24，S28HPF23滤波器频率特性测试滤波器频率特性测试的虚拟仪器界面如图8-10。 图8-10滤波器频率特性测试（扫频）实验界面图中左侧是滤波器电路实验板上的四种类型滤波器的电路和幅频特性示意图，用鼠标选择滤波器类型，可以自动显示对应的电路和幅频特性示意图。 下方的图框是选择滤波器类型后，在滤波器电路实验板上对应手动跳线的符号表（内容同表8-1，表8-2）。 五、实验步骤1实验准备 （1）硬件连线滤波器电路实验板工作所需的信号既可由电子测量实验箱，也可由外接信号发生器提供。 选择电子测量实验箱的内部信号源和数据采集的连线如图8-11图8-11使用内部信号源和采集的连线EPP在开电源前，将滤波器电路实验板插入J001位置（元件面朝向实验箱里面）；信号源Aout1（一通道）的跳线S602中间抽头接no端；EPP线接到JP001位置；用双头Q9线连通Ain2和Aout1。 主电路板的短路块S102接到左面，滤波器板的SW1短路块接下面（In）。 选择外部信号发生器和示波器的连线如图8-12SJ-7003滤波器实验板Ain1外部信号发生器双踪示波器InOutJ2电子测量实验箱图8-12使用外部信号发生器和示波器的连线在开电源前，将滤波器电路实验板插入J001位置；外部信号发生器的信号做为输入信号（In）连接到滤波器实验板的外部信号输入端（J2）和外部双踪示波器的通道1；用Q9线将电子测量实验箱的Ain1与双踪示波器的通道2相连。 主电路板的短路块S102接到左面，滤波器板的短路块SW1接上面（Out）。 注意在运行软件前要先打开实验箱的电源。 （2）打开实验箱的电源，运行实验程序，选择实验八滤波器频率特性测试，显示界面如图8-10。 2.点频测量使用内部信号源和数据采集。 硬件连线如图8-11。 滤波器频率特性测试（点频）实验界面如图8-13，工作模式选择为点频。 注意选择点频测