电子测量技术(第5版)项目实施指导书(教师教案)48

·PAGE46··PAGE47·项目1常用电子测量仪器的校准一项目内容对常用电子测量仪器模拟万用表、模拟示波器、频率计数器进行校准。通过校准，查明和确定被测仪器所指示的量值与标准所复现的量值之间的关系，即确定被测仪表是否符合规定的技术指标要求，是否可以作为工作仪表使用。二项目相关知识点提示1．校准的定义校准是在规定条件下，为确定测量仪器或测量系统所指示的量值，或实物量具或参考物质所代表的量值，与对应的由标准复现的量值之间关系的一组操作。根据定义，校准的对象是测量仪器、测量系统、实物量具或参考物质，统称测量设备。校准的目的是为了确定测量设备与对应的标准所复现的量值的关系。校准是一组操作，其结果既可给出被测量的示值，又可确定示值的修正值，校准结果可以记录在校准证书或校准报告中。校准与计量不同在于，计量是对标准的操作，校准则是对工作仪表的操作；计量结果具有法律效应，校准结果确定被测仪表是否符合规定的技术指标要求，是否可以作为工作仪表使用。因此，校准是比计量低一层次的测量。2．校准方法一般，采用专门校准仪器对工作仪表进行校准，校准仪器测量精度比工作仪表高1个数量级。如普通模拟式万用表、数字多用表可采用福禄克公司Fluke5700为6位半多功能校准器进行校准；模拟示波器仪表和电子计数器一般进行自校准。为了保证测量仪器的可靠性，使用专门校准设备的电子测量仪器应按规定时间定期校准，而能够自校的仪器每次使用前应进行校准。3．结果判定根据测量误差的基本理论，剔除粗大误差、修正系统误差、计算随机误差，计算被校准仪器测量误差范围，然后与测量仪器已知的技术参数进行比对，最后确定被测仪表是否符合规定的技术指标要求，是否可以作为工作仪表使用。三项目实施和结论1．所需实训设备和附件（1）被校准的工作仪表：MF14型模拟式万用表、CA9020型20MHz双通道模拟示波器和HC-F1000L多功能等精度频率计各1台。（2）DO30-3型交直流校准源1台。（3）测试连接线若干。2．实施过程（1）实施步骤。一般校准仪器都包括下列基本步骤：①首先进行外观检查，外观应无损伤。图1.1校准仪器和被校准仪器连线图②仪器均可按图1.1图1.1校准仪器和被校准仪器连线图③对被校准仪器工作正常性进行检查，仪器自检应正常。④正确选择校准仪器和被校准仪器的功能开关、仪器量程挡位。⑤参照国家计量法和仪器仪表检定的相关规程进行校准。（2）MF14型模拟万用表的校准。MF14型模拟万用表的直流电流包括1mA、2.5mA、10mA、25mA、100mA、250mA、1A、5A共8挡；直流电压包括2.5V、10V、25V、100V、250V、500V、1000V共7挡；交流电流包括2.5mA、10mA、25mA、100mA、250mA、1A、5A共7挡；交流电压包括2.5V、10V、25V、100V、250V、500V、1000V共7挡；电阻为*1、*10、*100、*1k共4挡。外形及表头刻度放大图如图1.2所示。（a）外形图（b）表头刻度图1.2MF14型万用表外形与表头刻度①交、直流选择。从MF14型模拟式万用表表头刻度右上角的指示可以MF14型模拟式万用表是在直流下和交流下级别不同的仪表，电阻测量仪表等级为1.5级；直流时仪表等级为1.5级；交流时为2.5级，按检定规程，应在直流状态与交流状态分别进行检定。项目仅对直流状态检定。②从图1.2（b）表头刻度图上可以看出，MF14型模拟式万用表为多量限仪表，最上段刻度为电阻指示，中间刻度为直流指示，下面刻度为交流指示。对多量限仪表误差，可以对全部量限进行检定，也可以对使用一个标尺度的多量限仪表的数字分度线进行检定。为简单起见，对使用一个标尺度的多量限仪表的直流电压选择了100V、直流电流选择250mA分度线进行校准，对电阻×100挡各分度线校准。③此次校准，被检仪表为MF14型模拟式万用表，工作仪表（校准仪表）为DO30-3型交直流校准源。其中被检仪表MF14型模拟万用表电阻仪表等级为1.5级、直流状态仪表等级为1.5级、交流状态为2.5级；工作仪表DO30-3交直流校准源直流准确度DC0.02%，交流AC准确度0.05%，电阻挡准确度(0.3%+20m)，工作仪表各项准确度均达到0.1级，完全能满足被检仪表要求。④100V直流电压挡采用表头第2条刻度读数，表头数字分度大格分别为“10、20、30、40、50”，小格刻度为1进制，可估计读数值为“0.1V”。但被检表实际满度值为100V，应将读测值乘2。⑤校准仪表读数应与被检仪表误差位对齐。⑥电压和电流刻度是均匀的，表头指针从左向右偏转。电阻读测挡表头刻度是非均匀的，表头指针从右向左偏转。⑦电阻挡校准时，先将红、黑表棒短接，调零。换挡测量还应该重新调零。⑧数据记录和计算表1.1MF14型模拟万用表电压、电流、电阻的校准直流电压的校准直流电流的校准量程标准值被检表显示值误差（%）量程标准值被检表显示值误差（%）100V20.0V20.0V0250mA50.0mA50.8mA1.640.0V39.8V0.5100.0mA100.2mA0.260.0V59.6V0.7150.0mA149.2mA0.580.0V80.6V0.7200.0mA200.8mA0.4100.0V99.2V0.8250.0mA248.2mA0.7电阻的校准量程*100标准值（）100.01.0k2.0k5.0k10.0k15.0k20.0k50.0k100.0k读测值（）1101.1k2.1k5.1k10.1k15.2k20.2k50.2k100.4k误差（%）109.04.82.00.91.30.90.40.4（4）CA9020型双通道20MHz示波器的自校准。①CA9020型双通道20MHz示波器的校准利用示波器自带的2VPP/1kHz的方波信号进行自校。通过示波器探头直接将校准信号接入通道中。②分别选择通道1、通道2进行垂直灵敏度和扫描因数的校准。由于教材篇幅限制，表2.3中测试点未完全覆盖所有垂直灵敏度和扫描因数点，仅列出通道1中对2VPP/1kHz信号进行测试的部分点。通道2和其他挡位校准可参照进行。表1.2CA9020示波器自校数据VOLTS/DIV自校TIME/DIV自校挡位2V1V0.5V挡位1ms0.5ms0.1ms0.1ms读测值（V）2.02.02.0读测值(ms)1.01.01.01.0误差（%）000误差（%）0000③VOLTS/DIV自校时，是对Y通道垂直灵敏度进行校准，读测值为幅度；TIME/DIV自校时，是对X通道水平偏转因素进行标准，读测值为方波的周期，通过周期可计算信号的频率。④示波器的多波形显示，触发功能测试在本项目中未做校准，请读者在完成示波测试章节的学习后自行拟订方案进行测试。⑤数据记录和计算。（5）HC-F1000L多功能等精度频率计的自校准。HC-F1000L多功能等精度频率计自校包括两部分，一是频率计单片机自检功能自校，二是频率计整机的自校。校准的时标和时基信号采用了内部的晶体振荡器输出信号及分频信号。①频率计单片机自检功能自校。接通电源开关，功能开关和闸门时间不设置，此时除左下角的闸门灯不亮外，所有指示灯全亮，说明频率计单片机工作正常，可以进行下一步自检。②频率计整机的自校。a．把后面板10MHz频标输出信号接至输入A插座。b．按下功能开关FA。c．闸门时间选择为1s。d．闸门时间再选择为0.01s、0.1s，比较闸门时间选择为1s时的显示值。e．HC-F1000L多功能等精度频率计的功能测试和其他校准项目请读者完成时间频率测量章节学习后进行。③数据记录和计算。表1.3HC-F1000L多功能等精度频率计的整机自校数据闸门时间计算值读测值计算值与读测值的误差（%）1s10.00000010.00000000.1s10.0000010.0000000.01s10.000010.00000频率计整机自校时，频率计在指定的闸门时间内对内频标进行计数。很显然，若内频标频率为10Hz，则当闸门时间选择为1s时，显示器显示结果应为10Hz。因为内频标输出10MHz，此时，闸门时间选择为1s，测出的频率值应为10.000000MHz，同样，若闸门时间选择为0.01s、0.1s，其计算读数分别为10.0000MHz、10.00000MHz，闸门时间越短，读测相同频率的脉冲数量越少，显示位数也减少。3．结论（1）MF14型模拟式万用表直流电压的校准中，误差小于0.8%，准确度为0.8%，小于MF14型模拟万用表直流电压准确度为1.5%的技术指标，直流电压挡准确度符合要求。（2）MF14型模拟式万用表直流电流的校准中，除50mA准确度大于1.6%，其余各挡准确度小于1.2%，也小于MF14型模拟万用表直流电流准确度为1.5%的技术指标，直流电流挡大部分测试准确度符合要求。对不符合的挡位，可再抽取测试点，如取25mA、100mA、1A、5A挡的最小数字分度测量。（3）MF14型模拟式万用表电阻挡的校准中，5.0k以下电阻挡的校准超过准确度为1.5%的技术指标。前面在仪表量程我们曾经提到，采用连续刻度指针式仪表测量时，指针应偏转到满刻度2/3以上测量比较准确。这次测量体现了这个特点，10.0k以上电阻超过满量程1/2，此时测量准确度为0.9%，小于1.5%的技术指标，比较准确。读者可换挡到10挡对10.0k以下电阻再测量，比较测量结果。电阻挡在选择合适挡位，兼顾指针偏转度的情况下符合要求。作为工作仪表，应避免选择误差大的量程和挡位。（4）CA9020型双通道20MHz信号示波器的自校准结果显示，通道1垂直灵敏度和扫描因数自校误差为0，可以作为工作通道使用。（5）HC-F1000L多功能等精度频率计的自校准结果显示，频率计单片机系统和整机误差为0，说明单片机系统和整机自检符合要求，可以进行进一步校准或测量。项目2半导体二极管伏安特性测量与曲线绘制一项目内容半导体二极管是典型的非线性电阻器件，单向导电性是二极管最主要特性和应用基础，通过实验方法对半导体二极管正、反向特性进行测量，绘制二极管伏安特性曲线。二项目相关知识点提示1．二极管伏安特性的定义二极管的伏安特性是指加到二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系。半导体二极管是一种非线性电阻元件，阻值随电流的变化而变化，电压和电流不服从欧姆定律，理想二极管的伏安特性可用伏安特性方程表示，为指数关系。硅二极管的伏安特性可表达为 （4.3）式中，——流过二极管的电流（A）；——二极管两断端外加电压（V）；——反向饱和电流（A）；——温度的电压当量，为0.026V。2．伏安特性测量的基本方法测量直流伏安特性最简单、最直接的方法就是在器件工作电压范围内，等间距或不等间距选取若干电压由小到大加到被测器件两端，然后测量器件中流过的电流值。测量电流可以采用模拟电流表、数字电流表和电子电压表直接测量或间接测量。三项目实施和结论1．所需实验设备和附件（1）直流稳压电源1台（2）直流毫安表 1台（3）数字万用表 1台（4）测试实验平台 1套（5）被测二极管 若干2．实验原理实验线路如图4.11、图4.12所示，其中，电阻R为限流电阻，用于限制流过二极管的电流。图4.11正向伏安特性测量接线图图4.12反向伏安特性测量接线图3．实施过程（1）正向特性测量。选用ROHM公司生产的小功率整流用肖特基二极管RB411D作为被测元件，其平均整流电流为0.5A，反向击穿电压为40V。按如图4.11所示在测试实验平台上接线，经检查无误后开启直流稳压电源，缓慢调节输出电压，使电压表读数分别为表4.1的数值，对于每一个电流值测量出对应的电压值。为了准确测量门坎电压，绘制曲线的弯曲部分，可在门坎电压附近增加测试点。表4.1正向特性测量时电压电流表电压（V）电流（A）电压（V）电流（A）电压（V）电流（A）电压（V）电流（A）0.13.54E-90.55.09E-70.94.51E-51.30.0004910.21.48E-80.61.50E-61.00.0001081.40.0006650.35.51E-80.74.84E-61.10.0002061.50.0008550.41.78E-70.81.54E-51.20.0003371.60.001059（2）反向特性测量。按图4.12所示接线，经检查无误后，开启直流稳压电源，缓慢调节输出电压，使电压表读数分别为表4.2的数值，对于每一个电压值测量出对应的电流值。为了准确测量反向击穿电压，绘制曲线的弯曲部分，也可在反向电压附近增加测试点，同时特别注意电压增加过程要小心，以免电流过大引起热击穿。由于二极管的反向电阻很大，流过它的电流很小，电流表应选用直流微安挡。表4.2反向特性测量时电压电流表电压（V）00.00120323635408751725333736411471028303438384221315313535394743295（3）数据分析和曲线绘制。根据表4.1、表4.2的原始数据采用Excel作出XY散布曲线图，如图4.13、图4.14所示。从正向伏安特性图可以看出，当二极管两端加正电压时，电流形成分两段，约在0.6V以前，电流几乎在零附近缓慢增加；到0.6V以后电流增加很快，呈指数增长；到1.6V时，电流达到1.059mA。当二极管两端加负电压时，在38V以前，电流很小；在到10V时电流为28A，与ROHM公司的技术指标给出的反向电压10V时电流30A接近；到38V后，电流成直线快速增加，这与技术指标的反向击穿最大电压为40V接近。如果考虑到测量误差，测量结果和理论分析是吻合的。对于N型半导体，当正向偏置电压增加时，势垒变窄，具有正向导通特性；加反向电压时，势垒增加，二极管呈现出一个阻值很大的电阻，相应所测电流几乎为零，但当反向电压增加到一定数值时（二极管RB411D反向电压为38V），在强电场作用下，自由电子和空穴的数目大大增加，发生PN结的反向击穿现象，反向电流会突然增大。图4.13二极管正向伏安特性图4.14二极管反向伏安特性本章小结电流是电子设备消耗功率的主要参数，也是衡量单元电路和电子设备工作安全情况的一个主要参数，电流的测量是相当重要的。直流电流的测量，一般用于控制系统、直流供电的设备系统。交流或工频（50Hz）的电流测量，一般用于电力系统及电工技术领域，它的主要特点是测量直流值很大，可达数千安培；而高频或低频电流的测量，一般用于电子技术领域，其测量数值为毫安或数安培。按电路频率来分，电流可分为直流、工频、低频、高频和超高频电流。测量电流时，除要注意其大小、量值外，还要注意其频率的高低。电流测量的方法可分为直接测量法和间接测量法。直流电流的测量可采用磁电式电流表、数字电压万用表等仪表，通过直接测量法和间接测量法进行测量；交流电流的测量可采用电磁式电流表、热电式电流表和数字电压万用表等，通过直接测量法和间接测量法进行测量。但是，在超高频段，电路或元件受分布参数的影响，电流分布是不均匀的，无法用电流表测量各处的电流值。因此，在测量交流电流时，只在低频（45～500Hz）电流的测量中使用交流电压表或具有交流电流测量挡的普通万用表或数字万用表串联在被测电路中进行交流电流的直接测量。一般交流电流的测量都采用间接测量法。3.5项目3电压表波形响应的研究5.6拟定测量步骤，采用平均值电压表和示波器分别对一定频率的正弦波、方波和三角波进行测量，测量结果用峰峰值、有效值、平均值表示。通过实训说明，对于同一测量对象，采用不同的测量仪表，其测量结论是相同的；采用正弦有效值显示、平均值检波的电压表测量正弦信号，被测信号的平均值和电平直接从表头读测；测量非正弦信号波形，测量结果必须经过换算。5.61．波形测量仪器一般描述在时域测量范围内，示波器是最典型、最直接的观测幅度的仪器。它不但测量速度快，能测量周期性信号的峰值电压、瞬时电压等，还能同时测量出被测电压的直流分量和交流分量。但模拟示波器通常依靠测试者读测，读数误差比较大。电压表是比较方便读测幅度的仪器。普通模拟指针式万用表由于检波电路和输入电路简陋，输入阻抗比较低，测量交流电压的频率范围较小，一般只能测量频率在1kHz以下的交流电压。电子电压表和数字电压表输入阻抗较高，测量精度较高，可测频率范围广，成为定量测量波形参数合适的仪器。2．传统电子电压表的特点对比与选择传统电子电压表按交流电压量值的表现形式有峰值电压表、均值电压表和有效值电压表3种。一般峰值电压表输入阻抗高，工作频率宽，在高频段采用；均值电压表输入采用阻抗变换电路后，输入阻抗高，工作频率一般为20Hz～1MHz；有效值电压表输入阻抗高，工作频率在峰值与均值电压表之间，高频可达几十兆赫兹，低频小于50Hz。本项目是一个验证性项目，主要针对学生实训中实际存在的问题而设计。其目的是通过实训了解交流电压信号的表征形式和表征量值的相互转换；掌握交流电压测量的基本理论和基本方法；掌握测量结果分析和判断的基本方法。根据项目设计要求，可分别选择峰值、有效值和平均值电压表来完成测量任务。5.61．所需实训设备和附件（1）EM32501DDS任意波形发生器 1台（2）CA9020型20MHz双通道模拟示波器 1台（3）CA2171型交流电压表 1台（4）信号连接线 若干2．实施步骤（1）按图5.23接线。将示波器、交流电压表测试输入端并联接在函数发生器的输出端。注意信号连接时，先接地线，再接信号线。一组实际仪器面板及连接如图5.24所示。图5.23电压表波形响应研究连线图图5.24电压表波形响应研究仪器实物图图中EM32501DDS任意波形发生器输出1V、100kHz正弦信号，CA9020型号示波器扫描因数置为10s/DIV、垂直灵敏度为0.5V/DIV显示波形、CA2171型指针式交流电压表挡位为1V、QF2270超高频毫伏表挡位为0.03V读数。为便于读者观察，频率选择了100kHz。实际测试时，应注意电压表使用频段。（2）打开EM32501DDS任意波形发生器、CA9020型20MHz双通道模拟示波器和CA2171型电压表的电源，各仪器预热，并进行校准，函数发生器输出幅度开机后自动设置在输出10mV、1kHz的正弦波。注意示波器探头、波形发生器等仪器测试线是不能随意互换使用的。（3）示波器和电压表挡位应根据信号大小和频率置于合适位置。（4）保持函数信号发生器输出正弦波信号的频率，改变输出幅度进行测量。确定函数信号发生器输出信号频率为1kHz正弦波信号，示波器用于观察信号幅度和失真情况，并测量输出信号峰值，保证函数信号发生器处于正常输出状态。保持函数信号发生器输出频率为1kHz正弦波信号，从5mV开始逐渐增大输出信号幅度，读出并记录示波器、电压表读数。（5）保持函数信号发生器输出方波信号频率和占空比，改变输出幅度进行测量。调节函数发生器波形选择按钮，使函数信号发生器输出频率为1kHz，占空比为50%的方波信号，保持频率和占空比不变，从5mV开始逐渐增大输出信号幅度，读出并记录示波器、电压表读数。（6）保持函数信号发生器输出三角波信号频率，改变输出幅度进行测量。调节函数发生器波形选择按键，使函数信号发生器输出频率为1kHz三角波信号，从5mV开始逐渐增大输出信号幅度，读出并记录示波器、电压表读数。（7）保持函数信号发生器输出信号幅度，改变输出频率再进行测量。3．结果记录和分析（1）频率为1kHz、幅度由小到大变化的正弦波的测量。①数据记录和计算见表5.3。表5.3正弦波信号输入（1kHz）EM32501输出幅度计算值CA9020读数CA2171读数由CA2171读数计算的值峰值有效值平均值峰值有效值平均值5mV5mV3.54mV3.19mV5mV3.61mV5.10mV3.61mV3.25mV10mV10mV7.07mV6.37mV10mV6.81mV9.62mV6.81mV6.14mV30mV30mV21.2mV19.1mV30mV20.5mV29.0mV20.5mV18.5mV100mV100mV70.7mV63.7mV100mV70.5mV99.7mV70.5mV63.5mV300mV300mV212mV191mV298mV205mV290mV205mV185mV1.00V1.00V0.707V0.637V0.97V0.695mV0.984V0.695mV0.627V3.00V3.00V2.12V1.91V2.95V2.00V2.83V2.00V1.80V②数据分析见表5.4。表5.4计算值与读测值的相对误差（%）理论值读测值理论值读测值理论值读测值峰值(%)有效值(%)平均值(%)5mV5.10mV+2.03.54mV3.61mV+1.93.19mV3.25mV+1.910mV9.62mV4.07.07mV6.81mV3.86.37mV6.14mV3.830mV29.0mV3.521.2mV20.5mV3.419.1mV18.5mV3.4100mV99.7mV0.370.7mV70.5mV0.363.7mV63.5mV0.3300mV290mV3.5212mV205mV3.4191mV185mV3.41V0.984V1.60.707V0.695mV1.70.637V0.627V1.73V2.83V6.02.12V2.00V6.01.91V1.80V6.0a．函数发生器输出3V时，示值相对误差最大，为6%，此时为函数发生器输出最大值。从示波器显示的峰值看，此时幅度输出相对误差为1.70%。b．正弦信号输入时，CA2171型指针式交流电压表的读数值即为被测波形正弦有效值，因此，表中CA2171读测值与由CA2171读数计算的有效值完全相等。c．考虑函数发生器输出幅度误差，测量正弦信号的示值相对误差在（4.3%~+3.7%），尤其信号小于1V测量相对误差较小。（2）频率为1kHz、占空比为50%、幅度由小到大变化的方波的测量。①数据记录和计算见表5.5。表5.5方波信号输入（1kHz、占空比50%）EM32501输出幅度计算值CA9020读数CA2171读数由CA2171读数计算的值峰值有效值平均值峰值有效值平均值1V1V1V1V0.99V1.01V0.91V0.91V0.91V1.5V1.5V1.5V1.5V1.39V1.50V1.35V1.35V1.35V2.0V2.0V2.0V2.0V1.81V1.98V1.78V1.78V1.78V2.5V2.5V2.5V2.5V2.40V2.45V2.21V2.21V2.21V3.0V3.0V3.0V3.0V2.75V2.95V2.662.66V2.66V②数据分析见表5.6。表5.6计算值与读测值的相对误差（%）理论值读测值理论值读测值理论值读测值峰值(%)有效值(%)平均值(%)1V0.91V9.91V0.91V9.91V0.91V9.91.5V1.35V11.11.5V1.35V11.11.5V1.35V11.12.0V1.78V12.42.0V1.7812.42.0V1.7812.42.5V2.21V13.12.5V2.21V13.12.5V2.21V13.13.0V2.66V12.73.0V2.66V12.73.0V2.66V12.7a．方波信号输入时，CA2171型指针式交流电压表的读数值不能直接应用，因为此时指示的是与被测波形对应的正弦有效值，必须先将正弦有效值换算成正弦平均值，然后根据“均值相等”原则得出方波平均值。如CA2171型指针式交流电压表读数为1.50V，即对应的正弦有效值为1.50V，利用正弦波的波形系数，可得正弦波的平均值为此平均值即为由CA2171读数计算的方波平均值。由于方波波峰因数、波形因数均为1，故其峰值、有效值和平均值都相等。b．本次测量中，函数发生器输出2.5V时，示值相对误差最大，为13.1%，此时该组测量值已不具备使用价值，应该重新测量。c．考虑到实际操作中，确实有同学发生类似问题，编者保留了这组数据，通过分析来对测量数据进行修正。表5.7为函数发生器输出与示波器的读数及相对误差，可以看到信号输出时，其幅度相对误差最大已达10.5%，也就是说误差主要发生在函数发生器输出。d．将示波器示值相对误差与CA2171型指针式交流电压表示值相对误差进行比较，发现在1V和2.5V处相对误差仍接近9%，说明本次采用CA2171型指针式交流电压表测量方波误差较大，误差产生原因还有待进一步分析。但从误差看，其相对误差均为负值，初步判定存在系统误差。另外，函数发生器的实际输出幅度与仪表自身的指示值存在较大误差。表5.7计算值与读测值的相对误差（%）EM32501输出幅度1V1.5V2.0V2.5V3.0VCA9020读数0.99V1.39V1.81V2.40V2.75V示值相对误差（%）1.07.910.54.29.1修正相对误差（%）8.93.21.98.93.6e．读者可用示波器监视波形幅度，或更换函数发生器，或增加测试点，从源头堵住误差来源，再进行测量。（3）频率为1kHz、幅度由小到大变化的三角波的测量。①数据记录和计算见表5.8。表5.8三角波信号输入（1kHz）EM32501输出幅度计算值CA9020读数CA2171读数由CA2171读数计算的值峰值有效值平均值峰值有效值平均值1V1.0V0.578V0.503V1.0V0.558V1.00V0.578V0.503V1.5V1.5V0.867V0.754V1.5V0.83V1.49V0.860V0.748V2.0V2.0V1.16V1.01V2.0V1.08V1.94V1.12V0.973V2.5V2.5V1.45V1.26V2.5V1.32V2.37V1.37V1.19V3.0V3.0V1.73V1.50V3.0V1.60V2.87V1.66V1.44V②数据分析见表5.9。表5.9计算值与读测值的相对误差（%）理论值读测值理论值读测值理论值读测值峰值(%)有效值(%)平均值(%)1V1.00V00.578V0.578V00.503V0.503V01.5V1.49V0.70.867V0.860V0.80.754V0.748V0.8续表理论值读测值理论值读测值理论值读测值峰值(%)有效值(%)平均值(%)2.0V1.94V3.11.16V1.12V3.61.01V0.973V3.82.5V2.37V5.51.45V1.37V5.91.26V1.19V5.83.0V2.87V4.51.73V1.66V4.21.50V1.44V4.2a．三角波信号输入时，CA2171型指针式交流电压表的读数值即为被测波形正弦有效值。必须先计算正弦平均值，然后根据平均值相等原则，得出三角波平均值，最后再根据波峰因数、波形因数求出峰值和有效值。测量三角波信号的示值相对误差在（5.5%~0）。b．从误差看，其相对误差均为负值，初步判定有系统误差存在。应该进行修正。（4）幅度为1V、频率由小到大变化的正弦波输入测量。表5.10为函数发生器输出幅度固定为1V、频率从100Hz到1MHz变化的正弦波信号时，示波器和电压表的测量数据。表5.11从上到下对应100Hz到1MHz频率变化时示波器和电压表的读数误差计算。①数据记录和计算见表5.10。表5.10正弦波信号输入（1V）EM32501输出频率计算值CA9020读数CA2171读数由CA2171读数计算的值峰值有效值平均值峰值有效值平均值100Hz1.0V0.707V0.637V1.0V0.69V0.976V0.69V0.622V1kHz1.0V0.707V0.637V1.0V0.695V0.983V0.695V0.626V10kHz1.0V0.707V0.637V1.0V0.695V0.983V0.695V0.626V100kHz1.0V0.707V0.637V1.0V0.685V0.983V0.685V0.626V200kHz1.0V0.707V0.637V1.0V0.68V0.961V0.68V0.613V500kHz1.0V0.707V0.637V1.0V0.66V0.933V0.66V0.595V1MHz1.0V0.707V0.637V1.0V0.64V0.905V0.64V0.577V②数据分析见表5.11。表5.11计算值与读测值的相对误差（%）理论值读测值理论值读测值理论值读测值峰值%有效值%平均值%1.0V0.976V2.490.707V0.69V2.450.637V0.622V2.411.0V0.983V1.730.707V0.695V1.730.637V0.626V1.751.0V0.983V1.730.707V0.695V1.730.637V0.626V1.751.0V0.983V1.730.707V0.685V1.730.637V0.626V1.751.0V0.961V4.050.707V0.68V3.970.637V0.613V3.911.0V0.933V7.180.707V0.66V7.130.637V0.595V7.061.0V0.905V10.50.707V0.64V10.50.637V0.577V10.4a．函数发生器输出信号频率大于500kHz时，示值相对误差变大，相对误差最大达到10.5%，而此时由示波器监测的波形幅度不存在误差，排除函数发生器输出带来误差。实训表明，采用平均值检波的电压表在低频工作测量比较准确，其误差低于4%。b．c．可采用类似的方法测量固定幅度，频率变化时方波和三角波的波形响应情况。4．结论和思考（1）CA2171为平均值检波有效值刻度的电压表，其主要技术指标中测量电压范围为30V～100V，测量电压的频率范围为10Hz～2MHz，本次测量选择的所有测试点幅度和频率均符合要求。（2）CA2171另外几项技术指标不能忽视，如基本条件下的电压误差为3%（400Hz），基本条件下的频响误差为（以400Hz为基准）：频率在20Hz～100kHz时误差为3%，频率在10Hz～2MHz时，误差为8%

。（3）CA（4）CA2171型电压表读数是按正弦波有效值刻度，只有测量正弦电压时，读数才正确，若测量非正弦电压，要进行波形换算。6.4项目5测频法和测周法测频误差分析6.4从定义上看时间是频率的倒数，频率和时间是可以相互转换的，是否可以说，对于一个交变的信号，采用测周法和测频法得出结果是一致的。事实上对于某些频率，采用测量周期的方法和采用测量频率的方法，引起的误差是不同的。通过实训分析测频法和测周法的误差，证明中界频率界定方法是符合实验结果的。6.4目前，虽然在电子测量仪器中，电子计数器的测量准确度是最高的。但测频的量化误差、时基误差和计数误差；测周的量化误差、时基误差和触发误差还是对测量精度有影响的。在测量前，初步对被测对象进行分析，了解测量原理和测量误差分析方法，采取正确的测量方法是减少系统误差最有效的方法。利用电子计数器测量频率时，扩大主门的开启时间可减少测量误差。中界频率是一个频率的划分点，是根据误差理论计算得出的频率，在该频率点采用直接测频法和测周测频法的误差相等。为了提高测量精确度，测量频率高于中界频率的信号时，用测频的方法直接读取被测信号的频率；测量频率低于中界频率的信号时，先通过测周期的方法测出被测信号的周期，再换算成频率。6.41．所需实训设备和附件（1）HC-F1000L多功能等精度频率计1台（2）EM32501DDS任意波形发生器1台（3）测试连接线若干2．测量方案的拟订根据项目要求，选择测量仪器，拟定测量方案和步骤。（1）HC-F1000L多功能等精度频率计主要功能和技术指标分析。HC-F1000L多功能等精度频率计采用多周期同步法测量原理，应用单片机控制和运算，采用大规模集成电路可以完成宽频率范围的等精度频率和周期测量，8位显示。①测频范围：1Hz～1GHz，其中A通道1Hz～100MHz；B通道100MHz～1GHz；测量准确度为107/s+时基误差。②测周：仅限A通道，测量范围：1s～0.01s；测量准确度为107/s+时基误差。③A

通道特性：频率范围1Hz～100MHz；输入灵敏度（1～20Hz）时35mV，（20Hz～100MHz）时20mV，输入阻抗1M，最大输入电压250V，具有20倍衰减器，低通滤波器截止频率100kHz。④B通道特性：频率范围100～1000MHz；输入灵敏度20mV，输入阻抗50，最大输入电平3V。⑤内频标输出10MHz，TTL电平。仅列出与相关的部分指标，有关稳定性、功耗、外形等参数未列出。（2）测试内容。该电子计数器具有A、B两通道，可完成项目要求的测周、测频内容。A通道测量频率范围比B通道测量频率范围低，当被测信号频率范围在1Hz～100MHz时，用A通道输入；当被测信号频率范围在100～1000MHz时，采用B通道输入；测周时采用A通道。闸门时间有0.01s、0.1s和1s共3挡，可在测量同一频率时进行闸门时间的切换，比较闸门时间长短引起的测量误差。输入信号频率分别选择50Hz和200MHz，HC-F1000L多功能等精度频率计无分频系数选择功能，根据中界频率计算公式，三个闸门时间对应该频率计中界频率只有3.16kHz、10kHz和31.6kHz三种，故测试应根据中界频率来制定测试频率范围，项目可对3.16kHz中界频率测试。（3）HC-F1000L多功能等精度频率计的自校。自校包括两部分，一是频率计单片机自检功能自校，二是频率计整机的自校。校准的时标和时基信号采用了内部的晶体振荡器输出信号及分频信号。项目1中有详细说明。（4）频率测量。①EM32501DDS任意波形发生器的输出阻抗为600，HC-F1000L多功能等精度频率计A通道的输入阻抗为1M，远大于EM32501DDS任意波形发生器的输出阻抗，直接将函数发生器TTL输出信号接到A通道输入端。②按下功能开关FA。③函数发生器输出方波，输出幅度为1V，改变函数发生器输出频率。④选择不同闸门时间，记下频率计的显示值。（5）周期测量。周期测量步骤与频率测量类似，只是将时基和时标输入通道更换，对于HC-F1000L多功能等精度频率计采用了功能开关PA进行选择。①函数发生器的TTL输出信号接到A通道输入端。②按下功能开关PA。③保持闸门时间为1s，选择不同频率点，记下频率计的显示值。3．测量数据记录和分析（1）选择不同闸门时间测频。表6.2为不同闸门时间的测频数据。读测值由HC-F1000L多功能等精度频率计读出，单位为Hz；输入信号为方波，频率由EM32501DDS任意波形发生器输出并指示，单位为

Hz，由于EM32501DDS输出频率的限制，测试的最高频率取1.8000000MHz。表6.2不同闸门时间的测频数据记录输入频率读测值EM32501DDS任意波形发生器指示值（kHz）1.000000010.000000100.00000500.000001.0000000MHz1.8000000MHz闸门时间1s999.955579.999761599.997989499.99000999.979891.7999636MHz误差（%）4.43×1052.38×1052.01×1052.00×105-2.01×10-52.02×105闸门时间0.1s999.95549.99975499.99793499.9897999.97931.799962MHz误差（%）4.46×1052.46×1052.07×1052.06×1052.07×1052.11×105闸门时间0.01s999.9509.9997199.9970499.985999.9701.79996MHz误差（%）5.00×1052.90×1053.00×1053.00×1053.00×1052.22×105a．从表6.2中可以看出，频率测量的准确度是很高的，最低不超过5.00×105。b．不同闸门时间时，计数器读测值指示的位数是不同的，闸门时间越长，指示的测量值位数越多，测量精度越高，如闸门时间为1s时，测量误差最大不高于4.43×105；闸门时间为0.1s时，测量误差最大不高于4.46×105。注意计算误差时，应采用误差位对齐法，将读测值与函数发生器指示值取相同位数。c．测量频率低于100kHz且信号高频噪声较大时，使用了计数器提供的低通滤波器。d．为提高测量准确度，当被测频率较低时，应尽量选长的闸门时间或采用测周法。e．为保证机内晶体稳定，应避免温度有大的波动和机械振动，避免强的工业磁电干扰，仪器的接地应良好。（2）选择不同闸门时间测周。表6.3为采用测频法、测周计算频率法测量相同输入信号的数据。该方案设计的思路是通过实验数据证明测频法直接测频，与测周法计算频率所得到的频率结果是不一样的，理论上低于中界频率时采用测频法可以更准确。f．根据公式，如果无分频系数，闸门时间为1s，中界频率为g．表6.3中闸门时间设置为1s，所选频率点在3.16kHz附近，且低于第2个中界频率10kHz。可以看出，信号频率低于中界频率时，采用测周计算频率法误差最大点在1kHz，误差为3.44×105，但相对测频法的4.19×105绝对值还是小；频率高于中界频率时，采用测频法误差最大为2.24×105，比测周法小。符合中界频率对频率划分的特点。

表6.3测频测周法数据记录测频法输入频率（Hz）500.000001.0000000k2.0000000k3.1600000k4.0000000k8.0000000k显示值（Hz）499.97924999.958031.9999558k3.1599233k3.9999101k7.9998186k误差（%）4.15×1054.19×1052.21×1052.41×1052.24×1052.24×105测周法输入频率（Hz）500.000001.0000000k2.0000000k3.1600000k4.0000000k8.0000000k显示值（s）2000.04561000.0344500.00687316.46363250.00591125.00294计算值（Hz）499.98860999.965601.9999725k3.1599207k3.9999054k7.9998118k误差（%）2.28×1053.44×1051.37×1052.50×1052.36×1052.35×105h．从误差计算角度也可以看出，若输入信号频率为fx=2kHz，闸门时间为1s，则测频时，量化误差为测周时，量化误差为即低于中界频率时，采用测周计算法频率的量化误差更小。i．从整个测量结果看，所有误差值均为负，说明系统中存在系统误差，应采取方法克服或予以修正。如检查EM32501DDS输出频率是否存在固有偏差。j．虽然测周法和测频法对于某些频率点有误差，但频率和时间测量精确度仍然是目前电子测量中最高的。8.8项目6函数信号发生器性能指标的测量8.8函数信号发生器作为多波形信号源，输出波形多，功能齐全，是应用最广泛的信号输出仪器。此项目实施过程综合应用前面章节叙述的时域测量技术、频域测量技术和调制域测量技术，对一个基于单片机设计的函数信号发生器输出频率、输出幅度、衰减器、幅度平坦度、线性度、前后过渡时间、脉冲占空系数、调制失真度、扫频特性等技术指标进行测量，并对该函数发生器做出综合性评价。8.8（1）被测函数信号发生器1台（2）频率计1台（3）100MHz双踪模拟示波器1台（4）脉冲电压表1台（5）取样数字电压表1台（6）失真度测量仪1台（7）调制度测量仪1台图8.49图8.49频率精度测量连线图（9）100MHz数字示波器1台8.81．输出频率准确度的测量被测函数发生器分别选择不同种类的波形输出，输出信号幅度设定为1V左右，将函数发生器输出端口与频率计输入端口相接，如图8.49所示。适当调节输出电压，使频率计正常工作。在函数信号发生器的每个波段分别取低、中、高三个点进行测量并记录读测值。频率相对误差按式（8.34）计算：（8.34）式中，——被检频率的标称值；f

——被检频率的读测值。该函数发生器频率最高为3MHz，分3挡。正弦波测量数据与分析如表8.1所示。表8.1输出频率准确度的数据记录与计算频率范围测试点1测试点2测试点3标称值读侧值相对误差标称值读侧值相对误差标称值读侧值相对误差1～1000Hz1Hz1.08Hz8%500Hz500.13Hz0.03%900Hz899.85Hz0.01%1kHz～1MHz1kHz1.00kHz0500kHz500.09kHz0.02%900kHz900.18kHz0.01%1～3MHz1MHz1.00MHz02MHz2.00MHz03MHz2.98Hz0.01%2．输出频率稳定度测量将函数发生器工作于等幅状态，频率置于任一波段的高端位置，或根据用户要求选取，函数发生器预热1小时后，用频率计每隔15分钟测一次频率，连续测8小时,依次测得为，然后按式（8.35）计算频率稳定度：（8.35）式中，——8小时内实测频率最大值；——8小时内实测频率最小值；——被检频率的标称值。实际测量时，选取了高端频率段1～3MHz中的2MHz频率点进行测试，频率计每隔15分钟测一次频率，连续测8小时，总共测得33个点。由于篇幅关系，仅列出部分时间测试点数据，其中包含了被测频率的最大值和最小值。如表8.2所示。表8.2输出频率稳定度数据记录与计算读侧值MHz2.0000012.000002.0000012.0000001.9999992.0000002.000000读侧值MHz2.0000002.0000002.0000002.0000002.0000011.9999992.000001频率稳定度0.0001%3．输出幅度测量仪器连接如图8.50所示。将被检函数信号发生器的输出波形置于“正弦波”，幅度置最大，频率置“1kHz”，直流偏置为零，调制断开。脉冲电压表（峰值检波电压表）和示波器的输入并联接在函数信号发生器的输出端，脉冲电压表和示波器置相应的功能和状态。调节脉冲电压表电平调节电位器和示波器垂直偏转因数，分别测量正弦波顶部电压值及底部电压值，输出幅度误差按式（8.36）计算：图8.50函数信号发生器输出幅度测量连线图（8.36）式中，——被测函数信号发生器输出幅度标称值；——被测函数信号发生器输出波形顶部电压读测值；——被测函数信号发生器输出波形底部电压读测值。将函数发生器分别置三角波、锯齿波﹑矩形波等位置，重复上述检测并计算误差。实际测量时，选取了各频率段的中间频率点进行测量，而且为简单起见，将底部电压置于零电平，由于篇幅关系，仅列出正弦波、方波和三角波的测量数据，如表8.3所示。从计算结果可以看出，正弦波的相对误差全部为负，存在系统误差，可能原因是正弦波通过二极管网络变换电路由三角波转换的，存在原理性误差。由于误差比较小，可通过加修正值的方法解决。为了获得修正值，还需对在各频段范围多个频率点进行测量。表8.3输出幅度数据记录与计算频率范围正弦波方波三角波标称值读侧值相对误差标称值读侧值相对误差标称值读侧值相对误差1～1000Hz2.000V1.996V0.20%2.000V2.000V02.000V1.998V0.10%1kHz～1MHz2.000V1.997V0.15%2.000V2.000V02.000V1.997V0.15%1～3MHz2.000V1.995V0.25%2.000V2.000V02.000V2.002V0.09%4．输出衰减器的测量被检函数发生器衰减器设置了0dB、20dB、40dB、60dB和80dB挡位，对所有挡位进行测量。仪器连接如图8.51所示，其中R为输出匹配电阻，一般为600Ω。将被检信号源波形输出置“正弦波”，频率置“1kHz”或用户指定的频率点，幅度置最大，直流偏置为零，读取电压表显示的初始电压值，被检信号源衰减依次选择，分别读取电压表相应值，衰减器实际值按式（8.37）采用相对电压电平公式计算：图8.51函数信号发生器衰减器测量连线图（8.37）式中，——电压表初始电压值；——衰减器挡位键按下后相应各挡的实际电压值。测量结果如表8.4所示，电压表显示的初始电压值为1.996V，计算结果表明，函数发生器衰减量最大误差发生在80dB处，误差为0.18%。表8.4输出衰减器的测量结果与计算衰减挡（dB）020406080初始电压1.996V1.996V1.996V1.996V1.996V读侧电压1.996V0.199V19.96mV1.997mV0.203mV电压比110.0399.99999.499832.51计算值（dB）020.00240.0060.0079.86误差%00.01000.185．幅度平坦度的测量仪器连接与衰减器相同，如图8.51所示。被检函数发生器输出波形置“正弦波”，频率置“1kHz”或用户指定的频率点，幅度置最大，直流偏置为零，每个频段范围选取高、中、低3点，依次读取电压表读取的幅度电压值，平坦度按式（8.38）计算：（8.38）或式中，——1kHz或指定基准频点的电压实际值；——各频点电压实际值。测量结果显示测试点和基准点电压差异非常小，如1kHz时，电压测量结果为1.996V；3MHz时，电压测量结果为1.995V，平坦度为6．正弦波总失真系数的测量仪器连接与图8.51类似，不同的是将脉冲电压表用失真度测量仪代替，被检仪器输出波形置“正弦波”，幅度置最大，直流偏置为零，频率分别置10Hz、1kHz、10kHz、100kHz、1000kHz，失真度测量仪置相应功能和状态，分别测出各频率点总失真系数。测量结果表明，函数发生器输出不衰减时，最大失真误差发生在10Hz处，总失真系数为1.14%。7．线性度的测量波形线性度的测量主要针对三角波和锯齿波进行测量，仪器连接如8.50所示。被检函数信号输出波形置为“三角波”，幅度置“2V”，频率置“10kHz”，直流偏置零，取样数字电压表置相应功能和范围。调整取样数字电压表的触发延时时间，顺序测量上升沿10%、20%、…、90%处电压值；改变触发延时时间，顺序测量下降沿90%、80%、…、10%处电压值，连接10%、90%处对应的两点，分别作出上升沿和下降沿的近似拟合直线（8.39）然后，按式（8.40）计算线性度：（8.40）式中，——各点电压测量实际值与拟合曲线的最大偏差；——被测信号峰峰值。图8.52函数信号发生器输出线性度测量连线图测量结果如表8.5所示，电压表显示的被测三角波电压值为2.000V，拟合直线为，计算结果表明，函数发生器输出线性最大误差发生在上升沿40%处，线性误差为0.50%表8.5三角波输出线性度测量结果与计算上升沿10%20%30%40%50%60%70%80%90%拟合值（V）0.2000.4000.6000.8001.0001.2001.4001.6001.800读侧值（V）0.2000.3990.5970.7960.9981.2001.4021.5981.800误差%00.250.250.50-2.000.140.130下降沿90%80%70%60%50%40%30%20%10%拟合值（V）1.8001.6001.4001.2001.0000.8000.6000.4000.200读侧值（V）1.7991.5981.4001.1991.0010.8010.6000.4000.200误差0.05-0.1300.080.010.13000同样方法，将被检函数发生器输出波形置“锯齿波”，记录相应的上升沿波形，计算上升沿线性误差。其下降沿为垂直线，无须计算。8．前（后）过渡时间的测量波形前后过渡时间的测量主要针对方波和脉冲波进行，仪器连接如8.50所示。被检函数发生器输出波形置“方波”（或脉冲波），幅度置最大，频率置“100kHz”，直流偏置置零，调节示波器扫描因数，微调到校准位置，使被测波形占满屏幕的80%，稳态幅度10%～90%波形持续时间即为前过渡时间；90%～10%幅度对应的时间为后过渡时间，按式（8.41）计算：（8.41）式中，tr——前（后）过渡时间；x——被测前（后）过渡部分在荧光屏水平方向所占刻度；Dx——示波器的扫描时间因数。波形过冲幅度S为稳态幅度10%～90%波形对应幅度，按式（8.42）计算：（8.42）式中，b——被测波形过冲幅度；ULH——稳态脉冲幅度。实际测量时，由于被测信号前后过渡时间非常短暂，示波器的水平扫描因数TIME/Div设置在扫速最快挡位0.1μs/Div，并应用5扩展功能，稳态脉冲幅度为2.000V。测量结果如表8.6所示，前后过渡时间相差不大。需要注意的是测得的上升时间实际上包含了示波器本身存在的上升时间，应根据公式修正。在本次测量中，由于前后过渡时间与示波器固有上升时间相差不大，虽然可以修正，但仍会有较大误差。表8.6方波前后过渡时间的测量结果与计算上升沿xDx倍乘b下降沿xDx倍乘b读侧值7.450.1μs/Div51.600V读侧值7.350.1μs/Div51.600Vtf（前）149nsS80%tf（后）147nss80%9．脉冲占空系数的测量仪器连接图同频率的测量。被检信号源输出波形置“脉冲”，输出幅度置最大，频率置“1kHz”，直流偏置设置为零，占空系数C按式（8.43）计算：（8.43）式中，——被测信号脉冲宽度；T——被测信号脉冲周期。10．调幅、调频特性的测量（1）调幅性能的测量。仪器连接与图8.51类似，脉冲电压表用数字示波器代替，示波器的频带宽度要大于最高被测信号频率，准确度优于±5%，匹配电阻取50Ω。被检函数信号发生器输出功能置“内调幅”，幅度置“1V”。为观察方便，载波频率设置了500kHz和10MHz两种；调制频率设置为10kHz；调幅深度系数分别设置在20%，50%，100%三点，调节示波器，使被测波形幅度最大值尽量占满屏幕垂直刻度。调幅系数按式（8.44）计算：（8.44）式中，A——载波信号包络最大峰峰值；B——载波信号包络最小峰峰值。载波频率为500kHz、调制频率为10kHz、调幅深度系数为20%的最大和最小包络测量波形如图8.53、图8.54所示，水平上下两直线为数字示波器光标，通过移动光标位置，分别取出波形中包络的最小值和最大值，右下角显示了测量的幅度值，其中载波信号包络最小峰峰值U1为882mV；包络最大峰峰值U2为1.28V。图8.53调幅包络最小峰峰值测量波形图8.54调幅包络最大峰峰值测量波形其他各组测量数据如表8.7所示。从测量结果看，由载波信号包络峰值计算所得调幅系数都偏小，最大相对误差为8.1%，有系统误差存在。由于载波信号包络信号峰峰值是采用数字示波器读数，刻度光标位置由操作者选取，不排除操作者个人读数习惯带来偏差，可采用修正值对测量数据进行修正。表8.7调幅系数的测量与误差计算测试条件调幅深度载波频率500kHz调制频率10kHz调制波形正弦波设置值AB计算值误差20%1.28V882mV18.5%8.1%50%1.58V546mV48.4%3.3%100%2.15V70mV93.7%6.7%测试条件设置值AB计算值误差载波频率10MHz调制频率10kHz调制波形正弦波20%1.29V871mV19.4%3.1%50%1.60V554mV48.8%2.5%100%2.15V70mV93.7%6.7%（2）调频性能的测量。仪器连接与调幅系数测量相同，被检函数信号发生器输出功能置“内调频”，幅度置“1V”，调制波形分别选择了方波和正弦波。为观察方便，载波频率设置为100kHz；调制频率设置为10kHz；频偏分别设置了5kHz、8kHz、10kHz3种，调节示波器使被测波形最大值尽量占满屏幕水平刻度。频偏按式（8.45）计算：（8.45）式中，——载波信号周期变化峰值；——载波信号实测周期值。载波频率为100kHz、调制信号为方波、频率为10kHz、频偏为5kHz的测量波形如图8.55、图8.56所示，垂直左右两直线为数字示波器的光标，通过移动光标位置，分别取出了调频波形发生负频偏和正频偏的波形，右下角显示了发生频偏后波形的频率值，其中f1为93.6kHz、f2为106kHz。图8.55调频频偏为负的测量波形图8.56调频频偏为负的测量波形测量数据如表8.8所示。从测量结果看，数字示波器直接读数的结果与设定的频偏值基本符合，但调制波形为方波、频偏设定值为5kHz时，相对误差为16.7%和21.9%，属于粗大误差，应重新测量。由于频率是由操作者移动数字示波器的刻度光标读取的，不能排除操作者个人读数习惯和人眼带来的偏差，可在排除系统误差后，采用多次等精度测量减少偶然误差。表8.8调频频偏的测量与误差计算测试条件频偏载波频率100kHz调制频率10kHz调制波形方波设置值f1f2计算值误差计算值误差5kHz106kHz93.6kHz+6kHz16.7%6.4kHz21.9%8kHz108kHz92kHz+8kHz010kHz010kHz110kHz90kHz+10kHz010kHz0测试条件设置值f1f2计算值误差计算值误差载波频率100MHz调制频率10kHz调制波形正弦波5kHz105kHz94.8kHz+5kHz05.2kHz3.8%8kHz108kHz+8kHz+8kHz08.2kHz2.4%10kHz110kHz+10kHz+10kHz010.2kHz1.9%11．扫频特性的测量仪器连接同输出频率测量。被检信号源置“扫频”功能，幅度置“1V”，直流偏置设置为零，通用计数器置“测频功能”，调节手动扫频旋扭，从最低端向最高端变化，读取通用计数器相应的起始频率值和终止频率值，扫频宽度按式（8.46）计算：（8.46）式中，——扫频宽度；fmax——扫频的最高频率；fmin——扫频的最低频率。扫频频率变化也可用扫频比来计算：（8.47）12．直流偏置的测量仪器连接如图8.57所示。图8.57函数信号发生器输出直流偏置测量连线图被检函数信号发生器输出波形置“正弦波”，频率置“1kHz”，幅度置“1V”，直流幅度置零，电压表、示波器置相应功能和状态。先改变直流偏置电压大小，用示波器观察叠加直流后的正弦波形，波形不应有明显畸变。然后将被检信号源交流输出置“0V”，调节直流偏置电压分别为输出满量程的高、中、低3点，读取实际直流偏置电压，偏置电压误差按式（8.48）计算：（8.48）式中，Ub——直流偏置电压实际值；U0——直流偏置电压标称值。9.4项目7二极管开关变频器组合频率的特性分析9.4对二极管开关变频器中组合频率的频率特性分析，分析变频器工作原理，验证环形开关混频器输出组合频率的一般通式，观察并测试变频器输出组合频率的频率值和幅度特点，观察混频器的镜像干扰。9.41．频率变换电路现代通信及各种电子设备中，为了有效实现信息传输及信号的功率、频率变换等功能，常常需要采用频率变换电路，将信号从某一频率变成另一个频率。如超外差广播收音机中把接收到的调幅信号变换成465kHz的固定中频，中频比外来信号频率低且为固定频率。这样，中频放大器容易获得大的增益，从而提高收音机的灵敏度；还可以用较复杂的回路系统或滤波器进行选频，获得较高的邻道选择性。频率变换电路可分为频谱的线性变换电路和频谱的非线性变换电路。前者包括普通调幅波的产生和解调电路、抑制载波的调幅波的产生和解调电路、混频电路和倍频电路等；后者包括调频波的产生和解调电路、限幅电路等。这些电路的共同特征是，输出信号中除了含有输入信号的全部或部分频率成分外，还可能出现不同于输入信号频率的其他频率分量。简单变频器的原理框图如图9.24所示。图9.24变频器原理框图图9.24中Ui为信号发生器产生的输入信号，UL为本地振荡信号，当这两个不同频率的正弦信号同时作用到一个非线性元件上时，就会在非线性元件的输出中产生许多组合频率分量，选用适当的滤波器可取出所需的频率分量，此时就完成了频率变换。如非线性器件采用二极管组成的环形混频器，其输出组合频率fout的表达式为：fout=（2n+1）fifL（n=0、1、2…）（9.13）式中，fi—输入信号；fL—本地振荡信号。若取fi＝10.245MHz、fL＝20.945MHz，则当n=0时，fout=fifL，为基波，可计算出：fout1=31.9MHz、fout2=10.7MHz；当n=1时，fout=3fifL，为二次谐波，可计算出：fout3=51.68MHz、fout4=9.79MHz；当n=2时，fout=5fifL，为三次谐波，可计算出：fout5=72.17MHz、fout6=30.28MHz。依次类推可计算3次、4次、…、n次谐波的频率。2．频率变换电路分析方法分析频率变换等非线性电子电路的主要目的是寻找描述非线性器件特性的函数，力求用较简单、明确的方法揭示电路的物理过程，从而求得输出信号中新出现的频率成分。在频率变换电路中，通过研究变频前后频谱的变化，了解输出信号中的频率成分，确定变频电路的变频效果。9.41．所需实验设备和附件（1）高频电路实验箱1台（2）GSP-827频谱分析仪1台（3）100MHz双踪示波器1台（4）EM32501DDS任意波形发生器2台（5）调试工具1套2．实施步骤（1）测试仪器选择。根据变频原理和开关混频原理中频率输出特点，理论上采用示波器、频谱仪都可以观测到这些频率的频率值和幅值。但考虑到混频电路为非线性电路，输出的组合频率较多，两次以上谐波的电压幅度大大减小，且组合频率增多，示波器用于波形观察，定量的测试还是使用频谱分析仪测试比较直观和方便。（2）测试步骤。①将二极管开关变频器调整到观测的最佳状态，即信号幅度最大，频率最稳定，用示波器监测。②一台任意波形发生器输出fi=10.245MHz信号；另一台任意波形发生输出fL=20.945MHz的信号，将信号分别接入变频器的两个输入端。③实验分两步测试，第一步测试10.7MHz滤波器基波输出，第二步测试混频器组合频率输出。a．对频谱分析仪进行设置，参数设置好后将频谱分析仪的输入探头接在滤波器输出端（以GOODWILLINSTRUMENTCO.LTD的GSP-827PINPU频谱分析仪为例）。b前面板及主要控键作用。频谱分析仪前面板如图9.25所示。图9.25频谱分析仪面板图Frequency：其下拉菜单中可对中心频率、起始频率、终止频率、步进频率进行选择。根据测试原理分析，测试时频谱幅度的最大幅值应在10.7MHz处，我们将仪器中心频率设置为10.7MHz，起始频率设置为0，终止频率设置为20MHz，步进频率设置为2MHz。Span：其下拉菜单中可对显示带宽、满带宽、上次操作带宽进行选择。测试时频谱幅度的最大幅值应在10.7MHz处，显示带宽选择20MHz。在测试中根据显示要求可不断调整。Amplitude：其下拉菜单中可对参考电平、比例尺、比例尺单位、输入阻抗、输入校准等参数进行选择。测试时按方便读数、读数观察清晰、读数误差小的特点，参考电平设置为20dBm、比例尺设置为20dBm。c．滤波器基波输出测试。测试波形如图9.26所示，由测试波形可以看出，在0～20MHz内，只有一个频谱，频谱在10.7MHz处，频谱幅度最大值为［10-（-55）］＝65dBm，此次测试的是10.7MHz滤波器的输出，是相对功率谱，单位为dBm，符合滤波器选频特点。图9.26滤波器输出的频谱图d．混频器输出频谱测试。对频谱分析仪进行设置，中心频率设置为25MHz处，起始频率设置为0，终止频率设置为50MHz，步进频率设置为5MHz；显示带宽选择50MHz；参考电平设置为20dBm，比例尺设置为-20dBm。图9.27混频器输出的频谱图3．实施结论从输出的频谱图可以看出，二极管开关变频器中输入的是10.245MHz和20.945MHz的信号，输出产生了新的频率成分，基波10.7MHz信号、二次及以上谐波9.8MHz、23MHz、32MHz等，基波信号是最大的。二极管开关变频器完成了变频，但由于混频器的性能不完善，从图9.27中看出，有少量不在计算范围内而出现的频率点是组合频率干扰和镜像干扰，变频电路变频效果一般。10.41．单片机最小系统的简单描述单片机本身是一个集成芯片，集成了CPU、存储器、基本的I/O接口以及计时器/计数器。按照单片系统的扩展与配置的复杂程度情况分，单片机应用系统可以分为最小系统、典型应用系统和增强型应用系统。单片机最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置系统，对于片内有EPROM的单片机，只要配上晶振复位电路和电源就可以构成最小应用系统；片内无EPROM的单片机，需要扩展外部程序存储器。这种系统硬件电路构成简单，功能取决于单片机内部集成的功能，成本低廉，常常用来构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制、时序控制等。典型应用系统是指单片机要完成一般工业测控功能所必须具备的硬件系统，它包括系统扩展与系统配置两部分。系统扩展是指在单片机内部程序存储器（ROMEPROM）、数据存储器（RAM）及输入输出（I/O）接口等部分不能满足系统要求时，需在片外扩展的部分。扩展外部资源的多少，根据系统的具体要求而定；系统配置是指单片机为满足应用系统所要求应配置的基本外部设备，如键盘、显示器等。增强型应用系统是指在典型应用系统的基础上，为了加强人机对话和系统测控功能而增加外设与接口的系统。通常使用的外部设备有打印机、绘图仪、CRT等。测控增强部分主要是传感器与伺服驱动控制接口，可分为输入采集和输出控制两部分，直接与工业现场相连。2．单片机最小系性能的判定一般情况下，根据一个实际的应用系统选择单片机时，应对单片机系统的性能进行判定，主要项目包括：（1）单片机系统是否具有适应性。主要指所选用的单片机能否完成应用系统的控制任务，或通过增加一些外围集成电路能够完成系统任务。（2）单片机的