《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: 843000 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１台2. SJ-8002B电子测量实验箱１台3. Q9连接线１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f＝N/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Ｔ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O X T N T ⨯= （1-2） 例如：fx = 50Hz ，则主门打开1/50Hz （= 20ms ）。
若选择时基频率为fo = 10MHz ， 时基To ＝0.1us ，计数器计得的脉冲个数为O X T T N = = 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。
计算机图1－3 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①，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②，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1－4所示。
图1－4 主程序界面(3)从主界面进入“电子测量实验室”，其界面如图1－5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1－5 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1V～5V,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：（2），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（3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1-3：六、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1．SJ-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2－1。
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图2－1 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。
3．SJ-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：－20V ～＋20V （峰峰值） 测量频率范围：1Hz ～1MHz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2－2 SJ8002B 示波器硬件原理图图2－2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：U =电压平均值：11NKK U VN ==∑电压峰－峰值：m a xm i nˆK K U V V =-五、实验步骤1．实验准备（1）按照图2－3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。
图2－3 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2－4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2－4 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2～5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2－5，用虚拟示波器观察,把显示面板上的峰值和频率填在表2－1中。
（2）三角波baT T 。
（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。
（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%100⨯+-=ba b a m测量结果填入表2-4.4．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)(t f 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∑∑∞=∞=ψ+ω+=ω+ω+=1010)cos()sin cos ()(k k kmk k kt k AA t k b t k aa t f其中，两式中的各个系数的计算公式及对应的系数的关系⎰⎰-==220)(1)(1T T Tdt t f Tdt t f T a⎰⎰⎰⎰ππ-π-ωωπ=ωωπ=ω=ω=)()cos()(1)()cos()(1)cos()(2)cos()(22022t d t k t f t d t k t f dt t k t f Tdt t k t f Ta T T Tk ⎰⎰⎰⎰ππ-π-ωωπ=ωωπ=ω=ω=)()sin()(1)()sin()(1)sin()(2)sin()(220220t d t k t f t d t k t f dt t k t f Tdt t k t f T b TT T k 在该展开式中，0A 称为周期函数)(t f 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(11ψ+ωt A m 称为一次谐波，也称为基波分量。
