《电子测量技术》实验指导书2014(DOC)

《电子测量技术》实验指导书（试用版）适用专业：电子信息工程通信工程安徽建筑工业学院电子与信息工程学院2007年09月目录前言 .......................................................................................... 错误！未定义书签。

实验一：误差分析与数据处理 .. (1)实验二：示波器的原理及应用 (5)实验三：电压的测量 (9)实验四：频谱分析仪原理及应用研究 (12)实验一：误差分析与数据处理实验学时：3实验类型：演示实验要求：必修一、实验目的1、学习万用表等测量工具的使用方法2、掌握测量数据的处理方法二、实验内容1、用万用表测量电阻R值及交流电压值，各测量20个数据，然后进行数据处理，分析测量误差。

（1）电阻R的测量先从电阻色环上读取电阻阻值大小，再用万用表的欧姆档测量电阻R值，看与读取数值是否相符。

共测20次，得到20个数据，求出在置信概率95%时被测元件的估计值、方差及测量结果，测量及计算过程如下表所示：表1-1（2）交流电压的测量利用信号发生器产生一个频率为50Hz，振幅为20V以内的低频正弦信号，利用数字万用表交流电压档测量信号电压，测量20次，获得20个数据，求出该信号的估计值，方差及测量结果。

表1-2三、实验原理、方法和手段一个物理量在一定条件下所呈现的客观大小或真实数值称作它的真值，而真值必须利用理想的量具或者测量一起进行无误差的测量，因而是无法测到的。

在实际测量中所得到的都是利用各中测量器具所测得的测量值，由于测量器具不准确，测量手段不完善，环境影响等等原因，必然导致产生测量误差，测量误差具有普遍性和必然性，人们只能将误差限制在一定的范围内而不可能消除。

测量的绝对误差定义为：△x =x -A 0 ，其中x 为测得值，A 0为被测量的真值，而A 0一般无法获得，只能利用实际值A 去代替，由在对被测量的多次测量值中，剔除了系统误差及粗大误差后，剩下的随机误差具有抵偿性，因而为获得比较接近A 的测量结果提供了可能。

假定对被测量x 进行了n 次等精度的测量，获得n 个测量值x 1，x 2，x 3，…，x n ，定义其算术平均值为：∑==ni i x n x 1_1，同时该平均值也被称为样本平均值，当∞→n 时，样本平均值_x 就成为测量值的数学期望，即：⎪⎭⎫⎝⎛=∑=∞→n i i n x x n E 11lim ，第i次测量所得到的测量值与实际值之间的绝对误差△x i 即为随机误差δi即：A x x i i i -==∆δ，对δi 求算术平均得到∑∑==-=-=ni i n i i A x n A x n 11_1)(1δ，当∞→n 时，可以证明A E x -=_δ，而由于_δ的抵偿性，因此当∞→n 时，A E x =，即测量值的数学期望就是被测量的真值A ，实际上在测量中，∞→n 是不可能做到的，对有限次测量来说，当测量次数足够多时，也就近似认为测量值的平均值就是真值A ，即：A E x x =≈_，将该平均值做为最后测量结果，称之为测量的最佳估计值或最可信赖值。

剩余误差是指在进行有限次测量时，各次测量值与算术平均值_x 之差，又叫残差，即剩余误差_x x v i i -=，对i v 求和，当测量次数足够多时，该代数和为0，可以此做为检验测量结果是否符合要求的标准。

测量值方差定义为测量值与期望值之差的平方的统计平均值，即：212)(1lim ∑∞=∞→-=i x i n E x n σ，由于x i i i E x A x -=-=δ，因而2121lim ∑∞=∞→=i i n n δσ，在实际测量中更常用的是2σ的平方根，即：211lim ∑∞=∞→=i i n n δσ，称为标准差。

在进行大量测量时，随机误差近似服从正态分布，此时，954.021}2{22222=⋅⋅=≤--⎰δπσσδσδσσd eP i997.021}3{22233=⋅⋅=≤--⎰δπσσδσδσσd eP i因而当测得值x i 的置信区间为]2,2[σσ+-x x E E 和]3,3[σσ+-x x E E 时的置信概率分别95.4%和99.7%在实际测量中，是不可能测量无限多次的，在有限次测量情况下，以_x 作为测量值，以残差_x x v i i -=代替真正的随机误差x i i E x -=δ，以∑=∧-=n i i v n 1211σ作为对标准差σ的最佳估计值，∧σ还可以利用下式计算：∑=∧--=n i i x n x n 12_211σ 四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课形式为主的方式进行。

五、实验条件1、数字万用表一只2、信号发生器一台3、电阻若干六、实验步骤学生在实验前认真预习，根据本次实验的目的及实验内容自主指定实验详细步骤，并写入实验报告。

七、思考题1、将15.36和362.51保留3 位有效数字后应为多少？2、在测量数据为正态分布时，如果测量次数足够多，习惯上以什么作为判别异常数据的界限，这称为莱特准则。

3、用一只0.5 级50V 的电压表测量直流电压，产生的绝对误差应为多少？八、实验报告课前务必认真阅读教材中有关误差处理部分的内容。

1、写出实验步骤及原理2、列表写出各次测量的结果，并计算平均值、方差，给出测量结果九、其它说明实验二：示波器的原理及应用实验学时：3实验类型：演示实验要求：必修一、实验目的1、了解通用示波器的基本组成原理和工作原理2、掌握通用示波器测量电压、时间的基本方法3、观察李沙育图形二、实验内容1、掌握通用示波器的基本组成和工作原理，主要控制旋钮的作用以及测量电压、时间、相位差的基本方法。

2、示波器基本应用向X轴、Y轴输入一定频率的正弦信号，设法在示波器屏幕上分别显示10个、3个、1个周期波形。

记录该正弦波的频率及各主要控制旋钮所放置的位置或范围。

3、电压测量由信号发生器输出1KHz的脉冲信号，测量其幅值：（1）直接测量法直接从示波器屏幕上量出被测电压波形的高度，然后换算成电压值。

若已知Y 通道的偏转灵敏度为D y，Y轴通道处于“校正”位置，被测电压波形峰-峰高度为h，则可求被测电压值：V p-p=D y*h表2-1（2）比较测量法比较测量法就是用已知电压值（一般为峰-峰值）的信号波形与被测信号的电压波形比较，并计算出测量值。

表2-24、周期的测量用函数信号发生器分别产生10MHz及15MHz的正弦波、方波，输入示波器，合理调节相关旋钮，观察并记录一周期波形所占的格数，计算其周期长度，频率，与信号发生器输出比较，计算误差。

（1）记录数据表2-3（2）在坐标纸上画出观察到的波形，标上参数。

5、观察李沙育图形用信号发生器产生两个幅度相同，频率不同的正弦信号，分别输入示波器的两个输入端，一路由YA通道进入，另一路由YB通道进入，观察两路正弦波的波形，按下示波器上的“x-y”按钮，观察此时屏幕上出现的图形，在坐标纸上记录不同频率比时的李沙育图形。

三、实验原理、方法和手段在时域信号测量中，电子示波器无疑是最具代表性的典型测量仪器。

它可以精确复现作为时间函数的电压波形（横轴为时间轴，纵轴为幅度轴），不仅可以观察相对于时间的连续信号，也可以观察某一时刻的瞬间信号，这是电压表所做不到的。

我们不仅可以从示波器上观察电压的波形，也可以读出电压信号的幅度、频率及相位等参数。

电子示波器是利用随电信号的变化而偏转的电子束不断轰击荧光屏而显示波形的，如果在示波管的X偏转板（水平偏转板）上加一随时间作线性变化的时基信号，在Y偏转板（垂直偏转板）加上要观测的电信号，示波器的荧光屏上便能显示出所要观测的电信号的时间波形。

若水平偏转板上无扫描信号，则从荧光屏上什么也看不见或只能看到一条垂直的直线。

因此，只有当X偏转板加上锯齿电压后才有可能将波形展开，看到信号的时间波形。

一般说来，Y偏转板上所加的待观测信号的周期与X偏转板上所加的扫描锯齿电压的周期是不相同的，也不一定是整数倍，因而每次扫描的起点对待观测信号来说将不固定，则显示波形便会不断向左或向右移动，波形将一片模糊。

这就有一个同步问题，即怎样使每次扫描都在待观测信号不同周期的相同相位点开始。

近代电子示波器通常是采用等待触发扫描的工作方式来实现同步的。

只要选择不同的触发电平和极性，扫描便可稳定在待观测信号的某一相应相位点开始，从而使显示波形稳定、清晰。

在现代电子示波器中，为了便于同时观测两个信号（如比较两个信号的相位关系），采用了双踪显示的办法，即在荧光屏上可以同时有两条光迹出现，这样，两个待测的信号便可同时显示在荧光屏上，双踪显示时，有交替、断续两种工作方式。

交替、断续工作时，扫描电压均为一种，只是把显示时间进行了相应的划分而已。

由于双踪显示时两个通道都有信号输入，因此还可以工作于叠加方式，这时是将两个信号逐点相加起来后送到Y偏转板的。

这种工作方式可模拟谐波叠加，波形失真等问题。

同时，如果改变其中一个的极性，也可以实现相减的显示功能。

这相当于两个函数的相加减。

示波器除了用于观测信号的时间波形外，还可将两个相同或不同的信号分别x 平面上正交叠加所组成的图形，如李加于垂直和水平系统，以观测两信号在y沙育图形。

它可用于观测两个信号之间的幅度、相位和频率关系。

四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课为主的方式进行。

五、实验条件1、双踪示波器一台2、函数发生器一台六、实验步骤学生在实验前认真预习，根据本次实验目的及实验内容自主制定详细步骤，并写入实验报告。

七、思考题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？3、什么是李沙育图形？4、当偏转板上无扫描信号时，你能在荧光屏上看见什么？八、实验报告以表格形式记录实验中测量到的各波形参数，在坐标纸上记录观察到的信号波形及李沙育图形九、其它说明实验三：电压的测量实验学时：3 实验类型：演示 实验要求：必修 一、实验目的1、掌握电压有效值、平均值及峰值之间的换算方法2、掌握波形系数、波峰系数的计算方法 二、实验内容用数字万用表的交流电压档分别测量正弦波、方波、三角波信号的电压大小，并由此计算该信号的电压峰值、电压平均值和电压有效值。

三、实验原理、方法和手段通过教材有关内容的学习可知，用电压表测量任意波形的信号电压时，除有效值电压表外，其表头所指读数并无实际意义，而必须通过波形因数（对均值表）或波峰因数（对峰值表）的换算，才能得到被测信号电压的有效值，而在进行这一换酸时，必须知道所用电压表检波器的工作状态。

对于峰值表，其表头指针的偏转仅与被测信号的峰值成正比例关系；而对均值表，其表头指针的偏转只与被测信号的均值成正比例关系，但一般而言，电压表的表头刻度都是按正弦波的有效值刻度的。