电子测量与仪器大纲和习题答案.docx
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电子测量与仪器大纲和习题答案
高等职业教育电子信息贯通制教材(电子信息工程专业)
电子测量和仪器
电子教学资料
宋悦孝主编
PublishingHouseofElectronicsIndustry
北京∙BEIJING
前言
为了配合《电子测量和仪器》课程的教学,体现教材的编写特色,更好地为读者服务,编写本教学资料。
教学资料内容包括三个部分:
第一部分是教学指南,包括课程性质和任务、课程内容和要求、教学建议、教学时间分配。
第二部分是习题答案,给出了多数习题的详细解答过程。
第三部分是电子教案,采用PowerPoint课件形式。
教师可以根据不同的教学要求按需选取和重新组合。
限于编著者水平,教学资料中有错误或不妥之处,敬请读者给予批评指正。
编者
2003年12月
《电子测量和仪器》教学指南
一、课程的性质和任务
《电子测量和仪器》是电子和信息技术类专业及相近专业的一门必修技术课。
主要介绍电子测量基本概念、测量基本原理及常用电子测量仪器的基本组成和操作使用。
本课程的主要任务是使学生具备电子测量技术和测量仪器方面的基础知识和基本技能,为学生学习专业技术和职业技能奠定基础,使他们成为具有全面素质和实践能力的使用型技术人才。
主要教学目标是学习电子测量技术原理、测量仪器以及测试系统方面的专业知识和职业技能;学习分析问题、解决问题的基本方法;学习基本的科学思维方式和工作方法;培养职业道德、促进全面素质的提高。
为学生今后从事电子和信息技术类等方面的工作打下良好的基础。
(1)基本概念方面:
基本概念主要包括测量数据处理、电子测量仪器使用和组成,以及测量原理等方面的概念。
掌握电子测量和仪器的基本概念是学习本门课程的基础,对于绝大多数基本概念,尤其对那些在工作实践中比较常用的概念应能够牢固掌握、灵活使用,并注意个别概念间的区别。
(2)测量技术方面:
测量技术主要包括电压测量技术、波形显示和测量技术、频域测量技术、元器件测量技术、频率/时间测量技术、数据域测量技术等。
测量技术是进行测量工作的理论指导,也是测量仪器构成和使用的理论依据。
对于测量技术应能够理解掌握,并灵活使用,切忌生搬硬套,并学会用所学理论解决实际问题。
(3)测量仪器的构成和使用方面:
测量仪器主要包括电压测量仪器、波形显示仪器、频域测量仪器、元器件测量仪器、频率/时间测量仪器、数据域测量仪器、智能仪器等,所有仪器的构成都是以其测量原理为依据的,只要理解掌握了测量原理,学习仪器的构成和使用就游刃有余了。
(4)测量技能方面:
测量技能主要包括测量的组织进行、测量仪器的选用、测量数据的处理、测量中现象的分析和问题的解决以及查阅资料等方面的综合能力,是学习本课程的目标。
需要通过实验实习来提高学生的测量技能。
要求教学工作中要不失时机地增加学生动手实践的机会,并鼓励学生多动手、多观察、多分析、多思考,并养成严谨求实、讲究科学的好作风。
二、预备知识
本书从电子测量和仪器基本概念、基本原理等基本知识入手,比较全面、系统地介绍了电子测量技术及其在电子测量仪器或测量中的使用,以及测量仪器的基本操作和使用等。
读者在学习本书之前,应具备一定的模拟电子技术、脉冲和数字电路等基础知识和一定的电子实验实践的基本技能。
三、教学内容、教学重点和教学要求
第1章电子测量和仪器的基本知识
(一)教学内容
电子测量的内容和方法,测量误差的表示和分类,测量结果的表示和有效数字的处理等。
(二)教学重点
测量误差的表示和使用,测量结果的表示及测量数据的处理。
(三)教学难点
测量误差的表示和使用,测量结果的表示和有效数字处理。
(四)教学要求
明确电子测量的方法,掌握测量误差的基本计算,掌握准确度等级、允许误差的概念,明确电子测量误差的种类,了解测量结果的表示方法和测量数据的处理,了解通用电子测量仪器的主要分类。
(五)练习习题
1.2.3.4.5
(六)课堂练习
6.7.8
第2章测量用信号发生器
(一)教学内容
信号发生器的分类和功能,主要技术指标,信号发生器的主要组成原理和操作使用等。
(二)教学重点
信号发生器分类和功能,主要技术指标,基本工作原理和基本操作使用。
(三)教学难点
信号发生器基本工作原理和基本操作使用。
(四)教学要求
掌握信号发生器分类和功能、主要技术指标,了解信号发生器基本工作原理,熟悉信号发生器基本操作使用,了解频率合成原理和正弦波成形电路工作原理。
(五)练习习题
1.2.6.7.8
(六)课堂练习
3.4.5.9
第3章电压测量和电压表
(一)教学内容
交流电压的表征,交流模拟电压表分类和读数修正,数字电压表技术指标和A/D变换器。
(二)教学重点
交流电压的表征,交流模拟电压表分类和读数修正。
(三)教学难点
A/D变换器工作原理和特点分析。
(四)教学要求
掌握交流电压的表征以及均值电压表、峰值电压表读数修正,明确检波器种类及电路组成,了解均值表、峰值表、有效值电压表的结构类型,了解数字电压表基本组成以及A/D变换器工作过程。
(五)练习习题
2.3.4.5.6
(六)课堂练习
1.7.8.9.10
第4章波形测试和仪器
(一)教学内容
波形测试的原理,示波器的组成,示波器多波形显示,示波器的使用,数字存储示波器和取样示波器。
(二)教学重点
波形测试原理,示波器的组成,示波器多波形显示和示波器的使用。
(三)教学难点
波形测试原理和示波器的组成及开关旋钮的作用和实现方法。
(四)教学要求
掌握示波器的基本组成,明确示波器线性偏转特性和示波器用途,掌握示波器直接测量电压、周期和双踪法测量相位差。
理解示波器双踪显示原理,熟悉示波器有关开关旋钮的作用。
了解示波器测量电压、周期、频率、相位差的其他方法及示波器测量调幅系数方法。
(五)练习习题
2.4.7.8.9.1011.12.13.1417.18
(六)课堂练习
1.3.5.6.15.16.20
第5章频域测量和仪器
(一)教学内容
扫频仪、频谱仪工作原理,扫频仪、频谱仪技术指标和使用
(二)教学重点
扫频仪、频谱仪工作原理和技术指标
(三)教学难点
扫频仪、频谱仪操作使用
(四)教学要求
明确扫频仪、频谱仪的用途,掌握扫频仪、频谱仪的工作原理,了解扫频仪、频谱仪技术指标和操作使用。
第6章电子元器件测量和仪器
(一)教学内容
集中参数元件的等效,伏安法、电桥法和谐振法测量原理,晶体管特性图示仪组成和使用。
(二)教学重点
伏安法、电桥法和谐振法测量原理,晶体管特性图示仪组成和使用。
(三)教学难点
阻抗的数字化测量原理,不平衡电桥测量原理,谐振法测量原理,晶体管特性图示仪组成原理和使用。
(四)教学要求
掌握伏安法、电桥法、谐振法测量原理和用途,掌握晶体管特性图示仪组成原理,明确晶体管特性图示仪的用途,了解阻抗的数字化测量原理、不平衡电桥测量原理和晶体管特性图示仪的使用。
第7章频率和时间测量及仪器
(一)教学内容
测量频率的方法,电子计数器分类、组成和技术指标,电子计数器测量频率、周期、时间、累加计数等工作原理,电子计数器测量误差分析和扩频技术,数字相位计。
(二)教学重点
电子计数器测量频率、周期、时间、累加计数等工作原理,电子计数器测量误差和分析。
(三)教学难点
电子计数器测量误差和分析,数字相位计。
(四)教学要求
理解掌握电子计数器测频、测周、累加计数等工作原理,理解掌握测量误差的来源,了解测量误差减小措施,了解电子计数器整机组成、扩频技术和数字相位计工作原理。
第8章数据域测量和仪器
(一)教学内容
数据和测量基本概念和特点,数据域测量仪器设备,数据域测试技术,逻辑分析仪的组成、触发方式和显示方式。
(二)教学重点
数据域测试技术,逻辑笔组成和使用,逻辑分析仪组成、触发方式和显示方式。
(三)教学难点
数据测试技术,逻辑分析仪组成、触发方式和显示方式。
(四)教学要求
掌握逻辑笔和逻辑分析仪的组成,明确逻辑分析仪的触发方式和显示方式,了解数据域测试技术和特点点,了解逻辑分析仪的使用。
第9章智能测试仪器和系统
(一)教学内容
智能测试仪器和系统分类和组成,GPIB标准接口,智能仪器典型处理功能。
(二)教学重点
智能仪器、自动测试系统、个人仪器和虚拟仪器的组成,GPIB标准接口,智能仪器的典型处理功能。
(三)教学难点
智能仪器、自动测试系统、个人仪器和虚拟仪器的区别,智能仪器的典型处理功能。
(四)教学要求
了解智能测试仪器和系统的分类、特点和区别,了解GPIB标准接口,了解智能仪器的典型处理功能。
四、教学时间分配
章节
课程内容
课时数
第一章
电子测量和仪器的基础知识
4课时
第二章
测量用信号发生器
6课时
第三章
电压测量和电压表
8课时
第四章
波形测试和仪器
16课时
第五章
频域测量和仪器
6课时
第六章
电子元器件测量和仪器
8课时
第七章
频率和时间测量及仪器
6课时
第八章
数据域测量和仪器
6课时
第九章
智能测试仪器和系统
6课时
注:
以上课时分配仅供参考,教学中可根据教学的安排再做调整。
五、习题答案
(一)习题1答案
1.解:
Δx=x-A=100V-95V=5V
C=-Δx=-5V
A=x+C=100V-10V=90V
Δx=-C=10V
2.解:
Δx=x-A=40mA-38mA=2mA
3.解:
∵
∴Δxm1=γm1xm1=±1.5%×10V=±0.15V
Δxm2=γm2xm2=±1.0%×20V=±0.20V>Δxm1
∴选用第一块表。
4.解:
Δx=x-A=94.5mA-90mA=4.5mA
C=-Δx=-4.5mA
∵
∴被校表的准确度等级应定为5.0级。
5.解:
ΔUm=±0.5%×10V=±0.5V
本次测量报告值为8V,测量记录值为7.5V。
6.解:
54.79—54.8,86.3724—86.4,500.028—500,21000=2.1000×104—2.10×104,
0.003125—0.00312,3.175—3.18,43.52—43.5,58350=5.8350×104—5.84×104
7.解:
有效数字为18.4V,有效数字+1位安全数字为18.44V。
8.解:
相同数据有2.100kΩ,2100Ω,2.100×103Ω,0.2100×10kΩ
(二)习题2答案
1.答:
按照输出信号波形的不同,通用信号发生器分为正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器和随机信号发生器四类。
正弦信号发生器为电路或系统检修提供低频、高频等幅正弦信号或振幅调制波等已调波;函数信号发生器为电路或系统检修提供正弦波、方波、三角波等波形;脉冲信号发生器为分析研究电路或系统的瞬态特性提供矩形脉冲波或双脉冲波等波形;随机信号发生器为电路提供模拟噪声信号,为分析研究电路或系统的抗噪声性能等提供模拟噪声。
2.答:
低频信号发生器一般有50Ω、150Ω、600Ω、5kΩ等各种不同输出阻抗,而高频信号发生器一般只有50Ω或75Ω一种输出阻抗。
使用时,如果阻抗不匹配,会使波形失真变大、功率传输效率变小。
为了避免阻抗不匹配产生的不良影响,应借助阻抗变换器等使之匹配连接。
3.答:
信号发生器作为主动测试仪器其构成应该包括振荡器,而LC振荡器、RC振荡器等特性决定了振荡器的频率范围或频率稳定性都比较差。
由于频率合成器具有自动实现频率跟踪的锁相环而使之具有很高的频率稳定度和极纯的频谱。
6.答:
函数信号发生器一般能够输出正弦波、三角波、方波等三种基本波形。
7.答:
函数信号发生器产生信号的方法有三种:
一种是先产生方波,然后经变换得到三角波和正弦波形;第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波;第三种是先产生三角波再变换为方波和正弦波。
函数信号发生器的构成方式则相应地有上述三种形式。
8.答:
(1)函数信号发生器的频率范围比低频信号发生器或高频信号发生器的宽,频率范围约为几毫赫至几十兆赫。
(2)函数信号发生器能够提供正弦波、三角波、方波等多种波形,而正弦信号发生器只能提供正弦波或已调波。
(3)脉冲式函数信号发生器的振荡器是由施密特触发器、密勒积分器、电压比较器等部分组成的组合振荡器,缺一不可;而正弦信号发生器的振荡器是单一的正弦波振荡器,是独立的振荡器。
(三)习题3答案
1.答:
模拟式交流电压表按照检波器类型的不同分为均值电压表、峰值电压表和有效值电压表,分别属于放大—检波式、检波—放大式和放大—检波式。
均值电压表频带窄、测量灵敏度较低,为低频或视频毫伏表。
峰值电压表频带宽、灵敏度较高,为高频或超高频毫伏表。
有效值电压表种类较多,一般情况下,它的频带较窄、灵敏度较低,为低频毫伏表。
2.解:
UP+=6V
UP-=-2V
UP-P=8V
U=
≈3.5V。
3.解:
(1)如果用峰值表测量,∵
,
∴测量正弦波、三角波和方波时的读数值都为
(2)如果用均值表测量,
测量正弦波时,∵
∴
测量非正弦波时,∵
∴
∴
∴测量三角波时,
测量方波时,
(3)如果用有效值电压表测量,
∵Uα=U=
∴测量正弦波时,Uα=U=
测量三角波时,Uα=U=
测量方波时,Uα=U=
答:
(略)
4.解:
(1)如果峰值电压表测量,测量正弦波时:
U~=Uα=20V
测量三角波时:
测量方波时:
∵KF方=KP方=1
∴
=U方=
(2)如果用均值电压表测量,测量正弦波时:
U~=Uα=20V
测量三角波时:
测量方波时:
∵KF方=KP方=1
∴
=U方=
答:
(略)
5.解:
因为DVM位数为
,且量程为10V,所以电压表末尾1个单位为0.001V。
读数误差为:
±0.025%Ux=±0.025%×8V=±0.002V
满度误差为:
±0.01%Um=±0.01%×10V=±0.001V
满度误差相当于:
固有误差:
±(0.001V+0.002V)=±0.003V
答:
(略)
6.解:
ΔU=±0.005%读数±0.002%满度=±0.005%×4V±0.002%×5V=±0.0003V
γx=
答:
(略)
7.答:
最大显示数字分别为9999,19999,3199和1999的数字电压表的位数分别是4位,
位,
位(或统称
位)和
位。
当小数点位置在第一位后时,第1、2位的利用率低,并且分辨力要比小数点在第1位前的低,所以小数点应在第1位前,故第二块表在0.2V量程上的分辨力是0.00001V。
8.答:
双积分式A/D变换器的工作过程分为定时准备、定时取样和不定时比较三个过程,其中取样是利用输入电压(有效输入为直流电压)对积分电容定时充电(正向积分),而比较是利用和输入电压极性相反的基准电压对积分电容不定时放电(反向积分)。
双积分式A/D变换器是将两个电压(输入电压和基准电压)的比较变换为取样时间(定时)和比较时间(不定时)的比较,而比较时间的大小和输入直流电压的大小成正比,所以双积分式A/D变换器属于V-T型积分式A/D变换器。
其依据的关系是取样时,输入电压对积分电容净充上的电荷和比较时基准电压对积分电容放去的电荷相等。
双积分式A/D变换器显著的优点是抗干扰能力强,最大的缺点是变换速度慢。
经对工作过程的分析发现如果取样时间为干扰信号周期的整数倍,取样结束时,干扰信号(如工频干扰)对积分电容净充上的电荷为零,这对比较时电容放电时间的大小是不产生影响的,即抗干扰。
经上述分析得知,为了提高双积分式A/D变换器的抗干扰能力,A/D变换器的取样时间至少要取干扰信号的1个周期,并且为了提高A/D变换器的分辨力也应使取样时间延长,这样势必使双积分式A/D变换器的变换速度变慢。
9.答:
三次积分式A/D变换器是在双积分式A/D变换器的基础上,将双积分式A/D变换器的第二次积分分成粗积分、精积分两次进行的积分式A/D变换器。
三次积分式A/D变换器的特点是变换速度快、分辨力高、变换误差小。
这是因为同样分辨力的情况下,三次积分式A/D变换器所需的位数较少,而且精积分时的基准电压较小,而使积分器输出以很慢的速度越过零点,故可以提高变换精度,减小变换误差。
三次积分式A/D变换器的工作过程分为准备、取样、粗积分和精积分四个阶段。
其中取样是在固定时间内利用输入电压对积分电容进行充电,粗积分是利用基准电压对积分电容放电,精积分利用较小的基准电压对积分电容进行放电。
粗积分、精积分的工作时间取决于取样时对积分电容净充上电荷的多少,和输入电压大小成正比。
10.答:
逐次比较式A/D变换器按照“大者弃、小者留”的原则,经D/A变换器把已有的和当前假设的A/D输出变换成可变的基准电压,将被测电压和可变基准电压逐次进行比较,当基准电压不大于被测电压时,保留“1”作为当前A/D位输出,即“小者留”。
否则,舍弃“1”改为“0”作为当前A/D位的数据,即“大者弃”。
上述过程是从高位到低位逐次进行逼近的,直至得出被测量或到A/D变换器末位为止。
逐次比较式A/D变换器的优点是变换速度快、精度高。
这是因为跳步电压是按照2-nUR递减设置的,没有双积分式A/D变换器中电压的积分过程,且只要二进制数码位数足够多,其精度亦很高。
逐次比较式A/D变换器的缺点是抗干扰能力差。
这是因为电压比较器的输入是被测电压瞬时值,所以外界任何干扰电压的串入都可以影响测量结果。
(四)习题4答案
1.答:
示波器得到稳定波形的条件即示波器同步条件是扫描电压周期等于被测信号周期的整数倍(隐含被测信号是周期性信号)。
示波器波形显示原理是:
(1)因为示波管(示波器)具有线性偏转特性,所以当Y偏转板上加上被测信号,而X偏转板上加上和时间成正比的锯齿波时,就可以使每一次扫描出的波形是和实际波形一致的被测信号波形。
(2)当示波器采用电平触发(即触发扫描)且满足同步条件时,每一次扫描得到的波形就一致,保证每一次扫描得到的波形能够在屏幕上重合,从而为得到稳定波形提供必要的条件。
(3)当保证同一点荧光物质熄灭间隔时间不超过视觉暂留时间时,就能使上述波形不产生闪烁,保证在屏幕上得到一个便于观察的稳定波形。
2.答:
示波器线性扫描方式主要包括触发扫描、连续扫描以及自动扫描、单次扫描等方式。
触发扫描是在触发源(一般选择内触发源——被测信号)电平达到触发电平时,在由触发电路产生的触发脉冲的作用下,由扫描环产生扫描电压,由于该方式最容易得到同步条件而优先采用,该方式在无触发源的情况下,为避免荧光物质被烧坏而黑屏。
连续扫描是通过改变时基闸门电路直流输入电平的大小而在自激状态下产生的扫描,该方式不管是否有被测信号都保证在屏幕上得到波形或时基线。
自动扫描是在自动电路(单稳态电路)作用下,实现触发扫描和连续扫描的自动转换,一般情况下,操作者通常采用自动扫描方式。
单次扫描一般用来去观察非周期性信号,它是在每一次人工操作下完成一次扫描的方式。
3.答:
内触发信号不可以从延迟线后引出。
这是因为:
(1)脉冲等上升时间短的信号比较适合采用触发扫描方式。
对于占空比小的脉冲等信号来说,如果采用连续扫描方式,显示出的脉宽部分太窄(甚至显示出的线条也比应该显示出的脉宽宽度还宽),而看不到脉宽细节,或者显示出由很亮的时基线和较暗淡的脉宽组合而成的波形,只有采用触发扫描才不致于出现上述情况。
(2)采用触发扫描时,只有当触发源(一般采用内触发)电平达到触发电平时,才能产生扫描电压而显示出产生扫描电压之后的被测信号部分波形,而脉冲等由低电平达到触发电平必须要经历一定的时间,这样势必使扫描电压比被测信号滞后而得不到完整的被测信号波形。
因此要采用延迟线对被测信号延迟后加到示波管Y偏转板上,使被测电压滞后而看到完整的被测信号波形。
对正弦波等上升时间较长的波形来说,由于该延迟时间较短而体现不出上述作用来,所以简易示波器一般不加延迟线。
(3)当从延迟线后引出内触发信号时,不能使被测信号比扫描电压滞后,得到的波形仍然不完整。
所以内触发信号不能从延迟线后引出。
4.答:
双踪显示方式包括断续显示、交替显示两种方式。
断续显示和交替显示分别适合测试高频和低频信号。
交替显示是指在每一个扫描周期内只扫描显示其中的一个信号,间隔一个周期扫描一次。
被测信号频率越低,扫描电压周期越长,即扫描同一个信号的间隔时间越长,当该时间超过视觉暂留时间时,显示出的波形就会闪烁。
反之,信号频率较越高时,则不会使显示波形产生闪烁。
所以交替方式只适合观测高频信号。
断续显示是指利用断续器(频率恒定)将每个扫描周期分割成很多的时间段,每个时间段显示一个波形的一段,间隔一个时间段显示同一个波形的另外一段。
要显示信号频率越高,扫描周期越短,即扫描速度越快,因为时间段是不变的,这样显示出的波形线段越长,波形显示的断续感增强,不利于观测。
反之,信号频率越低,扫速越慢,波形显示的连续感越好,便于观察。
所以断续方式适合显示低频信号。
5.答:
将标准的方波通过探极加到示波器上,调整示波器有关开关旋钮,当显示出的波形是不失真的方波时,就表明探极补偿电容补偿正确,否则,说明探极补偿电容补偿不正确(欠补偿或过补偿)。
当发现补偿电容不合适时,利用小螺刀左右调整补偿电容,直至补偿正确为止。
6.答:
(a)有可能是因为选择了“GND”输入耦合方式而使信号没有加到示波器内部所致,此时选择“DC”或“AC”耦合方式即可。
另一原因可能是因为输入的信号很小,而所选的偏转因数又太大(对输入信号衰减过大),此时调小偏转因数即可。
(b)此种情况,虽然把被测信号加到了示波器上,但因为选择了“X-Y”方式而没有扫描电压,所以只显示一条竖线。
此时,改变“X-Y”方式为扫描方式即可。
(c)原因是因为所选偏转因数太小,调大偏转因数即可。
(d)原因是扫描不同步,选择触发扫描(或自动扫描)调节触发电平即可。
(e)原因是扫速太慢而使显示出的信号周期个数太多所致,此时调快扫速(调小时基因数)即可。
7.解:
(1)HP-P=
得到的波形如图4-1(a)所示。
(2)HP-P=
得到的波形如图4-1(b)所示。
8.解:
据题意知,Ts=4Ty=4×1/fy=4/2kHz=2ms
∴Tx=Ts+Tb=2ms+2ms/4=2.5ms
∴fx=400Hz
答:
(略)
9.解:
据题意知,扫描电压周期是被测信号周期的2.5倍,所以每次扫描得到2.5个周期的被测信号波形。
但因为不满足扫描同步条件,所以示波器上得到的波形应不稳定,如图4-2所示。
10.解:
据题意知,扫描正程、扫描逆程分别可以得到3个周期和1个周期的被测信号波形。
但因为满足扫描同步条件,所以可以得到稳定的波形,如图4-3所示,其中虚线为回扫线。
11.解:
由题意知,S=1mV/div,Hp-p=7.07div,探极衰减比K=10:
1,所以
Up-p=7.07div×1mV/div=7.07mV
探极输出电压:
U′=
=
=2.5mV
正弦波电压:
U=10×2.5mV=25mV
答:
(略)
12.解:
由题意知,S=10mV/div,Dx=1ms/div,探极衰减比K=10:
1,所以
LT=
(1)Hp-p=
得到如图4-4(a)所示的波形。
(2)HP-P=
≈11.3div
得到如图4-4(b)所示的波形,图中方格线间距2div。
13.解:
∵Tmin=10div/2×0.01μs/div=0.05μs
∴fmax=20MHz
答:
(略)
14.解:
∵Tmax=10div/2×5ms/div=25ms
∴fmin=0.4H
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