实验十二连续信号和瞬态信号的测量 在信号测量中，常用的方法是把被测物理量通过传感器转换成电信号再测量，在这些 信号中有很多是随时间变化的，对于这类信号，用示波器测量是比较合适的， 示波器是一种常用的电子仪器，用于观察和测量电信号，由于电子的惯性很小，因此 示波器可以在很宽的频率范围内工作. 示波器的种类很多，随着数字技术的发展，数字存储示波器的使用越来越广泛，它能 把观测信号存储起来，在信号消失后仍能使原信号重现，在观测单次信号（诸如爆炸、冲 击、闪光等瞬态过程)、低频脉冲信号或与以前观察的波形进行比较时，选用具有存储功能 的示波器是合适的，它可以代替一般的摄影技术来记录波形. 示波器的具体电路比较复杂，需要具备一定的电子学知识，不在本实验的讨论范围， 本实验仅限于学习示波器的基本使用方法， 【实验目的】 1.学习数字存贮示波器的基本使用： 2.利用数字存贮示波器观察和测量连续电信号： 3.利用数字存贮示波器观察和测量闪光灯瞬态信号. 【实验仪器】 TDS210数字存贮示波器，DF1631功率函数信号发生器，闪光发生器，数字万用表 和光电传感器及配套元件等 【实验内容】 1.观察和测量连续信号的参数 测量信号发生器输出的交流波形，波形有：正弦波、方波，脉冲波和TTL电平的波形.分 别用示波器的交直流输入档测量.粗略描绘波形，记录其峰-峰值、周期或频率。 2.相位差的测量 按图1连接RC移相电路，利用示波器的光标(CURSOR)旋钮测出输入信号电压和 电容两端电压之间的相位差图2所示，寻找3个频率，分别使得相位差接近0度、等于45 度和接近90度.画出矢量图（图3所示的任意相位差的矢量图）. △T △0=2π (1) 图1RC移相电路 78
78 实验十二 连续信号和瞬态信号的测量 在信号测量中，常用的方法是把被测物理量通过传感器转换成电信号再测量，在这些 信号中有很多是随时间变化的，对于这类信号，用示波器测量是比较合适的． 示波器是一种常用的电子仪器，用于观察和测量电信号，由于电子的惯性很小，因此 示波器可以在很宽的频率范围内工作． 示波器的种类很多，随着数字技术的发展，数字存储示波器的使用越来越广泛，它能 把观测信号存储起来，在信号消失后仍能使原信号重现，在观测单次信号（诸如爆炸、冲 击、闪光等瞬态过程）、低频脉冲信号或与以前观察的波形进行比较时，选用具有存储功能 的示波器是合适的，它可以代替一般的摄影技术来记录波形． 示波器的具体电路比较复杂，需要具备一定的电子学知识，不在本实验的讨论范围， 本实验仅限于学习示波器的基本使用方法． 【实验目的】 1．学习数字存贮示波器的基本使用； 2．利用数字存贮示波器观察和测量连续电信号； 3．利用数字存贮示波器观察和测量闪光灯瞬态信号． 【实验仪器】 TDS210 数字存贮示波器，DF1631 功率函数信号发生器，闪光发生器，数字万用表 和光电传感器及配套元件等 【实验内容】 1．观察和测量连续信号的参数 测量信号发生器输出的交流波形，波形有：正弦波、方波，脉冲波和 TTL 电平的波形．分 别用示波器的交直流输入档测量．粗略描绘波形，记录其峰-峰值、周期或频率． 2．相位差的测量 按图 1 连接 RC 移相电路，利用示波器的光标（CURSOR）旋钮测出输入信号电压和 电容两端电压之间的相位差图 2 所示，寻找 3 个频率，分别使得相位差接近 0 度、等于 45 度和接近 90 度．画出矢量图（图 3 所示的任意相位差的矢量图）． T DT Dj = 2p （1） 图 1 RC 移相电路
I、UR 图2经过移相电路的两列正弦波 图3Uc、UR矢量图 3.瞬态信号的测量 CHI R D 巧 502 衰减器口 C A 触发 数字 C 储能 按钮 万用表 电容 闪光发生器 R CH2 0.12 V+ 图4瞬态信号测量接线图 参见图4，闪光灯属气体放电灯，内充有高压氙气，在两端加有高压的情况下，气体迅 速电离，形成电弧，此时电阻急剧下降，在灯管中流过很大的电流，储能电容用来维持放 电状态初始的电离，由外加的一个高压脉冲引起.由于在放电过程中，储能电容的能量迅 速下降，电容两端的电压也迅速下降，当放电过程不能维持时，闪光就终止了.如果储能 电容的容量较小时，这个过程非常短，在微秒量级，要观察其放电过程，较好的方法是用 存储示波器。 对于极短的闪光过程，要选用合适的光电传感器，响应时间要短.这里我们给出了两 种光电传感器，一种是较小面积的PN型硅光电二极管，这种二极管在PN结中间夹了一 层本征材料层，在反向偏置使用时有更小的电容更快的响应和更好的线性.它的有光照变 化下的伏-安特性曲线见图5. 同时我们给出另一种CdS光敏电阻.CdS光敏电阻的响应时间比较长，不适应作快速 测量，在这里我们给出是为了作一个比较，在快速测量中取样电阻也要小，以减少高频损 79
79 图４ 瞬态信号测量接线图 3．瞬态信号的测量 参见图 4，闪光灯属气体放电灯，内充有高压氙气，在两端加有高压的情况下，气体迅 速电离，形成电弧，此时电阻急剧下降，在灯管中流过很大的电流，储能电容用来维持放 电状态初始的电离，由外加的一个高压脉冲引起．由于在放电过程中，储能电容的能量迅 速下降，电容两端的电压也迅速下降，当放电过程不能维持时，闪光就终止了．如果储能 电容的容量较小时，这个过程非常短，在微秒量级，要观察其放电过程，较好的方法是用 存储示波器． 对于极短的闪光过程，要选用合适的光电传感器，响应时间要短．这里我们给出了两 种光电传感器，一种是较小面积的 PIN 型硅光电二极管，这种二极管在 PN 结中间夹了一 层本征材料层，在反向偏置使用时有更小的电容更快的响应和更好的线性．它的有光照变 化下的伏-安特性曲线见图５． 同时我们给出另一种 CdS 光敏电阻．CdS 光敏电阻的响应时间比较长，不适应作快速 测量，在这里我们给出是为了作一个比较，在快速测量中取样电阻也要小，以减少高频损 图 2 经过移相电路的两列正弦波 图 3 Uc、UR矢量图
/h+ -7.0-5.03.0-1.0 4.06.1g U( 暗电流、 E1 及 偏压 B E E 反向偏压状态 图5有光照条件下结型硅光电二极管的伏-安特性曲线 失 图4中C:为储能电容，R1为放电时的电流取样电阻，R2为光电传感器D的光电流取 样电阻，C。与闪光灯并联用这个电路，我们可以同时测量出闪光信号和储能电容C的放电 电流 如果C两端的电压在放电前后分别为V充、V,那么C输出的总能量为 Ee=Ce() (2) 我们还可以估算闪光灯输入的电功率P,可以将光电流波形的半宽度为时间间隔，闪 光灯输出的光功率取决于闪光灯的转换效率. 通过取样电阻R1,我们能测量出Ce放电的峰值电流Ip,从而取样电阻R1的峰值功率 PRI为 Pa =I22R (3) 以信号峰值的10%~90%变化量作为基准，可计算出电流的上升速率di/dl. 按图4在插件板上连线，检查无误后接通电源，当闪光发生器上的指示灯亮后，按下 触发按钮，此时应有闪光发出.然后调整示波器的触发模式，使其处于单次触发状态，适 当调节触发电平和通道灵敏度，就能在荧屏上看到两个取样波形，如图6所示： 更换光电传感器，比较两者的差别： 用两个储能电容，以串联、单个和并联的方式改变C的容量，测量它们的波形，并计 算Ee,PR1和di/d 为了能正确测量C放电的剩余电压，在按触发按钮前，应把电源开关K断开.在更换 储能电容时不要碰电容的电极，要确保电容己经放电. 80
80 失． 图４中 Ce为储能电容， R1为放电时的电流取样电阻，R2为光电传感器 D 的光电流取 样电阻，Ce与闪光灯并联用这个电路，我们可以同时测量出闪光信号和储能电容 Ce的放电 电流 如果 Ce两端的电压在放电前后分别为 V 充、V 放，那么 Ce输出的总能量为 e ( ) 2 1 2 2 Ec C V充 V放 = - （2） 我们还可以估算闪光灯输入的电功率 PF ，可以将光电流波形的半宽度为时间间隔，闪 光灯输出的光功率取决于闪光灯的转换效率． 通过取样电阻 R1，我们能测量出 Ce 放电的峰值电流 IP ，从而取样电阻 R1的峰值功率 PR1为 1 2 PR1 = I p R （3） 以信号峰值的 10% ~ 90%变化量作为基准，可计算出电流的上升速率 di/dt ． 按图４在插件板上连线，检查无误后接通电源，当闪光发生器上的指示灯亮后，按下 触发按钮，此时应有闪光发出．然后调整示波器的触发模式，使其处于单次触发状态，适 当调节触发电平和通道灵敏度，就能在荧屏上看到两个取样波形，如图 6 所示； 更换光电传感器，比较两者的差别； 用两个储能电容，以串联、单个和并联的方式改变 Ce 的容量，测量它们的波形，并计 算 Ec，PR1和 di / dt； 为了能正确测量 Ce放电的剩余电压，在按触发按钮前，应把电源开关 K 断开．在更换 储能电容时不要碰电容的电极，要确保电容已经放电． 图５ 有光照条件下结型硅光电二极管的伏-安特性曲线
90% 50% 10% 图6两个取样电阻上信号波形 为了保证硅光电二极管D始终保持反向偏置，要适当调整D与闪光灯的位置，使D上 的最低电压在3V左右. 【注意事项】 1.示波器上所有开关及按钮在调节时要用力度适中. 2.在拔插连接线和元件时，要垂直用力，速度不要过快，以免造成损坏。 3.更换电容时，必须对电容进行放电，以免遭到电击， 【思考题】 1.分析实验内容2中引起相位差的原因. 2.在上述瞬态信号测量中，取样电阻R1消耗的能量占储能电容输出总能量的多少？如 果R的阻值增大，放电曲线会有什么变化？ 3.如果在R1上串一个1uH的电感L,请问曲线会有什么变化？如果di/d山不变的话， 会在L上感应出多大的电压？ 4.瞬态信号测量中，我们注意到观测的两个波形起点不一致，光电流波形要滞后于放 电电流波形，试提出自己对这一现象的解释 【附录】 示波器的介绍 面板分为几个功能区，有这个概念后，使用和寻找都很方便.下面概要介绍本实验所 需使用的控制钮以及屏幕上显示的信息.（附图1） 1.显示区 显示图象中除了波形外，还包含许多有关波形和仪器控制设定值的细节. 2.VERTICAL:垂直控制区 (1)CH1 波形输入、放大倍数调整、垂直位置调整、屏幕菜单 81
81 为了保证硅光电二极管 D 始终保持反向偏置，要适当调整 D 与闪光灯的位置，使 D 上 的最低电压在 3V 左右． 【注意事项】 1．示波器上所有开关及按钮在调节时要用力度适中． 2．在拔插连接线和元件时，要垂直用力，速度不要过快，以免造成损坏． 3．更换电容时，必须对电容进行放电，以免遭到电击． 【思考题】 1．分析实验内容 2 中引起相位差的原因． 2．在上述瞬态信号测量中，取样电阻 R1消耗的能量占储能电容输出总能量的多少？如 果 R1的阻值增大，放电曲线会有什么变化？ 3．如果在 R1上串一个 1 mH 的电感 L，请问曲线会有什么变化？如果 di / dt 不变的话， 会在 L 上感应出多大的电压？ 4．瞬态信号测量中，我们注意到观测的两个波形起点不一致，光电流波形要滞后于放 电电流波形，试提出自己对这一现象的解释． 【附录】 示波器的介绍 面板分为几个功能区，有这个概念后，使用和寻找都很方便．下面概要介绍本实验所 需使用的控制钮以及屏幕上显示的信息．（附图 1） 1．显示区 显示图象中除了波形外，还包含许多有关波形和仪器控制设定值的细节． 2．VERTICAL：垂直控制区 （1）CH 1 波形输入、放大倍数调整、垂直位置调整、屏幕菜单 V t IR ID 10% 90% 50% 图 6 两个取样电阻上信号波形
功能区 Tektronix TDS210 scr 多功能菜单 O OLL 参数显示及功能提示 EXT TRI 回 垂直 水平 触发 控制区 控制区 控制区 附图1示波器面板图 (2)CH2 同上 3.HORIZONTAL:水平控制区 波形输入、扫描速度、水平位置调整、屏幕菜单 4. TRIGGER:触发控制区 触发电平调整、触发菜单、触发模式常用键 5.功能区 (I)SAVE/RECALL:储存/调出菜单 可储存或调出波形 (2)MEASURE:测量菜单 使多功能键进入测量模式 (3)ACQUIRE:采样方式菜单 显示点采样方式选择 (4)CURSOR:光标菜单 屏幕读出功能，垂直区的两个位置旋钮分别控制两个光标， (5)DISPLAY:显示模式菜单 (6)OUTOSET:自动最佳参数设置 由仪器根据输入波形自动设置扫描参数，适用于多数测量情况 (7)RUN/STOP:启动/停止键 扫描启动、停止键. 82
82 （2）CH 2 同上 3． HORIZONTAL：水平控制区 波形输入、扫描速度、水平位置调整、屏幕菜单 4． TRIGGER：触发控制区 触发电平调整、触发菜单、触发模式常用键 5． 功能区 （1）SAVE/RECALL：储存/调出菜单 可储存或调出波形 （2）MEASURE：测量菜单 使多功能键进入测量模式 （3）ACQUIRE：采样方式菜单 显示点采样方式选择 （4）CURSOR：光标菜单 屏幕读出功能，垂直区的两个位置旋钮分别控制两个光标． （5）DISPLAY：显示模式菜单 （6）OUTOSET：自动最佳参数设置 由仪器根据输入波形自动设置扫描参数，适用于多数测量情况． （7）RUN/STOP：启动/停止键 扫描启动、停止键． 附图 1 示波器面板图