实验基础知识

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1、1 实验基础知识1.1 概 述实验教学是高等学校教学活动的重要组成部分，是提高教学质量的重要环节，它不仅起到验证理论和对理论教学补充的作用，而且能培养学生创造能力和独立思维能力。现代科学技术的发展也离不开科学实验。因此，培养善于从事科学实验并具有创造精神的人才，是我国在21世纪科学技术赶上和超越世界强国，实现科学技术现代化的关键之一。1.1.1 实验目的和意义 我国著名科学家张文裕在著名物理学实验及其在物理学发展中的作用一书所写的序言中，精辟地论述了科学实验的重要性。他说：“科学实验是科学的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础。”在科学技术飞速发展的今天，可以说每一项技术的进步和新理论的

2、提出，都离不开科学的实验。他又说：“基础研究、应用研究、开发研究和生产四个方面如果结合得好，经济建设和国防建设势必兴旺发达。”要把上述四个环节紧密贯穿在一起，必须有一条红线，这条红线就是科学实验。 1990年国家教委批准高等学校工程专科电子技术基础教学基本要求时明确指出，电子技术基础是一门实验性很强的课程，它的任务是使学生获得电子技术方面的基本理论，基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力。因此，我们必须加强各种形式的实验环节。电子技术基础主要由模拟电路和数字电路二门课程组成，其中数字电路是一门实践性很强的课程。数字电路的实验对于培养提高工程技术人员的素质和能力必不可少，在电子技术

3、、计算机技术飞速发展的今天，虽然有许多问题可以通过计算机设计和模拟仿真来验证电路的功能，但对于调试、分析以及排除故障等问题都离不开实验，可见，实验对工程技术人员技能的培养是十分重要的。另外，通过实验还能培养学生认真、严肃、理论联系实际的优良学风。1.1.2 数字电路实验内容的分类 数字电路的实验内容一般可分为验证性、设计性和综合性三大类。验证性实验内容主要针对数字电子技术课程中的基础理论，希望学生通过实验巩固加深对这些知识点的理解和认识，或者通过实验掌握数字电路的基本实验技能、集成数字器件的基本应用以及常用电子仪器操作，提高学生对数字逻辑电路的兴趣和爱好。例如，2.1 TTL集成逻辑与非门参数

4、的测试实验以及5.3 集成施密特触发器应用实验等。 设计性实验针对理论课程中某一或多个知识点，提出设计要求，要求学生根据基本理论，自己设计电路并实现，例如， 3.2 字符编码显示电路实验以及4.2 同步时序电路逻辑设计实验等。其目的是培养学生综合应用所学理论的能力，训练学生正确使用电子仪器解决实际问题的能力。 综合性实验既有设计性又有探索性，它主要侧重于某些理论知识的灵活应用，需要完成特定电路的设计、仿真、安装、调试。例如， 7.3数字式电容测试仪制作实验以及7.4 生理刺激反应时间测试仪制作实验等。这些实验要求学生在教师指导下，独立查阅资料，提出设计电路，合理选择所需器件，最后安装调试，测试

5、电路指标，并完成实验报告。具体内容既可以是教师指定，亦可以是学生自己提出，对于培养学生创造力和想象力，提高学生素质和科学实验能力都是十分重要和必需的。1.1.3 数字逻辑电路实验的一般要求数字逻辑电路实验和其他实验相似，通常分三个部分：实验预习，实验进行，实验报告。为了使学生具有严肃认真的科学态度，独立完成每个实验，培养创新意识，对电子技术实验的每一部分提出如下要求。1. 实验预习为了提高实验的主动性，减少盲目性，认真做好实验预习非常重要。首先要明确实验目的和要求，掌握实验的有关原理，查阅相关资料，制定具体实验步骤，设计记录实验数据的表格，估计输出波形的特性，对于设计实验或综合实验更需设计好完

6、成要求的电路，然后写好预习报告。2. 实验进行(1) 自觉遵守实验室一切规章制度。(2) 按预习报告安排电路，电路的连线要合理、整齐、美观，易于检查和测量。(3) 正确使用各种议器，仔细记录波形，出现故障要根据基本原理分析可能出现的故障原因，排除故障，确有困难再请实验指导老师帮助解决。(4) 实验结束前请指导老师检查记录无误，征得指导老师同意后，再拆除实验装置。(5) 实验中要爱护元器件及实验设备。3实验报告（1）认真整理记录数据及波形（波形需画在方格纸上）。（2）对测试结果进行理论分析，找出产生误差的原因，提出减少误差的措施。（3）总结实验成功或失败的经验教训，提出对实验改进的意见。（4）实

7、验报告的文字应通顺、简洁、明了。（5）做好实验思考题，在有条件的情况下，可通过实验对思考题中所提出的要求进行实验，同时记录其结果。1.2 常用半导体电子元器件的识别与简单测试电子电路都是由各种电子元器件组成的，主要包括电阻、电容、电感和各种半导体器件（如二极管、三极管、集成电路等）。为了正确地选择和应用这些元器件，必需掌握它们的性能、结构、规格等有关知识。1.2.1 半导体二极管半导体二极管是在电子线路中经常使用的器件，它具有单向导电性，常用于实现检波、整流等功能。1.半导体二极管的分类按二极管的特性和用途主要可以分为以下几种。(1) 普通二极管 常用于检波和钳位电路。其具有频率特性较高、功率

8、损耗较小、允许通过的正向电流较小等特性。图1-2-1是普通二极管的外型图，图1-2-1 (a)为玻璃封装形式，图1-2-1 (b)为塑料封装形式。它们外壳都标有型号和极性的标记。也有用标点标注极性，有标点的一端是二极管的阴极。 （a）玻璃封装 （b）塑料封装图1-2-1 普通二极管的外形图 (2) 整流二极管 允许通过的正向导通电流较大（几百毫安、几安培甚至几千安培），功率损耗也较多，主要应用在整流电路中，把交流电压转换为脉动的直流电压。(3) 稳压管 具有反相击穿并自动恢复特性。当稳压管反向击穿时，其端电压Uz不受其通过电流Iz的影响，始终保持一个相对稳定的数值。所以，与其并联的电路就能在一

9、定条件下获得稳压特性。稳定管的稳压范围可查阅器件手册，也可通过实验的方法获知。实验电路如图1-2-2所示，图中R是限流电阻。当电源电压较小时，稳压管没有击穿，电压表指示的数值与电源电压相同。当电源电压升高到某一数值后，电压表的指示不再随电源电压升高而改变，始终保持一个恒定的数值。该数值就是稳压管的额定稳压值。需要注意的是，电源电压不能无限升高，否则通过稳压管的电流将超过其额定值使之损坏。稳压管的外型封装有玻璃、塑料和金属三种，图1-2-3是稳压管符号及外型图。图中2CW231由两个稳压管反向串接，其稳压特性具有温度补偿作用，受环境稳定影响较小。 图1-2-2 测试稳压管稳压值的电路 图1-2-

10、3 稳压管符号和外形图 (4) 发光二极管 发光二极管是一种电光转换器件，它具有工作电压低、耐振动、抗冲击、体积小、重量轻等优点。广泛应用于单点显示、七段数码显示和点阵显示电路中，如体育场馆和广场的大型广告牌等。发光二极管和普通二极管一样具有单向导电性，当正向导通并通过一定数值的电流时可以发出可见光，颜色有红、绿、黄三种。当反向偏置或通过的电流过小时不发光。发光二极管形状主要有圆型和方型两种，外型及符号如图1-2-4。图1-2-4 发光二极管符号及外形图 发光二极管的正向工作电压通常为1.53V，允许通过的电流约为220mA，通过的电流与发光强度成正比，但电流超过允许范围后可能损坏器件。二极管

11、的种类还有很多，如变容二极管、光敏二极管、微波二极管等，限于篇幅不一一类举。上面介绍的二极管都可以用指针型万用表的欧姆档来简单判别其极性以及是否完好。具体方法是：首先用万用表的黑、红二表棒分别接二极管的两端测量其导通电阻，然后把黑、红二表棒互换再测一次。若两次测量的电阻值有很大差别，说明该二极管完好。其中阻值小的那次测量时黑表棒所接的二极管端为阳极。若二次测量的阻值差别不大，则说明该二极管已损坏。1.2.2 半导体三极管半导体三极管是电子电路中最常用的电子器件。根据工作信号允许的频率范围可分低频、高频三极管；根据允许通过的电流大小可分为小功率、中功率、大功率等类型。表1-2-1是二极管和三极管

12、的命名规则。表1-2-1 二极管和三极管命名规则第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用数字表示器件的电极数用字母表示器件的材料和极性用字母表示器件的类别用数字表示器件的序号用字母表示规格号符号意义符号意义符号意义意义意义23二极管三极管ABCDABCDEN型锗材料P型锗材料N型硅材料P型硅材料PNP型锗材料NPN型锗材料PNP型硅材料NPN型硅材料化合物材料PVWCZLSNUKXGDA普通管微波管稳压管参量管整流管整流堆隧道管阻尼管光电器件开关管低频小功率管（fa3MHz，Pc1W）高频小功率管（fa3MHz，Pc1W）低频大功率管（fa1W） 反映了极限参数、直流参数和交流参数等的差别

13、反映了承受反向击穿电压的程度。如规格号为A、B、C、D。其中A承受的反向击穿电压最低，B次之。例如型号为3AK12的三极管，其命名方式表示为： PNP锗材料 序号 开关管 3 A K 12 三极管在安装三极管前最好用晶体管特性测试仪鉴别其性能是否符合要求，同时必须正确判别其三个引脚，否则电路不能正常工作，甚至器件会损坏。图1-2-5是两种封装的外形图和引脚图，其中图(a)是金属壳外形图；图(b)和图 (c)是金属外壳三极管的三根引脚朝上时的排列图；图1-2-5 (d)是塑料封装三极管的外形和引脚图。图1-2-5 晶体三极管外形、引脚图 图1-2-6 大功率三极管引脚图图1-2-6是金属外壳封装

14、的大功率晶体管。外形如图1-2-6(a)所示，引出的管脚只有基极b和发射极e两根，金属外壳作为集电极引脚c。另一种封装如图1-2-6(b)所示，发射极、基极和集电极从三条管脚分别引出。大功率晶体管在使用前更要测试其性能，并且在安装时需要有导热的绝缘材料作衬底，形成良好的散热环境，以免三极管因过热而损坏。1.2.3 集成器件随着半导体技术的发展，分立元器件，特别是分立二极管、三极管的应用已日趋减少。通用集成电路或专用集成电路已被大规模使用。例如象手机、数码相机这样能够实现复杂功能的电子设备，可能也只需几片集成器件构成，几乎没有厂家再用分立的二极管、三极管制造产品。1. 集成器件的分类（1）按功能

15、分：主要应用于模拟电路中的模拟集成器件，例如各种型号的运算放大器；主要应用于数字电路中的数字集成器件，例如国际上通用的74系列、54系列和计算机中应用的集成器件；应用于各种产品，例如手机、仪表的专用集成电路；可编集成电路，电路最终功能可由使用者自己编程设制，如可编程模拟和数字电路。（2）按集成度分：集成度小于10个门电路，称为小规模集成器件，用SSI表示；集成度在10100个门电路之间，称为中规模集成器件，用MSI表示；集成度在1001000个门电路之间，称为大规模集成器件，用LSI表示；集成度大于1000个门电路，称为超大规模集成器件，用VLSI表示。2集成器件的封装形式器件的封装是指安装半

16、导体或集成电路芯片用的外壳，它主要起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，同时还是沟通内部芯片与外部电路的桥梁。同一型号不同封装的器件对外引脚相同。由于芯片的输入、输出端是用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又可以通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对集成电路起着重要的作用。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，两者越接近说明封装效率越高。新一代集成器件的出现常常伴随着新的封装形式的推出。 集成器件的封装技术经历了几代的变迁，从DIP、PLCC和QFP、TSOP、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，芯片/封装面积比越来越趋于1，

17、适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。（1）双列直插封装 双列直插DIP封装(Dual In line Package)是20世纪70年代流行的封装形式，外型如图1-2-7（a）所示，其结构比较适合印刷电路PCB板的穿孔安装和焊接，便于产品的大规模生产和操作。大多数小、中规模的集成器件SSI、MSI和部分大规模的集成器件LSI都采用DIP封装形式， DIP的封装材料有:多层陶瓷、单层陶瓷、引线框架式 (含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式等)。 DIP封装形式的缺点是芯片/封装面积比很小，封装效率很低，外形尺寸远比

18、芯片尺寸大，所以占用了很多有效印板安装面积。 （2）芯片载体封装芯片载体封装是20世纪80年代推出的封装形式，它包括陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线片式载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装PQFP(Plastic Quad Flat Package)，其中PLCC封装外型如图1-2-7（b）所示。 芯片载体封装的特点是芯片/封装面积比较DIP封装形式略有提高；寄生参数减小，适合高频应用；可靠性提高。 （3）薄

19、型小尺寸封装薄型小尺寸封装TSOP是“Thin Small Outline Package”的缩写，从20世纪80年代出现至今一直是计算机内存封装的主流技术。TSOP封装是在芯片的周围做出可以直接附着在PCB板表面的引脚，如图1-2-7（c）所示。由于TSOP封装外形尺寸较小， 当电流大幅度变化时，引起输出电压扰动的寄生参数相应减小，故适合高频场合应用，TSOP封装还具有成品率较高，价格较便宜，器件焊接采用表面安装SMT技术，操作方便，可靠性较高等特点。所以当产品的体积要求较小时一般采用TSOP封装的集成器件，如移动通讯的手机和便携式仪表等。但是由于TSOP封装的引脚焊点和PCB板的接触面积较

20、小，使芯片向PCB板传热相对困难，所以必须考虑散热措施。（4）球栅阵列封装20世纪90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，芯片集成度不断提高，对集成电路封装的要求更加严格。集成器件对外的I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足集成电路发展需要，球栅阵列封装BGAP(Ball Grid Array Package)应运而生。采用BGA封装的集成芯片，其I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装的下面，因此虽然芯片的I/O引脚数增加了，但引脚间距没有减小却有增加，因此提高了电路组装的成品率。BGA封装器件的其他特点是器件外型的厚度、重量、信号传输的延迟时间、电路的寄生参

21、数都有所减小，故其信号频率可以大大提高。电路组装可采用共面焊接，可靠性较高。BGA封装方式还具有更加快速、有效的散热途径，封装效率也比PLCC和QFP有所提高，但仍不够理想。 （5）芯片尺寸封装芯片尺寸封装CSP(Chip Size Package或Chip Scale Package)是目前正在发展的封装技术，其特点是封装外形尺寸只比裸芯片稍大，所以芯片/封装面积比大大提高；信号传输延迟时间大大缩短；同时可以满足芯片引出脚不断增加的需要；还可以解决集成电路裸芯片的交流参数测试和老化筛选问题。 （6）多芯片组件多芯片组件MCM(Multi Chip Model)是将采用CSP封装的高集成度、高

22、性能、高可靠的大规模集成器件LSI或IC和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成多种多样的电子模块、子系统或系统。MCM的特点是封装延迟时间缩短，整机/组件的尺寸和重量减小，容易实现组件高速化，可靠性更为提高。 目前的封装技术已从片上电路级向片上系统级SOC(System On Chip)和片上电脑级PCOC(PC On Chip)发展。所以，随着集成电路规模的提高，其封装形式也将相应发展，而封装形式的发展又会进一步促进芯片技术提高。3. 集成电路型号的命名集成电路品种繁多，表1-2-2部分常见集成器件型号的命名法。表1-2-2 集成器件型号命名法第零

23、部分第一部分第二部分第三部分第四部分用字母表示器件符号、国家标准用字母表示器件的类型用阿拉伯数字和字母表示器件系列品种用字母表示器件的工作温度用字母表示器件的封装C 中国制造T：TTL电路H：HTL电路E：ECL电路M：存储电路：微型机电路F：线性放大电路W：稳压器D：音响、电视电路B：非线性接口J：接口电路AD：A/D转换器DA：D/A转换器SC：通信专用电路SS：敏感电路SW：钟表电路SJ：机电仪电路SF：复印机电路TTL分为：54/74XXX54/74HXXX54/74LXXX54/74SXXX54/74LSXXX54/74ASXXX54/74ALSXXX54/74FXXXCMOS为：4

24、000系列54/74HCXXX54/74HCTXXXC： 0 oC 70oCG：-25 oC 70oCL：-25 oC 85oCE：-40 oC 85oCR：-55 oC 85oCM：-55 oC 125oCF:多层陶瓷扁平封装B：塑料扁平封装H：黑瓷扁平封装D：多层陶瓷双列直插封装J：黑瓷双列直插封装P：塑料双列直插封装S：塑料单列直插封装T：金属圆壳封装K：金属菱形封装C：陶瓷芯片载体封装E：塑料芯片载体封装G：网络针栅陈列封装SOIC：小引线封装PCC：塑料芯片载体封装LCC：陶瓷芯片载体封装 注：74：国际通用74系列（民用）；54：国际通用54系列（军用） H：高速 L：低速 LS：

25、低功耗 表中54/74系列是美国德克萨斯仪器公司生产的逻辑电路，目前在小规模和中规模数字逻辑方面应用十分广泛，其他公司（如摩托罗拉、日本东芝、日立等公司）生产的逻辑电路都可以参阅中外集成电路简明手册中的对照表，找出其相应的型号。另外还有数模转换和模数转换器件，需要查找有关产品手册了解其型号与性能。4集成电路的引脚识别在安装和使用集成电路之前，必须确认集成电路的电源、地和各输入输出信号端口的引脚号，以保证电路或系统的正常工作。图1-2-8是双列直插式集成电路的外型图，在其顶部都有该器件的型号。从顶端俯视可以看到长方形的一端有一半圆形槽口，槽口向左，下面为引脚1（PIN1），然后逆时针方向，依次为

26、PIN2、PIN3。部分双列直插式电路以定位点标识，定位点标识的是引脚1（PIN1），其他引脚编号按逆时针升序排列。PLCC和TSOP封装一般以圆点标识，如图1-2-7（b）和（c）所示。 图1-2-8 双列直插式集成电路外形图1.3 常用电子仪器及其测量技术的简单介绍电子测量是测量领域中的一部分。广义的电子测量是指凡是应用电子科学技术对一切电量和非电量的测量。把许多非电量先通过相应的传感器转换为电信号，然后引用电子技术进行测量；狭义的电子测量是指电子技术中对各种电量的测量。例如（1）电子元件（电阻、电容、电感等）；电子器件（电子管、晶体管、集成电路等）；电子部件（放大器、滤波器等）；电子系统

27、（接收器、发射机等整机和系统）。（2）电信号能量的测量，如电流、电压、功率、电场强度的测量。（3）电信号特性的测量，如时域特性、频域特性、数域特性的测量。在数字电路实验中，常用的电子仪器有函数发生器、示波器、万用表和频率计。本节主要介绍前两种仪器。1.3.1 函数发生器的基本功能 函数发生器在数字电子实验中主要作为信号产生源，其输出的信号有两类：TTL/CMOS脉冲信号和电压信号，分别从两个端口输出。 TTL/CMOS信号是数字电路实验所需的方波脉冲信号，输出时信号幅度只有两个不可调节的值：高电平和低电平。 电压输出信号的波形可以有三种选择：正弦波、三角波和方波。电压信号的幅度可通过旋钮连续调

28、节，也可通过幅度衰减键以10的倍率改变。电压输出信号是对称波形，正、负半周的幅值、周期都相同，平均值为0V。调节直流偏置旋钮可以给信号叠加上直流电平使波形上下平移（正、负半周幅值不同）。调节对称度旋钮可以使波形的对称度（或占空比）变化（正、负半周的周期不等）。两类输出信号的频率都可以调节。频率调节分为粗、细两档：粗调一般为按键，可选择频率调节的范围，两个相邻的频率范围相差一个数量级；细调一般为微调旋钮，可在所选范围内调节，直到显示值为所需频率。频率显示值的单位一般以发光二极管指示。大多数函数发生器的输出频率可以按对数关系或线性关系自动改变，称为扫频输出。输出信号的频率若能按外加输入信号的变化规

29、律自动变化，称外扫描功能。有的函数发生器还具有外计数功能，即可对被测的输入信号进行计数或测频，输入信号的幅度和宽度可以通过旋钮调节。1.3.2 示波器的工作原理示波器是电子电路实验最基本的测量仪器之一，主要用来观察幅度随时间变化的时域信号。1示波器的工作原理示波器的基本工作原理是通过电子束轰击阴极射线荧光屏（CRT）显示周期性变化信号的轨迹波形。在示波器的荧光屏上可以显示X轴和Y轴上的两个信号之间的函数关系。一般X轴输入的信号使电子束出现水平位移，Y轴输入信号使电子束产生垂直位移。所以如果示波器的Y轴信号由被测试的电压控制，X轴信号由仪器内部产生的幅度线性增加的锯齿波电压控制，则电子束在荧光屏

30、上的垂直位移距离取决于被测信号的幅度，水平位移取决于锯齿波信号的幅度。这两个运动的合成轨迹就是被测信号的时域波形。由于锯齿波信号的幅度与时间成线性关系，它使电子束均速地从左到右周期性移动，显示轨迹类似时间坐标，所以又称作时基扫描信号。示波器的显示波形以扫描信号的周期刷新（每个周期一屏），原理如图1-3-1所示。为了能在荧光屏上观察到稳定的波形，希望扫描信号与被测信号同步，即扫描信号不是连续产生，而是在被测信号满足同一特定条件时，锯齿波发生器才被触发产生一个周期的波形。这样，每个锯齿波周期扫描到的是相同的被测信号波形，波形重叠图象稳定，如图1-3-3所示。示波器的触发控制是决定波形能否稳定显示的

31、重要因素，有触发源、触发电平和触发极性三个方面需要选择，当触发源信号的瞬时值达到触发电平并且满足触发极性时触发锯齿波扫描信号。触发极性区分了达到触发电平时触发源信号两个不同的瞬时值。如果锯齿波扫描信号的周期与被测信号成整数倍关系，当扫描信号幅度复零时（图1-3-1中x8时刻），被测信号的瞬时值y8与x0时的瞬时值y0相同，则下一扫描周期的被测信号波形与前一周期的波形重叠，我们观察到的将是一个稳定的显示波形。如果锯齿波扫描周期与被测信号周期不满足整数倍关系（不同步），我们在示波器上观察到的波形将会向左（扫描信号周期大于被测信号周期）或向右（扫描信号周期小于被测信号周期）移动，如图1-3-2所示。

32、为了能在荧光屏上观察到稳定的波形，希望扫描信号与被测信号同步，即扫描信号不是连续产生，而是在被测信号满足同一特定条件时，锯齿波发生器才被触发产生一个周期的波形。这样，每个锯齿波周期扫描到的是相同的被测信号波形，波形重叠图象稳定，如图1-3-3所示。示波器不仅可以观察信号电压随时间变化的情况，也可以测量信号的频率、周期、峰值电压等。如选用示波器性能合适（例如输入阻抗、示波器的灵敏度、频带宽度足够高时），用它几乎可以测量交流电信号的所有参数，如时间、频率、相位、失真系数；调幅系数和调频系数，脉冲信号的高低电平时间，即脉宽、前沿、后沿等。 2示波器的分类随着科学技术的发展，示波器性能不断提高，特别是

33、近年来微电子技术的发展，许多新型示波器都装有微处理器，它不仅能显示信号波形，还能对信号进行处理，用数字显示出被测信号的某些参数，具有自动化和智能化的功能。示波器种类繁多，按用途和性能特性可分三大类:（1）通用示波器 通用示波器包括单通道和多通道两种。其中，多通道示波器有单时基和双时基两类。通用示波器可对单个和多个信号同时测量。(2)存储示波器 存储示波器按其存储原理和方法分两类：模拟记忆（示波管存储）和数字存储示波器。数字存储示波器的原理是先将模拟信号转换为数字信号并保存在存储器中，显示时再从存储器中读出，通过D/A变换恢复成模拟信号波形显示。存储示波器的优点是能捕捉并存储各种瞬间出现的单次信

34、号，使用简单，存储时间长，测量精度高，同时能直接显示数字，如频率、周期、峰值和有效值。存储示波器往往是自动和智能化的，带有与计算机通信的接口，可直接与计算机连机组建成测量系统。(3)特殊用途的示波器 例如测量通信器材的专用示波器，测量电视信号的矢量示波器等。1.3.3 示波器的基本功能示波器的操作面板由信号输入探头、荧光屏CRT、校正信号输出端和控制键组成。荧光屏显示波形的垂直坐标反映了被测信号的幅度大小，其水平坐标表示了相应的时间参数。垂直分八个大格（div），每格的单位值由垂直（电压）灵敏度控制旋钮和探头的衰减倍数决定。水平分10个大格（div），每格的单位值由水平（扫描时间）灵敏度控制旋

35、钮和扫描扩展倍数决定。示波器主要有四部分控制件：显示屏控制、垂直控制（VERTICAL）、水平控制（HORIZONTAL）、触发控制（TRIGGER）。 1显示屏各控制件功能显示屏控制部分有电源开关、聚焦调节旋钮和亮度调节旋钮（调节显示轨迹的粗细和亮度）、轨迹偏转调节旋钮（调节显示轨迹的偏转误差）；校正信号输出端口（输出标准的方波信号供示波器自校正）等。具有显示屏（CRT）直读功能的示波器还有光标控制功能。 CRT读出示波器在测量光标出现时，显示屏左上方可显示两条光标（C1、C2）间的电压差值（V，光标线水平）、时间差值（T，光标线垂直）或频率值（1/T）。光标控制一般有光标移动选择键（选择需

36、要移动的光标）、光标移动旋钮（移动被选中光标的位置）。2垂直部分各控制件功能垂直控制主要调节显示波形的垂直位置和大小。由于双踪示波器可以同时观察两路电信号，所以面板上有两套相同的垂直控件分别控制对应的信号波形。（1）信号输入端口CH1和CH2外接信号输入探头。 探头呈笔形，笔芯的钩状探针接被测信号、笔外的夹子接参考地。两个探头的夹子在示波器内部短接，所以在观察参考地相同的信号时，只需一个夹子接参考地。为安全起见，两个探头的夹子都与示波器电源插头的接地端连通，使用时要注意与交流电源共大地的问题。探头上有衰减开关，可选择输入信号的衰减倍数（10或1）使显示轨迹适宜于观察和测量。通常低频小信号精密测

37、量时选择1档，信号直接输入没有衰减；否则选择10档，信号通过10倍衰减后输入。由于1档探头输入放大器的带宽较窄，所以，当被测信号的频率大于数百赫兹或观测脉冲信号时必须采用10档。（2）输入耦合方式AC、DC、GND GND 不论输入信号幅度多大，荧光屏只显示时间轴基线轨迹。选择该耦合方式时，可以通过调节垂直位移旋钮POSITION确定被测信号显示轨迹的参考位置。 AC 只显示被测信号的变化量，信号中的直流平均分量被滤去。主要用于观察叠加在大幅度信号上的小信号分量或平均值为0的交流信号。DC 完整显示信号，可以测量实时信号的瞬时值，在大多数情况下采用该耦合方式。（3）垂直位移POSITION调节

38、显示波形的垂直位置。在定量测量前，选择耦合方式为GND，可以调节显示光迹在CRT上的参考刻度位置。 （4）电压灵敏度V/div 荧光屏上每垂直大格的信号幅度单位值。在观察信号时，如果显示波形幅度过大，应该降低电压灵敏度（左旋），增加每格的单位值；反之，显示波形幅度太小，则应增加电压灵敏度（右旋），减小每格的单位值。CRT直读示波器的电压灵敏度值在屏幕上直接显示，其他示波器以旋钮刻度指示。（5）电压灵敏度微调VAR微调波形显示幅度的大小。微调作用时影响电压灵敏度指示，所以定量测试时微调作用必须取消（微调旋钮顺时针旋转到底处于校正位置CAL或VAR指示灯灭）。（6）显示方式选择 ：CH1、CH2、

39、CHOP、ALT、ADDCH1、CH2 单踪显示方式。荧光屏上只显示所选通道的信号波形轨迹。主要用于观察一路信号。ALT、CHOP双踪显示方式。主要用于观察、比较两路信号。ALT交替显示方式。荧光屏上按扫描周期交替显示两个通道的信号轨迹，即电子束垂直位移按间隔周期受不同通道的输入信号幅度控制，由于荧光屏的光迹残留和人的视觉效果，可以同时观察到两路信号波形。当扫描频率低于20Hz时，显示轨迹闪烁。所以ALT不适于观察扫描时间选择在5mS以上的低频信号。CHOP断续显示方式。荧光屏上按500kHz的频率分时切换显示两个通道的信号轨迹，即电子束垂直位移按2S的间隔时间受不同通道的输入信号幅度控制，同

40、样利用光迹残留和视觉效果可同时观察两路波形。当扫描频率较高时，显示轨迹可能呈断续状。所以CHOP方式不适于观察扫描时间选择50S以下的信号。ADD叠加显示方式。双路信号输入，但显示轨迹只有一条。荧光屏上显示两个输入信号瞬时值的叠加（或相减）波形。 CH2 INV 信号反相 该键作用时， CH2的信号反相后显示。若垂直显示模式选择 ADD，则显示波形为CH1与CH2的瞬时值之差。3水平部分各控制件功能水平控制主要调节扫描信号的周期以改变显示轨迹的水平位置和疏密度。（1）水平位移调节H- POSITION可以调节显示波形的水平起点位置，一般使之位于显示屏的最左面。（2）扫描时间调节 （时间灵敏度）

41、 Timer/div荧光屏上每水平大格的时间单位值。在观察信号时，如果显示屏信号波形不足一个周期时，可以增加扫描时间单位值（左旋），缩小波形间隔；反之，显示波形过密，则应减小扫描时间单位值（右旋），拉开波形轨迹。CRT读出示波器的扫描时间灵敏度值在荧光屏下方直接显示，其他示波器以调节旋钮的刻度指示。（3）扫描时间微调VAR可微调显示波形的周期大小，微调作用时影响扫描时间灵敏度指示，所以定量测试时微调旋钮必须置于校正位置（CAL）或VAR指示熄灭。（4）水平扩展 MAG可以减小扫描信号周期，相当于显示波形水平扩展（被测信号的周期不变，扫描时间减小，一个周期的信号波形所占的水平格数增加）。扩展倍数

42、一般有5、10、20倍，相当于每阁的扫描时间单位值5、10、20。（5）扩展比较显示ALT MAG （部分示波器具有）该功能作用时同时显示原始信号波形和扩展后的信号波形。（6）X-Y显示方式以一个通道输入的信号幅度控制电子束的水平位移（X），以另一个通道输入的信号幅度控制电子束的垂直位移（Y），从而显示两个信号的函数关系曲线。在电子实验中通常用来测量器件输入、输出电压传输特性或两个相关信号的频率、相位关系（李沙育图形）。4触发控制部分功能触发控制主要根据被测信号选择合适的触发条件，使显示波形稳定。（1）触发模式选择（TRIGGERNING MODE）：AUTO、NML AUTO锯齿波扫描信号无

43、须触发条件自动连续产生。当被测信号没有输入或者触发条件不满足时，可以显示时基扫描线或不稳定波形的轨迹。NML锯齿波扫描信号必须在触发条件满足时才能产生。当被测信号不输入或者触发条件不满足时，锯齿波扫描信号不能产生，荧光屏上没有波形轨迹显示。（2）触发源选择（TRIGGERNING SOURC） 触发源可以选择CH1、CH2两个被测信号中的一个，也可以是电网电源（LINE）、外部扫描信号（EXT）。部分示波器还可以参考垂直显示模式选择（VERT）或者选择视频同步信号（TV）作为触发源。当触发源选择不正确（比如被测信号从CH1端口输入，触发源选择CH2）时，显示波形不能稳定甚至可能无显示轨迹。数字

44、电子基础实验通常根据信号输入通道选择CH1、CH2为触发源或VERT状态。VERT状态时根据显示方式自动切换触发源。当双踪显示时，如果显示方式为ALT，触发源根据扫描周期随显示对象CH1、CH2自动分时切换，可稳定显示两路不同频率的信号波形。但由于两路波形的同一水平坐标没有对应性，所以不能反映两者的相位关系。如果显示方式为CHOP，则可以观察两路同频信号的相位差，但当两路被测信号的频率不成整数倍关系时，显示波形不能同步稳定。（3）触发电平调节（LEVEL）调节与触发源信号比较的直流电平，当触发源信号瞬时值达到该电平并满足触发极性条件时，产生扫描锯齿波。如果触发源为CH1或CH2输入的被测信号，

45、调节LEVEL可以观察到显示波形起点瞬时值（达到触发电平的值）的变化。当触发电平超出触发源信号幅值范围时，触发条件不可能满足，波形轨迹不稳定甚至不显示。所以，当触发源信号幅值过小时，调节LEVEL旋钮无效，必须增加电压灵敏度（减小V/ div）使触发源信号可以达到最小触发电平。（4）触发极性选择（SLOPE）+：上升沿，当触发源信号瞬时值上升达到触发电平时产生锯齿波扫描信号；-：下降沿，当触发源信号瞬时值下降达到触发电平时产生锯齿波扫描信号。改变触发极性，可以观察到显示波形的起点位置不变，但起点后的轨迹变化率不同。1.3.4 示波器的基本测量技术脉冲信号是数字电路中最常见的信号，用示波器可以测

46、量它的特性。为了保证所测参数的精度和正确性，示波器的带宽和上升时间必须满足信号测试要求。 图1-3-4是四个实际的脉冲波形和一个理想的方波脉冲，从图（b、c、d、e）四个信号可以分析脉冲波形的一些特性。 图1-3-4 几种不同类型的脉冲波形 图（a）是一个理想的方波脉冲，理论上脉冲信号可以从0V瞬间上升到UP。但在实际电子电路中，半导体元器件的工作状态切换时间影响了脉冲信号的上升和下降速率，实际的脉冲信号波形一般如图1-3-4（b）所示。在数字电路中通常把信号从10Up 上升到90Up所需的时间称作上升时间，其中Up为脉冲信号的稳态高电平。同理，从90Up下降到10Up所需的时间称作下降时间。

47、 图1-3-4（c）中，脉冲信号的上升幅度超过稳态高电平Up，这种情况称作过冲。若在脉冲上升沿之前出现低于稳态低电平的情况称为前冲。在脉冲电路中，过冲量和前冲量过大都会影响电路的正常工作。脉冲信号从低电平上升到稳态高电平（误差一般限于1以内）所需的时间称作为建立时间，如图1-3-4(d)所示。图1-3-4（e）中脉冲信号的幅度随时间下降，下降的程度用衰减量描述。脉冲信号还可能由于干扰出现无序陡变的尖脉冲，导致数字电路逻辑混乱，破坏电路的正常工作。1信号瞬时参数的测量在定量测量信号时，应该将水平微调和测量通道的电压微调作用取消，使微调旋钮处于CAL的校准位置（或VAR指示灯灭），以便按电压灵敏度

48、“V/ div”和扫描时间灵敏度“Timer/div”的单位值直接计算被测信号的幅值和周期值。如果只是定性测量，可以适当调节微调作用使显示波形适于观察。如果被测信号是如图1-3-5所示的脉冲波，选择探头衰减10倍，并按以下步骤定量测试其各项参数。（1）调节信号零位选择该信号通道的输入耦合方式为“GND”，显示的信号轨迹为一条水平线。调节垂直位移旋钮使信号零位在某一水平刻度线上，假定是图1-3-5中的V1。（2）调节信号波形选择输入耦合方式为“DC“，调节电压灵敏度使波形便于测量。（3）信号瞬时值测量根据显示轨迹上某点与信号零位的垂直距离可以测量信号瞬时值。计算公式为 某点瞬时值 = 电压灵敏度

49、（V/div）垂直距离（大格数）探头衰减倍数如果电压灵敏度为0.1V/div（每大格0.1V），则图1-3-5脉冲波的低电平UL=0.1V/div0.3格100.3V；高电平UH=0.1V/div4.8格104.8V（4） 时间参数测量 根据显示波形两点间的水平距离可以测量信号的周期T或占空比q。计算公式为某两点间的时间值 = 时间灵敏度（Timer/div）水平距离（大格数）水平扩展倍数MAG如果扫描时间灵敏度为0.1 mS/div（每大格0.1V），没有启用水平扩展功能。由于图1-3-5脉冲波低电平的水平距离为3格、高电平的水平距离为5格，所以脉冲信号周期为 T = 0.1 mS/div(

50、3+5)格1=0.8mS信号占空比为q根据信号频率与周期的关系，可计算得该信号频率为1.25kHz。若被测信号的频率较高，信号周期太小不便测量，可测量n个信号周期的时间值，再将所测时间值取倒数乘以n。当需要观察信号边沿的变化情况时，可选择水平扩展功能，然后将测量所得的时间值除以扩展倍数。比如希望了解图1-3-5中脉冲信号的上升和下降速率，可选择MAG “ 10”，使波形显示的水平距离扩展10倍。再调节水平位移旋钮，使要观察的局部轨迹处于显示屏的适中位置。如果水平灵敏度仍为0.1 mS/div，扩展10倍后观察到信号从10%UH上升到90%UH的水平间隔为0.2格，则上升时间为2S。2两个相关信

51、号的时间差或相位差的测量：在模拟电路中经常需要测量两个同频率电信号的相位差，在数字电路中更需要观察的是电路中各信号的时序关系，例如逻辑电路的延迟时间、触发器的触发特性等。因此，双踪示波器的一个重要功能就是测量相关信号的相对时间关系。根据两个相关信号的频率选择合适的扫描时间灵敏度，并根据扫描速度的快慢将显示方式开关置于“ALT” （交替）或“CHOP”（断续）的位置。选择参考信号（时间或相位关系的比较对象）的输入通道为触发源，调节电平旋钮使信号波形稳定同步。根据两个波形测量点间的水平刻度差，用类似测量信号周期的方法计算两者的时间差或相位差。图1-3-6是用示波器显示的双相时钟脉冲A、B的信号波形

52、,如果时间灵敏度选择为0.2S/div，没有采用水平扩展（MAG=1），则两相时钟的周期都是1.2S。由于两路信号的上升沿时间相差2格，显然B信号滞后于A信号0.4S。两者的相位差等于（时间差/信号周期）360，所以图1-3-6两信号的相位差为 从计算过程我们不难发现，由于两相信号的水平灵敏度相同，所以在计算中可不考虑水平灵敏度，直接根据A和B信号的水平格数差和信号周期的格数就可计算两者的相位差。图1-3-6 用示波器测量脉冲信号的相位差根据示波器的显示原理，水平扫描线是从左向右移动，因而先出现的光点在左面，图1-3-6中B波形的上升沿在A波形上升沿的右面，说明B比 A延迟，所以B信号滞后于A

53、信号120，或者说A信号超前于B信号120。3信号交流分量的测量电信号一般都含有交流和直流两种成分，当只关心被测信号的变化程度时，可采用交流耦合方式测量其交流成分。比如用示波器测量开关电源的纹波系数（开关电源输出直流电压的微变程度）时，直流电压的幅度较大（假定为12V），而叠加在直流电压上的交流纹波很小（为毫伏级）。如果信号输入采用直流耦合方式（DC），为保证信号瞬时值轨迹不超越显示屏范围，显示屏的垂直单位值必须较大（至少每大格的电压值为2V）。这样，毫伏级的纹波信号根本无法观察。如果选择信号输入的耦合方式为交流方式（AC），则被测信号中的直流分量全部被滤去，只显示变化的纹波信号，电压灵敏度就

54、可以选择为每格毫伏级的单位值。 4电压增益测量 图1-3-7 测量电路增益的仪表连接图 1-3-8 示波器显示波形 电路的电压增益是电子技术中经常需要测量的内容。通常采用如图1-3-7所示的连接方法进行测量。图中采用双踪示波器，若A通道测量被测电路的输入信号Ui，B通道测量被测电路的输出信号Uo，这时只需分别测量两个信号的峰值Uim和Uom，然后，根据电压增益AUUom/Uim即可计算电路的电压增益值。如果示波器显示的波形如图1-3-8所示，且CH1通道的灵敏度5mV/div，探头衰减倍数为1档；CH2通道的灵敏度0.05V/div，探头衰减倍数为10档，可以计算得电压增益为5调幅信号的测量

55、调幅信号是指频率受高频正弦载波控制、幅值受低频正弦调制的信号，比如收音机中处理的就有调幅信号。调幅信号的函数关系可表示为 U(t)UC(1+ Ua sinat)sinCt 式中UC是载波信号幅值，Ua是调制波信号幅值，C是载波信号角频率，a是调制波信号角频率。由函数式可知调幅波的最大幅值Umax为UC+ Ua、最小幅值Umin为UC- Ua。Ua与UC之比反映了调制深度，称调幅度或调制系数，用MA表示。多数情况下MA1，若MA1，称作过调制。调幅信号可用示波器测量并计算求得调幅度。图1-3-9是示波器观察到的一个调幅信号，调幅信号的峰值包络轨迹反映了调制波的变化规律。测量调幅信号的最大幅值Um

56、ax和最小幅值Umin可计算调幅度MA： 图1-3-9 调幅信号波 6 两个信号函数关系的测量在数字电子实验中，经常要测量两个信号之间的函数关系，比如电路或电子元器件的输入、输出电压传输特性。利用示波器X-Y显示方式可以很方便地实现信号函数关系的测量。 图1-3-10是测试电路传输特性时示波器与被测对象的电路连接图。被测电路输入幅值随时间线性增加、并且周期性变化的锯齿波信号。示波器的X通道观察被测电路的输入信号Ui、Y通道观察电路的输出信号Uo，显示选择X-Y方式。测试前先选择示波器的输入耦合方式都为“GND”，调节两个通道的位移旋钮使显示坐标原点在示波器显示屏的合适位置。然后改变输入耦合方式

57、都为“DC”，调节电压灵敏度（电压值/格）使显示轨迹便于观察。图1-3-11是TTL与非门的电压传输特性曲线。如果坐标原点是调节在屏幕左下原点位置，电压灵敏度都调节为0.5V/div，则显示曲线表示了该与非门的输出高电平UOH为3.6V；输出低电平UOL为0.2V；对应最小输出高电平UOHmin（2.4V）的是最大输入低电平Uimax（或称关门电平Uoff），约为1.2V；对应最大输出低电平UOLmax（0.4V）的是最小输入高电平（或称开门电平Uon），约为1.5V。显然，X轴输入的锯齿波幅值变化范围为05V， 1.4 测量误差及数据处理测量是人类认识自然和改造自然的重要手段之一。通过测量可

58、以获得客观事物的数量信息，总结出普遍规律，建立起各种定理定律。可以说，测量是打开自然科学宝库的一把钥匙。在科学实验中，正确、科学地测量就显得更加重要。在实验中要培养学生严肃的科学态度，对测量方法及测量数据都要认真记录。测量的结果可以用数字、表格、图形和数学关系式等表示。但无论哪一种形式，测量结果都必须包含一定数值（符号和大小）以及相应的单位。没有注明单位的测量结果是毫无价值的。例如直流电流是0.32A，直流电压是5.02V等，少数测量结果表面上无单位，实际是两个有单位之比，例如放大器增益A126，或A42db。在测量过程中，由于对被测物体的认识不足，测量仪器不准确或测量方法不完善等原因，不可避

59、免存在着数据误差，使测量数据不完全等于被测量的真值。不同的测量任务，对测量误差要求也不完全相同。例如在卫星运行、导弹飞行中，对测量精度要求极高；而一般电子电路的认证实验对测量精度的要求可能就低得多。本节主要讨论测量误差的基本原理及数据处理方法。1.4.1 误差的定义测量误差就是测量结果与被测量的真值之间的差别，通常误差有：绝对误差、实际相对误差和满度相对误差三种不同的表示方法。1 绝对误差X测量所得值X和被测量真值X0之间的差，称为绝对误差。 X=X-X0 （1-4-1）在实际测量中被测真值X0很难得到，通常把高一级测量精度的（最高级为0.1）测量仪表所测得的值看作为被测量真值。2. 实际相对

60、误差0绝对误差X与被测量实际值（或真值）X0的百分比。 0=X/X0 100% （1-4-2）在进行严格的误差分析时，经常采用实际相对误差作为测量指标。3. 满度相对误差m测量的绝对误差X和测量仪表的满度值Xm之比，称作为满度相对误差。 m=X/Xm 100% （1-4-3）满度相对误差m的分母是满度值Xm，所以m不会大于实际相对误差。根据国家标准GB776-65电工测量仪表通用技术条件规定，电工仪表分七级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级。例如0.5级电表表示满度相对误差为0.5%。为减小相对误差，应选择合适的仪表量程，使测量时表头指针偏转能超过二分之一量程。1.4.2 数据的处理为了反映真实的测量结果，经常需要从测量所得的众多原始数据中求出被测量对象的特征数据，例如被测振荡器的频率、幅度或被测电路的输入输出阻抗、传输特性等。这就需要对测量数据进行处理。数据处理的内容主要是根据误差理论对原始数据进行整理、计算、分析、去伪存真，最后求得测量结果。测量结果通常以数据、表格、曲线或数学表达式来表示。1 有效数字及其舍取规则由于受测量仪器、测量环境、测量方法等诸多因素的影响，测量数据一般是被测量的近似值。另外，若在计算过程中遇到等无理数，计算结果也是近似值。因而表示测量结果的数字通常由可靠数字和欠准数字两部分组成。例如测得