测控电路实验指导书.docx
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测控电路实验指导书
电气工程学院
测控电路
实验指导书
王武编写
适用专业:
测控技术与仪器
贵州大学
二OO四年六月
前言
一、实验目的:
测控电路是一门工程技术基础性质的课程,因此实验方法的学习是本门课教学过程中的一个必不可少的环节。
其目的为:
(一)依据理论课的内容对重要的原理加以验证,巩固和加深所学的理论知识,使学生更深入,形象地理解掌握所学知识。
(二)熟悉典型测控电路的特性。
(三)熟悉电子线路的调试技术。
(四)学会处理实验数据,分析实验结果,编写实验报告;培养严谨、实事求是的科学作风,并从实验结果中分析出正确结论。
(五)学会查找实验故障,并排除故障。
(六)培养科学的工作态度,即认真地按要求完成操作。
做到细致、周密,并勤于动手,善于思考。
二、实验要求:
(一)进入实验室以前,必须复习与此次实验的有关理论知识。
了解本次实验的实验目的、原理、内容、仪器及注意事项等,并完成理论分析与计算,并做好预习报告。
(二)进入实验后,首先认真检查仪器、设备是否齐全、完好。
(三)实验中遇有异常气味和危险现象时,应立即切断电源并通知指导教师,只有在找出故障后方可继续实验。
实验室规则
1进入实验室后,按预先编号小组进入相应实验台,自觉遵守纪律,做实验时不得大声喧哗和打闹,不准做其他有碍实验的活动。
进行实验时,如违反实验室各项规定,指导教师有权停止实验。
2实验时一定要亲自动手,独立操作,对实验数据与波形要认真、实事求是地做以记录,善始善终。
对无故缺课者原则上不予补做,并以实验不及格处理。
3测量数据和使用仪器时应注意设备及人身安全,要特别小心,防止触电故事的发生。
4要以主人翁的态度爱护实验设备、仪器、仪表,按操作规程使用,不得无目的乱旋乱开,不得乱动与本次实验无关的仪器、设备。
对违章使用造成仪器、仪表损坏者,视情节轻重按学校的有关规定严肃处理。
目录
1、实验一:
开关式全波相敏检波电路·········································································4
2、实验二:
有源滤波器设计······················································································6
3、实验三:
压力测量仪设计······················································································12
3、实验报告基本内容要求····························································································16
4、实验报告格式··········································································································17
实验一:
开关式全波相敏检波电路
实验学时:
2-4
实验类型:
验证
实验要求:
必修
一、实验目的
1.熟悉和掌握相敏检波器的工作原理。
2.验证相敏检波器的检幅特性和鉴相特性。
二、实验内容
验证相敏检波器的检幅特性和鉴相特性。
三、实验原理、方法和手段
实验参考电路图
采用电路仿真软件仿真电路运行结果。
四、实验组织运行要求
采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
五、实验条件
PC机及Proteus软件或MultiSim软件。
六、实验步骤
将音频振荡器的输出信号(00)接至相敏检波器的输入端
(1)。
1.参考信号为直流电压
⑴将直流稳压电源+2V接入相敏检波器参考信号输入端(4),用双踪示波器测试相敏检波器输入端
(1)和输出端(3)的波形。
⑵将直流稳压电源-2V接入相敏检波器参考信号输入端(4),用双踪示波器测试相敏检波器输入端
(1)和输出端(3)的波形。
2.参考信号为交流电压
⑴将音频信号00接入相敏检波器参考信号输入端
(2),用双踪示波器观察
(1)~(6)端波形。
⑵将音频信号1800接入相敏检波器参考信号输入端
(2),用双踪示波器观察
(1)~(6)端波形。
3.相敏检波器检幅特性
将相敏检波器的输出端(3)接低通滤波器的输入端,将低通滤波器的输出端接数字电压表。
⑴相敏检波器的输入信号(接
(1))和参考信号(接
(2))同相,改变音频信号的输入幅值Vp-p,分别读出电压表显示的数值填入下表。
输入VP-P
0.5V
1V
2V
4V
8V
16V
20V
输出V0(V)
⑵相敏检波器的输入信号(接
(1))与参考信号(接
(2))反相时,改变音频信号的输入幅值Vp-p,分别读出电压表显示的数值填入下表。
输入VP-P
0.5V
1V
2V
4V
8V
16V
20V
输出V0(V)
4.相敏检波器的鉴相特性
将音频信号接移相器的输入端,移相器电路输出接相敏检波器参考输入端
(2),旋转移相器的电位器旋钮,改变参考电压的相位,音频振荡器输出幅值不变,用示波器观察
(1)~(6)波形,并读出对应的电压表值。
七、思考题
1.什么是相敏检波?
为什么要采用相敏检波?
2.什么是相敏检波器的鉴相特性?
八、实验报告
1.画出该相敏检波器的电路图,并说明该电路的工作原理。
2.画出该实验第三步骤和第四步骤的原理框图。
3.分别画出参考电压与相敏检波器的输入信号同相、反相时
(1)~(6)点的波形图及低通滤波器的输出波形。
4.画出参考电压通过移相器后(差900时),相敏检波器
(1)~(6)点及低通滤波器的输出波形。
5.分别纪录当参考电压与输入信号同相时、反向时,相敏检波器经低通滤波器输出对应输入信号的电压值。
基本内容详见附件6。
九、其它说明
实验二:
有源滤波器设计
实验学时:
2-4
实验类型:
设计
实验要求:
必修
一、实验目的
1.熟悉二阶有源滤波电路幅频特性和相频特性。
2.掌握二阶有源滤波电路的快速设计方法。
3.掌握二阶有源滤波电路的调试及其幅频特性和相频特性的测试方法。
二、实验内容
熟悉二阶有源滤波电路幅频特性和相频特性。
三、实验原理、方法和手段
图中所示为无限增益多路反馈电路的一般形式,请选择适当类型无源元件Y1~Y5,以构成低通滤波器和高通滤波器
1.请设计一个二阶1dB无限增益多路反馈切比雪夫低通滤波器,通带增益Kp=2,截止频率fc=5kHz,画出电路图。
2.请设计一个二阶1dB无限增益多路反馈切比雪夫高通滤波器,通带增益Kp=2截止频率fc=2kHz,画出电路图。
●以上工作请在实验课前完成。
写在实验报告中。
采用电路仿真软件仿真电路运行结果。
四、实验组织运行要求
采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
五、实验条件
PC机及Proteus软件或MultiSim软件。
六、实验步骤
1.按设计所确定的电路参数,在实验接插板上放入器件,连接低通滤波器(注意连接可靠,正确)
2.将信号发生器的输出信号电压幅值调到1V,接入低通滤波器的输入端,并调整信号源的频率,在低通滤波器输出端测量所对应的幅值。
(可用示波器或交流毫伏表测试,并计录输入频率值和所对应的输出幅值,测量10~12点。
)
3.用示波器李沙育图形测试低通滤波器的相频特性,测量10~12点。
4.进行高通滤波器的电路连接及幅频特性和相频特性测试。
测试方法同上。
七、思考题
1.如果将低通滤波器与高通滤波器相串联,得到什么类型的滤波器,其通带与通带增益各为多少?
画出其特性曲线。
也可在实验中予以观测和证实。
2.为构成所得类型的滤波器,对低通滤波器与高通滤波器的特性有无特
定要求。
二者哪个在前有无关系?
八、实验报告
1.复习并掌握滤波器的工作原理,设计方法及应注意问题。
2.画出所设计的低通滤波器、高通滤波器的电路图。
并注明元件参数。
3.画出幅频特性与相频特性测试原理图,说明测试方法与步骤。
4.以表格形式分别给出低通滤波器与高通滤波器的幅频特性与相频特性测试数据,并画出其特性曲线。
基本内容详见附件6。
九、其它说明
1.几种滤波器原理图、幅频特性
2.设计思路
此次课题要求掌握最基本的二阶滤波器快速的设计方法。
要设计RC滤波器,一般采用查表归一快速的设计方法。
使用这种方法,必须满足滤波器条件。
●首先给定要求的截止频率fc;
●增益Kp;
●选取滤波器的类型(切比雪夫型、巴特沃斯型),(低通、高通、带通、带阻);
●选取(一阶、二阶、三阶、四阶、或高阶)滤波器,请参考一些相关资料。
《测控电路》、《精密仪器电路》……然后按下述步骤设计:
(1)先选择电容C1的标称值,电容C的初始值靠经验决定,通常以下面的数据作
参考:
fc≤100HzC=(10-0.1)μF
ƒc=(100-1000)HzC=(0.1-0.01)μF
ƒc=(1-10k)HzC=(0.01-0.001)μF
ƒc=(10-1000k)HzC=(1000-100)pF
ƒc≥100kHzC=(100-10)pF
(2)所选择的电容C1的实际值,再按照下式计算电阻换标系数K
其中ƒc的单位为Hz;C1的单位为μF。
(3)表2-1中查出C1和K=1时的电阻值。
(4)再将这些电阻值靠标称的实际电阻值。
3.设计实例
设计一个二阶无限增益多路反馈1dB切比雪夫型低通滤波器,增益Kp=2,截频(指纹波之间的终止频率)ƒc=5KHz。
设计步骤如下:
按上述快速设计方法得到标称的电容取C=0.01μF,对应的参数K=2,也可以由式
●从下表中查出Kp=2时,电容C1=C=0.01μF,K=1时的电阻值。
R1=2.602KΩ,
R2=5.204KΩ,
R3=8.839KΩ。
●将上述电阻值乘以参数K=2,得:
R1=5.204KΩ,取标称值5.1K+104Ω
R2=10.408KΩ,取标称值10K+408Ω
R3=17.698KΩ。
取标称值15K+2.7KΩ或≈18K
二阶RC滤波器的传递函数表
类型
传递函数
性能参数
低通
Kp—通带内的电压增益
Fc—低通、高通滤波器的截止频滤
F0—带通、带阻滤波器的中心频滤
Q—品质因素,Q
(当BW《放f0时》
BW—带通、带阻滤波器的带宽
高通
带通
带阻
二阶无限增益多路反馈切比雪夫带阻滤波器设计用表
归一化电路元件值(KΩ)
R1(KΩ)
R2(KΩ)
R3(KΩ)
0.796/Q
3.183Q
R2/(4Q2+1)
二阶无限增益多路反馈切比雪夫低通滤波器设计用表
归一化电路元件值(KΩ)
纹波高度
电路元件
增益
1
2
3
4
0.1dB
R1
R2
R3
C1
2.163kΩ
2.163kΩ
1.767kΩ
0.3C
1.306kΩ
2.611kΩ
2.928kΩ
0.1C
1.103kΩ
6.619kΩ
2.310kΩ
0.05C
1.069kΩ
10.690kΩ
2.167kΩ
0.033C
0.5dB
R1
R2
R3
C1
3.374kΩ
3.374kΩ
3.301kΩ
0.15C
2.530kΩ
5.060kΩ
3.301kΩ
0.1C
1.673kΩ
10.036kΩ
5.045kΩ
0.033C
1.608kΩ
16.083kΩ
4.722kΩ
0.022C
1dB
R1
R2
R3
C1
3.821kΩ
3.821kΩ
6.013kΩ
0.1C
2.602kΩ
5.204kΩ
8.839kΩ
0.05C
2.284kΩ
13.705kΩ
5.588kΩ
0.03C
2.213kΩ
22.128kΩ
5.191kΩ
0.02C
2dB
R1
R2
R3
C1
4.658kΩ
4.658kΩ
13.216kΩ
0.05C
3.999kΩ
7.997kΩ
7.697kΩ
0.05C
3.009kΩ
18.053kΩ
8.524kΩ
0.02C
3.113kΩ
31.133kΩ
6.591kΩ
0.015C
3dB
R1
R2
R3
C1
6.308kΩ
6.308kΩ
11.344kΩ
0.05C
6.170kΩ
12.341kΩ
6.169kΩ
0.047C
3.754kΩ
22.524kΩ
10.590kΩ
0.015C
3.617kΩ
36.171kΩ
9.892kΩ
0.01C
二阶无限增益多路反馈切比雪夫高通滤波器设计用表
归一化电路元件值(KΩ)
纹波高度
电路元件
增益
1
2
3
4
0.1dB
R1(KΩ)
R2(KΩ)
C1
1.258
6.669
C
1.51.
11.115
0.5C
1.716
24.453
0.2
1.798
46.684
0.1C
0.5dB
R1(KΩ)
R2(KΩ)
C1
0.756
5.078
C
0.908
8.463
0.5C
1.031
18.619
0.2
1.080
35.546
0.1C
1dB
R1(KΩ)
R2(KΩ)
C1
0.582
4.795
C
0.699
7.992
0.5C
0.794
17.583
0.2
0.832
33.368
0.1C
2dB
R1(KΩ)
R2(KΩ)
C1
0.426
4.889
C
0.512
8.148
0.5C
0.581
17.925
0.2C
0.609
34.221
0.1C
3dB
R1(KΩ)
R2(KΩ)
C1
0.342
5.241
C
0.441
3.736
0.5C
0.467
19.219
0.2C
0.489
36.690
0.1C
二阶无限增益多路反馈带通滤波器设计用表
归一化电路元件值(KΩ)
Q
电路元件
增益
1
2
4
6
8
10
3
R1
R2
R3
4.775
0.281
9.549
2.387
0.298
9.549
1.194
0.341
9.549
0.796
0.398
9.549
0.597
0.477
9.549
0.477
0.597
9.549
4
R1
R2
R3
6.336
0.205
12.732
3.18.
0.212
12.732
1.592
0.227
12.732
1.061
0.245
12.732
0.796
0.265
12.732
0.637
0.289
12.732
5
R1
R2
R3
7.958
0.162
15.915
3.979
0.166
15.915
1.989
0.173
15.915
1.326
0.181
15.915
0.995
0.189
15.915
0.796
0.199
15.915
6
R1
R2
R3
9.549
0.134
19.099
4775
0.136
19.099
2.387
0.140
19.099
1.592
0.145
19.099
1.194
0.149
19.099
0.955
0.154
19.099
7
R1
R2
R3
11.141
0.115
22.282
5.570
0.116
22.282
2.785
0.119
22.282
1.857
0.121
22.282
1.393
0.124
22.282
1.114
0.127
22.282
8
R1
R2
R3
12.732
0.100
25.465
6.336
0.101
25.465
3.183
0.103
25.465
2.122
0.104
25.465
15.92
0.106
25.465
1.273
0.108
25.465
10
R1
R2
R3
15.915
0.080
31.831
7.958
0.080
31.831
3.079
0.081
31.831
2.653
0.082
31.831
1989
0.083
31.831
1.592
0.084
31.831
实验三:
压力测量仪设计
实验学时:
2-4
实验类型:
综合
实验要求:
必修
一、实验目的
(1)使同学们掌握金属箔应变片组成的称重传感器的正确使用方法;了解压力测量仪的工作原理及其在电子天平中的应用。
(2)通过设计、安装、调试电路等实践环节,提高学生的动手能力,提高分析问题、解决问题的能力。
二、实验内容
设计及验证压力测量仪。
三、实验原理、方法和手段
压力测量仪基本原理
压力测量仪由以下五个部分组成:
传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及显示器等组成。
其原理框图如图所示:
压力测量仪组成框图
(1)传感器测量电路
称重传感器的测量电路通常使用电桥测量电路,它将应变电阻值的变化转换为电压的变化,这就是可用的输出信号。
电桥电路由四个电阻组成,如图所示:
桥臂电阻R1,R2,R3和R4,其中两对角点AC接电源电压USL=E(+10V),另两个对角点BD为桥路的输出USC,桥臂电阻为应变电阻。
R1R4=R2R3时,电桥平衡,则测量对角线上的输出USC为零。
当传感器受到外界物体重量影响时,电桥的桥臂阻值发生变化,电桥失去平衡,则测量对角线上有输出,USC≠0。
传感器电桥测量电路
(2)放大系统
压力测量仪的放大系统是把传感器输出的微弱信号进行放大,放大的信号应能满足模数转换的要求。
该系统使用的模数转换是3位半A/D转换,所以放大器的输出应为0V~1.999V。
为了准确测量,放大系统设计时应保证输入级是高阻,输出级是低阻,系统应具有很高的抑制共模干扰的能力。
(3)模数转换及显示系统
传感器的输出信号放大后,通过模数转换器把模拟量转换成数字量,该数字量由显示器显示。
显示器可以选用数码管或液晶显示器。
(4)传感器供电电源
有恒压源与恒流源
对于恒压源供电:
参考图2,设四个桥臂的初始电阻相等且均为R,当有重力作用时,两个桥臂电阻增加△R,而另外两个桥臂的电阻减少,减小量也为△R。
由于温度变化影响使每个桥臂电阻均变化△RT。
这里假设△R远小于R,并且电桥负载电阻为无穷大,则电桥的输出为:
USC=E*(R+△R+△RT)/(R-△R+△RT+R+△R+△RT)-E*(R-△R+△RT)/(R+△R+△RT+R-△R+△RT)=E*△R/(R+△RT)
即USC=E*△R/(R+△RT)式
(1)
说明电桥的输出与电桥的电源电压E的大小和精度有关,还与温度有关。
如果△RT=0,则电桥的电源电压E恒定时,电桥的输出与△R/R成正比。
当△RT≠0时,即使电桥的电源电压E恒定,电桥的输出与△R/R也不成正比。
这说明
恒压源供电不能消除温度影响。
对于恒流源供电:
供电电流为I,设四个桥臂的电阻相等,则
IABC=IADC=0.5I
有重力作用时,仍有
IABC=IADC=0.5I
则电桥的输出为:
USC=0.5I*(R+△R+△RT)-0.5I*(R-△R+△RT)=I*△R即USC=I*△R式
(2)
因此,采用恒流源供电,电桥的输出与温度无关。
因此,一般采用恒流源供电为好。
由于工艺过程不能使每个桥臂电阻完全相等,因此,在零压力时,仍有电压输出,用恒流源供电仍有一定的温度误差。
设计提示
(1)放大电路设计
首先,由于传感器测量范围是0~2Kg,灵敏度为1mV/V,其输出信号只有0~10mV左右;而A/D转换的输入应为0V~1.999V,对应显示0~1.999Kg,当量为1mV/g,因此要求放大器的放大倍数约为200倍,一般采用二级放大器组成。
其次,在电路设计过程中应考虑电路抗干扰环节、稳定性。
选择低失调电压,低漂移,高稳定性,经济性的芯片。
电源电压±12V或±15V。
最后,电路中还应有调零和调增益的环节;才能保证电子电平没有称重时显示零读数;测压力时读数正确反映被测压力。
(2)传感器专用直流稳压电源:
传感器要求的电源是+10V电压。
对于给定的传感器其输入电阻为400Ω;输出电阻为350Ω。
采用恒流源比采用恒压源可以减小非线性误差,因此本实验中要求恒流源供电,即电流在25mA左右的恒流源。
(3)按照要求查阅相关电路和元器件功能的资料,完成传感器恒流源、放大电路A/D转换及显示电路的设计,画出电路图。
(4)电路调试
将+10V电压接到传感器的输入端,测量传感器的输出。
在空载时,传感器的输出应为零,但由于有一个称盘,输出不为零,记下初始数据,然后在称盘上放砝码,测量传感器输出端的变化。
正确的变化应为:
测量0~2Kg,输出电压变化为0~10mV
调零:
当传感器上不放砝码时,放大电路的输出应为零。
若不为零,调整放大器的调零环节,使其输出为零。
定标:
当传感器放上2Kg的砝码时,放大器的输出应为2V。
小于2V或大于2V时应调节放大器的增益。
采用电路仿真软件仿真电路运行结果。
四、实验组织运行要求
采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
五、实验条件
PC机及Proteus软件或MultiSim软件。
六、实验步骤
(1)设计一个电子天平,量程为0~1.999Kg,传感器采用悬臂梁式的称重传感器(悬臂梁上贴有应变片)。
显示电路采用共阳极数码管。
3位半A/D转换电路。
(2)调试电路。
首先对电路进行调零、定标,然后再对电路进行稳定性、漂移(零漂、温漂)、重复性、线性等参数的测试和分析
七、思考题
(1)推导传感器采用恒流源供电与恒压源供电时单臂电桥的输出表达式,及非线性误差,进一步说明恒流源供电的好处。
(2)推导恒压源供电时,单臂电桥、双臂电桥和四臂全桥输出表达式,进一步说明四臂全桥好处。
八、实验报告
1.给出设计过程。
2.写出总结报告。
报告中应包括在调试过程中遇到的问题、改
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