测控电路实验指导书

1、测控电路实验指导书王月娥 编写电子工程与自动化学院目 录实验一 典型放大器的设计···········································&#

2、183;················5实验二 精密检波和相敏检波实验······························

3、3;·······················8实验三 信号转换电路实验························

4、83;···································12实验四 细分电路实验············

5、83;·················································

6、83;·14测控电路课程实验教学大纲一、制定实验教学大纲的依据根据本校2011级本科指导性培养计划和测控电路课程教学大纲制定。二、本实验课在专业人才培养中的地位和作用测控电路是测控技术与仪器专业专业任选课。电路实验技能是从事测控行业工作者的一项基本功。本实验课的教学目的就在于加强学生对测控电路课程有关理论知识的掌握以及测控电路实验技能和实验方法的训练。三、本实验课讲授的基本实验理论1、如何基于集成运算放大器设计模拟运算电路、电桥放大器以及仪用放大电路。2、幅度调制与解调电路的原理。3、信号转换电路原理。4、电阻链细分电路的原理。四、本实验课学生应达到的能力1、培养学生独立分析电路的能

7、力。2、培养学生独立设计、搭接电路的动手能力。3、培养学生使用典型电工电子学仪器的技能。4、培养学生处理测量数据和撰写实验报告的能力。五、学时、教学文件学时：本课程总学时为32学时,其中实验为8学时,占总学时的25%。六、实验考核办法与成绩评定根据学生做实验的情况及实验报告，由指导教师给出成绩，成绩按优、良、中、及格、不及格五档给分。以15%的比例计入课程总成绩。七、仪器设备及注意事项注意事项：注意人身安全，保护设备。八、实验项目的设置及学时分配序号实 验 项 目学时实验类型要求适用专业1集成运算放大器的设计性实验2设计必做测控技术与仪器2幅度调制与解调电路实验2设计必做测控技术与仪器3信号转

8、换电路2设计必做测控技术与仪器4细分电路2验证必做测控技术与仪器制 定 人：审 核 人：批 准 人：注意事项 为了顺利完成实验任务，确保人身、设备的安全，培养学生严谨、踏实、实事求是的科学作风和爱护国家财产的优秀品质。要求每个学生在实验时，必须注意如下事项： 一、实验前必须充分预习，认真阅读实验指导书，明确实验任务及要求，弄清实验原理，拟定好实验方案，做好分工。 二、使用仪器设备前，必须熟悉其性能，预习操作方法及注意事项，并在使用时严格遵守操作规程。做到准确操作。 三、实验接线要认真检查，确定无误方可接通电源。初学或没有把握时，应请指导教师审查同意后再接通电源。使用过程中需要改线时，需先断开电

9、源，才可拆、接线。 四、实验中应注意观察实验现象，认真记录实验结果（数据、波形及其它现象）。实验记录经指导教师审阅签字后，才可拆除实验线路。此记录应附在实验报告后，作为原始记录的依据。 五、实验过程中发生任何破坏性异常现象，（例如元器件冒烟、发烫有气味或仪器设备出现异常），应立即切断电源，保护现场，及时报告指导教师，不得自行处理。等待查明原因、排除故障、教师同意后，才能继续进行实验。如发生事故，应自觉填写事故报告单，总结经验，吸取教训。损坏仪器、器材，要服从实验室和指导教师对事故的处理。 六、实验结束后，关掉仪器设备的电源开关，再拉闸，并将工具、导线、仪器整理好，方可离开实验室。 七、遵守实验

10、室纪律，注意保持实验室整洁、安静。不做与实验内容无关的事。 八、进行指定内容之外的实验，要经过指导教师的同意。不得乱动其他组的仪器设备、器材和工具。借用器材如有损坏、丢失，要按实验室规定赔偿。 九、实验后，应按要求认真书写实验报告，并按时交给教师。 十、每次实验结束，学生轮流协助实验室打扫卫生和整理仪器。以增强参与管理意识。实验一 典型放大电路的设计一、实验目的1. 掌握仪用放大电路的构成及特点。2. 掌握电桥工作原理，放大器性能。3. 掌握自举式高输入阻抗放大电路的构成和特点。二实验内容1双运放高共模拟制比电路。2. 单臂电桥实验。3. 高输入阻抗同相交流放大电路。三实验原理1. 电路模块的

11、功能（1）双运放高共模拟制比电路：传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压，一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，抑制能力不仅与外接电阻对称精度有关，也与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100120dB。（2）电桥放大器：电桥电路不仅可精测电阻，而且可用于测量电感、电容、频率、压力、温度、形变等许多物理量，并广泛地应用于自动控制之中。电参量式传感器经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并通过运算放大器作进一步的放大。（3）高输入阻抗电路： 有些传感器（如电容式、压电式）的输出阻抗很高，可达

12、108以上，这就要求对测量放大电路具有很高的输入阻抗。在要求较高的场合，可采用高输入阻抗集成放大器或采用集成运算放大器组成的自举电路组成高输入阻抗电路和传感器进行匹配。2. 电路实验原理（1）高共模抑制比电路的原理（本实验做双运放高共模抑制比放大电路）电路如图1-1所示。对理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：其中R7=R1R2，R5=R3R4R6。当，Ui1=Ui2时，输出电压为零，共模信号得到了抑制。Ui1Ui2UO图1-1 高共模抑制比电路 （2）单臂电桥放大电路的原理图1-2 差动电桥放大电路图1-2所示，是把传感器电桥两输出端分别与差动运算放大器的两输入端相连，构成差动输

13、入电桥放大电路。当R5=R6 若运算放大器为理想工作状态，即，可得 由上式可知，电桥一个桥臂的电阻变化时，电路的电压放大倍数不是常量，放大倍数和电位器的值有关。 图1-3 高输入阻抗电路（3）高输入阻抗电路的原理交流电压跟随电路，由于它们的同相输入端接有隔直电容C1的放电电阻R（R1+R2），因此电路的输入电阻在没有接入电容C2时将减为R。为了使同相交流放大电路仍具有高的输入阻抗，可采用反馈的方法，通过电容C2将运算放大器两输入端之间的交流电压作用于电阻R1的两端。由于处于理想工作状态的运算放大器两输入端是虚短的（即近似等电位），因此R1的两端等电位，没有信号电流流过R1，R1可以看作是无穷大

14、，为了减少失调电压，反馈电阻R3应与R（即R1+R2）相等。四实验装置1.±5V直流稳压电源；2.测控电路实验板；3.双踪示波器；4.直流电压表；5.信号源。五实验方案及实验结果分析实验前熟悉相应的实验单元，认清实验单元的信号输入及输出端口，把±5V直流稳压电源接入“测控电路实验板”±5V的插孔。（注：切忌正负电源极性接反和输出端短路，否则将会损坏集成块）。1. 电桥放大电路 电桥的电源U接2V，调节电位器RW，测量电桥放大电路的输出电压。表1-1RW（）UO（V）放大倍数2. 高共模抑制比电路 （1）在“测控电路”实验板上找到相应的实验单元，信号输入端接地，进行

15、调零。 （2）测量差模电压放大倍数：单端输入，V1=5mV，f=1KHz的输入信号，测量输出电压VO的值。（3）测量共模电压放大倍数：双端输入，V1=5mV，f=1KHz的输入信号，测量输出电压VO的值。（4）在Ui1及Ui2的两端输输入幅值为2V、频率为1KHz的正弦波信号，测量相应的U0，并用示波器观测U0与Ui的幅值及相位关系，将结果记入下表中。表1-2Ui(V)UO(V)Ui波形UO波形UO与Ui的关系 （5）设计合适的高共模抑制比测量电路，测量该实验电路的共模抑制比。 3. 自举组合电路（1）在“测控电路”实验板找到相应的实验单元，在Ui输入正弦波信号，测量相应的U0，并用示波器观测

16、U0与Ui的幅值及相位关系。（2）将结果记入表下表中。 表1-3Ui(V)UO(V)Ui波形UO波形UO与Ui的关系（3）设计合适的测量方法，测量该电路的输入阻抗。（4）引起该电路高输入阻抗的元件是电容C2，分析有它和无它对电路输入输出关系的影响。六 实验报告1. 整理实验数据，将理论计算结果和实测数据相比较，得出实验结论。2. 分析讨论实验中出现的现象和问题。3. 回答思考题4. 总结与体会七 思考题1. 考虑有无自举模块的差异。2. 计算高输入阻抗放大器输入阻抗并与理论值进行比较。3. 测量仪用放大电路的共模抑制比并与理论值进行比较。实验二 精密检波和相敏检波实验一实验目的1. 掌握差动变

17、压器的基本结构及原理，通过实验验证差动变压器的基本特性。2. 了解信号调制/解调的基本工作原理。3. 掌握精密全波整流电路的构成及工作原理。4. 掌握相敏检波电路的构成及工作原理。二实验内容1. 精密线性检波电路的实验2. 相敏检波电路的实验三、实验原理在精密测量中，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，往往还有各种噪音。而传感器的输出信号一般很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测量电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪音，往往给测量信号赋以一定特征，这就是调制的主要功用。从已经调制的信号中提取反映被测量的测量信号，这一过程称为解调。图2-1 精密全波整流电路1. 精密全波整流

18、电路实验工作原理高输入阻抗全波精密检波电路如图2-1所示，它采用同相端输入。当us>0时，D1导通，D2截止，则电路输入输出关系：uo=us。当us<0时，D2导通，D1截止，取R1=R2=R3=R4/2。这时N1的输出为： uo=-us 。（详细的推导关系见教材）2. 相敏检波电路工作原理 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。相敏检波与包络检波在功能上的主要区别是前者能够鉴别调制信号相位，以判别被测量变化的方向，同时还具有选频的能力，以提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号，有了参考信

19、号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。设输入信号为，其中是表示被测信号的幅度；是被测信号和参考信号的频率；是被测信号和参考信号之间的相位差。参考信号输入方波信号，其傅立叶级数表示为 ，x(t)与r(t)相乘的结果为+ UcOtusOtuoOt(b)uoUSUcR1VR2R3-+N（a） 图2-2 开关式全波相敏检波电路UcOtuoOtusOt(c)上式中第一项为差频项，第二项为和频项。经过LPF的滤波作用，n>1的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩n=1的差频项为 ,当方波幅度Vr=1时可以利用电子开关实现方波信号与被测信号的相乘过程，这时LPF的输出为 ,如果在相敏检波电路中接入移相

20、电路，使参考信号和被测信号的相位差=0,则LPF的输出为 。电子开关要比模拟乘法器成本低，速度快, 工作也更为稳定可靠。 将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号us再乘以载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。图2-2是开关式全波相敏检波电路。图a中，在UC=1的半周期，同相输入端被接地，US只从反相输入端接地，放大器的放大倍数为-1，输出信号Uo如图b和图c中实线所示。在UC的负半周期，V截止，US同时从同相输入端和反相输入端输入，放大器的放大倍数为+1，输出信号为us。四实验所需部件及注意事项

21、1. 实验所需部件传感器实验箱、差动变压器、电感传感器实验模块、音频信号源、螺旋测微仪、示波器、直流稳压电源（ ±5V ）、万用表、电路实验板。2、实验注意事项（1）在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激励信号的幅度，使之为Vp-p值为2V，不能太大，否则差动变压器发热严重，影响其性能，甚至烧毁线圈。（2）模块上L2、L3线圈旁边的“*”表示两线圈的同名端。（3）实验过程中，外加调制信号幅度不要过大，请按照实验内容及步骤说明部分进行实验，以便得到更好的实验效果。五实验方案及实验结果分析1. 精密全波整流电路实验（1）从函数发生器向测控电路实验板线性精密检波模块提供正弦信号，使用示波

22、器观察精密全波整流电路输入/输出信号，并记录分析。表2-1波形UO与Ui的关系UiUO2. 相敏检波电路工作原理 依照相敏检波电路的工作原理，读懂以下电路图，比较相敏检波的输入输出关系图，记录波形。图2-3 开关式全波相敏检波电路板原理图 表2-2波形测点与Ui的关系UiOUaO UxOUoO3差动变压器的测量电路实验用传感器实验箱差动变压器模块输出的信号作为精密全波整流电路（或相敏检波电路）的输入信号，功率信号发生器输出与差动变压器同频率的方波信号作为载波信号，对差动变压器的信号进行解调，以确定差动变压器所测的非电量信号。连接具体步骤如下： （1）将差动变压器及测微头安装在传感器实验箱的传感

23、器支架上，将“差动式”传感器引线插头插入实验模板的插座中。（2）调节功率信号发生器，使之输出频率为4-5KHz、幅度为Vp-p=2V的正弦信号，并用示波器的CH1监视输出。图2-4 差动变压器连接示意图（3）将功率信号发生器的功率输出端接“差动变压器实验”单元激励电压输入端，把“差动变压器实验”单元的输出端3、4接入示波器的CH2，同时接入交流毫伏表。（4）旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小，这时可以左右移动旋动测微头，假设其中一个方向为正位移，另一个方向为负位移，从Vp-p最小开始旋动测微头，每0.2mm从交流毫伏表上读出输出电压Vp-p值，填入下表2-3，再从Vp-p最小

24、处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。表2-3 差动变压器位移X值与输出电压数据表V(mV) X(mm)（5）将差动传感器输出的信号接到实验板检波电路的输入端U1，通过示波器观察输入输出波形，并记录到表2-4。 表2-4波形UO与Ui的关系U1UO（6）设计峰值检波电路，旋动测微头，观察螺旋测微仪的距离和峰值检波输出的电压，并记录到表2-5，画出电压与距离的关系曲线。表2-5 差动变压器位移X值与峰值检波输出电压数据表V(mV) X(mm)（7）设计低通滤波电路，将精密检波电路的输出连接低通滤波器输入端，测量通滤波器的输出端信号并记录2-6，对比调制前的输入

25、信号和解调后的输出信号。（6）（7）选做一个。表2-6 差动变压器位移X值与输出电压数据表V(mV) X(mm) （8）整理实验数据，分析各个电路模块的作用，分析各点波形，写出实验报告。六、思考题1 电路调制中，如何设计乘法器电路？2 电路解调中，如何设计相敏检波电路？3 精密全波整流电路中的各个电阻应满足怎样的匹配关系。实验三 信号转换电路一、实验目的1、学习电压-频率变换器的电路组成、工作原理和调试方法。2、学习电流一电压变换器的电路组成、工作原理和调试方法。3、熟悉运算电路的应用和调试方法。二实验内容1. 压频转换实验2. I/V转换实验三、实验原理1. F/V转换F/V转换器具有占用总

26、线数量少，易于远距离传送，抗干扰能力强等优点。因此，作为数/模转换的新技术，F/V转换技术使用越来越广泛。频率电压转换的工作原理：将各种形式的频率（或周期）信号，如正弦波，三角波，扫描波等，变化成矩形波，然后经滤波后得到与频率信号成正比的直流电压。LM13l系列芯片可用作F/V转换器，它的外接电路如下图5-2所示。输入比较器的同相输入端由电源电压U经R1、R2分压得到比较电平U7(取U70.9U)，定时比较器的反相输入端由内电路加以固定的比较电平U_2U/3。图3-1 LM131F/V转换电路原理图当没有负脉冲输入时，u6UU7,U1“0”。RS触发器保持复位状态，“1”。电流开关S与地端接通

27、，晶体管V导通，引脚5的电压u5uct0。当输入端有负脉冲输入时、其前沿和后沿经微分电路微分后分别产生负向和正向尖峰脉冲，负向尖峰脉冲使u6<U7,U1“l”。此时U2“0”故RS触发器转为置位状态, “0”。电流开关S与1脚相接，对外接滤波电容CL充电，并为负载RL提供电流，同时晶体管V截止,U通过Rt对Ct充电，其电压Uct从零开始上升，当u5UctU_时，U2“1”，此时u6已回升至u6U7，U1=“0”，因而RS触发器翻转为复位状态, “l”。S与地接通，流向地，停止对CL充电，V导通，Ct经V快速放电至Uct0，U2又变为“0”。触发器保持复位状态，等待下一次负脉冲触发。综上所

28、述，每输入一个负脉冲，RS触发器便置位，对CL充电一次，充电时间等于Ct，电压uCt从零上升到U_2U/3所需时间t1。RS触发器复位期间，停止对CL充电,而CL对负载RL放电。根据Ct充电规律，可求得t1为 t1=RtCt31.1RtCt （3-1）提供的总电荷量Qs为 （3-2）的一个周期内，RL消耗的总电荷量根据电荷平衡原理，可求得输出端平均电压为 （3-3）从上式可见，电路输出的直流电压与输入信号的频率成正比例，实现频率电压转换功能。四、实验步骤1.压频转换电路原理图图3-2 压频转化电路原理图 电路原理在前面已经介绍，图3-2是实验板上的电路图。2. F/V转换电路测试分析参照F/V

29、转换电路，其工作原理在前面已有详细分析，F/V的关系式为 式中，Rs=12K，Rt=6.8k,Ct=0.01uF,RL=100k;则，实验测试结果实际值及理论值记入表3-1。据表3-1画出频率-电压关系曲线。表3-1 F/V转换电路测试结果值输入fi(KHz)12345678910输出uo实际值(V)输出uo理论值(V3.电流与电压转化电路实验自行设计电流与电压转换的电路，并画出转换曲线。表3-2 I/V转换电路测试结果值输入I（mA）12345678910输出V实际值(KHz)输出V理论值(KHz)五、思考题1. 分析频率-电压测试输出结果的实际值与理论值误差的原因。2. 总结实验过程，说明

30、集成运放在自动测量和控制中的作用实验四 四细分辨向实验一、实验目的1深入了解直传式细分的工作原理。2学会四细分辨向电路的细分过程及方法。3. 掌握细分电路的测试方法。二实验内容 1. 四细分辨向电路实验。 2. 方波相位差90°电路实验。二、实验原理 细分电路在机械和电子等领域有着广泛的应用，信号的细分和辨向主要是针对测控系统中广泛应用的位移信号，例如来自于光栅、感应同步器、磁栅、容栅和激光干涉仪等信号的细分。这类信号的共同特点是：信号具有周期性，信号变化一个周期就对应一个固定的位移量。测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数，则仪器的分辨

31、力就是一个信号周期所对应的位移量。为了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路。信号细分电路又称插补器，是采用硬件电路的手段对周期性的测量信号进行插值来提高仪器分辨率的一种方法。细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。随着电子技术的飞速发展，细分电路可达到的分辨力越来越高，同时成本缺不断降低，电路细分已经成为人们提高仪器分辨力的主要手段之一。1.原理四细分辨向电路为最常用的细分辨向电路，输入信号具有一定相位差(通常为90°)的两路方波信号。细分的原理基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿

32、，通过对边沿的处理实现四细分辨向是根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据 。（1） 相位差90°的两路信号产生电路图4-1 由D触发器和JK触发器组成的90度方波移相器UiUoaUob图4-2 90度方波移相器波形图本方案原理是利用这一系列触发器的边沿触发特性。74LS74是上升沿D触发器，而74LS112则是下降沿JK触发器。74LS112芯片中有两个JK触发器，每个触发器有信号输入端J、K时钟输入端CP，异步置0端和异步置1端。和的优先权高于J、K和CP，当 和为高电平（无效）时，电路才具有JK触发器的特性，而且是CP下降沿触发。其特征方程可写成。要从JK触发器转化为

33、D触发器则是一件很容易的事情，只要在JK触发器的K端接至反相器的输入端，反相器的输出端接至JK触发器的J端就构成了下降沿的D触发器。实践证明，要实现本方案较为简单。实验得到的波形关系见图4-2。（2）单稳四细分辨向电路DG7&&&&&&&&UO1DG5UO2DG10R1&&1&&11A1DG1C1R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6ABBBAAA¢A¢1B¢B¢B¢A¢A¢A¢B¢B¢

34、;B¢1A图4-3 单稳四细分辨向电路DG3图4-3为单稳四细分辨向电路。它是利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。A、B是两路相位差为90°的方波信号， 传感器正向移动时和传感器反向运动时波形图分别见图4-4传感器正向移动时，设A导前B(波形见图4-4a)，当A发生正跳变时，由非门DG1、电阻R1、电容C1和与门DG3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A¢，此时为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，由于B为低电平，与或非门DG10无计数脉冲输出。当B发生正跳变时，由非门DG6、电阻R3、电容C3和与门DG8组成的单稳触发器输出窄脉冲信号B¢，此时A为高电平，DG5有计数脉冲输出，DG10仍无计数脉冲输出。当A发生负跳变时，由非门DG2、电阻R2、电容C2和与门DG4组成的单稳触发器输出窄脉冲信号，此时B为高电平，与或非门DG5有计数脉