[测控电路]实验指导书

1、测控电路实验指导书 适用专业：测控技术与仪器 重庆科技学院2014年5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。

2、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

3、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 实验一：典型运算放大器电路特性实验4实验二 热电偶测温及三运放电路特性实验6实验三 相敏检波电路实验8实验四：PWM及BUCK电路特性实验特性实验10实验五：有源滤波器设计12实验一：典型运算放大器电路特性实验实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的1熟悉和掌握同相、反相及差分放

4、大器电路的工作原理。2验证上述三种运放电路的直流放大特性。二、实验内容1.分别用同相、反相及差分三种结构，分别设计一个放大倍数为10倍和100倍的电路；2.用仿真软件验证上述三个电路的特性。三、实验原理、方法和手段1.实验参考电路图（自行设计） 2.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Protle软件或MultiSim软件。六、实验步骤1分别设计好同相、反相及差分放大电路，并在仿真软件中画好保存。（运放：LM358）2按放大倍数10倍左右标示好参数，然后输入不同的直流信号，观察不同的输出，记录在下表中：同相：输入V

5、 （mV）510100200300400500输出V0 (mV)反相：输入V （mV）510100200300400500输出V0 (mV)差分：输入V （mV）510100200300400500输出V0 (mV)3按放大倍数100倍左右标示好参数，然后输入不同的直流信号，观察不同的输出，记录在下表中：同相：输入V （mV）151020304050输出V0 (mV)反相：输入V （mV）151020304050输出V0 (mV)差分：输入V （mV）151020304050输出V0 (mV)4观察不同放大电路的交流响应情况（选做题）按放大倍数10和100倍左右标示好参数，然后输入不同的频率的

6、正弦信号（f：10HZ1M，100、1K、10K步进，V P-P：100mV、10mV：），观察不同的输出波形，记录于纸上。七、思考题1.三种典型放大电路输入、输出有什么特性?八、实验报告1画出三种典型放大电路图，并说明该电路的工作原理。2按实验记录数据，画出每个电路的输入输出曲线图。并分析其响应及线性情况实验二 热电偶测温及三运放电路特性实验(请先仔细阅读P39温控仪表操作说明）一、实验目的：1.了解热电偶测量温度的原理与应用2.了解热电偶信号处理电路的设计与应用（特别是三运放组成的放大电路）二、基本原理：将两种不同的金属丝组成回路，如果二种金属丝的两个接点有温度差，在回路内就会产生热电势，

7、这就是热电效应，热电偶就是利用这一原理制成的一种温差测量传感器，置于被测温度场的接点称为工作端，另一接点称为冷端(也称自由端)，冷端可以是室温值也可以是经过补偿后的0、25的模拟温度场。三、需用器件与单元：K型、E型热电偶、温度源、温度控制仪表、数显单元（2000型）或温度控制测量仪（9000型）。 四、实验步骤： 1、将热电偶插到温度源两个传感器插孔中任意一个插孔中，（K型、E型已装在一个护套内），K型热电偶的自由端接到主控箱面板上温控部分的Ek端，用它作为标准传感器，配合温控仪表用于设定温度，注意识别引线标记，K型、E型及正极、负极不要接错。 2、将E型热电偶的自由端接入温度传感器实验模板

8、上标有热电偶符号的a、b孔上，作为被测传感器用于实验，按图11-1接线，热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为正端,接入“a”点。 3、将R5、R6端接地，RW2大约置中，打开主控箱电源开关，将V02端与主控箱上数显电压表Vi端相接，调节Rw3使数显表显示零（电压表置200mv档），打开主控箱上温仪控开关，设定仪表控制温度值T=50，将温度源的两芯电源线插入主控箱温控部分的220V输出插座中。 4、去掉R5、R6接地线，将a、b端与放大器R5、R6相接，观察温控仪指示的温度值，当温度稳定在50时，记录下电压表读数值。 5、重新设定温度值为50+nt，建议t=5，n=110，每隔1n读出

9、数显电压表指示值与温控仪指示的温度值，并填入表11-1。 表11-1： 6、根据表11-1计算非线性误差，灵敏度S。 7、将E型热电偶的自由端连线从实验模板上拆去并接到数显电压表的输入端（Vi）直接读取热电势值（电压表置200mv档），重复上述过程，根据E型热电偶分度表查出温度值（加热源与室温之间的温差值）。 8、计算出加热源的温度，并与温控仪的显示值进行比较，试分析误差来源。 附：热电偶分度表，请参阅实验软件光盘中的热电偶分度表内容。五、思考题 1、热电偶测量的是温差值还是摄氏温度值？ 2、图中所示的放大电路，是否还有更佳的实现办法？六、实验报告1按实验记录数据，画出热电偶的理论及实测分度曲

10、线图（X轴：温度，Y轴：mV值）。并分析其响应及线性情况2画出三运放典型放大电路图，并说明该电路的工作原理。23实验三 相敏检波电路实验一、实验目的：1、了解运算放大器构成的相敏检波器的原理及工作情况2、了解低通滤波器电路原理及特性二、基本原理：相敏检波电路如图（B-1）：输入信号端，为交流参考电压输入端,为输出端，为直流参考电压输入，、为信号监测端。图3-1相敏检波器的电路原理当或端输入控制电压信号时，通过开环放大器的作用使场效应晶体管处于开关状态。从而把端输入的正弦信号转换与控制信号有关的检波信号。三、所需单元和部件：相敏检波器、移相器、音频振荡器、双踪示波器、直流稳压电源、低通滤波器。4

11、、 实验预习分析相敏检波器的电路原理。A、 DC输入(即（4）=2V，（2）=0V)时，（3）端输出情况与(1)端输入的关系如何？B、 DC输入(即（4）=-2V，（2）=0V)时，（3）端输出情况与(1)端输入的关系如何？C、 AC输入(即（4）=0V，（2）=交流信号)时，（3）端输出情况与(1)端输入的关系如何？五、实验步骤：（1）根据图B-2的电路接线，将音频振荡器的信号0输出端输出至相敏检波器输入端，把直流稳压电源2V（-2V）输出接至相敏检波器的参考输入端把示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端和输出端组成一个测量线路。 图 3-2 相敏检波器电路接线图 （2）调整好示波器，开

12、启主控箱电源，音频振动器频率置4KHz，调整音频振荡器的幅度旋钮，使示波器显示电压VP-P=4V，观察输入和输出波形的相位和幅度值关系。 （3）改变参考电压的极性（-2V），观察输入和输出波形的相位和幅值关系。由此可得出结论，当参考电压为正时，输入和输出同相，当参考电压为负时，输入和输出相反。 （4）关闭电源，根据图B-3重新接线，将音频振荡器信号从0输出端接至相敏检波器的输入端，并同时接入相敏检波器的参考输入端，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端和输出端，将相敏检波器输出端同时与低通滤波器的输入端连接起来，将低通滤波器的输出端与直流电压表连接起来，组成一个测量线路（电压表置20V

13、档）。 （5）开启主控箱电源，音频振荡器频率置4KHz，调整音频振荡器的输出幅度（Vp-p），同时记录电压表的读数V0，填入表（B-3）。 图 3-3 相敏检波器电路接线图二表3-1：实验数据记录表VP-P0.51234816VO用示波器比较：相敏检波器、端的波形，分析当输入信号与参考信号同相时为什么会产生上面的波形。 （6）关闭电源，根据图B-4的电路重新接线，将音频振荡器的信号从0端输出至相敏检波器的输入端，180端输出接至移相器的输入端，把移相器输出端接至相敏检波器的参考输入端,把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端和输出端同时与低通滤波器输入端连接起来，将低通滤波器输出端与直流

14、电压表连接起来，组成一测量线路。音频振荡器021移相表相敏检波器示波器低通滤波器电压表V180231 图 3-4 相敏检波器电路接线图三 （7）开启电源，转动移相器上的移相电位器，使其相位相差1800，比较示波器的两个通道的显示波形及电压表的读数V0。 （8）调整音频振荡器的输出幅度（Vp-p），同时记录电压表的读数V0，填入表（3-2）。表3-2 实验数据记录表VP-P0.51234816VO （9）分析一下，当相敏检波器的输入信号与参考端信号相位不同时，为什么会产生上面的波形。 六、思考题： (1)根据实验结果，可以知道相敏检波器的作用是什么？移相器在实验线路中的作用是什么？ （2）在完成

15、第步骤后，将示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端和附加观察端和，分别观察、端波形来回答相敏检波器中的整形电路是起什么作用？信号相位如何？（3）电压表的读数什么时候达到最大值？（4）对图3-4，若1和2处相位相差1500，测出输入VP-P（V）与输出VO的值，填入表表3-3。（提示：测试结果从输入016V，输出变化可能只有0-0.16V的变化。主要原因是相敏特性发生变化所致。可参考教材P3-23图所示）。表3-3 实验数据记录表VP-P0.51234816VO（5） 对图3-4，若1和2处相位相差900，测出输入VP-P（V）与输出VO的值，填入表表3-4。表3-4 实验数据记录表VP-P

16、0.51234816VO（6） 对图3-4，若1和2处相位相差300，测出输入VP-P（V）与输出VO的值，填入表表3-5。（提示：测试结果从输入016V，输出变化可能只有0-0.16V的变化。主要原因是相敏特性发生变化所致。可参考教材P3-23图所示）。表3-5 实验数据记录表VP-P0.51234816VO（7）当Ui=4V，f=4KHZ时，测试相位差变化对输出的影响，测试数据填入表3-6中，并分析其相敏特性。表3-6 实验数据记录表1.2相位差00300600900120015001800VO （8）端输入较高频率的信号，例如1KHz的振动幅度，可以吗？(1)断测量频率的上限受到什么影响

17、？六、实验报告1按实验记录数据，作出相位变化的幅频特性曲线。2画出实验所用的相敏检波电路图，并说明该电路的工作原理。3画出实验所用的低通滤波器电路图，并说明该电路的工作原理。实验三 相敏检波电路实验一、实验目的：1、了解差动变压器测量振动的方法2、了解相敏检波器电路原理及特性3、了解低通滤波器电路原理及特性二、基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。在传感器的初级线圈上接入高频交流信号，当初、次中间的铁芯随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感磁通量发生变化促使两个次级线圈感应电势产生变化，一只次级感

18、应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级线圈反向串接(同名端连接)，在另两端就能引出差动电势输出，其输出电势的大小反映出被测体的移动量。三、需用器件与单元：音频振荡器、低频振荡器、差动变压器实验模板、移相/相敏检波/滤波模板、数显单元、示波器、直流稳压电源，振动源(2000型)或振动测量控制仪（9000型）。四、实验步骤： 1、将差动变压器按图3-5安装在振动台上，并用手按压振动台，不能使差动变压器的活动杆有卡死的现象，否则必须调整安装位置。 2、按图3-6接线，并按以下步骤操作：(1)检查接线无误后，合上主控箱电源开关，用示波器观察音频振荡器Lv端的Vp-p值，调整音频振荡器幅度旋钮使V

19、p-p=4V,频率调整在5KHz。(2)用示波器观察相敏检波器的输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。(3)仔细调节Rw1和Rw2使示波器(相敏检波输出)显示的波形幅值更小，基本为零。(4)用手按住振动平台(让传感器产生一个大位移)仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波的整流波形。(5)松手后，整流波形消失变为一条接近零点的直线(否则再调节Rw1和Rw2)。将低频振荡器信号接入振动源的输入端，调节振动幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振动较为明显，用示波器观察放大器、相敏检波器及低通滤波器的输出端波形。3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（3

20、Hz20Hz），用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰-峰电压值，记下实验数据，填入表（3-3)。表3-3F(Hz)Vp-p(V) 4、根据实验结果作出振动梁的幅频特性曲线，指出梁的自振频率范围值 5、保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，可得到梁的振动振幅值大小。注意事项：低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。五、思考题： 1、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？ 2、如需确定梁的振动位移量（y），还要增加哪一项实验？参考图3-6，接入数显电压表，完成该项实验。 3、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅度，可以吗？差动变压器测量频率的上限受到什么影响

21、？六、实验报告1按实验记录数据，作出振动梁的幅频特性曲线，指出梁的自振频率范围值2画出实验所用的相敏检波电路图，并说明该电路的工作原理。3画出实验所用的低通滤波器电路图，并说明该电路的工作原理。实验四：PWM及BUCK电路特性实验特性实验实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的1熟悉和掌握PWM的原理及应用。2验证BUCK电路特性及应用。二、实验内容1.设计一个PWM控制的BUCK降压电路；2.用仿真软件验证电路的特性。三、实验原理、方法和手段1.实验参考电路图（自行设计） 2.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

22、条件PC机及Protle软件或MultiSim软件。六、实验步骤1设计一个PWM控制的BUCK降压电路，并在仿真软件中画好保存。（开关管选用PMOS，PWM脉冲用仿真软件的信号源产生）2按以下参数，调节PWM占空比，观察不同的输出，记录在下表中：输入电压12V，PWM f = 10K；电感：100uH；滤波电容：470uF，负载电阻：100欧占空比102030405060708090100输出V0 (V)输入电压12V，PWM f = 10K；电感：330uH；滤波电容：1000uF，负载电阻：100欧占空比102030405060708090100输出V0 (V)输入电压12V，PWM f

23、= 100K：电感：100uH；滤波电容：470uF，负载电阻：100欧占空比102030405060708090100输出V0 (V)输入电压12V，PWM f = 500K：电感：33uH；滤波电容：470uF，负载电阻：50欧占空比102030405060708090100输出V0 (V)七、思考题1.BUCK电路输入、输出有什么特性?2.不同频率、不同负载对电容、电感参数的选择影响？八、实验报告1画出典型BUCK电路图，并说明该电路的工作原理。2按实验记录数据，画出每个电路的输入输出曲线图。并分析其响应情况实验五：有源滤波器设计实验学时：2-4实验类型：设计实验要求：选做一、实验目的1

24、. 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-+N+12345uiuo12345678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Y1Y5,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

25、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 1012 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 1012 点。4

26、 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

27、。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。l 首先给定要求的截止频率fc；l 增益Kp；l 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）；l 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：f c 100Hz C = (10-0.1) Fc = (100-1000)Hz C = (0.1

28、-0.01) Fc = (1-10k)Hz C = (0.01-0.001) Fc = (10-1000k)Hz C = (1000-100)pFc 100kHz C = (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c的单位为Hz；C1的单位为F。（3） 表2-1中查出C1和K1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）c = 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 0.01F，对应的参数K2，也可以由式l

29、从下表中查出Kp2时，电容C1C0.01F，K1时的电阻值。R1=2.602 K，R2=5.204 K，R3=8.839 K。l 将上述电阻值乘以参数K=2，得：R1=5.204 K， 取标称值5.1K+104R2=10.408K，取标称值10K+408R3=17.698 K。取标称值15K+2.7K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(K)R1(K

30、)R2(K)R3(K)0.796/ Q3.183 QR2/(4 Q2+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(K)纹波高度电路元件增益12340.1 dBR1R2R3C12.163k2.163 k1.767 k0.3C1.306 k2.611 k2.928 k0.1C1.103 k6.619 k2.310 k0.05C1.069 k10.690 k2.167 k0.033C0.5 dBR1R2R3C13.374 k3.374 k3.301 k0.15C2.530 k5.060 k3.301 k0.1C1.673 k10.036 k5.045 k0.03

31、3C1.608 k16.083 k4.722 k0.022C1 dBR1R2R3C13.821 k3.821 k6.013 k0.1C2.602 k5.204 k8.839 k0.05C2.284 k13.705 k5.588 k0.03C2.213 k22.128 k5.191 k0.02C2 dBR1R2R3C14.658 k4.658 k13.216 k0.05C3.999 k7.997 k7.697 k0.05C3.009 k18.053 k8.524 k0.02C3.113 k31.133 k6.591 k0.015C3 dBR1R2R3C16.308 k6.308 k11.344

32、k0.05C6.170 k12.341 k6.169 k0.047C3.754 k22.524 k10.590 k0.015C3.617 k36.171 k9.892 k0.01C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(K)纹波高度电路元件增 益12340.1 dBR1(K) R2 (K)C11.2586.669C1.51.11.1150.5C1.71624.4530.21.79846.6840.1C0.5 d BR1 (K)R2 (K)C10.7565.078C0.9088.4630.5C1.03118.6190.21.08035.5460.1C1 d BR1 (K)R2 (K)C10.5824.795C0.6997.9920.5C0.79417.5830.20.83233.3680.1C2 d BR1 (K)R2 (K)C10.4264.889C0.5128.1480.5C0.58117.9250.2C0.60934.2210.1C3 d BR1 (K)R2 (K)C10.3425.241C0.4413.7360.5C0.46719.2190.2C0.48936.6900.1C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(K)Q电路元件增 益12468103R1R2R34.7750.2819.5492.3