《电子测量》综合实验装置实验指导书

1、电子测量课程综合实验装置实验指导书中国矿业大学徐海学院实验一：信号的发生一、实验目的:1、掌握正弦波、方波、三角波等各种常用实验信号波形的产生方法。2、掌握各种波形的频率、幅度的计算方法。对计算结果加以验证,求出误差，分析误差产生的原因。3、结合智能控制单元设置人机界面：用轻触按键间接控制，输出各种波形/各种频率/各种幅度，并有对应的指示功能。二、实验器材:1、电子测量综合实验箱一一台2、20MHz示波器一台3、10MHz频率计一台4、计算机一台5、MCS-51仿真器一一台6、数字万用表一一台三、预习要求:1、复习教材中关于正弦波、方波、三角波等各种波形的产生方法。2、复习教材中关于测量数据的

2、处理方法。3、学习电子测量综合实验箱中信号发生单元及智能控制单元部分的工作原理，按照实验步骤的要求，计算出对应的几个参数,记录在实验报告中以备用实验数据验证。4、上网查阅有关资料(http/)，了解几个所用集成电路的参数、性能和使用方法。TL082双运算放大器4051八选一模拟开关4052双四选一模拟开关5、学习AT89S51单片机MCS-51单片机仿真器的使用方法。四、实验原理:1、正弦波信号发生器采用文氏电桥与运算放大器相结合的方式产生,如图1所示:图1正弦波信号发生器由RC串/并联电路组成的文氏电桥，是振荡电路的选频网络，它决定了振荡电路的谐振频率:f = f 0 =1/(2 tRC)选

3、择不同的R、C,将会产生不同的振荡频率。U5B运算放大器工作在同相放大状态。D1 , D2的应用，是利用二极管的非线性稳定振荡器的输出幅度。U5A是电压跟随器，可以隔离振荡器与输出相连的负载，提高驱动能力。R、C的选用，可以直接用连接线插接，也可以用模拟开关的形式选择，这样就可以利用单片机实现自动选择与控制。模拟开关部分的电路如图2所示:J12X0 I71J20J21图2模拟开关4052双四选一模拟开关，通过控制A、 B两输入端的电平,能够分别选通X0 - X3与X连通，以及Y0 Y3与Y连通。2、方波发生电路如图3所示，其中的运算放大器作比较器用，DZ是双向稳压管，使输出电压的幅度被限制在士

4、 Uz之间。R1510KJ89 OUT1R才k TL082R16<I10KR272K图3方波发生电路图中R26、R27构成正反馈电路，为比较器提供参考电压Ur。R和C组成的充放电回路作为负反馈电路，Uc和Ur相比较决定Uo的极性，而不同极性的Uo输出电压通过R对C的不断充放电使得在电容C两端得到近似的三角波电压，在运放输出端得到矩形波（方波）电压。选择不同的R、C，将会得到不同的充放电时间，产生不同的振荡频率。R、C的选用，可以直接用连接线插接，也可以用模拟开关的形式选择，以实现智能控制。如图4所示：用两个二极管将充放电回路分开，将这一部分电路插入RC充放电回路，就可以使充电和放电的时间

5、不同，从而改变输出方波的占空比。D3H 414；J75R29J80-200KD47N4148M4图4用两个二极管将充放电回路分开3、三角波是借助于方波，经积分电路而形成的，如图 5所示:INU7B1=1R321MC17TL08256图5积分电路用运算放大器组成的积分电路，积分时间常数由 R、C决定,不同的RC,将改变输出电压波形的斜率。而三角波的频率，则取决于输入方波的频率。4、信号调理部分将正弦波、方波、三角波三种波形的信号同时引入如图2所示的模拟开关，通过 A、B电平的设置，选择其中一种波形输出。图6为输出信号幅度的调理部分：信号从 J23端子输入，调节R25电位器，使R5到R13组成的分

6、压器输出的各电位达到需要的数值。通过对A、B、C电平的设置，经4051八选一模拟开关，取出相应幅度的信号，A、B、C三端可与单片机相连，实现智能控制。R7J23INR25POT2U4BTL082do10KI R11 10U8R12lUKR13TUTJ7140513输出信号幅度的调理五、实验步骤及内容:1、利用不同的R、C在正弦波模块搭出两种频率的波形。观测其波形、测量其频率值。2、利用可调电阻在正弦波模块搭出可调频率的波形。观测其波形、测量其频率值。3、利用不同的R、C在方波模块搭出两种频率的波形。观测其波形、测量其频率值。4、利用可调电阻在方波模块搭出可调频率的波形。观测其波形、测量其频率值

7、。5、利用可调电阻和双向二极管在方波模块中搭出可调占空比的波形。观测其波形。6、利用不同的R、C在三角波模块搭出两种三角波波形。观测其波形。7、利用智能控制单元，设置人机界面，用轻触按键间接控制，用LED指示工作状态，配合信号调理模块输出各种波形、各种频率、各种幅度。六、实验报告要求:1、写出各种波形振荡的工作原理，画出相应的电路图。2、写出各种波形振荡频率计算方法。3、4、5、叙述本次实验的心得体会。记录所测量的波形及频率，与理论计算值进行比较：固定频率计算出频率值，连续可调的频率计算出范围，实测后对比误差，分析原因。说明单片机控制的方法，画出软件控制流程图，附程序清单。七、附电子测量综合实

8、验装置：信号的发生单元电路总图（图7）和智能控制单元电路总图（图8）。IX5口0X0甲3"占岳1 UhHHHC4C4Hh十HHHH.2LZVC2QJ2 丫 讦 Cp-RJCU汁C-rCT-i1占估Dl3 士c£，UX丫0 12 30 1 2 3 NEX X X XY Y Y Y N A BV,41524射51257BAD6n：iU心巳iDDX X X X 丫iQo=D4 、HTbiQno9QII66IZHI-33_Ml_0EhO=QOHIQ于q卜-Q02H6d屮 k 4 2占O CH 78口UKr8占cbwbnHVO,8NO CUJ Il口7J HHZH71J fl 0C

9、U图7信号发生单元电路总图S2OJ*SSS冶S(s(S岬1 BsC1廿J口心2 口2R1R舛坟坟梢#-2d t d：94J64d口阵保按厶厶> 2aJ灯CIEO.5J 84JeV,sDP1&DI§D一丄c。=yrdv aHA-cmHAlobH Aon管码数QE31 Nl2NI 1TUO3NI 2TUO4NI 3TUO5NI 4TUO6NI 5TUO7NI 6TUO 8NI 7TUODNG 81MUO21013Y1b c pDV§DSODabcde f g pD- D D D111U M机7 呼 2口12口2口1 25 4 3 2 1N ESPR WD RP/X

10、T AD X RT E sEX1 X7 2P6 2P5 2PPV /apt4 2P1T3 2P2 2P1 2P0 2P0T NI1 T NI7 0P71 P6 0P61 P5 0P51 P4 0P41 P3 0P31 P2 0P21 P1 0P11 P01-52-00P01 PC 0TLCV61 /U 07 -9dpRCTAV 61 /U 07 4W719911 34151318/T="5"T-3T"T"卜rH39HI|8H371=06HZh七4!=§HThHZh0DV亡abcde fgpA07”I4I2 Ibh J 母辿L.上_ c pabc

11、de f g p布wa b 也 N e f t PHAaL3'Sf g p614 C2 48 1 3图8智能控制单元电路总图实验二：频率的测量一、实验目的:1、掌握频率测量的基本原理和方法。2、掌握测频、测周的误差分析计算方法。3、用单片机组成智能频率测量仪器。三、实验器材:1、电子测量综合实验箱一一台2、20MHz示波器一一台3、10MHz函数信号发生器/计数器一一台4、计算机一台5、MCS-51仿真器一台6、数字万用表一台(2) 4093带斯密特回差的四一二输入与非门四、预习要求:1、复习教材中关于频率测量的基本原理和方法。2、复习教材中关于频率测量误差的产生原因及解决方法。3、复

12、习教材中关于测量数据的处理方法。4、学习电子测量综合实验箱中频率测量单元及智能控制单元部分的工作原理。5、上网查阅有关资料(http/)，了解几个所用集成电路的参数、性能和使用方法。(1) TL082双运算放大器6、学习74HC39074HC044511AT89S51十进制计数器/分频器六反相器BCD - 7段锁存/译码/驱动器单片机MCS-51单片机仿真器的使用方法。五、实验原理:1、被测信号由“ IN”端口进入输入衰减模块，经由R，L，C组成的低通滤波网络滤除高频杂波，再经 D1、D2二极管双向限幅，输入信号的电压被钳位在士 0.7V的电平上。J1QINL11uHL2 1uHR120KOU

13、TC3C1103C2103103 I D1I D23C1N41481N4148图1输入衰减2、士 0.7V的信号电压用图2所示的运算放大器放大到士 5V左右。VCCJ17U14ATL0821R55J195.1K"5R52 62K图2信号放大3、放大过的信号被加到图3所示的脉冲整形及闸门电路输入端，其中的负电平被数字电路的接地钳位二极管吸收。正的脉冲信号经U1A整形，变成标准的TTL电平方波信号,送到U1C组成的闸门，准备计数使用。J43输出的TTL方波信号，可以输出到智能控制单元单片机的计数脉冲输入端，用软件的方法进行频率测量。J7U1B5J43R2 560J4IN1 U1AGATE

14、4093 1闸门U1C ' 093QutJ1310CUT图3脉冲整形及闸门电路4、晶体振荡器如图4所示：产生1MHz的高频正弦波，经U16B整形，变成方波。74HC04U16A严BJ36Y1'D卜二 C23 1MHz51I C2451图4晶体振荡电5、1MHz的高频方波经U2、U3、U4组成的六级十进制分频器分频,如图5示：得到了 1ms、10ms、0.1s、1s等宽度的闸门控制信号。图5六级十进制分频器6、频率计的计数器由三片十进制计数器 U5、U6、U7组成，最大计数999999，如图6所示，计数器的输出数据是 BCD码，经6片4511( U8U13)锁存器/BCD 七段字

15、型译码器/驱动器，在6只LED数码管上显示出来。计数显示模块有3个重要的信号输入端子:(1)计数器清零端(2)计数器脉冲输入端计数器数据锁存端3J14J15-J25DS1CP0Q0,CP1Q1Q2MRQ3U5A274HC39014143751r*OVCCi -3 户严0Q0严P1Q1Q2MRQ3U5B1074HC39013VCCU6A14Acp0ACP1 2_1 MRQ0Q1Q2Q374HC390VCC卜U6B14CP0 d>CP1MRQ0Q1Q2Q313TU74HC390VCCAABBCCDD ELTFBILEGU94511AABBCCDD EtTFBILEGU104511AABBCC

16、DDELTFBILEGU114511AABBCCDD ELTFBIGU8451177O72DLE13 R312 R44R615 R8TR9 r0-13 R1112R1211 R13kEU124511330 7>39-63310330 72、CP0Q0h CP1Q1Q2MRQ3U7A74HC3903T6ABCD"BILEABCDEFGa b c dVDpY一口b e旦; g dpdp5011AHDS2a b c dQb5011AHDS313R19330 7e f g dp=R15R2033010 R229R2315 R24kR2533-Za b c dR26 -13 R27330

17、 7R28R2-R3339 R31 三15 R32 匚3310,330 5R33R34J3512 R36533-611 R37 330 413 R35330 7330 2331 330 9330 10330 丁R41R42J4114U134511e f g dpV%Yf4cdp5011AH3DS4fg dpbVDPY口d;5011AHDS5fg dpbVDPYa：dp5011AH3DSD> CP0Q0” CP1Q1Q2MRQ3U7B74HC3901311107TT6ABCDVCCLT bI LEABCDEFG11R45 j330 410R46 1330 29R47 330 115R48

18、'2330 914R49 330 10,330 7_j330 6e330 513 R43cdbVDPYJ42图6计数显示模块fg dp5011AH7、逻辑控制模块由一片十进制计数器/分配器4017承担，它能将从输入端进入的脉冲依次分配到 Q0Q9的端口。将Q3与REST复位端相连，如图7所示，就变成了 3进制计数器/分配器。J5J6J8J10156_9q_8qZQ6qbQ4q3q2qIQdeU154017KLC4 "hANETSRJ231MREST图7逻辑控制模块从输入端接入的相当于闸门时间的脉冲，被依次分配到Q0Q2的端口，周而复始，每个输出脉冲的宽度都相当于输入信号的周期

19、宽度。将这3个脉冲分别赋予“计数器清零”、“闸门打开控制”和“将计数器数据锁存并显示”，就可以完成逻辑控制的功能。六、实验步骤及内容:1、从函数信号发生器/计数器引入一个被测信号，接入信号输入衰减模块，用示波器观测并记录输入和输出的波形。2、将衰减过的信号接入放大器模块放大，用示波器观测并记录输入和输出的波形。3、将放大过的信号接入整形及闸门电路，用示波器观测并记录输入和输出的波形。4、将3只十进制计数器U2、U3、U4连接成6级十分频器。5、将晶振模块输出的信号接入6级十分频器，分别得到一系列闸门宽度的信号，用示波器观测并记录晶振输入和各级分频器输出的波形。6、利用逻辑控制模块分配脉冲的方法

20、，完成“计数器清零”“闸门打开控制”和“将计数器数据锁存并显示”等一系列操作，实现测量外部频率的功能。7、将闸门时间分别置于10ms、0.1s、1s三档，标明小数点应该点亮的位置及应该使用的单位（Hz或KHz ）。在每一档分别测量并记录几组频率的数据，每个频率点至少测量10次数据并记录，同时记录信号发生器给出的显示值。&利用智能控制单元测量频率，将被测信号处理过的TTL电平脉冲接入单片机的外部计数脉冲输入脚，利用单片机的定时及计数功能测量频率，在通用LED数码管上显示频率值。具有自动改变量程、自动确定小数点位置、自动确定频率单位、频率低时自动转为测周等智能化功能。七、实验报告要求:1、

21、简述电子计数器测量频率的原理及方法。2、简述测频及测周误差产生的原因及计算方法。3、列出全部测量数据，剔除坏值，计算出测量报告值。4、6、7、叙述本次实验的心得体会。将测量报告值与信号发生器的给出标称频率对比，计算误差，分析原因。简述用单片机测量频率的方法，画出软件流程图，附程序清单。七、附电子测量综合实验装置：频率测量单元的电路总图（图8）。62T- lY b c ptDmD a b c d e f g dS75Yvc .dDre p A abcdefgd 0b c PD a b cd e f g帀"Fl19"G"G"A"HO"G&

22、quot;A"示龙计8UAAUTuo门闸及形整J MH nL"G"Gb c PY a -g T" Dv" p a b c d e f g p"GIBT-zQ Q:! QQCCPR M356C=hC#'3于CC M CI9Q Q Q QC 4 RQ Q Q QC0 C4oQ-C0 C4C4 CO5CO C4电wC 4 COCr3L_iC4C4 CO r制控辑逻O-l-UtaoOJ 821JAAU口 EIMG3.J 8Qra荡振体晶1Y4UCW3/ Ml daK 1R7UOO3CW7RMnDUUAzu器频十大放号信Qaw?70l-

23、oo.§,3O C9 Q87 Q654 Q10 QKTT2 QA N EBUQ Q:! Q 3CP:M# - Ir C 4 cOHHh图8频率测量单元电路总图实验三：电压的测量一、实验目的:1、掌握数字电压测量的基本原理和方法。2、掌握数字电压测量误差的分析计算方法。3、用单片机组成智能电压测量仪器。二、实验器材:(2) 74LS248BCD 7段字型译码器1、电子测量综合实验箱一一台2、20MHz示波器一一台3、计算机一一台4、MCS-51仿真器一台5、数字万用表一台6、030V稳压电源一台三、预习要求:1、复习教材中关于数字电压测量的基本原理和方法。2、复习教材中关于电压测量误差

24、的产生原因及解决方法。3、复习教材中关于测量数据的处理方法。4、学习电子测量综合实验箱中电压测量单元及智能控制单元部分的工作原理。5、上网查阅有关资料(http/)，了解几个所用集成电路的参数、性能和使用方法。(1) MC14433三位半数字电压表电路(3) MC1413达林顿阵列(4) TL431基准电源(5) AT89S51单片机6、学习MCS-51单片机仿真器的使用方法。四、实验原理:1、被测电压由试验板自身提供，如图1所示的电路可以产生一12V+ 12V的电压信号，分别从J1和J12引出。|+ 121 ；0k J1当0U10K图1被测信号可以产生12V+ 12V的电压2、被测信号电压经

25、如图2所示的衰减网络衰减，可以得到1:1、10:1、100: 1和1000: 1的信号电压，分别从J2, J3, J14, J15引出。I J14-R1927KJ15-R20300图2衰减网络J133、衰减后的信号可以用连线直接输入A/D转换器进行电压测量，也可以用继电器的触点连接，如图3所示:J4&+ 12J6K2J8J7K1HDx +12 壬uUf1413+ 12U1BMC1413MC1413+ 12MC 1413MNO屮JLf+12Tm口图3自动量程的切换部分6继电器的线包可以用单片机的I/O 口经驱动器MC1413控制， 这样就可以为自动改变量程提供了必备的条件。4、AD转换器

26、采用三位半数字电压表芯片 MC14433,它在内部集成了双积分式A/D转换器所有的模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点,且具有自动校零和自动极性转换功能，其主要功能特性如下:精度：读数的士 0.05%士 1字模拟电压输入的基本量程：1.999V和199.9mV两档 转换速率：2-25次/s 输入阻抗：大于1000MK 电源电压：士 4.8V 士 8V采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0-Q3轮流输出，同时在DS DS4端输出同步位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。同时也很 方便地连接到单片机的I/O 口，易于

27、利用单片机进行电压 量的数据采集与显示。J17Q1I_ Q2rnQ3T 1-cds1DS2 DS3J36DS4图4 用MC14433组成的AD转换电路被测电压从IN端输入，参考电压从VREF端输入，参考电压J28J29-5VINr-r-iVREF2：187KR23470KJ25J27T104pVReVsD VQ0Q1DUQ2CLKIQ3DS1D2R INDS3R,C INDS4C INgEOCCO1GORCO2VCLKO1 I MC14433P (24)VCC20可选200mV和2V，因此电压输入端的量程也具有对应的二档基本量程，注意外接积分电阻与量程的对应关系：在 2V满量程时,电阻选为为4

28、70K?，而满量程为200mV寸取27K?。5、AD转换器的参考电压由图5所示的电路提供，它决定了基本量程的范围。参考电压值的精度直接影响了测量结果的准确度。TL431是一个基准稳压源，如图示连接方式，可以输出2.5V的基准电压，经电位器分压，得到 2V和200mV的参考电压。VCC3JJ22主三1 1 1J232D1TL431C0U尸片I 5.1K5.1K图5基准参考电源6、译码显示模块如图6所示：它将AD转换的结果用LED数码管显示出来。J18AB _IU4C5U=±=RdQ -CLTf5FBURBg二區DVCCBbCcDde13 R533oaJ40U2AJ42n4COU7

29、9;QJ41U2BJ43J53U2CJ44J45J47VCCR12DS1DPY_7-SEG_DP a DPY "DS2DPY_7-SEG_DPa 7 u “DPY"2Di7 ； K r K r二俎；|日 |eSI R143rJ46J49D3DPY_7-SEG_DPDS4DPY_7-SEG_DP ra DPYIb acdefgD1D3dp共 共dp共 共R1681330 I - Idp共共OD2Udp共共D4图6译码显示模块AD转换器输出的Q0Q3接到BCD 7D段字型译码器/驱动器74LS248的输入端A、B、C、D, 74LS248输出的7段译码信号经限流电阻点亮LED数

30、码管的相应段位。AD转换器输出的DS1DS4经达林顿阵列MC14433驱动相应的LED位，完成对LED数码管的动态扫描显示。注意在DS1输出千位时，Q3表示反相的千位：Q3= 1,代表千位为0, Q3 = 0,代表千位为1。Q2表示被测电压的极性:Q2= 1,代表为正，Q2 = 0,代表为负。Q0是超量程标志：Q0= 1表示测量超量程了！导线的连接必须符合信号的要求。五、实验步骤及内容:1、将AD转换器的输出与译码显示单元连接好，注意千位及符号的极性与连接。2、将参考电压调到200mV,接到AD转换器的VREF端。注意外积分电阻的大小。3、借助于万用表，从被测电压取出 0200mV的二个电压，依次接入AD转换器的IN输入端，观测并记录LED数码管显示的数据。点亮相