测控电路设计

1、实验一 有源二阶低通滤波器的设计1、实验目的实验旨在锻练学生自行设计、调试有源二阶低通滤波器的能力，更深入地掌握巴特沃思型二阶 有源低通滤波器的设计方法，直观了解巴特沃思型低通滤波器的频率特性，加深对巴特沃思逼近方 式的理解。2、实验内容设计一二阶无限增益多路反馈巴特沃思型有源低通滤波器，要求截止频率 fc=100Hz，增益 A=1。 搭建并调试所设计的二阶有源低通滤波器，使电路的性能指标达到设计要求。3、实验原理及方法二阶无限增益多路反馈巴特沃思型有源低通滤波器的电路形式见图 1.1。主要工作是设计确定元件参数，并通过调试修正参数值直至滤波器指标达到设计要求。设计方法如下：图 1.1 二阶无

2、限增益多路反馈巴特沃思型有源低通滤波器的电路形式1）确定电容：依据经验公式确定电容 。2）确定电容：依据(B = 1.414214, C = 1.00000) 确定电容 C1。3）确定电阻：4）确定电阻R1：5）确定电阻R3：在计算电阻时，应保留小数后 6 位，以确保计算的精确性，计算完成后，取最接近计算值的电 阻标称值。 4、实验仪器设备1）双路直流稳压电源；2）双踪示波器； 3）信号发生器；4）41/2 位数字万用表；5）面包板。5、实验步骤1）按设计确定的参数选择好元件，要求严格挑选元件使之尽量接近设计值。2）按图搭建好线路。3）调节直流稳压电源的两路输出至±15V，然后用电压

3、表确认电压输出值为±15V；4）按下列步骤测试：（1）用信号发生器作信号源，以正弦波为输入信号，用示波器一路输入测量信号源的幅度，调 节信号发生器的电压输出至 1V；（2）确认线路连接无误后，接通电源；（3）用示波器另一路输入测量滤波器的输出，将结果记入表 1.1；（4）根据时间差计算相位差；（5）根据所测实验结果绘出幅频特性曲线及相频特性曲线，评价所设计滤波器的性能。6、实验结果记录表 1.1 低通滤波器测试结果记录表输入信号频率输入信号幅度输出信号幅度输入输出时间差相位差(°)10Hz1V1.4V70ms-25220Hz1V1.4V30ms-21630Hz1V1.25V

4、16ms-172.840Hz1V1.3V12ms-172.850Hz1V1.3V10ms-18060Hz1V1.2V10ms-21670Hz1V1.0V7ms-176.480Hz1V1.0V6.5ms-187.290Hz1V0.8V5.5ms-178.2100Hz1V0.9V5ms-180200Hz1V0.8V2.5ms-180300Hz1V0.8V2.3ms-248.4400Hz1V0.75V2.2ms-316.8500Hz1V0.4V1.9ms-342600Hz1V0.35V1.6ms-345.6700Hz1V0.4V1.4ms-352.8800Hz1V0.3V1.2ms-345.6900

5、Hz1V0.23V1.05ms-340.21000Hz1V0.19V0.75ms-2707、实验信息处理与分析：1）根据实验记录绘出滤波器的幅频特性；2）根据滤波器输入输出波形的时间差计算出对应的相位差填入表 1.1 中，根据相位差绘出滤 波器的相频特性；3）根据幅频特性和相频特性评价所设计的滤波器性能。将实验所得的幅频特性曲线和相频特性曲线与理论曲线相比较，可以发现幅频特性曲线与理论相接近，而相频特性曲线与理论相差较大。造成这种现象的主要原因可以归结为以下几点：1、 实际运放达不到理想运放的特性指标2、 实际元件参数与理想元件存在差距3、 连接电路时，插入引脚不到位，布线不合理，使元件之间工

6、作时产生干扰4、 信号发生器低频时难以稳定到需要的频率5、 稳压电源不稳定8、思考题：1） 在设计元件参数时，为什么首先确定电容值？是否可以首先确定电阻值？ 因为可选的电容值有限，而不同阻值的电阻比较容易实现。若算出的电阻值不易实现，可将所有的电阻值成衣一个常数。电容除以相同的常数即可。不可首先确定电阻值，如果先确定的电阻值，很难实现根据电阻值推算出来的电容值，而若选择比较接近的可选电容值，将引起较大的误差。2）在计算时为什么要求中间结果保留小数后 6 位？中间结果还需要参与之后的数据计算，如果中间结果就已经为不精确的值，将会引起最后结果的较大误差。为了获得较为精确的计算结果，中间结果必须保留

7、多为来确保最后结果的精确性。3）设计中采用的归一化系数 B 和 C 是怎样得到的？2阶巴特沃斯LFP的传递函数的形式可以写为，式中，B和C是归一化系数（），对照 有，C=1。4）如果要设计指标相同的高通滤波器，电路形式应作何改动？R2改为电容，C1改为电阻，R1,R3改为电容，C2改为电阻5）设计指标相同的四阶无限增益多路反馈巴特沃思型有源低通滤波器，给出电路图并设计参数。184阶滤波器由2个2阶滤波器串联而成，4阶巴特沃斯LFP的传递函数的形式可以写为，式中，,和是归一化系数，有=1，=2sin，=2sin，=1。根据经验公式选定电容=,由,选定,根据上述2阶滤波器的参数公式可得:取取,取取

8、实验二 多谐振荡器功能及指标的测试1、实验目的实验旨在使学生进一步了解基于电容充放电原理及比较器的多谐振荡器的工作原理及一般构成 原则。通过分析实验电路及实验操作，掌握积分器、比较器的工作原理，在此基础上掌握积分器及 比较器在多谐振荡器中的应用，从中学习信号发生器的设计思想及工作原理。2、实验内容分析所提供实验电路的工作原理及设计思路，搭建并调试实验电路，测试电路中规定测试点的 波形，验证理论输出波形是否与实际相符；根据电路参数计算输出信号的频率值，测量输出信号的 频率，验证理论值与实测值是否相符。3、实验原理及方法实验电路如图 2.1 所示，电路的工作原理为：设初始状态 Vo“1”，此时通过

9、 R3 向电容 C1 充 电，当 C1 充电至使 V的电位与 V相等时，比较器 LM111 翻转，Vo“0”VOL，比较电平随之下 降。而后电容 C1 开始放电，V的电位逐步下降，当 V下降至比较电平时，LM111 翻转，Vo“1”VOH，这一过程周而复始，Vo 即为方波。方波的频率与时间常数 R3C1，比较器的输出电平及 R1， R2 和 R4 的阻值有关。定量分析要求学生自行完成。 图 2.1 多谐振荡器实验电路4、实验仪器设备（1）三路直流稳压电源（2）双踪示波器（3）41/2 位数字万用表（4） 面包板。5、实验步骤1） 根据提供的元件参数选择好采用的元器件。2） 按提供的实验电路图搭

10、建好线路；3）采用三路直流稳压电源中的 5V 电源为供电电源，用电压表确认电压输出值为 5V；4）确认线路连接无误后，接通电源；5）按下列步骤测试： （1）测试比较器反相端和输出端的波形；（2）测试两个波形 V和 Vo 的幅度；（3）测试两个波形的频率，将测试值与理论计算值比对，验证数值的精确性。6）将电阻 R3 换成 100k的电位器，调节电位器观察输出波形的频率变化情况，记录下频率的变化范围。7）用 6个不同阻值的电阻 R3（1、10、100、1k、10k、100k）分别接入电路中，测试输出频率。6、实验结果记录（1）当电路参数如图 3.1 所示，记录比较器反相端和输出端的波形及输出信号频

11、率。（2）将电阻 R3 换成 100k的电位器，调节电位器观察输出波形的频率变化情况，记录下频率的变化范围。调节量程为100k的电位器，输出的波形频率变化范围为831.6kHz-1.435z（3）用 6个不同阻值的电阻 R3 分别接入电路中，测试输出频率，并将结果填入表 2.1 中。表 2.1 不同 R3 阻值下的输出频率R3输出频率R3输出频率11.111×106Hz1k7.692×105Hz101.111×106Hz10k1.111×105Hz1001.111×106Hz100k1.765×104Hz7、 实验信息处理与分析根据输

12、出频率公式，求出在对应 R3 情况下的输出频率值，将实验记录结果与理论值进行比较， 分析存在误差的原因。随着电阻值的增大，输出频率减少。8、 思考题1）若要调节输出波形的频率应怎样改动电路？改变时间常数RC，即改变电阻R3与电容C1的值2）若要调节输出波形的幅度应怎样改动电路？改变比较电平即可，其中影响比较电平的有R1,R2,R4，可将其中一个或几个改为电位器。3） 定量推导出输出频率的表达式。由,充电时间，放电时间，综上得，得输出频率为 实验三 仪用放大器的设计1、实验目的通过实验牢固掌握三运放仪用放大器的构成和工作原理，学习根据设计要求设计并调试三运放 结构仪用放大器，成功设计制作符合设计

13、要求的三运放结构仪用放大器。通过设计制作加深对相关 基础理论知识的理解，为今后实际设计、应用打下坚实的基础。2、实验内容设计制作一三运放结构的仪用放大器，要求放大器的差模增益为 100 倍以内可调节，共模抑制 比大于 70dB。3、实验原理及方法要求设计的三运放结构仪用放大器的参考电路如图 3.1 所示。实验的主要工作是选择集成运放 的型号，设计确定元件参数，搭建电路，测试差模增益和共模抑制比。集成运放的选型依据各级电 路对运放的要求进行，主要原则是一方面使电路的共模抑制比为最佳值，另一方面使电路的失调、 漂移误差最小。 图 3.1 三运放结构仪用放大器参考电路电路的第一级差模增益为 电路的第

14、二级增益为 电路的总差模增益为 差模增益的测试方法是直接在电路的输入施加差模信号，测量电路的输出电压，两者的比值即是差模增益。电路的共模抑制比的计算公式为 测试方法是直接在电路的输入施加共模信号，测量电路的输出电压，两者的比值即是共模增益AFC，电路的共模抑制比为 4、实验仪器设备 1）双路直流稳压电源2）双踪示波器3）信号发生器4）41/2 位数字万用表5）面包板5、实验步骤1）根据参考电路及电路设计原则选择确定集成运算放大器 A1、A2、A3 的型号。2）根据设计要求设计确定电路元件的参数。3）根据所设计的电路搭建电路。4）调节直流稳压电源的两路输出至±15V，然后用电压表确认电

15、压输出值为±15V。5）确认线路连接无误后，接通电源。6）用信号发生器作信号源，以正弦波为输入信号，用示波器一路输入测量信号源的幅度，调节 信号发生器的电压输出峰值分别至 100 mV、200mV、300 mV、400 mV、500 mV、600 mV、700 mV、 800 mV、900 mV、1000 mV。7）以该信号作为仪用放大器的输入，在输出端用示波器测量输出波形，调节电位器使输出电压幅度为 10V，然后观察输出电压随电位器调节的变化情况。8）将幅度为 1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、10V 的正弦波作为共模信号输入，测量输出端的波形及幅度，根据测量结

16、果计算电路的共模抑制比。6、实验结果记录以表格的形式记录每一项指标的测试结果，实验数据填入表 3.1 中，根据第 7项的计算结果将差模增益和共模抑制比填入差模增益和共模抑制比栏中。表 3.1 实验结果记录表序号差模增益的测试共模抑制比的测试Vin2- Vin1Vod差模增益VincVocCMRR1100mV10V1001V0.3150.172200mV10V502V0.3249.903300mV10V33.33V0.3449.394400mV10V254V0.3349.635500mV10V205V0.3349.636600mV10V16.676V0.3349.637700mV10V14.37

17、V0.3449.668800mV10V12.58V0.3349.639900mV10V11.19V0.3349.55101000mV10V1010V0.3349.637、实验信息处理与分析（1）根据实验记录的对应各个差分输入的 Vod 计算对应的差模增益，将数据填入表3.1 相应的栏内。（2）根据实验记录的对应各个共模输入的 Voc 计算对应的共模抑制比，将数据填入表 3.1 相应的栏内，依据自己的理解及所学的基础理论知识分析 10 组结果不同的原因。在实验中，差模增益越来越小，而共模增益逐渐减小，因共模抑制比等于差模增益和共模增益的比值，所以共模抑制基本不变。共模输出越小，波形越不纯，毛刺越

18、多。这可能是由于随着差模增益的增加，噪声更容易被放大，而导致输出波形不纯。此外，实验中连接电路线路时，电位器容易接触不良，引脚用力插入后，实验数据会产生突变8、思考题1） 所设计的电路其增益调节是否为线性？电路的增益调节不为线性。电路的总增益是两级电路增益的乘积，闭环增益为，由此可见，增益不为线性。2） 所设计电路的第一级中，两个运放 A1 和 A2 在选择时应注意什么问题？说明原因。这两个运放在参数上要匹配。由可知，若两个运放的参数相等，共模抑制比会提高很多。而若这两个运放的共模抑制比不相等，会导致电位器两端由于共模电压引起的点位不等，产生误差电流影响共模特性。选用在参数上的匹配的运放一方面

19、可以提高前级电路的共模抑制比，另一方面可以使运放共模抑制比的影响降低，还可以减少失调及漂移引入的输入误差。3） 所设计电路的第二级中，运放 A3 在选择时应注意什么问题？说明原因。运放的要高，电阻要匹配。电路的共模增益为,要想提高电路的共模抑制比，必须降低共模增益，所以，要高4）放大器的总增益由第一级增益和第二级增益组成，两部分的增益应怎样分配？说明原因。第一级的增益应在总增益中占有大比重。一方面第一级增益对外部回路电阻没有匹配要求，另一方面提高第一增益可以提高共模抑制比实验四 直流电压基准源的设计1、实验目的实验旨在训练学生自行设计、调试直流电压基准源的能力，使学生更深入地掌握直流电压基准

20、源的一般构成原则及电路的设计方法，加深对电压基准源概念的理解。2、实验内容参考所提供的参考电路，自行设计一直流电压基准源，设计电路参数、选择基准元件及运算放 大器，搭建并调试电路，使基准源电路能够输出 10V 和 25V 两种基准电压，稳定度为 0.1%/小时。3、实验原理及方法直流电压基准源的参考电路如图 4.1 所示。基准元件是两只反接的稳压管，Vo 通过电阻 R1 给稳 压管供电，稳定电压经同相放大后输出得到稳定的基准电压，基准电压为： 图4.1直流电压基准源参考电路调节电位器可以调节基准电压值，设计难点是如何保证基准电压的稳定度达到设计要求。为保 证稳定度指标的实现，需要从稳压管、运放

21、、供电电源和环境温度等多方面考虑。4、实验仪器设备1）双路直流稳压电源；2）双踪示波器；3）41/2 位数字万用表；4）面包板。5、实验步骤1）确定电路图，设计元件参数，选择元件；2）按设计电路搭建好线路； 3）调节双路直流稳压电源的一路输出至 15V；然后用电压表确认电压输出值为 15V；4）确认线路连接无误后，接通电源，分别调节电位器使输出电压分别至 10V 和 25V；5）进行稳定度测试，每隔 10 分钟测试一次输出电压，连续记录 1 小时，根据数据判断稳定度 是否达到设计要求，如果未达到，改进设计，重新调试，直至达到设计要求。6、实验结果记录以表格的形式记录电压基准源随时间变化的测试结

22、果，实验数据填入表 4.1 中。表 4.1 基准电压测试结果（测试时间：1 小时）设计基准电 压值测试结果测试时间设计基准电 压值测试结果测试时间10V10.00618:5025V25.0119:3010V10.00619:0025V25.0119:4010V10.00719:1025V25.0219:5010V10.00719:2025V10V25V10V25V7、实验信息处理与分析（1）根据实验记录的结果，计算所设计电压基准源的稳定度。在测量时间内，10V稳压输出的电压值极差为0.001V，稳定度为0.01%，稳定度很好符合设计要求；25V的稳压输出的电压值极差为0.1V，稳定度为0.4%

23、，不符合设计要求。（2） 依据自己的理解及所学的基础理论知识分析实验结果与要求存在误差的原因，提出设计方 面的改进措施，改进设计并调试。1.原因可能为温度对放大器性能的影响，以及测量时，个人读数的差异。改进措施：可以在电路中增加恒温设备，保持稳压管的环境温度稳定，间接提高温度稳定性。2.电压基准源的稳定性受供电直流电源的稳定性，工作电流，环境温度及动态电阻等的影响较大，容易受到元件本身和外界因素的影响而使电压不稳定。8、思考题1）参考电路中为什么要用两只稳压管？用一只稳压管是否可以？如果可以应选择什么样的稳压管？将两个温度系数一致的同型号的稳压管反向串接使用，这样可以是稳压管的温度影响相互抵消

24、，达到提高温度稳定性的目的。可以用一只稳压管，但要求稳压管的温度系数很好，动态电阻小，且增加恒温设备2）参考电路中采用了单电源供电，在图 4.1 所示供电电源值的情况下能够实现 25V 输出吗？在 实验中你是怎样做的？1.不可以，要改变供电电源值才可以实现25V电源稳定输出。2.在实验中，运放的4引脚接地，7引脚接+30v电压3）本实验对供电电源的指标有何要求？ 要求直流电源稳定，工作电流是稳压管的最佳工作电流。4）本实验中对运放的技术指标有何要求？ 温度系数低，静态电流小。实验五 基于集成 D/A 的锯齿波发生器的设计1、实验目的本实验旨在使学生在学习了 D/A 转换器理论知识的基础上，深入

25、学习并掌握 D/A 转换器在数字 合成式信号发生器中的应用，从而加深对 D/A 转换器原理、用途的了解。2、实验内容根据设计要求及提供的参考电路，设计数字合成式锯齿波发生器的电路，搭建并调试电路，实 现锯齿波输出，其输出频率范围为 1kHz10kHz，输出幅度范围为 1V10V。3、 实验原理及方法锯齿波发生器的参考电路原理框图如图5.1所示。电路由二进制加法计数器、D/A转换器和 I/V变换电路组成。图中 D/A转换器为 8位 D/A转换器，计数器为 8位计数器，在时钟信号 fck 的作用下从 0255 连续重复计数，计数器的输出作为 D/A 转换器的数据输入，由 D/A 转换器转换成相应的

26、模拟电流输出，经 I/V转换后输出对应的模拟电压。由于数/模转换是从 0到 255或 255到 0连续重复进行的，输出 Vo 即为锯齿波，输出波形的频率为 图5.2 实验电路图4、实验仪器设备1）三路直流稳压电源；2）双踪示波器；3）信号发生器；4）41/2 位数字万用表；5）面包板。5、实验步骤1）详细分析图 5.1 给出的参考电路原理框图，掌握其设计思想，在此基础上设计自己的电路。2）按所设计的电路图在面包板上搭建线路。3）认真仔细地检查全部线路是否连接正确，不允许有一根线连接错误，如有错误立即纠正。4）将三路直流稳压电源的两路输出调至±15V，并用万用表电压挡测量输出电压以确认

27、输出电 压值。5）关闭电源，将电路的电源线接到稳压电源相应的输出端，在打开电源前，检查电源线和地线 是否连接正确，任何电源线的错误连接将导致芯片的损坏，确认无误后打开电源。6）将信号发生器调节至 TTL 方波输出，并作为自制数字式锯齿波发生器的基准频率驱动计数 器计数。7）改变信号发生器的输出频率，用示波器观察输出锯齿波，并测试其频率变化情况。 8）调节电位器，测试输出锯齿波的幅度变化情况。6、 实验结果记录记录设定的基准频率值与示波器所测输出锯齿波频率填入表 5.1表 5.1 输入基准频率与输出锯齿波频率关系表fckfofckfck256kHz1.00kHz1536kHz6.06kHz512

28、 kHz2.00kHz1792kHz6.90kHz768 kHz3.03kHz2048kHz8.00kHz1024 kHz4.01kHz2304kHz8.95kHz1280kHz5.12kHz2560kHz9.81kHz7、 实验信息处理与分析根据实验记录验证公式 式中 为输出频率；为基准频率。 8、 思考题1） 参考电路中电容 Cf 起什么作用？可否取消？答：消除振荡(滤波)，可以取消2） 改变输出锯齿波的频率有几种方法？答：方法一：改变时钟频率 方法二：改变计数器计数范围3） 改变输出波形的幅度有几种方法？ 答：1、可以改变数/模转换的参考电压 2、调节Rf改变放大器的增益 改变波形的幅度

29、4）采用 DAC0800 时锯齿波的最高输出频率为多少（规定组成锯齿波的台阶数为 255 级）？若 要提高最高频率可以采用何方法解决？ 答：DAC0800的建立时间是100纳秒，由于锯齿波的台阶数为255，所以其最短周期为51us。最高频率为19.6kHz。若要求提高频率可以减少台阶数，或者换转化时间更快的DAC。实验六 集成 A/D 转换器输入-输出特性的测试1、实验目的本实验的目的是使学生在学习 A/D 转换器理论课的基础上，掌握集成 A/D 转换器的使用方法， 加深对逐次逼近式 A/D 转换器原理、用途的了解。2、实验内容测试集成 A/D 转换器 ADC0809 的输入-输出特性。验证芯

30、片的输入-输出特性是否符合芯片手册 给出的特性。3、实验原理及方法实验测试电路如图 6.1 所示。被转换的模拟信号从 0 通道输入，与之对应，通道选择地址输入 ADD-A、ADD-B、ADD-C 全部接地，选择通道 0 为模拟量接入通道。A/D 转换器的基准电压与电 源电压短接，接+5V 电压。时钟信号为 500kHz。通道选择地址锁存信号 “ALE”与 A/D 转换启动 信号“START”短接，由开关 S 控制输入启动转换信号。当按下 S，输入一高电平，一方面将通道 选择三位地址 ADD-A、ADD-B、ADD-C 锁存，选中相应通道的模拟输入信号接入 A/D 转换器的输 入，另一方面触发

31、A/D 转换器开始转换。转换开始，转换结束指示信号“EOC”=“0”，转换结束 “EOC”=“1”，电路中将 “EOC”与输出使能信号“ENABLE”短接。图 6.1 ADC0809 A/D 转换器转换电路原理图当转换时禁止数据输出，转换完毕允许数据输出。转换结果经总线驱动器 74LS245 后驱动发光二极管，高电平使发光二极管亮，低电平时对应的发光二极管不发光。通过记录二极管的“亮”与“暗”即可记录下 A/D 转换的结果。4、实验仪器设备1）直流稳压电源；2）双踪示波器； 3）信号发生器；4）41/2 位数字万用表；5）面包板。5、实验步骤1）详细分析图 6.1 给出的电路图，掌握其工作原理，并按图在面包板上将线路搭建好。2）认真仔细地检查全部线路是否连接正确，不允许有一根线连接错误，如有错误立即纠正。3）将三路直流稳压电源中的固定 5V 输出电源作为供电电源，将另一路可调路输出作为 A/D 转 换器输入信号，用万用表监测输入信号的电压值。4）关闭电源，将电路的电源线接到稳压电源+5V 输出端，在打开电源前，检查电源线和地线是 否连接正确，任何电源线的错误连接将导致芯片的损坏，确认无误