电子测量课程设计报告

1、目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 绪论2 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 第一章检波器简介3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.1检波器的作用3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.2检波器的分类3 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1.2.1包络检波器4 HYPERLINK l bookmark25 o Cu

2、rrent Document 1.2.2同步检波器5 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 1.3峰值检波器工作原理5 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 第二章系统设计方案7 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 2.1工作原理图72.2元件清单8 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 第三章元器件介绍9LF3989LM311113.3稳压二极管12 HYPERLINK l bookmark73 o Curr

3、ent Document 第四章峰值检波器的测试及性能指标14 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 4.1性能测试144.1.1测量交流信号： 144.1.2测量具有直流分量的交流信号： 14 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 性能指标 15 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 4.3电路分析15 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 第五章系统分析15 HYPERLINK l bookmark94 o

4、Current Document 5.1系统的测量范围15 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 5.2测量精度16 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 5.3测量误差16 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 5.4系统调试注意事项16 HYPERLINK l bookmark109 o Current Document 5.5系统设计存在的不足16 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 第六章实验总

5、结17 HYPERLINK l bookmark115 o Current Document 参考文献：18绪论电子测量与虚拟仪器课程设计是电子科学与技术学习中非常重要的一个环 节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环 节。峰值检波器功能实现要求在已学习的基础上，通过硬件的连接设计和软件的 模拟、仿真设计实现峰值检波的功能，这项设计对检验我们的学习成绩、提高我 们的动手能力、锻炼独立思考等方面有重要的意义。自20世纪90年代以来，作为测试技术与计算机技术完美结合的产物一一虚 拟仪器得到了迅猛发展，使得测量仪器和测量技术产生了深刻的变化。虚拟仪器 技术综合运用了计算

6、机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程的方 法，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向。虚拟仪器可广泛应用于电 子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机 械工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。无论是初学 乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行 业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟 仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用 户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。电子测量技术基础正是掌握测量技术与虚拟仪器的入门课

7、程，它偏重于 实际应用的课程，要求我们在学好理论知识的基础上，培养一定的实践动手操作 能力，将所学的理论知识和实践有机结合。电子测量与虚拟仪器课程设计是对电 子测量技术基础课程理论知识教学和实验教学的综合和总结。通过该课程设计，使我们对微型计算机系统的基本结构和硬/软件的工作原 理有一个整体的认识，将所学的理论知识和实践有机结合，初步掌握计算机应用 系统设计的步骤和接口设计的方法，提高分析和解决实践问题的能力，锻炼和提 高同学们的实践动手能力。第一章检波器简介1.1检波器的作用检波器，是检出波动信号中某种有用信息的装置。用于识别波、振荡或信号 存在或变化的器件。检波器通常用来提取所携带的信息。

8、检波器分为包络检波器 和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅 信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了得到解调作用，需要另外加入 一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号（相干信号）。同步检波器主要用于 单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。从己调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。用以完成这个任务的电 路称为检波器。最简单的检波器仅需要一个二极管就可以完成，这种二极管就被 称做检波二极管。目前，集成射频检波器现已得到了广泛的应用，而且每当要求更高的灵敏度 和稳定性时，集成射频检波器有代替传统的二极管检波器的趋向。D图1包路检波器原理电路从调幅波中

9、恢复调制信号的电路，也可称为幅度解调器。与调制器一样，检 波器必须使用非线性元件，因而通常含有二极管或非线性放大器。1.2检波器的分类检波器分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对 应关系，主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了得 到解调作用，需要另外加入一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号（相干信号)。同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。1.2.1包络检波器图2是典型的包络检波电路。由中频或高频放大器来的标准图2包络检波卷的输袖、输入电压波形调幅信号ua(t)加在L1C1回路两端。经检波后在负载RLC上产生随ua(t)

10、的包络而变化的电压u(t)，其波形如图2所示。这种检波器的输出u(t)与输入 信号ua(t)的峰值成正比，所以又称峰值检波器。包络检波器的工作原理可用图2的波形来说明。在t1tt2时间内，输入信号瞬时值ua(t)大于输出电 压u(t)，二极管导通，电容C通过二极管正向电阻ri充电，u(t)增大；在t2tt3 时间内，ua(t)小于u(t)， 二极管截止，C通过RL放电，因此u(t)下降；到t3 以后，二极管又重新导电，这一过程照此重复不已。只要RLC选择恰当，就可 在负载RLC上得到与输入信号包络成 对应关系的输出电压u(t)。如果时间常数 RLC太大，放电速度就会放慢，当输入信号包络下降时，

11、u(t)可能始终大于ua(t)， 造成所谓对角切割失真(图2)。此外，检波器的输出通常通过电容、电阻耦合 电路加到下一级放大器，如图1中虚线所示。如果Rg太小，则检波后的输出电 压u(t)的底部即被切掉，产生所谓的底部切割失真。1.2.2同步检波器M M I f ),图3同少性波器枢囹图3为同步检波器的框图。模拟相乘器的一个输入为一单频调制的单边带 调幅信号，即us(t) = Umcos( 3 ct+Q mt),其中3 c为载波信号角频率,Q m为调制 信号角频率；另一输入是本机产生的相干信号，即uc(t)=Uccos 3ct，则乘法器 的输出电压u0(t)和uS(t)和uc(t)的乘积成正比

12、，即u0(t)=KuS(t)*uc(t) 式中K为一比例常数。u0(t)中包括两项，一项为高频 项(2 3c+Qm),另一项为低频项(Qm)。通过低通滤波器后将高频项滤除，即得到 和调制波成对应关系的输出。uc(t)通常可用本地振荡器或锁相环产生。同步检 波器的抗干扰性能比包络检波器优越，但是它的电路比较复杂。随着电子技术的 进步，这种解调方法的应用日益广泛。1.3峰值检波器工作原理在电子设备中，常要求对信号的峰值进行检波：如大动态范围的正弦信号经 对数压缩后，为了得到反映正弦信号的有效值，就不能用一般的平均值或有效值 检波器，而只能用峰值检波器。峰值检波器是一个能记忆信号峰值的电路，其输 出

13、电压的大小，一直追随输入信号的峰值，而且保持在输入信号的最大峰值。当 ViVo 时：信号由（+ ）端加入，OPA的输出Va为正电压，二级管D导通，于是输出 电流经D对电容C充电一直充至与Vi相等之电压。（当D导电时此电路作用如 同一电压跟随器）当 ViVo 时：OPA的输出Va为逆向偏压，相当于开路，于是电容C既不充电也不放电， 维持于输入之最大值电压。上述电路只能工作一次，所以我们要能够控制电容C的放电过程，使得这 个电路可以重复地工作。同时在电路中加入一定的保护措施以及加入阻抗匹配的 电路（比如跟随器等），以提高电路的带负载能力。第二章系统设计方案2.1工作原理图LF398的输出电压与输入

14、电压通过比较器LM311进行比较，当输入电压高于输出电压时，LF398的逻辑控制引脚被置成高电平，使LF398处于采样状态。当输入电压达到峰值而下降时，LF398的逻辑控制引脚被置成低电平，使LF3982.2元件清单元件名称元件个数功能注释LF398N1采样保持芯片DIP封装LM3111电压比较器DIP封装电阻24K1电阻15K1电阻30K1电阻5.1K1可调电阻1K15V稳压二极管(2CW12)1钽电容0.1uf1DIP插座2双列直插插座面包板5*5cm1导线、焊锡丝若干第三章元器件介绍3.1 LF398LF398是一种反馈型采样/保持放大器，也是目前较为流行的通用型采样/保 持放大器。与L

15、F398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成， 具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定 的转换时间。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。否则转换精度没有 保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的 产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A/D转换结束 后又能跟踪输入信号的变化。能完成这种功能的器件叫采样/保持器。采样/保 持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。当作为单一放大器时，其直流增益精度为0.002%,采样时间小于6us时精度 可达0.

16、01%;输入偏置电压的调整只需在偏置端（2脚）调整即可，并且在不降低偏置 电流的情况下，带宽允许1MHz，其主要技术指标有：1、工作电压：+5-+18V2、采样时间：10us3、可与 TTL、PMOS、CMOS 兼容4、当保持电容为0.01uF时，典型保持步长为0.5mV5、低输入漂移，保持状态下输入特性不变6、在采样或保持状态时高电源抑制采样保持放大器LF398的直流和交流调零电路:调节1kQ电位器可使DC失 调电压Vos为零。在保持设置模式下，调节10kQ电位器可使AC失调电压Vos 为零。LF398具有采样和保持功能，它是一种模拟信号存储器，在逻辑指令控制下， 对输入的模拟量进行采样和寄

17、存。下图是该器件的引脚图。N PackageV+OFFSET VOLTAGEINPUTV-LQGJC REFERENCELOGICN PackageV+OFFSET VOLTAGEINPUTV-LQGJC REFERENCELOGICOUTPUTTOP VIEW各引脚的功能如下：和分别为VCC和VEE电源电压输入引脚。电源电压范围为5V土 15V。为偏置调零引脚。当输入Vi=0,且在逻辑输入为1采样时，可调节使 Vo=0。为模拟量输入引脚。为输出引脚。为接采样保持电容的引脚。为参考电压输入引脚（接地）。为逻辑输入控制引脚。该引脚电平为“1 ”时采样，为“0”时保持。LF398内部电路原理图如下

18、图所示。V.笊）内部电路m 电路V.笊）内部电路m 电路当8端为“1”时，使LF398内部开关闭合，此时A1和A2构成1： 1的电压跟随器，所以，Vo = Vi，并使迅速充电到Vi，电压跟随器A2输出的电压等于CH上的电压。3.2 LM311LM311电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的15V运算放 大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电 路。此外，他们可以驱动继电器，开关电压高达50V,电流高达50mA。LM311是一种高灵活性的电压比较器，能工作于5到30V单个电源或15V 分离电源。该设备的输入可以是与系统地隔离的，而输出则可以驱动以地为参考

19、 或以VCC为参考，或以VEE电源为参考的负载。LM311为集电极开路输出，使 用时应在输出端与正电源之间连接负载电阻。下图是该器件的引脚图。LM311，采用SOIC封装方式。比较器类型：通用响应时间:200ns电源电流:5.1mA针脚数:8工作维度范围:0 C to +70C封装类型:SOIC比较器数目:1电源电压 最大:36V电源电压最小:5V表面安装器件:表面安装输入偏移电压最大:7.5mV各引脚的功能如下:GROUND/GND接地INPUT +正向输入端INPUT -反向输入端OUTPUT输出端BALANCE平衡BALANCE/STROBE平衡/选通V+电源正V-电源负3.33.3稳压

20、二极管稼压二槌管的仗史特性中)和电弟符号b)稳压二极管是一个特 殊的面接触型的半导体硅 二极管，其V-A特性曲线 与普通二极管相似，但反向 击穿曲线比较陡。稳压二极 管工作于反向击穿区，由于 它在电路中与适当电阻配 合后能起到稳定电压的作 用，故称为稳压管。稼压二槌管的仗史特性中)和电弟符号b)稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击 穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范 围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小。这样，当把稳压管接入电路以 后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两 端的电压将基本保持不

21、变。而且，稳压管与其它普通二极管不同的是反向击穿是可逆性的，当去掉反向 电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿， 所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的，因此、稳压管在电路中 要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压、不同类型稳压管的稳定电压 也不一样，某一型号的稳压管的稳压值固定在口定范围。例如：2CW11的稳压 值是3.2伏到4. 5伏，其中某一只管子的稳压值可能是3. 5伏，另一只管子则 可能是4, 2伏。在实际应用中，如果选择不到稳压值符合需要的稳压 管，可以选用稳压值 较低的稳压管，然后串联一办或几只硅二极

22、管“枕垫”，把稳定电压提高到所需 数值。这是利用硅二极管的正向压降为0. 60. 7伏的特点来进行稳压的。因 此，二极管在电路中必须正向连接，这是与稳压管不同的。稳压管的动态电阻是随工作电流变化的，工作电流 越大。动态电阻越小。 因此，为使稳压效果好，工作电流要选得合。工作电流选得大些，可以减小动态 电阻，但不能超过管子的最大允许电流（或最大耗散功率）。各种型号管子的工 作电流和最大允许电流，可以从手册中查到。稳压管的稳定性能受温度影响，当温度变化时，它 的稳定电压也要发生变 化，常用稳定电压的温度系数来表示这种性能例如2CW19型稳压管的稳定电压 Uw= 12伏，温度系数为0.095%C，说

23、明温度每升高1C，其稳定电压升高11.4 毫伏。为提高电路的稳定性能，往往采用适当的温度补偿措施。第四章峰值检波器的测试及性能指标4.1性能测试4.1.1测量交流信号:分别输入80KHz最大值为1V,1.5V,2V,3V,5V的正弦波，测量输出电压，并输入信号直流分量输入信号峰值uP1检测信号峰值up 2相对误差U2。1 *100 uP11V1.30V1.20V-7.6%1.5V2.00V1.90V-5.0%2V2.65VV2.50V-9.4%3V3.90V3.70V-5.1%5V6.50V6.30V-3.1%计算误差。表1交流信号测量表%4.1.2测量具有直流分量的交流信号:输入80KHz最

24、大值为2V的正弦波，调节直流分量0.5V、1V、1.5 V、2V，-1V，测量输出电压，并计算误差。表2交直流信号测量表输入信号直流分量输入信号峰值uP1检测信号峰值up 2相对误差九2 % *100% uP10.5V2.5V2.3V-8%1V3.0 V2.75V-8.3%1.5 V3.5V3.3V-5.7%2.0V4.0V3.8V-5.0%-1.0V1.0V0.9V-10%4.2性能指标1）电压传输Kd系数说明检波器对高频信号的解调能力输入为高频等幅波Kd=Uo/Uim输入为高频调幅波Kd=U Q m/maUim 注：Kd总是小于1, Kd越接近1越好2）输入电阻说明检波器对前级电路的影响程

25、度Ri=Uim/Iim此外检波器还有反映其失真系数的指标THD等。4.3电路分析当输入信号为正半周时二极管导通对电容充电，一直充电到峰值即最大值， 当输入电压负半周时二极管截止，电容不放电，保持电压（峰值电压），这样电 容两端电压一直处于峰值，可以检测出信号的峰值。第五章系统分析5.1系统的测量范围交流信号：80KHZ峰值为0.5V,1V,1.5V,2V,5V的正弦波具有直流分量的交流信号：80KHZ峰值为2V的正弦波，直流分量为-1V, 0.5V,1V,1.5V5.2测量精度测量精度是指测量的精确细密程度，在测量中，任何一种测量的精确细密程 度都只能是相对的，都不能达到绝对精确，都会存在多种

26、那个原因导致的误差。在这次测量中，也存在一定误差，但总体精确度较高，测量精确度较好。5.3测量误差测量时，由于各种因素会造成些许误差，我们要做的是尽量减小误差。误差 主要来源有系统误差和粗大误差。系统误差主要包括：视差，误读，刻度误差和 磨损误差等。系统误差在测量过程中是基本不变的，可以通过计算等方法求得， 并且可以通过修正或调整使其减小。粗大误差即粗差，是由于操作不当，测量失 误等原因造成的测量结果偏离实际值的误差。此次测量结果也存在一定的误差， 但和实际值偏离不大。5.4系统调试注意事项测试前检测电路是否存在短路，虚焊，漏焊，与信号发生器和示波器相连时， 注意不要短路。接通电源后检测信号发生器输出的信号是否正确，各电源电压是否稳定等。在每次改变参数时，需将整流稳压源断电，然后再打开。5.5系统设计存在的不足电路插入跳线较多，影响电路板美观，同时，较多的跳线也不便于检查和修 改。在拿到元器件时我们都急于焊接没有考虑到盲目的焊接给我们带来的麻烦， 焊接前我们应该仔细考虑下电路的布局。第六章实验总结经过为期五天的努力，我们终于完成了本次课程设计的要求，峰值检 波器的设计，通过这次电子测量课程