《测控系统与电路》实验指导书 - 图文

《测控系统与电路》实验指导书

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电气自动化实验中心

２０15年3月

实验一 信号放大电路实验

一、实验目的

1．研究由集成运算放大器组成的典型的三运放高共模抑制比放大电路的功能。 2．了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。

二、实验原理

集成运算放大器是一种具有电压放大倍数高的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可以组成反相比例放大器，同相比例放大器，电压跟随器，同相交流放大器，自举组合电路，双运放高共模抑制比放大电路，三运放高共模抑制比放大电路等。在非线性应用方面，可以利用它产生正弦波、三角波、方波等信号。

本实验仅对集成运放施加线性反馈所具有的三运放高共模抑制比放大电路的功能进行分析。

1．理想运算放大器的特性：

在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件（如表1-1所示）的运算放大器称为理想运放。理想运放失调与漂移均为零等。

表1-1

开环电压增益 Aud=∞ 输入阻抗 ri=∞ 输出阻抗 ro=0 带宽 fBW=∞

2．理想运放在线性应用时的两个重要特性：

（1） 输出电压UO与输入电压之间满足关系式：U0=Aud(U+-U-)，而U0为有限值，

因此，(U+-U-)=0，即U+=U-，称为“虚短”。

（2）由于ri=∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即称为“虚断”。这说

明运放对其前级吸取电流极小。

以上两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

3．三运放高共模抑制比放大电路

三运放高共模抑制比放大电路又称测量放大器、仪表放大器等。电路如图1-1所示。它的输入阻抗高，易于与各种信号源相匹配,它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并且漂移小，稳定性好。其共模抑制比大，能适于在大

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的共模电压的背景下对微小差值信号进行放大。

结构上：主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输 入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。

在R1=R2=10K，R3=R4=10K，Rf=R5=10K的条件下，图1-1电路的增益为： G=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。 具体的计算如下：

（1）

（2）

由公式（2）得：

将VO1、VO2代入公式（1）中

(3)

将R1=R2，R3=R4，Rf=R5代入公式（3）中 得：

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由VO结果看出，改变电位器Rg的阻值，则可以改变对差模信号的放大倍数， 整个放大器对差模信号的增益为G

整个放大器对共模信号的增益为KC

KCMRR是A3放大器的共模抑制比 整个放大器的共模抑制比为KCMR

若取R1=R2=10K、R3=R4=10K、Rf=R5=10K、Rg=5K时 则VO=5（V2-V1）

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V1 VO1 V2 VO2

图1-1 三运放高共模抑制比放大电路

三、实验设备

1．测控电路实验箱 2．虚拟示波器 3．万用表

四、实验内容及步骤

1．实验前的准备工作

熟悉“测控电路实验箱”

熟悉“双踪示波器”的使用方法 熟悉相应的实验单元： “电源单元”、“信号发生单元一”、“信号运算放大和电压比较器”单元

2．三运放高共模抑制比放大电路实验(注：本实验使用的运算放大器为TL081。) （1）运放调零

在实验箱上找到“信号运算放大和电压比较器”单元，用连接线按图1-2搭建好电路——反相放大电路，仔细检查连线，确保无误。输入端Ui接地，用万用表测量运放A1的输出端UO，调节本单元的电位器，使运放A1输出为零。

同理：对运放A2、A3进行上述调零处理。

注意：调零结束后，三个调零电位器不要再旋转。

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10K 10K 10K

A1-TL081 图1-2 反相放大电路

（2） 按图1-1接线

在实验箱上找到“信号运算放大和电压比较器”单元，用连接线按图1-1搭建好电路。

共计：6个10K的电阻、一个电位器，3个运放

a.3个运放A1、A2、A3的“-”端与“OUT”端分别接R1、R2、Rf （建议用同一颜色的6根导线，如“绿色”导线，便于查线） b. A1“OUT”端与A3“-”端之间接R3；

A2“OUT”端与A3“+”端之间接R4； 切记R5一定要连接。

（建议用同一颜色的6根导线，如“红色”导线，便于查线）

c. 运放A1“-”端与运放A2“-”端之间接电位器Rg,注意电位器Rg的中心抽头不要忘记连接；

（建议用同一颜色的3根导线，如“黑色”导线，便于查线）

d.仔细检查连线，确保无误后，将“箱子”及“电源单元”开关置“ON”的 位置。

（3）利用“信号发生单元一”制作 f=1kHz、ViP-P=1V的正弦波信号Vi 制作过程：

a.将“波形选择开关” K1向左拨到最左侧，则输出波形为正弦波。

b.将“高/低频选择开关” K2向左拨到最左侧低频位置，此时单元输出信号的频率范围为：100HZ～10KHZ，通过调节“频率粗调电位器”（逆旋频率增高）和“频率细调电位器”（逆旋频率增高），可以得到Vi信号的频率f=1kHZ。

c.通过调节“幅度放大”电位器（逆旋幅度增加）和“幅度衰减”（逆旋幅度增加，注意不要将此旋钮顺旋到底，即将输入信号衰减掉），可以得到Vi信号的幅值V iP-P=1V （实际应用时要注意加入运放的输入的信号幅度不要太大，以确保集成运放工作在线性区） 注意：

制作过程中用示波器CH1通道观测Vi的频率和幅度， 建议示波器V/DIV为1V，t/DIV为1ms

（4）差分信号输入

在V1及V2的两端输入f=1k、ViP-P=1V的正弦波信号Vi（即“信号发生单元一”的“信号输出”口接A1“+”端，“GND” 接A2“+”端），并用示波器观测VO

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与Vi的幅值及相位关系，同时调节本单元的电位器Rg，观测输出信号幅度的变化。将结果记入下表中。 Vi(V) VO(V) Vi波形 VO波形 VO与Vi的关系 正弦波 放大后 反 VO=- 5Vi 的反相Rg=5K 正弦波 （5）共模信号输入

在V1及V2的两端分别加入f=1k、ViP-P=1V的正弦波信号Vi（即“信号发生单元一”的“信号输出”口同时接A1“+”端和A2“+”端，即将原差分输入时A2“+”端接“GND”的线接入“信号发生单元一”的“信号输出”口），并用示波器观测VO与Vi的幅值及相位关系，将结果记入下表中。 Vi(V) VO(V) Vi波形 VO波形 VO与Vi的关系 正弦波 0值 抑制很好

五、参考波形

1.差分信号输入时，Vi、V0波形

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2.共模信号输入时，Vi、V0波形

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图1-2

六、实验注意事项

实验箱中的直流电源正负极切忌接反,本实验不用接。

七、思考题

1．对测量放大电路的基本要求是什么？

2．按照图1-1给定的电路参数，试计算当Rg=5KΩ时，放大器的差模增益？

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八、实验报告要求

1．整理以上实验数据，画出波形图。

2．将理论值计算结果和实测数据相比较分析产生误差的原因。 3．分析和讨论实验中出现的现象和问题。

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实验二 开关电容滤波器实验

一、实验目的

1．熟悉及掌握集成开关电容滤波器的构成原理及应用。 2．掌握滤波器的滤波特性。

二、实验原理及电路

1．集成滤波器MF10芯片简介

集成滤波器MF10芯片内部框图及其引脚图如图2-1所示。

开关电容集成滤波器MF10是一种通用型开关电容滤波器集成电路，依外部接法不同，可实现低通、高通、带通、带阻和全通等滤波特性。开关电容集成滤波器无需外接决定滤波频率的电阻和电容，其滤波频率仅由输入时钟fclk决定，通常时钟频率fclk应高于信号频率的50倍或100倍。其内部集成了两组MF5，两个MF5既可分别构成两个独立的二阶开关电容滤波器，又可级联成四阶开关电容滤波器。其内部框图及引脚图如图2-1所示，第4（17）脚为内部运放反相输入端INVA(INVB)；第5（16）脚为求和输入端SIA(SIB)；第1（20）脚为低通输出端LPA(LPB)；第2（19）脚为带通输出端BPA(BPB)；第3（18）脚为带阻/全通/高通输出端N/AP/ HPA(N/AP/HPB)，第10（11）脚为时钟输入端CLKA(CLKB)；第12脚用于设定时钟频率fclk与滤波器的频率f0的比值；

当第12脚接高电平时

，则

当第12脚接地时,

，则

（本实验为此情况），

只要在时钟输入端CLKA(CLKB)控制输入的时钟频率，就可以改变滤波频率，

这样可以实现滤波频率的数字控制。滤波器的Q值通过外接电阻设定。

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图2-1 MF10内部框图及引脚图

2．电路说明

实验电路原理图如图2-2所示。

短接J1的1-2，J2的1-2，J3的2-3，J4的1-2时，则构成二阶低通滤波器； 短接J1的1-2，J2的1-2，J3的2-3，J4的4-5时，则构成二阶高通滤波器； 短接J1的1-2，J2的1-2，J3的2-3，J4的2-3时，则构成二阶带通滤波器； 短接J1的2-3，J2的1-2，J3的1-2，J4的4-5时，则构成二阶带阻滤波器； 短接J1的2-3，J2的2-3，J3的1-2，J4的4-5时，则构成二阶全通滤波器；

图2-2 开关电容滤波器实验电路图

三、实验设备

1．测控电路实验箱

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2．虚拟示波器

四、实验内容及步骤

1．在实验箱上找到“开关电容滤波器单元”。

2．时钟信号的观察

将“开关电容滤波器”单元的“时钟信号”端接入示波器，观察时钟信号的波形，读出时钟信号的频率fclk。fclk≈300K、幅度≈4V

注意：“时钟信号”接示波器红色探头、“GND” 接示波器黑色探头。 3．输入信号Vi的制作

利用“信号发生单元一”制作ViP-P=2V、频率可调的正弦波输入信号Vi a.将实验箱上的“信号发生单元一”的“波形选择开关” K1向左拨到最左侧，则输出波形为正弦波。

b.将“高/低频选择开关” K2向左拨到最左侧低频位置，此时单元输出信号的频率范围为：100HZ～10KHZ，通过调节“频率粗调电位器”（逆旋频率增高）和“频率细调电位器”（逆旋频率增高），可以得到Vi信号的频率f在100HZ～10KHZ，之间变化。

c.通过调节“幅度放大”电位器（逆旋幅度增加）和“幅度衰减”（逆旋幅度增加，注意不要将此旋钮顺旋到底，即将输入信号衰减掉），可以得到Vi信号的幅值V iP-P=2V

d.将Vi信号接入输入端（1根线） 注意：

制作过程中用示波器CH1通道观测Vi的频率和幅度， 此时建议示波器V/DIV为1V，t/DIV为1ms

4．输出端接示波器CH2通道，按照前面“电路说明”部分，通过切换短路帽分别接成低通、高通、带通、带阻、全通滤波器，用虚拟示波器同时观察输入信号与输出信号，改变输入信号的频率，记录输出信号的幅度及相位随输入信号频率变化的情况。

五、参考波形( 示波器CH1、CH2通道均在V/DIV为1V，t/DIV为1ms 时测试

到的波形 ) 1.时钟信号如图2-3

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图2-3 2.低通滤波器

①输入低频信号（0-3KHZ左右，通过调节“频率粗调电位器”或“频率细调电位器”来改变fi），得到波形如图2-4

图2-4

②输入高频信号（﹥5KHZ左右），f0幅值衰减严重，得到波形如图2-5

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图2-5

3. 高通滤波器

①输入低频信号（﹤4KHZ左右），f0幅值衰减严重，得到波形如图2-6

图2-6

②输入高频信号（﹥4KHZ左右），f0不失真，得到波形如图2-7

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图2-7

4. 带通滤波器

①输入低频信号（＜3KHZ,），f0幅值衰减严重，得到波形如图2-8

图2-8

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②输入高频信号（＞3.8KHZ,），f0幅值衰减严重，得到波形如图2-9

图2-9

③输入中频信号（3KHZ﹤fi﹤3.8KHZ,带宽），得到波形如图2-10

图2-10

5.带阻滤波器

①输入信号频率为1.8KHZ∽6.8KHZ之间出现带阻，在3.5KHZ左右最佳，接近一直线。得到波形如图2-11

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图2-11

6. 全通滤波器

①输入信号频率在3KHZ左右的范围内，得到波形如图2-12

图2-12

六、实验注意事项

实验挂箱中的直流电源正负极切忌接反，否则就会烧坏实验箱上的集成芯片。

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七、实验报告要求

1． 用集成开关电容滤波器MF10设计一滤波器需注意哪些问题。

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实验三 锁相环单元实验

一、实验目的

1．掌握通用单片集成锁相环LM565的工作原理和应用。 2．了解锁相环LM565参数的计算方法。

二、实验原理和电路说明

1．芯片简介

LM565是一块工作频率低于1MHz的通用单片集成锁相环路，其组成方框图如图3-1所示。引脚框图如图3-2所示。它包含鉴相器、压控振荡器和放大器三部分。鉴相器为双平衡模拟相乘电路，压控振荡器为积分—施密特电路。输入信号加在2、3端，7 端外接电容器C与放大器的集电极电阻R（典型值为3.6K）组成环路滤波器。由7端输出的误差电压在内部直接加到压控振荡器的控制端。6端提供了一个参考电压，其标称值与7端相同。6、7端可以一起作为后接差动放大器的偏置。压控振荡器的定时电阻RT接在8端，定时电容CT接在9端，振荡信号从4端输出。压控振荡器的输出端4与鉴相器反馈输入端5是断开的，允许插入分频器来做频率合成器。

图3-1 LM565CN方框图 图3-2 LM565CN引脚图

对LM565而言，压控振荡器振荡频率可近似表示为： f?EC1.2

4RTCT压控灵敏度为： K0?50f 式中Ec是电源电压（双向馈电时则为总电压）。

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鉴相灵敏度为： Kd?1.4?放大器增益为： A?1.4

LM565工作频率范围为0.001Hz~500KHz，电源电压为±6~±12V，鉴频失真低于0.2%，最大锁定范围为±60%f，输入电阻为10K，典型工作电流为8mA。主要用于FSK解调、单音解码、宽带FM解调、数据同步、倍频与分频等方面。 2．实验电路

锁相环单元电路如图3-3所示。其中频率粗调波段开关控制锁相环的频率粗调，分为三个频段。频率细调电位器调节各个频段的细调范围。

图3-3 锁相环单元实验电路图

三、实验仪器

1．测控电路实验箱 2．虚拟示波器

四、实验内容与步骤

（一）压控振荡器频段的测试 1．在实验箱上找到“锁相环单元”。

2．将“信号输入”和“反馈输入”端接地。 3．将频率粗调档分别打在“1”、“2”、“3”各频段，用示波器测量“VCO频率输出”端的频率，调节“频率细调”电位器测出最高频率和最低频率。将得到的数据填入表3-1。

a.将“频率粗调”档打在“1” 频段： “频率细调”电位器逆旋到底：

示波器：t/DIV=10μs ，即横坐标一大格为t=10μs，看波形一个周期占6大格，则实际T=6*10μs =60μs，此时波形频率

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“频率细调”电位器顺旋到底：

示波器：t/DIV=10μs ，即横坐标一大格为t=10μs，则一小格为t=10/5μs =2μs，看波形一个周期占12小格, 则实际T=12*2μs =24μs，此时波形频率

b.将“频率粗调”档打在“2” 频段： “频率细调”电位器逆旋到底：

示波器：t/DIV=10μs ，即横坐标一大格为t=10μs，看波形一个周期占4大格，则实际T=4*10μs =40μs，此时波形频率

“频率细调”电位器顺旋到底：

示波器：t/DIV=10μs ，即横坐标一大格为t=10μs，则一小格为t=10/5μs =2μs，看波形一个周期占8小格, 则实际T=8*2μs =16μs，此时波形频率

c.将“频率粗调”档打在“3” 频段： “频率细调”电位器逆旋到底：

示波器：t/DIV=10μs ，即横坐标一大格为t=10μs，看波形一个周期占2大格，则实际T=2*10μs =20μs，此时波形频率

“频率细调”电位器顺旋到底：

示波器：t/DIV=10μs ，即横坐标一大格为t=10μs，则一小格为t=10/5μs =2μs，看波形一个周期占4.5小格, 则实际T=4.5*2μs =9μs，此时波形频率

表3-1 典型数据 频率粗调 最低频率（KHz） 16.6 25 50 最高频率（KHz） 41.6 62.5 111.1 频段 1 2 3

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（二）压控振荡器两种输出信号的观察

用虚拟示波器分别观察“VCO频率输出”端和“三角波输出”端的波形。并画出对应的波形图。“三角波输出”和“VCO频率输出”的频率是由误差电压控制的，与鉴相器、放大器等构成基本锁相环电路 （三）观察在“1”频段内的锁定波形

1．将“VCO频率输出”与“反馈输入”连接。

2．制作输入信号Vi（ViP-P=2V、频率可调的正弦波信号）

a.将实验箱上的“信号发生单元一”的“波形选择开关” K1向左拨到最左侧，则输出波形为正弦波。

b.将“高/低频选择开关” K2向右拨到高频位置，输出信号的频率范围：10KHZ～1MHZ；通过调节“频率粗调电位器”（逆旋频率增高）和“频率细调电位器”（逆旋频率增高），可以得到Vi信号的频率f在10KHZ～1MHZ之间变化。

c.通过调节“幅度放大”电位器（逆旋幅度增加）和“幅度衰减”（逆旋幅度增加，注意不要将此旋钮顺旋到底，即将输入信号衰减掉），可以得到Vi信号的幅值V iP-P=2V

d.将Vi接入“信号输入”端（1根线）

3．用示波器CH1通道观察输入正弦波信号（2根线）、用示波器CH2通道观察“VCO频率输出”端的波形（2根线）

4．让压控振荡器频率处于第一频段（频率细调旋钮顺旋较大一些）

5．调节“信号输入”Vi的频率（此处“频率粗调电位器”顺旋到底，只用“频

率细调电位器”来改变Vi信号的频率），观察CH1、CH2即“信号输入”端和“VCO频率输出”端的波形fi、fVCO，可以发现在某个频段内fi、fVCO的频率相同，即频率锁定。画出锁定时的波形图。

6．同理，也可让压控振荡器频率处于第二、三频段，观察相应频段内的频率锁定范围

五、参考波形

1.“VCO频率输出”端和“三角波输出”端的波形对比如图3-4

图3-4

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2. 某时刻“1”频段内锁定时的fi、fVCO波形图3-5

图3-5

六、实验报告

1．整理实验数据，画出相应的数据表格和波形图。 2．锁相环由哪些部分组成？各部分的作用是什么？

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vsu5.html