测控电路设计...docx
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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=K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l.lo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Ll二阶无限增益多路反馈巴特沃思
2、型有源低通滤波器的电路形式1)确定电容依据经验公式飞A确定电容CI二Q2)确定电容:依据4(14,I)(B=1.414214,C=1.00000)确定电容Ci,K,(f-4(YlC,(l+1)3)确定电阻”4)确定电阻RI:5)确定电阻R3:(2)&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)双路宜流稳压电源;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D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,然后用电压表
3、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IV;(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IOHzIV1.4V70ms-25220HzIV1.4V30ms-21630HzIV1.25V16ms-172.840HzIV1.3V12ms-172.850HzIV1.3V10ms-180
4、60HzIV1.2V10ms-21670HzIV1.0V7ms-176.480HzIV1.0V6.5ms-187.290HzIV0.8V5.5ms-178.2100HzIV0.9V5ms-180200HzIV0.8V2.5ms-180300HzIV0.8V2.3ms-248.4400HzIV0.75V2.2ms-316.8500HzIV0.4V1.9ms-342600HzIV0.35V1.6ms-345.6700HzIV0.4V1.4ms-352.8800HzIV0.3V1.2ms-345.6900HzIV0.23V1.05ms-340.2100OHzIV0.19V0.75ms-270输入信号
5、频率输入信号幅度输出信号幅度输入输出时间差相位差(。)7、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;20log(Avf)0220log(Avf)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Ll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,使元件之间工作时
6、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,中间结果必须保留多为来确保最后结
7、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?ACm;rr1.VJ-一,2阶巴特沃斯LFP的传递函数的形式可以写为痴H二式中,B和C是归一化系数(叫7),对照一圜善遹也有R-2sin1xLr_2sinH1.4142142x24,C=Io4)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,CI改为电阻,RLR3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。4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vltt,f,(.=(=( :=1。根据经验公式选定电容(=f I = z
8、醒后螂件,R 2cR 2C - VXS66- ( 由 g (IT),4q*4)选定(:2“。根据上述2阶滤波器的参数公式可得:R2 = 7.55624XMfL5 = 1.676116M, R1 =I,5M凡,一 1DSW)MC,取隔国用国割酶R - D取用国糠嬷割+=1,=2sins,BT=2sin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
9、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V=l,此时通过R3向电容Cl充电,当Cl充电至使V的电位与V+相等时,比较器LMlll翻转,Vo=0=Vol,比较电平随之下降。而后电容Cl开始放电,V一的电位逐步下降,当V-下降至比较电平时,LMlll翻转,V=l=Voh,这一过程周而复始,V。即为方波。方波的频率与时间常数R3Ci,比较器的输出电平及Ri,R2和R4的阻值有关。
10、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IoOk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
11、围。7)用6个不同阻值的电阻R3(1IOQ、100lkQ、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率。(2)将电阻R3换成IoOk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-1.435MHz(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1l.lll106Hzlk7.692105Hz10l.lll106Hz10
12、kl.lll105Hz1OOl.lll106Hz100k1.765104Hz7、实验信息处理与分析根据输出频率公式,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Cl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。-l,5-(vr,O-HfM“/1-nTi-Ttfi由二此,充电时间5-.w,放电时间0-山,综上得-7r?
13、-Re(加二_*+In)505,得输出频率为/=1=!T5Kr*.0匕Xf(nhi5-竹川0-hx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70dBo3、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
14、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L)TWU.K.I)电路的第二级增益为1号(12)电路的总差模增益为=4MLa,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。CVRRJ八XCMRR户CMRRc电路的共模抑制比的计算公式为%x(MRQrMRR、H4)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
15、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Ai.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IOC)mV、200mV300mV.400mV.500mVs60OmV、70OmV、80OmV、90OmV、1000mVo7)以该信号作
16、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IV、2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、IOV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实验结果记录表差模增益的测试共模抑制比的测试序号Vin2-VinlVod差模增益VineVocCMRR1100mVIOV100IV0.3150.1722mVIOV
17、502V0.3249.903300mVIOV33.33V0.3449.3944mVIOV254V0.3349.635500mVIOV205V0.3349.6366mVIOV16.676V0.3349.637700mVIOV14.37V0.3449.6688mVIOV12.58V0.3349.639900mVIOV11.19V0.3349.5510l0mVIOV10IOV0.3349.637、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
18、,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LA越小,波形越不纯,毛刺越多。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Al和Az在选择时应注意什么问题?说明原因。CCMRRxC
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