《电子测量》综合实验装置实验指导书.docx
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《电子测量》综合实验装置实验指导书
《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
1、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。
2、实验器材:
1、《电子测量》综合实验箱一台
2、20MHz示波器一台
3、10MHz频率计一台
4、计算机一台
5、MCS-51仿真器一台
6、数字万用表一台
3、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。
(1)TL082双运算放大器
(2)4051八选一模拟开关
(3)4052双四选一模拟开关
(4)AT89S51单片机
5、学习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=f0=1/(2πRC)
选择不同的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:
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±Uz之间。
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不同,从而改变输出方波的占空比。
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:
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。
图6输出信号幅度的调理
5、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。
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。
6、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、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。
4、说明单片机控制的方法,画出软件控制流程图,附程序清单。
5、叙述本次实验的心得体会。
七、附《电子测量》综合实验装置:
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)。
图7信号发生单元电路总图
图8智能控制单元电路总图
实验二:
频率的测量
1、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。
3、实验器材:
1、《电子测量》综合实验箱一台
2、20MHz示波器一台
3、10MHz函数信号发生器/计数器一台
4、计算机一台
5、MCS-51仿真器一台
6、数字万用表一台
4、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
(2)4093带斯密特回差的四-二输入与非门
(3)4017十进制计数器/分配器
(4)74HC390十进制计数器/分频器
(5)74HC04六反相器
(6)4511BCD-7段锁存/译码/驱动器
(7)AT89S51单片机
6、学习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±0.7V的电平上。
图1输入衰减
2、±0.7V的信号电压用图2所示的运算放大器放大到±5V左右。
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。
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。
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(U8~U13)锁存器/BCD-七段字型译码器/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
(3)计数器数据锁存端
图6计数显示模块
7、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Q0~Q9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。
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Q0~Q2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。
6、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,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。
8、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。
7、实验报告要求:
1、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、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。
6、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。
7、叙述本次实验的心得体会。
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)。
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:
1、《电子测量》综合实验箱一台
2、20MHz示波器一台
3、计算机一台
4、MCS-51仿真器一台
5、数字万用表一台
6、0~30V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
(2)74LS248BCD-7段字型译码器
(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-12V~+12V的电压信号,分别从J1和J12引出。
图1被测信号可以产生-12V~+12V的电压
2、被测信号电压经如图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。
图2衰减网络
3、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:
图3自动量程的切换部分
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:
(1)精度:
读数的±0.05%±1字
(2)模拟电压输入的基本量程:
1.999V和199.9mV两档
(3)转换速率:
2-25次/s
(4)输入阻抗:
大于1000MΩ
(5)电源电压:
±4.8V—±8V
(6)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DS1—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,易于利用单片机进行电压量的数据采集与显示。
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470KΩ,而满量程为200mV时取27KΩ。
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。
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。
图6译码显示模块
AD转换器输出的Q0~Q3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数码管的相应段位。
AD转换器输出的DS1~DS4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。
5、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0~200mV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。
点亮相应的小数点,并指示显示数据的单位(mV或V)。
4、将参考电压调节到160mV,重新测量0~160mV的二个电压,观测并记录LED数码管显示的数据,同时记录数字万用表的数据。
5、将参考电压调节到2V,测量0~±2V的二个电压,点亮相应的小数点,并指示显示数据的单位(mV或V)。
观测并记录LED数码管显示的数据,同时记录数字万用表的数据。
注意外积分电阻的大小。
6、将被测电压调高到0~±12V,分别取二个被测电压,经过10:
1电路的衰减,依次接入AD转换器,点亮相应的小数点,并指示显示数据的单位(mV或V)。
观测并记录LED数码管显示的数据,同时记录数字万用表的数据。
测量并记录10次以上的数据。
7、利用智能控制模块中的单片机与AD转换器接口,在通用LED数码管上显示被测电压,利用单片机的I/O口控制自动量程中的继电器线包,完成自动改变量程,自动确定小数点位置等智能化功能。
8、从稳压电源中提取二个被测电压,在0~±30V范围内改变电压值,输入到智能电压表的输入端,测量并记录10次以上的数据。
六、实验报告要求:
1、简述双积分式AD转换器的工作原理,并指出它的特点。
2、简述数字电压表的工作原理及信号流程。
3、简述数字电压测量中误差产生的原因及计算方法。
4、列出全部测量数据,剔除坏值,计算出测量报告值。
5、将测量报告值与标准数字电压表的测量值对比,计算误差,分析原因。
6、简述用借助于单片机测量电压的方法,画出软件流程图,附程序清单。
7、叙述本次实验的心得体会。
七、附《电子测量》综合实验装置:
电压测量单元的电路图(图8)。
图8电压测量单元电路总图
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- 电子测量 电子 测量 综合 实验 装置 指导书
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