现代测控电子技术实验指导书Word格式.docx
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1）连接测量线路,确认准确无误后，开启仪器电源；
2）实验完毕,关闭仪器电源,拆除实验线路。
3.稳压电源不可对地短路。
4．在通电之前务必检查芯片的电源连接是否正确，确认正确后方可通电。
5．测试过程中必须十分小心，务必注意不要将芯片引脚短路，否则会损坏芯片。
6.实验过程中，心要细、动作要轻，不可有强制性机械动作出现。
7.实验严格按操作规程进行，否则，出现损坏责任自负。
8.实验完毕，请一切恢复到实验前的状态，然后离开实验室。
实验一酒精浓度检测与控制
一、实验目的
通过实际设计调试酒精浓度检测与控制电路，深入理解并掌握气敏传感器的基本特性、工作原理，掌握气敏传感器信号调理电路、气体浓度控制电路的设计原理与工作原理，提高实际工程应用电路的设计与调试能力。
二、实验内容
设计一个酒精浓度超标检测报警与控制电路，要求：
（1）能够检测出高、中、低三种酒精浓度，采用三个二极管指示；
（2）当酒精浓度达到最高浓度时，蜂鸣器发生报警，并启动电路自动控制排风轴流风机的启动，排除酒精。
（3）当酒精浓度下降回到允许范围后，风机自动停止，报警也停止。
（4）检测电路要求具有气敏传感器的温度补偿电路，以避免传感器受温度的影响发生误报警。
三、实验所需仪器/设备简述
1.直流稳压电源
三路输出，两路的输出范围为0-35V，可级联成单路0-70V输出，也可构成双路±
35V输出电源。
另外一路为固定5V输出，输出电流最大3A。
2.双踪数字示波器
泰克公司TDS1002型60MHz双踪数字示波器，具备模拟示波器的全部功能，另具有幅度、时间宽度、周期、频率自动测量功能，具有捕捉单次脉冲功能，具有波形打印功能。
3.四位半数字万用表
四位半数字万用表能够测量交直流电压、电流、电阻、电容、三级管电流的放大倍数、二极管电阻。
4.面包板
四、主要元器件
气敏传感器MQ-3、轴流风机、蜂鸣器、运算放大器（LF356、OP07、LF353等）、比较器（LM311单比较器或LM339四比较器）、继电器TQ2-5V、555电路、各类电容、电阻、发光二极管、热敏电阻、电位器、三极管等。
五、气敏传感器介绍
MQ-3半导体气敏传感器，是对酒精、乙醚和汽油等气体具有敏感作用的气敏传感器。
应用该传感器可以设计出上述气体的探测装置，图1.1是MQ-3气敏传感器的引脚图。
图1.1MQ-3气敏传感器的引脚图
电路连接图见图1.2，其中脚5、脚2是加热丝，使用时应接+5V电源加热。
4、6脚短路为一组输出，1、3脚短路为另一组输出。
使用时必须使传感器通电加热5～10分钟后才能开始检测。
图1.2MQ-3气敏传感器的电路连接图
采用MQ-3半导体气体报警器原理框图见图3所示。
图3采用MQ-3气体报警器原理框图
当传感器吸附可燃性的气体后，阻值开始下降。
利用这一原理把传感器串入串联分压电路中，当传感器吸附可燃性气体后阻值下降后，必使传感器的一端电位改变，此点电位经过电压比较器，使电压比较器输出端电压变化或引起电压极性翻转。
六、实验参考书目
1.周严.测控系统电子技术.北京：
科学出版社，2007
2.周严.数字化测量技术.北京：
北京理工大学出版社，2011
3.张国雄.测控电路.北京：
机械工业出版社，2005
4.朱蕴璞、孔德仁、王芳.传感器原理及应用.北京：
国防工业出版社，2007
七、实验报告要点
1.绘出所设计的电路图，说明工作原理；
2.说明电路参数的设计方法，确定元件参数；
3.说明实验调试步骤，记录实验数据或实验现象；
4.分析实验结果。
实验二光电心率检测
一、实验目的
通过实际设计调试光电心率检测电路，深入理解并掌握光电心率检测原理、光电信号控制电路、信号调理电路的设计原理与工作原理，提高实际电路设计、调试的能力。
设计一手指透射式光电心率检测电路，检测实验者自己的心率，并调试之。
要求：
（1）设计调试红外发光管发光控制与调节电路；
（2）设计调试手指透射光接收电路；
（3）设计调试光脉冲信号整形电路；
（4）设计调试60倍的倍频电路，将心率倍频60倍，实现心率的数字频率计测量与显示，频率计的测量（显示）值就是所测量的心率。
4.HC-F1000L数字频率计
数字频率计是能够测量频率、周期、时间间隔、脉冲宽度并具有计数器功能的数字仪器。
5.面包板
红外发射与接收传感器、运算放大器（LF356、OP07、LF353等）、比较器（LM311单比较器或LM339四比较器）、锁相环CD4046、计数器74LS161、各类电容、电阻、电位器等。
五、红外发射与接收传感器介绍
1.红外发射管
红外发射管是由红外发光二级管矩组成发光体，用红外辐射效率高的材料（常用砷化镓）制成PN结，正向偏压向PN结注入电流激发红外光，其光谱功率分布为中心波长830～950nm。
LED红外灯的功率和电流大小有关，但正向电流超过最大额定值时，红外灯发射功率反而下降。
常用的红外发光二极管，其外形和发光二极管LED相似，发出红外光。
管压降约1.4V，工作电流一般小于20mA。
为了适应不同的工作电压，回路中常常串有限流电阻。
目前，最为常用的红外发射管是峰值波长为850nm和940nm的发射管。
前者的发射功率大于后者。
2.红外接收管
红外接收管通常采用光敏三极管，光敏三极管是具有NPN或PNP结构的半导体管，它在结构上与普通半导体三极管类似，它的引出电极通常只有两个，基极通常不引出。
当有光照时光敏三极管的集电极与发射极间有电流流过，这就是光电流，光电流流过电阻即可将电流转换为电压。
光敏三极管存在暗电流，即无光照射时集射极之间的电流，设计电路时要保证暗电流不产生电压输出。
光敏三极管电路见图2.1。
图2.1光敏三极管电路
3.比较器LM339
LM339是集成的四比较器，其主要技术指标为：
①宽电源电压范围，单电源为36V，双电源为±
18V；
②输入偏置电流为25nA；
③输入失调电流为±
5nA；
④输入失调电压为±
3mV；
⑤差分输入电压范围与电源电压范围相同；
⑥输出电压与TTL、DTL、ECL、MOS、CMOS逻辑兼容。
内部框图见图2.2。
图2.2LM339内部框图
1.周严.《测控系统电子技术》.北京：
2.朱蕴璞、孔德仁、王芳.传感器原理及应用.北京：
3.张国雄《测控电路》.北京：
实验三基于可编程逻辑器件的数据采集系统
通过实际设计与调试，深入理解并掌握基于PC104总线的数据采集系统的基本构成、工作原理及设计方法，提高实际数字逻辑电路的设计、调试能力。
掌握可编程逻辑器件的编程与设计的方法与技能。
自行设计基于PC104总线的数据采集系统，要求模拟输入通道数6个，采集结果12bits并行输出，一路数字控制模拟量输出，一路占空比可数字调节的脉冲波输出。
具体实验内容如下：
（1）设计数据采集系统的构成框图。
（2）设计基于中小规模数字集成电路的数据采集系统原理电路。
（3）将除A/D转换器之外的逻辑电路改为用一片CPLD芯片（EPF10K10LC84-4）编程实现，设计基于CPLD（EPF10K10LC84-4）的数据采集系统。
控制模式采用查询或中断均可。
（4）进行仿真设计，验证设计的正确性。
（5）编写汇编语言调试程序。
（6）进行实际软硬件综合调试。
1.PC104电脑
2.maxplusII软件。
3.数据采集实验板及下载电缆
MAX196模数转换器、EPF10K10LC84-4可编程逻辑器件、EPC2LC20下载芯片，DAC0832数模转换器、ICL8038集成函数发生器、电压比较器LM311、运算放大器、晶体振荡器、各类电容、电阻等。
五、MAX196介绍
MAX196是美国MAXIM公司生产的多通道12-bit数据采集系统。
其主要特点为：
①12-bit分辨力；
②单+5V电源供电；
③量程范围可编程：
±
10V，±
5V，0～10V和0～5V；
④内部集成有4.096V电压基准，也可外接电压基准；
⑤6选1可编程模拟输入；
⑥转换时间为6μs，采样速率为100ksps；
⑦可内部或外部控制采集；
⑧具有内部时钟或外接外部时钟；
⑨内部集成有采样/保持器。
芯片的内部功能框图3.1所示。
芯片的标准12-bit并行输出连接方法见图3.2。
图3.1MAX196内部功能框图
图3.2MAX196工作连接图
（1）芯片控制。
电路的工作方式与控制步骤和常规的数据采集系统类似，包括通道选择、采样保持控制、启动A/D转换及转换结果获取，但控制更为方便。
电路的工作模式由芯片规定的控制字节确定，控制字节由软件写入芯片，之后芯片将根据控制字节的内容自动完成量程选择、通道选择、时钟模式选择、电源模式选择和采集模式选择等数据采集相关的工作。
控制字节的内容及作用见表1～4
表1控制字节格式
D7（MSB）
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0（LSB）
PD1
PD0
ACQMOD
RNG
BIP
A2
A1
A0
位
名称
描述
7，6
PD1,PD0
选择时钟和电源模式（见表3）
5
0=内部控制采集（6个时钟周期），1=外部控制采集
4
选择量程（见表2）
选择转换极性（单极性或双极性）（见表2）
2,1,0
A2,A1,A0
通道选择码（见表4）
表2量程与极性选择
输入范围（V）
0～5
1
0～10
10
表3时钟及电源模式选择
器件模式
正常工作/外部时钟模式
正常工作/内部时钟模式
备用低功耗，时钟模式不受影响
完全低功耗，时钟模式不受影响
表4通道选择
CH0
CH1
CH2
CH3
CH4
CH5
*
（2）数据的输出格式。
数据的输出格式分两种，单极性工作时以二进制格式输出，双极性工作时以二进制补码格式输出，见图3.3。
（a）（b）
图3.3输出数据格式
（a）单极性转换（b）双极性转换
（3）启动。
MAX196的启动是通过向芯片写入控制字节这一操作完成的，分内部采集模式和外部采集模式。
内部采集方式的时序图如图3.4所示。
图3.4内部采集方式时序图
若写入芯片的控制字节中的ACQMOD=“0”即表示设置芯片按内部采集方式工作。
在该方式下写入脉冲触发由内部定时的采样间期，持续时间为6个时钟周期，之后，转换自动开始。
转换完毕
信号变低，可以读取转换结果。
外部采集方式的时序图如图3.5所示。
图3.5外部采集方式时序图
在该模式下，启动采样和启动转换是分别由两次写入脉冲独立控制的，第一个写脉冲写入ACQMOD=“1”的控制字节，启动采样。
第二个写脉冲写入ACQMOD=“0”的控制字节，结束采样并在
的上升沿启动转换。
两个控制字中的通道选择位应一致。
2.周严.数字化测量技术.北京理工大学出版社，2011
3.褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用.西安：
西安电子科技工业大学出版社，2002
1.绘出所设计的电路图，说明工作原理。
2.给出仿真结果。
3.给出数据采集系统的测试结果。
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