计算机科学技术《模拟电路实验讲义》.docx
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计算机科学技术《模拟电路实验讲义》
实验一 常用电子仪器的使用
一、实验目的
1、学习电子电路实验中常用的电子仪器——示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、交流毫伏表、频率计等的主要技术指标、性能及正确使用方法。
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2、初步掌握用双踪示波器观察正弦信号波形和读取波形参数的方法。
二、实验原理
在模拟电子电路实验中，经常使用的电子仪器有示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、交流毫伏表及频率计等。
它们和万用电表一起，可以完成对模拟电子电路的静态和动态工作情况的测试。
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实验中要对各种电子仪器进行综合使用，可按照信号流向，以连线简捷，调节顺手，观察与读数方便等原则进行合理布局，各仪器与被测实验装置之间的布局与连接如图1－1所示。
接线时应注意，为防止外界干扰，各仪器的共公接地端应连接在一起，称共地。
信号源和交流毫伏表的引线通常用屏蔽线或专用电缆线，示波器接线使用专用电缆线，直流电源的接线用普通导线。
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图1－1模拟电子电路中常用电子仪器布局图
1、示波器
示波器是一种用途很广的电子测量仪器，它既能直接显示电信号的波形，又能对电信号进行各种参数的测量。
现着重指出下列几点：
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1）、寻找扫描光迹
将示波器Y轴显示方式置“Y1”或“Y2”，输入耦合方式置“GND”，开机预热后，若在显示屏上不出现光点和扫描基线，可按下列操作去找到扫描线：
①适当调节亮度旋钮。
②触发方式开关置“自动”。
③适当调节垂直
<
）、水平<
）“位移”旋钮，使扫描光迹位于屏幕中央。
<若示波器设有“寻迹”按键，可按下“寻迹”按键，判断光迹偏移基线的方向。
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2）、双踪示波器一般有五种显示方式，即“Y1”、“Y2”、“Y1＋Y2”三种单
踪显示方式和“交替”“断续”二种双踪显示方式。
“交替”显示一般适宜于输入信号频率较高时使用。
“断续”显示一般适宜于输入信号频率较底时使用。
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3）、为了显示稳定的被测信号波形，“触发源选择”开关一般选为“内”触发，使扫描触发信号取自示波器内部的Y通道。
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4）、触发方式开关通常先置于“自动”调出波形后，若被显示的波形不稳定，可置触发方式开关于“常态”，通过调节“触发电平”旋钮找到合适的触发电压，使被测试的波形稳定地显示在示波器屏幕上。
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有时，由于选择了较慢的扫描速率，显示屏上将会出现闪烁的光迹，但被
测信号的波形不在X轴方向左右移动，这样的现象仍属于稳定显示。
5）、适当调节“扫描速率”开关及“Y轴灵敏度”开关使屏幕上显示
一～二个周期的被测信号波形。
在测量幅值时，应注意将“Y轴灵敏度微调”旋钮置于“校准”位置，即顺时针旋到底，且听到关的声音。
在测量周期时，应注意将“X轴扫速微调”旋钮置于“校准”位置，即顺时针旋到底，且听到关的声音。
还要注意“扩展”旋钮的位置。
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根据被测波形在屏幕坐标刻度上垂直方向所占的格数dvzfvkwMI1
根据被测信号波形一个周期在屏幕坐标刻度水平方向所占的格数cm）与“扫速”开关指示值2、函数信号发生器
函数信号发生器按需要输出正弦波、方波、三角波三种信号波形。
输出电压最大可达20VP－P。
通过输出衰减开关和输出幅度调节旋钮，可使输出电压在毫伏级到伏级范围内连续调节。
函数信号发生器的输出信号频率可以通过频率分档开关进行调节。
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函数信号发生器作为信号源，它的输出端不允许短路。
3、交流毫伏表
交流毫伏表只能在其工作频率范围之内，用来测量正弦交流电压的有效值。
为了防止过载而损坏，测量前一般先把量程开关置于量程较大位置上，然EmxvxOtOco
后在测量中逐档减小量程。
三、实验设备与器件
1、函数信号发生器2、双踪示波器
3、交流毫伏表
四、实验内容
1、用机内校正信号对示波器进行自检。
1>扫描基线调节
将示波器的显示方式开关置于“单踪”显示开启电源开关后，调节“辉度”、“聚焦”、“辅助聚焦”等旋钮，使荧光屏上显示一条细而且亮度适中的扫描基线。
然后调节“X轴位移”<
）和“Y轴位移”（
>旋钮，使扫描线位于屏幕中央，并且能上下左右移动自如。
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2）测试“校正信号”波形的幅度、频率
将示波器的“校正信号”通过专用电缆线引入选定的Y通道调节X轴“扫描速率”开关6ewMyirQFL
a.校准“校正信号”幅度
将“y轴灵敏度微调”旋钮置“校准”位置，“y轴灵敏度”开关置适当位置，读取校正信号幅度，记入表1－1。
kavU42VRUs
表1－1
标准值
实测值
幅度
Up-p（V>
频率
f（KHz>
上升沿时间
μS
下降沿时间
μS
注：
不同型号示波器标准值有所不同，请按所使用示波器将标准值填入表格中。
b.校准“校正信号”频率
将“扫速微调”旋钮置“校准”位置，“扫速”开关置适当位置，读取校正信号周期，记入表1－1。
c．测量“校正信号”的上升时间和下降时间
调节“y轴灵敏度”开关及微调旋钮，并移动波形，使方波波形在垂直方向上正好占据中心轴上，且上、下对称，便于阅读。
通过扫速开关逐级提高扫描速度，使波形在X轴方向扩展<必要时可以利用“扫速扩展”开关将波形再扩展10倍），并同时调节触发电平旋钮，从显示屏上清楚的读出上升时间和下降时间，记入表1－1。
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2、用示波器和交流毫伏表测量信号参数
调节函数信号发生器有关旋钮，使输出频率分别为100Hz、1KHz、10KHz、100KHz，有效值均为1V<交流毫伏表测量值）的正弦波信号。
M2ub6vSTnP
改变示波器“扫速”开关及“Y轴灵敏度”开关等位置，测量信号源输出电压频率及峰峰值，记入表1－2。
表1－2
信号电压频率
示波器测量值
信号电压
毫伏表读数
示波器测量值
周期频率峰峰值有效值100Hz
1KHz
10KHz
100KHz
3、测量两波形间相位差
1>观察双踪显示波形“交替”与“断续”两种显示方式的特点
Y1、Y2均不加输入信号，输入耦合方式置“GND”，扫速开关置扫速较低挡位<如0.5s／div挡）和扫速较高挡位<如5μS／div挡），把显示方式开关分别置“交替”和“断续”位置，观察两条扫描基线的显示特点，记录之。
0YujCfmUCw
2>用双踪显示测量两波形间相位差
① 按图1－2连接实验电路，将函数信号发生器的输出电压调至频率为1KHz，幅值为2V的正弦波，经RC移相网络获得频率相同但相位不同的两路信号ui和uR，分别加到双踪示波器的Y1和Y2输入端。
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为便于稳定波形，比较两波形相位差，应使内触发信号取自被设定作为测量基准的一路信号。
图1－2两波形间相位差测量电路
②把显示方式开关置“交替”挡位，将Y1和Y2输入耦合方式开关置“⊥”挡位，调节Y1、Y2的< ）移位旋钮，使两条扫描基线重合。
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③将Y1、Y2输入耦合方式开关置“AC”挡位，调节触发电平、扫速开关及Y1、Y2灵敏度开关位置，使在荧屏上显示出易于观察的两个相位不同的正弦波形ui及uR，如图1－3所示。
根据两波形在水平方向差距X，及信号周期XT，则可求得两波形相位差。
GMsIasNXkA
图1－3双踪示波器显示两相位不同的正弦波
式中：
XT——一周期所占格数
X——两波形在X轴方向差距格数
记录两波形相位差于表1－3。
表1－3
一周期格数
两波形
X轴差距格数
相位差
实测值
计算值
XT＝
X＝
θ＝
θ＝
为数读和计算方便，可适当调节扫速开关及微调旋钮，使波形一周期占整数格。
五、实验总结
1、整理实验数据，并进行分析。
2、问题讨论
1）如何操纵示波器有关旋钮，以便从示波器显示屏上观察到稳定、清晰的波形？
2> 用双踪显示波形，并要求比较相位时，为在显示屏上得到稳定波形，应怎样选择下列开关的位置？
a>显示方式选择 b> 触发方式<常态；自动）
c> 触发源选择<内；外）
d）内触发源选择3、函数信号发生器有哪几种输出波形？
它的输出端能否短接，如用屏蔽
线作为输出引线，则屏蔽层一端应该接在哪个接线柱上?
4、交流毫伏表是用来测量正弦波电压还是非正弦波电压？
它的表头指示
值是被测信号的什么数值？
它是否可以用来测量直流电压的大小？
六、预习要求
1、阅读实验附录中有关示波器部分内容。
2、已知C＝0.1μf、R＝1K，计算图1－2RC移相网络的阻抗角θ。
实验二 晶体管共射极单管放大器
一、实验目的
1、学会放大器静态工作点的调试方法，分析静态工作点对放大器性能的影响。
2、掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。
3、熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。
二、实验原理
图2－1为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图。
它的偏置电路采用RB1和RB2组成的分压电路，并在发射极中接有电阻RE，以稳定放大器的静态工作点。
当在放大器的输入端加入输入信号ui后，在放大器的输出端便可得到一个与ui相位相反，幅值被放大了的输出信号u0，从而实现了电压放大。
TIrRGchYzg
图2－1共射极单管放大器实验电路
在图2－1电路中，当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于晶体管T的
基极电流IB时<一般5～10倍），则它的静态工作点可用下式估算
UCE＝UCC－IC 电压放大倍数
输入电阻
Ri＝RB1//RB2//rbe
输出电阻
RO≈RC
由于电子器件性能的分散性比较大，因此在设计和制作晶体管放大电路时，离不开测量和调试技术。
在设计前应测量所用元器件的参数，为电路设计提供必要的依据，在完成设计和装配以后，还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。
一个优质放大器，必定是理论设计与实验调整相结合的产物。
因此，除了学习放大器的理论知识和设计方法外，还必须掌握必要的测量和调试技术。
7EqZcWLZNX
放大器的测量和调试一般包括：
放大器静态工作点的测量与调试，消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。
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1、放大器静态工作点的测量与调试
1> 静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点，应在输入信号ui＝0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。
一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压UE或UC，然后算出IC的方法，例如，只要测出UE，即可用zvpgeqJ1hk
算出IC<也可根据
，由UC确定IC），
同时也能算出UBE＝UB－UE，UCE＝UC－UE。
为了减小误差，提高测量精度，应选用内阻较高的直流电压表。
2> 静态工作点的调试
放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流IC<或UCE）的调整与测试。
静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。
如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时uO的负半周将被削底，如图2－2（a>所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即uO的正半周被缩顶<一般截止失真不如饱和失真明显），如图2－2（b>所示。
这些情况都不符合不失真放大的要求。
所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的输入电压ui，检查输出电压uO的大小和波形是否满足要求。
如不满足，则应调节静态工作点的位置。
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（a>（b>
图2－2静态工作点对uO波形失真的影响
改变电路参数UCC、RC、RB但通常多采用调节偏置电阻RB2的方法来改变静态工作点，如减小RB2，则可使静态工作点提高等。
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图2－3电路参数对静态工作点的影响
最后还要说明的是，上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的，应该是相对信号的幅度而言，如输入信号幅度很小，即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。
所以确切地说，产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。
如需满足较大信号幅度的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
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2、放大器动态指标测试
放大器动态指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压<动态范围）和通频带等。
1> 电压放大倍数AV的测量
调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输入电压ui，在输出电压uO不失真的情况下，用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和UO，则tfnNhnE6e5
2> 输入电阻Ri的测量
为了测量放大器的输入电阻，按图2－4电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R，在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出US和Ui，则根据输入电阻的定义可得HbmVN777sL
图2－4输入、输出电阻测量电路
测量时应注意下列几点:
①由于电阻R两端没有电路公共接地点，所以测量R两端电压UR时必须分别测出US和Ui，然后按UR＝US－Ui求出UR值。
V7l4jRB8Hs
②电阻R的值不宜取得过大或过小，以免产生较大的测量误差，通常取R与Ri为同一数量级为好，本实验可取R＝1～2KΩ。
83lcPA59W9
3> 输出电阻R0的测量
按图2-4电路，在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载RL的输出电压UO和接入负载后的输出电压UL，根据mZkklkzaaP
即可求出
在测试中应注意，必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。
4> 最大不失真输出电压UOPP的测量<最大动态范围）
如上所述，为了得到最大动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中点。
为此在放大器正常工作情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节RW<改变静态工作点），用示波器观察uO，当输出波形同时出现削底和缩顶现象<如图2－5）时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。
然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，用交流毫伏表测出UO<有效值），则动态范围等于
。
或用示波器直接读出UOPP来。
AVktR43bpw
图2－5静态工作点正常，输入信号太大引起的失真
5> 放大器幅频特性的测量
放大器的幅频特性是指放大器的电压放大倍数AU与输入信号频率f之间的关系曲线。
单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图2－6所示，Aum为中频电压放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的
倍，即0.707Aum所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH，则通频带 fBW＝fH－fLORjBnOwcEd
放大器的幅率特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数AU。
为此，可采用前述测AU的方法，每改变一个信号频率，测量其相应的电压放大倍数，测量时应注意取点要恰当，在低频段与高频段应多测几点，在中频段可以少测几点。
此外，在改变频率时，要保持输入信号的幅度不变，且输出波形不得失真。
2MiJTy0dTT
6> 干扰和自激振荡的消除
参考实验附录
3DG9011（NPN>
3CG9012（PNP>
9013（NPN>
图2－6幅频特性曲线图2－7晶体三极管管脚排列
三、实验设备与器件
1、＋12V直流电源 2、函数信号发生器
3、双踪示波器 4、交流毫伏表
5、直流电压表6、直流毫安表
7、频率计 8、万用电表
9、晶体三极管3DG6×1（β＝50～100>或9011×1<管脚排列如图2－7所示）
电阻器、电容器若干
四、实验内容
实验电路如图2－1所示。
各电子仪器可按实验一中图1－1所示方式连接，为防止干扰，各仪器的公共端必须连在一起，同时信号源、交流毫伏表和示波器的引线应采用专用电缆线或屏蔽线，如使用屏蔽线，则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。
gIiSpiue7A
1、调试静态工作点
接通直流电源前，先将RW调至最大，函数信号发生器输出旋钮旋至零。
接通＋12V电源、调节RW，使IC＝2.0mA<即UE＝2.0V），用直流电压表测量UB、UE、UC及用万用电表测量RB2值。
记入表2－1。
uEh0U1Yfmh
表2-1IC＝2mA
测量值
计算值
UBUEUCRB2UBEUCEIC 2、测量电压放大倍数
在放大器输入端加入频率为1KHz的正弦信号uS，调节函数信号发生器的输出旋钮使放大器输入电压Ui
10mV，同时用示波器观察放大器输出电压uO波形，在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述三种情况下的UO值，并用双踪示波器观察uO和ui的相位关系，记入表2－2。
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表2－2Ic＝2.0mAUi＝mV
RCRL（KΩ>
Uo（V>
AV
观察记录一组uO和u1波形
2.4
∞
1.2
∞
2.4
2.4
3、观察静态工作点对电压放大倍数的影响
置RC＝2.4KΩ，RL＝∞，Ui适量，调节RW，用示波器监视输出电压波形，在uO不失真的条件下，测量数组IC和UO值，记入表2－3。
WwghWvVhPE
表2－3 RC＝2.4KΩRL＝∞Ui＝ mV
IC（mA>
2.0
UO（V>
AV
测量IC时，要先将信号源输出旋钮旋至零<即使Ui＝0）。
4、观察静态工作点对输出波形失真的影响
置RC＝2.4KΩ，RL＝2.4KΩ，ui＝0，调节RW使IC＝2.0mA，测出UCE值，再逐步加大输入信号，使输出电压u0足够大但不失真。
然后保持输入信号不变，分别增大和减小RW，使波形出现失真，绘出u0的波形，并测出失真情况下的IC和UCE值，记入表2－4中。
每次测IC和UCE值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。
asfpsfpi4k
表2－4RC＝2.4KΩRL＝∞Ui＝ mV
IC（mA>
UCE（V>
u0波形
失真情况
管子工作状态
2.0
5、测量最大不失真输出电压
置RC＝2.4KΩ，RL＝2.4KΩ，按照实验原理2.4>中所述方法，同时调节输入信号的幅度和电位器RW，用示波器和交流毫伏表测量UOPP及UO值，记入表2－5。
ooeyYZTjj1
表2－5RC＝2.4KRL＝2.4K
IC（mA>
Uim（mV>
Uom（V>
UOPP（V>
*6、测量输入电阻和输出电阻
置RC＝2.4KΩ，RL＝2.4KΩ，IC＝2.0mA。
输入f＝1KHz的正弦信号，在输出电压uo不失真的情况下，用交流毫伏表测出US，Ui和UL记入表2-6。
BkeGuInkxI
保持US不变，断开RL，测量输出电压Uo，记入表2-6。
表2-6 Ic＝2mARc＝2.4KΩRL＝2.4KΩ
US
（mv>
Ui
（mv>
RiULUOR0测量值
计算值
测量值
计算值
*7、测量幅频特性曲线
取IC＝2.0mA，RC＝2.4KΩ，RL＝2.4KΩ。
保持输入信号ui的幅度不变，改变信号源频率f，逐点测出相应的输出电压UO，记入表2－7。
PgdO0sRlMo
表2－7Ui＝mV
flfofn
fUOAV＝UO/Ui
为了信号源频率f取值合适，可先粗测一下，找出中频范围，然后再仔细读数。
说明：
本实验内容较多，其中6、7可作为选作内容。
五、实验总结
1、列表整理测量结果，并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻之值与理论计算值比较<取一组数据进行比较），分析产生误差原因。
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2、总结RC，RL及静态工作点对放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的影响。
3、讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。
4、分析讨论在调试过程中出现的问题。
六、预习要求
1、阅读教材中有关单管放大电路的内容并估算实验电路的性能指标。
假设：
3DG6的β＝100，RB1＝20KΩ，RB2＝60KΩ，RC＝2.4KΩ，RL＝2.4KΩ。
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估算放大器的静态工作点，电压放大倍数AV，输入电阻Ri和输出电阻RO
2、阅读实验附录中有关放大器干扰和自激振荡消除内容。
3、能否用直流电压表直接测量晶体管的UBE？
为什么实验中要采用测UB、UE，再间接算出UBE的方法？
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4、怎样测量RB2阻值？
5、当调节偏置电阻RB2，使放大器输出波形出现饱和或截止失真时，晶体管的管压降UCE怎样变化？
6、改变静态工作点对放大器的输入电阻Ri有否影响？
改变外接电阻RL对输出电阻RO有否影响？
7、在测试AV，Ri和RO时怎样选择输入信号的大小和频率？
为什么信号频率一般选1KHz，而不选100KHz或更高？
注：
附图2－1所示为共射极单管放大器与带有负反馈的两级放大器共用实验模块。
如将K1、K2断开，则前级<Ⅰ）为典型电阻分压式单管放大器；如将K1、K2接通，则前级<Ⅰ）与后级<Ⅱ）接通，组成带有电压串联负反馈两级放大器。
J0bm4qMpJ9
附图2－1
实验三 RC正弦波振荡器
一、实验目的
1、进一步学习RC正弦波振荡器的组成及其振荡条件
2、学会测量、调试振荡器
二、实验原理
从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的，带选频网络的正反馈放大器。
若用R、C元件组成选频网络，就称为RC振荡器，一般用来产生1Hz～1MHz的低频信号。
XVauA9grYP
1、RC移相振荡器
电路型式如图7－1所示,选择R＞＞Ri。
图7－1RC移相振荡器原理图
振荡频率
起振条件放
升级会员 