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测控电路实验
测控电路课程实验指导书
仪器科学与工程系·2010年6月
目录
测控电路课程实验指导书1
1.测控电路课程实验概述2
1.1测控电路课程实验简介2
1.2课程实验内容概述3
2.实验一有源滤波器的设计和调整4
2.1实验目的4
2.2实验原理4
2.3实验仪器设备列表8
2.4实验操作要求9
2.5实验报告要求9
3.实验二调制信号的整流检波10
3.1实验目的10
3.2实验原理10
3.3实验仪器设备列表13
3.4实验操作要求13
3.5实验报告要求13
4.实验三集成锁相环的频率合成14
4.1实验目的14
4.2实验原理14
4.3实验仪器设备列表18
4.4实验操作要求18
4.5实验报告要求19
5.实验四可编程增益放大器的设计与调整20
5.1实验目的20
5.2实验原理20
5.3实验仪器设备列表23
5.4实验操作要求23
5.5实验报告要求23
1.
测控电路课程实验概述
1.1测控电路课程实验简介
测控系统主要由传感器、测量控制电路（简称测控电路）和执行机构三部分组成。
在测控系统中电路是最灵活的部分，它具有便于放大、便于转换、便于传输、便于适应各种使用要求的特点。
测控系统乃至整个机器和生成系统的性能在很大程度上取决于测控电路。
测控电路主要包括信号放大电路、信号调制解调电路、信号分离电路、信号运算电路、信号转换电路、信号细分与辨向电路、电量测量电路、连续信号控制电路、逻辑与数字控制电路等。
实际上，测控电路是模拟电子技术和数字电子技术的进一步延伸与扩展，主要讨论一些典型常见的电路。
因此学好模电和数电是基础，其中运算放大器是测控电路的一个核心部件。
通过测控电路课程的学习，应当使学生在了解测控电路特点、功用、类型及发展趋势的基础上，掌握测量与控制电路中的基本电路类型，包括放大电路，调制与解调电路，信号分离、运算和转换电路，细分和辨向电路，逻辑控制和连续信号控制电路等，通过对一些典型测控系统工作原理的分析，使学生认识到测控电路在整个测控系统中的重要性。
本次测控电路实验设计作为测控电路课程的有效补充，我们旨在让学生在实验室具体进行实验的基础上加深对于课本知识的理解和运用，为进一步的学习深造打基础、做准备。
由于水平有限，在实验设计过程中难免会有许多疏忽和错误，有待老师和学生们在实践中发现和解决。
1.2课程实验内容概述
本次课程实验共分为四个分项实验：
实验一有源滤波器的设计和调整；
实验二调制信号的整流检波；
实验三集成锁相环的频率合成；
实验四可编程增益放大器的设计与调整；
其中，
实验一主要是用于训练和提高信号分离电路，主要是RC有源滤波器的设计能力，同时了解滤波器的应用和发展；
实验二主要是让学生理解与掌握信号调制解调电路的基本工作原理和主要实现方式，了解主要检波方式及性能比较；
实验三介绍了锁相环与频率合成器电路的基本设计原理与方法，学生可以通过实验认识和初步理解测控电路在无线通信技术领域的应用；
实验四设计了一个利用D/A转换器实现的可编程增益放大器的实验电路，通过实验观察，帮助学生加深对PGA技术的理解，让学生对数字电路实现形式的多样性有个概念性的了解。
实验设计指导老师：
田社平，毕浩然
实验设计：
李其昌，张姗姗
主要参考资料：
《精密电路实验指导书》上海交通大学自动检测研究所
《测控电路（第三版）》天津大学张国雄
《锁相环与频率合成电路设计》黄志伟
《Phase-LockedLoopsDesign,Simulation,AndApplications》RolandEBest
《DAC0830/08328-BitμPCompatible,Double-BufferedDtoAConverters
GeneralDescription》NationalSemiconductorDatasheet
2.实验一有源滤波器的设计和调整
2.1实验目的
1，了解滤波器的基本知识及其在信号分离电路中的应用；
2，掌握RC有源滤波器的基本原理，实现方式；
3，熟悉RC有源滤波器的设计方法和调试技术；
4，了解一阶、二阶RC有源滤波器组成高阶滤波器的基本方法和原理。
2.2实验原理
滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统。
按所处理信号形式不同，滤波器可分为模拟滤波器与数字滤波器两类；按功能滤波器可分为低通、高通、带通与带阻四类。
滤波器主要特性参数包括：
1）特征频率滤波器的频率参数主要有：
通带截频
为通带与过渡带的边界点，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。
阻带截频
为阻带与过渡带的边界点，在该点信号衰耗（增益的倒数）下降到一个人为规定的下限。
转折频率
为信号功率衰减到
（约3dB）时的频率，在很多情况下，也常以
作为通带或阻带截频。
当电路没有损耗时，固有频率
，就是其谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。
2）增益与衰耗滤波器在通带内的增益并非常数。
对低通滤波器通带增益
一般指
时的增益；高通指
时的增益；带通则指中心频率处的增益。
对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。
通带增益变化量
指通带内各点增益的最大变化量，如果
以dB为单位，则指增益dB值的变化量。
3）阻尼系数与品质因数阻尼系数
是表征滤波器对角频率为
信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标，它是与传递函数的极点实部大小相关的一项系数。
它可由课本（《测控电路（第三版）》）式（4-3）所示的传递函数的分母多项式系数求得:
的倒数
称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q为：
式中的
为带通或带阻滤波器的3dB带宽，
为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率
相等。
4）灵敏度滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。
滤波器某一性能指标
对某一元件参数
变化的灵敏度记作
，定义为：
灵敏度是滤波电路设计中的一个重要参数，可以用来分析元件实际值偏离设计值时，电路实际性能与设计性能的偏离；也可以用来估计在使用过程中元件参数值变化时，电路性能变化情况。
该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。
5）群时延函数当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性
也应提出一定要求。
在滤波器设计中，常用群时延函数
评价信号经滤波后相位失真程度。
越接近常数，信号相位失真越小。
滤波器的上述特性指标都直接或者间接的体现在其传递函数或者频率特性函数中。
由有源元器件构成的滤波器称为RC有源滤波器。
在超低频到几百KHZ的频率范围内，根据滤波功能的不同，主要可分为四种：
低通、高通、带通、带阻。
有源滤波器的优点是体积小，不需要阻抗匹配，且可具有一定增益，抗干扰能力强，价格低等。
在检测仪器信号处理上有着广泛的应用。
主要缺点是由于受运放带宽的限制，仅适用于低频范围。
理想滤波器对幅频特性的要求为：
在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带；对相频特性的要求为：
群延时函数为一常量。
这些要求在物理上是无法实现的。
实践中，当电路阶数一定时，人们设计滤波器时往往侧重某一方面性能要求与应用特点，选择适当的逼近方式，实现最佳逼近。
常用的逼近方式有：
巴特沃斯逼近、切比雪夫逼近和白塞尔逼近。
根据RC网络和运算放大器联接形式的不同，可以分为两种，RC网络和运算放大器“—”相连接的，称为“多路负反馈型RC有源滤波器”，适用于组成Q值较高的滤波器；RC网络和运算放大器“+”端相联的称为“压控电压源型RC有源滤波器”。
图一所示的是两种滤波器的典型电路原理图。
高阶滤波器可以由一阶、二阶接连起来组成。
一阶、二阶叫作基本节。
图一典型RC有源滤波器电路
有源滤波器的设计主要包括以下四个过程：
1，确定传递函数，根据对输出响应的要求，找出对应的滤波器的传递函数，从而确定
、A0、α、Q等值。
2，选择电路结构，根据传递函数选择适当的电路形式。
3，选择无源器件，查表计算RC元件值。
4，把RC元件和运放按所选电路形式联接，测试幅频特性，调整RC元件值，使f0、A0、α、Q满足要求。
在完成电路传递函数确定之前应当首先按照应用特点，选择一种逼近方式。
在一般测控系统中，巴特沃斯逼近、切比雪夫逼近应用较多。
当阶数一定时，切比雪夫逼近过渡带最为陡峭，阻带衰减比巴特沃斯逼近高大约6（n-1）dB，但相位失真更严重，对元器件准确度要求也更高。
关于电容C的选择，可查下表一：
表一二阶有源滤波器设计电容选择用表
fc/Hz
<100
100~1000
（1-10）k
（10-100）k
>100k
C/uF
10~0.1
0.1~0.01
0.01~0.001
（1000~100）*10-6
（100~10）*
10-6
由于实验室元器件准确度有限，本次实验使用的都是巴特沃斯逼近。
下面列举两种典型二阶滤波器的部分设计参数。
压控电压源型二阶低通滤波电路：
1，电路形式：
图二压控电压源型二阶低通滤波电路
2，主要性能参数：
3，无源元器件归一化参数选择表：
表二压控电压源型二阶低通滤波电路元件参数表
A0
R1
R2
R3
R4
C1
2
1.126
2.250
6.752
6.752
C
4
0.824
1.537
3.148
9.444
2C
无限增益多路负反馈型高通滤波电路：
1，电路形式：
图三无限增益多路负反馈型高通滤波电路
2，主要性能参数：
3，无缘元器件归一化参数选择表：
表三无限增益多路负反馈型高通滤波电路元件参数表
A0
R1
R2
C1
-2
0.900
5.627
0.5C
-5
1.023
12.379
0.2C
2.3实验仪器设备列表
1，双路稳压电源一台
2，示波器一台
3，DA-16毫伏表一台
4，信号发生器一台
5，电烙铁、剪子、镊子等工具
6，实验调试板一块
7，电阻、电容等根据设计值（标称值）领取
注意：
实验前请务必检查实验器材是否完备，并调试可用。
2.4实验操作要求
1，设计一个A0=4，fc=2kHz的压控电压源型二阶巴特沃斯低通滤波器。
设计指导：
由表一确定电路电容
，相应的换标系数
，查表二得到
。
然后可以得到电路实际参数
。
最后选择元件公称值
。
2，设计一个
，
的多路负反馈型二阶巴特沃斯高通滤波器。
3，级联以上两个滤波器，构成四阶带通滤波器，计算中心频率
和带宽。
2.5实验报告要求
1，计算无缘元器件的参数，列表整理数据。
2，列表记录实验数据Uin，Uout，Fin，根据表格绘制低通、高通、带通滤波器的幅频特性曲线。
表格模版如下：
Uin（mV）=
Fin（Hz）
Uout（mV）
3，根据实验电路的元件数值计算出A0和fc，并与实验测量值比较，分析产生误差的原因。
4，绘制四阶滤波器电路图，计算中心频率，带宽。
5，完成思考题：
a）通过对低通、高通和带通幅频特性曲线的测量，你对如何选择输入信号幅值有什么心得体会？
b）为什么低通滤波器必须有调零装置？
高通和带通是否需要？
c）为什么有源滤波器仅适用于低频范围？
注意：
实验报告请使用专用报告纸手写完成，无需重复指导书相关内容，分条完成“实验报告要求”部分的任务即可。
3.实验二调制信号的整流检波
3.1实验目的
1，了解信号调制解调的原理及目的；
2，熟悉调制信号检波电路的基本原理及电路结构；
3，学习如何应用全波精密检波电路对信号进行解调。
3.2实验原理
首先，我们为什么要采用信号调制解调呢？
在精密测量中，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，往往还有各种噪音。
而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪音的信号中分离出来是测量电路的一项重要任务。
为了便于区别号与噪音，往往给测量信号赋予一定的特征，这就是调制的主要作用。
在测量信号调制，并将它和噪音分离，再经过放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程叫作解调，也叫检波。
本次实验主要是进行信号的线性包络检波。
从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或者检波。
幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此幅值信号的包络线形状与调制信号一致。
只要能检出幅值信号的包络线即能实现解调。
这种方法称为包络检波。
包络检波的基本工作原理如下图所示：
图一包络检波原理
由图一可见，只要从图a所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图b所示半波检波后的信号（经全波检波或截去它的上半部也可），再经低通滤波，滤除高频信号，即可获得所需调制信号，实现解调。
包络检波就是建立在整流的原理基础上的。
二极管VD和晶体管V都有一定死区电压，即二极管的正向压降、晶体管的发射结电压超过一定值时才导通，它们的特性也是一根曲线。
二极管VD和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。
为了提高检波精度，常需采用精密检波电路，它又称为线性检波电路。
本实验采用的是图二所示的线性包络检波器电路，通过示波器测量各点的波形观察分析调制信号整流、检波过程。
图二所示为由集成运算放大器构成的平均值包络检波器。
利用两台函数发生器产生的输入在放大器U11输入端合成相加。
在us点产生调幅波。
在调幅波us为正的半周期，由于运算放大器U11的倒相作用，U11输出低电平，因此D1导通、D2截止，ua点接近于虚地，ua≈0。
在us的负半周，有ua输出。
若集成运算放大器U12的输入阻抗远大于R27，则通过R27上的电流i1≈-i。
按图上所标注的极性，可写出下列方程组：
其中Kd为U11的开环放大倍数。
解以上联立方程组得到
通常，U11的开环放大倍数Kd很大，这时上式可简化为：
二极管的死区和非线性不影响检波输出。
图中加入D1反馈回路一是为了防止在us的正半周期因D2截止而使运放处于开环状态而进入饱和，另一方面也使us在两个半周期负载基本对称。
图中U13与R32、R36、C5等构成低通滤波器。
对于低频信号电容C5接近开路，滤波器的增益为-R32/R36。
对于载波频率信号电容C5接近短路，它使高频信号受到抑制。
因为电容C5的左端接虚地，电容C5上的充电电压不会影响二极管D2的通断，这种检波器属于平均值检波器。
为了构成全波精密检波电路需要将us通过R26与ua相加，图二中U12组成相加放大器，取R3’=2R3。
U12的输出为：
综上所述，通过和差化积运算，相加的两个输入信号在Us输出电路所需的调制信号，该信号是输入信号频率相减得到的一个分量。
Ua输出信号是正半周的调制信号。
Ub输出信号是负半周的调制信号。
Uo输出的是Ub经过低通滤波之后的含有直流分量的检波输出信号。
（注意此时U11有倒相作用。
）
图二线性包络检波器
3.3实验仪器设备列表
1，晶体管毫伏表一台
2，双输出函数发生器一台（或单输出两台）
3，频率计数器一台
4，示波器一台
5，稳压电源一台
3.4实验操作要求
1，检查实验电路板，参照原理图进行校核，确认电路正确可用。
调节函数发生器的两个输出端，取U1，U2两个频率信号分别是f、f+Δf的信号接入电路输入端。
建议f=5kHz，Δf＜
f。
应用和差化积公式计算接入电路的输入调幅信号的实际频率。
2，调节C5，观察Uo的变化。
根据滤波器的时间常数公式可知：
，计算电路的截止频率，返回步骤1，分析给出合理的输入信号频率的选取方法。
3，绘制Us、Ua、Ub、Uo波形图，结合信号之间的关系式，验证实验是否成功。
3.5实验报告要求
1，计算调制信号的频率，包括高频和低频部分。
2，分析叙述至少两组合适的输入信号U1、U2选取方法。
3，根据示波器显示的波形，在实验报告纸上手绘3.4要求的波形图，并标注清楚。
4，完成以下实验思考题：
a）至少分析一种实验误差的产生原因及消弱方法；
b）调节时间常数时是否可以调节电阻R32？
若可以，请给出一种操作方法，或改进方式；若不可以请说明理由。
c）如果将电路中的二极管方向颠倒，对实验结果有何影响？
4.实验三集成锁相环的频率合成
4.1实验目的
1，掌握锁相环自动跟踪技术的基本原理和应用领域。
2，熟悉鉴相器。
滤波器和压控振荡器的组成方法。
3，了解锁相环集成芯片CD4046的工作原理及参数设定方法。
4.2实验原理
锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。
它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。
锁相环主要由相位比较器，也叫鉴相器（PD）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器（LPF）三部分组成，如图一所示。
图一PLL的基本组成
在没有信号输入时，锁相环路中的压控振荡器以其固有频率
振荡，设压控振荡器的输出信号为
。
如果把输入信号
接入锁相环路，则加到鉴相器的两个信号
和
之间就存在相位差，压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。
施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压UΨ正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。
这个平均值电压Ud朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。
这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。
环路锁定时压控振荡器输出信号与输入信号之间的最小相位差，称为稳态相差，用
表示，
反映了环路跟踪的精度。
由于受到各种噪音的干扰
会出现随机抖动，较大的干扰甚至会使环路失锁。
因此必须合理地设计环路的各个组成部件，以提高锁相环路的抗干扰能力。
从输入信号加入到环路锁定的全过程称为锁相环的捕捉过程。
环路能通过捕捉过程而进入锁定状态的最大固有频率
称为捕捉带，用
表示。
即
=
若固有频率差
，环路就不能通过捕捉过程进入锁定状态。
所以捕捉带是评价捕捉过程的主要指标之一，衡量捕捉过程的另一个主要指标是捕捉时间
，
是指捕捉过程所经历的时间，它与环路参数和起始状态有关，一般情况下，输入起始误差越大，
也越大。
通常以起始频差等于
来计算最大捕捉时间。
接下来我们具体讨论实验所使用的锁相环的频率合成电路。
本次实验使用CD4046集成锁相环组成频率合成电路，CD4022用于锁相环的分频器。
首先介绍一下CD4046与CD4022的基本知识。
CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高（约100MΩ），动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。
CD4046的引脚排列，采用16脚双列直插式，各管脚功能：
1脚相位输出端，环路入锁时为高电平，环路失锁时为低电平。
2脚相位比较器Ⅰ的输出端。
3脚比较信号输入端。
4脚压控振荡器输出端。
5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。
6、7脚外接振荡电容。
8、16脚电源的负端和正端。
9脚压控振荡器的控制端。
10脚解调输出端，用于FM解调。
11、12脚外接振荡电阻。
13脚相位比较器Ⅱ的输出端。
14脚信号输入端。
15脚内部独立的齐纳稳压管负极。
下图所示是CD4046的内部原理：
图二CD4046内部原理图
CD4046主要由相位比较Ⅰ、Ⅱ、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。
CD4046工作原理如下：
输入信号Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图中的开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压UΨ则反映出两者的相位差。
UΨ经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。
VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。
若开关K拨至13脚，则相位比较器Ⅱ工作，过程与上述相同。
关于两个相位比较器Ⅰ、Ⅱ：
比较器Ⅰ采用异或门结构，当两个输人端信号Ui、Uo的电平状态相异时（即一个高电平，另一个为低电平），输出端信号UΨ为高电平；反之，Ui、Uo电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），UΨ输出为低电平。
当Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范围内变化时，UΨ的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比同时改变。
从比较器Ⅰ的输入和输出信号的波形可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持90°相移。
相位比较器Ⅱ是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。
它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。
它提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，在相位比较器Ⅱ的两个输人信号之间保持0°相移。
锁相环CD4046B的频率锁定范围取决于器件外围的电阻R1、R2及电容C1。
R3和C2则构成了锁相环CD4046的外接低通滤波器。
如果不需R2的补偿，即R2为无穷大时，锁相环的输出频率范围为从零到最高输出频率fomax，那么fomax=1/（R1（C1+32pF）），此时fomin=0。
在特定的使用状态下，若要限制锁相环的输出频率范围，可通过R2的补偿作用来实现。
综上所述，锁相环输出范围（捕捉带）满足以下公式：
其中，
CD4022是典型的八进制计数器/分频器。
下图是其引脚排列图
图三CD4022的引脚图
CD4022的功能是在时钟脉冲的作用下，实现顺序脉冲产生功能，整个输出时序是Q0—Q1—Q2……Q7……依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
CD4022也属于计数器。
当环路锁定时，压控振荡器VCO的输出频率
，分频系数N由CD4022设置，这样就可以获得不同合成频率的输出信号了。
图四所示电路即为本次实验电路板的原理图。
图四实验原理图
图中为了简化实验，分频系数设置为固定值，即8倍（CLK和VCOOUT联接的是CO进位端）。
4.3实验仪器设备列表
1，函数发生器一台
2，频率计数器一台
3，双踪示波器一台
4，剪刀、镊子各一把
5，面包板一块
6，稳压电源一台
4.4实验操作要求
1，观察集成数字锁相环CD4046的频率跟踪情况。
利用函数发生器输出幅值4V的方波信号加到信号输入端（14引脚），压控振荡器（VCO）的输出（4引脚），通过分
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