06版《精密仪器电路》实验指导书.docx
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06版《精密仪器电路》实验指导书
目录
目录1
实验一：
固定增益放大器和可变增益放大器实验2
实验二：
光电耦合放大器实验4
实验三：
开关式全波相敏检波电路实验7
实验四：
电桥放大电路11
实验五：
温度测量与控制实验15
实验六：
脉宽调制器控制直流电机19
实验七：
微小电流测量仪设计22
实验八：
压力测量仪设计25
实验九:
有源滤波器设计29
实验一：
固定增益放大器和可变增益放大器实验
实验学时：
2学时
实验类型：
常规
实验要求：
选修
一、实验目的
1.通过实验，了解固定增益放大器和可变增益放大器的设计方法。
2.进一步熟悉放大器性能指标的测量方法。
3.学会用常用运放设计符合要求的放大器。
二、实验原理及内容
通过数字逻辑电路由确定的程序来控制放大电路增益的电路称为可编程增益放大电路，亦称程控增益放大电路，简称PGA。
可编程增益放大电路除了本身具有可编程增益切换功能外，还可与D/A转换器构成可编程低通滤波器，与D/A转换器组成减法器电路，与A/D转换器组合实现量程自动转换等等，其应用十分广泛。
可编程增益放大电路的结构形式多种多样，按所采用的放大器可分为单运放、多运放以及测量放大器可编程增益放大电路和单片集成可编程增益放大器。
按增益变化可分为连续、断续可编程增益放大电路。
本实验主要运用集成运放LM358构成，通过改变反馈网络来改变增益。
本电路为简单常用放大电路，实现的是反向放大。
用一个DIP开关来改变反馈电阻的大小，从而改变放大倍数A=Rf/R2。
三、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
四、实验仪器及元器件
直流稳压电源信号发生器双踪示波器
实验用面包板万用表集成运放LM358
电阻若干DIP开关
五、实验步骤
1、在实验用电路板插接电路，检查无误，再接通电源。
2、利用信号发生器产生方波信号，接入电路输入端，并用示波器显示输入、输出波形。
3、输入信号不变，分别闭合DIP开关（每次只能闭合一个），观察输出，并记录。
六、实验报告
1、画出实验电路图。
2、对实验所测数据进行分析、计算，测出反馈电阻和放大倍数的关系，并与理论值进行比较。
3、实验总结。
实验二：
光电耦合放大器实验
实验学时：
2学时
实验类型：
常规
实验要求：
选修
一、实验目的
1.了解光电耦合放大器的优点。
2.通过实验，了解光电耦合放大器的设计方法。
3.进一步熟悉放大器性能指标的测量方法。
4.学会用常用运放设计符合要求的光电耦合放大器。
二、实验原理及内容
隔离放大电路是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。
隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号；应用于生物医学测量中，可确保人体不受超过10μA以上漏电流和可达几百伏以至数千伏高压的危害；应用于工业中，可防止因故障而使电网电压对低压信号电路（包括电子计算机）造成损坏；还常应用于普通电站和核电站、自动化试验设备、工业过程控制系统等。
可用作输入、输出隔离的有光、超声波、无线电波和电磁等方式。
在隔离放大电路中采用的隔离方式主要有电磁（变压器）耦合和光电耦合。
电磁耦合实现载波调制，具有较高的线性度和隔离性能，其共模抑制比高，技术较成熟，但带宽较窄，约1kHz以下，且体积大，工艺复杂、成本高、应用较不方便。
光电耦合结构简单、成本低廉、器件重量轻，具有良好的线性和一定的转换速度，带宽较宽，且与TTL电路兼容，应用前景十分广阔。
本电路为光电隔离放大电路，能提供输入电路和输出电路间的隔离，且具有一定的电压或电流增益，增益精度和线性度均较高。
对直流、低频、高频或宽带信号均有一定的响应能力，具有很强的抗共模干扰电压的能力。
三、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
四、实验仪器及元器件
直流稳压电源信号发生器双踪示波器
实验用面包板万用表集成运放LM358
电阻若干光电隔离集成芯片OPTOISO1
五、实验步骤
1、在实验用电路板插接电路，检查无误，再接通电源。
2、利用信号发生器产生正弦波信号，接入电路输入端，并用示波器显示输入、输出波形。
3、改变输入信号，观察记录输出信号，并记录。
六、实验报告
1、画出实验电路图。
2、比较输入信号波形和输出信号波形，体会光电隔离电路在实际电路中的作用。
3、实验总结。
实验三：
开关式全波相敏检波电路实验
实验学时：
2学时
实验类型：
常规
实验要求：
必修
一、实验目的
1．熟悉和掌握相敏检波器的工作原理。
2．验证相敏检波器的检幅特性和鉴相特性。
二、实验原理及内容
相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。
相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。
从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。
有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。
只要将输入的调制信号
乘以幅值为1的载波信号
就可以得到双边频调幅信号
。
若将
再乘以
，就得到
利用低通滤波器滤除频率为
和
的高频信号后就得到调制信号
，只是乘上了系数1/2。
这就是说，将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号
就可以得到双边频调幅信号us，将双边频调幅信号us再乘以载波信号
，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。
相敏检波器与调幅电路在结构上的主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。
这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。
实验参考电路图如下：
三、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课形式。
四、实验仪器及元器件
直流稳压电源信号发生器双踪示波器
测控电路实验台导线若干
五、实验步骤
将音频振荡器的输出信号（00）接至相敏检波器的输入端
（1）。
1．参考信号为直流电压
⑴将直流稳压电源+2V接入相敏检波器参考信号输入端（4），用双踪示波器测试相敏检波器输入端
（1）和输出端（3）的波形。
⑵将直流稳压电源-2V接入相敏检波器参考信号输入端（4），用双踪示波器测试相敏检波器输入端
（1）和输出端（3）的波形。
2．参考信号为交流电压
⑴将音频信号00接入相敏检波器参考信号输入端
（2），用双踪示波器观察
（1）～（6）端波形。
⑵将音频信号1800接入相敏检波器参考信号输入端
（2），用双踪示波器观察
（1）～（6）端波形。
3．相敏检波器检幅特性
将相敏检波器的输出端（3）接低通滤波器的输入端，将低通滤波器的输出端接数字电压表。
⑴相敏检波器的输入信号（接
（1））和参考信号（接
（2））同相，改变音频信号的输入幅值Vp-p，分别读出电压表显示的数值填入下表。
输入VP-P
0.5V
1V
2V
4V
8V
16V
20V
输出V0（V）
⑵相敏检波器的输入信号（接
（1））与参考信号（接
（2））反相时，改变音频信号的输入幅值Vp-p，分别读出电压表显示的数值填入下表。
输入VP-P
0.5V
1V
2V
4V
8V
16V
20V
输出V0（V）
4．相敏检波器的鉴相特性
将音频信号接移相器的输入端，移相器电路输出接相敏检波器参考输入端
（2），旋转移相器的电位器旋钮，改变参考电压的相位，音频振荡器输出幅值不变，用示波器观察
（1）～（6）波形，并读出对应的电压表值。
六、思考题
1.什么是相敏检波?
为什么要采用相敏检波?
2.什么是相敏检波器的鉴相特性?
七、实验报告
1．画出该相敏检波器的电路图，并说明该电路的工作原理。
2．画出该实验第三步骤和第四步骤的原理框图。
3．分别画出参考电压与相敏检波器的输入信号同相、反相时
（1）～（6）点的波形图及低通滤波器的输出波形。
4．画出参考电压通过移相器后（差900时），相敏检波器
（1）～（6）点及低通滤波器的输出波形。
5.分别纪录当参考电压与输入信号同相时、反向时，相敏检波器经低通滤波器输出对应输入信号的电压值。
实验四：
电桥放大电路
实验学时：
2学时
实验类型：
常规
实验要求：
必修
一、实验目的
1．了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理，放大器性能。
2．通过实验，可以理论联系实际，增加学生对传感器的感性认识。
3．学生在实验中，要掌握一些基本传感器的使用方法，深化理论知识。
4．能够设计信号放大电路。
5．利用实验数据，验证所学理论知识。
二、实验原理及内容
应变电阻在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，叫做电阻应变效应。
实验时，将金属箔式应变片贴在一个悬臂梁上，改变测微头，使应变电阻发生机械变形，通过放大器输出电量的变化，如下图所示：
三、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课形式。
四、实验仪器及元器件
直流稳压电源信号发生器双踪示波器
实验用面包板万用表电桥、差动放大器
测微头电压表（毫伏表）
五、实验步骤
1、单臂电桥实验
⑴先用万用表测量，传感器实验台应变片R1、R2、R3、R4、R5、R6阻值。
应变片电阻的阻值约350Ω左右。
⑵毫伏表选定在50mv档处，使用必须输入对地短路调零。
⑶差动放大器使用前调零，将差动放大器两输入端对地短路，输出端接到毫伏表的IN，调整差动放大器下面电位器使表头为零。
⑷将测微头调整为10mm处（作为基准零），使梁处于水平位置。
⑸按图一接线，将实验台电源打开，预热数分钟后（防止应变片的自热效应），对系统调零，调整电桥WD，使毫伏表头指示为零，同时将差放的增益调整到用手提拉梁时处于50mv档的毫伏表指针左右均打满档为宜。
此后则差放增益不再变化。
⑹用测微头分别将梁向上和向下作20mm上下移动，将梁端位移于表头电压的指示值记入表中，每2mm记录一个数值。
根据结果计算系统灵敏度S，S＝ΔU/ΔX。
X（mm）
20mm
18mm
16mm
14mm
12mm
10mm
8mm
6mm
4mm
2mm
0mm
UO（V）
注意事项：
电桥面板上四个标虚线的电阻并不存在，仅仅为搭桥提供插座。
差放的增益不宜太大，以减小运放漂移。
电压显示在做桥路实验时一般以指针毫伏表较为直观。
更换应变片时应将直流稳压源断开。
2．补偿片性能实验
⑴按图三接线，R1为工作片，R5为补偿片。
调整电桥的WD，时系统输出为零（梁处于水平位置时）。
⑵旋动测微头使梁向上移动，每隔2mm记一数据，填入下表。
X（mm）
20mm
18mm
16mm
14mm
12mm
10mm
8mm
6mm
4mm
2mm
0mm
UO（V）
3．半桥性能实验
比较金属应变片半桥和单臂桥的性能、了解其特点，如图四。
不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高非线性得到改善。
按图四接线，保持差放增益不变，将R5换成一片与R2受力方向相反的箔式片，形成半桥，调好零。
重复实验1的第五步骤，填入下表。
X（mm）
20mm
18mm
16mm
14mm
12mm
10mm
8mm
6mm
4mm
2mm
0mm
UO（V）
4．全桥性能实验
了解全桥测量电路的优点，全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始值R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压、灵敏度系数比半桥又提高一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。
六、实验报告
在同一坐标纸上描出X－UO曲线，比较三种桥路的灵敏度。
实验五：
温度测量与控制实验
实验学时：
2学时
实验类型：
常规
实验要求：
选修
一、实验目的
1、了解温度是一个基本物理量，也是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关的重要物理量。
温度的测量和控制技术应用十分广泛。
2、了解温度传感器的种类。
3、了解检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式也不同。
4、掌握本实验所选用的半导体PN结温度传感器工作原理。
二、实验内容
1、运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试。
2、学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析问题和解决问题的能力。
3、本次实验所选用的传感器为半导体传感器。
即测温元件采用由半导体二极管构成的PN结传感器。
测量电路是通过电压比较放大电路来实现温度的检测。
控制电路也是通过两个电压比较电路来实现对两个继电器的控制。
4、测试电路中1—14点电压及两只三极管b、e、c电压，说明测温、控温原理，完成实验报告。
实验参考电路图如下：
三、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
四、实验仪器及元器件
直流稳压电源万用表三极管9013
实验用面包板二极管IN4148集成运放LM324
电阻、电容若干红、绿发光二极管继电器
五、实验步骤
1、安装U1A及外围电路。
D1二极管需要焊接二根长线，引出电路板。
接好电路之后，检查无误，方可通电。
给D1加热，测量U1A的输出电压VO1。
通过测量可以发现：
随着温度的升高，VO1降低。
2、安装U1B及外围电路。
W1为调零电位器，W2为定标电位器。
在室温下调整W1，使U1B的输出VO2为室温时的电压输出（当量为10mV/℃）。
将D1放入热水（40--50℃）中，调整W2，使U1B的输出VO2正确。
注意应反复调整W1、W2电位器，使VO2输出正确。
3、安装U1C和U1D及它们控制的继电器。
调整W3，使a点的电位为300mV（即设定的控制温度上限为30度）；调整W4，使b点的电位为200mV（即设定的控制温度下限为20度），U1C和U1D分别控制继电器J1和J2。
当温度低于20℃时，VO4为高电平（约3.55V），红色发光二极管亮，三极管T2饱和导通，集电极C2为低电平（约0.1V—0.15V），使J2继电器吸合，控制加热器开始加热（给同学示范）。
当温度高于30℃时，VO3为高电平（约3.55V），绿色发光二极管亮，三极管T1饱和导通，集电极C1为低电平（约0.1V—0.15V），使J1继电器吸合，控制制冷器开始制冷（给同学示范）。
当温度在设定温度上下限（20度至30度）之间时，VO2值为（200mV—300mV）,使VO3、VO4均为负值（约-5V）,红色和绿色发光二极管全熄灭，此时两只三极管均截止，集电极C1、C2均高电平（约+5V），J1、J2继电器断开，不加热也不制冷。
因此从以上不同的状态显示就可以知道温度情况及温度控制情况。
4、注意事项
为避免测温二极管本身通电产生的温度升高对测温的影响，电路设计时注意不要使通过测温元件的电流超过lmA。
六、思考题
1、电路中所用温度传感器有何特点？
2、指出本实验电路的优缺点，并提出对电路的改进意见。
附录
1、PN结温度传感器：
温度传感器是利用一些金属、合金或半导体材料与温度有关的特性制成，常用的有热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结及集成温度传感器等。
PN结温度传感器是利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性，可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管（将集电极与基极短接）做成PN结温度传感器。
这种传感器测温范围为-50℃至150℃，有较好的线性度，尺寸小，响应快、灵敏度高、热时间常数小的特点，用途较广。
可将普通二极管（如1N4148）或硅三极管用作温度传感器。
但普通二极管或三极管即使型号相同，其温度特性也有较大差异，因而互换性差。
现已有专用的温敏二极管和温敏三极管产品供选用。
如国产2DWM型温敏二极管，外形封装有珠型、管型、探针型等，其测温范围为-50℃～150℃，线性度达±0.3%。
另外，由三个PN结构成的温敏晶闸管，是一种新型的温敏元件，主要用于温度控制及过热保护。
2、温度与温标
温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。
为了定量描述温度的高低，必须建立温度标尺（温标），温标就是温度的数值表示。
各种温度计和温度传感器的温度数值均有温标确定。
国际温标是一个国际协议性温标。
其规定仍以热力学温度作为基本温度，1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。
它同时定义国际开尔文温度（符号T90）和国际摄氏温度（符号t90）和之间的关系：
t90/oC=T90/K-273.16
在实际应用中一般直接用t和T代替t90和T90。
3、温度测量的主要方法和分类
温度传感器的组成：
现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成。
温度测量方法按感温元件是否与被测介质接触分成接触式测温和非接触式测温两大类。
接触式测温是使测温敏感元件和被测介质接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，温度感温元件与被测介质的温度相等。
这类温度传感器结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低、应用广泛。
非接触式测温是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。
可测高温、腐蚀、有毒、运动物体和固体、液体表面的温度，但精度低，使用不方便。
实验六：
脉宽调制器控制直流电机
实验学时：
2学时
实验类型：
常规
实验要求：
选修
一、实验目的
1．学习脉宽调制控制直流电机的基本工作原理。
2．掌握电路设计及调试的方法。
3．掌握有关仪器仪表的使用方法。
二、实验原理及内容
脉宽调制控制电路，是利用半导体功率晶体管或晶闸管等开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种变换电路。
基本的脉宽调制控制电路包括电压-脉宽转换器和开关式功率放大器两部分，参考电路如下图所示。
此电路是通过改变占空比的方法，来调节直流电动机的转速。
输入部分是一个简单的电位器调节电位电路，用以调整电压，电源电压采用12V。
可调电压经电压跟随器A1以后，在比较器A2~A4上与三个事先经电阻分压而设定的基准电压相比较。
随着输入电压的升高，从A4开始，然后是A3、A2，它们输出先后变低电平。
电容的充电时间是不变的，是R11*C1。
但是定时器电路原来的放电端不用，而用A2~A4输出端代替。
根据A2~A4的输出情况，可能有三种不同的放电时间见下表：
输出低电平的运放
放电时间
A4
R8*C1
A4、A3
R8//R7*C1
A4、A3、A2
R8//R7//R6*C1
二极管D1~D3提供电容C1放电通道，而D5则提供充电通道。
为了保证在充电时间，各比较器输出状态不影响充电速度，另外加晶体管T1和二极管D4，把比较器输入端电位拉到只有零点几伏，A2~A4全部输出高电平，这样使D1~D3都截止。
T1集电极输出控制大功率管T2，另由1000uF电容进行滤波。
不同的控制电压，使定时器电路产生不同的输出，而不同的占空比又产生不同的直流电压，从而改变电机的转速。
三、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
四、实验仪器及元器件
直流稳压电源万用表晶闸管
实验用面包板二极管IN4148集成运放LM324
电阻、电容若干555定时器直流电机
五、实验步骤
1．在实验电路板插接A1电路，（A1~A4采用一片四运放LM324集成电路），检查无误，通电测量。
调节W1电位器，用万用表测量或用示波器观察A1的输出，是否能从0~12V。
（注意芯片要接电源）
2．在实验电路板插接A2~A4电路，检查无误，通电测量三个比较器的输出。
3．在实验板上分别连接电路的其它部分，检查无误，才能通电调试电路。
4．调节电位器，控制马达的转速，用示波器测量A~E点波形，并记录。
5．应用所学知识，进一步设计电路，要求测量电机转速，闭环控制电机转速（进行综合型实验训练）。
六、思考题
1．PAM、PWM两种调速的方式有什么不同？
2．设计另外一种脉宽调制控制直流电机的电路。
画出电路图，说明工作原理。
实验七：
微小电流测量仪设计
实验学时：
4学时
实验类型：
设计
实验要求：
选修
一、实验目的
1．掌握微小电流的测试方法及工作原理。
2．通过设计、安装、调试电路，提高分析问题，解决问题的能力。
二、实验原理及内容
微小电流测试电路的原理框图如下图所示：
被测信号是石英钟平均功耗电流，是一微小的不规则的电流。
由取样电路，不失真的将电流信号放大并转换成电压信号。
电子模拟开关的作用是在一定的时间内，把被测信号取进来，送至积分电路，取其电压的平均值。
电压信号送至3
位A/D转换电路，最后通过显示器显示测量数据。
1．设计微小电流测量仪。
测量范围：
0~200μA。
2．根据原理框图各部分的功能，查阅资料，完成单元电路设计、参数计算和器件选择。
（注意所选器件经济性、实用性）
3．绘制总体电路原理图。
布局合理、排列均匀、图面清晰、便于看图、有利于对图的理解和阅读。
4．列出所用元器件清单，报实验室备件。
5．按照设计电路原理图在面包板上安装、调试电路；测量、绘制各点波形。
6．写出总结报告。
三、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。
四、实验仪器及元器件（仅供参考）
1．3
位A/D转换电路5G144331片
2．BCD七段锁存/译码/驱动器5G45111片
3．七路达林顿驱动器阵列5G14131片
4．高精度能隙基准电源5G14031片
5．共阴极数码管4只
6．石英谐振器（谐振频率为4.194304MHz）1只
7．石英钟机芯1只
8．集成电路芯片（按照设计电路自选型号）数片
9．电阻、电容、连接导线若干
五、实验步骤
1.单元电路安装调试
电路设计好之后，便可进行安装、调试。
通常应该是插接一个单元的电路、检查无误、通电调试，通过之后再进行下一个单元电路的插接、检查和调试。
2.整机调试
全部电路调通之后要进行整机调试、电路性能、参数的测试。
要做以下几步：
⑴调零
这一步是系统调零。
方法是：
将取样电
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