3实验指导书.docx
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3实验指导书
大学生电子设计竞赛
实验指导书及安排
时间：
周日8：
00～16:
00地点：
工训
周数
实验内容
指导老师
地点
备注
2
运算放大器电路制作
张珂、俞国华
302
李云峰、待定
305
3
直流稳压电源制作
袁月峰、待定
302
施阁、待定
305
4
数控直流稳压电源
陈亮、待定
302
单片机
5
赵伟国、待定
305
6
巡线小车制作
袁月峰、待定
302
施阁、待定
305
7
智能巡线小车
陈亮、待定
302
单片机
8
赵伟国、待定
305
9
信号发生器制作
张珂、待定
302
李云峰、待定
305
10
波形参数测量电路
陈亮、待定
302
单片机
11
赵伟国、待定
305
说明：
1、表中“待定”为工训老师，共14人次，每位老师安排2次左右，根据实际情况安排；
2、工训老师除指导学生外，在实验结束后需清点仪器等；
3、实验要求体现设计性，给出电路原理图和电路性能，要求学生在查阅资料的基础上，自行设计外围元件的参数；实验时需查阅资料的可到工训机房电脑上查询；
4、实验内容结合竞赛，操作上重测试，其中电路性能和指标的测试，均为历年竞赛题所要求的测试内容，并自行设计测试方法；
5、“直流稳压电源制作”和“信号发生器制作”这2个实验采用PCB焊接，装配完成后学生自愿付押金后领用，可在寝室等其他场合使用；
6、学生2人/组，做单片机实验学生最好自备电脑，否则安排在工训机房；
7、以上实验结束后，安排2个综合性实验，具体内容到时根据学生情况待定。
实验一运算放大器电路的制作
姓名：
班级：
一、任务
利用运算放大器完成放大器和滤波器的应用制作。
二、要求
1、同相放大器的制作：
输入阻抗10K，放大倍数20倍；
2、带通滤波器：
中心频率f=1KHz、增益A=5、品质因数Q=8；；
注：
以上电路中，运放本身的输入阻抗视为无穷大。
三、工作原理：
图中是同相放大器和带通滤波器的组合电路，电路的性能和指标均取决于外围电路电阻的参数。
运放型号为TL082，采用±10V双电源供电，电源端接0.1U退偶电容，以消除自激振荡，输入信号为频率1KHz、幅度50mvp-p正弦波。
图1组合放大器基本原理
四、测试记录：
1、电路关键点测试：
（1）TL082供电电压测试：
V（8脚对地），V（4脚对地）；
2、放大倍数的测试：
（1）同相放大器：
输入V，输出V，倍数，输入输出相位；
（2）带通滤波器：
输入V，输出V，倍数，输入输出相位；
3、该组合电路输入、输出阻抗的测试（同相）：
（1）输入阻抗：
K（已知信号源内阻为50Ω）；
（2）输出阻抗：
K（负载可用100Ω电阻）。
4、同相放大器频率响应测试（-3dB）：
频率上限测试：
；频率下限测试：
，把输入电容C1换成0.1u，测量频率下限测试：
，并分析频率下限变化的原因。
5、带通滤波器测试：
中心频率f=KHz、增益A=、品质因数Q=；
五、问答题
1、课前查阅资料，掌握运放工作原理，写出同相和反相放大器放大倍数的计算，掌握运放输入、输出阻抗的定义，写出电压级联放大器阻抗匹配的要求，并给出运放输入、输出阻抗的测试方法；图中放大器的输入、输出阻抗由哪个电阻决定（忽略运放本身的输入、输出阻抗）。
2、课前查阅资料，写出运放频率响应的定义，简述运放工作频率上限和下限（-3dB）的测试方法。
查阅芯片资料，回答TL082和uA741哪个频率上限更高？
为什么？
3、课前查阅资料，可参考“运算放大器电路设计手册”一书，掌握有源滤波器的工作原理，根据题目要求完成带通滤波器的外围元件参数设计，给出带通滤波器的中心频率f、品质因数Q的测试方法。
品质因数Q高说明什么问题？
成绩：
评阅：
日期：
实验二多路直流稳压电源的制作
姓名：
班级：
一、任务
制作一个具有多路电压输出的直流稳压电源。
二、要求
1、直流稳压电源输出电压+5V/1A、±2－15V/0.4A可调；
2、要求电压调整率≤1%，负载调整率≤1%，输出纹波≤50mvP-P；
三、工作原理：
220V交流电通过变压器变压降低为6V、15+15V，经过整流桥电路整流和电容滤波，转换成直流电压（不稳定的），经过LM7805固定稳压器、LM317和LM337可调稳压器，转换成固定、可调直流电压，下图是基本原理框图。
图1直流稳压电源基本原理图
四、测试记录：
1、输入电压的测试：
（1）变压器二次侧电压测试：
V（ab），V（cd），V（de）；
（2）整流滤波输出电压测试：
V（a´b´），V（c´d´），V（d´e´）；
（3）维持输出不变情况下，LM7805最小输入电压测试：
V（a´b´），可用直流稳压电源输出代替变压器在ab端接入。
2、稳压电源输出电压测试：
（1）空载输出电压测试：
V（7805），V（LM317），V（LM337）；
（2）负载输出电流测试：
A（7805、负载5Ω）；
3、电压调整率、负载调整率和输出纹波测试：
（1）电压调整率测试：
%（7805，输入电压6～10V，负载5Ω）；
（2）负载调整率测试：
%（7805，输入电压8V，负载5Ω）；
（3）输出纹波mvP-P（7805，负载5Ω）。
五、问答题
1、课前查阅资料，推导LM317和LM337可调三端稳压器输出电压表达式，并根据图中LM317外围电阻参数，计算电路的输出电压范围。
2、课前查阅资料，掌握稳压电源最小输入电压、输出电压调整率、负载调整率和效率的概念，并给出以上4个参数的简易测试方法。
3、分析稳压电路输出故障原因，分以下三种情况（7805）：
输出电压为零，输出电压大于5V和输出电压在0～5V之间。
成绩：
评阅：
日期：
实验三基于单片机的数控直流电源
一、设计任务
在实验二“多路直流稳压电源的制作”的基础上，设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。
其原理示意图如下：
二、设计要求
1、输出电压：
范围2～＋12V，步进0.1V，纹波不大于10mV；
2、输出电流：
400mA；
3、输出电压值由数码管或液晶显示；
4、由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减；
5、输出电压可预置在2～12V之间的任意一个值；
6、用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）；
7、扩展输出电压种类（比如三角波等）。
三、方案参考：
1、单片机控制继电器切换二进制电阻，电路简单，但成本高；
2、单片机控制模拟开关切换二进制电阻，电路简单，但普通模拟开关导通电阻较大，输出电压不准；
3、单片机控制电阻网络，成本低、精度高，推荐采用此方案，电路可参考“运算放大器电路设计手册”一书第181页图6.4，为了简单起见，单片机输出I/O口可直接接电阻网络（相关反相器和比较器可不用），电阻网络取值应较大（R=5K），电阻网络输出接运放适当放大，控制LM317的调整端。
注：
大一学生完成要求1～4，大二学生全部完成。
实验四基于模拟电路的巡线小车
姓名：
班级：
一、任务
设计并制作一个基于模拟电路实现的巡线、避障小车。
一、要求
1、小车能沿地面的黑线前进，传感器检测距离为1～2厘米，且灵敏度可调；检测到黑线时输出为低电平，且有LED显示，在临界点附近输出不能有抖动现象；
2、小车能检测前方障碍物并停车，传感器检测距离为5～10厘米，灵敏度可调；检测到障碍物时输出为低电平，且有LED显示，在临界点附近输出不能有抖动现象；
二、工作原理：
图中（a）为黑线检测电路原理图，传感器型号为ST188，信号处理采用LM393比较器，请根据题目要求设计出图中元件参数，设计推导过程写在问答题栏目。
图中（b）为障碍物检测电路原理图，38KHz发射信号由555产生，自行设计电路参数。
L293D直流电机正、反转驱动电路自行查阅资料。
在通用板上安装电路，并完成电路性能和指标的测试。
图红外传感器原理图
四、测试记录：
1、电路关键点测试：
（1）发射管两端电压：
V，接收管两端电压：
V；
（2）LM393供电检测（4和8脚）：
V，基准端（3脚）电压变化范围：
V；
（3）NE555供电检测（1和8脚）：
V。
2、黑线检测电路测试：
（1）把LM393基准端的电压，通过调节W，使电压为5V，再把传感器正对黑色表面约1厘米，慢慢把测量比较器输出对地电压V，观察发光管状态。
（2）把传感器正对黑色表面约1厘米，测量比较器输出对地电压V，观察发光管状态。
3、障碍物检测电路测试：
（1）NE555输出波形测量：
频率KHz，幅度VP-P；
（2）传感器正对障碍物5厘米，测量输出对地电压V，观察发光管状态。
五、问答题。
1、课前查阅资料，掌握红外传感器的工作原理，根据题目要求简述该电路检测黑线的工作原理，给出电路的调试方法。
2、课前查阅资料，掌握NE555的工作原理，根据题目要求，NE555输出方波频率为38KHZ，占空比为30%，完成电路原理、外围元件参数设计。
成绩：
评阅：
日期：
实验五基于单片机实现的巡线小车
姓名：
，班级：
，
一、任务
在实验五“巡线小车的制作”的基础上，设计并制作一个基于单片机的智能小车。
二、要求
1、小车能沿地面的黑线（宽度20mm）前进；
2、小车能检测前方障碍物，并能绕过该障碍物。
注1：
38KHz信号由单片机产生（对大一学生不作该要求，仍用NE555制作）；
注2：
障碍物尺寸：
宽×高×深=5×10×3cm。
三、方案参考：
1、小车检测前方障碍物并绕过该障碍物，简单的方案是首先小车转过一个角度，然后控制两个车轮的速度需不同，慢慢走一个圆弧绕过障碍物，这需要反复修改程序相关参数；较好的方案是在两个车轮上安装光电或霍尔编码器，通过控制两个车轮的行驶距离，来绕过障碍物；
2、单片机产生38KHz信号可由内部定时器完成，最后输出需加三极管驱动红外发射管；
。
成绩：
评阅：
日期：
实验六多路波形信号发生器的制作
一、任务
制作一个具有多路波形输出的信号发生器。
二、要求
1、输出正弦波、TTL方波和三角波三种波形；
2、信号频率范围2Hz～200KHz（按10倍频分4段）,信号幅度范围0～5VP-P；
3、正弦波失真≤1%，方波占空比调节10～90%，直流偏置调节0～±5V。
三、工作原理：
采用ICL8038多路波形输出专用芯片，W1为频率调节电位器，W2幅度调节电位器，W3为方波占空比调节电位器，R11直流偏置调节电位器，K1为频段切换开关（按10倍频分4段），K2为波形切换开关,K3为直流偏置选择开关，K4为-20dB衰减开关。
图1信号发生器基本原理框图
四、测试记录：
1、电路关键点测试：
（1）ICL8038供电状态测试：
V（6脚对地），V（11脚对地）；
（2）ICL8038调制端（8脚）电压改变范围：
V；
（3）TL082供电状态测试：
V（8脚对地），V（4脚对地）。
2、频率调节范围测试（分4段）：
，，，。
3、幅度调节范围的测试（正弦波）：
（1）不衰减：
VP-P；
（2）20dB开关衰减：
mVP-P。
4、其他性能指标测试：
（1）方波占空比调节测试：
%；
（2）正弦波3次谐波失真测试：
%；
（3）直流偏置调节范围测试（正弦波）：
V。
五、问答题
1、课前查阅资料，了解ICL8038内部工作原理，掌握外围电路设计和元件参数设计方法。
（1）方波占空比调节10～90%，请计算R1、R2的阻值；
（2）频率范围2Hz～200KHz（按10倍频分4段），请计算R3的阻值、C1～C4的容量；
（3）若ICL8038的输出为3VP-P，请根据图中参数，且直流偏置电压为0，请计算运放的输出电压范围；令ICL8038的输出电压为U1，直流偏置电压为U2，且幅度调节电位器W2调在幅度最大位置，请给出运放输出电压的表达式；
（4）了解分贝的概念，计算-20dB的衰减量是多少？
2、课前查阅资料，掌握正弦波谐波失真的概念，并利用数字示波器的频谱测量功能，给出正弦波3次谐波失真测试方法。
实验七基于单片机的波形参数测量
一、设计任务
在实验七“多路波形信号发生器的制作”基础上，设计出能测量波形各种参数的电路，并由数码管或液晶显示。
二、设计要求
1、输出正弦波幅度的测量：
范围0～5VP-P,分辨率0.01VP-P，误差5%；
2、输出波形频率的测量：
范围0～200KHz，分辨率1Hz，误差1%；
3、输出方波占空比测量：
范围0～100%，误差5%。
三、方案参考：
1、正弦波幅度的测量可采用硬件法，把正弦波通过AC/DC转换电路转换成直流电压，AC/DC转换电路可参考“运算放大器电路设计手册”一书第319页，再通过单片机A/D转换测量；也可用软件法，直接对波形采样测量，但编程较难。
2、输出波形频率的测量，需用比较器把波形整形成方波，方可送单片机测量；对于高频可通过在单位时间测量方波的个数，对于低频（几百Hz以下），需通过测量周期方可得到较准确地结果。
3、输出方波占空比测量，需测量方波高电平宽度、方波周期等参数。
注：
大一学生完成要求1和2，大二学生全部完成。
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