电子测量课程设计.docx

1、电子测量课程设计第一章 绪论 21.1 检波器作用 21.2 检波器的构成和工作原理21.2.1 包络检波器21.2.2 同步检波器 31.3 检波器的主要性能指标 41.4 峰值检波器 4 第二章 系统设计方案 52.1 本系统工作原理5 2.2 本系统电路图 5第三章 元器件介绍 63.1 元器件清单 63.2 LF398采样保持器 63.3 主要元器件 83.3.1 芯片LF398 83.3.2 芯片LM311 93.4 稳压二极管 10第四章 峰值检波器的测试及性能指标 11 4.1峰值测量精度 11. 4.1.1测量交流信号 11 4.1.2.测量具有直流分量的交流信号 11第五章

2、系统分析 12 5.1 系统的测量范围12 5.2 系统测量精度12. 5.3 系统误差来源12 5.4 系统调试注意事项12. 5.5 系统设计存在的不足13第六章 实验总结 14.参考文献 15第一章 绪论1.1 检波器作用检波器，是检出波动信号中某种有用信息的装置。用于识别波、振荡或信号存在或变化的器件。检波器通常用来提取所携带的信息。最简单的检波器仅需要一个二极管就可以完成，这种二极管就被称做检波二极管。检波器通常用来提取所携带的信息。检波器分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了得到解调作用，需要

3、另外加入一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号（相干信号）。同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。从调幅波中恢复调制信号的电路，也可称为幅度解调器。与调制器一样，检波器必须使用非线性元件，因而通常含有二极管或非线性放大器。1.2 检波器的构成及工作原理1.2.1 包络检波器图1是典型的包络检波电路。由中频或高频放大器来的标准调幅信号ua(t)加在L1C1回路两端。经检波后在负载RLC上产生随ua(t)的包络而变化的电压u(t)，其波形如图2所示。这种检波器的输出u(t)与输入信号ua(t)的峰值成正比,所以又称峰值检波器。 包络检波器的工作原理可用图2的波形来说明。在

4、t1tt2时间内,输入信号瞬时值ua(t)大于输出电压u(t)，二极管导通,电容C通过二极管正向电阻ri充电,u(t)增大;在t2tt3时间内,ua(t)小于u(t)，二极管截止，C 通过RL放电，因此u(t)下降；到t3以后,二极管又重新导电,这一过程照此重复不已。只要RLC选择恰当,就可在负载RLC上得到与输入信号包络成对应关系的输出电压u(t)。如果时间常数RLC太大，放电速度就会放慢,当输入信号包络下降时,u(t)可能始终大于ua(t)，造成所谓对角切割失真(图2)。此外，检波器的输出通常通过电容、电阻耦合电路加到下一级放大器，如图1中虚线所示。如果Rg太小,则检波后的输出电压 u(t

5、)的底部即被切掉，产生所谓的底部切割失真。1.2.2 同步检波器图3为同步检波器的框图。模拟相乘器的一个输入为一单频调制的单边带调幅信号，即us(t)Umcos(ctmt),其中c为载波信号角频率,m为调制信号角频率；另一输入是本机产生的相干信号，即uc(t)Uccos ct,则乘法器的输出电压u0(t)与uS(t)和uc(t)的乘积成正比，即：u0(t)=Kus(t)*uc(t)，式中K为一比例常数。u0(t)中包括两项，一项为高频项(2c+m),另一项为低频项(m)。通过低通滤波器后将高频项滤除，即得到与调制波成对应关系的输出。uc(t) 通常可用本地振荡器或锁相环产生。同步检波器的抗干扰

6、性能比包络检波器优越，但是它的电路比较复杂。1.3 检波器的主要性能指标1)电压传输Kd系数说明检波器对高频信号的解调能力输入为高频等幅波Kd=Uo/Uim输入为高频调幅波Kd=Um/maUim注： Kd总是小于1， Kd越接近1越好2)输入电阻 说明检波器对前级电路的影响程度Ri=Uim/Iim此外检波器还有反映其失真系数的指标THD等。 1.4 峰值检波器在电子设备中，常要求对信号的峰值进行检波：如大动态范围的正弦信号经对数压缩后，为了得到反映正弦信号的有效值，就不能用一般的平均值或有效值检波器，而只能用峰值检波器。峰值检波器是一个能记忆信号峰值的电路，其输出电压的大小，一直追随输入信号的

7、峰值，而且保持在输入信号的最大峰值。1. 当ViVo时：信号由（+）端加入，OPA的输出Va为正电压，二级管D导通，于是输出电流经D对电容C充电一直充至与Vi相等之电压。（当D导电时此电路作用如同一电压跟随器）2. 当ViVo时：OPA的输出Va为逆向偏压，相当于开路，于是电容C既不充电也不放电，维持于输入之最大值电压。 上述电路只能工作一次，所以我们要能够控制电容C的放电过程，使得这个电路可以重复地工作。同时在电路中加入一定的保护措施以及加入阻抗匹配的电路（比如跟随器等），以提高电路的带负载能力。第二章 系统设计方案2.1 本系统工作原理LF398的输出电压与输入电压通过比较器LM311进行

8、比较，当输入电压高于输出电压时，LF398的逻辑控制引脚被置成高电平，使LF398处于采样状态。当输入电压达到峰值而下降时，LF398的逻辑控制引脚被置成低电平，使LF398处于保持状态。从而，实现了对“峰”值的保持。2.2 本系统电路图第三章 元器件介绍3.1 元器件清单元件名称元件个数功能注释LF398N1采样保持芯片DIP封装LM3111电压比较器DIP封装电阻24K1电阻15K1电阻30K1电阻5.1K1可调电阻1K15V稳压二极管（2CW12）1钽电容0.1uf1DIP插座2双列直插插座面包板5*5cm1导线、焊锡丝若干3.2 LF398采样保持器采样保持电路实质上是一种模拟信号存储

9、器，它在数字指令控制下，使开关通断，对输入信号瞬时值进行采样并寄存，通常用两个运算放大器构成高输入阻抗的采样/保持电路，如图所示：放大器A1是射随器。它对模拟信号提供了高输入阻抗，并提供了一个低的输出阻抗，使存储电容CH能快速充电和放电，放大器A2在存储电容和输出端之间起缓冲作用。开关K1在指令控制下通断，对电容CH充电或放电，开关S1通常使用FET开关或MOSFET开关，存储电容CH一般取0.010.1F。采样/保持电路经常使用集成电路LF398，该器件的工作原理和使用方法说明如下：LF398具有采样和保持功能，它是一种模拟信号存储器，在逻辑指令控制下，对输入的模拟量进行采样和寄存。图5-3

10、是该器件的引脚图。各引脚端的功能如下：和端分别为VCC和VEE电源端。电源电压范围为5V15V。端为失调调零端。当输入Vi=0，且在逻辑输入为1采样使，可调节端使Vo=0。端为模拟量输入端。端为输出端。端为接采样保持电容CH端。端为逻辑基准端（接地）。端为逻辑输入控制端。该端电平为“1”时采样，为“0”时保持。LF398内部电路原理图如图所示。当8端为“1”时，使LF398内部开关闭合，此时A1和A2构成1：1的电压跟随器，所以，Vo = Vi，并使迅速充电到Vi，电压跟随器A2输出的电压等于CH上的电压。 LF398电路原理图当8端为“”时，LF398内部开关断开，输出电压Vo值为控制端由“

11、”跳到“”时CH上保持的电压，以实现保持目的。端的逻辑输入再次为“”、再次采样时，输出电压跟随变化。采用保持器LF398对电压信号进行采样/保持。在单片机P2.5口的控制下，高电平，采样；低电平，保持。输入的正弦波信号经LF398后变为抽样信号。电路如图所示： 3.3 主要元器件3.3 主要元器件3.3.1 芯片LF398LF398是一种高性能单片采样/保持器。它具有很高的直流精度、很快的采样时间和低的下降速度。器件的动态性能和保持性能可通过合适的外接保持电容达到最佳。例如选择1000PF的保持电容，具有6us的采样时间，可达到12bit的精度。LF398的价格低廉。电源电压可从518V任意选

12、择，其性能几乎无影响。采样/保持的逻辑控制可与TTL或CMOS电平接口。它可广泛地应用于高速A/D转换系统、数据采集系统和要求同步采样的领域。该器件外形采用8脚DIP封装结构。性能特点：A.具有12bit吞吐精度；B.采样时间：小于10us;C.宽带噪声：小于20uV;D.可靠的整体结构；E.输入阻抗：大于1010；F.TTL和CMOS逻辑接口。LF398内部电路结构LF398内部电路结构如图3，N1是输入缓冲放大器，N2是高输入阻抗射极输出器。逻辑控制采样/保持开关：当开关S接通时，开始采样，当开关断开时，进行保持。引脚说明引脚功能为：1、4脚：V、V，正、负电源输入端，应与地之间接入0.1

13、uF电容；2脚：OFAD，失调电压调整端；3脚：Vi，模拟电压输入端；5脚：OUT，采样/保持输出端；6脚：HOC，采样/保持电容接入端；7脚：MREF，逻辑控制电平参考端，一般接地；8脚：MCTR，逻辑控制输入端，高电平为采样，低电平为保持。下图是LF398的基本连接图。失调电压的调整是通过与V的分压并调整1K电位器实现的。保持电容CH应选用3001000PF的高性能低漏电云母电容器。控制逻辑在高电平时为采样，在低电平时为保持。本设计采用此种连接方法。电路如图所示：3.3.2 芯片LM311（1）引脚图（2）引脚功能GROUND/GND接地INPUT +正向输入端INPUT -反向输入端OU

14、TPUT输出端BALANCE平衡BALANCE/STROBE平衡/选通V+电源正V-电源负NC空脚3.4 稳压二极管稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当

15、去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。第四章 峰值检波器的测试及性能指标4.1峰值测量精度4.1.1测量交流信号分别输入1Khz峰值在为0.1V、0.5V、1V、1.5 V、2V、3V、3.5V、4V、5V的正弦波，测量输出电压，并计算误差。表1 交流信号测量表输入信号峰值（V）检测信号峰值（V）相对误差0.70.757.1%0.80.867.5%0.850.872.3%0.90.955.6%4.1.2.测量具有直流分量的交流信号输入1Khz、幅度为2V的正弦波，直流分量分别为1V、2V、3V、4V，测量输出电压，

16、并计算误差。表3 交直流信号测量表输入信号直流分量（V）输入信号峰值（V）检测信号峰值（V）相对误差1.002.502.265.6%2.003.503.422.2%3.004.504.177.3%4.005.505.362.5%第五章 系统分析5.1 系统的测量范围由上述电路原理图可知供给峰值检波器工作的是+15V、-15的稳定电压源，由理论知识可知系统的测量范围是0V15V，但是由于种种条件的限制，我们的测量范围是0V10V左右。5.2 测量精度由于布线和焊接的局限性，使电路的稳定性能不好，测量精度较低，一般在0.1V0.2V,有些板子性能较差，测量精度更低，大约0.5V1V左右。5.3 误

17、差来源 1）仪器误差仪器误差是由于仪器本身及其附件的电气和机械性能不完善而引起的误差。 2）使用误差使用误差又称为操作误差，是由于安装、调节、使用不当等原因引起的误差。3）人身误差人身误差是由于人为原因而引起的误差。 4）环境误差环境误差又称为影响误差，是由于仪器受到外界的温度、湿度、气压、震动等影响而产生的误差。5）方法误差方法误差又称为理论误差，是由于测量时使用的方法不完善、所依据的理论不严格等原因引起的误差。5.4 系统调试注意事项1、要认真检查板子布线以及焊接，不要有虚焊、漏焊、短接；2、连接线路时要看清+15V、-15V、GND、输入输出的连接，而且各连接线不要碰在一起，以免发生短接

18、；3、调试时要注意示波器、信号发生器的各档位的选择，以及示波器通道1，通道2是直流、交流还是接地，尤其是在调试交直流信号时，给输入端加偏执信号，一定是在输入端加直流信号，而不是交流信号。4、在调试过程中要注意电容的充放电，在电源打开一会时，要随时断开电源让电容放电，不然会影响调试结果。5、在调试完之后，要注意关闭电源，整理好器件。5.5 系统设计存在的不足1、由于老师发的面包板是个光板子，所有的布线都要有自己排板布线，这样导致板子的布线五花八门，缺乏了美感，而且如果出现了问题，也很难找的出来。2、我们要能够控制电容C的放电过程，使得这个电路可以重复的工作。同时在电路中加一定的保护措施以及加入阻

19、抗匹配的电路，以提高电路的带负载能力。第六章 实验总结为期一周的课程设计结束了，本次设计的内容是：要求我们做一个峰值检波器。这次的原理图是由老师来确定的，第一天上午，老师把这个峰值检波器的原理给我们讲了一下，在老师讲的过程中，我感觉这次要做的课程设计好简单。当老师吧元器件和面包板发下来的时候，由于元器件不多，就以为这样的简单的板子还要一周，是不是有点儿浪费时间了，讲完了之后，老师便让我们把元器件的布局给想好，下午焊接的时候会快一些。看了一会，我便把板子的布局给想好了，看上去还蛮美观的。到了下午，我们开始焊接了，由于中级工实训的那些基础，我先把所有的元器件全都焊接上去了，接下来就是焊接跳线了，没

20、想到跳线是如此的之多，由于上午的大意，焊接跳线的时候导致了还有些跳线是需要重叠的，但又为了避免短路，所以想办法把那些要重叠的跳线给隔离开。没想到，原本以为简单的板子还花了我好几个小时。接下来便到了调试的过程了，老师先把调试的过程讲了一遍后自己开始调试了。首先测试输出交流信号的情况，我先用信号源调试好一个频率为10KHZ，峰值为0.5V的交流信号加在板子的输出端，板子的输出端接示波器，打开直流电源，示波器上出现了一条直线，但是这条直线有一定的变化，有些地方成陡峭的状态，但是这些并不会影响测试的结果，我看了一下示数，512mv。误差不算太大。于是又测量了几组数据。误差基本上相差不大。接下来便是加具有直流分量的交流信号了。这次我选用的是，频率为50KHZ的交流信号，并增加了直流分量为2V，按照上面步骤，接好线，但是由于自己布线的缺陷，还有焊接过程中的不注意，板子很不稳定，在多次的努力之下，终于测出误差不算太大的数据了。终于舒了一口气。 在这次课程设计中，我明白了还是要加强自己的动手能力，还有自己的基础知识。参考文献电子测量仪器与应用（第二版） 编辑：李明生电子测量与仪器 编辑：宋悦孝新编电子电路实用手册 主编：韩广兴电路电子技术及其应用 编辑：张莉萍、李洪芹 电子元器件的识别及安装调试 编辑：杨宗强