测控电路与装置实验指导书

武汉理工大学华夏学院测控电路实验指导书信息工程系测控与电信教研室目录1 测控电路课程实验概述11.1 测控电路课程实验简介11.2 课程实验内容概述22. 实验一调制信号的整流检波3（一）实验目的3（二）实验原理3（三）实验仪器设备列表7（四）实验操作要求7（五）实验报告要求73. 实验二有源滤波器的设计和调整8（一）实验目的8（二）实验原理8（三）实验仪器设备列表11（四）实验操作步骤及要求11（五）实验报告要求114. 实验三 可编程增益放大器的设计与调整18（一） 实验目的18（二） 实验原理18（三） 实验仪器设备列表22（四） 实验操作要求22（五） 实验报告要求235. 实验四 集成锁相环的频率合成24（一） 实验目的24（二） 实验原理24（三） 实验仪器设备列表29（四） 实验操作要求29（五） 实验报告要求301 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 调制信号的整流检波；实验二 有源滤波器的设计和调整；实验三 可编程增益放大器的设计与调整；实验四 集成锁相环的频率合成；其中，实验一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。实验二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。实验三设计了一个利用 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。实验四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。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-Locked Loops Design,Simulation,And Applications Roland E BestDAC0830/0832 8-Bit “FCompatible, Double-Buffered D to A Converters General Description National Semiconductor Datasheet2. 实验一 调制信号的整流检波（一） 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。（二） 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D3导 通、D4截止，ua点接近于虚地，uaO。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上的电流订-i。按图上所 标注的极性，可写出下列方程组：u =iR + u二 u - iRs 34 s s 34u = u + u = u + iR + ua D 4 aD 427 su =-K u其中Kd为U11的开环放大倍数。解以上联立方程组得到(1+34)uK RD 4u = 34 +(1+34)us R K R27 d27d27通常，U11的开环放大倍数Kd很大，这时上式可简化为:34 u27二极管的死区和非线性不影响检波输出。图中加入D3反馈回路一是为了防止在us的正半周期因D4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R26=2R35。U12的输出为:-訓+肯）36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。）HandnirgHdR2CCI2貝T +1=丁7LF3.UlCiR345UZd. 1ghdt4R2720ICR29Xu20IC首ZTUll1N4148 sR357 1OIC ua 1N414SU4soU12R36d. 1ghd 2CIIC+异LF31，23451231234（三）实验仪器设备列表晶体管毫伏表 一台双输出函数发生器 一台 （或单输出两台） 频率计数器 一台示波器 一台稳压电源 一台（四）实验操作要求检查实验电路板，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Ul, U2两个频率信号分别是f、f+A f的信号接入电路 1输入端。建议f=5kHz, A fV f。应用和差化积公式计算接入电路的输入调l0幅信号的实际频率。调节C5,观察Uo的变化。根据滤波器的时间常数公式可知：f =-,02 兀 CR5 32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。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。（五）实验报告要求计算调制信号的频率,包括高频和低频部分。分析叙述至少两组合适的输入信号Ul、U2选取方法。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。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?3. 实验二 有源滤波器的设计和调整（一）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。（二）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王要有：通带截频f =3 /2n为通带与pp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 f =3 /2n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 rr为规定的下限。转折频率f =3 /2n为信号功率衰减到1/2（约3dB）时的频率，cc在很多情况下，也常以f作为通带或阻带截频。当电路没有损耗时，固有频率 cf = 3 /2n，就是其谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。002）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K 一般指3 = 0时的增益;高通指3时的增益;带通则指中心频率处的增益。P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AK指通带内各点增益的最大变化量，如果AK以dB为单位，则指增益dB值 pp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30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:aa 二ja j20a的倒数Q=1h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0频率与固有频率 0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y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sy，定 x义为:Sy =xdy y dx x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 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T （）=评价信号经滤波后相位失真程度。T （）越接近常do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“一”相连接的，称为“多路负反馈塹c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”。图中所示为无限增益多路反馈电路的一般形式 ,请选择适当类型无源元件Y1 一丫5,以构成低通滤波器和高通滤波器ui1、请设计一个二阶ldB无限增益多路反馈切比雪夫低通滤波器，通带增益Kp=2，截止频率fc=5kHz,画出电路图。2、请设计一个二阶 1dB 无限增益多路反馈切比雪夫高通滤波器，通带增益Kp=2截止频率fc=2kHz,画出电路图。三） 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，并调试可用四）实验操作步骤及要求1. 按设计所确定的电路参数，在实验接插板上放入器件，连接低通滤波器（注 意连接可靠，正确）2. 将信号发生器的输出信号电压幅值调到IV,接入低通滤波器的输入端，并 调整信号源的频率，在低通滤波器输出端测量所对应的幅值。（可用示波器或交 流毫伏表测试，并计录输入频率值和所对应的输出幅值，测量810点。3. 进行高通滤波器的电路连接及幅频特性测试。测试方法同上。（五）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。附录：1几种滤波器原理图、幅频特性底通滤波器电路幅频特性斑K%I1.2设计思路此次课题要求掌握最基本的二阶滤波器快速的设计方法。要设计RC滤波器，一般采用查表归一快速的设计方法。使用这种方法，必 须满足滤波器条件。1. 首先给定要求的截止频率 fc；2. 增益 Kp；p3. 选取滤波器的类型（切比雪夫型、巴特沃斯型），（低通、高通、带通、 带阻）；4. 选取（一阶、二阶、三阶、四阶、或高阶）滤波器，请参考一些相关资 料。测控电路精密仪器电路然后按下述步骤设计：(1)先选择电容C1的标称值，电容C的初始值靠经验决定，通常以下面的数据作参考f c W 100HzC = (10-0.1)吓c = (100-1000)HzC = (0.1-0.01)吓fc = (1-10k)HzC = (0.01-0.001) J1Ffc = (10-1000k)HzC = (1000-100)pFfc 三 100kHzC = (100-10)pF( 2)所选择的电容c1的实际值,再按照下式计算电阻换标系数K100k = f Cc 1其中fc的单位为Hz； C的单位为吓。（3）表2-1中查出C和K=1时的电阻值。4） 再将这些电阻值靠标称的实际电阻值。3设计实例设计一个二阶无限增益多路反馈1dB切比雪夫型低通滤波器，增益Kp = 2,截频（指纹波之间的终止频率）fc = 5KHz。设计步骤如下：按上述快速设计方法得到标称的电容取C =0.01yF，对应的参数K=2，也可以由式k = 2f C 从下表中查出Kp = 2时，电容C = C = 0.01pF, K=1时的电阻值。Rl=2.602 KQ,R2=5.204 KQ,R3=8.839 KQO 将上述电阻值乘以参数K=2，得：Rl=5.204 KQ，取标称值 5.1K+104QR2=10.408KQ,取标称值 10K+408QR3=17.698 KQO取标称值 15K+2.7KQ 或18K二阶RC滤波器的传递函数表类型传递函数性能参数低通Kpf 2H(S)=f /S2 + S + J 2QcKp通带内的电压增益高通Kpf 2H(S)=f /S 2 + 亠S + J 2QcFc低通、高通滤波器的截止频滤带通叫sH (S)=汁S 2 + c s + f 2 QcF。一带通、带阻滤波器的中心频滤Q一品质因素，Q二JBW AJ带阻Kp ( S 2 + f 2) H (S)=-亍S 2 + c S + f 2 Qc（当BW放f0时BW带通、带阻滤波器的带宽二阶无限增益多路反馈切比雪夫带阻滤波器设计用表归一化电路元件值(KQ)Rl(KQ)R2(KQ)R3(KQ)0.796/ Q3.183 QR2/(4 Q2+1)二阶无限增益多路反馈切比雪夫低通滤波器设计用表归一化电路元件值(KQ)电路元增益纹波高度件1234R12.163kQ1.306 kQ1.103 kQ1.069 kQR22.163 kQ2.611 kQ6.619 kQ10.690 kQ0.1 dBR31.767 kQ2.928 kQ2.310 kQ2.167 kQC10.3C0.1C0.05C0.033CR13.374 kQ2.530 kQ1.673 kQ1.608 kQR23.374 kQ5.060 kQ10.036 kQ16.083 kQ0.5 dBR33.301 kQ3.301 kQ5.045 kQ4.722 kQC10.15C0.1C0.033C0.022CR13.821 kQ2.602 kQ2.284 kQ2.213 kQR23.821 kQ5.204 kQ13.705 kQ22.128 kQ1 dBR36.013 kQ8.839 kQ5.588 kQ5.191 kQC10.1C0.05C0.03C0.02CR14.658 kQ3.999 kQ3.009 kQ3.113 kQR24.658 kQ7.997 kQ18.053 kQ31.133 kQ2 dBR313.216 kQ7.697 kQ8.524 kQ6.591 kQC10.05C0.05C0.02C0.015CR16.308 kQ6.170 kQ3.754 kQ3.617 kQ3 dBR26.308 kQ12.341 kQ22.524 kQ36.171 kQR311.344 kQ6.169 kQ10.590 kQ9.892 kQCl0.05C0.047C0.015C0.01C二阶无限增益多路反馈切比雪夫高通滤波器设计用表归-化电路元件值(KQ)纹波高度电路兀件增、益1234Rl(KQ)1.2581.51.1.7161.7980.1 dBR2 (KQ)6.66911.11524.45346.684C1C0.5C0.20.1CR1 (KQ)0.7560.9081.0311.0800.5 d BR2 (KQ)5.0788.46318.61935.546C1C0.5C0.20.1CR1 (KQ)0.5820.6990.7940.8321 d BR2 (KQ)4.7957.99217.58333.368C1C0.5C0.20.1CR1 (KQ)0.4260.5120.5810.6092 d BR2 (KQ)4.8898.14817.92534.221C1C0.5C0.2C0.1CR1 (KQ)0.3420.4410.4670.4893 d BR2 (KQ)5.2413.73619.21936.690C1C0.5C0.2C0.1C二阶无限增益多路反馈带通滤波器设计用表归一化电路元件值(KQ)Q电路元件增益12468103R14.7752.3871.1940.7960.5970.477R2R30.2819.5490.2989.5490.3419.5490.3989.5490.4779.5490.5979.549R16.3363.18.1.5921.0610.7960.6374R20.2050.2120.2270.2450.2650.289R312.73212.73212.73212.73212.73212.732R17.9583.9791.9891.3260.9950.7965R20.1620.1660.1730.1810.1890.199R315.91515.91515.91515.91515.91515.915R19.54947752.3871.5921.1940.9556R20.1340.1360.1400.1450.1490.154R319.09919.09919.09919.09919.09919.099R111.1415.5702.7851.8571.3931.1147R20.1150.1160.1190.1210.1240.127R322.28222.28222.28222.28222.28222.282R112.7326.3363.1832.12215.921.2738R20.1000.1010.1030.1040.1060.108R325.46525.46525.46525.46525.46525.465R115.9157.9583.0792.65319891.59210R20.0800.0800.0810.0820.0830.084R331.83131.83131.83131.83131.83131.8314. 实验三 可编程增益放大器的设计与调整=111（一） 实验目的1，了解 D/A 转换的基本原理和实现方式；2, 了解可编程增益放大器（PGA）的各种实现方式及其优点、不足；3，熟悉 DAC0830/0832 的工作原理和典型应用； 4,初步掌握实验设计的基本操作技巧。（二） 实验原理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,亦称为程控增益放大电路,简称 PGA。测控电路在实际应用中,常常需要一个增益可软件编程的放大器（ PGA）, 用来将不同幅度的模拟输入信号放大到某个特定范围,便于 A/D 转换器进行采 样,或者将给定信号放大一个由软件设定的增益后输出。但可供选用的现成的可 编程增益放大器并不多见,需要采用其它方法来实现,通常有两种方法：1）运放+模拟开关+电阻网络；2）运放+数字电位器。其中,前一种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络,从而改变放大电路的闭 环增益。此种方法所需元器件较多,电路庞大,而且精度受到限制。第二种方案 采用固态数字电位器来控制放大电路的增益,线路较为简单。但现有的数字电位 器分辨率有限,常见的有32 、 64 抽头,少数可达1024 抽头,因而构成的放大器 精度有限,无法满足10位甚至12位数据采集系统的要求。实际上,还有另外一个更为简单、精确,但又常常被人们忽视的方法,那就 是采用D/A转换器来实现高精度可编程增益放大器。此类程控放大器的优点：增益可调范围大,电路简单,具有宽的通频带,由 于 DAC 中电阻的误差较小,温度系数低等特点,因此此类程控放大器增益误差 较小,稳定性好；电路的缺点：由于器件内部分布电容的影响,电路频响不是很理想,电路增益不容易做得较大。本次实验就是采用D/A转换器来实现PGA。下面简述数一种模转换器的工作原理，一种R -2R梯型网络式D /A转换器 的原理结构图如图一所示。其转换原理为电阻加权网络，按需求产生不同的加权 电压，然后相加得到要转换的模拟电压。图1中Vref为参考电源输入端，是转 换器输出电压的基准；Ioutl和Iout2为转换器模拟量的互补输出端，由数据控制 相应的开关控制，产生对应的电流信号：Rfb为反馈电阻接入端，使得内部网络 可与外部放大器组成闭环回路，完成电压的叠加； K0 K7 为由数字量控制的模 拟开关，控制D /A转换的数据输入，实现D /A转换器的模拟量输出。由图一分析知，该类型的 D /A 转换器是由电阻网络对基准电压 Vref 按 2i(i = 1,.,7)的权值取其电压分量，由开关控制是否将对应的权值位接入到输出 端上，再由Ioutl和Iout2互补输出。根据电路基本原理，若将Ioutl和Iout2输 入至运放，则在运放的输出端得到如下数学表达关系式：V x (N)、V = I x R = rf10( 1)out out fb256N为D /A转换器的数字量输入值。通过上式可得到，数模转换电路(D/A转 换器+运算放大器)的模拟量输出Vout，实际是对参考电压Vref的一种分压变换, 若将Vref看成是输入电压信号，则给定数字量与它的字长N位模才的比即可看 成是放大倍数，那么从运算放大器的 Vout 端，随着给定数字量的不同，可在输 出信号out端，得到与Vref对应关系的输出信号Vout。因此可利用D/A转换器, 实现对Vref信号端编程的增益变换。图一 R-2R梯形网络式D/A转换器的原理结构图实验所用的芯片是DAC0832/0830。它是一种典型的D/A转换芯片，8位并 行、中速（建立时间lus）、电流型、价格低廉（1020元）。DAC0832/0830是一种双列直插式20引脚芯片，下图是它的内部原理简图:图二 DAC0832/0830 内部原理简图DAC 0832/0830是一片带双缓冲输入的8位D /A转换器，它具有灵活的数 字接口，数字信道具有双缓冲功能，且可单独控制；数字接口逻辑支持5V供电 系统，可方便地与微机对接；模拟信道允许正、负15 V的动态摆幅，是一种非 常通用D /A转换器。电路设计中将其设计为单缓冲模式，WR1作为编程信号 统一控制，该端可作为与微机的接口控制信号应用。当且仅当，该信号为低电平 时，才可能将由数据线来的数字，写入D /A转换器，否则，D /A转换器处于保 持状态，既保持放大器的放大倍数不变。下面介绍实验所采用的电路原理。通过上述的讨论，采用D /A转换器实现信号的传输是可行的。但由式（1） 可看到，若将Vref作为输出端，在Vout输出端，只能获得小于等于一的增益。 通过图1可以看出，Vref、Iout1、Iout2和Rfb端是构成R -2R梯形电阻网络的 模拟信号端口，网络的组成可由数字接口信号控制。那么对这些端点进行新的组 合应用，则可实现增益大于一的编程放大器。其实现原理图见图三。U5PlS99635P3310131535121416S U67651614132181917VWR2310KHeader 41 /可编程増益放犬器Header 8v7DGND图三 D/A 用于 PGA 的电路原理CSWR1WK2ILEXFERTODDI0VREFDI1DI2RFBDI3DI4IOUT1DI5IOUT2DI6DI7GNDGNDDAC0S30LCJ在图三中，改变原理图一中信号的接入点，将 Rfb 端作为放大电路的信号输 入端Vin,，将Ioutl端接运算放大器的信号输入负端，同时将Vref端接运放的输 出，使通过D/A转换器的内部电阻R网络，构成了基本放大电路的反馈电阻网 络。这样由D /A转换器的R -2R网络，和运算放大器共同组成了可编程的放大 电路。根据运算放大器V+ = V-的虚短原理有：RV =-fV(2)out R inin若改变Rin、Rf的任何一个的阻值，均可改变放大器的放大倍数。故而在该 电路中，可由 D /A 转换器的数字量输入改变反馈电阻网络的投、切，实现 Rf的变化，从而实现放大器增益的可编程。由原理图三可推得：256 x Vout NxR in256N in3)N为数字量给定，它的范围是从0255(对应DAC 0832)的数值，当给定为满刻度时(255)io,可获得近似为1的最小增益；当给定数字为“0”时，则电路中 出现放大器反馈电阻开路，运放处于开环状态，因此理论上，该电路可实现从1 g的可编程增益。由 DAC 0832数模转换器组成的可编程放大器，由于它所具有的微机接口功 能，使得其实现电路简单可靠，增益调整简单，应用灵活方便，扩充了数模转换 器的应用范围，其缺点是增益倒数数值关系，使得增益与编程数字间不能保持线 性变换。本设计的研究，探讨了一种数字技术应用于模拟技术的方法，应用数模 转换器的特性，可方便的实现，如数字给定式信号发生器、电位鉴别器等应用。 是一种非常有意义的实验设计和应用探讨。需要说明的是，实验原理图中将数字信号直接用直插式开关接入（P2、P3）,可以手动调节输入信号，既可以是直流也可以是交流信号。（三）实验仪器设备列表1，信号发生器 一台2，示波器 一台3，直流电源 5V、 15V、 -15V 一组4，镊子 一把5，数字万用表 一台（四）实验操作要求1，检查电路是否完整，初始化数字输入端为“11111111”。实验首先将信号输入Rfb 端接零电平，然后在1,128,256 三点不同增益下，分别进行物理调零。采 用数字万用表作为测量工具，使得三点的零电位误差在 0.1%之内。2，选定一个放大倍数（推荐 4、 8、 16），分直流、交流两种信号调节输入 Rfb 端电平的幅值（即做两组实验），用示波器观察输入信号幅值在哪些范围内可 以得到较为精确的输出信号。3, 选定一个固定的输入幅值（推荐10mV、100mV、lOOOmV）,类似2的实验 思路，找出可以准确放大的倍数范围。4, 总结实验规律，找出DACO832/O83O用于PGA的适用幅值、倍数范围。注意事项：在输入电压信号端口，接入“0”时应注意不要直接悬空，应规范的接地。（五）实验报告要求1，列表记录实验操作要求 2、3 的实验数据，找出实验要求的范围。表格模版：1、直流输入Uin输入幅值mV理论输出实验输出Uout2、交流输入Uin输入幅值mV理论输出实验输出Uout直流输入幅值Uin:mV放大倍数1248163264128理论输出实验输出Uout交流输入幅值Uin:mV放大倍数1248163264128理论输出实验输出Uout2，总结实验规律，概括 DAC0832 用于 PGA 时的适用范围。5. 实验四 集成锁相环的频率合成(一) 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。(二) 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0振荡，设压 控振荡器的输出信号为u (t)二u cos + Q (t)。如果把输入信号00 m0 0u (t)二u sinw t + Q (t)接入锁相环路，则加到鉴相器的两个信号u (t)和u (t)之i1 m1 1 i 0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U屮正比于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 Q 表示， Q 反映了环路跟踪的精度。由于受到各种噪音的干扰 Q 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|Ae|=|e-e|称为捕捉带，用0 max10 maxp表示。即A =|Ae|=网-wp0 max10 max若固有频率差（w -w ）Aw，环路就不能通过捕捉过程进入锁定状态。所10p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T，T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pp般情况下，输入起始误差越大， T 也越大。通常以起始频差等于 Aw 来计算最 pp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100MQ ），动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下 功耗仅为600p W，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、11、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1、11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U屮则反映出两者的相位差。U屮经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fl。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、11：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U屮为高电平；反之，Ui、Uo电平 状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），U屮输出为低电平。当Ui、Uo的 相位差g在0-180范围内变化时，U屮的脉冲宽度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：f =1min R （C + 32pF）211f =+ fmax R （C + 32pF） min11其中，10kQ R 1MQ;110kQR 1MQ;210 pF C 0.01uF1CD4022 是典型的八进制计数器/分频器。下图是其引脚排列图DECODED OUTPUTSDECODED OUTPUT 3，JVqdFtEStTCLOCKCLOCK ENABLECAflRV-OUTD ECODE DOUTPUIjrpOECODtD OUTPUT 7P-NCDECODEOflUIPUT TDECIDED OUTPUT BDECODED OUTPUT HTDtCDDlEU OUTPUT 时CD4022B DuaMn-Line Package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QOQIQ2Q7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f = Nf，分频系数N由CD4022 o1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。POPOUTTODPC 1 OUTZENERPCBINPCAINVCOOUTPC2OUTINHR2CIAR1C1E：SFOUTvssVCOINRST CLK CKENP斗123斗图四 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）。（三）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（四）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），通过分频器CD4022作8倍分频后加到鉴相 器（PD）的反馈输入端（3引脚）。按从小到大的顺序逐渐改变输入信号的频率，用示波器观察反馈信号与输入 信号的同步情况，用计数器（或者示波器）记录各点频率，找出捕捉带的大致范 围。2,观察C1改变时锁相环路中心频率的变化。将C1改为O.OluF,其他参数不变， 重复以上过程，找到新的捕捉带，并记录各点频率。（五）实验报告要求1，完成实验要求，在实验报告中制作并填写实验数据，表格样式如下：l) Cl=8l00PF,U=4V,输入频率（Hz）1020253050100150200250300输出频率（Hz）2) C1=0.01uF， U=4V，输入频率（Hz）输出频率（Hz）2，试说明实验中所使用的分频系数（8 倍）是如何通过硬件联接实现的？还有 其他的连接方式吗？试设计一种可行的连接方式，要求实现其他倍数的分频 系数（如 1 倍、5倍、10倍、64倍等）。简述实现方式。3，（扩展题）提出一种可行的改进设计（如使用多路选择器、单片机软件控制 等），实现分频系数的在线可调节。