测控电路设计

实验一 有源二阶低通滤波器的设计1、实验目的实验旨在锻练学生自行设计、调试有源二阶低通滤波器的能力，更深入地掌握巴特沃思型二阶 有源低通滤波器的设计方法，直观了解巴特沃思型低通滤波器的频率特性，加深对巴特沃思逼近方 式的理解。

2、实验内容设计一二阶无限增益多路反馈巴特沃思型有源低通滤波器，要求截止频率 f c =100Hz ，增益 A =1。

搭建并调试所设计的二阶有源低通滤波器，使电路的性能指标达到设计要求。

3、实验原理及方法二阶无限增益多路反馈巴特沃思型有源低通滤波器的电路形式见图 1.1。

主要工作是设计确定元件参数，并通过调试修正参数值直至滤波器指标达到设计要求。

设计方法如下：图 1.1 二阶无限增益多路反馈巴特沃思型有源低通滤波器的电路形式1）确定电容2C ：依据经验公式()210cC F f μ=确定电容2C 。

2）确定电容1C ：依据2214(1)C B C C A ≤+(B = 1.414214, C = 1.00000) 确定电容 C 1。

3）确定电阻2R ：2222122124(1)cBC B C CC C A R +-+=4）确定电阻R1：A R R 21=5）确定电阻R3：321221(2)R CC C f R π=在计算电阻时，应保留小数后 6 位，以确保计算的精确性，计算完成后，取最接近计算值的电 阻标称值。

4、实验仪器设备1）双路直流稳压电源；2）双踪示波器；3）信号发生器；4）41/2 位数字万用表；5）面包板。

5、实验步骤1）按设计确定的参数选择好元件，要求严格挑选元件使之尽量接近设计值。

2）按图搭建好线路。

3）调节直流稳压电源的两路输出至±15V，然后用电压表确认电压输出值为±15V；4）按下列步骤测试：（1）用信号发生器作信号源，以正弦波为输入信号，用示波器一路输入测量信号源的幅度，调节信号发生器的电压输出至1V；（2）确认线路连接无误后，接通电源；（3）用示波器另一路输入测量滤波器的输出，将结果记入表1.1；（4）根据时间差计算相位差；（5）根据所测实验结果绘出幅频特性曲线及相频特性曲线，评价所设计滤波器的性能。

6、实验结果记录表1.1 低通滤波器测试结果记录表7、实验信息处理与分析：1）根据实验记录绘出滤波器的幅频特性；2）根据滤波器输入输出波形的时间差计算出对应的相位差填入表1.1 中，根据相位差绘出滤波器的相频特性；3）根据幅频特性和相频特性评价所设计的滤波器性能。

将实验所得的幅频特性曲线和相频特性曲线与理论曲线相比较，可以发现幅频特性曲线与理论相接近，而相频特性曲线与理论相差较大。

造成这种现象的主要原因可以归结为以下几点：1、实际运放达不到理想运放的特性指标2、实际元件参数与理想元件存在差距3、连接电路时，插入引脚不到位，布线不合理，使元件之间工作时产生干扰4、信号发生器低频时难以稳定到需要的频率5、稳压电源不稳定8、思考题：1） 在设计元件参数时，为什么首先确定电容值？是否可以首先确定电阻值？因为可选的电容值有限，而不同阻值的电阻比较容易实现。

若算出的电阻值不易实现，可将所有的电阻值成衣一个常数。

电容除以相同的常数即可。

不可首先确定电阻值，如果先确定的电阻值，很难实现根据电阻值推算出来的电容值，而若选择比较接近的可选电容值，将引起较大的误差。

2）在计算时为什么要求中间结果保留小数后 6 位？中间结果还需要参与之后的数据计算，如果中间结果就已经为不精确的值，将会引起最后结果的较大误差。

为了获得较为精确的计算结果，中间结果必须保留多为来确保最后结果的精确性。

3）设计中采用的归一化系数 B 和 C 是怎样得到的？2阶巴特沃斯LFP 的传递函数的形式可以写为222cs )(cC C B s AC s H ωωω++=，式中，B和C 是归一化系数（1c =ω），对照1)(2++=Bs s As H 有414214.14sin 2221-12sin 2≈=⨯⨯=ππ）（B ，C=1。

4）如果要设计指标相同的高通滤波器，电路形式应作何改动？R2改为电容，C1改为电阻，R1,R3改为电容，C2改为电阻5）设计指标相同的四阶无限增益多路反馈巴特沃思型有源低通滤波器，给出电路图并设计参数。

4阶滤波器由2个2阶滤波器串联而成，4阶巴特沃斯LFP 的传递函数的形式可以写为•++=21122c11s )(cC C B s C A s H ωωω22222c22s cC C B s C A ωωω++，式中，1A ,2A ,1B ,2B ,1C 和2C 是归一化系数，有1A =2A =1，1B =2sin013708.08≈π，2B =2sin041120.083≈π，C =1C =2C =1。

根据经验公式选定电容2C =4C =c f 10F F μμ1.0=,由1C pF A C C B 348866.2)1(41221=+≤,)1(424223A C C B C +≤选定pF C pF C 20,231==,根据上述2阶滤波器的参数公式可得:，MΩ=556248.72R 取MΩ==5.721R R MΩ=MΩ=5.1676116.133R R ， ，MΩ=015369.26R 取MΩ==265R R MΩ=633257.07R ,取Ω=k R 6307取MΩ==184R R实验二 多谐振荡器功能及指标的测试1、实验目的实验旨在使学生进一步了解基于电容充放电原理及比较器的多谐振荡器的工作原理及一般构成原则。

通过分析实验电路及实验操作，掌握积分器、比较器的工作原理，在此基础上掌握积分器及比较器在多谐振荡器中的应用，从中学习信号发生器的设计思想及工作原理。

2、实验内容分析所提供实验电路的工作原理及设计思路，搭建并调试实验电路，测试电路中规定测试点的波形，验证理论输出波形是否与实际相符；根据电路参数计算输出信号的频率值，测量输出信号的频率，验证理论值与实测值是否相符。

3、实验原理及方法实验电路如图2.1 所示，电路的工作原理为：设初始状态V o＝“1”，此时通过R3 向电容C1 充电，当C1 充电至使V－的电位与V＋相等时，比较器LM111 翻转，V o＝“0”＝V OL，比较电平随之下降。

而后电容C1 开始放电，V－的电位逐步下降，当V－下降至比较电平时，LM111 翻转，V o＝“1”＝V OH，这一过程周而复始，V o 即为方波。

方波的频率与时间常数R3C1，比较器的输出电平及R1，R2 和R4 的阻值有关。

定量分析要求学生自行完成。

图2.1 多谐振荡器实验电路4、实验仪器设备（1）三路直流稳压电源（2）双踪示波器（3）41/2 位数字万用表（4）面包板。

5、实验步骤1）根据提供的元件参数选择好采用的元器件。

2）按提供的实验电路图搭建好线路；3）采用三路直流稳压电源中的5V 电源为供电电源，用电压表确认电压输出值为5V；4）确认线路连接无误后，接通电源；5）按下列步骤测试：（1）测试比较器反相端和输出端的波形；（2）测试两个波形V—和V o 的幅度；（3）测试两个波形的频率，将测试值与理论计算值比对，验证数值的精确性。

6）将电阻R3 换成100k的电位器，调节电位器观察输出波形的频率变化情况，记录下频率的变化范围。

7）用 6个不同阻值的电阻 R 3（1Ω、10Ω、100Ω、1k Ω、10k Ω、100k Ω）分别接入电路中，测试输出频率。

6、实验结果记录（1）当电路参数如图 3.1 所示，记录比较器反相端和输出端的波形及输出信号频率。

（2）将电阻 R 3 换成 100k 的电位器，调节电位器观察输出波形的频率变化情况，记录下频率的变化范围。

调节量程为100k 的电位器，输出的波形频率变化范围为831.6kHz-1.435MH z（3）用 6个不同阻值的电阻 R 3 分别接入电路中，测试输出频率，并将结果填入表 2.1 中。

表 2.1 不同 R阻值下的输出频率7、实验信息处理与分析根据输出频率公式，求出在对应 R 3 情况下的输出频率值，将实验记录结果与理论值进行比较， 分析存在误差的原因。

随着电阻值的增大，输出频率减少。

8、思考题1）若要调节输出波形的频率应怎样改动电路？改变时间常数RC ，即改变电阻R3与电容C1的值2）若要调节输出波形的幅度应怎样改动电路？改变比较电平即可，其中影响比较电平的有R1,R2,R4，可将其中一个或几个改为电位器。

3）定量推导出输出频率的表达式。

由13C R =τ,充电时间OH OL V V InT --=551τ，放电时间OLOHV V In T --=002τ，综上得)0055(1321OLOHOHOL V V In V V InC R T T T --+--=+=，得输出频率为)0055(1113OLOH OH OL V V In V V In C R T f --+--==实验三 仪用放大器的设计1、实验目的通过实验牢固掌握三运放仪用放大器的构成和工作原理，学习根据设计要求设计并调试三运放 结构仪用放大器，成功设计制作符合设计要求的三运放结构仪用放大器。

通过设计制作加深对相关 基础理论知识的理解，为今后实际设计、应用打下坚实的基础。

2、实验内容设计制作一三运放结构的仪用放大器，要求放大器的差模增益为 100 倍以内可调节，共模抑制 比大于 70dB 。

3、实验原理及方法要求设计的三运放结构仪用放大器的参考电路如图 3.1 所示。

实验的主要工作是选择集成运放 的型号，设计确定元件参数，搭建电路，测试差模增益和共模抑制比。

集成运放的选型依据各级电 路对运放的要求进行，主要原则是一方面使电路的共模抑制比为最佳值，另一方面使电路的失调、 漂移误差最小。

图 3.1 三运放结构仪用放大器参考电路电路的第一级差模增益为21012121o o F in in w wV V R A V V a R -==+-()3.1电路的第二级增益为 2F F fR A R =()3.2电路的总差模增益为 0122(1)FF F F w w fR R A A A a R R ==+()3.3差模增益的测试方法是直接在电路的输入施加差模信号，测量电路的输出电压，两者的比值即是差模增益。

电路的共模抑制比的计算公式为13121312F F A CMRR CMRR CMRR A CMRR CMRR ⨯⨯=⨯+()3.4测试方法是直接在电路的输入施加共模信号，测量电路的输出电压，两者的比值即是共模增益 A FC ，电路的共模抑制比为20lgFFCA CMRR A =()3.54、实验仪器设备1）双路直流稳压电源2）双踪示波器 3）信号发生器 4）41/2 位数字万用表 5）面包板5、实验步骤1）根据参考电路及电路设计原则选择确定集成运算放大器 A 1、A 2、A 3 的型号。