计算机科学技术《模拟电路实验讲义》.docx
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计算机科学技术《模拟电路实验讲义》
实验一 常用电子仪器的使用
一、实验目的
1、学习电子电路实验中常用的电子仪器——示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、交流毫伏表、频率计等的主要技术指标、性能及正确使用方法。
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2、初步掌握用双踪示波器观察正弦信号波形和读取波形参数的方法。
二、实验原理
在模拟电子电路实验中,经常使用的电子仪器有示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、交流毫伏表及频率计等。
它们和万用电表一起,可以完成对模拟电子电路的静态和动态工作情况的测试。
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实验中要对各种电子仪器进行综合使用,可按照信号流向,以连线简捷,调节顺手,观察与读数方便等原则进行合理布局,各仪器与被测实验装置之间的布局与连接如图1-1所示。
接线时应注意,为防止外界干扰,各仪器的共公接地端应连接在一起,称共地。
信号源和交流毫伏表的引线通常用屏蔽线或专用电缆线,示波器接线使用专用电缆线,直流电源的接线用普通导线。
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图1-1模拟电子电路中常用电子仪器布局图
1、示波器
示波器是一种用途很广的电子测量仪器,它既能直接显示电信号的波形,又能对电信号进行各种参数的测量。
现着重指出下列几点:
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1)、寻找扫描光迹
将示波器Y轴显示方式置“Y1”或“Y2”,输入耦合方式置“GND”,开机预热后,若在显示屏上不出现光点和扫描基线,可按下列操作去找到扫描线:
①适当调节亮度旋钮。
②触发方式开关置“自动”。
③适当调节垂直
<
)、水平<
)“位移”旋钮,使扫描光迹位于屏幕中央。
<若示波器设有“寻迹”按键,可按下“寻迹”按键,判断光迹偏移基线的方向。
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2)、双踪示波器一般有五种显示方式,即“Y1”、“Y2”、“Y1+Y2”三种单
踪显示方式和“交替”“断续”二种双踪显示方式。
“交替”显示一般适宜于输入信号频率较高时使用。
“断续”显示一般适宜于输入信号频率较底时使用。
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3)、为了显示稳定的被测信号波形,“触发源选择”开关一般选为“内”触发,使扫描触发信号取自示波器内部的Y通道。
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4)、触发方式开关通常先置于“自动”调出波形后,若被显示的波形不稳定,可置触发方式开关于“常态”,通过调节“触发电平”旋钮找到合适的触发电压,使被测试的波形稳定地显示在示波器屏幕上。
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有时,由于选择了较慢的扫描速率,显示屏上将会出现闪烁的光迹,但被
测信号的波形不在X轴方向左右移动,这样的现象仍属于稳定显示。
5)、适当调节“扫描速率”开关及“Y轴灵敏度”开关使屏幕上显示
一~二个周期的被测信号波形。
在测量幅值时,应注意将“Y轴灵敏度微调”旋钮置于“校准”位置,即顺时针旋到底,且听到关的声音。
在测量周期时,应注意将“X轴扫速微调”旋钮置于“校准”位置,即顺时针旋到底,且听到关的声音。
还要注意“扩展”旋钮的位置。
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根据被测波形在屏幕坐标刻度上垂直方向所占的格数
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根据被测信号波形一个周期在屏幕坐标刻度水平方向所占的格数
cm)与“扫速”开关指示值 2、函数信号发生器 函数信号发生器按需要输出正弦波、方波、三角波三种信号波形。 输出电压最大可达20VP-P。 通过输出衰减开关和输出幅度调节旋钮,可使输出电压在毫伏级到伏级范围内连续调节。 函数信号发生器的输出信号频率可以通过频率分档开关进行调节。 rqyn14ZNXI 函数信号发生器作为信号源,它的输出端不允许短路。 3、交流毫伏表 交流毫伏表只能在其工作频率范围之内,用来测量正弦交流电压的有效值。 为了防止过载而损坏,测量前一般先把量程开关置于量程较大位置上,然EmxvxOtOco 后在测量中逐档减小量程。 三、实验设备与器件 1、函数信号发生器2、双踪示波器 3、交流毫伏表 四、实验内容 1、用机内校正信号对示波器进行自检。 1>扫描基线调节 将示波器的显示方式开关置于“单踪”显示 开启电源开关后,调节“辉度”、“聚焦”、“辅助聚焦”等旋钮,使荧光屏上显示一条细而且亮度适中的扫描基线。 然后调节“X轴位移”< )和“Y轴位移”( >旋钮,使扫描线位于屏幕中央,并且能上下左右移动自如。 SixE2yXPq5 2)测试“校正信号”波形的幅度、频率 将示波器的“校正信号”通过专用电缆线引入选定的Y通道 调节X轴“扫描速率”开关 6ewMyirQFL a.校准“校正信号”幅度 将“y轴灵敏度微调”旋钮置“校准”位置,“y轴灵敏度”开关置适当位置,读取校正信号幅度,记入表1-1。 kavU42VRUs 表1-1 标准值 实测值 幅度 Up-p(V> 频率 f(KHz> 上升沿时间 μS 下降沿时间 μS 注: 不同型号示波器标准值有所不同,请按所使用示波器将标准值填入表格中。 b.校准“校正信号”频率 将“扫速微调”旋钮置“校准”位置,“扫速”开关置适当位置,读取校正信号周期,记入表1-1。 c.测量“校正信号”的上升时间和下降时间 调节“y轴灵敏度”开关及微调旋钮,并移动波形,使方波波形在垂直方向上正好占据中心轴上,且上、下对称,便于阅读。 通过扫速开关逐级提高扫描速度,使波形在X轴方向扩展<必要时可以利用“扫速扩展”开关将波形再扩展10倍),并同时调节触发电平旋钮,从显示屏上清楚的读出上升时间和下降时间,记入表1-1。 y6v3ALoS89 2、用示波器和交流毫伏表测量信号参数 调节函数信号发生器有关旋钮,使输出频率分别为100Hz、1KHz、10KHz、100KHz,有效值均为1V<交流毫伏表测量值)的正弦波信号。 M2ub6vSTnP 改变示波器“扫速”开关及“Y轴灵敏度”开关等位置,测量信号源输出电压频率及峰峰值,记入表1-2。 表1-2 信号电压频率 示波器测量值 信号电压 毫伏表读数 示波器测量值 周期 频率 峰峰值 有效值 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 3、测量两波形间相位差 1>观察双踪显示波形“交替”与“断续”两种显示方式的特点 Y1、Y2均不加输入信号,输入耦合方式置“GND”,扫速开关置扫速较低挡位<如0.5s/div挡)和扫速较高挡位<如5μS/div挡),把显示方式开关分别置“交替”和“断续”位置,观察两条扫描基线的显示特点,记录之。 0YujCfmUCw 2>用双踪显示测量两波形间相位差 ① 按图1-2连接实验电路,将函数信号发生器的输出电压调至频率为1KHz,幅值为2V的正弦波,经RC移相网络获得频率相同但相位不同的两路信号ui和uR,分别加到双踪示波器的Y1和Y2输入端。 eUts8ZQVRd 为便于稳定波形,比较两波形相位差,应使内触发信号取自被设定作为测量基准的一路信号。 图1-2两波形间相位差测量电路 ②把显示方式开关置“交替”挡位,将Y1和Y2输入耦合方式开关置“⊥”挡位,调节Y1、Y2的< )移位旋钮,使两条扫描基线重合。 sQsAEJkW5T ③将Y1、Y2输入耦合方式开关置“AC”挡位,调节触发电平、扫速开关及Y1、Y2灵敏度开关位置,使在荧屏上显示出易于观察的两个相位不同的正弦波形ui及uR,如图1-3所示。 根据两波形在水平方向差距X,及信号周期XT,则可求得两波形相位差。 GMsIasNXkA 图1-3双踪示波器显示两相位不同的正弦波 式中: XT——一周期所占格数 X——两波形在X轴方向差距格数 记录两波形相位差于表1-3。 表1-3 一周期格数 两波形 X轴差距格数 相位差 实测值 计算值 XT= X= θ= θ= 为数读和计算方便,可适当调节扫速开关及微调旋钮,使波形一周期占整数格。 五、实验总结 1、整理实验数据,并进行分析。 2、问题讨论 1)如何操纵示波器有关旋钮,以便从示波器显示屏上观察到稳定、清晰的波形? 2> 用双踪显示波形,并要求比较相位时,为在显示屏上得到稳定波形,应怎样选择下列开关的位置? a>显示方式选择 b> 触发方式<常态;自动) c> 触发源选择<内;外) d)内触发源选择 3、函数信号发生器有哪几种输出波形? 它的输出端能否短接,如用屏蔽 线作为输出引线,则屏蔽层一端应该接在哪个接线柱上? 4、交流毫伏表是用来测量正弦波电压还是非正弦波电压? 它的表头指示 值是被测信号的什么数值? 它是否可以用来测量直流电压的大小? 六、预习要求 1、阅读实验附录中有关示波器部分内容。 2、已知C=0.1μf、R=1K,计算图1-2RC移相网络的阻抗角θ。 实验二 晶体管共射极单管放大器 一、实验目的 1、学会放大器静态工作点的调试方法,分析静态工作点对放大器性能的影响。 2、掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。 3、熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。 二、实验原理 图2-1为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图。 它的偏置电路采用RB1和RB2组成的分压电路,并在发射极中接有电阻RE,以稳定放大器的静态工作点。 当在放大器的输入端加入输入信号ui后,在放大器的输出端便可得到一个与ui相位相反,幅值被放大了的输出信号u0,从而实现了电压放大。 TIrRGchYzg 图2-1共射极单管放大器实验电路 在图2-1电路中,当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于晶体管T的 基极电流IB时<一般5~10倍),则它的静态工作点可用下式估算 UCE=UCC-IC 电压放大倍数 输入电阻 Ri=RB1//RB2//rbe 输出电阻 RO≈RC 由于电子器件性能的分散性比较大,因此在设计和制作晶体管放大电路时,离不开测量和调试技术。 在设计前应测量所用元器件的参数,为电路设计提供必要的依据,在完成设计和装配以后,还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。 一个优质放大器,必定是理论设计与实验调整相结合的产物。 因此,除了学习放大器的理论知识和设计方法外,还必须掌握必要的测量和调试技术。 7EqZcWLZNX 放大器的测量和调试一般包括: 放大器静态工作点的测量与调试,消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。 lzq7IGf02E 1、放大器静态工作点的测量与调试 1> 静态工作点的测量 测量放大器的静态工作点,应在输入信号ui=0的情况下进行,即将放大器输入端与地端短接,然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表,分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。 一般实验中,为了避免断开集电极,所以采用测量电压UE或UC,然后算出IC的方法,例如,只要测出UE,即可用zvpgeqJ1hk 算出IC<也可根据 ,由UC确定IC), 同时也能算出UBE=UB-UE,UCE=UC-UE。 为了减小误差,提高测量精度,应选用内阻较高的直流电压表。 2> 静态工作点的调试 放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流IC<或UCE)的调整与测试。 静态工作点是否合适,对放大器的性能和输出波形都有很大影响。 如工作点偏高,放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真,此时uO的负半周将被削底,如图2-2(a>所示;如工作点偏低则易产生截止失真,即uO的正半周被缩顶<一般截止失真不如饱和失真明显),如图2-2(b>所示。 这些情况都不符合不失真放大的要求。 所以在选定工作点以后还必须进行动态调试,即在放大器的输入端加入一定的输入电压ui,检查输出电压uO的大小和波形是否满足要求。 如不满足,则应调节静态工作点的位置。 NrpoJac3v1 (a>(b> 图2-2静态工作点对uO波形失真的影响 改变电路参数UCC、RC、RB 但通常多采用调节偏置电阻RB2的方法来改变静态工作点,如减小RB2,则可使静态工作点提高等。 1nowfTG4KI 图2-3电路参数对静态工作点的影响 最后还要说明的是,上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的,应该是相对信号的幅度而言,如输入信号幅度很小,即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。 所以确切地说,产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。 如需满足较大信号幅度的要求,静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。 fjnFLDa5Zo 2、放大器动态指标测试 放大器动态指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压<动态范围)和通频带等。 1> 电压放大倍数AV的测量 调整放大器到合适的静态工作点,然后加入输入电压ui,在输出电压uO不失真的情况下,用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和UO,则tfnNhnE6e5 2> 输入电阻Ri的测量 为了测量放大器的输入电阻,按图2-4电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R,在放大器正常工作的情况下,用交流毫伏表测出US和Ui,则根据输入电阻的定义可得HbmVN777sL 图2-4输入、输出电阻测量电路 测量时应注意下列几点: ①由于电阻R两端没有电路公共接地点,所以测量R两端电压UR时必须分别测出US和Ui,然后按UR=US-Ui求出UR值。 V7l4jRB8Hs ②电阻R的值不宜取得过大或过小,以免产生较大的测量误差,通常取R与Ri为同一数量级为好,本实验可取R=1~2KΩ。 83lcPA59W9 3> 输出电阻R0的测量 按图2-4电路,在放大器正常工作条件下,测出输出端不接负载RL的输出电压UO和接入负载后的输出电压UL,根据mZkklkzaaP 即可求出 在测试中应注意,必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。 4> 最大不失真输出电压UOPP的测量<最大动态范围) 如上所述,为了得到最大动态范围,应将静态工作点调在交流负载线的中点。 为此在放大器正常工作情况下,逐步增大输入信号的幅度,并同时调节RW<改变静态工作点),用示波器观察uO,当输出波形同时出现削底和缩顶现象<如图2-5)时,说明静态工作点已调在交流负载线的中点。 然后反复调整输入信号,使波形输出幅度最大,且无明显失真时,用交流毫伏表测出UO<有效值),则动态范围等于 。 或用示波器直接读出UOPP来。 AVktR43bpw 图2-5静态工作点正常,输入信号太大引起的失真 5> 放大器幅频特性的测量 放大器的幅频特性是指放大器的电压放大倍数AU与输入信号频率f之间的关系曲线。 单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图2-6所示,Aum为中频电压放大倍数,通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的 倍,即0.707Aum所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH,则通频带 fBW=fH-fLORjBnOwcEd 放大器的幅率特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数AU。 为此,可采用前述测AU的方法,每改变一个信号频率,测量其相应的电压放大倍数,测量时应注意取点要恰当,在低频段与高频段应多测几点,在中频段可以少测几点。 此外,在改变频率时,要保持输入信号的幅度不变,且输出波形不得失真。 2MiJTy0dTT 6> 干扰和自激振荡的消除 参考实验附录 3DG9011(NPN> 3CG9012(PNP> 9013(NPN> 图2-6幅频特性曲线图2-7晶体三极管管脚排列 三、实验设备与器件 1、+12V直流电源 2、函数信号发生器 3、双踪示波器 4、交流毫伏表 5、直流电压表6、直流毫安表 7、频率计 8、万用电表 9、晶体三极管3DG6×1(β=50~100>或9011×1<管脚排列如图2-7所示) 电阻器、电容器若干 四、实验内容 实验电路如图2-1所示。 各电子仪器可按实验一中图1-1所示方式连接,为防止干扰,各仪器的公共端必须连在一起,同时信号源、交流毫伏表和示波器的引线应采用专用电缆线或屏蔽线,如使用屏蔽线,则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。 gIiSpiue7A 1、调试静态工作点 接通直流电源前,先将RW调至最大,函数信号发生器输出旋钮旋至零。 接通+12V电源、调节RW,使IC=2.0mA<即UE=2.0V),用直流电压表测量UB、UE、UC及用万用电表测量RB2值。 记入表2-1。 uEh0U1Yfmh 表2-1IC=2mA 测量值 计算值 UB UE UC RB2 UBE UCE IC 2、测量电压放大倍数 在放大器输入端加入频率为1KHz的正弦信号uS,调节函数信号发生器的输出旋钮使放大器输入电压Ui 10mV,同时用示波器观察放大器输出电压uO波形,在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述三种情况下的UO值,并用双踪示波器观察uO和ui的相位关系,记入表2-2。 IAg9qLsgBX 表2-2Ic=2.0mAUi=mV RC RL(KΩ> Uo(V> AV 观察记录一组uO和u1波形 2.4 ∞ 1.2 ∞ 2.4 2.4 3、观察静态工作点对电压放大倍数的影响 置RC=2.4KΩ,RL=∞,Ui适量,调节RW,用示波器监视输出电压波形,在uO不失真的条件下,测量数组IC和UO值,记入表2-3。 WwghWvVhPE 表2-3 RC=2.4KΩRL=∞Ui= mV IC(mA> 2.0 UO(V> AV 测量IC时,要先将信号源输出旋钮旋至零<即使Ui=0)。 4、观察静态工作点对输出波形失真的影响 置RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,ui=0,调节RW使IC=2.0mA,测出UCE值,再逐步加大输入信号,使输出电压u0足够大但不失真。 然后保持输入信号不变,分别增大和减小RW,使波形出现失真,绘出u0的波形,并测出失真情况下的IC和UCE值,记入表2-4中。 每次测IC和UCE值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。 asfpsfpi4k 表2-4RC=2.4KΩRL=∞Ui= mV IC(mA> UCE(V> u0波形 失真情况 管子工作状态 2.0 5、测量最大不失真输出电压 置RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,按照实验原理2.4>中所述方法,同时调节输入信号的幅度和电位器RW,用示波器和交流毫伏表测量UOPP及UO值,记入表2-5。 ooeyYZTjj1 表2-5RC=2.4KRL=2.4K IC(mA> Uim(mV> Uom(V> UOPP(V> *6、测量输入电阻和输出电阻 置RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,IC=2.0mA。 输入f=1KHz的正弦信号,在输出电压uo不失真的情况下,用交流毫伏表测出US,Ui和UL记入表2-6。 BkeGuInkxI 保持US不变,断开RL,测量输出电压Uo,记入表2-6。 表2-6 Ic=2mARc=2.4KΩRL=2.4KΩ US (mv> Ui (mv> Ri UL UO R0 测量值 计算值 测量值 计算值 *7、测量幅频特性曲线 取IC=2.0mA,RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ。 保持输入信号ui的幅度不变,改变信号源频率f,逐点测出相应的输出电压UO,记入表2-7。 PgdO0sRlMo 表2-7Ui=mV flfofn f UO AV=UO/Ui 为了信号源频率f取值合适,可先粗测一下,找出中频范围,然后再仔细读数。 说明: 本实验内容较多,其中6、7可作为选作内容。 五、实验总结 1、列表整理测量结果,并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻之值与理论计算值比较<取一组数据进行比较),分析产生误差原因。 3cdXwckm15 2、总结RC,RL及静态工作点对放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的影响。 3、讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。 4、分析讨论在调试过程中出现的问题。 六、预习要求 1、阅读教材中有关单管放大电路的内容并估算实验电路的性能指标。 假设: 3DG6的β=100,RB1=20KΩ,RB2=60KΩ,RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ。 h8c52WOngM 估算放大器的静态工作点,电压放大倍数AV,输入电阻Ri和输出电阻RO 2、阅读实验附录中有关放大器干扰和自激振荡消除内容。 3、能否用直流电压表直接测量晶体管的UBE? 为什么实验中要采用测UB、UE,再间接算出UBE的方法? v4bdyGious 4、怎样测量RB2阻值? 5、当调节偏置电阻RB2,使放大器输出波形出现饱和或截止失真时,晶体管的管压降UCE怎样变化? 6、改变静态工作点对放大器的输入电阻Ri有否影响? 改变外接电阻RL对输出电阻RO有否影响? 7、在测试AV,Ri和RO时怎样选择输入信号的大小和频率? 为什么信号频率一般选1KHz,而不选100KHz或更高? 注: 附图2-1所示为共射极单管放大器与带有负反馈的两级放大器共用实验模块。 如将K1、K2断开,则前级<Ⅰ)为典型电阻分压式单管放大器;如将K1、K2接通,则前级<Ⅰ)与后级<Ⅱ)接通,组成带有电压串联负反馈两级放大器。 J0bm4qMpJ9 附图2-1 实验三 RC正弦波振荡器 一、实验目的 1、进一步学习RC正弦波振荡器的组成及其振荡条件 2、学会测量、调试振荡器 二、实验原理 从结构上看,正弦波振荡器是没有输入信号的,带选频网络的正反馈放大器。 若用R、C元件组成选频网络,就称为RC振荡器,一般用来产生1Hz~1MHz的低频信号。 XVauA9grYP 1、RC移相振荡器 电路型式如图7-1所示,选择R>>Ri。 图7-1RC移相振荡器原理图 振荡频率 起振条件放
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