嵌入式实验手册完整 3.docx
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嵌入式实验手册完整3
实验手册
实验1传感器认知与测试实验
1.1实验目的
了解和熟悉差动变压器式位移传感器的工作原理及其技术指标。
1.2实验要求
1、了解FT81位移传感器的工作原理与特性;
2、测量并记录位移传感器的移动距离与输出电压;
3、画出Uo—X曲线,根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点。
1.3实验原理
1.3.1基本原理
传感器的结构原理如图5-1所示。
其中由三个固定绕组和一个活动铁心,而固定绕组的布置形式有两种:
图5-1(a)是将初级绕组绕在中间,每个次级绕组分别绕在两端;图5-1(b)是将初级绕组绕在两个磁极绕组的外面。
他们的电路原理图均可由图5-1(c)表示。
图1-1差动变压器式位移传感器
(a)初级绕组在中间;(b)初级绕组在外面;(c)电路原理图
当初级绕组通以交流电时,两个次级绕组均有感应电动势产生。
现将两个次级绕组引线的首端分别引出,两个末端接在一起。
当铁心置于两个次级绕组中间时对称位置时,则两个次级绕组(W1,W2)所产生的感应电动势之差为零。
如果铁心向第一次级绕组W1方向移动,则W1的感应电动势增加,而W2的感应电动势相应地减小,它们的瞬时值方向相同,但大小不同,其差值就是传感器的输出,并且动铁心位移方向不同,还有不同的极性的显示。
传感器的输出电势
(5-1)
式中,U1——W1的感应电动势;
U2——W2的感应电动势。
如果铁心向W2移动时,则有
(5-2)
1.3.2测量电路
图5-2所示差动变压器式位移传感器的测量电路。
这是属于半波解调测量电路。
在其初级绕组W0上不需加400Hz的激磁电压,并要求其幅值及频率恒稳不变,否则将引入测量误差。
图1-2半波解调测量电路
另一种测量电路为全波解调电路,并且还包括了提供初级绕组激磁电压,如图5-3所示。
图1-3全波解调测量电路
1.3.3FT81位移传感器
FT81位移传感器是采用差动变压器(LVDT)原理,传感器内的专用电路产生音频电压为LVDT励磁,同时将LVDT的二次电压解调、滤波成与位移量成线性关系的直流缓变信号后输出。
用户使用时只需提供直流稳定电压,即可获得直流电压输出。
如图5-4所示为FT81位移传感器外形与接线图。
图1-4FT81位移传感器外形与接线图
◆主要技术条件:
供电电压:
直流6~12V
环境温度:
0~+60℃
温度系数:
零点≤0.008%/℃量程≤0.02%/℃
纹波系数:
≤30mV(r.m.s.)
引出电缆:
SBVPV/4x0.3屏蔽电缆2~3米最大外径6.5mm
1.4实验步骤
1)按如图5-6所以连接电源,电源选择直流6-12V;
2)将位移传感器输出端连接至万用表电压档;
3)测量方法:
如图5-5示用两把尺子推动传感器的可移动芯,测量可移动芯的长度X
图1-5测量方法图示(黑色粗线为尺子)
4)寻找零点:
将位移传感器的可移动芯从最外缓慢推移到顶,观察万用表读数,记录当输出电压为零的点,用直尺测量可移动芯的长度X
,即传感器位移为零的点;
5)测量位移与输出电压
将传感器的可移动芯由外往内缓慢的推动,一次测量不同点的位移与输出电压,并将结果记录在表格中。
多次重复步骤(3)、(4);
6)作出Uo—ΔX曲线,并运用最小二乘法分析实验结果,计算传感器的拟合系数。
1.5实验结果
1、FT81位移传感器实验结果
X=aU+ba=b=
组别
位移ΔX(mm)
Uo(V)
组别
位移ΔX(mm)
Uo(V)
1
11
2
12
3
13
4
14
5
15
6
16
7
17
8
18
9
19
10
20
实验2实验板认识
2.1实验板介绍
网络测控的实验二、三、四在如图2-1所示的多功能信号调理实验板上完成。
该实验板包括了放大部分,滤波部分及数据采集部分三大部分功能。
其中放大部分由同相放大、反相放大、多级放大及仪用放大四部分组成;滤波部分由低通滤波、高通滤波、带通滤波及带阻滤波四部分组成,并且该滤波部分还包括了信号源的产生及信号的叠加,送给下一级滤波电路进行滤波;数据采集部分包括了数字量输入、数字量输出、模拟量输入及模拟量输出。
实验板实物图及主要导线的连接如图2-1所示:
图2-1多功能信号调理实验板
2.2电源、信号发生器和示波器的使用
1)电源使用:
见附录
Ø电源的结构及面板认识
Ø电源的输出及调节
Ø电源使用注意事项
2)示波器使用:
见附录
Ø示波器的结构及面板认识
Ø示波器的调节
Ø示波器的使用注意事项
3)信号发生器的使用:
见附录
Ø信号发生器的结构及面板认识
Ø信号发生器的输出及复制频率波形的调节
Ø信号发生器的使用注意事项
2.3实验板的电源连接
实验板电源需要+12V,-12V,+5V,学生电源有一个固定的+5V输出,以及两个可调的正电源输出端,因此可按如下步骤进行电源连接:
1)将电源上的控制开关分别设置为按下和弹起,即设置两个可调电源为串联方式(SERIES),如图1-3所示:
图2-2电源串联方式
若接中间为地,则上下两端的电压为+12V和-12V,如图1-3所示:
图2-3电源连接图
2)接电源到实验板上:
将学生电源关闭,将实验板上的电源开关设为关闭状态,即开关拨向右边,按如下图1-4所示连接电源:
图2-4电源连接示意图
3)打开学生电源:
按下“POWER”键,给学生电源供电,此时只有最右边的“CH3”通道输出“+5”的电压,CH1和CH2通道没有输出;再按下“OUTPUT”键,CH1,CH2会输出相应设置的电压。
4)检测实验板电源:
用万用表测量实验板上各电源端与地端的电源是否正确,若有错误,请重复上述步骤,不要打开实验板上电源的开关,以免损坏实验板上其它器件。
若检查正确,依次打开电源开关,若对应的电源指示灯亮,关闭实验板上的电源开关,进行下一步实验。
注意:
●在下面的实验中,电源连线不变;
●在每一个实验结束时,关闭电源开关,再进行下一个实验;
●在下面的实验中,若要查找对应端子的地线如图1-1中所示实验板中所示;
实验3信号放大实验
3.1实验目的
学习放大器的工作原理及其技术指标,熟悉常用的几种放大器的设计和使用。
3.2实验要求
1、设计同相放大器,观察信号变化。
2、设计反相放大器,观察信号变化。
3、设计多级放大器,观察信号变化。
4、设计仪用放大器,观察信号变化。
3.3实验原理
3.3.1放大部分实物图:
图2-1放大部分实物图
3.3.2实验原理
1、同相放大:
图2-2同相放大原理图
同相放大器具有较大的输入阻抗。
其原理图如上图所示,理想增益为:
本实验中选取R1为1K,Rf为5K可调电阻。
这样,可算得该同相放大电路的放大增益为1~6倍。
2、反相放大
图2-3单级反相放大原理图
反相放大器的基本电路图如上图所示,理想状态下,反相放大器是一个比例放大器,闭环增益为:
本实验中选取R1为1K,Rf为5K可调电阻。
这样,可算得该反相放大电路的放大增益为:
接近0~5倍。
3、多级放大
图2-4多级放大原理图
多级放大器的基本电路图如上图所示,理想增益为:
通常R2,R3和R4为给定值,R1用可变电阻代替,调节R1的值,即可改变电压增益。
本实验中选取R2,R3和R4均为1K,选取R1为总阻值是200Ω的电位器。
可算得,本实验板中多级放大的增益范围为:
1~11倍。
4、仪用放大
图2-5仪用放大原理图
本实验板的仪用放大部分采用的是精密仪表放大器AD620芯片。
输入信号接入的是由一组贴在有机玻璃上的应变片构成,其中一片是横着贴,起到温度补偿的作用,另一片是竖着贴,是在有压力作用时真正产生形变而使电桥不平衡,产生压差的信号源,这两个应变片的总阻值均为1K。
AD620的基本特点是精确度高、使用简易、低噪声,并且只需一个电阻即可设定增益范围1~1000倍。
AD620的放大增益关系式为:
Af=1+49.4K/AMP
其中Af为放大倍数,AMP为该增益对应的电阻值。
3.4实验步骤
注意事项:
信号发生器和示波器的红色为正端,黑色为负端;实验板的正负端在板子上已注明。
仪用放大的输入是接入由应变片构成的电桥电路,然后通过仪用放大电路对信号进行放大。
3.4.1同相放大
1)电源选择:
闭合实验板中电源部分三个开关中的左边和中间开关即可,即选择+12V,-12V电源;
2)设置输入信号:
用信号发生器产生任意频率和幅度的正弦信号(由于实验限制,幅值不能过大,否则会出现失真现象);
信号发生器基本用法:
波形设置:
常用波形的选择:
按下信号发生器【shift】键后再按下波形键,可以选择正弦波、方波、三角波、升锯齿波、脉冲波五种常用波形。
同时波形显示区显示相应的波形符号。
例如:
选择方波,按键顺序如下:
【shift】【方波】
调节信号幅度:
按【幅度】键,显示出当前幅度值。
可用数据键或调节旋钮输入幅度值,这时仪器输出端口即有该幅度的信号输出。
例如:
设定幅度值峰峰值4.6V,按键顺序如下:
【幅度】【4】【●】【6】【Vpp】(可以用调节旋钮输入)
对于“正弦”、“方波”、“三角”、“升锯齿”和“降锯齿”波形,幅度值的输入和显示有三种格式:
峰峰值Vp-p、有效值Vrms和dBm值,可以用不同的单位输入。
对于其它波形只能输入和显示峰峰值Vp-p或直流数值(直流数值也用单位Vpp和mVpp输入)。
调节信号频率:
频率设定:
按【频率】键,显示出当前频率值。
可用数据键或调节旋钮输入频率值,这时仪器输出端口即有该频率的信号输出。
例如:
设定频率值5.8kHz,按键顺序如下:
【频率】【5】【●】【8】【kHz】(可以用调节旋钮输入)
或者:
【频率】【5】【8】【0】【0】【Hz】(可以用调节旋钮输入)
显示区都显示5.80000000kHz。
周期设定:
信号的频率也可以用周期值的形式进行显示和输入。
如果当前显示为频率,再按【频率/周期】键,显示出当前周期值,可用数据键或调节旋钮输入周期值。
例如:
设定周期值10ms,按键顺序如下:
【周期】【1】【0】【ms】(可以用调节旋钮输入)
如果当前显示为周期,再按【频率/周期】键,可以显示出当前频率值;如果当前显示的既不是频率也不是周期,按【频率/周期】键,显示出当前点频频率值。
3)将信号发生器输出的信号输入实验板上:
信号发生器输出端的正负端分别接实验板的
“1_P1”端及GND端,接线图如图2-1所示;
4)观察输出波形:
将图2-1中“同相放大输出端”接入示波器的CH1或CH2通道:
1_R3接到示波器的红表笔上,OUT_GND接到黑表笔上,观察图形,调节滑动变阻器,观察示波器上图形的变化情况,任意读取6组数据,填入表格中;
5)比较相位变化:
将输入端接入示波器的CH1通道,将输出接入示波器的CH2通道(可以调换输入输出接入示波器的通道),观察输入输出波形相位的变化情况。
任意画一组输入输出波形图填入实验结果表中。
3.4.2反相放大
1)电源选择:
闭合实验板中电源部分三个开关中的左边和中间开关即可,即选择+12V,-12V电源;
2)设置输入信号:
用信号发生器产生任意频率和幅度的正弦信号,设置方式如同相放大实验中步骤4所示;
3)将输出的信号输入实验板上:
信号发生器输出端的正负端分别接实验板的“2_P1”端及GND端,接线图如图2-1所示;
4)观察输出波形:
将输出端接入示波器进行观察,调节滑动变阻器,观察示波器上图形的变化情况,任意读取6组数据,并测量相应的滑动变阻器数值,填入表格中;
5)比较相位变化:
将输入输出同时接入示波器,观察输入输出波形相位的变化情况。
任意画一组输入输出波形图。
3.4.3多级放大
1)电源选择:
闭合实验板中电源部分三个开关中的左边和中间开关即可,即选择+12V,-12V电源。
2)设置输入信号:
用信号发生器产生任意频率和幅度的正弦信号,设置方式如同相放大实验中步骤4所示
注意:
输入信号经放大后的-----------峰峰值不能超过24V,否则会出现输出图像失真的现象。
3)将输出的信号输入实验板上:
信号发生器输出端的正负端分别接实验板的“3_P1”端及“3_P2”端,接线图如图2-1所示。
4)观察输出波形:
将输出端接入示波器进行观察,调节滑动变阻器,观察示波器上图形的变化情况,任意读取6组数据,并测量相应的滑动变阻器数值,填入表格中。
5)比较相位变化:
将输入输出同时接入示波器,观察输入输出波形相位的变化情况。
任意画一组输入输出波形图。
3.4.4仪用放大
1)电源选择:
只需要闭合三个开关中的右边开关即可,即选择+5V电源;
2)输入信号来源:
每个应变片引出两条输出线,将其中一个应变片的2条输出线接到图2-1中“仪用放大输入端”BSGB1(BSGB1不分正负),将另一个应变片的2条输出线接到BSGB2(BSGB2不分正负);
3)电路调节:
电路中一共有四个电阻,作用分别是:
Rf1,Rf2:
调节电桥平衡
ZER02:
调节偏置电压
AMP2:
调节放大倍数
调节电桥平衡:
如下图2-6示用万用表的红黑端子测量电桥对称两端的电压(红黑表笔可以反过来测量,只是正负不同而已),注意万用表调到mV档上,如果不为0,则说明电桥不平衡,此时调节电阻Rf1和Rf2,使这两点的电压等于0mV,从而使电桥平衡;
图2-6仪用放大输入端
4)检测基准电压:
用万用表测量图2-1中“仪用放大输出端”OUT及OUT_5VGND,在没有任何压力的情况下,输出在1.5V左右为较好输出。
注意:
若输出效果不明显,调节偏置电压和放大倍数,具体做法是:
调节偏置电压:
测量AD620的4,5管脚的电压,为1.5V左右时最后的实验效果比较好。
调节放大倍数:
测量图2-1中“仪用放大输出端”OUT及OUT_5VGND,调节电阻ZER02,改变放大倍数。
5)观察输出:
用万用表测量图2-1中“仪用放大输出端”OUT及OUT_5VGND,用力压有机玻璃,观察万用表上电压输出的变化范围,并记录当前Rf时的最大输出电压,并计算当前Rf时的放大倍数,填入表格。
注意:
若输出增量的变化范围一般可达到1V左右,即输出量在1.5V~2.5V之间,若增量的变化范围没有那么大,增加放大倍数可以提高输出范围。
3.5实验结果:
1、同相放大
频率f=________R1=1KΩ
组别
Ui(V)
Uo(V)
Af=Uo/Ui
1
2
3
4
5
6
输入输出波形
2、反相放大
频率f=________R1=1KΩ
组别
Ui(V)
Uo(V)
Af=Uo/Ui
1
2
3
4
5
6
输入输出波形
3、多级放大
频率f=________R2=1KΩ、R3=1KΩ、R4=1KΩ
组别
U1(V)
Uo(V)
Af=Uo/Ui
1
2
3
4
5
6
输入输出波形
4、仪用放大
组别
AMP
Af
1
2
3
4
5
6
注意:
测量AMP时,是测量如图2-1所示方向时的AMP2电阻的左边和中间脚。
实验4信号滤波实验
3.1实验目的
学习低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器的工作原理及其技术指标,熟悉产生一定频率信号的RC正弦波振荡电路和信号叠加电路
3.2实验要求
1、设计RC振荡电路,分别产生50Hz,1KHz和200Hz的信号;
2、对1中产生的信号进行叠加;
3、设计低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
3.3实验原理
3.3.1RC正弦波振荡电路
电路由放大电路和选频网络组成,如图3-1所示。
放大电路是由集成运放所组成的电压串联负反馈放大电路。
RC正弦波电路的原理图如图3-2所示:
图3-1电路组成
图3-2RC正弦波电路原理图
图3-3信号源部分实物图
注:
在本实验中简单地说,RC桥式振荡电路的起振条件为:
Au=1+(Rf1+Rf2)/R1>=3,再推出:
Rf1+Rf2>=2R1。
其中R1取2K,Rf2=3K,Rf1选择2K可调电阻;所以Rf1调到1K多时,振荡产生的波形最好。
3.3.2信号叠加电路
由上一小节的RC正弦波振荡电路产生三个频率的正弦波信号,分别为50Hz,1KHz和200Hz。
通过加法电路进行信号的叠加,从而给下一级滤波部分提供信号源。
信号叠加的原理图如图3-5所示,实物图如图3-6所示:
12V的GND
叠加部分的50Hz输入端
图3-5信号叠加的原理图
叠加部分的输出端
叠加部分的200Hz输入端
叠加部分的1KHz输入端
图3-6信号叠加的实物图
3.3.3滤波部分实物图
滤波部分实物图如图3-7所示:
低通滤波的输入端
滤波部分的12VGND
带阻滤波的输出正端
带通滤波的输出正端
高通滤波的输出正端
低通滤波的输出正端
带阻滤波的输入端
带通滤波的输入端
高通滤波的输入端
图3-7滤波部分实物图
3.3.4低通滤波
原理图如图3-8所示:
图3-8低通滤波的原理图
起滤波作用的主要是由电路前半部分的可调节R和电容C组成,根据
,求出截止频率。
在本实验中,截止频率确定为200Hz,固定C为0.1uf,可计算出可调电阻R为7.9K,则将R选用为总阻值为10K的电位器。
3.3.5高通滤波
原理图如图3-9所示:
:
图3-9高通滤波的原理图
同低通滤波一样,高通滤波的截止频率为
。
本实验中,截止频率确定为200Hz,固定C为0.1uf,可求得R为7.9
。
这样,可选取R为总阻值是10K的可调电位器。
3.3.6带通滤波
带通滤波的原理图如图3-10所示:
图3-10带通滤波的原理图
该原理图的前半部分为低通滤波,后半部分为高通滤波。
同样根据
,选择截止频率为150Hz~300Hz,固定C为0.1uf,可求得R1为5.3
,选择R1为总阻值是10K的可调电位器;R4为10.6
,选择R4为总阻值是20K的可调电位器。
3.3.7带阻滤波
带阻滤波的原理图如图3-11所示:
图3-11带阻滤波的原理图
该电路选择的是双T带阻滤波电路,由节点导纳议程不难导出电路的传递函数为
或
式中
,既是特征角频率,也是带阻滤波电路的中心角频率;
为带阻滤波电路的通带电压增益;
。
如果
,则Q=0.5,增加A0,Q将随之升高。
当A0趋近2时,Q趋向无穷大。
因此,A0愈接近2,
愈大,可使带阻滤波电路的选频特性愈好,即阻断的频率范围愈窄。
图3-11所示带阻滤波电路的幅频特性如图3-12所示:
图3-12带阻滤波电路的幅频特性
在本实验中,取Rf1为5K可调,R1为6K,这样A0<2,Q值存在,且不是很窄。
取中心角频率:
,取
=200Hz。
固定C=0.1uf,可求得R约为7.96K。
3.4实验步骤
注意:
1.输入与输出的正负端,滤波部分的负端均为+12V对应的GND(信号发生器和示波器的红色为正端,黑色为负端;实验板的正负端在板子上已注明)。
2.频谱图是幅度—频率曲线图,横轴是图形频率,纵轴表示此频率的幅度,因此在频谱图上会看到有脉冲产生,脉冲越窄,频率越的干扰越小,脉冲越高,此频率的波越占主体。
3.在第2)步信号产生中有可能信号在所要求的频率处不稳定,就根据情况调节一个相对稳定的波形,在要求频率附近即可。
1)电源选择:
选择电源+12V,-12V,+5V。
2)信号产生:
Ø50HZ正弦波输出:
将图3-3中“50HZ正弦波输出端”接至示波器,观察图形,进行调节:
标有RC_50的电阻即为50HZ正弦波产生电路的电阻,产生一个较稳定的50HZ正弦波。
调节Rf2,调节输出波形的幅值,使波形稳定
Ø1KHZ正弦波输出:
将图3-3中“1KHZ正弦波输出端”接至示波器,观察图形,进行调节:
标有RC_1K的电阻即为1KHZ正弦波产生电路的电阻,产生一个较稳定的50HZ正弦波。
调节Rf2,调节输出波形的幅值,使波形稳定
Ø200HZ正弦波输出:
将图3-3中“200HZ正弦波输出端”接至示波器,观察图形,进行调节:
标有RC_200的电阻即为200HZ正弦波产生电路的电阻,产生一个较稳定的200HZ正弦波。
调节Rf2,调节输出波形的幅值,使波形稳定
3)信号叠加:
将产生的信号连接到信号叠加模块的输入端
将图3-3中“50HZ,1KHZ,200HZ正弦波输出端”分别连接到图3-6中三个输入端:
“叠加部分的50Hz输入端”,“叠加部分的1KHz输入端”,“叠加部分的200Hz输入端”。
用示波器观察图3-6中”叠加部分的输出端”+OUT的波形,分析输出端波形的变化及所含有的频率分量,画出叠加后的波形图。
4)低通滤波
a)信号选择:
选择50HZ和1KHZ的叠加信号,即将图3-3中“50HZ,1KHZ正弦波输出端”分别连接到图3-6中前两个输入端:
“叠加部分的50Hz输入端”,“叠加部分的1KHz输入端”,用示波器观察叠加信号的波形。
b)滤波:
将图3-6中“叠加部分的输出端”+OUT接到图3-7中“低通滤波的输入端”LP_IN。
c)观察滤波后的波形:
将图3-7中“低通滤波的输出端”LP_OUT接入示波器,观察输出图形与输入图形的变化。
d)观察滤波后的频谱:
将输出波形接入示波器中,按下示波器上的MATH按钮;
选择菜单栏上的“操作”选项,即按下示波器屏幕边上竖着连续排列的五个按钮的第一个按钮;
在弹出的菜单中选择FFT选项,即转动标识为的
多功能旋钮,选择FFT,按下多功能旋钮,在屏幕下方出现FFT窗口。
5)高通滤波
a)信号选择:
选择50HZ和1KHZ的叠加信号,即将图3-3中“50HZ,1KHZ正弦波输出端”分别连接到图3-6中前两个输入端:
“叠加部分的50Hz输入端”,“叠加部分的1KHz输入端”,用示波器观察叠加信号的波形。
b)滤波:
将图3-6中“叠加部分的输出端”+OUT接到图3-7中“高通滤波的输入端”HP_IN。
c)观察滤波后的波形:
将图3-7中“高通滤波的输出端
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