模拟与数字电路实验.ppt

1,电子线路实验课件,电子线路实验室,2,实验准备及常规仪器设备使用,分立元件及负反馈放大电路设计,测量放大器,晶体管输出特性曲线测试电路,模拟乘法器及调幅与检波电路,LC三点式振荡器,数字电路的FPGA应用实验,脉冲电路及其应用,综合实验,锁相环及频率调制与解调电路,运放基本应用电路,3,实验准备及常规仪器设备使用,实验室规则讲解,本学期实验安排及教学要求,实验室教师联系方式： 宋万年： 65643658 孔庆生： 65643231 王 勇： 65643658 ,4,水平系统 垂直系统 扫描系统 触发系统 显示系统,1、普通示波器的组成：,示波器基础知识及使用简介,5,2、示波器的刻度,水平刻度,垂直刻度,触发电平,刻度格线,6,3、示波器的触发,触发电路的作用就是保证每次时基在屏幕上扫描的时候，都从输入信号上与定义的触发点相同的点开始，这样每一次扫描的波形就同步的，从而显示稳定的波形，见图b；没有触发电路在屏幕上看到的将会是具有随机起点的很多波形杂乱重叠的图象，见图a 。 触发是使用示波器最麻烦的一点，示波器提供了许多触发方式，可根据测量问题加以应用。 作为数字示波器来说，触发实际上参与了确定波形的存储起点。,不正常触发,正常触发,a,b,7,4、触发释抑（Hold off）,有些信号具有多个可能的触发点，如右图数字信号。 该信号虽然在较长的时间周期内是重复的，但是在短时间内情况则不然，这样一来，正常触发扫描出的波形出现混迭。 为解决这个问题，采用了触发隔离功能，即在各次扫描之间加入延迟时基，使得扫描的每次触发总是从相同的信号沿开始。从而得到稳定的波形显示。 另一方面，触发隔离的使用显然在波形捕获方面遭到了损失。,8,Tektronix TDS 210,SAVE/RECALL,MEASURE,ACQUIRE,AUTOSET,UTILITY,CURSOR,DISPLAY,HARDECOPY,RUN/STOP,POSITION,POSITION,POSITION,VERTICAL,HORIZONTAL,TRIGGER,MATH MENU,CURSOR 1,CURSOR 2,CH1 MENU,CH2 MENU,HORIZONTAL MENU,LEVEL,HOLDOFF,TRIGGER MENU,SET LEVEL TO 50%,FORCE TRIGGER,TRIGGER VIEW,VOLT/DIV,VOLT/DIV,SEC/DIV,5V,2mv,5V,2mv,5s,5ns,CH1,CH2,EXT TRIG,!,300V CAT 11,5、数字示波器TDS210使用简介,9,显示区：显示区除了进行波形显示外，还包括许多有关波形和仪器控制所设定值,Tek,T,Tri,Trigd,M Pos： -8.200uS,CH1,耦 合,直 流,带宽限制,关,60MHz,伏/格,粗调,探头,X1,反相,关闭,Ch1 500mV M5.00uS Ch1 -160mV,获取方式，通过ACQUIRE设置,触发状态，触发方式通过TRIGGER设置,触发水平位置，可用HORIZONTAL POSITION设置，读数显示触发水平位置与屏幕中心线的时间偏差,菜单区，通过CH1或其它按钮控制,触发电平通过TRIGGER LEVEL控制,触发电平的数据,触发类型，图示为上升沿通过TRIGGER MENU 控制,视窗时基设定值,水平标尺系数,垂直标尺系数,1,波形的接地基准点,10,POSITION,POSITION,VERTICAL,MATH MENU,CURSOR 1,CURSOR 2,CH1 MENU,CH2 MENU,VOLT/DIV,VOLT/DIV,5V,2mv,5V,垂直按钮及波形输入菜单：,耦 合,直 流,关,粗调,探头,X1,反相,关闭,带宽限制,伏/格,耦合方式：直流通过输入信号的交流和直流成分；交流阻挡输入信号的直流成分；接地则断开输入信号,带宽限制：开20MHz限制带宽，以减少噪音；,伏/格：用于选择垂直灵敏度。,探头：根据探极衰减系数选取其中一个值，以保证垂直标尺读数准确,反相：输入信号要否反相,控制菜单的选择按键,用于在垂直方向定位波形,打开或关闭通道显示并显示通道输入菜单,显示波形数学操作菜单，如波形加、减、FFT等,选择垂直方向标尺系数,操作,FFT,CH1,窗口,Haming,FFT缩放,X1,11,水平控制按钮及触发控制按钮：,POSITION,VERTICAL,TRIGGER,HORIZONTAL MENU,LEVEL,HOLDOFF,TRIGGER MENU,SET LEVEL TO 50%,FORCE TRIGGER,TRIGGER VIEW,SEC/DIV,5s,5ns,调整所有通道的水平位置,水平菜单,主时基,视窗设定,触发钮,电平,释抑 500ns,视窗扩展,改变水平标尺系数,这个按钮具有双重作用，作为边沿触发电平控制按钮，它设定触发信号必须通过的振幅；作为释抑（通过HORIZONTAL MENU 选择触发和释抑）控制钮，它设定接收下一个触发事件之前的时间值。,触发功能菜单,视频,边沿,上升,自动,斜率,耦合,交流,触发方式,触发电平设定在触发信号幅值的垂直中点,强行触发，不管是否有足够的触发信号，都会自动获取,触发源观察，显示触发源波形,12,MEASURE,ACQUIRE,AUTOSET,UTILITY,CURSOR,DISPLAY,HARDECOPY,RUN/STOP,SAVE/RECALL,储存/调出,获取：有取样、峰值检测和平均值几种获取方式,测量：有5种测量并且同时显示四种测量结果,辅助功能,自动设置：自动设定、调节各种控制值，以产生适宜观察的输入信号波形。有时需要辅助手工调整，特别在显示各种调制波形时。,出现测量光标和光标功能菜单,选择波形显示方式和改变显示对比度,启动打印操作,启动和停止波形获取,实例：1、将通道1的探头连接到信号源。2、按下自动设置按钮。3、手动调整垂直、水平、触发三类控制按钮，使波形显示达到最佳。4、进行自动测量：按下MEASURE按钮显示测量菜单，按下顶部菜单选择信源，按下CH1进行测量，再按下顶部菜单选择类型，按下第一个CH1菜单以选择频率，按下第二个CH1菜单选择周期，按下第三个CH1菜单选择峰峰值。也可以多次按下CH1菜单，进行频率、平均值等的测量。,13,实验板说明：电源正极输出端在最左边的8孔插座输出（由于该类插座插孔较面包板插孔粗，可以将导线弯成S型插入比较牢靠），电源接地端已经与面包板最下一排插孔相连。其它插座的使用注意事项结合具体实验再讲解。,14,实验一：分立元件及负反馈放大电路设计,一、实验原理：本实验的原理在本单元实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分。实验前要求预习有关放大电路的基本概念和主要元器件参数的设计要点及电路性能指标的测试方法，预习时三极管放大倍数暂时定为60。 IC不要超过30mA，功率不要超过400mW，VCEO =30V。 二、基本实验内容： 1、放大器的设计 放大器指标为：电压增益KV=40，输入阻抗Ri 3k，输出阻抗Ro100，不失真输出动态范围Vopp 4V，低半功率点频率fL 100Hz。 已知：负载阻抗RL=1k；直流偏置电源电压Ec=12V；晶体管参数60 。,15,*设计提示： （1） 根据给定的放大器指标，输出电阻比较小，所以输出级应采用射极跟随器或引入电压负反馈，而射极跟随器无电压增益，故采用两级放大电路的设计，输入级采用电压增益较大的共发射极放大电路，由于射极跟随器输入电阻比较大，避免了负载效应，从而放大倍数比单级共发射极放大电路要大的多。由于要求输入电阻比较大，应在输入端应引入串联反馈，由于要求的增益并不大，两级放大电路可以满足增益要求，故电路初步设计方案如下页电路图所示。 （2）低半功率点频率fL 100Hz设计主要考虑电路中电容的取值，由于Ce两端的交流等效电阻最小，对应的时间常数最小，故fL主要取决于Ce的取值。 （3）Q1、Q2级电路都采用分压偏置方式，二级电路的静态工作点电流ICQ1、ICQ2及静态工作点电压VCEQ1、VCEQ2具有较好的稳定性。,16,17,（4）偏置电阻设计要考虑静态工作点接近放大区的中部（交流负载线的中部），同时要兼顾交流指标。工程上一般取VEQ1 =0.2VCC 或 VEQ1 =（13V），Rb11、Rb12取值应考虑放大器的稳定性和输入电阻的要求。 （5）设计可以从输出级开始，首先静态工作点应该在交流负载线的中点，因此根据输出电压摆幅要求可初步确定输出级的静态工作点，由于实验要求给出的电压摆幅并不是最大摆幅，考虑到饱和压降和负载影响，电压摆幅应留有一定的余量，在电源电压12V的情况下，电压摆幅取6V左右，由此初步确定静态工作点VceQ2为3-5V左右，而RL=1K，则：IOPP=4-8mA； 而 IOPP=EC/RLIOPP ； ICQ2= 0.5IOPP ICQ2的值应根据上述推断和三极管极限参数(9011：IC不要超过30mA，功率不要超过400mW，VCEO =30V）综合而定。,18,（6）交流电压放大倍数主要与 RC1 、后级的输入阻抗以及负反馈电阻Re11 有关，需要注意的是由于RC1 本身也是直流负载电阻，增大RC1可以提高增益但容易使三极管进入饱和区，另一方面增大RC1 也会使输出电阻增大，因此RC1的取值应首先考虑满足增益要求，同时兼顾静态工作点、电压摆幅和输出电阻的要求。 （7）由于输出级是射级跟随器，因此输入级的设计仍然要考虑电压摆幅的要求，其静态工作点仍应该在其交流负载线的中点，由此初步确定输入级的静态工作点VceQ1为3-5V左右可以根据（6）初步确定RC1的大小，由此确定三极管的静态工作点，并计算增益、输出电阻等指标是否符合要求。 （8） Q1的Re11为交流负反馈电阻，能够提高输入电阻，改善非线性失真，展宽通频带，太小负反馈作用不明显，太大放大器增益下降明显。,19,2、放大器的PSPICE仿真 软件模拟仿真设计放大电路，进行瞬态分析，根据静态工作电和输出波形失真情况，修改电阻、电容的设计数值（注意电阻电容数值应取系列值），调试电路工作正常并以满足放大器设计指标的要求。进行交流分析测量带宽和增益、交流输入电阻、输出电阻。 3、放大器的实际电路安装制作 (1)用晶体管特性测试仪测量所用晶体管的参数，记录晶体管的实际值。根据测量值修改软件模拟仿真时三极管放大倍数，重新调试电路工作正常并以满足放大器设计指标的要求。 (2)按软件模拟仿真设计放大电路安装一个放大器。要求元件排列合理、布线整齐、电接触可靠。注意电源极性。,20,4、放大器参数测试 (1)用逐级调试的方法排除故障，用示波器测量放大器的直流工作点，并与设计值、仿真值比较。调试电路的电阻、电容值，使放大器电路正常工作。 (2)测量不失真输出信号峰峰值Vopp，及对应的输入信号峰峰值Vipp，并与设计值、仿真值比较。 (3)测量带宽和增益、交流输入电阻、输出电阻，并与设计值、仿真值比较。 5、寄生反馈及消除： 在一般多级放大器中，总会产生各种类型的寄生反馈。寄生反馈的类型和消除办法在讲义中有详细的讲解，这里主要强调电源退耦的重要性。退耦元件的数量力求减少，接入位置要选择得当。例如，对于如下图所示电路，一般只要接入C1即可。如果C1仍不能消除寄生振荡，再考虑接入R2、C3。,21,22,C的接入位置应根据线路板的具体结构正确选择。例如，若放大器的电源Ec和放大器接线相距较远，两者之间是通过较长的导线连接的，对高频信号而言，这根导线就等效于一个电感，如图1-10所示。此时，C1就应接在靠近放大器的一侧(图中实线)，而不应接在靠近Ec一侧(图中虚线)。因为对高频信号而言，连接导线的感抗ZL=jL已相当可观，输出电流Io又会在ZL上建立新的反馈电压VfL，等效于加大了电源的内阻。,23,三、提高实验内容： 放大器指标为：电压增益KV=50，输入阻抗Ri 3k，输出阻抗Ro100，不失真输出动态范围Vopp 6V，低半功率点频率fL 100Hz。 已知：负载阻抗RL=1k；直流偏置电源电压Ec=12V；晶体管参数60， 根据放大器指标的要求，设计方案，确定电路中所有电阻、电容的设计数值，并进行各项指标的测量验证设计的正确性。,24,实验二：运算放大器基本应用电路,一、实验原理：本实验的原理在本单元实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分。实验前要求预习有关运算放大器基本使用及调试方法、运放应用电路及电路性能指标的测试方法。 二、基本实验内容： 1、同相和反相比例运算电路设计与测试： 放大器电压增益KV=10，要求测量不失真输出动态范围Vopp 和放大器的幅频特性。 直流电源电压VCC=+8V， VSS=-8V 。 2、运放积分电路和微分电路设计与测试： 运放积分电路：输入矩形波Vopp =5V，调节积分电路时间常 数，记录不同时间常数对输出三角波的影响。 运放微分电路：输入三角波Vopp =5V，调节微分电路时间常 数，记录不同时间常数对输出矩形波的影响。,25,三、设计及调试注意事项； 1、注意运放电源不能反接：对应左边电路接线图如右所示：,3、输入500Hz的正弦波，设计迟滞比较器上、下门限为+0.7V、- 0.7V，输出矩形波。如果上下门限为0V、 - 0.7V，电路又当如何改变？,26,2、积分电路电容两端并接电阻可以减小输出端的直流漂移， 微分电路在输入端串接电阻可抑制高频干扰和自激。 3、考虑运放的负载能力和功耗（最大500mW），运放的负载电 阻不可过小。,27,一、实验原理：本实验的原理在本单元实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分。实验前要求预习有关测量放大器和有源滤波器设计的基本概念和和主要元器件参数的设计要点及电路性能指标的测试方法。 二、基本实验内容 1、当输入信号的峰-峰值Vspp=1mV时，输出信号的 峰-峰值 Vopp=1V。 2、输入阻抗Ri1M 3、频率特性：f（-3dB）=2Hz-2kHz 4、共模抑制比 CMRR70dB,实验三、测量放大器,28,29,三、设计及调试注意事项； 1、设计时考虑电路的实际性能，从减少噪声和提高共模抑制比的角度，一般第一级增益要大一些。考虑运放的负载能力，运放负载电阻的选取不能太小。R的选取和输入阻抗的要求及运放的偏置电流有关。调试时可分级调试。 2、实验中的输入信号Vs应是浮空的交流信号，而我们用来调试的信号源一端接地，由于信号源内阻趋于零，又往往有直流电平输出，故输入端的接法可如图2-7所示（下页图）。图中C1是隔直电容，对低频特性有影响，故不能取得太小，C2使另一端交流接地，又不影响直流平衡。 3、 在测量滤波器的幅频特性时，可以用示波器测量放大器的幅频特性的方法测量，用示波器直接观察截止频率处的波形衰减情况，也可以利用相位法来测量，如图2-8所示，在fL处Vo和Vi相差900，此时测得的是一正椭圆。,30,31,4、滤波器的设计：任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器串联而成，设计大致分为以下几步 （1）、根据衰减要求确定滤波器的阶数n。 （2）、选择具体的电路形式。 （3）、根据电路的传递函数和查表2-1（见讲义）后得到的滤波器的传递函数，建立起系数的恒等方程组。先定电容的序列值，再解方程组得到电路中其它元件的具体数值。 四、提高实验内容： 设计一个二阶带阻滤波器，要求f0=50Hz，Q=5。,32,实验四、晶体管输出特性曲线测试电路,一、实验原理：本实验的原理在本实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分。实验前要求预习有关矩形波、锯齿波、阶梯波电路设计的基本概念和主要元器件参数的设计要点及电路性能指标的测试方法。 二、基本实验内容： 实验电路见下页。 1、矩形波的f500Hz，占空比为5%。 2、阶梯波的级数能从4-10变化，V为1V。 3、锯齿波（0-10V）、阶梯波从零值附近开始。 4、各级输出波形符合要求后接入被测三极管，观察输出特 性曲线。,33,34,三、设计提示： 1、R1、R2、R3、R4取值决定矩形波的振荡周期，公式 为： T=（R1+R2）C1ln（1+2R3/R4） 而R1、R2的取值决定矩形波的占空比。 2、R5、C2构成微分电路，其取值与尖脉冲的高度和宽度有 关也会影响后面阶梯波的形状，R6、C3取值与阶梯波台阶 大小有关。 3、D3、D7主要考虑锯齿波、阶梯波从零值附近开始而设置 的补偿电压，R11、R12是二极管限流电阻。 4、R9、R10的取值决定锯齿波上升和下降的快慢。 5、R14的取值应使被测三极管工作在放大区。,35,6、各电阻、电容的值的确定可以先定电容的序列值，再依据 相关公式计算电阻的值。 7、注意示波器的接地端接机壳，直流电源的公共端不与示 波器的接地端相连，避免被测三极管C、E短路。 四、提高实验内容： 1、改进电路，使示波器显示的输出特性曲线无回扫线。 2、自行设计电路实现输出特性曲线显示更符合平时的习惯， 即X轴应显示Vce而不是-Vce。,36,实验五、模拟乘法器及调幅与检波电路,一、实验原理： 本实验的原理在本实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分。实验前要求预习有关模拟乘法器、调幅与检波以及正弦波发生器的基本概念和主要元器件参数的设计要点及电路性能指标的测试方法，分析下页图中模拟乘法器外接器件的作用及取值大小的出发点。 二、基本实验内容： 实验电路见下页。 1、利用运算放大器设计一正弦波发生器，振荡频率为 1KHz，参考电路如下页图。,37,2、调制电路测试：,38,39,（1）、按上图接好调制部分电路（不插入集成块），首先检查各端点的直流电平，使电路正常无误后插入集成块，再检查各点直流电平，并使电路工作正常。 （2）、在X1端加入载波信号（Vpp=100mV，fc=1MHz），先使Y1端的Vs信号幅度（fs=1kHz）为零，调节调幅级电位器，使输出载波为零，然后逐渐增加Vs信号幅度，观察输出端双边带抑制载波的调幅信号，并测出上述条件下，最大不失真的Vo1pp值及此时的Vs幅度值。 （3）、输入载波信号（Vpp=100mV，fc=1MHz），调节调幅级电位器，使Vo1输出中有载波，然后输入fs=1kHz的调制信号，观察输出端的AM信号，并注意它与抑制载波的双边带调幅信号的区别。调节Vs的大小与电位器的位置，使输出端AM信号的Vo1pp值为1V，调制度为100%，测出此时的Vs幅度值。,40,3、检波电路测试 ： （1）、按图3-10接好检波部分电路，检查电路无误，直流电平正常后，插入集成块，检查集成块各引出脚直流电平，使电路工作正常。 （2）、在检波器的X2输入端输入载波信号（Vpp=100mV，fc=1MHz），Y2端输入信号为零，调节检波级电位器，使输出载波为零，既电路平衡。 （3）、在检波器的Y2输入端输入fc=1MHz、fs=1kHz、Vpp=200mV、调制度为100%的AM信号，在X2输入端输入载波信号（Vpp=100mV，fc=1MHz），观察输出端解调出来的调制信号，调节W2电位器，使输出Vos的幅度最大，失真最小，并测出此时的Vos值。 （4）、将Y2输入端改为双边带载波抑制的调幅信号，其余条件同上，重复上述内容，并测出最大不失真Vos值。,41,三、实验注意事项： 1、正弦波振荡器可采用文氏电桥振荡器，需要加二极管稳幅电路。 2、观察是否有载漏，应将水平扫描档设置在每格1.0uS左右。 3、模拟乘法器工作不正常，应用示波器直流档观察各管脚 静态工作点，各管脚静态工作点参考值如下(仅做参考， 由于器件参数不一致，在参考值上下允许小的波动）： （1）-0.4v (2) -1.12v (3) -1.12v (4) -0.4v (5) -7v (6) 8.8v (8) 6 v (10) 6v (12) 8.8v (14) -8v 4、观察包络时，可将水平扫描设为每格250uS左右。,42,实验六、LC三点式振荡器,一、实验原理： 本实验的原理在本实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分。实验前要求预习有关LC三点式振荡器工作原理、Clapp、Seiler振荡电路起振条件和影响频率稳定度的因素等基本概念。分析各元件的作用及取值大小的出发点。 二、基本实验内容： 1、Clapp振荡器 实验电路见下页。,43,44,1、调整静态工作点 用示波器观察VO电压波形，调整电位器Rb1，使电路产生振荡 测量停振时的静态工作点电流ICQ 。 2、观察电容比C2/C1对振荡电压峰峰值Vopp的影响 保持ICQ =2.5mA，C1=330pF。在C2=1000pF两端并接不同电容(1000PF、2000pF、3000pF)，用示波器测量振荡波形峰峰值Vopp 。 保持ICQ =2.5mA，C2=1000pF。在C1=330pF两端并接不同电容(300pF、510pF、680pF、820pF)，用示波器测量振荡波形峰峰值Vopp 。 3、测量振荡电压峰峰值Vopp和振荡频率之间的关系 保持ICQ =2.5mA，调节可变电容C，由大到小，用示波器测量振荡波形峰峰值Vopp ，同时测量相应的振荡频率f，并根据测量结果计算波段覆盖系数fmax/fmin。,45,4、测量静态工作点电流ICQ对振荡电压峰峰值Vopp的影响 调节C，使振荡频率调到最低，改变偏置电位器Rb1，使其阻值由大到小，测量相应的直流工作点电流ICQ和振荡电压峰峰值Vopp。 5、观察电源电压变化对振荡频率稳定度的影响 使ICQ恢复到2.5mA，振荡频率调到最低，改变电源电压，分别测出Ec=12V和9V时的频率值，并计算其频率变化的相对值。然后在电感两端极之间并接电阻10k，用来减小回路的品质因数。改变电源电压，分别测出Ec=12V和8V时的频率值，并计算其频率变化的相对值。并比较并接电阻10k前后两次测量的结果。,46,2、Seiler振荡电路 实验电路如下：,47,2、Seiler (1)调整静态工作点 用示波器观察Vo电压波形，调整电位器Rb1，使电路产生振荡。测量停振时的静态工作点电流IcQ。 (2)观察电容比C2/C1、C”对振荡电压峰峰值Vopp的影响 保持IcQ=2.5mA，C1=330pF。在C2=1000pF两端并接不同电容(1000PF、2000pF、3000pF)，用示波器测量振荡波形峰峰值Vopp。 保持IcQ=2.5mA，C1=330pF，C2=1000pF。在C” =100pF两端并接不同电容(300pF、510pF、680pF、820pF)，用示波器测量振荡波形峰峰值Vopp。 (3)测量振荡电压峰峰值Vopp和振荡频率之间的关系 保持IcQ=2.5mA，调节可变电容C，由大到小，用示波器测量振荡波形峰峰值Vopp，同时测量相应的振荡频率f，并根据测量结果计算波段覆盖系数fmax/fmin。,48,(4)测量静态工作点电流IcQ对振荡电压峰峰值Vopp的影响 调节C，使振荡频率调到最低，改变偏置电位器Rb1，使其阻值由大到小，测量相应的直流工作点电流IcQ和振荡电压峰峰值Vopp。 (5)观察电源电压变化对振荡频率稳定度的影响 使IcQ恢复到5mA，振荡频率调到最低，改变电源电压，分别测出Ec=12V和9V时的频率值，并计算其频率变化的相对值。 然后在电感两端极之间并接电阻10k，用来减小回路的品质因数。改变电源电压，分别测出Ec=12V和8V时的频率值，并计算其频率变化的相对值。并比较并接电阻10k前后两次测量的结果。,49,三、实验注意事项： 电路不起振应注意以下三点： （1）、用三极管输出特性曲线测试仪检测三极管好坏。 （2）、三极管的静态工作点是否正常。电容对直流开路电感对直流短路。 （3）、振荡电路是否有合适的交流通路。即电容电感是否 连接正常，旁路电容和耦合电容应对交流短路。 四、选做实验内容： 请将振荡电路改为共基极电路（即Q1基极交流接地）， 并调试电路起振，重复必做部分实验步骤。,50,实验七、锁相环及频率调制与解调电路,一、实验原理： 本实验的原理在本实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分。实验前要求预习有关锁相环工作原理、锁相环同步与捕捉的基本概念以及基于锁相环的频率调制与解调电路图610、611的主要元器件参数的设计要点及电路性能指标的测试方法。 二、基本实验内容： 实验电路见下页。 1、参照图610、611，用LM565模拟集成锁相环构成FM调制与解调电路，载波频率fo250KHz，调制信号频率为1KHz 。,51,图610 FM调制电路,图611 FM解制电路,52,2、锁相环特性测试 用“调制电路VCO输出”作信号源。（调节Rtz：，使VCO频率变化。）按讲义第四节所述方法，测试解调电路锁相环的锁定范围与捕捉范围（也可以用信号源输出矩形波进行锁定范围与捕捉范围的测量，但应注意输出矩形波幅度不要过大）。 3、用锁相环实现调制电路 参照图l10，实际是利用PLL内部的VCO作调制电路(PLL不需要闭环)，根据实验指标要求确定元件参数后安装电路，C1的设置应考虑满足最大平坦度响应要求，插查电路无误后接通电源，并调整VCO的中心频率f01为250KHz(fo可用频率计或示波器测试)，加入的调制信号，在VCO输出端观察调频输出。若波形不正常，则调整电路，使工作正常。 4、用锁相环实现解调电路 参照图111，根据实验指标要求，自行设计运放差动放大电路和二阶有源低通滤波电路，确定元件参数后安装电路。,53,在PLL开环状态，调整VCO的中心频率，将调制电路VCO输出与解调电路VCO输出分别输入示波器Y1，Y2通道。调整解调电路的，使之与调制电路的一致。 （判别二路信号频率一致的方法可参照“同步范围测试方法”一节），将解调电路闭环，观察VCO输出波形，确定电路工作正常后，将调频信号接到解调电路输入端。观察PD输出波形（7脚）是否正常。并调整之，插查差动放大与二阶低通滤波器工作正常后连到PD输出端，分别观察放大器和滤波器输出端使电路工作都正常。当调制信号频率为1KHz时，测试解调输出最大不失真及相应的调制信号幅度（在调制电路输入端测），改变调制信号频率，测试解调输出频响特性。 三、实验注意事项： 1、565工作不正常，应测试各管脚静态电位是否正常。正负电源是否连接到位，6、7管脚输出直流电平约4.5V左右。,54,2、锁相环输出振荡信号频率如果特别高（MHz数量级），可能是Ct没有接好，锁相环通过分布电容形成振荡。 3、注意电源退耦的重要性。 4、两个锁相环应分别都调至250KHz左右，然后闭环连接，两者相位差调至/2，再加调制信号。 5、加调制信号后（幅度不要过大，一般为零点几伏数量级），第一级锁相环输出为晃动的矩形波。第二级锁相环7脚输出为粗线条的正弦波形状。 6、由于第二级锁相环7脚带负载能力差，运放减法电路的输入电阻不能太小，一般为几十K以上。 四、提高实验部分 1、宽带AGC放大器的调试与测量，实验电路如下所示，分析下图各元件的作用及取值大小的出发点。测量AGC的范围。,55,即输出VO幅度变化不超10时，输入信号的范围。输入fc=5MHz的等幅波用示波器测出可控范围(db)和起控信号大小。示波器的二个输入端可分别观察Vi及VO。,56,2、研究观察AGC的F(S)时间常数对调制信号的影响。输入fc=5MHz，调制信号频率为1KHz。调制度M20%的调幅波，Vi幅度在可控范围内。观察滤波电容分别为0.1uF及100uF时对调幅波VO(S)包络的影响，并分析原因。,57,实验八、数字电路的FPGA应用实验,一、实验原理： 本实验的原理在本实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分。实验前要求预习有关FPGA的工作原理、基本概念以及FPGA系统设计步骤、设计方法、软硬件环境，对数字电路常用小规模器件如各类门电路、触发器和中规模器件如计数器、数据选择器等应预习其原理和应用方法。 二、基本实验内容： 1、试设计一个单价可予置的汽车侯时自动计价系统，要求下载至一片XC 芯片内，无外围电路，而且可用DEMO板上三个数码管(元、角、分)直接静态显示等候时间内应收费用。等侯时间单价可通过DEMO板上微动开关于置(对内宾，每分钟0.02-030元；对外宾，每分钟0040.60元，误差士0.01元)。,58,要求系统具有启仃和复位功能，一旦候时费用超过999元，系统能自动给出溢出报警显示(小数点闪光)。 2、试设计一个单价可予置的汽车侯时自动计价系统，要求下载至一片XC 芯片内，无外围电路，而且可用DEMO板上数码管直接动态显示(元、角、分)等候时间内应收费用。其它要求同上。 三、实验注意事项： 1、下面主要讲解一下FPGA实验板使用注意事项（示意图见下页）： A、发光二极管是输出高电平点亮，而片选为低电平选中，其中P57、P58、P59、P60管脚对应的发光二极管片选端已经接地，其它发光二极管片选P41低有效。 B、数码管采用共阴极连接方式，输出高电平点亮，而公共端为低电平选中，其中数码管公共端已经接地。数码管公共,59,60,端为P35低有效。而数码管的四个数码管阳极连到一起，故应轮流片选它们的公共端（P13、P14、P18、P19）实现动态显示。 C、DIP开关on输出低电平， off输出高电平。 D、按钮开关按下为低电平。 F、点阵行接高电平、列接低电平点亮。 G、晶振输出信号频率为10MHz，通过库里的TCK器件调用。 H、输入输出管脚应注意连接IPAD、IBUF、OBUF、OPAD，并对 IPAD、OPAD设置LOC属性，来定位各个管脚，如LOC=P59。 2、设计电路应采用模块法，逐个模块进行功能仿真验证，最 后进行综合。,61,四、提高或选做实验内容： 实验A 电梯楼层显示控制器的FPGA设计 实验B 计数型控制器的FPGA设计 实验C 三位数字频率计的FPGA设计 实验D 时钟的FPGA设计 实验E 音乐的FPGA设计 实验F 交通灯的FPGA设计 实验G 点阵的FPGA设计 根据个人实验进度，任意选做其中一个或多个，实验要求见讲义。,62,实验九、脉冲电路及其应用,一、实验原理： 本实验的原理在本实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分。实验前要求预习有关晶体管的开关特性（特别是加速电容的作用）、集成门电路组成脉冲单元电路的工作原理以及施密特门电路的特点，对门电路及触发器的负载特性也应该了解，特别应注意器件的使用安全。 二、基本实验内容： 试设计一个低频脉冲信号发生器，要求在频率为5-100kHz范围内能输出脉宽为1-6uS、幅度0-12V可调，而且零电平起跳的脉冲波；同时还能输出周期可调的方波、三角波和尖脉冲波，周期调节范围为：20-400uS。脉冲波、方波、三角波和尖脉冲波之间的对应时间关系如下图所示：,63,三、实验注意事项： 1、实验前应认真查阅有关器件的说明书，注意区分电源管脚 接地管脚、输入输出管脚，了解器件的负载特性、工作频 率要求，实验中用到的门电路和触发器以及其它中规模数,64,字电路器件所用电源基本都是5V，因此一定要检查好电源 输出是否正确。 2、环行振荡器不工作应逐级检查每个门电路的输入输出逻辑， 另外如果所用的门电路为TTL器件，则R不能太大，对74LS 系列门电路，R一般为几K的数量级，这一点在实验中可以 测量出来的。,65,3、积分型和微分型单稳态电路具有不同的工作特性，其中 积分型单稳态电路能够将宽的正脉冲波转换为负的窄脉 冲输出，要求输入触发正脉冲宽度必须大于所需输出脉、 冲的宽度，而且频率不能太高。 微分型单稳态能够将窄的负脉冲波转换为负的窄脉冲输 出，多采用输入触发负脉冲宽度小于所需输出脉冲的宽 度，而且频率也不能太高。 4、利用三极管实现电平转换的时候，应注意基极限流电阻不 能太小，否则三极管进入饱和区后会使前级门电路负载电 流过大，容易损坏器件。 5、如果三极管输出脉冲不理想，应考虑使用加速电容。,66,四、提高或选做实验内容： 1、 若希望频率连续可调范围增大为0.51000kHz，对环行振荡器应采取什么措施？请设计电路实现。 2、 产生数字脉冲信号的另一种方法就是可以对模拟信号进行整形，假设输入信号是频率为1kHz、峰峰值为5V的正弦波，请设计电路实现将该正弦波转换为频率为500Hz、幅度为5V的方波，两波形对应关系如下：,67,实验十、综合实验,本实验单元共安排8个实验题目供同学们选做，实验题目如下： 实验一：计数型控制器设计 实验二：智力竞赛抢答计时系统设计 实验三：数字信号三位数字频率计系统设计 实验四：六位ADC系统设计 实验五：模拟信号六位频率计系统设计 实验六：直流数字电压表 实验七：D类功放 实验八：IC_CARD设计 下面分别简要介绍一下设计要求及注意事项：,68,实验一：计数型控制器设计 设计要求：试设计一控制器，要求控制器在开机T秒后启动某节拍分配器开始工作，而在节拍分配器运转N秒后自行停止，以后不断重复执行。T和N值可根据一组开关的预置值进行选择，节拍分配器的输出要求按下列程序工作：,69,计数型控制器设计注意事项： 1、彩灯的循环显示可移位寄存器74LS194实现，设计控制器实现对74LS194左移、右移和置数端子的控制。控制器的设计可用74LS93实现。 2、起停控制可通过两个计数器控制T触发器实现对时钟信号的闸门控制。 实验二：智力竞赛抢答计时系统设计 设计要求：抢答电路能允许三组同学同时参加竞赛，在宣布了题目后，只要三组同学要求答题（通过开关）的时间差在100ns以上，电路应能予以判别，一旦某组抢到了答题权利，其他两组的抢答权利既自动取消。电路能给出谁首先抢到了答题权利的闪光显示信号。抢答所用时间由计时电路告知，要求计时电路显示时间精确到秒，最大显示时间为3分钟。一旦时间大于等于三分钟，电路自动停止计数，并取消所有同学的抢答权利。计时和抢答电路既受裁判控制，也受智力竞赛抢答获胜者控制。,70,智力竞赛抢答计时系统设计注意事项： 1、抢答器可以用锁存器实现（封锁使能端），也可以用触发器实现（封锁时钟信号），也可以直接用与非门互锁实现。 2、计时系统可用计数器390和译码器249实现。 实验三：数字信号三位数字频率计系统设计 设计要求：设计一个三位数字显示频率计系统，要求测频范围为0.199.9kHz，三位数字显示末位为四舍五入显示（误差0.05 kHz）。当被测频率f99.9kHz时，电路应能给出小数点闪光的溢出显示。 数字信号三位数字频率计系统设计注意事项： 1、该系统的设计要点是被测信号和采样脉冲信号通过闸门形成采样脉冲信号的计数显示系统设计，可用555定时器或环行振荡器形成采样脉冲信号，计数显示与抢答计时系统一样。,71,2、该系统的另一个设计要点是计数器的锁存清零问题，闸门信号、锁存信号和清零信号的关系如下：,注意：锁存信号和清零信号的电平高低应视具体锁存器和计数器要求而改变，锁存信号和清零信号的产生可用单稳态器件74LS123实现。 实验四：六位ADC系统设计 设计要求：试设计一个逐次比较型六位ADC系统，要求能将03.2V的模拟量转换成数字量输出（以发光二极管的亮暗表示）。精度为6bit，分辨率为0.05V，转换速度为15ms。,72,六位ADC系统设计注意事项： 1、逐次比较型ADC系统组成下图所示，由比较器、数模转换器和数字系统三大部分构成，本实验仅要求设计能满足要求的数字系统部分。,DAC0832实现单极性二进制数字到模拟电压转换的接线方法如下图所示：,73,2、数字系统的设计关键是六个触发器依次置1并通过比较决定触发器的1信号是否继续保持，六位比较完成后，六个触发器的状态就是转换结果。触发器可用D也可以用JK，依次置1信号可用移位寄存器194实现。,74,实验五：模拟信号六位频率计系统设计 设计要求：输入模拟信号幅度：大于200mV，测量频率范围：100Hz一20MHz的六位频率计系统。 模拟信号六位频率计系统设计注意事项： 1、实验原理请详细阅读实验讲义，该实验主要有两部分：信号放大整形、信号计数，放大整形可用uA733和高频三极管实现，考虑信号抗干扰也可以考