测控电路实验指导

实验三：开关式全波相敏检波电路实验

实验学时：2学时 实验类型：常规 实验要求：必修 一、实验目的

1．熟悉和掌握相敏检波器的工作原理。 2．验证相敏检波器的检幅特性和鉴相特性。 二、实验原理及内容

相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。只要将输入的调制信号t

U

u x x Ωcos m

=乘以幅值为1的载

波信号t

c cos ω就可以得到双边频调幅信号

t

t U t u u x c m x c s cos cos cos ωωΩ==。若

将

s

u 再乘以

t

c cos ω，就得到

]

)2cos()2[cos(4

1cos 212cos cos 2

1cos 2

1cos cos cos c c xm

c xm

xm

c 2

c s o t t U

t U

t

t U

t U

t t U t u u xm

ΩΩΩΩΩΩ++-+

=+

=

==ωωωωωxm

利用低通滤波器滤除频率为Ω

-c 2ω和Ω

+c 2ω的高频信号后就得到调制信

号

t

U

x Ωcos m

，只是乘上了系数1/2。这就是说，将调制信号ux 乘以幅值为1的载波信号t

c cos ω就可以得到双边频调幅信号us ，将双边频调幅信号us 再乘以载

波信号

t

c cos ω，经低通滤波后就可以得到调制信号ux 。

相敏检波器与调幅电路在结构上的主要区别是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出耦合回

路与滤波器的结构和参数不同。

实验参考电路图如下：

三、实验组织运行要求

根据本实验的特点、要求和具体条件，采用集中授课形式。

四、实验仪器及元器件

直流稳压电源信号发生器双踪示波器

测控电路实验台导线若干

五、实验步骤

将音频振荡器的输出信号（00 ）接至相敏检波器的输入端(1)。

1．参考信号为直流电压

⑴将直流稳压电源+2V接入相敏检波器参考信号输入端(4)，用双踪示波器测试相敏检波器输入端(1)和输出端(3)的波形。

⑵将直流稳压电源-2V接入相敏检波器参考信号输入端(4)，用双踪示波器测试相敏检波器输入端(1)和输出端(3)的波形。

2．参考信号为交流电压

⑴将音频信号00接入相敏检波器参考信号输入端(2)，用双踪示波器观察

(1) ～(6)端波形。

⑵将音频信号1800 接入相敏检波器参考信号输入端(2)，用双踪示波器观察

(1) ～(6)端波形。

3．相敏检波器检幅特性

将相敏检波器的输出端(3)接低通滤波器的输入端，将低通滤波器的输出端接数字电压表。

⑴相敏检波器的输入信号（接(1)）和参考信号（接(2)）同相，改变音频信号的输入幅值Vp-p，分别读出电压表显示的数值填入下表。

⑵相敏检波器的输入信号（接(1)）与参考信号（接(2)）反相时，改变音频信号的输入幅值Vp-p，分别读出电压表显示的数值填入下表。

4．相敏检波器的鉴相特性

将音频信号接移相器的输入端，移相器电路输出接相敏检波器参考输入端(2)，旋转移相器的电位器旋钮，改变参考电压的相位，音频振荡器输出幅值不变，用示波器观察(1) ～(6)波形，并读出对应的电压表值。

六、思考题

1. 什么是相敏检波? 为什么要采用相敏检波?

2. 什么是相敏检波器的鉴相特性?

七、实验报告

1．画出该相敏检波器的电路图，并说明该电路的工作原理。

2．画出该实验第三步骤和第四步骤的原理框图。

3．分别画出参考电压与相敏检波器的输入信号同相、反相时(1) ～(6)点的波形图及低通滤波器的输出波形。

4．画出参考电压通过移相器后（差900 时），相敏检波器(1) ～(6)点及低通滤波器的输出波形。

5. 分别纪录当参考电压与输入信号同相时、反向时，相敏检波器经低通滤波器输出对应输入信号的电压值。

实验八：压力测量仪设计

实验学时：4学时

实验类型：设计

实验要求：必修

一、实验目的

1、使同学们掌握金属箔应变片组成的称重传感器的正确使用方法；了解压力测量仪的工作原理及其在电子天平中的应用。

2、通过设计、安装、调试电路等实践环节，提高学生的动手能力，提高分析问题、解决问题的能力。

二、实验要求

1、设计一个电子天平，量程为0 ～1.999Kg，传感器采用悬臂梁式的称重传感器（悬臂梁上贴有应变片）。显示电路采用共阳极数码管。3位半A/D转换电路。

2、安装、调试电路。首先对电路进行调零、定标，然后再对电路进行稳定性、漂移（零漂、温漂）、重复性、线性等参数的测试和分析

3、写出总结报告。报告中应包括在调试过程中遇到的问题、改进方法及总结体会等。

三、实验组织运行要求

根据本实验的特点、要求和具体条件，采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。

四、实验基本原理

压力测量仪由以下五个部分组成：传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及显示器等组成。其原理框图如图1所示：

图1 压力测量仪组成框图

(1) 传感器测量电路

称重传感器的测量电路通常使用电桥测量电路，它将应变电阻值的变化转换为电压的变化，这就是可用的输出信号。

电桥电路由四个电阻组成，如图2所示：桥臂电阻R1，R2，R3和R4，其中两对角点AC接电源电压U SL=E（+10V），另两个对角点BD为桥路的输出U SC，桥臂电阻为应变电阻。

R1R4=R2R3时，电桥平衡，则测量对角线上的输出U SC为零。当传感器受到外界物体重量影响时，电桥的桥臂阻值发生变化，电桥失去平衡，则测量对角线上有输出，U SC≠0。

图2 传感器电桥测量电路

(2) 放大系统

压力测量仪的放大系统是把传感器输出的微弱信号进行放大，放大的信号应能满足模数转换的要求。该系统使用的模数转换是3位半A/D转换，所以放大器的输出应为0V ～ 1.999V。

为了准确测量，放大系统设计时应保证输入级是高阻，输出级是低阻，系统应具有很高的抑制共模干扰的能力。

(3) 模数转换及显示系统

传感器的输出信号放大后，通过模数转换器把模拟量转换成数字量，该数字量由显示器显示。显示器可以选用数码管或液晶显示器。

(4) 传感器供电电源

有恒压源与恒流源

对于恒压源供电：参考图2，设四个桥臂的初始电阻相等且均为R，当有重力作用时，两个桥臂电阻增加△R，而另外两个桥臂的电阻减少，减小量也为△R。由于温度变化影响使每个桥臂电阻均变化△RT。这里假设△R远小于R，

并且电桥负载电阻为无穷大，则电桥的输出为：

U SC= E*( R+△R+△RT)/( R-△R+△RT +R+△R+△RT)- E*( R-△R+△RT)/( R+△R+△RT +R-△R+△RT)= E*△R/（R+△RT）

即U SC= E*△R/（R+△RT）式(1)

说明电桥的输出与电桥的电源电压E的大小和精度有关，还与温度有关。

如果△RT=0，则电桥的电源电压E恒定时，电桥的输出与△R/R成正比。

当△RT≠0时，即使电桥的电源电压E恒定，电桥的输出与△R/R也不成正比。这说明恒压源供电不能消除温度影响。

对于恒流源供电：供电电流为I，设四个桥臂的电阻相等，则I ABC=I ADC=0.5I 有重力作用时，仍有I ABC=I ADC = 0.5I

则电桥的输出为：U SC= 0.5I*(R+△R+△RT)- 0.5I*(R-△R+△RT)=I*△R 即U SC= I*△R 式(2) 因此，采用恒流源供电，电桥的输出与温度无关。因此，一般采用恒流源供电为好。

由于工艺过程不能使每个桥臂电阻完全相等，因此，在零压力时，仍有电压输出，用恒流源供电仍有一定的温度误差。

五、设计提示

1、放大电路设计

首先，由于传感器测量范围是0 ～2Kg，灵敏度为1mV/V，其输出信号只有0 ～10mV左右；而A/D转换的输入应为0V ～ 1.999V，对应显示0 ～1.999Kg，当量为1mV/g，因此要求放大器的放大倍数约为200倍，一般采用二级放大器组成。

其次，在电路设计过程中应考虑电路抗干扰环节、稳定性。选择低失调电压，低漂移，高稳定性，经济性的芯片。电源电压±12V或±15V。

最后，电路中还应有调零和调增益的环节；才能保证电子电平没有称重时显示零读数；测压力时读数正确反映被测压力。

2、传感器专用直流稳压电源：

传感器要求的电源是+10V电压。对于给定的传感器其输入电阻为400Ω；输出电阻为350Ω。采用恒流源比采用恒压源可以减小非线性误差，因此本实验

中要求恒流源供电，即电流在25mA左右的恒流源。

3、按照要求查阅相关电路和元器件功能的资料，完成传感器恒流源、放大电路A/D转换及显示电路的设计，画出电路图。

4、电路调试

将+10V电压接到传感器的输入端，测量传感器的输出。在空载时，传感器的输出应为零，但由于有一个称盘，输出不为零，记下初始数据，然后在称盘上放砝码，测量传感器输出端的变化。正确的变化应为：测量0 ～2Kg，输出电压变化为0 ～10mV

调零：当传感器上不放砝码时，放大电路的输出应为零。若不为零，调整放大器的调零环节，使其输出为零。

定标：当传感器放上2Kg的砝码时，放大器的输出应为2V。小于2V或大于2V时应调节放大器的增益。

六、注意事项

1、为避免损坏传感器，使用过程中要注意轻拿轻放。往传感器上放砝码定标时，要反复调零和调增益，最后的显示才能准确。

2、在电路调试、定标等过程中应使用电压表、电流表监测传感器的供电电源(数字万用表电压挡测量输出电压；用模拟表电流挡测量电流)。必须保证供给传感器的电压、电流是恒定值，才能保证传感器的输出信号与被测量呈线性关系。

3、接线或插拔元器件、芯片时要断电。

七、思考题

1、推导传感器采用恒流源供电与恒压源供电时单臂电桥的输出表达式，及非线性误差，进一步说明恒流源供电的好处。

2、推导恒压源供电时，单臂电桥、双臂电桥和四臂全桥输出表达式，进一步说明四臂全桥好处。