2-课程设计指导书--电子测量

电子测量与虚拟仪器课程设计设计任务指导书物理与电子工程学院2011年4月课题一基于二极管整形网络的正弦信号发生器1课题要求使用模拟或者数字的方法设计一个频率可调的三角波发生器，并利用二极管网络将三角波整形成为近似正弦波。对整形的正弦波作进一步处理：1)使正弦波峰峰值可变2)使正弦波可叠加直流偏置3)频率调节范围50Hz～100KHz分析原理，设计电路，正确选择参数，在实现电路仿真的基础上搭建和调试硬件电路2课题要点和指导(1)三角波发生器，可利用运算放大器、555定时器等器件实现方波振荡，利用方波的积分效果得到三角波。(2)二极管整形网络，可参考《电子测量技术基础》、《通用电子电路应用400例》等相关书籍，其基本原理图如下，其中R7~R14R1~R6：(3)要实现峰值可变及叠加直流偏置可使用运算放大器。(4)频率调节范围尽量大，不要求完全达到，但应分析原因。课题二基于LPF滤波器的正弦信号发生器1课题要求设计一个占空比可变、频率可调的矩形波发生器，另外设计一个截止频率可跟踪调节的滤波器，对矩形波滤波，获得同频率正弦波。对正弦波作进一步处理。1）使正弦波峰峰值可变2）正弦波可进行一定程度的相位调节3）频率调节范围可跨越4个10倍频程4）*输出功率峰值5V/10V带动50欧姆负载2课题要点和指导（1）方波发生器，可利用运算放大器、555定时器等器件实现方波振荡；（2）方波的占空比、频率通过正向和反向积分时间常数的RC参数进行调节，问题在于调节占空比时如何使频率保持不变。（3）产生的矩形波（以方波为例），经FFT变换后可知，其包含的频率分量包括1次谐波、3次谐波、5次谐波……所以滤波器设计的关键在于如何将高次谐波干净的滤去，截至频率需要设在3次谐波以下。另外由于1次谐波和3次谐波间隔较短，所以要求滤波器的衰减应至少是-40db/dec。可参考下图设计4阶有源滤波器（-80db/dec）。（4）参考资料康华光《模拟电子技术》。（5）输出功率可以参考互补功率输出器。课题三数字合成低频信号发生器1课题要求设计一个数字合成低频信号发生器，参考框图如下其中DA模块使用集成运放构建。通过调节电阻网络参数，产生近似的正弦波信号。2课题要点和指导（1）课题背景：数字合成低频信号发生器可以有效地改善RC文氏桥振荡器频率准确度低、稳定度较差、非线性失真较大、输出信号的幅频特性不太平坦等缺点。正弦波由阶梯波合成，而阶梯波的形成是由存储在只读存储器(ROM)中的数字信息经数/模转换器(DAC)形成的。（2）下图为阶梯波构成的波形示意，再经低通滤波器加以“平滑”，即滤除阶梯波中的高次谐波，得到正弦波输出。（3）本课题DAC要求用运放加法器实现，不使用ROM，DA的数字信号直接来自计数器。（4）产生的波形基本要求是得到三角波，发挥要求为正弦波（不易实现）。课题四相位差检测电路1课题要求设计一个直读相位差检测电路，该电路可测试一个经过移相电路的信号（正弦波）移相后与原信号间存在的相位差，可由测试电路检测并显示。要求1）设计移相电路2）设计检测电路，可以使用MCU或者Labview3）方法一：使用模拟式检测方法，将相位差信号转换成直流电压或者直流电流信号进行检测。方法二：或者使用数字式相位计原理设计电路。4）要求分析系统最后的精度。2课题要点和指导1）基本的移相网络是RC电路，如下图，一级RC可实现0~90o滞后或者超前相位，但其主要缺点是信号衰减。所以应考虑改进使用有源RC移相网络，以及进行级联。2）模拟和数字相位检测方法参考《电子测量技术基础》，基本原理如下模拟法数字法课题五基于编程语言的随机误差处理程序1课题要求试用VB编程或C语言实现一个随机误差处理程序（假设不存在系差）。程序可对输入的测试样本（未知个数）进行随机误差分析，可根据莱特准则删除坏值，并计算最终值的表达式。软件要求接口合理，提示说明充分。1）可以读取文本文件的样本2）可以手工输入样本3）可以增加、删除、替换样本4）可以显示详细的计算过程2课题要点和指导当对某一量进行等精度测量时，测量值中可能含有系统误差、随机误差和疏失误差。为了给出正确合理的结果，应按下述基本步骤对测得的数据进行处理：（《电子测量技术基础》）(1)利用修正值等办法对测得值进行修正，将已减弱恒值系差影响的各数据xi依次列成表格。(2)求出算术平均值(3)列出残差vi=xi－,并验证(4)列出v2i,按贝塞尔公式计算标准偏差(实际上是标准偏差σ的最佳估计值):(5)按|vi|3σ的原则，检查和剔除粗差(见2.4节式(2.4-25)和式(2.4-26))。如果存在坏值，则应当剔除不用，而后从第(2)步开始重新计算，直到所有|vi|≤3σ为止。(6)判断有无系统误差。如有系差，则应查明原因，修正或消除系差后重新测量。(7)算出算术平均值的标准偏差(实际上是其最佳估计值)：(8)写出最后结果的表达式，即niixnx11xnxxxA3niivn1211课题六峰值和均值检波电路设计1课题要求设计一个峰值检波和均值检波电路，可以检测正弦波电压或者其他波形的峰值和均值。1）要求检波的频率尽量高，基本要求200K，扩展要求1M2）使用有源检波电路3）峰值采样和显示使用AD和MCU或者Labview2课题要点和指导（1）平均值检波器的原理：将|ux|用傅里叶级数展开，其直流分量为恰为其整流平均值，加在表头上，流过表头的电流I0正比于即正比于全波整流平均值。|ux|傅里叶展开式中的基波和各高次谐波均被并接在表头上的电容C旁路而不流过表头，因此，流过表头的仅是和平均值成正比的直流电流I0。为了改善整流二极管的非线性，实际电压表中也常使用图(b)所示的半桥式整流器。（2）峰值检波基本参考电路：UtuTUTx00d1U课题八示波器的时基发生器1课题要求设计一个示波器的时基发生器，当示波器有触发信号产生时可以产生水平通道的扫描信号。时基发生器要求实现以下几个功能模块。（相关原理参考书本117页）1）时基闸门电路2）扫描电压发生器3）电压比较器4）释疑电路水平扫描信号通过示波器可以观察，扫描信号的边沿长度可调。2课题要点和指导示波器时基发生器如图所示，（1）时基闸门电路是一个典型的施密特电路，它是双稳态触发电路，当触发脉冲在t1时刻到来时，电路翻转，输出高电平，使得扫描电压发生器开始工作。（2）扫描电压产生器是一个密勒积分器，它能产生高线性度的锯齿波电压。（3）电压比较器将送入的电压U0与参考电压Ur进行比较当U0Ur时，电压比较器输出随U0下降，给释抑电路的电容器充电，由此使得时基闸门电路的输入电压下降，当降到双稳态时基闸门的负触发电平时，时基闸门电路翻转，相当于开关S接通，控制扫描电压发生器结束负向锯齿波的生成而进入回程期，电路翻转的时刻为t2。（4）释抑电路的作用是保证每次扫描都开始在同样的起始电平上。通常最简单的释抑电路是一个RC电路，该电路保持了电压比较器送来的负的电平。课题九频率电压转换法测频电路1课题要求设计一个频率电压转换法测频电路。电路可将处于一定频率范围的被测信号转换成矩形脉冲序列。并根据脉冲序列的电压均值检测出输入信号的频率。（相关原理可以参考书本164页）要求：1）分析均值电压与频率的关系2）通过分析一组样本数据说明测量的精度3）分析可测频率的范围。4）通过后端处理实现电压与频率的良好对应。2课题要点和指导1）把频率转换为电压或电流，然后用表盘刻度有频率的电压表或电流表来测频率。2）正弦信号转换为频率与之相等的尖脉冲uA,然后加于单稳多谐振荡器，产生频率为fx、宽度为τ、幅度为Um的矩形脉冲列uB(t)，如图这一电压的平均值等于当Um、τ一定时，U0正比于fx。所以，经一积分电路求u(t)的平均值U0，再由直流电压表指示就成为f-V转换型直读式频率计，电压表直接按频率刻度。xxTBxfUTUttuTUxmm0od)(1