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PAGEPAGE1電子測量與儀器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書梁勇、于新業(yè)主編桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院電子工程系2011-0實(shí)驗(yàn)室要求1、請同學(xué)們不要帶早餐進(jìn)實(shí)驗(yàn)室吃。2、請同學(xué)們不要穿拖鞋進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。3、請大家離開實(shí)驗(yàn)室前整理好桌面、面包板,并關(guān)閉相關(guān)儀器。實(shí)驗(yàn)要求1、總共3個(gè)局部實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)。2、遲到10分鐘就取消當(dāng)次實(shí)驗(yàn)資格,重選其它時(shí)間當(dāng)次實(shí)驗(yàn),錯(cuò)過不待。3、每次做實(shí)驗(yàn)之前要求寫預(yù)習(xí)報(bào)告,沒有預(yù)習(xí)報(bào)告不給做實(shí)驗(yàn)。4、實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以手抄,也可以打印,但是打印版一定得有實(shí)驗(yàn)電路的仿真圖和結(jié)果(仿真軟件不限),鼓勵(lì)打印版,杜絕相互抄襲,一旦查出,取消本課程考試資格。5、本實(shí)驗(yàn)占總成績的20%,不單獨(dú)考試。實(shí)驗(yàn)成績評定實(shí)驗(yàn)課每一次的成績由以下幾個(gè)部分組成:1、考勤情況2、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(預(yù)習(xí)報(bào)告和最終報(bào)告)3、課堂紀(jì)律和回答問題情況4、動手能力5、安全情況和環(huán)境情況實(shí)驗(yàn)一測量數(shù)據(jù)處理與線性擬合一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步熟悉在測量中數(shù)據(jù)處理的重要性;2、掌握最小二乘法的原理;3、熟悉利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.熟悉與掌握最小二乘法基本原理;2.搭建測試電路;3.測量兩個(gè)測試點(diǎn)的電壓值;4.求出按擬合線性方程并劃出相應(yīng)曲線。三、基本原理1最小二乘法基本原理在許多實(shí)際問題中,往往需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得兩個(gè)變量x與y的若干組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(x1,y1),…(xn,yn)來建立這兩個(gè)變量的函數(shù)關(guān)系的近似式,這樣得到的函數(shù)近似式稱為經(jīng)驗(yàn)公式。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,能夠判斷x、y大體上滿足某種類型的函數(shù)關(guān)系y=f(x,a1,a2,…,as),但是其中s個(gè)參數(shù)a1,a2,…,as的值需要通過n組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定,通常可以這樣來確定參數(shù):選擇參數(shù)a1,a2,…,as,使得f(x,a1,a2,…,as)在x1,x2…xn處的函數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)y1,y2…yn的偏差的平方和為最小,就是使(1)為最小,這種方法稱為最小二乘法。當(dāng)是s個(gè)參數(shù)的線性函數(shù)時(shí),利用求極值與解線性方程組的方法可以解決。例如,若x、y大體上滿足線性關(guān)系即,則 (2)由多元極值的求法有 (3)解上述關(guān)于a、b的二元一次方程組得 從而求得經(jīng)驗(yàn)公式。2.實(shí)驗(yàn)電路測試電路 實(shí)驗(yàn)電路如下圖所示:要求自己用面包板搭建測量電路,并認(rèn)真檢查所搭建是否正確。在保證電路正確之后進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。把所測數(shù)據(jù)添到下表(總共12組數(shù)據(jù))其中測試點(diǎn)1的電壓范圍0.3~1.5V。123456789101112測試點(diǎn)1(x)測試點(diǎn)2(y)然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在X-Y坐標(biāo)系里畫出曲線圖,要求描出12個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。四、實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備及元器件直流穩(wěn)壓電源、面包板、電阻、高亮白光LED一個(gè)、萬用表等。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、最小二乘法基本原理系數(shù)求解公式;2、計(jì)算流過發(fā)光二極管的電流變化范圍;3、按要求完整填寫測試表格;4、提出提高測量精度的方法和措施。六、思考題1.如何減小測量誤差?2.多項(xiàng)式擬合與最小二乘法擬合的差別?實(shí)驗(yàn)二自動量程轉(zhuǎn)換電路一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)熟悉在測量中量程轉(zhuǎn)換的重要性;2、掌握自動量程轉(zhuǎn)換的基本原理;3、學(xué)會設(shè)計(jì)自動量程轉(zhuǎn)換電路。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.熟悉自動量程轉(zhuǎn)換基本原理;2.搭建自動量程轉(zhuǎn)換電路;3.測量兩個(gè)測試點(diǎn)的電壓值;三、基本原理1.在科研生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域都會用到各種測量電壓的設(shè)備。大都采用機(jī)械開關(guān)用手動的方式,根據(jù)被測信號的大小來進(jìn)行量程的切換。實(shí)踐證明,傳統(tǒng)的機(jī)械手動切換量程己經(jīng)不能適應(yīng)科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的發(fā)展。對傳統(tǒng)機(jī)械手動量程切換改為自動切換,就是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主題。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,經(jīng)常會遇到各種數(shù)據(jù)采集,為了簡化電路結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)性能價(jià)格比,常常是多個(gè)通道共用一個(gè)放大器,這樣就會帶來一些問題:由于各個(gè)輸入量信號電平各不相同,放大器增益也應(yīng)該不同。而對于單通道的輸入來說,盡管放大器的放大倍數(shù)相同也同樣存在問題:若輸入信號變化范圍大,則小信號將得不到有效放大。比如,對于測量電路的第一個(gè)實(shí)驗(yàn),將10mv與1v放大到5v所需的增益是不能相同的。上述兩種情況都將因?yàn)榉糯笃鞯脑鲆娌荒茈S輸入信號自動改變而降低A/D轉(zhuǎn)換精度,以致影響了控制質(zhì)量。一般情況下,在模擬輸入量送到A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí),為了減少轉(zhuǎn)換誤差,總希望傳送來的模擬信號盡可能的大,即應(yīng)使被轉(zhuǎn)換量落在A/D轉(zhuǎn)換線性特性之內(nèi),并盡可能在1/2滿度~接近滿度的區(qū)域中轉(zhuǎn)換。解決的對策是:對小信號輸入采用高放大倍數(shù),對大信號輸入采用低放大倍數(shù)。實(shí)現(xiàn)的方法是:根據(jù)未知輸入?yún)?shù)量的范圍,自動地選擇合適的放大倍數(shù),以切換到合適的量程,即在采集通道中設(shè)置可變增益放大器,借助多路模擬開關(guān),由比較器控制其通斷(如果有單片機(jī)等控制器則更簡單),獲取所需的量程。2.所用4運(yùn)放芯片LM324N簡介:LM324N系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比,它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下。共模輸入范圍包括負(fù)電源,因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。它有14個(gè)引出腳,其中“Vcc”、“gnd”為正、負(fù)或地電源端,“out”為輸出端。兩個(gè)信號輸入端中,IN(-)為反相輸入端,表示運(yùn)放輸出端out的信號與該輸入端的位相反;IN(+)為同相輸入端,表示運(yùn)放輸出端out的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見右圖。LM324的特點(diǎn):1.短跑保護(hù)輸出2.真差動輸入級3.可單電源工作:3V-32V4.低偏置電流:最大100nA5.每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器。6.具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?.共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源8.輸入端具有靜電保護(hù)功能3.所用模擬開關(guān)芯片CD4051CD4051/CC4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān),有三個(gè)二進(jìn)控制輸入端A、B、C和INH輸入,具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5~20V的數(shù)字信號可控制峰值至20V的模擬信號。例如,若VDD=+5V,VSS=0,VEE=-13.5V,則0~5V的數(shù)字信號可控制-13.5~4.5V的模擬信號。這些開關(guān)電路在整個(gè)VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗,與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)。當(dāng)INH輸入端=“1”時(shí),所有的通道截止。三位二進(jìn)制信號選通8通道中的一通道,可連接該輸入端至輸出。2.實(shí)驗(yàn)框圖與原理圖 四、實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備及元器件實(shí)驗(yàn)板、電阻、CD4051、LM324N、萬用表等。五、實(shí)驗(yàn)步驟要求課前預(yù)習(xí)(仿真)電路參數(shù)的確定方法。要求自己用面包板搭建測量電路,并認(rèn)真檢查所搭建是否正確。在保證電路正確之后進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。1、按照實(shí)驗(yàn)原理圖搭建左側(cè)的比較電路,運(yùn)算放大器LM324共4路放大器可任意選擇3路,供電電壓選0V~+12V。2、調(diào)整10K可調(diào)電阻的輸出電壓給比較器組提供輸入,同時(shí)測量與CD4051相連的管腳電壓(連線前測量),記錄于下表:100mV300mV600mV1200mV電壓邏輯電壓邏輯電壓邏輯電壓邏輯測試點(diǎn)1(C)測試點(diǎn)2(B)測試點(diǎn)3(A)3、按照實(shí)驗(yàn)原理圖搭建右側(cè)的程控放大電路,與前面的比較器組連接,從小到大調(diào)整10K可調(diào)電阻的輸出電壓,并測量程控放大器的最終輸出級電壓,即CD4051的3腳,記錄于下表:123456789101112測試點(diǎn)1(x)50mV100mV150mV250mV300mV350mV500mV600mV700mV900mV1200mV1500mV測試點(diǎn)2(y)注:測試點(diǎn)1為10K電位器的輸出電壓,測試點(diǎn)2為程控放大器輸出。4、(選作)測量比較器臨界點(diǎn),以及程控放大器的跳變現(xiàn)象。(1)可以使用兩只萬用表,分別測量輸入點(diǎn)電壓(電位器輸出)和比較器輸出(事先估計(jì)該跳變的比較器),從小到大調(diào)整10K可調(diào)電阻的輸出電壓,觀察比較器的跳變電壓,并記錄。(2)同樣使用兩只萬用表,分別測量輸入點(diǎn)電壓(電位器輸出)和程控放大器的輸出,從小到大調(diào)整10K可調(diào)電阻的輸出電壓,觀察放大器輸出的回歸現(xiàn)象,并記錄回歸電壓。步驟4參考表格:第一轉(zhuǎn)折電壓第二轉(zhuǎn)折電壓第三轉(zhuǎn)折電壓第四轉(zhuǎn)折電壓測試點(diǎn)1(電位器輸出)測試點(diǎn)2(C、B、A)測試點(diǎn)3(程控輸出)五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、分析比較電壓的確定方法,電阻選定的原則;2、按要求完整填寫測試表格;3、分別計(jì)算各放大區(qū)間的理論放大倍數(shù),并分別與實(shí)測結(jié)果比較,思考提高測量精度的方法和措施;4、總結(jié)實(shí)驗(yàn)心得。六、思考題1.如何設(shè)計(jì)一個(gè)具有衰減信號的自動量程電路?2.如果要求使用單片機(jī)等微控制器構(gòu)成程控放大器,該系統(tǒng)又該如何連接?3.如果要求檢測交流信號,又該如何改進(jìn)電路?4.該電路可否搭成反向比例放大器?為什么?實(shí)驗(yàn)三基于proteus的仿真應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)知道軟件在實(shí)驗(yàn)中的作用;2、掌握poteus軟件中常用虛擬儀器的基本原理;3、學(xué)會利用proteus仿真各種電路。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.學(xué)習(xí)proteus的基本使用;2.用proteus仿真練習(xí)簡單電路,學(xué)會軟件中虛擬儀器的使用和調(diào)試;三、proteus的基礎(chǔ)入門1、開始所有程序proteusprofessionalISIS7professional。2、界面里選擇“NO”,在打開的集成環(huán)境下出現(xiàn)圖1。圖1界面圖2關(guān)鍵字查詢在圖1界面下方,用鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕“P”,就可以用關(guān)鍵字查詢的方式進(jìn)行芯片仿真模型搜索,如圖2所示。比如在關(guān)鍵字查詢框內(nèi)輸入LM331,就會在中間的device下面出現(xiàn)LM331的仿真模型,如圖3所示。同時(shí)在右上面的窗口里出現(xiàn)該模型的原理圖。同時(shí)圖上面顯示的“schematicmodel”表示該芯片模型可以仿真,如圖4所示。如果出現(xiàn)“Nosimulatormodel”則表示該芯片模型不能仿真,如圖5所示,此時(shí)必須想辦法找相近芯片替換。圖3關(guān)鍵字查詢結(jié)果圖4可以仿真的芯片模型圖5不能仿真的芯片模型找到可以仿真的芯片模型后,雙擊中間窗口中該芯片,它就會出現(xiàn)在集成開發(fā)環(huán)境中的窗口中,如圖6所示?,F(xiàn)在用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“MINRES10K”,然后將鼠標(biāo)拖到中間窗口后鼠標(biāo)后有一個(gè)元件跟著移動,當(dāng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)后就會將該元件放在相應(yīng)位置。如圖7所示。圖6添加所有需要的仿真元件圖7選擇元件如果要修改元件的屬性,比如“R?”修改為“R1”圖8元件屬性編輯圖9元件旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)如果需要將元器件旋轉(zhuǎn)或者翻轉(zhuǎn),則將鼠標(biāo)放在元件位置右擊鼠標(biāo),如圖9所示。將所有的器件連接好了后,再添加芯片的供電電源和地線。電源和地線如圖10所示。圖10電源和地線圖11各種信號源選擇圖10左下角的按鈕,選擇POWER就是電源,選擇GROUND就是地。如果需要選擇信號源,可以點(diǎn)擊圖11的左下角后出現(xiàn)各種信號源,DC就是直流信號源,SINE就是交流信號源等。圖12各種儀器儀表需要萬用表或者示波器時(shí),點(diǎn)擊圖12左下角,則出現(xiàn)各種儀器儀表,比如示波器OSCILLOSCOPE,頻率計(jì)COUNTERTIMER,直流電壓表DCVOLTMETER等各種常見儀器儀表。二、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)內(nèi)容
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