电压电流信号发生器使用方法

线性集成电路应用实训

实训一　运算放大器

实训目标

1.加深对线性状态下集成运算放大器工作特点的理解。

2.进一步巩固和理解集成运算放大器基本运算电路的构成及功能。

3.学会集成运算放大器的正确使用方法。

4.熟悉集成运放比例运算电路的调试和实验方法。

实训原理

1.运算放大器是具有两个输入端、一个输出端的高增益、高输入阻抗、低漂移的直流放大器。在它的输出端和输入端之间加上反馈网络，就可以实现各种不同的电路功能，如反馈网络为线性电路时，运算放大器可以实现放大、加、减、微分和积分等；如反馈网络为非线性电路时，可以实现对数、乘法、除法等运算功能；另外还可以组成各种波形产生电路，如正弦波、三角波、脉冲波等。集成运算放大器是人们对“理想放大器”的一种实现。一般在分析集成运放的实用性能时，为了方便，通常认为运放是理想的。

2.由于集成运放有两个输入端，因此按输入接入方式不同，可有三种基本放大组态，即反相放大、同相放大和差动放大组态，它们是构成集成运放系统的基本单元。

图8-1-1　 集成运放μA741

实训器材

直流电源；函数信号发生器；双踪示波器；集成运放μA741；电阻、导线等其他相关设备。

实训器内容与步骤

1.按图8-1-2和8-1-3连接电路：

图8-1-2　反相比例运算电路

图8-1-3　同相比例运算电路

2.在实验台D组直流稳压电源处调出+12 V和-12 V两个电压，并将其接入实验电路中芯片的引脚7和引脚4，除固定电阻外，可变电阻用万用表欧姆挡调出电路所需数值，与对应位置相连。

3.输入f=100 Hz的正弦交流信号。观测电路，并将数据逐一记录在表8-1-1和表8-1-2中。

表8-1-1

表8-1-2

思考题

1.理论计算出的电路放大倍数为多少？

2.分析电路输出和输入之间的关系是否满足各种运算。

(余会娟)

实训二　数字锁相环

实训目标

1.了解数字锁相环的基本概念。

2.熟悉数字锁相环的指标。

3.熟悉数字锁相环的指标。

实训原理

数字锁相环位同步法是采用高稳定度的振荡器(信号钟)，从鉴相器所获得的与同步误差成比例的误差信号，通过一个控制器在信号钟输出的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲，这样可以调整加到减相器上的位同步脉冲序列的相位，达到同步的目的。其结构如图8-2-1 所示，由参考时钟、多模分频器(三种模式：超前分频、正常分频、滞后分频)、双路相位比较，高倍时钟振荡器等组成。

图8-2-1　数字锁相原理框图

本实验系统数字锁相环的结构如图8-2-2 所示。本实验系统数字锁相环均在FPGA 内部实现。如图8-2-2，采样器1、2 构成一个数字鉴相器，时钟信号E、F 对D 信号进行采样，如果采样值为01，则数字锁相环不进行调整(÷64)，如果采样值为00，则下一个分频系数为(÷63)；如果采样值为11，则下一个分频系数为(÷65)。数字锁相环调整的最终结果使本地分频时钟锁在输入的信道时钟上。

图8-2-2　数字锁相环结构图

图8-2-3　数字锁相环的基本锁相过程

如图8-2-3，在锁相环开始工作之前的T1 时刻，D 点的时钟与输入参考时钟C 没有确定的相位关系，鉴相器输出为00，则下一时刻分频器为÷63 模式，这样使D 点信号上升沿提前。在T2 时刻，鉴相器输出为01，则下一时刻分频器为÷64 模式。由于振荡器为自由方式，因而在T3 时刻，鉴相器输出为11，则下一时刻分频器为÷65 模式，这样使D 点信号上升沿滞后。这样，可变分频器不断在三种模式之间切换，最终使D 点时钟信号的时钟沿在E、F 时钟上升沿之间，从而使D 点信号与外部参考信号达到同步。

本数字锁相环模块各测试点定义如下：

a.TPMZ01：本地经数字锁相环后输出时钟(56 kHz)；

b.TPMZ02：本地经数字锁相环后输出时钟(16 kHz)；

c.TPMZ03：外部输入时钟÷4 分频后信号(16 kHz)；

d.TPMZ04：外部输入时钟÷4 分频后延时的信号(16 kHz)；

e.TPMZ05：数字锁相环调整信号。

实训器材

JH5001 通信原理综合实验系统一套；20MHz 双踪示波器一台；函数信号发生器一台。

实训器内容与步骤

用函数信号发生器产生一个64 kHz 的TTL 信号送入数字信号测试端口J007。

1.锁定状态测量

用示波器同时测量TPMZ03、TPMZ02 的相位关系，测量时用TPMZ03 同步。

2.数字锁相环的相位抖动特性测量

以TPMZ03 为示波器的同步信号，用示波器测量TPMZ02，仔细调整示波器时基，使示波器刚好容纳TPMZ02 的一个半周期，观察其上升沿。可以观察到其上升较粗(抖动)，其宽度与TPMZ02 周期的比值的一半即为数字锁相环的时钟抖动。

3.锁定过程观测

(1)用示波器同时观测TPMZ03、TPMZ02 的相位关系，测量时用TPMZ03 同步；复位通信原理综合实验系统，则FPGA 进行初始化，数字锁相环进行重锁状态，此时，观察它们的变化过程。

(2)用示波器测量TPMZ05 波形，复位通信原理综合实验系统，观察调整的变化过程。

4.同步带测量

(1)用函数信号发生器产生一个64 kHz 的TTL 信号送入数字信号测试端口J007。

用示波器同时观测TPMZ03、TPMZ02 的相位关系，测量时用TPMZ03 同步。

(2)缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03、TPMZ02 两点波形失步，记录下失步前的频率。

(3)调整函数信号发生器频率，使环路锁定。缓慢降低函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03、TPMZ02 两点波形失步，记录下失步前的频率。

(4)计算同步带。

5.捕捉带测量

(1)用函数信号发生器产生一个64 kHz 的TTL 信号送入数字信号测试端口J007。用示波器同时观测TPMZ03 、TPMZ02 的相位关系，测量时用TPMZ03 同步。

(2)增加函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03 、TPMZ02 两点波形失步，然后缓慢降低函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03 、TPMZ02 两点波形同步，记录下同步一刻的频率。

(3)降低函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03 、TPMZ02 两点波形失步，然后缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至TPMZ03 、TPMZ02 两点波形同步，记录下同步一刻的频率。

(4)计算捕捉带。

6.调整信号脉冲观测

(1)用函数信号发生器产生一个64 kHz 的TTL 信号送入数字信号测试端口J007。用示波器观测数字锁相环调整信号TPMZ05 处波形。

(2)增加或降低函数信号发生器输出频率，观测TPMZ05 处波形的变化规律。

思考题

1.画出数字锁相环的锁定过程。

2.画出各测量点的波形。

3.分析、总结数字锁相环同步带和捕捉带的特点。

(余会娟)

实训三　波形发生器

实训目标

1.掌握正弦波、方波、三角波发生器的设计方法。

2.学会安装、调试分立器件与集成电路组成的电子电路。

3.学会使用能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。

4.熟悉正弦波等振荡电路的振荡条件。

实训原理

1.波形发生器

图8-3-1　方波发生器

频率　

2.三角波发生器

3.正弦波发生器

图8-3-3　正弦波发生器

频率　

实训器材

直流电源；函数信号发生器；双踪示波器；频率计；万用表；模拟/数字实验箱。

实训器内容与步骤

1.按图连线后，将方波发生器和三角波发生器电路合并，改成调节电位器Rp，用示波器观察Uo的波形及其变化，验收并画出f=1 kHz时的波形(要求记录幅值及周期)。

2.正弦波发生器电路改成将两稳压管去掉，观察Uo的波形，并与第一次记录的Uo的波形进行比较，得出结论。记录按实验步骤中要求测出的波形。

思考题

1.三角波输出幅度是否可以超过方波幅度？如果正、负电源电压不等，输出波形如何？

2.RC正弦波振荡器如果不起振，将如何调节？

(余会娟)

实训四　有源开关电容滤波器

实训目标

1.了解RC无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性。

2.分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性。

3.了解示波器所测滤波器的实际幅频特性与理想幅频特性。

4.LPF、HPF、BPF、BEF源滤波器之间的转换连接。

实训原理

滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率(通常是某个频率范围)的信号通过，而其他频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。这些网络可以是RLC组件或RC组件构成的无源滤波器，也可是RC组件和有源器件构成的有源滤波器。

根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)和带阻滤波器(BEF)四种。图8-4-1分别为四种滤波器的实际幅频特性的示意图及四种滤波器的幅频特性。

图8-4-1　四种滤波器的幅频特性

实训器材

直流电源；函数信号发生器；双踪示波器；频率计；万用表；实验模块电路板 。

实训器内容与步骤

1.将基本实验模块电路板接通电源，用示波器从总体上先观察各类滤波器的滤波特性。

2.实验时，在保持滤波器输入正弦波信号幅值(Ui)不变的情况下(取输入正弦波的最大值为1 V)，逐渐改变其频率，用示波器(f<15 kHz)测量滤波器输出端的电压Uo。当改变信号源频率时，都应观测一下Ui是否保持稳定，数据如有改变应及时调整。

3.按照以上步骤，分别测试无源、有源LPF、HPF、BPF、BEF 的幅频特性。

(注意：滤波器的输入信号幅度不宜过大，对于有源滤波器,电压一般不要超过5 V。)

4.根据实验测量所得数据，绘制各类滤波器的幅频特性曲线。并计算出特征频率、截止频率和通频带。比较分析各类无源和有源滤波器的滤波特性。

5.实训记录与结果

表8-4-1　实验记录表格

思考题

1.示波器所测滤波器的实际幅频特性与计算出的理想幅频特性有何区别？

2.如果要实现LPF、HPF、BPF、BEF有源滤器之间的转换，应如何连接？

(余会娟)

实训五　集成稳压器

实训目标

1.研究单相桥式整流、电容滤波电路的特性。

2.了解集成三端稳压器的特性和使用方法。

3.掌握集成稳压器主要性能指标的测试方法。

4.了解相关章节的整流、滤波等内容。

5.了解集成稳压器7812的主要技术参数。

实训原理

1.集成稳压器L7812

图8-5-1 为 L7812的外形和接线图，它有三个引出端：

输入端(不稳定电压输入端)

标以 “1”

输出端(稳定电压输出端)

标以 “3”

公共端

标以 “2”

本实验所用集成稳压器为三端固定正稳压器L7812，它的主要参数有：输出直流电压 Uo=+12 V，输出电流 Io=0.1 A，电压调整率10 mV/V，输出电阻Ro=0.15 Ω，输入电压Ui的范围15～17 V 。一般Ui要比 Uo大3～5 V ，才能保证集成稳压器工作在线性区。

图8-5-1　L7812的外形及接线图

图8-5-2　1QC-4B桥堆管脚图

2.桥堆

四个二极管组成的桥式整流器成品(又称桥堆)，内部接线和外部管脚引线如图8-5-2所示，用于整流。

3.输出电阻Ro

输出电阻 Ro定义为：当输入电压Ui(指稳压电路输入电压)保持不变，由于负载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比，即

常数

4.稳压系数S(电压调整率)

稳压系数S定义为：当负载保持不变，输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即

常数

其中，Uo=12 V，Ui为Uo=12 V对应的稳压器输入电压。

由于工程上常把电网电压波动±10%作为极限条件，因此也有将此时输出电压的相对变化ΔUo/Uo作为衡量指标，称为电压调整率。

5.纹波电压

输出纹波电压是指在额定负载条件下，输出电压中所含交流分量的有效值(或峰值)。

实训器材

直流电源；函数信号发生器；双踪示波器；频率计；万用表；模拟电子实验箱。

实训器内容与步骤

1.整流滤波电路测试

(1)按图8-5-3连接实验电路，取可调工频电源14 V(应使用数字万用表的交流20 V挡位测量其实际值)电压作为整流电路输入电压u2。

(2)先单独用示波器的通道“1”观察工频电源的波形，再用通道“1”观察纹波电压的波形。观察完后，示波器不再与电路连接。

(3)使用数字万用表直流电压20 V挡测量负载RL=240 Ω两端的电压UL。

(4)使用数字交流毫伏表的通道“1”测量输出端的纹波电压L。

图8-5-3　整流滤波电路

2.集成稳压器性能测试

(1)按图8-5-3连接实验电路，取负载电阻RL=120 Ω。

(2)接通工频14 V电源，测量U2的值；测量滤波电路输出电压Ui(稳压器输入电压)，集成稳压器输出电压Uo的数值应与理论值12 V接近，电流表的读数应为100 mA左右，否则说明电路出了故障。

(3)输出电压Uo和最大输出电流Iomax的测量。在输出端接负载电阻RL=120 Ω，由于7812输出电压Uo=12 V，因此流过RL的电流=0.1 A=100 mA。这时Uo应基本保持不变，若变化较大则说明集成块性能不良。

3.实训记录与结果

表8-5-1　整流滤波电路测试

表8-5-2　集成稳压器性能测试

输出电压Uo和最大输出电流Iomax的测量(负载：RL=120 Ω)

实训注意事项

虽然集成稳压器的内部有很好的保护电路，但在实际使用中仍会因为使用不当而损坏。故应特别注意以下几点：

1.输入、输出不能接反，若反接电压超过7 V，将会损坏稳压管。

2.输入端不能短路，故应在输入、输出端接一个保护二极管。

3.防止浮地故障。由于三端稳压器的外壳为公共端，当它装在设备底板或外机箱上时，应接上可靠的公共连接线。

(余会娟)

实训六　555定时器

实训目标

1.掌握555定时器的工作原理。

2.掌握多谐振荡器的应用方法。

3.掌握单稳态触发器的应用方法。

4.学会测量并使用多谐振荡器。

5.熟悉555定时器的测试方法。

实训原理

555定时器有双极型和CMOS型两种电路。无论哪种类型均有单或双定时器电路：双极型产品型号的最后三位数码为555(单)或556(双)；CMOS产品型号的最后四位数码为7555(单)或7556(双)。

它们的结构、工作原理以及外部管脚排列完全相同，其功能完全一样，不同之处是双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。

555定时器是一个模拟与数字混合的集成电路，可以将输入的模拟信号转化为一定的数字信号输出，因而广泛应用于生产实践的各个领域。555定时器的电路原理图如图8-6-1所示，该电路只需外接少量的阻容元件，就可以实现多种应用，而基本的应用有多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器。

图8-6-1　555定时器的电路原理图

实训器材

直流电源；函数信号发生器；双踪示波器；频率计；万用表；555定时器；电阻、电容若干。

实训器内容与步骤

1.构成单稳态触发器

图8-6-2(a)为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。触发电路由C1、R1、D构成，其中D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关和T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经C1接到引脚2端。并使2端电位瞬时降低，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C开始充电，UC按指数规律增长。当UC充电时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出电压Uo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到做好准备。波形图如图8-6-2(b)所示。

单稳态的持续时间tw(即为延时时间)决定于外接元件R、C值的大小。

tw=1.1RC

图8-6-2　单稳态触发器

通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端(引脚4)接地的方法来终止暂态，重新计时。此外尚需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。

2.构成多谐振荡器

如图8-6-3(a)所示，是由555定时器和外接元件R1、R2、C构成的多谐振荡器，其中引脚2与引脚5、引脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端C1放电，使电路产生振荡。电容C在(1/3)Vcc和(2/3)Vcc之间充电和放电。其波形如图8-6-3(b)所示。输出信号的时间参数是

T=tw1+tw2，　tw1=0.7(R1+R2)C，　tw2=0.7 R2C

555电路要求R1与R2均应大于或等于1 kΩ，但R1+R2应小于或等于3.3 MΩ。

外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即要获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此这种形式的多谐振荡器应用很广。

图8-6-3　多谐振荡器

3.实训记录与结果

(1)给出详细的实验线路图，定量绘出观测到的波形。

(2)分析、总结实验结果。

思考题

1.如何用示波器测定施密特触发器的电压传输特性曲线？

2.拟定各次实验的步骤和方法。