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电子技术基础实验 教学课件.pdf
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1、第一章模拟电路试验实验一常用电子仪器的使用方法一、实验目的1.学习电子电路实验中常用的电子仪器示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、晶体管毫伏表等的主要技术指标、性能及正确使用方法;2.初步掌握用双踪示波器观察正弦信号波形、测量频率与电压的方法;3.培养阅读仪器说明书的能力、仪器操作能力和观察能力。二、实验原理在电子技术实验中,常常使用示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、晶体管毫伏表 和万用表等设备,为电子电路的静态和动态工作提供能源和测试工具。实验中要对各种电子仪器进行综合使用,可按照信号流向,以连线简捷、调节顺手、观 察与读数方便等原则进行合理布局,各仪器与被测实验装置之间的布局与连接一
2、般可按照如 图1-1所示。接线时应注意,为防止外界干扰,各仪器的接地线应连接在一起,称共地。信号 源和交流毫伏表的引线通常用屏蔽线或专用电缆线,示波器接线使用专用电缆线,直流电源 接线使用普通导线。下面着重介绍几种电子技术实验中常用的仪器设备。图1-1仪器之间的连接图1.示波器示波器是一种用途很广的电子测量仪器,它既能直接显示电信号的波形,又能对电信号 进行频率、幅度等各种参数的测量,下面以固纬GDS-1022为例进行介绍。(1)面板介绍GDS-1022是即时取样率为250MSa/S;等效取样率为25GS/s的数字存储示波器,图1-2 是该示波器的面板,部分按键的主要功能已在图中注明,其中菜单
3、键中主要按键的功能如下:图1-2示波器面板Ac q uir e键:设定撷取模式Dis pl a y键:显示器设定Util ity键:安装Ha r d c opy、系统资料、目录语言、校正和测试棒补偿Hel p键:按Hel p键后,再按其他相应的按键,在LCD显示器上显示该键的Hel p内容Autos e t键:寻找信号并设定适当的水平/垂直/触发设定Cur s or键:执行游标量测Mea s ur e键:安装并执行自动量测Sa ve/Rec a l l键:储存并读取影象、波形、面板设定Ha r d c opy键:传送数据到SD卡Run/Stop键:冻结信号(2)显示器GDS-1022数字示波器
4、在显示器面板上显示了示波器在使用过程中波形的各种参数、状态 等数据,如图3所示,具体表现在:波形显示中通道1用黄色,通道2用兰色显示信号的波形 触发状态:Tr ig d 触发Tr ig?没有触发,显示器没有更新Auto没有触发,显示器已更新STOP 触发终止,也出现在Run/Stop触发设定:显示触发源、类型和斜率,视频触发则显示触发源和极性(4)通道状态:显示通道、耦合模式、垂直刻度和水平刻度波形标尺 波形位置运行/停止触发状态垂直状态 水平状态 输入信号 触发设定图1-3显示器面板(3)设定仪器在使用前必须对相关的参数进行设定,主要包括:信号连接、刻度调整和测试探头 补偿等方面,具体步骤如
5、下:连接电源,按下电源开关,开启显示器 按Sa ve/Rec a l l key叫出厂内预设值(Def a ul t Setup),重设系统连接测试棒到通道1输入端和测棒补偿信号输出(2Vp-p,1kHz方波)设定测棒衰减到X 10按Autos et键,屏幕中央出现方波 按Dis pl a y键,然后按Ty pe选择Vec tor波形调整测棒的补偿点使方波的边缘平坦继续其他操作步骤。(4)测量将被测波形通过探头连接到仪器上按CHI(CH2)键,开启相应的测试通道,波形出现在显示器上(再次按下将关闭该 通道,注意Autos et键不会自动开启信号通道)按下Autos et键,仪器将自动对水平刻度
6、、垂直刻度和触发通道等参数自动安装设定,并将波形显不在屏幕中央,按Und o解除Autos et功能(开启Autos et功能5秒后,就可利用这 个功能),Autos et功能不适合测量频率小于20Hz,幅度小于30mV的输入信号 按Mea s ur e键,功能选项出现在屏幕上,通过选择Sour c e、Vol ta ge项选择信号通道和 电压值,并配合Va r ia bl e旋钮,使测量参数结果显示在屏幕上;也可通过按Cur s or键开启游 标测量功能,通过按Sour c e选择信号源通道、按XY选择水平或垂直标尺,并通过Va r ia bl e 旋钮移动游标,从而实现游标测量。2.函数信
7、号发生器函数信号发生器可按需要输出正弦波、方波和三角波三种信号波形。输出电压最大峰峰 值Vp-p可达20V(负载1MQ)。通过输出衰减按钮(Od B、20d B、40 d B 60d B可选)和输 出幅度调节旋钮,可使输出电压在毫伏级到伏特级范围内连续调节。函数信号发生器输出信 号的频率可以通过频率分档按键进行调节。3.晶体管毫伏表晶体管毫伏表是一种常用的电子测量仪器,主要用来测量正弦交流电压的有效值。正弦 交流电压有效值U和峰值Um的关系是:Um=j2U,当测量非正弦交流电压时,晶体管毫 伏表的读数没有直接的意义。晶体管毫伏表不能用来测量直流电压。三、实验设备1.函数信号发生器,1台;2.双
8、踪示波器,1台;3.晶体管毫伏表,1台;4.数字万用表,1块。四、实验内容与步骤1.用机内校正信号对示波器进行自检在通道1(通道2)的输入端和面板上测试信号补偿(校正信号)的输出端(2Vp-p,1kHz 方波)连接探头测试棒,设定衰减到X10,分别按Util ity键、按Pr obeComp、Wa ve ty pe选 择标准方波,然后按Autos e t键,测试信号就会出现在显示器上。通过改变水平/垂直位置和 水平/垂直刻度旋钮,读出波形的幅度和频率,记入表1-1。表1-1示波器自检测试标准值实测值幅度Up-p/V2频率f/Hz10002.用示波器、毫伏表测量函数信号发生器信号参数从信号发生器
9、输出信号,用示波器和晶体管毫伏表分别测量该信号的有关参数的方法如 下:根据所需波形将“波形选择”相应开关按下(现为正弦波)。根据所需频率,选择频率范围,再调“频率微调”旋钮,使输出频率分别为100 Hz、1kHz、10 kHz和100 kHz的正弦波信号。根据实验要求,选择输出电压,先调“输出衰减”按钮(分为ODb、20d B、40d B、60d B 四挡,本实验要求有效值均为IV,故“输出衰减”可置Od B)的位置。从信号发生器输出端 输出信号至示波器和交流毫伏表,分别测量其频率及峰峰值,记入表1-2中。表1-2不同信号的测量信号电压频率/kHz示波器测量值电压毫伏表读数/V示波器测量值/V
10、周期/ms频率/Hz峰峰值有效值0.1110100五、预习要求1.预习示波器、函数信号发生器和其他有关测量仪表的原理和使用说明。2.预习不同信号波形的有效值、平均值、峰峰值之间的换算关系。六、实验报告1.整理实验数据,并进行分析。2.如何操纵示波器有关旋钮,以便从示波器显示屏上观察到稳定、清晰的波形?3.函数信号发生器有哪几种输出波形?它的输出端能否短接,如用屏蔽线作为输出引线,则屏蔽层一端应该接在哪个接线柱上?4.晶体管毫伏表是用来测量正弦波电压还是非正弦波电压?它的表头指示值是被测信号的什么数值?它是否可以用来测量直流电压的大小?实验二单级放大电路一、实验目的1.熟悉电子元器件和模拟电路实
11、验箱;2.掌握放大器静态工作点的调试方法及其对放大器性能的影响;3.学习测量放大器Q点,Av,r i,r o的方法,了解共射极电路特性;4.学习放大器的动态性能。二、实验原理图2-1为固定电阻分压式偏置单管放大器实验电路图。它的偏置电路采用Rp、氏加和 此2组成的分压电路,发射极电阻尺小Re2用于稳定放大器的静态工作点。当在放大器的输 入端加入输入信号Ui后,在放大器的输出端便可得到一个与Ui相位相反、幅值被放大了的输 出信号U。,从而实现了电压放大。图2-1单级共射极放大电路在电路中,当流过偏置电阻Rp+R从和的电流远远大于(一般为710倍)晶体管VI的基极电流右时(一般710倍),则它的静
12、态工作点可用下式估算:电压放大倍数输入电阻&=(Rp+RGRb2%输出电阻 Ro Rc由于电子器件性能的分散性比较大,因此,在设计和制作晶体管放大电路时,离不开测 量和调试技术。在设计前应测量所用元器件的参数,为电路设计提供必要的依据,在完成设 计和装配以后,还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。放大器的测量和调试一般包括:放大器静态工作点的测量与调试,放大器各项动态参数 进行的测量与调试等。1.放大器静态工作点的测量与调试(1)静态工作点的测量测量放大器的静态工作点,应在输入信号Ui=O的情况下进行,即将放大器输入端与地 端短接,然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表,分别测量
13、晶体管的集电极电流Ic以 及各电极对地的电位Ub、Uc和Ue。实验中,为了避免断开集电极,一般采用测量电压Ue或 Uc,然后算出Ic的方法,例如,只要测出Ue,即可用U-U算出Ic,也可根据=分由Uc确定Ic。同时也能算出Ube=be,Lz JTJ UL-2电阻器用于稳定放大器的静态工作点。当在放大器的输入端加入信号后,放大器的输出端便可得到一个与输入信号相位相反的输出 信号。其中:尺尸为一个可变电阻,用来调节三极管的偏置电压。双踪示波器XSC1用来观察 放大器的输入信号和输出信号电压波形。4-图2-8单管放大器2.仿真步骤1)在Mul tis im仿真软件工作平台上,绘制单管共射仿真放大电路
14、,从指针元件库中,选择电流表、电压表(注意DC和AC的区别),从虚拟仪器库中选取示波器和函数信号发生 器放入电路中的位置,如图2-8所示。函数信号发生器设置如图2Tl所示。按下仿真按钮,仿真实验结果。2)测试静态工作点Q 通过A(s hif t+A)键调节Rp1的阻值,自拟实验表格,等仿真过程稳定以后,记录图 2-8中各电流表、电压表的读数,求得静态工作点Q。把仿真实验数据与理论计算值比较,分 析误差原因。单击 Mul tis im 界面菜单“Simul a te/Ana l y s es/DC oper a ting Point”按钮。在弹 出的对话框中选择待分析的电路节点,如图2-9所示。
15、单击“Simul a te”按钮进行直流工作 点仿真分析,即有所选节点的分析结果显示在“Ana l y s is Gr a ph”对话框中,如图2-10所示,比较实测的结果。图2-9直流分析选项对话框图2-10直流工作点分析结果图3)测试电压放大倍数A”调节图2-8中信号源输出正弦波信号:频率IKHz、有效值0.694mV,按下仿真按钮,调 节Rpi的阻值,在保证输出波形不失真的情况下,记录放大电路输入、输出电压有效值。求出 电压放大倍数Auo4)观察输入、输出波形。双击图2-8中虚拟示波器,弹出示波器面板窗口,放大器输入交流信号送入示波器A通道,输出的交流信号送入B通道,调节A、B通道的输入
16、耦合方式为AC,调节A、B通道的 Sc a l e使Y轴每格代表的电压值分别为2mV、50mV;X轴每格代表的时间为1ms。从示波器上 观察输入、输出波形(如图2-12所示)以及它们的相位关系,得出什么结论?图2-11信号发生器XFG1设置图2-12双踪示波器XSC1的波形测量输入、输出波形的幅度、周期。示波器上有两个游标,可用来直接读取每个游标处的数据。如图2-12中游标1(红色)、游标2(兰色)所示的位置,可直接读出输入信 号的周期。移动游标分别到输入、输出波形的波峰、波谷处,就可读出输入、输出波形的幅 值,并求出电压放大倍数。增加放大电路的输入信号,观察输出波形的变化情况,直到输出波形出
17、现失真为止,分析失真原因。(4)单击Mul tis im界面菜单“Simul a te/Ana l y s es/AC Ana l y s is”按钮。在弹出的对话框“Output”选项中,选择待分析的电路节点,如图2-13所示。在启动的频率特性分析参数设 置对话框中设定相关参数,单击“Simul a te”按钮进行交流仿真分析,即可得到该放大电路 的幅频特性曲线和相频特性曲线,如图2-14所示。移动幅频特性曲线上的游标,可得中频段电压增益约为80.IDbo移动游标,减小3d B(约 为77.l d B),女阍2-14所示,可分别得到下限截止频率fL和上限截止频率fH分别为1.83kHz和4.
18、99MHz。由此可得到放大电路的通频带:BW=fH 一/=(4.99 1.8 3x10-3)MHz=4.99MzAC Ana lysis图2-13交流分析选项设置AC Ana lysisCir c uit 1AC.Ana l y s is?4 4*y&1.8321k77.03894.9964M77.14304.9946H104.0767r o200.2179n9.60831.000010.0000G535.0116r o80.1379 0.0000 0.0000Xl yi x2 y2 dx dy 1/dx 1/dy min xma x x min y ma x y o f f se t x o
19、 f f se t y,2三图2-14单管放大电路的幅频特性曲线和相频特性曲线5)输入电阻属的测量测量输入电阻R,的仿真电路如图2-15所示,Rs=5.Ik Q,信号源输入Upp=l mV,观察示波器显示的输出波形,在保证输出波形不失真的情况下,用交流电压表U1测出信号源的输入电压Us、U2测出放大电路输入信号的电压值Ui,代入耳=6 4,计算出输入电U7;阻舄。也可利用仿真软件,在仿真电路中直接用交流电压表和交流电流表测试放大电路输 入端的电压Ui和电流l i,然后相除,即为输入电阻K。XFG1MSRs5.1 k00.707m10MXSC1VCC0.376m8 士图2-15测量输入电阻仿真电
20、路6)Rpi+Rw对静态、动态的影响将仿真电路2-8中的负载电阻Rl、Ri、R2去掉,即输出端开路、输入不衰减时,输入信 号幅值设置为Upp=10mV,调整电阻RpI+&的值分别为40kQ、50 kQ、60 kQ、70kQ时,观察放大电路的输出波形,自拟实验表格记录放大电路的静态工作点及输出波形的情况。7)负载电阻Rl对动态的影响改变负载电阻Rl的大小,测量输入、输出电压,求出相应电路的电压放大倍数。将图2-8中的负载电阻Rl分别调整为5.1 kQ、2 kQ和去掉负载电阻使输出端开路三种情况时,开启仿真按钮,自拟实验表格记录输入、输出电压值,计算电压放大倍数A。分析实验结果,得出什么结论?8)
21、测量输出电阻尺测量输出电阻刷只要在保证输出波形不失真的条件下,负载电阻为Rl=5.1 kQ时,记录输出电压Ik的值;当负载开路(空载)时,记录下输出电压U。的值,代入R。二-阳,就可计算出输出电阻鸟,。9)Ce对电压放大倍数的影响在图2-8仿真电路中,去掉射极电容Ce,保持负载不变,记录放大电路的输入电压Ui、输出电压U。,求出电压放大倍数Au;比较这一放大倍数与射极电容存在时电路的放大倍数有 何不同?分析射极电容Ce的作用。六、预习要求1.三级管单管放大器工作原理;2.放大器动态及静态测量方法。七、实验报告1.注明你完成的实验内容和思考题,简述相应的基本结论,2.选择你在实验中感觉最深的一个
22、实验内容,写出教详细的报告,要求你能够使一个懂 得电子电路原理但没有看过本实验指导的人可以看懂你的实验报道,并相信你实验中得出的 基本结论。八、思考题1.如何选择正确的静态工作点?调试时应注意什么?2.如何利用测试的静态工作点估算三极管的电流放大倍数?3.放大电路的静态与动态测试有何区别?4.负载电阻对放大电路的静态工作点有无影响?对动态指标有无影响?实验三两级放大电路一、实验目的1.掌握如何合理设置静态工作点;2.学会放大器频率特性测试方法;3.了解放大器的失真及消除方法。二、实验原理单级放大电路的放大倍数一般都较低,往往不能满足实际电路的要求,这就需要将若干 单级放大电路串联起来,将前级的
23、输出端加到后级的输入端,组成多级放大器,使信号经过 多次放大,达到所需的值,如图3-1所示。多级放大器的连接称为耦合,其耦合方式有三种,即阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。微 第功旃第一级第二级Uo负 载图3-1多级放大器的组成本实验选用RC耦合两级放大电路来研究多级放大器的有关性能指标,如图3-2所示。图3-2两级阻容耦合放大器1.电压放大倍数Av在多级放大电路中,由于各级之间是串联起来的,后一级的输入电阻就是前载。所以多 级放大器的总电压放大倍数等于各级放大倍数的乘积,即A=4424声。注意各级放 大倍数应考虑前后级的相互影响。两级RC耦合放大器中:第一级 A一。9 第二级 A“2=_/3腾
24、rbeX“2式中=吗21 岛22 2Rl2=Rc2 I I Rl2.输入、输出电阻多级放大电路中后一级放大电路的输入电阻就是前一级放大电路的输入电阻,放大电路 的输入电阻就是第一级的输入电阻,对于本实验的两级放大电路的输入电阻为:多级放大电路的输出电阻就是末级(输出级)的输出电阻,即厂0=%v;本实验的两级RC耦合放大电路的输出电阻为r0=ro2=Rc23.频率响应特性在实际应用,如通常要求放大器能够放大一定频率范围内的信号。放大器对不同频率的 信号往往放大倍数不尽相同,这样被放大的信号幅度变化和原来的输入信号就会不完全相同,即所谓出现失真。例如,在低频或高频时,放大器对其放大的信号达不到预期
25、的要求,因而 造成放大器在低频或高频时放大性能变差。我们把放大器的放大倍数(幅值,相位)和工作 信号频率有关联的特性称为频率特性,相应的曲线为频率特性曲线。多级放大电路的幅频特 性曲线通频带比单级放大电路的通频带要窄。三、实验仪器1.两级放大电路2.双踪示波器3.数字万用表4.信号发生器5.交流毫伏表四、实验内容实验电路见图3-21.设置静态工作点(1)按图接线,注意接线尽可能短,(2)静态工作点设置:要求第二级在输出波形不失真的前提下幅值尽管大;第一级为增 加信嗓比点尽可能低。(3)在输入端加上IKHz幅度为0.3mV的交流信号,调整工作点使输出信号不失真。注意:如发现有寄生振荡,可采用以下
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