数字化测控技术实验报告

《数字化测控技术实验报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字化测控技术实验报告（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、数 字 化 测 控 技 术 实 验 报 告课程名称 数字化测控技术 实验名称 数字化测控技术课程实验 实验日期 学生专业 测控技术与仪器 学生学号 学生姓名 实验室名称 测控技术实验室 教师姓名 周 严 成 绩 南京理工大学机械工程学院1实验一 基于集成锁相环的频率合成器的设计1、实验目的本实验旨在使学生深入了解频率合成器的基本概念及基于锁相环的频率合成器的基本原理，学习并掌握复杂数字电路的调试方法。掌握单片集成锁相环 CD4046 的技术性能指标及电路设计方法，学会应用 CD4046 制作数字频率合成器。2、实验内容根据设计要求设计基于集成锁相环 CD4046 的频率合成器电路，确定锁相环的

2、元件参数，搭建并调试电路，使之输出 1kHz1MHz ，步进 0.5kHz 的时钟信号。3、实验原理及方法频率合成是用任一指定的基准频率经过一些功能电路的处理，产生一系列需要的稳定的多种基准频率。利用锁相环实现频率合成，主要是产生可数字或程序控制的基准频率的倍频基准频率。其原理是在锁相环的反馈回路中插入一 N 分频的分频电路，形成闭环，此时 VCO 输出为 NfR。f R 是基准频率，改变 N 值即可改变电路的输出频率，其稳定度与基准频率相同。原理框图如图 1.1 所示。图 1.1 频率合成器原理框图设计基于 CD4046 集成锁相环的频率合成器的主要工作有：（1）设计调试晶体振荡电路，产生基

3、准频率 fR。（2）设计 N 分频器，N 的调节范围根据合成的频率范围和基准频率的大小确定。这里设基准频率为 0.5kHz，要求合成器输出频率 1kHz1MHz ，步进 0.5kHz，则 N=22000。分频器应根据 N的范围设计。（3）设计锁相环 CD4046 的相关元件参数，这是本设计的关键及难点所在，需要反复设计、调试及修改确定。图 1.2 提供了一基于 CD4046 的频率合成器的参考性原理电路，其合成频率范围是2kHz1MHz，步进 1kHz。实验时可参考之进行设计。CD4046晶振基准 比较器 I VCON 分频器低通滤波器fo2图 1.2 频率合成器参考原理电路4、实验仪器设备1

4、）双路直流稳压电源2）双踪示波器3）信号发生器4）41/2 位数字万用表5）面包板5、实验电路设计及工作原理说明1）实验电路设计32）电路的工作原理说明由晶振电路产生的 4.096MHz 的基准时钟，经 分频后得到 0.5Hz 的信号输出，通过 Q13 输入132到 CD4046 作为基准频率。此输入信号从 14 脚输入后，经过放大器放大加至相位比较器 2 的输入端，然后从 13 脚输出误差电压，并将低通滤波器接至 13 脚。滤波器的输出为压控振荡器 VCO 的控制电压，用于调整 VCO 的振荡频率，此振荡频率经由三个 74161 组成的计数器进行 N 分频后输入给相位比较器，使 VCO 的振

5、荡频率迅速接近 N 倍的基准频率，锁相环锁定。其中，采用 74161 芯片构成的12 位加法式分频器，通过置数法实现计数。从 CD4046 的 4 脚输出的频率即为所求的频率。 锁相环 CD4046 的相关元件参数是本设计的关键及难点所在，经过反复设计、调试及修改，最终确定电容 C2 的值为 22 ，电容 C1 的值为 。pFpF6、实验步骤说明1） 根据输出频率的要求设计电路参数，试验中取 C1 为 15pF，C2 为 22pF。电路参数如原理图中所示; 2） 按照设计图在面包板上搭建线路； 3） 认真仔细检查线路是否连接正确，如有错误及时修正； 4） 关闭电源，将电路的电源和地线接到三路稳

6、压电源的 5V 输出端和地端。在打开电源前，检查电源线和地线是否连接正确，确认无误后打开电源； 5） 调试基准频率产生电路，确保 4060 的 2 脚输出电压频率为 0.5Hz； 6） 在锁相环 4046 的 1 脚和地端接入 LED 灯，通过查看灯的明灭情况来检验锁相环是否入锁。如果 LED 灯闪烁不定，则说明锁相环不稳定，需重新连接电路； 7） 分级检查 74161 芯片是否能够正常工作，确保三个芯片都没有问题； 8）进行整体调试，调试时先使分频系数 N=2，此时合成频率输出应为 1kHz，再使分频系数N=2000，此时合成频率输出应为 1MHz。如果正确，则说明设计正确，否则应重新选择参

7、数 C1。重新调试，直至成功。7、实验结果记录及分析实验数据填入表 1.1 中，对照频率合成器输出频率的理论值与实际测试值，分析说明两者不一致的原因。实验数据表 1.1 实验数据记录表N fout 理论值 fout 实测值2 1KHz 1KHz100 50KHz 50KHz500 250KHz 250KHz1000 500KHz 500KHz1500 750KHz 800KHz2000 1MHz 1.1MHz4实验数据不一致原因：输出频率的实测值与理论值存在较小的误差，可以认为是系统误差，可能是由芯片或者电线之间的相互干扰和示波器本身存在的示数误差造成的。8、思考题1）说明分频系数 N 的确定

8、依据。答：实验中采用的是 12 位加法器，需要 N 分频时应将加法器的数值置为 。电路中，N12将作为高位的 74161 芯片的进位端作为反馈信号输入 4064 的 3 脚，例如，若 N=2，其初值置为 =（1111 1111 1110） ，则计数两次产生进位输出，并实现各个计数器的并行置数，从21而实现分频系数 N=2。2）不测量 fout 如何判定锁相环是否入锁？答：在 4046 的 1 脚接入一个 LED，若 LED 亮且不闪烁，则说明入锁，若 LED 不亮，则不入锁，若 LED 闪烁不定，则锁相环不稳定。实验二 占空比的数字化测量51、实验目的本实验的目的是使学生在掌握占空比数字化测量

9、的基本原理及方法的基础上，学习占空比/电压转换电路的设计与调试，切实掌握占空比的测量技术。2、实验内容根据占空比的数字化测量原理自行设计占空比测量的占空比-电压转换电路，采用数字电压表测量转换得到的与占空成正比的电压值，根据电压计算出被测量的占空比，将测量值与采用示波器测量的占空比值进行比较，计算出测量误差。3、实验仪器设备1）直流稳压电源；2）双踪示波器；3）信号发生器；4）41/2 位数字万用表；5）面包板。4、实验电路设计及工作原理说明1）实验电路设计2）电路的工作原理说明输入 TLL 电平信号 经过非门后，得到一幅度为 =2.8V 的信号， 经 和 分压后，inVaVaV2Rp得到一

10、=1V 的电压， 经低通滤波后所得到的即为 的平均值。根据定义，设 的周期为bVb b inT，高电平的宽度为 ，则： 由于 ,所以万用表测值即为占空1TTboutdt101b1比数值。5、实验步骤说明1 ）依照设计电路图完成电路连接 ；2 ）用示波器测量 的大小，通过调节 的大小，使 的大小保持 1V ；bV2RbV63 ）用信号发生器输出 TTL 电平连接至电路输入端 ；4 ）将信号发生器的占空比调至 50% ；5 ）用万用表测量电容两端的电压值，即为占空比数值，记录下数据； 6 ）依次改变信号发生器的占空比，记录万用表的数据 ；7 ）整理数据，计算相对误差，分析结果 。6、实验结果记录按

11、表格 2.1 中的内容记录对应的测试结果，实验数据填入表 2.1 中。 表 2.1 占空比测量实验结果记录表数字示波器测量的占空比 实验电路测量的占空比 测量相对误差20% 21.6% 8%30% 32% 6.7%40% 42% 5%50% 52% 4%60% 63% 5%70% 73% 4.2%7、实验结果处理与分析1 ）实验测量相对误差如表 2.1 所示。 占空比为 50%时，相对误差最小，占空比最小时的相对误差较大； 2 ）非门电路有延迟，故会导致测量结果有误差 ；3 ）此设计利用低通滤波器充当平均值电路，故所得平均值可能存在误差，导致占空比测量结果有误； 4 ）电路连接可能不稳定，存在

12、干扰，引起误差。8、思考题1）输入整形电路中采用放大器，则放大器应选用何种类型放大器？答：用非门 74LS04 做放大器。2）整形电路的输出为何要接低通滤波器？答：因为此测量占空比方法的原理是利用平均值来转换的，所以为得到平均值，需要接低通滤波器，在电路中实现对电压取平均值。3）可否用万用表直读测量值？要求说明原因。答：可以，由于 Vb=1V， ，所以可以。bTboutbVdtV101实验三 数据采集系统的集成及程序设计71、实验目的本实验的目的是使学生在学习数据采集系统理论课的基础上，通过对数据采集系统安装、连接和编程，掌握数据采集系统的使用方法，加深对数据采集系统原理、用途的了解。2、实验

13、内容1）学习并掌握基于 ISA 总线的数据采集卡的安装，在此基础上学习输入与输出通道的连接方法。2）对数据采集系统进行汇编语言及 VC+编程，使之能够在程序控制下进行数据采集。3）对数据分配系统进行汇编语言及 VC+编程，使之能够在程序控制下输出模拟电压信号。3、实验原理及方法实验的基本方法是将数据采集卡插入计算机的 ISA 插槽内，将配接电缆与采集卡连接好，在输入通道施加输入电压，之后即可开始编程。1）采集卡输入/输出连接器引脚定义图见图 3.1。电缆中各颜色导线与输入输出通道的关系如下：红色对应 ch0，黄色对应 ch1，绿色对应 ch2，兰色对应 ch3， 白色对应 D/A 输出，黑色对

14、应GND。图 3.1 数据采集卡输入/输出连接器引脚定义图2）数据采集卡的接口地址实验用数据采集卡是基于 PC 机 ISA 总线的多路数据采集卡，该卡具有 8 路模拟输入和 1 路模拟输出。控制方式采用查询方式，模拟输入通道的电压输入范围是5V，模拟输出通道的电压输出范围是 010V，该卡的所用的 A/D 转换器是 AD574，D/A 转换器是 DAC0832。相关控制口的地址如表 3.1。表 3.1 数据采集卡的相关口地址控制口名称 口地址 控制口名称 口地址选择通道口 03ACH 读转换状态口 03A8H启动采样口 03AFH 读转换结果高 8 位口 03A1H启动保持口 03AEH 读转

15、换结果低 4 位口 03A0H启动 A/D 转换口 03ABH 启动 D/A 转换口 03A3H3）数据采集程序设计流程（1）选择通道：向 03AC 口写入通道号。（2）启动采样保持器采样：向 03AF 口写入任意数。（3）延时程序。8（4）启动采样保持器保持：向 03AE 口写入任意数。（5）启动 A/D 转换：向 03AB 口写入任意数。（6）判断 A/D 转换是否结束：读 03A8 口，判断最低位是否为 “0”，为“0”表示转换完毕，程序转入（7） 。为“1”表示转换仍在进行，程序返回（5） 。（7）取 A/D 转换结果：分两次读取，先从 03A1 口取高 8 位，然后从 03A0 口取低 4 位，取出的数 16 位，低 4 位为 0。4）D/A 输出控制程序设计流程先向 03A3H 写入数据，然后再向 03A2H 写入任意数即可输出与写入 03A3H 口的数对应的模拟电压。4、实验仪器设备1）三路直流稳压电源2）数字万用表3）安装有 Windows98 操作系统及 WindowsXP 双系统的的工业控制计算机或带有 ISA