数字化测控技术实验报告讲解.doc

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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，确定锁相环的元件参数，搭建并调试电路，使之输出1kHz～1MHz，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NfRfR 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CD4046晶振基准比较器IVCON分频器低通滤波器fo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，产生基准频率fR2）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1kHz～1MHz，步进0.5kHz，则N=2~2000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2kHz~1MHz，步进1kHz实验时可参考之进行设计图1.2 频率合成器参考原理电路4、实验仪器设备1）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2）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。

6、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①实验数据表1.1 实验数据记录表Nfout理论值fout实测值21KHz1KHz10050KHz50KHz500250KHz250KHz1000500KHz500KHz1500750KHz800KHz20001MHz1.1MHz②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，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，从而实现分频系数N=22）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1、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，得到一=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T，高电平的宽度为，则： 由于,所以万用表测值即为占空比数值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 ；3 ）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，，所以可以实验三 数据采集系统的集成及程序设计1、 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0～10V，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。