电子测量报告Word文档格式.docx
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第一章绪论
1.1检波器的作用
检波器，是检出波动信号中某种有用信息的装置。
用于识别波、振荡或信号存在或变化的器件。
检波器通常用来提取所携带的信息，最简单的检波器仅需要一个二极管就可以完成，这种二极管就被称做检波二极管。
目前，集成射频检波器现已得到了广泛的应用，而且每当要求更高的灵敏度和稳定性时，集成射频检波器有代替传统的二极管检波器的趋向。
从调幅波中恢复调制信号的电路，也可称为幅度解调器，和调制器一样，检波器必须使用非线性元件，因而通常含有二极管或非线性放大器。
1.2检波器的分类
检波器分为包络检波器和同步检波器。
前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。
后者实际上是一个模拟相乘器，为了得到解调作用，需要另外加入一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号（相干信号）。
同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。
1.2.1包络检波器
图1是典型的包络检波电路。
由中频或高频放大器来的标准调幅信号ua（t）加在L1C1回路两端。
经检波后在负载RLC上产生随ua（t）的包络而变化的电压u（t），其波形如图2所示。
这种检波器的输出u（t）和输入信号ua（t）的峰值成正比，所以又称峰值检波器。
包络检波器的工作原理可用图2的波形来说明。
在t1<
T<
T2时间内，输入信号瞬时值Ua（t）大于输出电压u（t），二极管导通,电容C通过二极管正向电阻ri充电，u（t）增大；
在t2<
T3时间内，Ua（t）小于u（t），二极管截止，C通过RL放电，因此u（t）下降；
到t3以后,二极管又重新导电,这一过程照此重复不已。
只要RLC选择恰当，就可在负载RLC上得到和输入信号包络成对应关系的输出电压u（t）。
如果时间常数RLC太大，放电速度就会放慢,当输入信号包络下降时，u（t）可能始终大于ua（t），造成所谓对角切割失真（图2）。
此外，检波器的输出通常通过电容、电阻耦合电路加到下一级放大器，如图1中虚线所示。
如果Rg太小，则检波后的输出电压u（t）的底部即被切掉，
产生所谓的底部切割失真。
1.2.2、同步检波器
图3为同步检波器的框图。
模拟相乘器的一个输入为一单频调制的单边带调幅信号，即us（t）＝Umcos（ωct＋Ωmt），其中ωc为载波信号角频率，Ωm为调制信号角频率；
另一输入是本机产生的相干信号，即uc（t）＝Uccosωct，则乘法器的输出电压u0（t）和uS（t）和uc（t）的乘积成正比，即
u0（t）=KuS（t）*uc（t）
式中K为一比例常数。
u0（t）中包括两项，一项为高频项（2ωc+Ωm），另一项为低频项（Ωm）。
通过低通滤波器后将高频项滤除，即得到和调制波成对应关系的输出。
uc（t）通常可用本地振荡器或锁相环产生。
同步检波器的抗干扰性能比包络检波器优越，但是它的电路比较复杂。
随着电子技术的进步，这种解调方法的应用日益广泛。
1.3检波器的构成
检波器是由非线性元件和具有低通滤波器特性的负载组成。
滤波电容数值的选择应使高频时近于短路，低频时近于开路。
目前应用最广泛的是二极管检波器，因为它具有线路简单，大信号输入时非线性失真小等优点。
图4为检波器的组成框图。
图4检波器的组成框图
1.4检波器的工作原理
检波器主要是由外壳、圆柱行磁钢、环行弹簧片和线圈等组成。
磁钢被垂直的固定在外壳中央，线圈通过上下两个弹簧片与外壳做软连接，使它置于磁钢和外壳之间环行磁通间隙间，能够上下移动。
当地震波传到地表观测点时，检波器外壳连同磁钢随之发生震动，线圈则由于惯性而滞后于磁钢，形成二者之间的相对运动。
在这样的运动中，线圈切割磁力线产生感应电动势，输出与震动周期相对应的电流信号，通过专门的仪器可将这些信号放大并记录下来，从而实现了将地面振动信号转化为电振动的机电转换，拾取到了地震波。
这类检波器输出的信号电压和其振动的位移速度有关，因此称为速度检波器。
这类检波器的特点是：
它的输出电压反映检波器外壳的位移随时间的变化率即速度，其性能指标包括固有频率，灵敏度，线圈自流电阻，阻尼，谐波畸变和寄生共振。
从实际上考虑还有耐用性，大小和形状。
一般来说，对于检波器的大小和形状，用户没有多少选择的余地。
通常选用灵敏度高（阻尼约为0.6）、谐波畸变小、寄生共振频率在记录频率之外，并且耐用性好的检波器。
对不同型号的检波器的寄生噪声做对比，发现固有频率为100Hz的检波器不但可以消除低噪声，而且可将频带展宽到650Hz左右。
检波器输出的电信号的极性和幅值与地面震动的方向和速度有关，而且只有与检波器线圈的轴线方向一致的机械振动才会产生较大的输出电压。
因此，当地震波沿着与线圈轴垂直方向传来时，检波器是不灵敏的。
所以，在井下施工时，必须把检波器垂直介质表面插入到介质内部。
使线圈正好垂直介质的表面。
除了速度检波器，还有加速度检波器，它是利用晶体压电效应特性制成的晶体检波器。
这类检波器的固有频率高（可达1000Hz），可用来测量物体振动的加速度。
1.5检波器的主要性能指标
1）电压传输Kd系数说明检波器对高频信号的解调能力
输入为高频等幅波
Kd=Uo/Uim
输入为高频调幅波
Kd=UΩm/maUim
注：
Kd总是小于1，Kd越接近1越好
2）输入电阻说明检波器对前级电路的影响程度
Ri=Uim/Iim
此外检波器还有反映其失真系数的指标THD等。
第二章系统设计方案
2.1本次系统设计的总方案
（1）实验电路
图2-1为峰值包络检波实验电路图：
图2-2峰值包络检波器原理图
（2）工作原理
图2-2峰值包络检波波型图
RC电路有两个作用：
一是作为检波器的负载；
在两端产生解调输出的原调制信号电压；
二是滤除检波电流中的高频分量。
为此，RC网络必须满足
且
。
式中，
为载波角频率，Ω为调制角频率。
1.vs正半周的部分时间（φ<
90o）
二极管导通，对C充电，τ充=RDC。
因为
RD很小，所以τ充很小，vo≈vs
2.vs的其余时间（φ>
二极管截止，C经R放电，τ放=RC。
R
很大，所以τ放很大，C上电压下降不多，仍有：
vo≈vs
检波过程实质上是信号源通过二级管向负载电容C充电和负载电容C对负载电阻R放电的过程，充电时间常数为RdC，Rd为二极管正向导通电阻。
放电时间常数为RC，通常R>
Rd,因此对C而言充电快、放电慢。
经过若干个周期后，检波器的输出电压V0在充放电过程中逐步建立起来，该电压对二极管VD形成一个大的负电压，从而使二极管在输入电压的峰值附近才导通，导通时间很短，电流导通角很小。
当C的充放电达到动态平衡后，V0按高频周期作锯齿状波动，其平均值是稳定的，且变化规律与输入调幅信号的包络变化规律相同，从而实现了AM信号的解调。
2.2峰值检波器的工作原理
在电子设备中，常要求对信号的峰值进行检波：
如大动态范围的正弦信号经对数压缩后，为了得到反映正弦信号的有效值，就不能用一般的平均值或有效值检波器，而只能用峰值检波器。
峰值检波器是一个能记忆信号峰值的电路，其输出电压的大小，一直追随输入信号的峰值，而且保持在输入信号的最大峰值。
1.当Vi〉Vo时：
信号由（+）端加入，OPA的输出Va为正电压，二级管D导通，于是输出电流经D对电容C充电一直充至与Vi相等之电压。
（当D导电时此电路作用如同一电压跟随器）
2.当Vi〈Vo时：
OPA的输出Va为逆向偏压，相当于开路，于是电容C既不充电也不放电，维持于输入之最大值电压。
上述电路只能工作一次，所以我们要能够控制电容C的放电过程，使得这个电路可以重复地工作。
同时在电路中加入一定的保护措施以及加入阻抗匹配的电路（比如跟随器等），以提高电路的带负载能力。
2.3电路原理图
LF398的输出电压与输入电压通过比较器LM311进行比较，当输入电压高于输出电压时，LF398的逻辑控制引脚被置成高电平，使LF398处于采样状态。
当输入电压达到峰值而下降时，LF398的逻辑控制引脚被置成低电平，使LF398处于保持状态。
从而，实现了对“峰”值的保持。
2.4电路元器件清单
元件名称
元件个数
功能
注释
LF398N
1
采样保持芯片
DIP封装
LM311
电压比较器
电阻24K
电阻15K
电阻30K
电阻5.1K
可调电阻1K
5V稳压二极管（2CW12）
钽电容0.1uf
DIP插座
2
双列直插插座
面包板5*5cm
导线、焊锡丝
若干
第三章主要元器件介绍
3.1芯片LF398
3.1.1主要性能
LF398是一种反馈型采样/保持放大器，也是目前较为流行的通用型采样/保持放大器。
与LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。
LF398具有采样和保持功能，它是一种模拟信号存储器，在逻辑指令控制下，对输入的模拟量进行采样和寄存。
3.1.2引脚图及引脚功能
图3-1是该器件的引脚图。
图3-1LF398的引脚图
各引脚的功能如下：
①和④分别为VCC和VEE电源电压输入引脚。
电源电压范围为±
5V～±
15V。
②为偏置调零引脚。
当输入Vi=0，且在逻辑输入为1采样时，可调节②使Vo=0。
③为模拟量输入引脚。
⑤为输出引脚。
⑥为接采样保持电容的引脚。
⑦为参考电压输入引脚（接地）。
⑧为逻辑输入控制引脚。
该引脚电平为“1”时采样，为“0”时保持。
3.1.3功能框图
LF398内部电路原理图如下图3-2所示。
图3-2LF398内部电路原理图
当8端为“1”时，使LF398内部开关闭合，此时A1和A2构成1：
1的电压跟随器，所以，Vo=Vi，并使迅速充电到Vi，电压跟随器A2输出的电压等于CH上的电压。
3.1.4极限参数
正电源电压：
+19V；
负电源电压：
-19V；
正电源电流：
+6mA；
负电源电流：
-6mA；
贮存温度：
-65℃~+150℃
3.2LM311芯片
3.2.1LM311引脚图
LM311是一种高灵活性的电压比较器，能工作于5到30V单个电源或±
15V分离电源。
该设备的输入可以是与系统地隔离的，而输出则可以驱动以地为参考或以VCC为参考，或以VEE电源为参考的负载。
LM311为集电极开路输出,使用时应在输出端与正电源之间连接负载电阻。
下图3-3是该器件的引脚图。
图3-3LM311引脚图
3.2.2LM311引脚功能
各引脚的功能如下表3-4所示：
GROUND/GND
接地
INPUT+
正向输入端
INPUT-
反向输入端
OUTPUT
输出端
BALANCE
平衡
BALANCE/STROBE
平衡/选通
V+
电源正
V-
电源负
表3-4LM311引脚功能
3.2.3LM311基本参数
LM311，采用SOIC封装方式；
比较器类型:
通用；
响应时间:
200ns；
电源电流:
5.1mA；
针脚数:
8；
工作温度范围:
0°
Cto+70°
C；
封装类型:
SOIC；
比较器数目:
1；
电源电压最大:
36V；
电源电压最小:
5V；
表面安装器件:
表面安装；
输入偏移电压最大:
7.5mV。
3.2.4LM311内部电路图
如3-5所示
图3-5LM311内部电路图
3.3稳压二极管
稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡。
稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阻配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。
3.3.1、稳压二极管的原理
稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小。
这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
而且，稳压管与其它普通二极管不同的是反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。
3.3.2、稳压二极管的应用
1、浪涌保护电路
稳压管在准确的电压下击穿，这就使得它可作为限制或保护之元件来使用，因为各种电压的稳压二极管都可以得到故对于这种应用特别适宜.图中的稳压二极管D是作为过压保护器件。
只要电电源电压VS超过二极管的稳压值D就导通，使继电器J吸合负载RL就与电源分开。
图中的稳压二极管D是作为过压保护器件。
只要电电源电压VS超过二极管的稳压值D就导通,使继电器J吸合负载RL就与电源分开。
2、电视机里的过压保护电路:
EC是电视机主供电压，当EC电压过高时、D导通、三极管BG导通,其集电极电位将由原来的高电平（5V）变为低电平,通过待机控制线来控制电视机。
第四章峰值检波器的测试及性能指标
4.1交流信号的测试
测量交流信号：
分别输入50Khz有效值为0.1V、0.5V、1V、1.5V、2V、3V、3.5V、4V、5V的正弦波，测量输出电压，并计算误差。
表4-1为交流信号测量表
输入信号电压
输入信号峰值
检测信号峰值
相对误差
1V
1.4V
1.1V
-21.4%
1.5V
2V
1.7V
-15%
2.65V
2.3V
-13.2%
3V
4V
3.7V
-7.5%
5.3V
4.8V
-9.4%
5V
6.6V
6.2V
-6.06%
表4-1交流信号测量表
4.2具有直流分量的交流信号的测量
测量具有直流分量的交流信号：
输入50Khz、幅度为2V的正弦波，直流分量分别为0.5V、1V、1.5V、2V，-1V，测量输出电压，并计算误差。
表4-2为直流信号测量表
输入信号直流分量
0.5V
2.5V
2.2V
-12%
2.6V
-13.3%
3.5V
3.2V
-8.57%
3.8V
-5%
-1V
0.7V
-30%
表4-2直流信号测量表
第五章系统分析
由于我们自己布线和焊接的局限性，使电路的稳定性能不好，调试时存在一定的误差。
所以在调试时不可能得到精确的结果，只能在误差允许范围内验证电路的正确性。
5.1、系统的测量范围
由原理图可知供给电路工作的是+15V、-15V稳压电源，由理论知识可知系统的测量范围是0V——15V，但是由于种种条件的限制，我们的测量范围是0V——10V左右。
5.2、测量精度
由于布线和焊接的局限性，使电路的稳定性能不好，测量精度较低，一般在0.01V——0.05V,有些板子性能较差，测量精度更低，大约0.05V——0.1V左右。
5.3、误差来源
A、系统误差
在规定的测量条件下，对同一量进行多次测量时，如果测量误差能够保持恒定或按照某种规律变化，则这种误差称为系统误差或确定性误差，简称系差。
如电表零点不准、温度、湿度、电源电压变化等引起的误差。
减少系统误差的方法有：
零示法、替代法、交换法、微差法。
B、随机误差
随机误差又称偶然误差或残差，简称为随差，是指在一系列重复测量中，每次测量结果出现无规律随机变化的误差。
随机误差反映了测量结果的离散型，即随机误差小，测量精密度越高。
C、粗大误差
粗大误差又称为过失误差或疏失误差，简称为粗差，是由于操作不当，测量失误等原因造成测量结果明显偏离实际值的误差。
5.4、系统调试注意事项
1、要保证自己板子布线，焊接完全正确，不要有虚焊、漏焊、短接；
2、连接线路时要看清+15V、-15V、GND、输入输出的连接，而且各连接线不要碰在一起，以免发生短接；
3、调试时要注意示波器、信号发生器的各档位的选择，以及示波器通道1，通道2是直流、交流还是接地，尤其是在调试交直流信号时，给输入端加偏执信号，一定是在输入端加直流信号，而不是交流信号。
4、在调试过程中要注意电容的充放电，在电源打开一会时，要随时断开电源让电容放电，不然会影响调试结果。
5.5、系统设计存在的不足
1、由于电路焊接时是面包板，完全要自己布线，而且每个人的布线想法不同，所以各有各的布线方式，这样只有自己对自己的板子比较了解，而别人就不清楚了，如果自己的板子有问题，而自己又检查不出来，让别人来帮忙，那耗费的时间就长了。
最好是大家都统一，发一个PCB板给我们，那样的话，不论是焊接还是调试对我们来说都很简单，但我们自己思考、布线、检查的能力就不能得到提高。
2、我们要能够控制电容C的放电过程，使得这个电路可以重复的工作。
同时在电路中加一定的保护措施以及加入阻抗匹配的电路（比如跟随器），以提高电路的带负载能力。
第六章设计心得
本次课程设计的主要任务是完成对峰值检波器电路的设计。
通过这次课程设计，提高了我们对峰值检波器的了解，对电子元器件的认识，也提高了我们的动手能力，为我们以后的毕业设计打下了坚实的基础，相信我们会做得更好。
周一早上老师为我们稍微讲解了一下峰值检波器的工作原理和实验现象，然后我们就开始焊板子，其实这次课程设计的内容是比较简单的，但是因为给我们的是面包板，要我们自己布线和布局，所以焊得比较丑，性能也不是很好。
如果是PCB板的话我们会做得更好，尽管如此我们还是仅用了一天就焊完了。
在进行调试的时候，我的板子的检波的那条直线就是不会随着电压的大小而改变，在老师和同学的帮助下我找到了原因，原来是我后面的连线都是用的引脚和剥线的铁丝，这样会短路。
还有一点就是芯片的问题，398本来就是坏的，刚开始我不知道就一直检查电路。
结果有同学的芯片烧坏了就借我的芯片用，也不出波，我就拿别人的芯片用，结果就出来了。
最后调试出来结果了，很开心，希望下次能把板子焊得漂亮一点，提高布线能力。
这次课程设计让我们学着自己布线，增强了我们自己的布线设计能力。
提现了设计的理念，让我想起上综合布线时范老师说的综合布线是一个很有用的学科，不仅是学习在生活中也很有用处，确实如此。
这次课程设计圆满结束，意味着我们这学期也就结束了，大学生活过去了三分之二了，真正学习的时间越来越少了，在接下来的一年内我要更加努力学习，多看一些课外书，让三年的大学生活更美好。
最后谢谢精心老师为我们辅导和检测，老师，您辛苦了。
参考文献
电子测量仪器与应用（第二版）编著：
李明生
电子测量原理及应用编著：
王松武
电子测量仪器编著：
吴生有
高频电子线路（第五版）张肃文主编高等教育出版社
通信原理（第六版）樊昌信曹丽娜主编国防工业出版社
电路（第五版）邱关源原著罗先觉修订高等教育出版社
模拟电子技术基础（第四版）童诗白华成英主编高等教育出版社
信号与系统（第二版）郑君里应启珩杨为理主编高等教育出版社
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