电子测量与仪器实验指导书Word格式.docx
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5、安全情况和环境情况
实验一测量数据处理与线性拟合
一、实验目的
1、通过实验进一步熟悉在测量中数据处理的重要性；
2、掌握最小二乘法的原理；
3、熟悉利用最小二乘法进行数据处理及分析方法。
二、实验内容
1．熟悉与掌握最小二乘法基本原理;
2．搭建测试电路;
3．测量两个测试点的电压值;
4.求出按拟合线性方程并划出相应曲线。
三、基本原理
1最小二乘法基本原理
在许多实际问题中，往往需要根据实验测得两个变量x与y的若干组实验数据（x1,y1）,…（xn,yn）来建立这两个变量的函数关系的近似式，这样得到的函数近似式称为经验公式。
通过对实验数据的处理，能够判断x、y大体上满足某种类型的函数关系y＝f（x,a1,a2,…,as）,但是其中s个参数a1,a2,…,as的值需要通过n组实验数据来确定，通常可以这样来确定参数：
选择参数a1,a2,…,as，使得f（x,a1,a2,…,as）在x1,x2…xn处的函数值与实验数据y1,y2…yn的偏差的平方和为最小，就是使
（1）
为最小，这种方法称为最小二乘法。
当
是s个参数的线性函数时，利用求极值与解线性方程组的方法可以解决。
例如，若x、y大体上满足线性关系即
，则
（2）
由多元极值的求法有
（3）
解上述关于a、b的二元一次方程组得
从而求得经验公式
。
2.实验电路测试电路
实验电路如下图所示：
要求自己用面包板搭建测量电路，并认真检查所搭建是否正确。
在保证电路正确之后进行数据测量。
把所测数据添到下表（总共12组数据）其中测试点1的电压范围0.3~1.5V。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
测试点1（x）
测试点2（y）
然后根据实验数据，在X-Y坐标系里画出曲线图，要求描出12个点的数据。
四、实验所需设备及元器件
直流稳压电源、面包板、电阻、高亮白光LED一个、万用表等。
五、实验报告要求
1、最小二乘法基本原理系数求解公式；
2、计算流过发光二极管的电流变化范围；
3、按要求完整填写测试表格；
4、提出提高测量精度的方法和措施。
六、思考题
1．如何减小测量误差？
2．多项式拟合与最小二乘法拟合的差别？
实验二自动量程转换电路
1、通过实验熟悉在测量中量程转换的重要性；
2、掌握自动量程转换的基本原理；
3、学会设计自动量程转换电路。
1．熟悉自动量程转换基本原理;
2．搭建自动量程转换电路;
1．在科研生产各个领域都会用到各种测量电压的设备。
大都采用机械开关用手动的方式，根据被测信号的大小来进行量程的切换。
实践证明，传统的机械手动切换量程己经不能适应科学技术现代化的发展。
对传统机械手动量程切换改为自动切换,就是本实验设计的主题。
在计算机控制系统中,经常会遇到各种数据采集,为了简化电路结构,提高系统性能价格比,常常是多个通道共用一个放大器,这样就会带来一些问题:
由于各个输入量信号电平各不相同,放大器增益也应该不同。
而对于单通道的输入来说,尽管放大器的放大倍数相同也同样存在问题:
若输入信号变化范围大,则小信号将得不到有效放大。
比如，对于测量电路的第一个实验，将10mv与1v放大到5v所需的增益是不能相同的。
上述两种情况都将因为放大器的增益不能随输入信号自动改变而降低A/D转换精度,以致影响了控制质量。
一般情况下,在模拟输入量送到A/D转换系统时,为了减少转换误差,总希望传送来的模拟信号尽可能的大,即应使被转换量落在A/D转换线性特性之内,并尽可能在1/2满度～接近满度的区域中转换。
解决的对策是：
对小信号输入采用高放大倍数,对大信号输入采用低放大倍数。
实现的方法是:
根据未知输入参数量的范围,自动地选择合适的放大倍数,以切换到合适的量程,即在采集通道中设置可变增益放大器,借助多路模拟开关,由比较器控制其通断（如果有单片机等控制器则更简单）,获取所需的量程。
2.所用4运放芯片LM324N
简介：
LM324N系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
它有14个引出脚，其中“Vcc”、“gnd”为正、负或地电源端，“out”为输出端。
两个信号输入端中，IN（-）为反相输入端，表示运放输出端out的信号与该输入端的位相反；
IN（+）为同相输入端，表示运放输出端out的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见右图。
LM324的特点：
1.短跑保护输出
2.真差动输入级
3.可单电源工作：
3V-32V
4.低偏置电流：
最大100nA
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源
8.输入端具有静电保护功能
3.所用模拟开关芯片CD4051
CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。
例如，若VDD＝+5V，VSS＝0，VEE＝-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。
这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。
当INH输入端
＝“1”时，所有的通道截止。
三位二进制信号选通8通道中的一
通道，可连接该输入端至输出。
2．实验框图与原理图
实验板、电阻、CD4051、LM324N、万用表等。
五、实验步骤
要求课前预习（仿真）电路参数的确定方法。
1、按照实验原理图搭建左侧的比较电路，运算放大器LM324共4路放大器可任意选择3路，供电电压选0V~+12V。
2、调整10K可调电阻的输出电压给比较器组提供输入，同时测量与CD4051相连的管脚电压（连线前测量），记录于下表：
100mV
300mV
600mV
1200mV
电压
逻辑
测试点1（C）
测试点2（B）
测试点3（A）
3、按照实验原理图搭建右侧的程控放大电路，与前面的比较器组连接，从小到大调整10K可调电阻的输出电压，并测量程控放大器的最终输出级电压，即CD4051的3脚，记录于下表：
50mV
150mV
250mV
300mV
350mV
500mV
600mV
700mV
900mV
1500mV
注：
测试点1为10K电位器的输出电压，测试点2为程控放大器输出。
4、（选作）测量比较器临界点，以及程控放大器的跳变现象。
（1）可以使用两只万用表，分别测量输入点电压（电位器输出）和比较器输出（事先估计该跳变的比较器），从小到大调整10K可调电阻的输出电压，观察比较器的跳变电压，并记录。
（2）同样使用两只万用表，分别测量输入点电压（电位器输出）和程控放大器的输出，从小到大调整10K可调电阻的输出电压，观察放大器输出的回归现象，并记录回归电压。
步骤4参考表格：
第一转折电压
第二转折电压
第三转折电压
第四转折电压
测试点1（电位器输出）
测试点2（C、B、A）
测试点3（程控输出）
1、分析比较电压的确定方法，电阻选定的原则；
2、按要求完整填写测试表格；
3、分别计算各放大区间的理论放大倍数，并分别与实测结果比较，思考提高测量精度的方法和措施；
4、总结实验心得。
1．如何设计一个具有衰减信号的自动量程电路？
2．如果要求使用单片机等微控制器构成程控放大器，该系统又该如何连接？
3．如果要求检测交流信号，又该如何改进电路？
4．该电路可否搭成反向比例放大器？
为什么？
实验三基于proteus的仿真应用
1、通过实验知道软件在实验中的作用；
2、掌握poteus软件中常用虚拟仪器的基本原理；
3、学会利用proteus仿真各种电路。
1．学习proteus的基本使用；
2．用proteus仿真练习简单电路，学会软件中虚拟仪器的使用和调试;
三、proteus的基础入门
1、开始所有程序proteusprofessionalISIS7professional。
2、界面里选择“NO”，在打开的集成环境下出现图1。
图1界面图2关键字查询
在图1界面下方，用鼠标点击按钮“P”，就可以用关键字查询的方式进行芯片仿真模型搜索，如图2所示。
比如在关键字查询框内输入LM331，就会在中间的device下面出现LM331的仿真模型，如图3所示。
同时在右上面的窗口里出现该模型的原理图。
同时图上面显示的“schematicmodel”表示该芯片模型可以仿真，如图4所示。
如果出现“Nosimulatormodel”则表示该芯片模型不能仿真，如图5所示，此时必须想办法找相近芯片替换。
图3关键字查询结果图4可以仿真的芯片模型图5不能仿真的芯片模型
找到可以仿真的芯片模型后，双击中间窗口中该芯片，它就会出现在集成开发环境中的窗口中，如图6所示。
现在用鼠标点击“MINRES10K”，然后将鼠标拖到中间窗口后鼠标后有一个元件跟着移动，当点击鼠标后就会将该元件放在相应位置。
如图7所示。
图6添加所有需要的仿真元件图7选择元件
如果要修改元件的属性，比如“R？
”修改为“R1”或者将10k阻值修改为20k，双击该元件，进入如图8所示界面进行调整。
图8元件属性编辑图9元件旋转、翻转
如果需要将元器件旋转或者翻转，则将鼠标放在元件位置右击鼠标，如图9所示。
将所有的器件连接好了后，再添加芯片的供电电源和地线。
电源和地线如图10所示。
图10电源和地线图11各种信号源
选择图10左下角的按钮，选择POWER就是电源，选择GROUND就是地。
如果需要选择信号源，可以点击图11的左下角后出现各种信号源，DC就是直流信号源，SINE就是交流信号源等。
图12各种仪器仪表
需要万用表或者示波器时，点击图12左下角，则出现各种仪器仪表，比如示波器OSCILLOSCOPE，频率计COUNTERTIMER，直流电压表DCVOLTMETER等各种常见仪器仪表。
二、实验预习内容
图13实验预习图
实现PWM输出波形频率在104-109Hz之间，电机顺时针转动，测出最大和最小转速
实现PWM输出波形频率在104-109Hz之间，电机逆时针转动，测出最大和最小转速
图14实验预习图仿真运行效果图
五、实验要求
1.要求课前预习图13的仿真电路并得到如图14所示仿真效果，目的是熟悉proteus仿真软件的基础应用。
2.实验时将会另行给图进行软件仿真，所以要求大家一定会基本的软件使用。
同时实验电路图必须加入自己的学号和日期。
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