HNU-2023电路与电子学-实验1

写在前面：

这是电路与电子学课程的第一次实验，按照指导书的需求在Multisim软件搭建一个电路传感器模型，难度较小，细心完成就没有问题。

小tips：22级实验是采用上传到测试平台来进行功能检测，如果不通过则会打回修改后再重新提交，（我们那时候的评测系统特别特别慢，一次只能测一个同学，剩下同学就排队等着，久的时候甚至超过10个小时），这里列举一个常见的错误：热噪声有+号这端需要连接有源滤波器这边；当时很多同学都是因为这个错误导致评测不通过。

一、实验目的

1. 掌握金属箔式应变片的应变效应，电桥的工作原理。
2. 学会使用应变片原理建立电子秤传感器模型。
3. 学会设计电桥、滤波器和放大器。
4. 学会使用模数转换器。
5. 加深对基本原理的认识，提升设计能力。

二、实验内容

1.用压控电阻和阻值为 348 欧的电阻一起模拟应变片，设计电桥，使电桥的输出与压控电阻的控制电压成正比例，采用电压表测电桥输出端的电压。 压控电阻的位置：点击 view–Toolbars–Virtual，然后会跳出一个工具栏，找到电阻，最下面一个就是压控电阻。压控电阻控制电压（DC_INTERACTIVE_VOLTAGE）的位置：点击 place 菜单—>component—>弹出菜单的左上角 database 选 master database，下边的 group 选 sources， 再下边的 family 选 signal voltage sources， 再选 DC_INTERACTIVE_VOLTAGE 即可。DC_INTERACTIVE_VOLTAGE 的使用：单击按键可在仿真过程中按事先设 定的比例增加或减少电压值，如 Key=A，那么单击 A 可以增加电压，shift+A 可以减少电压。

2. 运用 Virtual3-Terminal Opamp 设计放大电路，要避免电桥对放大电路的影响，使电桥输出放大 100 倍，采用电表或探针测放大器输出电压。Virtual 3-Terminal Opamp 的位置：点击 view–Toolbars–Virtual，然后会跳出 一个工具栏，找到“Analog Family”，选择放置“Virtual 3-Terminal Opamp”。

3. 对放大器输出引入热噪声 THERMAL_NOISE，再采用有源滤波器进行 滤波，采用双通道示波器或四通道示波器对比滤波前后的电压波形。 THERMAL_NOISE 的表达式为：

其中：k=Boltzmann’s Constant=1.380649 × 10-23J/K，温度 T 单位为开尔文 THERMAL_NOISE 的位置：点击 place 菜单—>component—>弹出菜单的左 上角 database 选 master database，下边的 group 选 sources，再下边的 family 选 signal voltage sources，再选 thermal noise 即可。

4. 运用 ADC（或者采用积分方法自行设计 AD 转换器）将放大电路的输出 转换成数字信号，并进行显示。

三、电子秤模拟通道的设计实现

1、电桥的设计实现（从设计原理到具体实现展开介绍）

电桥电路的设计原理：

本电路用电压控制电阻来模拟实际情况的压控电阻，实际电路图如下图所示：

并且有使用四个压控电阻的灵敏度最高：

在 Multisim 中具体仿真实现：

使用电压控制的电阻，用电压变化来模拟压力的变化，设置电阻值为 0.004185 欧/伏，根据公式换算可得：电桥输出电压 U5=0.00007215V2（V3、V4、V5）V2 为待测电压值。

2、 放大电路的设计实现（从设计原理到具体实现展开介绍）

放大器电路的设计原理：

利用减法器的输出电压正比于输入两电压值的差值，所以可以通过设置电阻值将比例系数设置为 100，然后将电桥输出电压的正负极分别接入减法器的两输入电压，这样就完成了 100 倍放大，同时为了防止运放电路对电桥平衡的影响，需要使用两个电压跟随器来保护电压：

在 Multisim 中具体仿真实现：

当 R8/R6=R9/R7=100 时，比例系数为 100。

3、 滤波器的设计实现（从设计原理到具体实现展开介绍）

滤波器的设计原理：

利用了同向低通滤波器的基本原理，对于同向低通滤波器：

通带放大倍数为 1+R2/R1，本电路中取 R1=R2，放大倍数为 2 倍，截止频率为：1/RC。

具体实现：

设置高频噪声，在滤波器中被过滤，设置滤波器 R10 为 10 欧，C1 为 100 微法，时间常数为 0.001，截止频率为 1000。

4、 模/数转换 ADC 的实现（从具体实现展开介绍）具体实现：

本处使用 ADC 模数转换器将模拟信号转变为数字信号，设置 Vref±Vref-的值为压控电阻最大时 Vin 对应的值，如此操作后 ADC 的输入输出则满足等量关系：Vin/(Vref+ - Vref-)=ADC输出八位二进制数对应的十进制数/255，就完成了连续的模拟信号向数字信号的转换。

5、模拟通道的完整电路图

四、实验数据记录

结论:电桥输出电压和变化的电阻都与控制电压成线性关系，随控制电压增大而增大，变化 的电阻的最大值为 0.314Ω，电桥输出电压最大值为 5.411mV。

结论：输出电压 Vout=Vin*R2/R1

结论：改变噪声的噪声比，对滤波器的输出电压基本无影响当噪声频率较小时，要注意不能低于滤波器的截止频率，否则无法被过滤。

结论：设 D7~D0 八位二进制数转化成十进制数为 a,满足 Vin/(Vref+ - Vref-)=a/255,由此就将模拟量转化成了数字信号。

五、思考题

1、电桥电压的大小有范围吗？为什么？

答：有范围，当电桥电压过大时，经过放大器放大后可能达到运放器的外接电压（即最大输出电压）一旦达到最大电压，改变电桥电压时运放器的输出电压将不再改变，无法达到实验预期的结果。

2、模数转换器 ADC 是如何实现的？

答：ADC 的基本原理是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。在实际应用中，ADC 通常由三个主要部分组成：采样、量化和编码。

采样：采样是指对模拟信号进行离散化处理，将连续的模拟信号在时间上进行离散采样。

量化：量化是将采样得到的连续信号转换为离散的幅值。在量化过程中，采样值将被映射到离散的量化级别上，以表示信号的幅值大小。通常采用的是均匀量化，即将幅度范围划分为若干等间隔的量化级别。

编码：编码是将量化后的信号转换为二进制码，以便于数字系统的处理和存储。

实际的原理是是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分,将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔,然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔,进而得到相应的数字量输出。

3、模数转换器（ADC）8 位的输出与压控电阻的控制电压是什么关系？为什么？

答：是一个线性关系，因为对于整个电路而言，电路是一个线性电路，所以输入 ADC 的电压 Vin 与控制电压 V1 之间是线性关系， 而对于输出电压 Vout 满足公式： Vin/(Vref+ - Vref-)=ADC 输出八位二进制数对应的十进制数/255，所以 ADC 的八位输出转换为十进制数后与控制电压是线性关系，且随控制电压增大而增大。

六、实验总结、必得体会及建议

1、从需要掌握的理论、遇到的困难、解决的办法以及经验教训等方面进行总结。

(1). 需要掌握的理论：1.电桥电路的平衡原理及使用，2.电压跟随器的使用，3.正向低通滤波器的原理及使用，4.噪声的正确方向以及噪声频率的设置，5.时间常数的计算和改进，6.基本运放电路的使用和设计，7.ADC 的原理及使用，8.示波器的使用和参数设置，9.ADC 的输出。

(2). 遇到的困难：1.起初不理解示波器的使用，无法显示正确的波形以及验收时未通过。 (3).解决方法：通过小组讨论最终找到了自己的错误地方，并顺利完成电路设计

(4).经验教训：在提交验收前，一定要仔细检查自己电路的功能，确保无误后再提交验收，同时当遇到自己无法解决的问题时，多和同学们讨论，很有可能其他同学能提供更优秀的思路和设计方案。要注意好各个元件的方向，如噪声发生器正极应朝向滤波器。