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模拟与数字电路实验教案

课程网站http://jpkc.fudan.edu.cn/s/239/main.htm

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实验安排及教学要求

1 、锁相环及频率调制与解调电路（三周）

2 、乙类功率放大器（一周）

3 、数字电路的FPGA应用实验（四周）

4 、脉冲电路及其应用 （二周）

5 、综合实验（五周）实验室教师联系方式：

王 勇： 65643658 wyong@fudan.edu.cn

孔庆生： 65643231 qskong@fudan.edu.cn

徐 峰： 65642758 xf @fudan.edu.cn

周 锋 : 51355212 fengzhou@fudan.edu.cn

崔旭高： 65643842 cuixugao@fudan.edu.cn

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实验七、锁相环及频率调制与解调电路

一、实验原理：

本实验的原理在本实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分。

二、预习要求：实验前要求预习有关锁相环工作原理、锁相环同步与捕捉的基本概念以及基于锁相环的频率调制与解调电路图的主要元器件参数的设计要点及电路性能指标的测试方法。

三、基本实验内容：

实验电路见下页。

1 、参照实验讲义中的频率调制与解调电路图，用 LM565模拟集成锁相环构成 FM 调制与解调电路，载波频率 fo＝180KHz ，调制信号频率为 0.1—3KHz 。

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FM 调制电路

FM 解调电路

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2、锁相环特性测试

用“调制电路 VCO 输出”作信号源。（调节 Rt2使 VCO频率变化。）按讲义第四节所述方法，测试解调电路锁相环的锁定范围与捕捉范围（也可以用信号源输出矩形波进行锁定范围与捕捉范围的测量，但应注意输出矩形波幅度不要过大）。

3 、用锁相环实现调制电路

实际是利用 PLL 内部的 VCO 作调制电路 (PLL 不需要闭环 ) ，根据实验指标要求确定元件参数后安装电路，插查电路无误后接通电源，并调整 VCO 的中心频率 f01为 150KHz(fo

可用频率计或示波器测试 ) ，加入的调制信号，在 VCO 输出端观察调频输出。若波形不正常，则调整电路，使工作正常。

4 、用锁相环实现解调电路

根据实验指标要求，自行设计运放差动放大电路和二阶有源低通滤波电路，确定元件参数后安装电路。

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在 PLL 开环状态，调整 VCO 的中心频率，将调制电路 VCO输出与解调电路 VCO 输出分别输入示波器 Y1 ， Y2 通道。调整解调电路的，使之与调制电路的一致。

（判别二路信号频率一致的方法可参照“同步范围测试方法”一节），将解调电路闭环，观察 VCO 输出波形，确定电路工作正常后，将调频信号接到解调电路输入端。观察 PD 输出波形（ 7 脚）是否正常。并调整之，插查差动放大与二阶低通滤波器工作正常后连到 PD 输出端，分别观察放大器和滤波器输出端使电路工作都正常。测试解调输出最大不失真及相应的调制信号幅度（在调制电路输入端测），改变调制信号频率，测试解调输出频响特性。

四、实验注意事项：

1、 565 工作不正常，应测试各管脚静态电位是否正常。正负电源是否连接到位， 6、 7 管脚输出直流电平约 4.5V 左右。

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2 、锁相环输出振荡信号频率如果特别高（ MHz 数量级），可能是 Ct 没有接好，锁相环通过分布电容形成振荡。

3 、注意电源退耦的重要性。

4 、两个锁相环应分别都调至 150KHz 左右，然后闭环连接，两者相位差调至 π/2，再加调制信号。

5、加调制信号后（幅度不要过大，一般为零点几伏数量级），第一级锁相环输出为左右晃动的矩形波。第二级锁相环 7 脚输出为粗线条的正弦波形状。

6 、由于第二级锁相环 7 脚带负载能力差，运放减法电路的输入电阻不能太小，一般为几十 K 以上。

五、提高实验部分

1 、宽带 AGC 放大器的调试与测量，实验电路如下所示，分析下图各元件的作用及取值大小的出发点。测量 AGC的范围。

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即输出 VO幅度变化不超±10％时，输入信号的范围。输入fc=5MHz的等幅波用示波器测出可控范围 (db)和起控信号大小。示波器的二个输入端可分别观察 Vi及 VO。

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2 、电路工作不正常，应从以下几方面着手（ 1 ） 电路中乘法器和放大器的静态工作点是否正确，乘法器的各管脚静态工作点如下： 1 、 4 ： -3V， 6 、 12： 3.6V， 2 、 3 ： -3.70V， 5 ： -4.8V， 7 、 8 、 9 、 11、 13：0V， 10： -200mV， 14： -6V 。

uA733 的静态工作点： 5 ： -6V， 10：6V， 1 、 2 、 6 、 14： 0V， 3 、 12： -790mV， 4 、11： -630mV， 7 、 8 ： 3V 左右。

可在 C12处断开，检查电路在没有负反馈情况下的输出波形是否正常，如果正常，在恢复负反馈，检查反馈通路检波和滤波电路是否正常，乘法器 10 管脚电平是否随着输入的增加而绝对值减小。

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一、实验原理：

本实验的原理在网络课堂的 WORD文挡“功率放大电路”作了详细阐述，请自行参阅有关部分。

二、预习要求：实验前要求预习有关乙类功率放大电路工作原理、交越失真基本概念以及乙类功率放大电路效率测量要点和计算方法。

三、基本实验内容：

1 、按照图（ a ）、（ b ）分别连接电路（连接电路请务必确认电源、信号源处于 OFF 状态），直流电源正负电源电压调到±9V ，信号源调为 1KHz 、幅度为 0.2V 的正弦波，为了实现 10倍的信号电压增益，请自行设计 R1 、 R2 、 Rf ，将1K 电位器 Rp 调到 0 欧姆（可用万用表测量 RP 两端的电阻，直到调为零后再接到电路中）。打开电源、信号源调试电路至输出正弦波幅度正常。

实验八：乙类功率放大电路

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2 、关闭直流电源和信号源，请务必确认电源、信号源处于OFF 状态，连接下图电路，将直流电源正负电源电压调到 ±9V ，输出电流调到 ±0.5A ，反复检查电路，确保电路连接无误并征得指导教师意见后，再接入直流电源。

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打开电源后请手摸一下大功率三极管和 8欧姆 10W 电阻，检查有无发烫现象，若有请关断电源，再检查电路连接是否正确和 1K 电位器 Rp 是否调到 0欧姆。如果大功率三极管和 8欧姆 10W 电阻无发烫现象进入步骤 3 。

3 、接入信号源，在输出端 8欧姆 10W 电阻用示波器可以观察到正弦波输出，调节示波器的水平和垂直旋纽，将波形在示波器屏幕上放大，可以观察到交越失真现象。缓慢调节 1K 电位器 Rp （使 Rp缓慢增加），可以看到输出正弦波交越失真减小，调节 Rp 直到输出正弦波交越失真现象刚好消失为止。

4 、测量直流电源提供的平均功率（可用示波器或万用表测量R7、 R8 两端对地的直流电位，并根据万用表测得的 R7、 R8

的电阻值求得直流电源输出平均电流）， 8欧姆 10W 电阻上的输出功率，并计算整个放大电路的效率。

5 、逐步加大信号源输入正弦波的幅度，使输出波形幅度最大且不削波为止，测量直流电源提供的平均功率， 8欧姆 10W电阻上的输出功率，并计算整个放大电路的效率。

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实验九、数字电路的 FPGA应用实验一、实验原理：

本实验的原理在本实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分 ,详细见课程网站“参考资料” 中的数字电路 FPGA 实验

二、预习要求：实验前要求预习有关 FPGA的工作原理、基本概念以及 FPGA 系统设计步骤、设计方法、软硬件环境，对数字电路常用小规模器件如各类门电路、触发器和中规模器件如计数器、数据选择器等应预习其原理和应用方法。

三、实验内容：运动员反应时间测量电路设计 :

必做实验 :该电路用来测量短跑运动员的反应速度，要求时间测量精确到毫秒，假定运动员的反应时间不可能小于 200ms ，所以要求当反应时间小于 200ms时，要给出犯规信号 , 系统输入采用按钮开关 ( 输入窄脉冲信号 ).

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电路框图如下：

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计数控制电路的状态转换图 :

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四、实验注意事项：

1: 关于软件操作和开发板使用请参考文档 : 数字电路 FPGA 实验

2: 要采用模块法设计电路 ,如建一个秒信号发生器模块 ,一个状

态机模块 ,一个计数模块等等 .

3:每个模块都至少要进行功能仿真 .

4: 注意计数器同步清零和异步清零的区别 .

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五、选做实验内容：

实验 A 电梯楼层显示控制器的 FPGA 设计

实验 B 计数型控制器的 FPGA 设计

实验 C 时钟的 FPGA 设计

实验 D 音乐的 FPGA 设计

实验 E 交通灯的 FPGA 设计

实验 F 数字密码锁的 FPGA 设计

实验 G 十进制加法计算器的 FPGA 设计

实验 H 洗衣机状态控制电路设计

实验 I 出租车计价器设计

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实验十、脉冲电路及其应用

一、实验原理：

本实验的原理在本实验讲义开始的原理部分作了详细阐述，请自行参阅有关部分。

二、预习要求：实验前要求预习有关晶体管的开关特性（特别是加速电容的作用）、集成门电路组成脉冲单元电路的工作原理以及施密特门电路的特点，对门电路及触发器的负载特性也应该了解，特别应注意器件的使用安全。

三、基本实验内容：

试设计一个低频脉冲信号发生器，要求

1 、频率为 5-100kHz 输出负脉宽为 1-6uS 可调 TTL 输出脉冲波。

2 、频率为 5-100kHz 输出正脉宽为 1-6uS 可调，幅度 0-12V 可调的脉冲波。

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3 、将振荡器产生的 TTL脉冲波进行同步和异步 4 分频。

四、实验注意事项：1 、实验前应认真查阅有关器件的说明书，注意区分电源管脚 接地管脚、输入输出管脚，了解器件的负载特性、工作频 率要求，一定要检查好电源输出是否正确。2 、环行振荡器不工作应逐级检查每个门电路的输入输出逻辑， 另外如果所用的门电路为 TTL 器件，则 R 不能太大，对74LS 系列门电路， R 一般为几 K 的数量级，这一点在实验中可以 测量出来的。

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图 7-6 改错

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3 、积分型和微分型单稳态电路具有不同的工作特性，其中

积分型单稳态电路能够将宽的正脉冲波转换为负的窄脉

冲输出，要求输入触发正脉冲宽度必须大于所需输出脉、

冲的宽度，而且频率不能太高。

微分型单稳态能够将窄的负脉冲波转换为负的宽脉冲输

出，多采用输入触发负脉冲宽度小于所需输出脉冲的宽

度，而且频率也不能太高。

4 、利用三极管实现电平转换的时候，应注意基极限流电阻不

能太小，否则三极管进入饱和区后会使前级门电路负载电

流过大，容易损坏器件。

5 、如果三极管输出脉冲不理想，应考虑使用加速电容。

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五、提高或选做实验内容：1、  若希望频率连续可调范围增大为 0.5~1000kHz，对环行

振荡器应采取什么措施？请设计电路实现。2、 微分单稳态电路中 ,电阻 R的调节范围有限 ,当电阻 R

不满足 7-16时 ,微分电路工作不正确 ,如何改进电路 ,提高电阻 R的调节范围 ?即电阻 R不满足 7-16时 ,电路仍可以调节脉宽。

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实验十一、综合实验本实验单元共安排 8 个实验题目供同学们选做，实验题目如下：

实验一：计数型控制器设计

实验二：智力竞赛抢答计时系统设计

实验三：数字信号三位数字频率计系统设计

实验四：六位 ADC系统设计

实验五：模拟信号六位频率计系统设计

实验六：直流数字电压表

实验七： D 类功放

实验八： IC_CARD设计

下面分别简要介绍一下设计要求及注意事项：

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实验一：计数型控制器设计

设计要求：试设计一控制器，要求控制器在开机 T秒后启动某节拍分配器开始工作，而在节拍分配器运转 N 秒后自行停止，以后不断重复执行。 T和 N 值可根据一组开关的预置值进行选择，节拍分配器的输出要求按下列程序工作：

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计数型控制器设计注意事项：

1 、彩灯的循环显示可移位寄存器 74LS194 实现，设计控制器实现对 74LS194 左移、右移和置数端子的控制。控制器的设计可用 74LS93 实现。

2 、起停控制可通过两个计数器控制 T触发器实现对时钟信号的闸门控制。

实验二：智力竞赛抢答计时系统设计

设计要求：抢答电路能允许三组同学同时参加竞赛，在宣布了题目后，只要三组同学要求答题（通过开关）的时间差在100ns以上，电路应能予以判别，一旦某组抢到了答题权利，其他两组的抢答权利既自动取消。电路能给出谁首先抢到了答题权利的闪光显示信号。抢答所用时间由计时电路告知，要求计时电路显示时间精确到 0.1秒，最大显示时间为 90秒。一旦时间大于等于 90秒，电路自动停止计数，并取消所有同学的抢答权利。计时和抢答电路既受裁判控制，也受智力竞赛抢答获胜者控制。

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智力竞赛抢答计时系统设计注意事项：

1 、抢答器可以用锁存器或触发器实现，也可以直接用与非门互锁实现。

2 、计时系统可用计数器 390 和译码器 249 实现。

实验三：数字信号三位数字频率计系统设计

设计要求：设计一个三位数字显示频率计系统，要求测频范围为 0.1～ 99.9kHz，三位数字显示末位为四舍五入显示

≤（误差 ±0.05 kHz）。当被测频率 f>99.9kHz时，电路应能给出小数点闪光的溢出显示。

数字信号三位数字频率计系统设计注意事项：

1 、该系统主要是被测信号和闸门信号通过闸门形成的脉冲计数显示系统设计，可用晶体振荡器分频后形成闸门信号，计数显示与抢答计时系统一样。

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2 、该系统的另一个设计要点是计数器的锁存清零问题，闸门信号、锁存信号和清零信号的关系如下（锁存信号也可以是高电平锁存，清零信号也可以低电平清零）：

闸门信号

锁存

清零

注意：锁存信号和清零信号的电平高低应视具体锁存器和计数器要求而改变，锁存信号和清零信号的产生可用单稳态器件74LS123 实现。

该实验提高要求 : 实现 f>99.9kHz时能够自动换档 , 测量100K到 999KHz 信号 ,小数点右移一位 ,而 f<99.9kHz时 , 也能够自动换档测量 ,小数点左移一位 , 实现自动换档时可不要求溢出功能和四舍五入功能 .

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实验四：六位 ADC 系统设计设计要求：试设计一个逐次比较型六位 ADC ，能将 0～ 3.2V的模拟量转换成数字量输出（以发光二极管的亮暗表示）。精度为 6bit，分辨率为 0.05V，转换速度为 1 ～ 5ms。

六位 ADC系统设计注意事项：

1 、逐次比较型 ADC 系统组成下图所示，由比较器、数模转换器和数字系统三大部分构成，本实验仅要求设计能满足要求的数字系统部分。

+

-

+V

Vx

DAC0832

数字系统

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2 、数字系统的设计关键是六个触发器依次置 1 并通过比较决定触发器的 1 信号是否继续保持，六位比较完成后，六个触发器的状态就是转换结果。触发器可用 D 也可以用 JK ，依次置 1 信号可用移位寄存器 194 实现。

DAC0832 实现单极性二进制数字到模拟电压转换的接线方法如下图所示：

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实验五：模拟信号六位频率计系统设计

设计要求：输入模拟信号幅度：大于 200mV ，测量频率范围： 100Hz一 20MHz 的六位频率计系统。

模拟信号六位频率计系统设计注意事项：

1 、实验原理请详细阅读实验讲义，该实验主要有两部分：信号放大整形、信号计数，放大整形可用 uA733 和高频三极管实现，考虑信号抗干扰也可以考虑使用施密特触发器件。信号计数部分主要是 CD4553 的正确使用，特别是闸门信号、锁存信号和清零信号的关系，见下：

闸门信号

锁存

清零

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2 、 uA733 应接成单端输入单端输出的工作方式，其输出端有 3V 左右的直流电平，因此可以不加耦合电容直接接三极管整形电路。 CD4553由于是 MOS 器件，一定不要有悬空的输入端子。

实验六：直流数字电压表

设计要求：设计一个直流数字电压表，要求如下：用三位十进制数显示，量程为 +5.00V ，分辨力为 0.0lV ，测量精度为士两个字，测量速度 50次／秒。溢出显示：当被测直流电压超过量程时，三位数字全部灭灯，同时三个小数点全亮。

直流数字电压表设计注意事项：

1 、积分器和比较器的设计：矩形波振荡器考虑振荡的稳定性可以用晶体振荡器实现，积分器应用运放积分电路，积分电路的充放电时间常数的设定应保证产生良好线性度的锯齿波。比较器应该用单电源供电的 358 ，输出 TTL 电平。

2 、下图为单积分 V—T变换工作原理框图讲解：

36显示

积分电路 比较

电路

计数脉冲

控制电路

受控门

计数

锁存

译码

Ux

清零

锁存

溢出

a b

c

d

Ux

U

U

U

U

a

b

c

d

t

t

t

t

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实验七 ： D类功放

设计要求：

设计 D类功放电路，实现音频输入信号如 1KHz 正弦信号调制在载频如 200K 的等幅方波上 ,得到脉宽随音频 (1KHz) 幅度变化而载波幅度不变的 200K脉宽调制波 , 通过功率放大后 ,由 LC 构成的低通无源滤波器滤去载波及以上的谐波 ,就可得到功率放大了的音频信号 ,以下电路只供参考 , 存在问题实验中应改进 ( 可以参考教材 555 定时器一节说明和振荡器电路 ) 。

D类功放设计注意事项：

电路要逐级连接，逐级测试。场效应管在使用前应用三极管特性测试仪测量其输出特性。根据设计要求确定 L、 C 的取值，电感线圈为减小直流电阻可自行绕制，并测量其电感量，注意直流电源退耦，特别是串联 1欧姆电阻处（ P沟道场效应管源极）。

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实验八： IC_CARD设计

设计要求：实现主机（发射电路）对副卡（接收电路）中的数字信息的辨认和读取（副卡的部分元件的电源由主机发射的电磁波提供，部分实现了 IC卡的功能。

IC_CARD设计注意事项：

1 、需要注意的是主次级谐振电路都要谐振，谐振时谐振电路输出比较标准的正弦波，且幅度明显增大，因此主次级谐振电路的电容要仔细调试 ,以下电路只供参考 , 存在问题实验中应改进。

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2 、副卡的键控调制参考电路如下图所示：负载调制电阻 R8应该仔细调试，以得到最佳调试效果。

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3 、主卡参考电路见下图所示 ：检波后运放放大倍数应仔细调试，以期得到接近 TTL 幅度的输出，运放输出端可接施密特非门整形，以提高抗干扰能力。