放大镜实验教案
实验课题：放大镜 指导教师： 范厚兴 实验类别：学生分组 时 间：2011年3月29日 教学目标
知识与技能：
1、放大镜是凸透镜，凸透镜具有放大物体图像的功能，用放大镜观察物体 能看到更多的细节。
2、放大镜广泛应用在人们生活生产的许多方面。
3、放大镜镜片的特点是透明和中间较厚（凸起）。过程与方法：
1、正确用放大镜观察物体。
2、比较用肉眼观察和用放大镜观察的不同。情感态度价值观：
1、理解使用放大镜观察的意义。
2、增强用放大镜观察身边世界的兴趣。
3、认识到从肉眼观察到发明放大镜是人类的一大进步。
教学重点：能正确使用放大镜观察物体的细微部分 教学难点：放大镜是“凸”“透”镜 教学准备：
实验器材：放大镜、柱形、透明器皿、塑料薄膜、铁丝、普通玻璃片、平面镜片、水。教学过程：
一、为什么要用放大镜观察
1、导入：师出示放大镜：“看，这是什么？”（生：放大镜）放大镜大家很熟悉，能否替放大镜来介绍一下自己——《我是放大镜》。可以从放大镜的构造、作用、用途三个方面展开。
2、小组讨论交流放大镜的构造、作用、用途。
3、展示交流
放大镜的构造——镜架、镜片（如果学生能说出凸透镜也可以）
放大镜的作用——放大物体的像（可能学生会说“把物体放大”，提醒学生物体并未变大）
放大镜的用途——我们用放大镜观察校园里的生物、实验中在老师指导下观察花、昆虫等。它是视力不佳者的助视器，还适用于电子产品检验、线路板检验、集邮者欣赏鉴定邮票、珠宝商鉴定珠宝、公安人员用它观察指纹毛发纤维等、农技人员用它观察花蕊进行人工授粉等、制作微型工艺品的工匠工作时使用……
4、让学生尽量充分地例举使用领域，交流后填写第2页的网状图。
二、放大镜下的新发现
1、师：谁给大家演示一下放大镜的正确使用方法？ 请学生演示放大镜的使用方法。根据学生的演示师讲解正确使用放大镜的两种方法：目、镜、物三者，目不动，镜动或物动。
2、师：选择一小块面积，运用放大镜仔细观察图片、屏幕、织物等看谁会有新的发现！将新发现用文字或图片记录在科学记录本上。
3、交流新发现后，师归纳：放大镜把物体的图像放大，让我们看清了肉眼看不清的细微之处。
三、放大镜的特点
1、师：放大镜顾名思义是能“放大”，那么它能放大的秘密在哪里呢？（镜片具有“凸”、“透”的特点）老师给大家准备的物品中有没有像放大镜那样能放大物体呢？请同学们找一找。
2、学生尝试利用平面镜、玻璃、水、水槽、集气瓶、烧瓶等物体来放大物体的像。（发现圆柱形及球形的装满水的容器及水滴都具有放大的作用）
3、师：放大镜的镜片和能起放大作用的器具有什么共同的特点？（中间凸起，透明的）所以放大镜也叫“凸透”镜。放大镜的凸起程度越大，放大的倍数也越大，由此推断球形的透明物放大倍数最大。
四、小结
1、师：对于熟悉的放大镜，通过今天这节课的学习你有什么新的发现或收获吗？（放大镜也叫凸透镜，凸度越大放大倍数越大。运用放大镜细心地观察物体，还能看到很多有意思的细节）
2、课外你可以尝试着用一些简易的材料自己制作一面放大镜，或者用你的放大镜去仔细观察身边的物品，看看还会有什么新的发现。
板书设计：
放大镜
差动放大电路有两个输入端子和两个输出端子,因此信号的输入和输出均有双端和单端两种方式。双端输入时,信号同时加到两输入端;单端输入时,信号加到一个输入端与地之间,另一个输入端接地。双端输出时,信号取于两输出端之间;单端输出时,信号取于一个输出端到地之间。因此,差动放大电路有双端输入双端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入单端输出四种应用方式。
本文研究了射极偏置和恒流源偏置两种差动放大器电路,分析了两种差动放大器电路在双端输入双端输出方式下的静态工作点的估算、差模电压放大倍数和共模电压放大倍数、共模抑制比,讨论了恒流源偏置差动放大电路的其余三种接法的差模电压放大倍数,并给出实验实测结果。实验结果验证了理论知识。
2 理论分析与实验结果
图1是差动放大器的基本结构。它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。当开关K拨向左边时,构成射极偏置差动放大电路。调零电位器RP用来调节T1、T2管的静态工作点,使得输入信号Ui=0时,双端输出电压UO=0。RE为两管共用的发射极电阻,它对差模信号无负反馈作用,因而不影响差模电压放大倍数,但对共模信号有较强的负反馈作用,故可以有效地抑制零漂,稳定静态工作点。当开关K拨向右边时,构成恒流源偏置差动放大电路。它用晶体管恒流源代替发射极电阻RE,可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。下面先讨论两个差动放大器电路均为双端输入双端输
出方式下静态工作点的估算及动态性能,再讨论恒流源差动放大电路的其余三种接法的差模电压放大倍数。
2.1 静态工作点的估算
零点调整:使输入信号为0,调节RP,用万用表直流电压档测量输出电压,使得输出电压为0。
1)当开关打向左边时,电路为射极偏置差动放大电路。
A、理论计算有:
B、实测:
接通+VCC和+VEE,用万用表直流电压档测量晶体管T1集电极电位,实测UCQ1=6.38V。理论分析与实验实测结果相一致。
2)当开关K拨向右边时,电路为恒流源偏置差动放大电路。
A、理论计算有:
通过计算出R2两端的电压UR2,可得到开关K拨向右边时,差动放大电路的恒定输出电流
B、实测:
接通+VCC和+VEE,用万用表直流电压档测量R2两端的电压,实测UR2=8.25V。理论分析与实验实测结果相一致。
2.2 差模电压放大倍数和共模电压放大倍数
由函数信号发生器产生一个频率f=1KHz的正弦波信号作为输入信号源。
2.2.1 测量差模电压放大倍数Aud
输入差模信号ui1=-ui2=50m V,即ui=uid=ui1-ui2=100m V
操作:信号源接A端与B端之间,构成差模输入方式,调节输入信号,用万用表交流电压档测量,使A端与B端之间电压为100m V。
1)当开关打到左边时,用万用表交流电压档测量输出电压uo,实测uo=5.12V,则射极偏置差动放大电路的差模电压放大倍数为:(注意,Aud仅为电压放大倍数的绝对值)。
2)当开关打到右边时,用万用表交流电压档测量输出电压uo,实测uo=5.53V,则恒流源偏置差动放大电路的差模电压放大倍数为:。。
结论:差动放大电路对差模信号有放大作用。实验结果与理论相一致。
2.2.2 测量共模电压放大倍数Auc
输入共模信号ui=uic=ui1=ui2=50m V
操作:将放大器A、B两端短接,信号源接A端与地之间,构成共模输入方式,调节输入信号,用万用表交流电压档测量,使接A端与地之间电压为50m V。
1)当开关打向左边时,用万用表交流电压档2V档位测量输出电压uo=0.002V,则射极偏置差动放大电路的共模电压放大倍数为:。。
2)当开关打向右边时,用万用表交流电压档2V档位测量输出电压uo=0.001V,则恒流源偏置差动放大电路的共模电压放大倍数为:。。
结论:差动放大电路对共模信号有抑制作用。实验结果与理论相一致。
2.3 共模抑制比
1)当开关打到左边时,射极偏置差动放大电路的共模抑制比。。
2)当开关打到右边时,恒流源偏置差动放大电路的共模抑制比。。
从而可以得出的结论是:恒流源偏置差动放大电路比射极偏置差动放大电路对共模信号有更强的抑制作用。实验结果与理论相一致。
2.4 恒流源偏置差动放大电路的其余三种接法的差模电压放大倍数
上面已经讨论了双边输入、边输出的情况,下面讨论恒流源偏置差动放大电路的其余三种接法的差模电压放大倍数。将开关K打到右边,构成具有恒流源的差动放大电路。
2.4.1 双端输入、单端输出情况
双端输入差模信号:
操作:信号源接A端与B端之间,构成双边输入的差模输入方式,调节输入信号,使A端与B端之间电压为100m V。
测量单端输出电压:uo1=2.7V
则:
2.4.2 单端输入、双端输出情形
单端输入差模信号:。。
操作:将B端与地之间短接,信号源接A端与地之间,构成单边输入的差模输入方式,调节输入信号,使A端与地之间电压为100m V。
测量双端输出电压:uo=5.7V
则:
2.4.3 单端输入、单端输出情形
单端输入差模信号:
操作:将B端与地之间短接,信号源接A端与地之间,构成单边输入的差模输入方式,调节输入信号,使A端与地之间电压为100m V。
测量单端输出电压:uo1=2.8V
则:
综上所述:实验验证了不管是双端输入还是单端输入,单端输出的差模电压放大倍数都是双端输出的二分之一。实验结果与理论相一致。
3 结论
由实验结果可知,差动放大电路对差模信号有放大作用;差动放大电路对共模信号有抑制作用;恒流源偏置差动放大电路比射极偏置的差动放大电路对共模信号有更强的抑制作用;不管是双端输入还是单端输入,单端输出的差模电压放大倍数都是双端输出的二分之一。实验结果验证了理论知识。本文的分析和实验研究对学生学好模拟电子技术课程有很好的辅助作用,可作为模拟电子技术课程的实验,利于学生深入学习差动放大电路。
参考文献
[1]任骏原.单端输入差分放大电路输入信号的等效变换[J].电气电子教学学报,2008,30(6):1-5.
[2]牛滨,陈松景,等.差动放大电路共模干扰抑制能力的研究[J].哈尔滨理工大学学报,2009,14(1):92-95.
[3]桂静宜.基于Multisim的差动放大电路的性能研究[J].山西电子技术,2009(6).
[4]韩春光.模拟电子技术与实践[M].北京:电子工业出版社,2009.
1充分准备，让实验“有的放矢”
为了避免学生盲目实验，实验前除了让学生预习好有关的课本内容及实验报告外，主要是教师在课前能做好充分的准备，在课堂上能更好的引导学生.这样，学生对实验胸有成竹，不会再乱无目的.
例如在探究滑动摩擦力的大小与哪些因素有关的实验时，笔者在课前先动手做了三种探究滑动摩擦力大小的实验方法：第一种，拉动木块；第二种，拉动支持木块的长木板；第三种，用匀速牵引器拉动木块.通过这三种方法的比较，笔者发现第一种是比较常见的学生实验方案，能使学生了解滑动摩擦力与哪些因素有关，但实验误差大，主要原因是拉动木块难以保证匀速.而第二种不需要匀速拉动的条件，但对许多学生来说，理解相对运动比较困难.第三种需要自制教具，作为演示实验效果较好.因此，在学生实验时笔者选择了第一种.上课时，笔者先引导学生说出有哪些生活实例并作出猜想（在结冰的路面走路容易滑倒，在地面上拖重箱子很费力等），以便把猜想集中到两（或三）个因素上：接触面粗糙程度、压力的大小.在集中猜想后，再引导学生用控制变量的方法设计实验和进行实验.
2明确分工，让合作“秩序井然”
实验时除了要用实验室的规章制度来约束学生的言行外，应允许同组学生进行相关问题的讨论，鼓励学生对实验进行探究，欢迎学生对实验提出改进的方案，创设一种边实验边研讨的氛围.例如在测石块的密度实验时，在小组的划分上，笔者把四个学生分为一个学习小组，为每组分发了几种学习材料.教学的第一个环节，我给学生布置了这样的任务：
师：请小组四名同学分别承担这样的角色，材料员负责材料的取放；记录员负责记录观察、实验过程中的各种数据；操作员负责安排小组成员的实验操作；小组长负责小组的全面工作.（学生在小组内安排了各自的角色.）
师：按照分工分别测出石块的质量和体积
（学生活动：操作员开始安排实验顺序，每名学生带着任务在学习小组内进行活动，有的调天平平衡，有的给石块系上棉线，有的观察指导等，一边活动，学生一边讨论他们的发现，记录员记录活动结果.）
实验结束时，有的学生整理器材，有的整理数据，汇报同时，展示实验记录.在活动的时候，材料员对材料进行分配，使每个组员都在进行实验活动.在许多实验课上笔者经常采用此法，效果非常好，而老师也变得轻松多了.
3及时指导，让操作“合理规范”
学生在实验中常常会出现不规范的操作，教师在学生实验过程中要不时巡视，时刻注意学生实验中的不规范操作，及时加以纠正.不会操作的，一定要耐心地教.看到不良的实验习惯，一定要及时指正.这样，经过一个阶段的训练，学生就能养成良好的实验习惯，形成规范的操作技能.
实验过程是以学生为主体的活动过程.要想让学生在实验中不仅有参与的兴奋，而且能体会到成功的喜悦，教师必须指导学生如何去实验、如何去观察、记录.例如：在“测定小灯泡电功率”的教学活动中，笔者给学生提出几个问题：
（1）如何测出小灯泡的电功率（包括额定功率）？原理是什么？
（2）需要哪些器材？各器材在实验中的作用？
（3）实验过程中需要测量哪些物理量？如何处理实验数据？
（4）是否需要评价和交流？
笔者给学生一定的思考和交流时间，学生的讨论和交流是热烈的，也很在意自己对问题的看法和老师及同学们的评价.在老师和同学们的认可前提下进行实验探究活动，很快他们测出了小灯泡分别在小于、等于和大于额定电压的条件下小灯泡的实际功率的大小及发光情况，通过交流和评价完成了“测定小灯泡电功率”实验活动及相关知识和技能的获取和巩固.
对学生的指导还可以让学生通过阅读、小组讨论、交流、师生的互动来共同确定实验中的注意事项、操作步骤、实验装置的安装等.当然在具体的实验操作过程中，依然会出现很多问题，此时老师应深入学生中去，作为巡视员、指导员和观察员及时地发现学生中存在的问题、及时地给予提示、帮助或耐心的关注、倾听.要帮助学生解决实验中出现的问题，要能及时地、敏锐地捕获学生实验中稍纵即逝的可能生成的宝贵资源，要适时地走进去、恰当地走出来.在巡视中要尽可能关注所有的实验小组，帮助学生处理一些突发的事件、提醒学生及时注意、观察、记录、分析、讨论.有时班级班额大，教师不能看到所有学生犯的错误，这时，我们可以把每个小组实验技能较好的学生培养成小老师，帮助教师来辅导能力较弱的学生和记录有些教师没有发现的问题.
4有效交流，让评价“助推成长”
实验结束后，如何及时地将学生的注意从实验中收回到实验的分析总结上来，确实让人头痛.很多时候，学生还沉浸在实验的兴奋中，老师直接地强加干预可以将学生的注意拉回到实验的分析总结上来，但总觉得有些不妥、太生硬，如何解决“收和放”的矛盾.如何进行自然的过渡，笔者想到采用这样一些方法：把学生分组实验过程中出现的问题、实验中的组员的精彩表现、有代表性的实验现象等，用数码相机拍摄下来，直接放在大屏幕上，这样的做法既有针对性又可以吸引学生的眼球.也可以尝试着在学生实验之后让学生走上讲台去汇报实验过程、实验现象以及自己根据实验现象可能得出的结论、实验过程中遇到的问题是怎样解决的，有何改进、有什么创新；让学生进行小组之间的交流、甚至是争辩.学生用自己的语言来表达，刚开始的时候效果并没有自己想像的好，不少同学上来之后说不出来或不知道如何说起，此时作为老师应该表现出极大的耐心和信心，鼓励学生去说，给学生充足的时间，让学生切实感受到老师的鼓励、关注和期望，通过一段时间的锻炼之后，发现学生在实验时更专注了、更集中了，发现的问题更多了、有了更多的创新.而通过有效的交流，不仅可以让知识得以升华，也可以让学生的语言表达能力、分析能力、解决实际问题的能力、概括总结的能力等都得到提升.
其次，教师要认真批阅实验报告，找出好的实验报告作示范，给学生指出好的方面，对存在问题的实验报告，要指出存在的不足.例如，如何正确读取数据，取几位有效数字，对实验误差，要具体分析，误差的主要来源是仪器的精度造成，还是由于读数不准确造成.例如，测温度时，读数时视线要与液柱上表面相平，否则会造成读数的错误.要让学生讨论出现的问题，互相学习，通过评估总结提高学生的实验技能.
幼儿天生对外界事物充满了好奇和探索欲望，他们精力充沛，富于幻想，源于孩子们对手影、皮影等光射作用的好奇，对物体变化的好奇，因此，我们预设了《科学放大镜》主题活动，从幼儿的日常生活中常见的科学现象入手，和他们一起探索光、影、旋转、变化的奥秘及与人们生活的密切关系，使幼儿在观察、发现、操作、探索等活动中了解科学现象，感受科学奥秘，体验科学探究的乐趣，认识到科学给人们生活带来的方便与快捷，从而形成积极探索、热爱科学的良好品质。
二、主题目标的预设：
(一)情感与态度目标：
1、引导幼儿在观察、发现、操作、探索等活动中了解科学现象，感受科学奥秘，体验科学探究的乐趣。
2、让幼儿认识到科学给人们生活带来的方便与快捷，从而形成积极探索、热爱科学的良好品质。
(二)知识与能力目标：
1、了解感知凸透镜、凹透镜、平面镜成像的不同。
2、了解物体在水中成像的现象。
3、知道有些物体能溶于水。
4、初步感知仿生学的原理。
5、了解视觉暂留现象。
6、初步了解复制的方法。
(三)技能目标：
1、学习用弯折的技能，大胆表现富有创意的电线立体造型。
2、学习立定跳远及变化花样玩绳。
放大镜是生活中常见的用品，是科学探索活动中不可或缺的基本工具。
一面普通的小镜子，究竟有什么样的功能，透过这面镜子观察物体，物体会发生什么样的变化？激发幼儿对这面镜子的好奇与探索的兴趣。，而“好奇”正是引导幼儿喜欢探究的最佳途径。因此，我决定活动中让幼儿自主观擦放大镜看物体后的“奇妙现象”。幼儿园放大镜教案：活动目标
1、观察、比较，常见物体在放大镜下奇妙的变化。
2、尝试使用放大镜对物体进行细致的观察。
3、培养幼儿根据观察结论想象熟悉的物品在放大镜下的变化。幼儿园放大镜教案：活动准备
1、欣赏有关放大镜观察物体的视频。
2、放大镜每小组一个、幼儿熟悉的物品每小组一个。
3、每人一份观察用的图片。幼儿园放大镜教案：活动过程
一、情景引入
1、观看视频小白兔拔萝卜，第一图和第二图对比，同一张图片，为何第一图没有镜子就小一些，而第二图有了一个小镜子图上的物体就变大了？引入孩子们对放大镜的认识。
【设计意图：先观看然后引入，即让幼儿对自己所不熟悉的放大镜有一定的了解，又能通过物体的变化激发幼儿对放大镜的好奇。】
教师肯定幼儿的观察结论如：第一幅图小，而第二幅图大了许多。从而引入对放大镜的奇妙现象的认识，原来放大镜可以将物体变大，这是一件多么神奇的事。
二、使用放大镜
1、出示放大镜，简单介绍：这就是能让物品看起来变得清晰的放大镜。使用放大镜的时候，不用太靠近眼晴，也不用太靠近物品，只要对准物品，调整最佳距离就行了。
【设计意图：在前面奇妙视觉感受的铺垫下，出示放大镜，让幼儿对使用放大镜产生期待，并且通过语言帮助幼儿再现正确使用放大镜的方法。为后续使用做准备。】
2、请你用放大镜看一看，图片上是谁?能学做一下1号的动作吗?2号的方向是怎么样的?4号手里拿着什么?(让幼儿的观察有非常具体明确的目的，让幼儿倾听，尝试带着目的去观察。)
【设计意图：引导幼儿从无目的观察到借助放大镜，通过倾听，尝试带着目的去观察，进一步积累有意观察的经验。】
3、操作幼儿使用放大镜的方法。
鼓励专注观察的幼儿。
4、讨论：
谁愿意回答第一个问题?请上台。
2号的方向是怎么样的?大家用手势回答!
4号手里拿着什么?一起回答--放大镜。
【设计意图：通过点击电脑上的放大功能，验证幼儿的观察，这也是对幼儿的观察行为的一种肯定和鼓励。】
三、想象和比较
1、再看看，这像什么?
【设计意图：比较，让观察更具有目的性。随着环节的展开，幼儿的观察从无意观察慢慢向有目的的观察前行，当然，比较也让幼儿进一步体验到了放大镜带来的奇妙感受。】
辅助猜谜语：不是冰块，不是宝石，味道很甜，不酸不成，蚂蚁爱吃，我也喜欢。
2、这是生活中常见的白砂糖，比较一下有什么不同?
3、接下去展示的图片和我们的身体有关，找到了吗?观察一下，再比比图片。仔细观察，再认真找找，它放大了我们身上的哪一部分?(给每位幼儿发一个放大镜，同时出示两张图片)教师巡回指导，观察幼儿使用放大镜的方法是否正确，及时指导。
了解和肯定幼儿使用放大镜后的发现：用了放大镜，你有什么发现?(幼儿：看得晕晕的，放得好大等)(出示照片)出示舌头的全貌，总结幼儿的发现。如：舌头上的小泡泡能帮我们分辨酸甜苦辣
【设计意图：这个部分承上启下。既延续了上个环节的想象、猜想和比较，又让幼儿在期待中拿着放大镜观察。】
四、拓展和延伸
孩子们，请看--放大镜放大东西后，也会有丑丑的感觉。这是一个引起世界轰动的科学实验，当人们对着水，说难听和凶狠的粗话，在比放大镜更清晰的显微镜下，水分子形成了丑陋的结晶。所以，小朋友们不能说不礼貌的话，我们要做一个讲文明懂礼貌的孩子。
院别 电子信息学院 课程名称
电子技术实验 班级 无线技术 12 实验名称 实验三 阻容耦合放大电路 姓名 Alvin 实验时间
2014 年 3 月 20 日 学号 33 指导教师
文毅 报 告 内 容 一、实验目的和任务 1.学习放大电路频率特性的测量方法； 2.观察电路元件参数对放大电路频率特性的影响； 3.进一步熟练掌握和运用放大电路主要性能参数（如静态工作点参数、放大倍数、输入电阻、输出电阻）的测试方法； 4.巩固多级放大电路的有关理论知识。
二、实验原理介绍 本实验中所采用的电路如图 3-1 所示。
R1 5.1kR2 51R3 33kR4 24kRc1 5.1kRe1 1.8kRe2 1.8kR5 47kR6 20kRc2 3kRL
3kRp680kC110uCe110uC310uCe210uUs +12v Uo UiUo1Ui2C210u100Ref
图 3-1
阻容耦合放大电路
1． 中频段的电压放大倍数 在图 3-1 电路的中频段，耦合电容和旁路电容可以当作交流短路，三极管的电容效应可以忽略不计。此时，考虑后级放大电路对前级放大电路所构成的负载效应时，也就是将
后级放大电路的输入电阻 R i2 作为前级放大电路的负载，则前级放大电路的电压放大倍数为
ef 1 1 be2 i 1 C 1i1 O1 UR)1(r)R // R(UUA
（3-1）
其中，R i2 是后级放大电路的输入电阻，2 be 22 b 21 b 2 ir // R // R R
后级放大电路的放大倍数为
be“L 2 C 21 OO2 Ur)R // R(UUA
（3-2）
其中，Lf L”LR // R R
全电路的电压放大倍数为
U 1 U1 OOi1 OiOUmA AUUUUUUA
（3-3）
2． 低频段和高频段的电压放大倍数
在低频段和高频段，放大电路的电压放大倍数是一个复数，它是频率的函数，其模值与相角都随频率而变化。
（1）
单级放大电路在低频段和高频段的电压放大倍数
在低频段，三极管的电容效应可以忽略不计；但耦合电容和旁路电容的容抗较大，它们的交流压降不能忽略。电压放大倍数用下式表示：
f / jf 1AALUmUL
（3-4）
其中，f L 是放大电路的下限频率。
在高频段，耦合电容和旁路电容的阻抗非常小，它们的交流压降很小，可以忽略，可作交流短路处理；但三极管的电容效应对电路性能的影响则必须考虑。电压放大倍数可用下式表示：
HUmUHf / jf 1AA
（3-5）
其中，fH 是放大电路的上限频率。
（2）
多级放大电路在低频段和高频段的电压放大倍数 多级放大电路的电压放大倍数等于各级放大电路电压放大倍数的乘积：
......A A A A 3 U 2 U 1 U U
（3-6）
将上式分别用幅值和相角来表示：
A U =A U1 A U2 A U3 …
（3-7）
...3 2 1
（3-8）
3． 放大电路的频率特性的测量
频率特性分为幅频特性和相频特性两方面。
幅频特性即放大倍数的大小随频率变化的关系曲线。它可以用扫频仪来测量，也可通过逐点法测量。逐点法，就是在一定频段内合理选取一些频点，分别测量出各频率点处的电压放大倍数，然后，在对数坐标系中绘出幅频特性曲线。本实验就是学习利用逐点法测量电路的幅频特性。
相频特性即放大倍数的相角随频率变化的关系特性曲线，它反映了输出电压与输入电压的相位差随频率变化的特性。可用李育沙图法、双踪示波法进行测量。
三、实验内容和数据记录
实验电路见图 3.1
1.静态工作点设置：要求第二级在输出波形不失真的前提下幅值尽量大，第一级为增加信噪比，工作点尽可能低。（通常 V C1 调在 6V 左右）。注意测静态工作点时应断开输入信号。
表 3.1 静态工作点 第一级(v)第二级(v)V C1 V b1 V e1 V C2 V b2 V e2 5.99 2.87 2.24 8.56 3.09 2.40 6.08 2.83 2.20 8.56 3.09 2.40 2.在输入端 Us 输入频率为 1KHz，VP-P 为 200mV 的交流信号(一般采用实验箱上加衰减的办法，即信号源用一个较大的信号，在实验板上经 100:l 衰减电阻衰减,降为 2mV)，使 Ui1 为 2mV，调整工作点使输出信号不失真。
注意：如发现有寄生振荡，可采用以下措施消除：
①重新布线，尽可能走线短。
②可在三极管 eb 间加几 p 到几百 p 的电容。
③信号源与放大电路用屏蔽线连接。
R L =∞，按表 3.2 要求测量并计算。
表 3.2 输入/输出电压（mV）
电压放大倍数 第 1 级 第 2 级
整体 U i =2 mV
V 01 V 02 A V1 A V2 A V R L =∞ 20.8 1620 10.4 77.88 810
成绩
教师签名
批改时间
20世纪80年代末美国成功研制了虚拟仪器, 虚拟仪器的发展标志着自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个崭新方向[1]。虚拟仪器是利用PC机的显示模拟传统仪器的控制面板, 以多种形式表达输出检测结果, 由PC机的强大软件功能实现信号数据的运算、分析、处理, 由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理, 从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统[2]。
基于互联网的远程实验是远程教育的一个新的发展方向。远程实验从远程计算机上进行实验操作和观察, 所得到的实验结果与本地得到的完全相同, 如同在实验室真实操作实验设备一样, 突破了时空限制, 极大地提高了实验教育的灵活性。将虚拟仪器技术和网络技术相结合, 实现网络化虚拟仪器, 并结合电路其他元件的远程控制, 可实现基于虚拟仪器的远程实验[3]。
1 LabVIEW简介
LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering workbench) 是美国NI公司推出的一种基于G语言 (graphics language) 的虚拟仪器软件开发工具, 具有各种功能强大的函数库, 包括数据采集、网络通信、串口控制、数据显示及数据存储等[4]。采用旋钮、开关、波形图等构造用户界面。
LabVIEW 提供了强大的网络通信功能, TCP/IP (transmission control protocol/internet protocol) 协议是Internet最基本的协议。函数库的Communication子模板中提供了TCP节点, 可以实现客户机/服务器模式下的双机通信[4]。
2 远程实验系统总体设计
本文开发了基于虚拟仪器的锁相放大器远程实验系统, 实现了远程测量热敏电阻温度特性, 远程实验系统结构框图如图1所示。
用户打开客户机, 运行程序, 在虚拟面板上可以设置锁相放大器的相位调节、积分时间等参数[5]。同时, 通过虚拟面板可以改变加热按钮的状态, 用户在客户机的虚拟面板上点击加热按钮, 接通加热电源, 控制继电器闭合, 加热电路开始给热敏电阻加热, 该状态值通过Internet和服务器送往实验机。实验机将接收到的加热控制状态通过串口送入单片机, 通过单片机调节继电器的状态, 从而控制热敏电阻的加热状态。热敏电阻的温度由DS18B20数字式温度传感器测得, 送往单片机系统, 通过串口将被测热敏电阻温度值读入到实验机中;音频输入电缆采集信号发生器输出的参考方波和桥式电路输出的电压值, 经声卡模/数转换器送入实验机[6]。实验机中的被测信号通过服务器和Internet反馈给客户机。用户通过虚拟锁相放大器和虚拟温度计进行观察和测量, 得到热敏电阻温度特性曲线。
3 远程实验系统的软件设计
远程实验系统采用C/S (client/server) 模式, 其典型运作过程为:
(1) 服务器监听相应端口的输入;
(2) 客户机发出一个请求;
(3) 服务器接收到此请求;
(4) 服务器处理此请求, 并把结果返回给客户机;
(5) 重复上述过程, 直至完成一次会话过程。
客户机与实验机的通信利用TCP/IP协议实现。TCP协议是一个可靠的、基于连接的协议, 能保证网络间的可靠传输。C/S模式要分别编写客户机和实验机程序, 采用TCP协议可正确传送控制命令和数据[7]。
锁相放大器远程实验系统需要实现远程控制继电器的状态, 声卡采集输入信号和参考信号, 串口采集温度值, 并用锁相放大器测量热敏电阻输出电压, 用虚拟温度计测量热敏电阻的温度。在LabVIEW环境下分别编写客户机和实验机程序, 实现测量热敏电阻温度特性曲线远程实验。
3.1 客户机程序
3.1.1 客户机程序的用户界面
客户机程序的用户界面如图2所示, 集成了锁相放大器的全部功能以及虚拟温度计, 波形图实时显示了锁相放大器工作过程中各个中间过程的波形。热敏电阻的温度值也实时显示在虚拟温度计上。
用户点击加热按钮, 接通加热电源, 其状态值经由网络送往实验机, 从而改变实验室内测温电路的继电器状态, 加热电路开始对热敏电阻进行加热。实验电路中桥式电路的输出信号和热敏电阻的温度值, 经由网络反馈给客户机, 用户通过虚拟仪器面板观察各个点波形的显示, 同时读取温度值, 完成热敏电阻温度特性测量。
服务器一栏设置为实验室内服务器的IP地址, 剩余时间一栏显示用户可用的时间。本实验控制真实的实验元件, 每次只能有一位用户操作。规定每位用户的实验时间为30 min。30 min后, 此客户机与实验机的连接自动断开。
3.1.2 客户机软件框图程序
软件框图程序如图3所示。程序分别设置了3个While循环结构, 分别完成读取温度值、读取电压值以及发送控制继电器状态的功能。循环中止的条件为下列三者之一:用户点击了“退出”按钮;用户连接时间超过了30 min;实验过程中TCP连接出错, 如实验机程序先行中止, 或系统错误引起连接中止。
客户端程序的软件部分采用3个独立的While循环, 每个端口分别设置了独立的服务器端口, 依次是2322, 2323和2324。
(1) 读取反馈的实验数据。
对于数据接收, 用2个TCP Read节点读取实验机发送的声卡采集的数据长度和字符串数据。
2322端口接收串口读取的温度值, 因为温度值采集时已经转换为4位BCD码表示的十进制数, 因此接收时读取的字长设置为4, 读取的温度值送入虚拟温度计并实时显示出来。
2323端口对应接收声卡读取的电压值, 因为是左、右声道各采集一路信号, 因此设置了2个Sequence结构, 其中Sequence0接收左声道读取的桥式电路输出信号, 送入锁相放大器的信号输入端;Sequence 1接收右声道读取参考方波, 送入锁相放大器的参考信号输入端。同时将读取的波形实时显示在用户界面上。
(2) 发送继电器控制信号。
2324端口发送加热控制电路的继电器状态值, 用户可以在虚拟面板上改变加热按钮的状态, 并通过服务器反馈回实验机, 从而控制加热电路中继电器的状态[8]。加热按钮其处于不同的位置时, 向网络连接发送不同的命令字。将命令字放在一个CASE结构中, 这样便于实现用户将加热按钮置于不同的位置时, 发送不同的命令字。为有效传送数据, 采用2个TCP Write节点, 第1个节点发送字符长度, 第2个节点发送字符数据。
3.2 端口映射
服务器平台上安装Linux操作系统。利用其IPtables防火墙技术进行端口映射, 使得互联网上的计算机可以通过访问服务器, 间接访问实验机, 进行远程实验[9]。端口号的选择要避开系统保留端口, 即0～1023。假设实验机程序的监听端口为2322。在IPtables中, 将服务器的2322端口映射到实验机。外界计算机访问服务器的2322端口时, 若实验机程序正在2322端口监听, 与客户机的TCP连接就会建立, 客户机与实验机通信, 传送控制命令与实验数据。
3.3 实验机程序
3.3.1 实验机程序的用户界面
实验机程序的用户界面如图4所示。波形显示图实时监测声卡采集的信号;日志文件用于记录与实验机建立连接的客户数目、客户地址和连接时间。Input format 设置了声卡采样的数字声音格式;数据采集为立体声格式, 样本位数为16 b;为了防止数据溢出, 远程数据传送时A/D转换率采用11 025 Hz[10]。Constant为声卡采集数据的缩小倍数。温度显示为串口采集到的热敏电阻的温度。
实验机程序实现如下功能:
实验机接收用户发送来的加热信号, 通过串口送往单片机系统, 由单片机根据预先设置的指令驱动继电器, 从而控制热敏电阻的加热状态。热敏电阻的温度值由串口采集, 送入实验机;音频输入电缆左声道采集热敏电阻阻值改变后桥式电路的输出电压, 右声道采集信号发生器输出的参考方波, 通过声卡送入实验机。实验机将采集到的所有信号经由服务器和Internet反馈给客户。
3.3.2 实验机软件框图程序
实验机框图程序如图5所示。实验机程序的软件部分整体采用一个While循环, 其中又包含2个While循环。其中一个While循环中设置了一个顺序结构, Sequence 0中包含了2322监听端口, 用于监听串口读取温度值;Sequence 1中包含了2323端口, 用于监听声卡读取电压值。
另外一个While循环中包含了一个2324 监听端口, 用于接收客户机发送来的当前继电器状态值。当接收到闭合继电器控制指令时, 发送“30H”到单片机, 控制继电器闭合;当接收到断开继电器控制指令时, 发送“31H”到单片机, 控制继电器断开。单片机与实验机通过串行口通信, 接收计算机发送的控制指令。
(1) 实验机与单片机的串行通信。
实验机与单片机的通信利用LabVIEW中的VISA库 (virtual instrument software architecture) 实现。VISA作为新一代程控仪器I/O软件规范, 在接口无关性、平台独立性、可扩展性和功能上都有很大提高。本文单片机带有RS 232接口, 计算机通过串口与之通信。单片机通过串口与实验机相连, VISA Configure Serial Port节点中VISA Resouce Name 设为ASRL4:INSTR。参数与单片机的设置一致:传输速率4 800 b/s, 起始位1位, 数据位8位, 停止位1位, 无校验位。
(2) 声卡采集电路信号。
用SI Read节点读取声卡采集的电路信号, Stereo 16 b端口显示读取的数据。Index Array函数分别提取0列 (左声道) 和1列 (右声道) 的信号, 缩小一定倍数后, 经Type Cast函数转为字符串数据:Sequence 0发送音频电缆左声道采集的数据, 即热敏电阻两端的电压;Sequence 1发送音频电缆右声道采集的数据, 即信号发生器输出的参考方波。信号波形同时显示在前面板波形显示器中显示。
4 结 语
本文开发了基于虚拟仪器的锁相放大器远程实验系统。用LabVIEW软件编写了客户机与实验机程序, 实现了远程测量热敏电阻温度特性曲线。 与传统实验相比, 只需要一台计算机、一台信号发生器以及必要的硬件实验电路即可进行实验。在此基础上结合网络技术和仪器控制技术, 实现远程实验。
摘要：设计了基于虚拟仪器的锁相放大器远程实验的软件系统, 用LabVIEW软件编写了客户机与实验机程序, 实现了串口与单片机系统的通信、声卡采集信号、TCP/IP网络通信等功能。用Linux中的IPtables防火墙技术实现实验机与服务器间的端口映射, 使得互联网上的所有用户可以通过服务器访问实验机, 进行远程实验。
关键词：虚拟仪器,锁相放大器,远程实验,端口映射
参考文献
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[6]吕红英.基于声卡的虚拟仪器及其在电磁学远程实验教学中的应用[D].广州:华南师范大学, 2005.
[7]杨乐平, 李海涛, 杨磊, 等.LabVIEW高级程序设计[M].北京:清华大学出版社, 2004.
[8]戴逸松.微弱信号检测方法与仪器[M].北京:国防工业出版社, 2004.
[9]吴先球, 蒋珍美, 林美环, 等.数字信号平均实验远程教学系统的研制[J].物理, 2003, 32 (3) :205-208.
高频小信号调谐放大器实验
一、实验目的1.掌握小信号调谐放大器的基本工作原理；
2.掌握谐振放大器电压增益、通频带、选择性的定义、测试及计算；
3.了解高频小信号放大器动态范围的测试方法；
二、实验原理
（一）单调谐放大器
小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。其实验单元电路如图1-1（a）所示。该电路由晶体管Q1、选频回路T1二部分组成。它不仅对高频小信号进行放大，而且还有一定的选频作用。本实验中输入信号的频率fS＝12MHz。基极偏置电阻W3、R22、R4和射极电阻R5决定晶体管的静态工作点。可变电阻W3改变基极偏置电阻将改变晶体管的静态工作点，从而可以改变放大器的增益。
表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率f0，谐振电压放大倍数Av0，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1来表示）等。
放大器各项性能指标及测量方法如下：
1.谐振频率
放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率，对于图1-1（a）所示电路（也是以下各项指标所对应电路），f0的表达式为
式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；
为调谐回路的总电容，的表达式为
式中，Coe为晶体管的输出电容；Cie为晶体管的输入电容；P1为初级线圈抽头系数；P2为次级线圈抽头系数。
谐振频率f0的测量方法是：
用扫频仪作为测量仪器，测出电路的幅频特性曲线，调变压器T的磁芯，使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点f0。
2.电压放大倍数
放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数AV0称为调谐放大器的电压放大倍数。AV0的表达式为
式中，为谐振回路谐振时的总电导。要注意的是yfe本身也是一个复数，所以谐振时输出电压V0与输入电压Vi相位差不是180º
而是为180º+Φfe。
AV0的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量图1-1（a）中输出信号V0及输入信号Vi的大小，则电压放大倍数AV0由下式计算：
AV0
=
V0
/
Vi
或
AV0
=
lg
(V0
/Vi)
dB
3.通频带
由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数AV下降到谐振电压放大倍数AV0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW，其表达式为
BW
=
2△f0.7
=
f0/QL
式中，QL为谐振回路的有载品质因数。
分析表明，放大器的谐振电压放大倍数AV0与通频带BW的关系为
0.7
BW
0.1
2△f0.1
图1-2
谐振曲线
上式说明，当晶体管选定即yfe确定，且回路总电容为定值时，谐振电压放大倍数AV0与通频带BW的乘积为一常数。这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。
通频带BW的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是扫频法，也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率f0及电压放大倍数AV0然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压VS不变），并测出对应的电压放大倍数AV0。由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的谐振曲线如图1-2所示。
可得：
通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频宽，同时又能提高放大器的电压增益，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量CΣ。如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。
4.选择性——矩形系数
调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kv0.1时来表示，如图1-2所示的谐振曲线，矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到0.1
AV0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707
AV0时对应的频率偏移之比，即
Kv0.1
=
2△f0.1/
2△f0.7
=
2△f0.1/BW
上式表明，矩形系数Kv0.1越小，谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。一般单级调谐放大器的选择性较差（矩形系数Kv0.1远大于1），为提高放大器的选择性，通常采用多级单调谐回路的谐振放大器。可以通过测量调谐放大器的谐振曲线来求矩形系数Kv0.1。
*（二）双调谐放大器
双调谐放大器具有频带较宽、选择性较好的优点。双调谐回路谐振放大器是将单调谐回路放大器的单调谐回路改用双调谐回路。其原理基本相同。
1.电压增益为
2.通频带
BW
=
2△f0.7
=
fo/QL
3.选择性——矩形系数
Kv0.1
=
2△f0.1/
2△f0.7
=
三、实验步骤
（一）单调谐小信号放大器单元电路实验
1.根据电路原理图熟悉实验板电路，并在电路板上找出与原理图相对应的的各测试点及可调器件（具体指出）。
2.按下面框图（图1-3）所示搭建好测试电路。
图1-3
高频小信号调谐放大器测试连接框图
注：图中符号表示高频连接线
3.打开小信号调谐放大器的电源开关，并观察工作指示灯是否点亮，红灯为+12V电源指示灯，绿灯为-12V电源指示灯。(以后实验步骤中不再强调打开实验模块电源开关步骤)
4.调整晶体管的静态工作点：
在不加输入信号时用万用表（直流电压测量档）测量电阻R4两端的电压（即VBQ）和R5两端的电压（即VEQ），调整可调电阻W3，使VeQ＝4.8V，记下此时的VBQ、VEQ，并计算出此时的IEQ＝VEQ
/R5。
5.按下信号源和频率计的电源开关，此时开关下方的工作指示灯点亮。
6.调节信号源“RF幅度”和“频率调节”旋钮，使输出端口“RF1”和“RF2”输出频率为12MHz的高频信号。将信号输入到2号板的J4口。在TH1处观察信号峰-峰值约为50mV。
7.调谐放大器的谐振回路使其谐振在输入信号的频率点上：
将示波器探头连接在调谐放大器的输出端即TH2上，调节示波器直到能观察到输出信号的波形，再调节中周磁芯使示波器上的信号幅度最大，此时放大器即被调谐到输入信号的频率点上。
8.测量电压增益Av0
在调谐放大器对输入信号已经谐振的情况下，用示波器探头在TH1和TH2分别观测输入和输出信号的幅度大小，则Av0即为输出信号与输入信号幅度之比。
9.测量放大器通频带
对放大器通频带的测量有两种方式，其一是用频率特性测试仪（即扫频仪）直接测量；
其二则是用点频法来测量：即用高频信号源作扫频源，然后用示波器来测量各个频率信号的输出幅度，最终描绘出通频带特性，具体方法如下：
通过调节放大器输入信号的频率，使信号频率在谐振频率附近变化（以20KHz或500KHz为步进间隔来变化），并用示波器观测各频率点的输出信号的幅度，然后就可以在如下的“幅度－频率”坐标轴上标示出放大器的通频带特性。
输出幅度
频率
10.测量放大器的选择性
描述放大器选择性的的最主要的一个指标就是矩形系数，这里用Kr0.1和Kr0.01来表示：
式中，为放大器的通频带；和分别为相对放大倍数下降至0.1和0.01处的带宽。用第9步中的方法，我们就可以测出、和的大小，从而得到和的值
注意：对高频电路而言，随着频率升高，电路分布参数的影响将越来越大，而我们在理论计算中是没有考虑到这些分布参数的，所以实际测试结果与理论分析可能存在一定的偏差。另外，为了使测试结果准确，应使仪器的接地尽可能良好。
*（二）双调谐小信号放大器单元电路实验
双调谐小信号放大器的测试方法和测试步骤与单调谐放大电路基本相同，只是在以下两个方面稍作改动：
其一是输入信号的频率应改为465KHz（峰－峰值200mV）；
其二是在谐振回路的调试时，对双调谐回路的两个中周要反复调试才能最终使谐振回路谐振在输入信号的频点上，具体方法是，按图1-3连接好测试电路并打开信号源及放大器电源之后，首先调试放大电路的第一级中周，让示波器上被测信号幅度尽可能大，然后调试第二级中周，也是让示波器上被测信号的幅度尽可能大，这之后再重复调第一级和第二级中周，直到输出信号的幅度达到最大，这样，放大器就已经谐振到输入信号的频点上了。
11.同单调谐实验，做双调谐实验，并将两种调谐电路进行比较。
四、实验报告要求
1．写明实验目的。
2．画出实验电路的直流和交流等效电路。
3．计算直流工作点，与实验实测结果比较。
4．整理实验数据，并画出幅频特性。
五、实验仪器
1.高频实验箱
1台
2.双踪示波器
1台
3.万用表
1块
4.扫频仪（可选）
[教学目的] 掌握互补功率放大电路的工作原理,熟悉实际功放OCL电路
[教学重点和难点] 互补功率放大电路的最大输出功率、转换效率和最大输出
[教学内容]
一、主要特点
1.由于输出电压或输出电流的幅度较大，功率放大电路必须工作在大信号条件下，因而容易产生非线性失真。如何尽量减小输出信号的失真是首先要考虑的问题。
2.输出信号功率的能量来源于直流电源，应该考虑转换的效率。
3.半导体器件在大信号条件下运用时，电路中应考虑器件的过热、过流、过压、散热等一系列问题，因此要有适当的保护措施。
二、基本类型
功率放大电路主要有互补对称式和变压器耦合推挽式两种类型。
1、互补对称式
OTL功率放大器要求输入端(T1、T2基极)上的静态电压也为Vcc/2，即VI=(VCC/2)+Vi。单电源互补对称功率放大器增加了一只大容量(几百～几千微法)的电解电容。当静态时(Vi=0)，T1和T2都截止。它们的射极电压为V cc /2，所以电容C上充有Vcc/2的电压，输出Vo=-Vc=0。信号Vi为正半周时，T1导电，使T2截止，负截RL上流过正半周电流；信号为负半周时，电容器C上的电压Vcc/2作为电源，T2导电，T1截止，负载上流过负半周信号电流。所以电容C要有足够大的容量，使得在信号负半周时能提供出较大的电流。互补对称功率放大器由于在静态条件下T1和T2都处于截止状态，所以它的静态功耗为零，但在动态时存在严重的交越失真。为了克服交越失真，必须给互补对称功率放大电路设置一定的静态工作点(使信号Vi=0时，T1、T2管都处于微导电状态)。根据静态工作点的不同设置，互补对称功率放大器可以工作在乙类功放，即导电角θ=180°；甲类功放，即导电角θ=360°和甲乙类功放，即导电角在θ=180°～360°。
2.变压器耦合推挽式
变压器耦合的突出优点是，通过改变变压器的变比，能找到一个最佳的等效负载(此时输出功率最大，且不失真)。并且，在不提高电源电压的条件下，可以使输出电压的幅度Vom超过电源电压。
[小结] 1.功率放大电路是在电源电压确定的情况下,以输出最大不失真的信号功率各具有尽可能高的转换效率为组成原则,功放管常常工作在尽限应用状态。2.低频功放电路有变压器耦合乙类推换电路、OTL电路、OCL电路和BTL电路。
[复习] 1.功放电路的性能指标:最大输出电压、最大输出功率和效率
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