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2.仪器仪表类赛题分析(赵茂泰)p1-44

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2.仪器仪表类赛题分析(赵茂泰)p1-44nullnull全国大学生电子设计竞赛 仪 器 仪 表 类 赛 题 分 析2012.11. 20武汉大学 赵茂泰null 1.几点认识 2.电压测量仪器设计 3.时间频率测量仪器设计 4.数字示波器设计 5.信号发生器设计 6.几点建议 null⑴ 电子测量仪器设计涵盖的知识范围 电子测量是建立在模拟电路、数字电路、信号与系统、微机原理及接口等专业基础课的基础上,综合应用计算机、通信与控制等学科的专业知识而形成的一个独具特色的学科。 目前电子仪器基本上都以微处理器为核心,含有模...

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nullnull全国大学生电子设计竞赛 仪 器 仪 表 类 赛 题 分 析2012.11. 20武汉大学 赵茂泰null 1.几点认识 2.电压测量仪器设计 3.时间频率测量仪器设计 4.数字示波器设计 5.信号发生器设计 6.几点建议 null⑴ 电子测量仪器设计涵盖的知识范围 电子测量是建立在模拟电路、数字电路、信号与系统、微机原理及接口等专业基础课的基础上,综合应用计算机、通信与控制等学科的专业知识而形成的一个独具特色的学科。 目前电子仪器基本上都以微处理器为核心,含有模数混合电路。且对新技术敏感,几乎所有电子技术的应用热点都会成为电子测量与仪器技术的生长点。 电子仪器设计所要求的知识点与电赛的要求完全一致。且仪器系统可以较容易地加工成学生4天内完成的赛题。因此,电子仪器类赛题是电子设计竞赛中出现最多的一类赛题。 实际上,其他类赛题中也包含有电子测量的内容。1.几点认识null⑵ 基本电子电路的设计是仪器设计的基础 电子测量仪器设计从本质上讲就是电子电路的设计。对仪器类赛题内容进行分析,最终往往会化解成为一些最基本电子电路的组合。 大学生电子设计竞赛是学科竞赛,不是纯粹意义上的产品设计竞赛。命题时将会刻意加强与电子电路密切相关的内容,淡化一些专业性较强的内容。1.几点认识 因此,电子仪器类赛题的训练一定要在基本电子电路设计充分训练的基础上进行。否则,不仅得不到好的效果,也违背大学生电子设计竞赛的精神。null⑶ 准确理解电子仪器各项指标是做好设计的关键 进行电子仪器设计时,必须对各项技术指标(尤其是测量误差)进行认真地分析,对有关指标进行分配,并在此基础上确定其核心器件,进行电路设计。 1.几点认识 电子仪器的价值由各项技术指标的优良程度决定;电子竞赛的评分体系也是以技术指标的完成程度来评价。 电子仪器的主要功能用于测试其它电子系统的性能指标,因此,电子仪器对技术指标的要求更加严格。 电子仪器含多项技术指标,其中最核心的是测量误差,其他技术指标基本上都与测量误差有关。对于许多测量来讲,测量工作的价值几乎全部取决于它的准确程度。null⑷ 仪器类赛题设计应该按一定步骤进行审题(对赛题要求进行分析); 在 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证的基础上建立总体设计方案; 技术指标分析、指标分配及核心器件的选择; 硬件电路设计;软件系统设计; 组装、调试及测试; 撰写设计 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 。 按以上步骤进行设计有助于大学生 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 设计能力的培养。但以上设计过程是设计时的一个基本思路,实际设计时,可以根据实际情况作适当的调整。1.几点认识null⑸ 从学习的角度,应侧重掌握以下4类仪器 基于电压测量的仪器 时间频率测量仪器 数字示波器 信号发生器 电子仪器种类繁多,但只要透彻掌握这4类仪器原理,其他类型电子仪器的设计便不会存在大的障碍。 若能较好地掌握这4类典型电子仪器的设计,今后工作遇到实际电子仪器设计课题时,只要分析课题的特殊要求,再学习一些相关知识,就能很快地进入设计状态。 1.几点认识null小 结 电子仪器类课题的训练工作应该建立在扎实的基础电子电路训练的基础上进行; 仪器类赛题的最核心的技术指标是测量误差; 仪器类课题训练的思路 ——— 重点掌握好4类基本仪器的设计方法。1.几点认识讲座仅侧重讨论与电子测量相关的一些问题。null2.电压测量仪器设计⑴ 电压测量仪器分类 ⑵ 主要技术指标 ⑶ 设计举例null⑴ 电压测量仪器分类 指针式仪器 数字式仪器(以微处理器为核心) 直流电压测量(含电流、电阻等参数测量) 交流电压测量(含电流、电容、电感等参数测量) 有关物理量的测量(相关传感器+电压测量)直流电压测量是最基本的测量内容。2.电压测量仪器设计null⑵ 主要技术指标 测量误差,最核心的指标,它与各项指标存在密切关系; 分辨率(或位数), 虚指标。应高于测量误差;但过高提高分辨率 是没有意义的。实际上,分辨率仅与显示位数有关,而仪器的测量误差则取决于量程放大器、A/D转换器等的总误差。 量程(或测量范围),量程一般由程控的放大器和衰减器组合而成。量程之间一般为10倍率。在各量程10%~100%范围内,均应达到测量误差的要求。 输入阻抗,一般越大越好,以减少由信号源内阻引起的测量误差;但高频信号仪器有时要求规定为50Ω、75Ω等,以与信号源内阻匹配。 频率范围(指交流电压测量),在频率范围内任一频率点,均应达到测量误差的要求。即对仪器中放大器的带宽及频带平坦度提出要求。 其他(略)。null电压测量误差技术指标的分析 测量误差常用的表示形式: 绝对误差: △=读数值-真实值 相对误差:分真实值相对误差和读数值相对误差两种 δ=(△/真实值)×100% 或 δ=(△/读数值)×100% (工程中常采用) 引用误差(相对满度误差): γ=(△max/满度值)×100% 式中,△max为量程范围内测量值的最大绝对误差 国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 :采用引用误差来定义指针式仪器准确度的等级 国家标准规定: 指针仪表准确度(S)分为 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 7级,对应的引用误差分别不大于±0.1﹪、±0.2﹪、±0.5﹪、±1.0﹪、±1.5﹪、±2.5﹪、±5.0﹪。 null例:某量程为100mA电流表,用标准表校验后结果如下: 则满度相对误差: r =(△max/满度值)×100%=2%由于2.0﹪≤ r <2.5﹪,则该仪器的准确度应该定为2.5 级。 用满度相对误差定义仪器准确度会浪费仪表的固有品质。 指针式仪器的准确度一般按引用误差的大小分为不同的等级例如,若用该表(2.5级)测某一电流,读数为50mA,则认为: 本次测量的绝对误差 △=2.5mA,(实际仅为0.5mA) 本次测量的相对误差 r = 5%, (实际仅为1% )null 指针式仪器的准确度一般按引用误差的大小分为不同的等级 数字式仪器的准确度常采用两项误差之和的形式来表示 表达式:Δ=±(a%Vx+b%Vm ) 式中:Vx为测量电压的指示值;Vm为测量电压的满度值。  “a”项误差也称读数误差,其大小与读数Vx成正比。主要由衰减器、放大器、模拟开关和A/D转换器等转换系数的不准及非线性等因素产生。   “b”项误差也称固定误差,其大小不随读数变化而变化。主要由量化、偏移等因素而产生的误差。 当被测电压较大时,测量准确度主要由读数误差决定,b项误差影响很小。因此在测量中,应合理选择量程。数字仪器用“a”和“b”两个参数来表示某个仪器的准确度电压测量误差技术指标的分析null 指针式仪器一般采用相对满度误差表示 数字式仪器常采用两项绝对误差之和的形式来表示 表达式1: △ =±(a%Vx + b%Vm)    例,某3位半数字电压表的测量误差为 △ =±(0.1%Vx+0.1%Vm) 由于 0.1%×( 1999+1)= 2,测量误差也可表示为 △ =±(0.1%Vx+2个字) 表达式2: △ = ±(a%VX + n个字)  由于b项误差不随读数而变,因此还可用“n个字”的形成表示表达式1和表达式2是完全等价的。电压测量误差技术指标的分析null  直接用相对误差来表示仪器测量误差指标。这种简单的表示形式一般只有当仪器读数在量程的10%~100%范围内时才能达到这个指标。如果被测电压的读数小于量程的10%时,将很难达到这个指标。 表达式1: △=±(a%Vx + b%Vm) 表达式2: △=±(a%Vx + n个字)   例如,某三位半电压表的测量误差为Δ=±(0.3%Vx+2个字),这时可以简单地用0.5%来表示它的测量误差。但只能当被测电压在仪器量程的10%~100%范围内时,才能达到这个指标。 若某次测量在量程为2V(最大读数为1.999V )时的读数为1.000V, 则Δ=±0.005V,测量误差 r =± 0.5% 意味被测电压的读数在量程的10%~100%范围内时,可以直接用0.5%来表示它的测量误差 若某次测量在量程为2V时读数为0.010V, 则Δ=±0.002V,测量误差 r =± 20% 意味被测电压的读数小于量程的10%时,仪器达不到0.5%。null①、频率范围:20Hz~1MHz; ②、测量误差:±(3%读数+2个字); ③、 3 位数字显示,最大显示数:999; ④、量程:0.1V,1V,10V; ⑤、输入阻抗分600 Ω 、高阻(≥5MΩ)两档; ⑥、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。经整理,要求的主要技术指标如下: 根据1999年全国电赛 “数字式工频有效值多用表”,2004年湖北电赛 “简易综合测试仪”等题目的内容改写。 ⑶ 设计举例:交流电压表目的:以本题为背景,讨论电子测量仪器设计的一般步骤;重点讨论技术指标分析;指标分配及核心器件选择的方法。null电子仪器类赛题设计的一般步骤审题,对赛题要求进行分析; 在方案论证的基础上建立总体方案; 技术指标分析;指标分配及核心器件的选择; 整机硬件电路设计、软件系统设计; 组装、调试及测试; 撰写设计报告。⑶ 设计举例:交流电压表技术指标分析;指标分配及核心器件的选择; 准确理解技术指标的含义; 分析技术指标与哪些部分电路相关; 对总指标进行分配; 选择核心芯片并形成各部分电路。null步骤1:在方案论证的基础上建立总体方案经过方案论证,拟定的总体方案框图如下:⑶ 设计举例:交流电压表 其中,交直流转换采用真有效值转换器方案。null①、频率范围:20Hz~1MHz; ②、测量误差:±(3%读数+2个字); ③、3 位数字显示,最大显示数:999; ④、量程:0.1V,1V,10V; ⑤、输入阻抗分600Ω 、高阻(≥5MΩ)两档; ⑥、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。步骤2:技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择指标①,频率范围为 20 Hz~1MHz 含义:要求组成量程转换器的运算放大器芯片和有效值转换器芯片具有足够宽的频率响应特性。 实际设计中,信号频率范围要与测量误差、量程等指标结合在一起综合考虑。null步骤2:技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择指标②、测量误差:±(3%读数+2个字); 在20Hz~1MHz频率范围内,每一点都能达到以上测量精度。 第1项误差为被测电压值的3%,与量程转换电路、真有效值转换器、A/D转换器三部分电路转换系数的误差有关。 第2项误差为固定的2个字,是与被测电压无关的量化误差。技术指标分析:技术指标(误差)分配: 误差分配:将仪器总误差合理分配给各个部分电路。以确定各个部分电路设计时应该达到的测量误差。 若某一部分电路产生的误差能小于仪器总误差一个数量级以上,则该项误差对仪器总误差的影响将可以忽略。(尽量使每级的误差 ………) 实际分配时,应根椐各部分电路实现的难度程度进行合理分配。 主要对第1项误差(3%读数)进行分配,null步骤2:技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择技术指标(误差)分配: 要求A/D转换器的测量误差小于 0.1%; 要求量程转换(放大器)的测量误差小于 0.5% ; 要求真有效值转换器的测量误差小于 2% 则仪器的总误差将小于2.6% (<3% ) 难点:真有效值转换器的电压测量误差应小于 2% 根椐以上分配原则及实际 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 ,各部分电路指标分配如下:指标②、测量误差:±(3%读数+2个字); null 根据平时积累,拟选用AD637作为真有效值转换器的核心器件; 由AD637的设计资料可知,其带宽与输入信号电压幅度有关,当幅值太大或较小时,AD637的带宽都将变窄。例如, 8MHz at 2V RMS Input; 600 kHz at 100mV RMS。步骤2:技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择技术指标(误差)分配:技术指标分析:核心器件的选择: 因此,需要通过论证及必要实验来确定:在20Hz~1MHz范围内,测量误差小于2%时所允许的输入信号电压幅度范围指标②、测量误差:±(3%读数+2个字); null 还需要通过实验验证。 通过实验和实际测量的结果表明:当输入信号的频率不大于1MHz时,输入信号的电压有效值在0.7V~7V范围内能保证测量误差≤±2%。 每个量程归一化的输出电压范围设定为0.7~7V(有效值)null步骤2:技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择指标③,3位数字显示,最大显示数为 999 含义:仪器的相对分辨率为0.1%,因此电压表的A/D转换器的相对分辨率应小于0.1%。考虑留有一定余量,设计应取12位以上的A/D转换器。例如,MAX197,AD574,ICL7109等 例如,本设计选择MAX197 MAX197有0~5V,0~10V,-5~5V,-10~10V 四种输入电压范围供选择。本设计选择0~10V输入电压范围。 为了使AD637最大输出电压与MAX197的最大输入电压一致,需增加加刻度调节电路。一般而言,A/D转换器的分辨率应该高于显示分辨率。null步骤2:技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择指标④、量程:0.1V,1V,10V; 3个量程显示范围分别为 0.01V~9.99V(10V量程); .001V~.999V(1V量程); 00.1V~99.9mV(0.1V量程)。 由于最大量程为10V,所以量程电路主要由放大器组成。 最小量程为0.1V挡时,为了将0.1V的电压放大到10V,该量程转换器的增益(最大增益)应为100倍。 量程电路可以采用两级放大器级联,每级放大器增益为 1、10 可选,当增益分别选择为1、10 时,便能实现10V、1V、0.1V 三个量程的选择。 量程转换器的组成: 10 V量程:K0释放,K1释放(×1) 1 V量程:K0释放,K1闭合(×10) 0.1V量程:K0闭合,K1闭合(×100)null步骤2:技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择指标④、量程:0.1V,1V,10V; 带宽:> 20 MHz 电压反馈型运放增益带宽积GBW的概念:在小信号情况下,单位增益带宽大于增益与带宽的乘积;再考虑级联的影响,则运放芯片的单位增益带宽应大于15MHz。 也可以采用增益带宽应大于15MHz的电流反馈型运放。 电压摆率(SR): > 100V/μs 本设计中放大器的最大输出电压为10V(幅度Vom=14.14V),最高频率为1MHz,则要求集成运放的压摆率 SR>2πVom·f = 88.86V/μs。 对量程电路中集成运放的要求:技术指标分配:要求量程电路总误差小于0.5%量程电路核心器件的选择:null指标④、量程:0.1V,1V,10V;核心器件的选择: 采用AD811 (电流反馈型) 3dB带宽: SR = 2500V/μs 能满足要求 采用AD817(电压反馈型) 单位增益带宽 = 50MHz, SR = 350 V /μs 能满足要求 采用LF357(电压反馈型) 单位增益带宽 = 20MHz, SR = 50 V /μs 满足部分要求单位增益带宽(电压反馈型)>20 MHz; 电压摆率(SR)>100V/μsnull指标④、量程:0.1V,1V,10V;核心器件的选择: 除此之外,还要考虑运放其它指标是否符合设计要求。例如,放大器的最大输出电压幅度为±14.14V,若采用AD811,工作电压应选择±18 V。 null步骤1:在方案论证的基础上建立总体方案步骤2:技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择 步骤3:整机硬件电路设计、软件系统设计;⑶ 设计举例:交流电压表null步骤4:组装、调试及测试 先调10V量程档:输入一个电压值,例如Ux=5V;调RW4使AD637的输出为2.5V;调RW1使显示器显示5.00V(即MAX157的输出)。 再调1V量程档(K0吸合):输入一个电压值(0.7V);调RW2使显示器显示0.700V(即MAX157的输出)。 最后调0.1V量程(K1吸合):输入电压值70mV;调RW3使显示器显示70.0mV(即MAX157的输出)。必须严格按照一个特定的顺序进行调试,否则会引起混乱!null学生作品 1 通过模拟开关选通分别实现0.01倍、0.1倍和1倍的衰减,然后采用放把信号放大20倍,从而实现量程转换。(归一化输出为0~2V) 被测信号最高频率为1MHz、最大增益为20倍,所以要求运放增益带宽积为20MHz以上。AD817的增益带宽积为50MHz,满足设计要求。 输入阻抗为600Ω、高阻两档,通过拨码开关SW予以选择。 null5:1 ?学生作品 1 null学生作品 2×1×10(×100)8位 ?×10被测信号 ( × 0.5)0~5V ( 直流)null3.时间频率测量仪器设计 测量方法: 电子计数器法(传统方法) ——— 测量误差与被测信号的频率有关 倒数计数器法(等精度测量方法) ——— 测量误差较小,且与被测信号的频率无关 能完成频率、周期、时间间隔、相位、占空比、上升时间等参数测量的一类仪器统一称为时间频率测量仪器。 频率和周期是其中最基本的两个参数。null频率测量实现原理被测信号(fx)测量结果(N)闸门时间(T) 若取T=1秒,该信号在1秒内重复了N次,则该信号的频率为: fx = N/T ⑴ 电子计数器法测量原理(传统方法)null周期测量实现原理被测信号(Tx)测量结果(N)时间标准( T0 )  若所选时标为T0,计数器计数值为N,则被测信号的周期为: Tx = N×T0null 频率测量误差: 周期测量误差: 时间频率测量仪器一般采用相对误差形式表示; 时间频率测量仪器的测量误差由三种种类型误差合成。 ①. :计数误差。其中△N=±1,是计数过程中不可避免的误差   ②. :标准频率误差。由晶振输出频率不稳定引起,其值为  ③. 0.32×10-R/20 :触发误差。其中R为信噪比,产生闸门信号时发生以上表达式给出了误差的组成,可用于指导进行设计工作。⑴ 电子计数器法误差分析(传统方法)null ① 计数误差( )分析 这是由于量化而带来的误差,故又称量化误差。 量化误差是不可避免的, 即误差总是存在。 由于ΔN =±1 总是存在,为了减小计数误差,应该使计数值N尽量大。 频率测量时,计数误差与被测信号频率成反比。 例如,如果闸门时间T=1s,则当两个被测信号频率分别为10Hz、100kHz时,其计数误差分别为10-1、10-5。 周期测量时,计数误差与被测信号周期成正比(与频率成反比)。 例如,如果时标取T0=1µs,则当被测信号周期分别为10µs(f =100kHz )、100ms( f =10Hz)时,其计数误差分别为10-1、10-5。  在测量频率时,为了提高测量精度,当被测信号频率很高时,直接测其频率;当被测信号频率很低时,通常测其周期,然后再换算其频率值。null  但是,还存在两个问题: 该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值; 在中界频率附近,仍不能达到较高的测量精度。   这是电子计数法时频仪器不能解决的问题,需要采用倒数计数法。   测频误差及测周误差与被测信号频率的关系如图示,图中测频和测周两条误差曲线交点所对应的频率称中界频率。   如果取测频时的闸门时间为1s,取测周时的时标为1µs,查表得知,其中界频率为1kHz,在该频率点测频测周的误差均为10-3。 很显然,为了减小测量误差,当被测信号频率大于1kHz时,应该直接测其频率;当被测信号的频率小于1kHz时,应该测量周期,再换算成频率。 时标T0=1µS闸门T=1Snull② 标准频率误差( )的分析 标准频率误差是指频率、周期测量中,由于闸门时间不准,或时标不准而引人的误差。 闸门时间或时标是由晶体振荡器多次倍频或分频得到,所以,标准频率误差是由仪器中晶体振荡器输出频率的误差引起的,经推导,其值就等于晶体振荡器输出频率的准确度 。 目前,不带温补晶体振荡器的准确度一般可以达到10-5~10-6。 因此,当仪器总测量误差指标大于10-5,且设计中采用了晶体振荡器时,标准频率误差的影响可以忽略。null③ 触发误差的分析 周期测量时,当被测信号含有噪声时,将会使闸门的开启与关闭产生超前或滞后,从而使闸门时间不准。 经推导,触发误差θ= 0.32×10-R/20。其中R为信噪比, 频率测量时,开启闸门的信号由仪器内部提供,一般不存在触发误差。 若被测信号直接由信号发生器提供,该项误差的影响一般可以忽略。 若要求仪器具有较高的灵敏度,对小信号进行测量时,需要认真设计低噪声的前置放大器。 若要求测量信噪比较差的信号时,则仪器设计时需要采用相应的措施。例如,采用多周期测量方法,在整形电路中采用具有滞后特性的施密特电路来减少噪声影响等措施。在周期测量中,如果仪器总测量误差指标大于10-5,null⑵ 倒数计数器法测量原理及误差分析3.时间频率测量仪器设计 被测信号脉冲先同步再计数; 设两个计数器,分别测量被测脉冲个数及闸门时间的大小。 null同步原理 由于D触发器的同步作用,计数器Ⅰ所记录的 NA已不存在 ±1 字误差的影响。 但是,实际的闸门时间T已不等于预置的闸门时间TP。因此,还需要同时测量实际的闸门时间T的大小。 D触发器的功能:对应 CK 端上升沿,D端的信号传送到端。 null 为了测量实际的闸门时间T,设置了计数器Ⅱ,并用标准时钟 f0 进行计数来确定实际闸门时间T的大小。 计数器Ⅰ的累计数 NA=fx×T;T= NA / fx 计数器Ⅱ的累计数 NB=f0×T;T= NB / f0 联立上两式,得 计数器Ⅱ记录的NB值仍存在±1误差的影响,但由于时钟频率很高,±1误差的影响很小。 取时钟频率f0= 10MHz,则由±1引起的相对误差为10-7。该误差与被测信号的频率无关,且在全频段的测量精度是均衡的。null 一个实际的等精度频率计组成如下,主要由:单片机控制部分、通道部分、同步电路部分、计数器部分、键盘与显示五部分组成。⑵ 倒数计数器法测量原理及误差分析
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