儀器儀表題目分析與應(yīng)對(趙茂泰)

1、儀器儀表類題目分析與應(yīng)對儀器儀表類題目分析與應(yīng)對基于電壓測量的儀器部分基于電壓測量的儀器部分2017.4. 2武漢大學(xué)武漢大學(xué) 趙茂泰趙茂泰 1 1幾點(diǎn)認(rèn)識幾點(diǎn)認(rèn)識 2 2電壓測量類儀器的組成電壓測量類儀器的組成 3 3電壓測量類儀器的設(shè)計舉例電壓測量類儀器的設(shè)計舉例 4 4幾點(diǎn)體會幾點(diǎn)體會 電子測量儀器設(shè)計涵蓋的知識范圍電子測量儀器設(shè)計涵蓋的知識范圍 電子測量是建立在模擬電路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、計算機(jī)原理及接口等專業(yè)基礎(chǔ)課基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用通信、自動 控制及電力電子等學(xué)科的專業(yè)知識而形成的一個獨(dú)具特色的學(xué)科。與電賽內(nèi)容一致。 電子儀器的設(shè)計能夠較容易加工成學(xué)生在天內(nèi)完成的賽題。 儀器類賽題

2、是電子設(shè)計競賽中出現(xiàn)最多的一類賽題。并且，在其儀器類賽題是電子設(shè)計競賽中出現(xiàn)最多的一類賽題。并且，在其他類賽題中大部分都包含一些電子測量的內(nèi)容。他類賽題中大部分都包含一些電子測量的內(nèi)容。 因此，掌握好電子儀器的設(shè)計技術(shù)至關(guān)重要。因此，掌握好電子儀器的設(shè)計技術(shù)至關(guān)重要。1 1幾點(diǎn)認(rèn)識幾點(diǎn)認(rèn)識 儀器儀表設(shè)計的基礎(chǔ)是基本電子電路儀器儀表設(shè)計的基礎(chǔ)是基本電子電路 儀器儀表實際上就是一些最基本電子電路的組合。電子測量儀器設(shè)計從本質(zhì)上講就是電子電路的設(shè)計。 大學(xué)生電子設(shè)計競賽是學(xué)科競賽，不是純粹意義上的產(chǎn)品設(shè)計競賽。因此，命題時將會刻意加強(qiáng)與電子電路密切相關(guān)的內(nèi)容，淡化一些專業(yè)性較強(qiáng)的內(nèi)容。 因此，儀器儀

3、表類賽題的訓(xùn)練一定要在建立在基本電子電路因此，儀器儀表類賽題的訓(xùn)練一定要在建立在基本電子電路充分訓(xùn)練的基礎(chǔ)上。否則，不僅得不到好的效果，也有背大學(xué)生充分訓(xùn)練的基礎(chǔ)上。否則，不僅得不到好的效果，也有背大學(xué)生電子設(shè)計競賽的初衷。電子設(shè)計競賽的初衷。1 1幾點(diǎn)認(rèn)識幾點(diǎn)認(rèn)識 做好儀器類賽題的關(guān)鍵是準(zhǔn)確理解各項指標(biāo)的涵義做好儀器類賽題的關(guān)鍵是準(zhǔn)確理解各項指標(biāo)的涵義 進(jìn)行電子儀器設(shè)計時，必須對各項技術(shù)指標(biāo)（尤其是測量誤差）進(jìn)行電子儀器設(shè)計時，必須對各項技術(shù)指標(biāo)（尤其是測量誤差）進(jìn)行認(rèn)真地分析，并在此基礎(chǔ)上確定其核心器件，再進(jìn)行相關(guān)電路進(jìn)行認(rèn)真地分析，并在此基礎(chǔ)上確定其核心器件，再進(jìn)行相關(guān)電路的設(shè)計。的設(shè)計

4、。 電子儀器的價值由各項技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)良程度決定。 電子儀器主要用于測試其它電子系統(tǒng)的性能指標(biāo)，因此，電子儀器對技術(shù)指標(biāo)的要求相對更加嚴(yán)格。 電子儀器含多項技術(shù)指標(biāo)，其中最核心的是測量誤差，其他技術(shù)指標(biāo)基本上都與測量誤差有關(guān)。對于許多測量來講，測量工作的價值幾乎全部取決于它的準(zhǔn)確程度。1 1幾點(diǎn)認(rèn)識幾點(diǎn)認(rèn)識 儀器類賽題設(shè)計應(yīng)該按儀器類賽題設(shè)計應(yīng)該按一定步驟進(jìn)行一定步驟進(jìn)行p 審題（對賽題要求進(jìn)行分析）；p 在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體設(shè)計方案；p 技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配及核心器件的選擇；p 硬件電路設(shè)計；軟件系統(tǒng)設(shè)計；p 組裝、調(diào)試及測試；p 撰寫設(shè)計報告。 按以上步驟進(jìn)行設(shè)計有助于大學(xué)生工程設(shè)計

5、能力的培養(yǎng)。按以上步驟進(jìn)行設(shè)計有助于大學(xué)生工程設(shè)計能力的培養(yǎng)。 實際設(shè)計時，不同課題的設(shè)計步驟會存在一些不同。實際設(shè)計時，不同課題的設(shè)計步驟會存在一些不同。1 1幾點(diǎn)認(rèn)識幾點(diǎn)認(rèn)識 從學(xué)習(xí)的角度，應(yīng)側(cè)重掌握以下類儀器從學(xué)習(xí)的角度，應(yīng)側(cè)重掌握以下類儀器u 電壓測量類儀器u 時間頻率測量儀器u 數(shù)字示波器u 信號發(fā)生器所以，賽前訓(xùn)練應(yīng)該涵蓋這4方面的內(nèi)容。實際的電子儀器設(shè)計中，只要掌握好這類電子儀器的原理，再分析該課題的特殊要求，學(xué)習(xí)一些相關(guān)知識，就能很快地進(jìn)入設(shè)計狀態(tài)中。 本次講座側(cè)重討論電壓測量類儀器的賽題本次講座側(cè)重討論電壓測量類儀器的賽題1 1幾點(diǎn)認(rèn)識幾點(diǎn)認(rèn)識 電子儀器種類繁多，但只要透徹掌

6、握以上類電子儀器的原理，其他類型電子儀器的設(shè)計便不會存在大的障礙。 數(shù)字直流電壓測量儀器（基本模塊）數(shù)字直流電壓測量儀器（基本模塊）直流電壓測量是最基本的電壓測量模塊直流電壓測量是最基本的電壓測量模塊! !電壓測量類儀器的組成電壓測量類儀器的組成 有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（有關(guān)變換器有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（有關(guān)變換器+ +基本模塊）基本模塊） 各類參數(shù)變換器均由基本電子電路組成各類參數(shù)變換器均由基本電子電路組成（含交流電壓、電流、功率、電阻、電容、電感等參數(shù)的測量）（含交流電壓、電流、功率、電阻、電容、電感等參數(shù)的測量） 有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（有關(guān)變換器有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（有關(guān)變換

7、器+ +基本模塊）基本模塊）以交流電壓測量為例討論有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成原理以交流電壓測量為例討論有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成原理u 峰值（Vp+ 、 Vp- 、 Vp-p）和振幅（Vm ）u 平均值平均值：TTV0dt v(t)1u有效值有效值：TodttvT)(12注：注：若未加說明，各類電壓表的示值按正弦波有效值來定度表征交流電壓幅度特性的三個基本參數(shù)表征交流電壓幅度特性的三個基本參數(shù)：全波檢波后的平均值全波檢波后的平均值零電平為參考零電平為參考直流分量為參考直流分量為參考 有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（有關(guān)變換器有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（有關(guān)變換器+ +基本模塊）基本模塊）以交流電壓測量為例

8、討論有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成原理以交流電壓測量為例討論有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成原理 均值電壓表：用均值檢波器作AC/DC變換器（需（需正弦波有效值定度正弦波有效值定度）交流電壓交流電壓的測量的測量模式模式：放大檢波式，頻率范圍為20HZ10MHZ，靈敏度為mV級。 峰值電壓表：用峰值檢波器作AC/DC變換器（需（需正弦波有效值定度正弦波有效值定度）檢波放大式，峰值檢波器輸入電阻很高，可以為輸入級，并做在探頭內(nèi)。適合做成超高頻毫伏表，靈敏度可達(dá)幾十V。 有效值電壓表：采用有效值轉(zhuǎn)換器或熱偶作為AC/DC變換器交流電壓交流電壓的測量的測量模式模式：定度方便：輸出的直流電壓線性正比于各種波形的有效值

9、各種波形的有效值。基于真有效值轉(zhuǎn)換器的有效值電壓表有廣泛的應(yīng)用前景，但受芯片工藝限制，目前頻率范圍的上限約為10MHZ。 基于高速采樣的交流電壓測量方法全數(shù)字化方案。適于對非規(guī)則波形參數(shù)的測試。方便，靈活。但受限于A/D轉(zhuǎn)換器的最高采樣率。 數(shù)字直流電壓測量儀器（基本模塊）數(shù)字直流電壓測量儀器（基本模塊） 有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（有關(guān)變換器有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（有關(guān)變換器+ +基本模塊）基本模塊） 有關(guān)物理量測量儀器的組成（有關(guān)傳感器有關(guān)物理量測量儀器的組成（有關(guān)傳感器+ +基本模塊）基本模塊） 小結(jié)：小結(jié)：p 直流電壓測量是最基本的電壓測量模塊直流電壓測量是最基本的電壓測量模塊! !在

10、此基礎(chǔ)上，通過有關(guān)變換器在此基礎(chǔ)上，通過有關(guān)變換器和傳感器，實現(xiàn)了大部分電參數(shù)和物理量的測量。和傳感器，實現(xiàn)了大部分電參數(shù)和物理量的測量。p 電壓測量類儀器是最基礎(chǔ)，應(yīng)用范圍非常廣泛的一類儀器。電壓測量類儀器是最基礎(chǔ)，應(yīng)用范圍非常廣泛的一類儀器。電壓測量類儀器的組成電壓測量類儀器的組成（含溫度、重量、壓力、光強(qiáng)等物理量的測量）（含溫度、重量、壓力、光強(qiáng)等物理量的測量）題目主要要求：題目主要要求： 根據(jù)根據(jù)2007年全國電賽年全國電賽 “積分式直流數(shù)字電壓表積分式直流數(shù)字電壓表【高職組高職組】 ” ，2011年年全國電賽全國電賽 “自動電阻測試儀自動電阻測試儀【高職組高職組】 ” ， 2004年

11、湖北電賽年湖北電賽 “智能數(shù)字智能數(shù)字萬用表萬用表【高職組高職組】”等題目的內(nèi)容改寫。等題目的內(nèi)容改寫。設(shè)計舉例一：設(shè)計舉例一：智能數(shù)字智能數(shù)字萬用表萬用表（直流電壓測量部分）（直流電壓測量部分） 高職高專參賽學(xué)生的電路功能實現(xiàn)能力強(qiáng)，但對技術(shù)指標(biāo)不夠敏感。 本例側(cè)重討論： 如何準(zhǔn)確理解儀器的技術(shù)指標(biāo)（尤其測量精度）；如何準(zhǔn)確理解儀器的技術(shù)指標(biāo)（尤其測量精度）； 調(diào)試中的相關(guān)技術(shù)。調(diào)試中的相關(guān)技術(shù)。 量程：量程：0.2V，2V，20V；最大顯示數(shù)：；最大顯示數(shù)：1999； 輸入阻抗輸入阻抗5M； 直流電壓測量誤差：直流電壓測量誤差：0.2%讀數(shù)讀數(shù) 2個字；個字； 具有自動量程轉(zhuǎn)換功能；具有自

12、動量程轉(zhuǎn)換功能；（其他略（其他略)3 3電壓測量類儀器的設(shè)計舉例電壓測量類儀器的設(shè)計舉例l 第項誤差為被測電壓值的0.2%，稱“a”項誤差，其大小與讀數(shù)Vx成正比。主要由衰減器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器等轉(zhuǎn)換系數(shù)的不準(zhǔn)及非線性等因素產(chǎn)生。l 第項誤差為固定的2個字，稱“b”項誤差，其大小不隨讀數(shù)變化而變化。主要由偏移誤差、量化誤差等因素產(chǎn)生。 測量誤差指標(biāo)的分析：（0.2%讀數(shù) 2個字）直流數(shù)字電壓表組成示意圖 準(zhǔn)確理解儀器測量誤差（誤差分析，誤差分配，核心器件的選擇）準(zhǔn)確理解儀器測量誤差（誤差分析，誤差分配，核心器件的選擇）Vx19990顯示Vm“a” 項誤差示意圖Vx19990顯示Vm“b”

13、項誤差示意圖l 要求量程轉(zhuǎn)換電路的測量誤差小于 0.1% ；l 要求A/D轉(zhuǎn)換器的測量誤差小于 0.1%； 則儀器的總誤差將小于0.2%根椐以上分配原則，各部分電路誤差的分配：根椐以上分配原則，各部分電路誤差的分配：各部分電路核心器件的選擇：各部分電路核心器件的選擇：l 量程轉(zhuǎn)換電路應(yīng)該選擇高精度低噪聲運(yùn)算放大器（帶寬無要求） 例，OPA333，高精度零漂移CMOS運(yùn)放；l A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)該優(yōu)先選擇積分型A/D轉(zhuǎn)換器 例，MC14433，具有自動穩(wěn)零性能，器件精度可達(dá)0.05%1字測量誤差指標(biāo)的分配：測量誤差指標(biāo)的分配：l 誤差分配：將儀器總誤差分配給各個部分電路。以確定各個部分電路設(shè)計時應(yīng)該

14、控制的測量誤差。l 應(yīng)根椐各部分電路實現(xiàn)的難度程度進(jìn)行合理分配。l 主要對第項誤差進(jìn)行分配。(0.2%讀數(shù)) 準(zhǔn)確理解儀器測量誤差（誤差分析，誤差分配，核心器件的選擇）準(zhǔn)確理解儀器測量誤差（誤差分析，誤差分配，核心器件的選擇）直流直流數(shù)字?jǐn)?shù)字電壓表的組成電壓表的組成題目主要要求：題目主要要求： 量程：量程：0.2V，2V，20V；最大顯示：；最大顯示：1999； 輸入阻抗輸入阻抗5M； 直流電壓測量誤差：直流電壓測量誤差：0.2%讀數(shù)讀數(shù) 2個字；個字； 具有自動量程轉(zhuǎn)換功能；具有自動量程轉(zhuǎn)換功能； 20V 20V量程：量程：K1K1吸合，吸合，K2K2釋放釋放( (0.1)0.1) 2V 2

15、V量程：量程：K1K1釋放，釋放，K2K2釋放釋放( (1)1)0.2V0.2V量程：量程：K1K1釋放，釋放，K2K2吸合吸合( (10)10) 注：注：2V2V量程為基本量程量程為基本量程量程轉(zhuǎn)換器的組成：量程轉(zhuǎn)換器的組成： OPA33302V 調(diào)試中的相關(guān)技術(shù)調(diào)試中的相關(guān)技術(shù) 一個設(shè)計正確、制作良好的作品，必須經(jīng)過認(rèn)真的調(diào)試才能達(dá)到預(yù)定一個設(shè)計正確、制作良好的作品，必須經(jīng)過認(rèn)真的調(diào)試才能達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。否則可能前功盡棄。的技術(shù)指標(biāo)。否則可能前功盡棄。 l 第1項稱“a”項誤差，與量程轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換系數(shù)不準(zhǔn)有關(guān)。l 第2項稱“b”項誤差，與放大器的零點(diǎn)偏移和A/D轉(zhuǎn)換器的

16、量化誤差有關(guān)。 測量誤差的調(diào)試：（測量誤差的調(diào)試：（0.2%讀數(shù)讀數(shù) 2個字）個字）u先調(diào)先調(diào)“b”項誤差（零點(diǎn)），再調(diào)項誤差（零點(diǎn)），再調(diào)“a”項誤差；項誤差；u先調(diào)先調(diào)“基本量程，再調(diào)其他量程基本量程，再調(diào)其他量程。調(diào)試步驟：調(diào)試步驟：Vx19990顯示Vm“a” 項誤差示意圖Vx19990顯示Vm“b” 項誤差示意圖基本量程的調(diào)整：基本量程的調(diào)整：u 使量程處于基本量程狀態(tài)（使量程處于基本量程狀態(tài)（2V2V量程量程）；）；u“b”項誤差調(diào)整：項誤差調(diào)整：輸入端短路，調(diào)整調(diào)零 電路，使被測表的顯示數(shù)字在0.000附近； 直流數(shù)字電壓表的調(diào)試直流數(shù)字電壓表的調(diào)試 OPA33302Vu“a”項

17、誤差調(diào)整：項誤差調(diào)整：輸入端加入一個1.000V1.999V之間的穩(wěn)定電壓，然后調(diào)整 RW0，使被測表的顯示數(shù)字值與標(biāo)準(zhǔn)表顯示數(shù)字值的前4位相等。u 使量程處于20V量程狀態(tài)（ K1 K1吸合，吸合，K2K2釋放釋放）；u 輸入端加入一個 10.00V19.99V之間的穩(wěn)定電壓，調(diào)整RW1，使被測表顯示的數(shù)字與標(biāo)準(zhǔn)表顯示數(shù)字的前4位相等。20V量程的調(diào)整：量程的調(diào)整：u 使量程處于0.2V量程狀態(tài)（ K1 K1釋放，釋放，K2K2吸合吸合）；u 輸入端加入一個 100.0mV199.9mV之間的穩(wěn)定電壓，調(diào)整RW2，使被測表顯示的數(shù)字與標(biāo)準(zhǔn)表顯示數(shù)字的前4位相等。0.2V量程的調(diào)整：量程的調(diào)整

18、：OPA33302V設(shè)計舉例二：設(shè)計舉例二：交流數(shù)字電壓表交流數(shù)字電壓表3 3電壓測量類儀器的設(shè)計舉例電壓測量類儀器的設(shè)計舉例、頻率范圍：20Hz2MHz；、測量誤差：1%讀數(shù) 2個字； 、 3 位數(shù)字顯示，最大顯示數(shù)：999；、量程：0.1V，1V，10V；、輸入阻抗分600 、高阻（5M）兩檔；、具有自動零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能和自動量程轉(zhuǎn)換功能。主要技術(shù)指標(biāo)如下：主要技術(shù)指標(biāo)如下： 根據(jù)1999年全國電賽“數(shù)字式工頻有效值多用表”，2004年湖北電賽 “簡易綜合測試儀”等題目的內(nèi)容改寫。 目的：以本題為背景，討論電子測量儀器設(shè)計的一般步驟；重點(diǎn)討論技術(shù)指標(biāo)分析；誤差分配及核心器件選擇的方法。 步驟步

19、驟2 2：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案經(jīng)過經(jīng)過方案論證，擬定的總體方案框圖如下：方案論證，擬定的總體方案框圖如下：l 其中，交直流轉(zhuǎn)換采用真有效值轉(zhuǎn)換器方案。設(shè)計舉例二：設(shè)計舉例二：交流數(shù)字電壓表交流數(shù)字電壓表步驟步驟1 1：審題（略）：審題（略）步驟步驟3 3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇指標(biāo)，頻率范圍為指標(biāo)，頻率范圍為 20Hz20Hz2MHz2MHzl 含義：要求組成量程轉(zhuǎn)換器的運(yùn)算放大器芯片和有效值轉(zhuǎn)換器芯片具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)特性。l 實際設(shè)計中，信號頻率范圍要與測量誤差、量程等指標(biāo)結(jié)合在一起綜合考慮。

20、u 準(zhǔn)確理解技術(shù)指標(biāo)的含義；準(zhǔn)確理解技術(shù)指標(biāo)的含義；u 分析誤差與哪些部分電路相關(guān)；分析誤差與哪些部分電路相關(guān)；u 對總指標(biāo)進(jìn)行分配；對總指標(biāo)進(jìn)行分配；u 選擇核心芯片并形成各部分電路。選擇核心芯片并形成各部分電路。步驟步驟2 2：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案步驟步驟1 1：審題（略）：審題（略）指標(biāo)指標(biāo)、測量誤差：、測量誤差：1%1%讀數(shù)讀數(shù)2 2個字；個字； l 在20Hz2MHz頻率范圍內(nèi)，每一個頻率點(diǎn)都能達(dá)到以上測量精度。l 第項誤差為被測電壓值的1%，與量程轉(zhuǎn)換電路、真有效值轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器三部分電路轉(zhuǎn)換系數(shù)的誤差有關(guān)。l 第項誤差為固定的2個字

21、，是與被測電壓無關(guān)的量化誤差。技術(shù)指標(biāo)分析：技術(shù)指標(biāo)分析：步驟步驟3 3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇誤差分配：誤差分配：根椐電路難易程度，將總誤差（1%）分配給儀器的各個部分電路。誤差分配：誤差分配：l 分配給A/D轉(zhuǎn)換器的測量誤差：小于 0.1%；l 分配給量程轉(zhuǎn)換(放大器)的測量誤差：小于 0.1% ；l 分配給真有效值轉(zhuǎn)換器的測量誤差：小于0.8% 則儀器的總誤差將小于則儀器的總誤差將小于 1 %1 %放大器和放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的測量誤差小于 0.1%不困難；難點(diǎn)在于：難點(diǎn)在于：真有效值轉(zhuǎn)換器的電壓測量誤差應(yīng)小于真有效值轉(zhuǎn)換器的電壓測量

22、誤差應(yīng)小于 0.8 % 0.8 % 根椐電路難易程度，將總誤差（1%）分配給儀器的各個部分電路。指標(biāo)指標(biāo)、測量誤差：、測量誤差：1%1%讀數(shù)讀數(shù)2 2個字；個字； 依據(jù)依據(jù)1 1：由設(shè)計資料可知，AD637的帶寬與輸入信號電壓幅度有關(guān)，當(dāng)幅值太大或較小時，AD637的帶寬都將變窄。例如，8MHz at 2V RMS Input8MHz at 2V RMS Input； 1MHz at 200mV RMS Input 1MHz at 200mV RMS Input 測量誤差的分配：測量誤差的分配：技術(shù)指標(biāo)分析：技術(shù)指標(biāo)分析：器件選擇（主要是真有效值轉(zhuǎn)換器的選擇）器件選擇（主要是真有效值轉(zhuǎn)換器的選

23、擇）依據(jù)依據(jù)2 2：實驗測量表明：當(dāng)輸入信號頻率不大于2MHz時，輸入信號的電壓有效值在0.7V7V范圍內(nèi)能保證測量誤差0.4%+0.5mV。 根據(jù)題目要求，擬選用根據(jù)題目要求，擬選用AD637/kAD637/k作為真有效值轉(zhuǎn)換器的核心器件；作為真有效值轉(zhuǎn)換器的核心器件； 結(jié)論：結(jié)論：為了確保為了確保AD637AD637在在20Hz20Hz2MHz2MHz范圍內(nèi)，測量誤差均小于范圍內(nèi)，測量誤差均小于0.80.8， 要求量程電路的歸一化輸出電壓范圍限定為要求量程電路的歸一化輸出電壓范圍限定為0.70.77V(7V(有效值有效值) )指標(biāo)指標(biāo)、測量誤差：、測量誤差：1%1%讀數(shù)讀數(shù)2 2個字；個字

24、； 步驟步驟3 3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇指標(biāo)指標(biāo)、量程：、量程：0.1V0.1V，1V1V，10V10V；l 3個量程顯示范圍分別為 00.1mV99.9mV（0.1V量程）；001mV999mV（1V量程）； 0.01V9.99V（10V量程）。 量程轉(zhuǎn)換器的組成：量程轉(zhuǎn)換器的組成： 10V10V量程：量程：K1K1釋放，釋放，K2K2釋放釋放( (1)1) 1V 1V量程：量程：K1K1釋放，釋放，K2K2閉合閉合( (10)10)0.1V0.1V量程：量程：K1K1閉合，閉合，K2K2閉合閉合( (100)100)步驟步驟3 3：技

25、術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇l 量程電路可以采用兩級放大器級聯(lián)，每級放大器增益為 1、10 可選，當(dāng)增益分別選擇為1、10 時，便能實現(xiàn)10V、1V、0.1V 三個量程的選擇。 u 單位增益帶寬（電壓反饋型）單位增益帶寬（電壓反饋型）25 MHz25 MHz 電壓反饋型運(yùn)放增益帶寬積GBW的概念：在小信號情況下，單位增益帶寬大于增益與帶寬的乘積；由于每級放大器增益最大為10，再考慮級聯(lián)等因素的影響，則選擇運(yùn)放芯片的單位增益帶寬大于25MHz。 也可以采用帶寬應(yīng)大于5MHz的電流反饋型運(yùn)放。u 電壓擺率電壓擺率(SR) (SR) 200V/s200V

26、/s 本設(shè)計中放大器的最大輸出電壓為10V(幅度Vom=14.14V)，最高頻率為2MHz，則要求集成運(yùn)放的壓擺率 SR2Vomf = 178V/s。 對量程電路中集成運(yùn)放的要求：對量程電路中集成運(yùn)放的要求：量程電路核心器件的選擇：量程電路核心器件的選擇：（要求量程電路總誤差要求量程電路總誤差 0.1%，帶寬，帶寬 2MHz）指標(biāo)指標(biāo)、量程：、量程：0.1V0.1V，1V1V，10V10V；步驟步驟3 3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇運(yùn)算放大器的選擇：運(yùn)算放大器的選擇： 采用采用AD811 （電流反饋型）（電流反饋型）u 3dB帶寬：帶寬：u S

27、R = 2500V/s 能滿足要求能滿足要求 采用采用AD817（電壓反饋型）（電壓反饋型）u 單位增益帶寬單位增益帶寬 = 50MHz，u SR = 350 V /s 能滿足要求能滿足要求 采用采用LF357（電壓反饋型）（電壓反饋型）u 單位增益帶寬單位增益帶寬 = 20MHz，u SR = 50 V /s 滿足部分要求滿足部分要求條件：條件：單位增益帶寬（電壓反饋型電壓反饋型）35 MHz；電壓擺率(SR)200V/s 指標(biāo)指標(biāo) 、量程：、量程：0.1V0.1V，1V1V，10V10V；指標(biāo)指標(biāo)，3 3位數(shù)字顯示，最大顯示數(shù)為位數(shù)字顯示，最大顯示數(shù)為 999999 例如，本設(shè)計選擇 MA

28、X197。MAX197具有 05V，010V，-55V，-1010V 四種滿量程輸入電壓范圍供選擇。 本題量程電路的歸一化的輸出電壓范圍為0.77V，則選擇010V輸入電壓范圍。 為了使AD637最大輸出電壓與MAX197的最大輸入電壓一致，需增加設(shè)計刻度調(diào)節(jié)電路。u A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)該高于或等于儀器精度的3倍（最好一個量級）。u A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率必須高于或等于顯示分辨率。 A/DA/D轉(zhuǎn)換器滿量程輸入電壓范圍的選擇轉(zhuǎn)換器滿量程輸入電壓范圍的選擇A/DA/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇步驟步驟3 3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇 因

29、此，本題電壓表的A/D轉(zhuǎn)換器的相對分辨率應(yīng)高于11 bit。 建議取12位A/D轉(zhuǎn)換器，例如，MAX197，AD574，ICL7109 。步驟步驟2 2：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案步驟步驟3 3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇 步驟步驟4 4：整機(jī)硬件電路設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計；整機(jī)硬件電路設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計；儀器目前狀態(tài)：儀器目前狀態(tài)：10V10V量程量程設(shè)計舉例二：設(shè)計舉例二：交流數(shù)字電壓表交流數(shù)字電壓表步驟步驟1 1：審題：審題步驟步驟5 5：組裝、：組裝、調(diào)試調(diào)試及測試及測試u 先調(diào)10V量程（基本量程）檔：

30、先調(diào)零點(diǎn)，然后輸入一個電壓值，例如Ux=5VUx=5V；調(diào)調(diào)RW1RW1使AD637的輸出為3.5V；調(diào)RW4使顯示器顯示5.00V（即MAX157的輸出）。u 再調(diào)1V量程檔（K1吸合）：輸入一個電壓值（0.5V）；調(diào)調(diào)RW2RW2使顯示器顯示0.500V（即MAX157的輸出）。 u 最后調(diào)0.1V量程（K2吸合）：輸入電壓值50mV；調(diào)調(diào)RW3RW3使顯示器顯示50.0mV（即MAX157的輸出）。制定一個合理的調(diào)試步驟，然后嚴(yán)格按照調(diào)試步驟進(jìn)行調(diào)試。制定一個合理的調(diào)試步驟，然后嚴(yán)格按照調(diào)試步驟進(jìn)行調(diào)試。 其中調(diào)試一定要按特定的次序進(jìn)行其中調(diào)試一定要按特定的次序進(jìn)行學(xué)生作品舉例學(xué)生作品舉

31、例110( (100)100)8位位 ？10被測信號（ 直流直流）優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)放反饋網(wǎng)絡(luò)無開關(guān)不足：不足：8位A/D分辨率低于999，顯示時可能會出現(xiàn)跳字現(xiàn)象，跳字步進(jìn)約為 4。（1 1）（1010）題目要求：題目要求：測量矩形脈沖信號的幅度Vm，被測脈沖信號幅度范圍為0.110V，測量誤差不大于2%。其他條件：其他條件：頻率fo范圍為10Hz2MHz，占空比D范圍為1090 2016 2016年年TITI杯省聯(lián)賽杯省聯(lián)賽E E題題“脈沖信號參數(shù)測量儀脈沖信號參數(shù)測量儀”的部分內(nèi)容。的部分內(nèi)容。 設(shè)計舉例三：設(shè)計舉例三：脈沖幅度參數(shù)的測量脈沖幅度參數(shù)的測量VMAXVTOPVMINVBASEV

32、P-P關(guān)鍵：測試關(guān)鍵：測試 VTOP注：注：脈沖信號幅度脈沖信號幅度V Vm m參數(shù)具有特定的涵義參數(shù)具有特定的涵義脈沖幅度脈沖幅度 Vm 的確定（的確定（IEC標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)）不宜采用檢波器方法不宜采用檢波器方法 ！應(yīng)該采用基于高速采樣技術(shù)的測量方法。！應(yīng)該采用基于高速采樣技術(shù)的測量方法。 最困難的測試點(diǎn)：最困難的測試點(diǎn)： 當(dāng)fo=2MHz，D=10%時，對應(yīng)的信號脈沖寬度為50ns脈寬為脈寬為50ns50ns的脈沖信號對電路帶寬及采樣率均提出較高的要求！的脈沖信號對電路帶寬及采樣率均提出較高的要求！步驟步驟1 1：審題：審題（分析難點(diǎn)并確定對應(yīng)的解決方案）（分析難點(diǎn)并確定對應(yīng)的解決方案）基于高

33、速數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的幅度測量方法分析基于高速數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的幅度測量方法分析主要問題：需要高速A/D轉(zhuǎn)換器。例如，本題被測信號最小脈寬為50ns， 若在一個周期內(nèi)取25個數(shù)據(jù)，則A/D轉(zhuǎn)換器采樣速率約需500MHz。解決方案：采用新的測量算法，以便能適度降低采樣速率。 設(shè)置一個閾值，取大于閾值的采樣數(shù)據(jù)并存儲； 對存儲的采樣數(shù)據(jù)排序，取其中間值（或去極值去平均）作為幅值數(shù)據(jù)處理步驟：數(shù)據(jù)處理步驟： 設(shè)置一個閾值，在多個周期內(nèi)，取若干個（例如25個）大于閾值的采樣數(shù)據(jù)并存儲 對存儲的采樣數(shù)據(jù)排序，取其中間值（或去極值去平均）作為幅值作品案例：作品案例：采用采樣速率為50MHz（20ns）的A/D轉(zhuǎn)換器

34、，則在脈寬為50ns的被測脈沖信號上，一個周期內(nèi)至少可以取得1個幅度近似為Vm的采樣值。測量電路框圖測量電路框圖l 量程轉(zhuǎn)換電路帶寬的分析l 測量誤差的分析及分配分析及分配步驟步驟2 2：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案步驟步驟3 3：技術(shù)指標(biāo)分析、技術(shù)指標(biāo)分配技術(shù)指標(biāo)分析、技術(shù)指標(biāo)分配步驟步驟1 1：審題：審題（分析難點(diǎn)并確定對應(yīng)的解決方案）（分析難點(diǎn)并確定對應(yīng)的解決方案）周期矩形脈沖信號的時域波形周期矩形脈沖信號的頻譜l 量程轉(zhuǎn)換電路帶寬的分析步驟步驟3 3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差指標(biāo)分配技術(shù)指標(biāo)分析、誤差指標(biāo)分配 決定電路帶寬的被測信號參數(shù)是：fo=2MHz，D

35、=10%，對應(yīng)脈沖寬度 = 50nsl 量程轉(zhuǎn)換電路帶寬的分析l 測量誤差的分配步驟步驟3 3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差指標(biāo)分配技術(shù)指標(biāo)分析、誤差指標(biāo)分配測量誤差來源于量程轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換器。根據(jù)兩部分電路的難易程度，分配給（寬帶）量程轉(zhuǎn)換電路的誤差為不大于0.5%；因此分配給A/D轉(zhuǎn)換器（采樣率為50MHz）的誤差為不大于1.5%。題目要求：被測信號的幅度范圍為 0.110V，測量誤差不大于2%。步驟步驟4 4：整機(jī)硬件電路設(shè)計、整機(jī)硬件電路設(shè)計、核心器件的選擇核心器件的選擇l 量程一般由程控放大器和衰減器組合而成。量程間一般為10倍率（例如數(shù)字電壓表）；為了降低對后面A/D轉(zhuǎn)換器的要求，量程間也可選擇為5倍率或2倍率（例