電子測量大作業(yè)

1、電子測量技術(shù)大作業(yè)班級:通信1109學(xué)號:11211105姓 名：單贊吉專業(yè):通信工程指導(dǎo)老師：朱云電子測量技術(shù)大作業(yè)第一題：1 .研究題目：4-19:在Multisim環(huán)境下，設(shè)計一種多斜積分式 DVM ,給出原理圖和仿真實驗 結(jié)果。2 .積分型A/D轉(zhuǎn)換電路2.1 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換電路雙積分型ADC® 1種V-T型A/D轉(zhuǎn)換器，原理電路如圖12.2.2-1(a)所示, 由積分器、比較器、計數(shù)器和部分控制電路組成。工作過程如下：(1)平時(即A/D轉(zhuǎn)換之前),轉(zhuǎn)換控制信號vc=0,計數(shù)器和觸發(fā)器FFc被清零，IT Gt G2輸出低電平，開關(guān) 與閉合使電容C完全放電，&擲下

2、方，比較器輸出Vb=0,門G3關(guān)閉。(2) vc=1時，開關(guān)So斷開，開關(guān)S擲上方接輸入信號V,積分器開始對V積分,輸出電壓為Vo1 tViVI dt-tRC 0RC(2.1)顯然Vo是1條負向積分直線，如圖12.2.2-1(b)中t=0Ti段實線所示。與此同 時，比較器輸出Vb=1 (因Vo<0),門G3開啟，計數(shù)器開始計數(shù)。(3)當(dāng)積分到t=2nTcp時(其中是時鐘CP的周期)，n位計數(shù)器計滿2n復(fù)0, FFc置1,門G2輸出高電平，開關(guān)S擲下方接基準電壓(一Vref),積分器開始對 (VreF進行積分。設(shè)1=丁1時，Vo下降到vo=V0i,由式(3.1)Voi-Ti(2.2)RC2

3、位位位位位是工n 位 位位位FF COCP1L位位位位位v BvO；C1Q R-V REFv C位位位位位位Vi 1 - -O r1 _4b -OrG3位位位位 位TC1R>C1R位位位位位圖2.1雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器Title（a）原理電路（b）輸出電壓波形Size Number BDate:File:4-Oct-2000D:T_sdnt_sdn122201.schSheet ofDrawn By:因為（一Vref）為負值，所以從Voi開始向相反方向積分,1 tVrefvO VO1 至” "EFHt VO1 記(tT1)(2.3)vO波形如圖3.5（b）中1=（T1+T2）段

4、實線所示（4）當(dāng)t=T1+T2時，vO上升到vo=0V, vB=0,門G3被關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù),此時計數(shù)器中保存下來的數(shù)字就是時間 T2。由圖可知，輸入信號 V越大，|必|越大，T2就越大。將式（3.2）、t=T1+T2和vo=0V代入式（3.3）中，得vOViRCT1VrefRCT2(2.4)8從而有T2ViVrefTi(2.5)顯然，計數(shù)器中的數(shù)字dn-ldn-2-pldo與輸入信號V成正比。例如當(dāng)設(shè)10位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的基準電壓Vre=8V,時鐘頻率fcp=1MHz 請問輸入電壓V=2V時D（io）TiVi2n( Vi )TCP VREFVREFD(10)2n(上MVREF210

5、(-) 256=0100000000B 82.2三斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器、IIt單片機計數(shù)控制圖2.2三斜積分式A/ D轉(zhuǎn)換器的原理圖圖2.2是一個三斜積分式A/ D轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由基準電壓-Vref 、積 分器、比較器和由單片機構(gòu)成的計數(shù)控制電路組成。轉(zhuǎn)換開始前，先將計數(shù)器清零，并接通 S使電容C完全放電。轉(zhuǎn)換開始， 斷開&。整個轉(zhuǎn)換過程分三步進行：首先，令開關(guān)S置于輸入信號U一側(cè)。積分器對U進行固定時間T1的積分。積分結(jié)束時積分器的輸出電壓為：可見積分器的輸出電壓與 U成正比。這一過程也稱為轉(zhuǎn)換電路對輸入模擬電 壓U的米樣過程圖2.3三斜積分式A/ D轉(zhuǎn)換波形圖在采樣開始時，邏輯

6、控制電路將計數(shù)門打開，計數(shù)器對周期為TC的計數(shù)脈沖CP計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器達到滿量程 N,此時計數(shù)器由全“1”恢復(fù)為全“ 0”，這 個時間正好等于固定的積分時間 Ti,。計數(shù)器復(fù)“0”時，同時給出一個溢出脈 沖（即進位脈沖）使控制邏輯電路發(fā)出信號，令開關(guān)Si轉(zhuǎn)換至參考電壓-Vref一側(cè)， 采樣階段結(jié)束。三斜積分式 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換波形是將雙積分式 A/D的反向積 分階段T2分為圖4所示的T21、T22兩部分。在T21期間，積分器對基準電壓-Vref進 行積分，放電速度較快；在T22期間積分器改為對較小的基準電壓 進行積分，放 電速度較慢。在計數(shù)時，把計數(shù)器也分為兩段進行計數(shù)。在 T21期間，從計數(shù)

7、器的 高位（2m位）開始計數(shù)，設(shè)其計數(shù)值為 N;在T22期間，從計數(shù)器的低位（20位） 開始計數(shù)，設(shè)其計數(shù)值為N2o則計數(shù)器中最后的讀數(shù)為：N= NX2n+N（2.6）在一次測量過程中，積分器上電容器的充電電荷與放電電荷是平衡的，則|Ux|T 尸Vref 加什（嬰）T22（2.7）其中：F尸NTc T 22=NT將上式進一步整理，可得三斜式積分式A/D轉(zhuǎn)化器的基本關(guān)系式為KX N1+N2x二KX N1Vref(2.8)本設(shè)計中，取m=8時鐘脈沖周期Tc=120us,基準電壓1ef=5V,并希望把2V被測電壓變換成N=6553刎讀數(shù)時，由上式可以計算出不=76.8ms,而傳統(tǒng)的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換

8、器在相同的條件下所需的積分時間T1=307.2s,可見三斜積分式A/ D轉(zhuǎn)換器可以使轉(zhuǎn)換速度大幅度提高。2.3多斜式積分AD轉(zhuǎn)換電路多斜分式ADC如圖3-1所示。面簡單介紹三重積分式 ADC的工作原理。它的特點是比較期由兩段斜坡組成，當(dāng)積分器輸出電壓接近0點時，突然換接數(shù) 值較小的基準電壓，從而降低了積分器輸出電壓的斜率，延長積分器回0的時間, 使比較周期延長以獲得更多的計數(shù)值， 從而提高了分辨率。而積分器在輸出電壓 較高時，接入數(shù)值較大的基準電壓，積分速度快，因而轉(zhuǎn)換速度也快。圖2.4多積分A/D轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)中有兩個比較器，比較器1的比較電平為0電平，比較器2的比較電 平為V',同時

9、有兩個基準電壓 Er和Er/2m。工作過程如下：采樣期：Sx接通，Spb、Sps斷開，積分器對被測電壓 Vi積分，積分周期包 定為T1;比較期I: Spb接通，Sx、Sps斷開，積分器對極性與 Vi相反的基準電壓Er 進行積分，由于Er數(shù)值較大，故積分速度較快，積分周期為 T21;比較期廠 當(dāng)積分器輸出達到比較器 2的比較電平V'時，通過控制電路使 開關(guān)Sps接通，Spb、Sx斷開，積分器對Er/2m積分。由于基準電壓減小，因而 積分速度按比例降低。當(dāng)積分器輸出電壓達到零伏時， 比較器1動作，通過控制 電路使所有開關(guān)斷開，積分器停止積分，一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。因為多積分式A/D轉(zhuǎn)換器要比

10、單積分或雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的運算快而且準 確，固采用多積分式A/D轉(zhuǎn)換器。圖2.5多積分A/D轉(zhuǎn)換器的特性三.模擬仿真本題目要求同用到多斜式積分 ADCS計DVM我們除了要求做到模擬ADC勺 仿真，也要考慮到不同的量程，首先從兩級積分型 ADCF始研究，逐層深入，最 后達到目的。3.1 雙積分型ADC3.1.1 外部電路研究：Multisim 中有一個通用的ADC轉(zhuǎn)換器，對此芯片進行研究，發(fā)現(xiàn)它的大致 原理正是基于雙積分型ADC勺思想，我們可以用其進行模擬分析驗證。圖3.1雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器multisim仿真我給出Vref=5V, D=2nj3其中輸出數(shù)字量位數(shù)2n=255, D=255高

11、VREFVREF當(dāng)輸入電壓為1V時，D=255/5=51,用十六進制表示為33,同理，輸入為5V 時D=255用十六進制表示為FF。在用三或多斜式積分電路上我們不能用到此芯片，否則就要加一個DACt可 以觀測到波形。3.1.2 內(nèi)部電路分析雙積分型ADC主要有兩個模塊構(gòu)成，積分電路和計數(shù)器，我們將兩塊分別來 模擬。積分電路：電子測量技術(shù)大作業(yè)tCIDnF士VW-IDQkfi圖3.2積分電路框圖圖3.2表明基本的積分放大電路，我們可以利用這個電路實現(xiàn)積分運算， 波形顯示如圖3.3所示：基于DV*慮，我們可以選擇不同量程，結(jié)合模擬電路知識，我給出以下 一種連接方式：圖3.4輸入放大與量程轉(zhuǎn)換電路如

12、圖3.4所示，電路被接成了電壓串聯(lián)負反饋放大器形式， 輸入電阻高并且 電路輸入端采用RC 低通濾波電路抑制交流干擾，兩個不同開關(guān)控制不同的量程， 可實現(xiàn)不同量級的A/D轉(zhuǎn)換。計數(shù)器：理論學(xué)習(xí)中提到的邏輯計數(shù)器我們可以用觸發(fā)器實現(xiàn)，以下給出三級JK觸發(fā)器的連接方式：三級連接可以記錄三位二進制數(shù)字，即可以從 0-7, J1開關(guān)實現(xiàn)鎖數(shù)，J2開關(guān)負責(zé)清零，在時鐘脈沖下可以實現(xiàn)從 0-7的計數(shù)。圖3.5三級JK觸發(fā)器計數(shù)器圖3.6計數(shù)器輸出波形3.2 三積分型ADCfe路結(jié)合對書上知識的理解我設(shè)計出圖 5為三斜積分A/D轉(zhuǎn)換器模擬電路部分， 圖中放大電路選用比較精密的 Op07，比較器選用LM311;

13、圖中的開關(guān)都可以用 邏輯控件控制（如單片機，只要將各個開關(guān)控制端接到單片機不同控制端口上即 可實現(xiàn)不同的開關(guān)通斷控制） 原理同書上相同，想通過可選擇量程的放大器，在 通過積分電路，在通過比較器，不同的是加了一個 二參考電壓，當(dāng)積分小于2"個低電平時，再通過對-V2f的積分產(chǎn)生反向電壓，達到三積分效果。2ThLM311M_VEE=圖3.7三積分型ADC匡圖由于三積分電路積分過程比較復(fù)雜， 需要在不同狀態(tài)中控制不同的開關(guān)，因 此并沒有進行觀察波形的模擬。3.3 一個簡單的DVM真由于多斜式積分ADC電路比較復(fù)雜，需要一些邏輯控件，在 multisim 環(huán)境 中對我來說有些困難。用單片機p

14、roteous仿真可能可以實現(xiàn)相應(yīng)要求，在這里， 我僅利用multisim中的基于雙積分ADC®、想的ADC5片和一個由8個D觸發(fā)器 組成的寄存器741s373給出一種簡單的DVM真擬。如圖3.8所示，參考電壓為5V,輸入正弦電壓Vp=3V!過ADC5片轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后EO3出結(jié)束信號，將數(shù)據(jù)存入寄存器中，寄存器在 每次時鐘上升沿狀態(tài)時進行下一狀態(tài)輸出。通過示波器觀察輸出波形與數(shù)碼管顯 示數(shù)字的關(guān)系。圖3.8基于雙積分型ADC的DVM計200芷曰ZTCSECT譏19；0&溝0 wdirili- yfvi - -C Q T I j!rMd黑巾/圖3.9輸入電壓與

15、數(shù)碼管顯示對照關(guān)系圖3.10各位輸出波形從圖3.9可見，數(shù)碼管顯示數(shù)字和模擬電壓輸出呈現(xiàn)對照關(guān)系，但數(shù)碼管是十六進制，利用741s47可以實現(xiàn)4321BCD專換，且根據(jù)雙積分型 ADC 公式可以將數(shù)碼管結(jié)果換算成模擬電壓的數(shù)值，實現(xiàn)DVMft能。四.總結(jié)本次研討，需要深刻理解積分型ADC勺原理，加以利用，實現(xiàn)各種功能。在課上，我們學(xué)習(xí)的知只是框圖，里面內(nèi)容的構(gòu)造還需要自己研究。 在本次 實驗中，我重點對積分電路和計數(shù)器進行了探討分析，所用器件比較簡單，在多次積分的設(shè)計上，還需要多個邏輯控件才能實現(xiàn)，難度較大，在研究過 程中，我感到自己的水平有限。很多知識還要花時間用探索，在這里，由于 水平和時

16、間的限制，我只是做了簡單的DVMggt,在以后的學(xué)習(xí)中，我還會 繼續(xù)學(xué)習(xí)多斜積分式ADC的相關(guān)知識，完成這部分的模擬。所以說，這份報告并沒有達到老師的要求，請老師諒解。不過在本次的學(xué)習(xí)中，我可以將很多學(xué)科知識結(jié)合起來，加深了對積分 AD轉(zhuǎn)換器的理解，并有一定的創(chuàng)新， 也算有一些收獲。五參考文1 趙會兵 , 朱云電子測量技術(shù)M. 高等教育出版社，2011,10.2 張凡 . 微機原理與技術(shù)接口M. 清華大學(xué)出版社北京交通大學(xué)出版社，2010,9.3 侯建軍 . 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第二版 ）M. 高等教育出版社,2007,12.4 朱定華 . 模擬電子技術(shù)M. 清華大學(xué)出版社北京交通大學(xué)出版社，2

17、006,5.第二題：一、 研究題目：6-14：在Multisim 環(huán)境下，基于Tektronix TDS204S擬示波器設(shè)計一種 時域反射計，給出電路原理圖和實驗仿真結(jié)果。 （本題設(shè)計以時域反射計 測量阻抗為例）二、時域反射計簡介時域反射計（TDR）用來測量信號在通過某類傳輸環(huán)境傳導(dǎo)時引起的反射，如電路板軌跡、電纜、連接器等等。TDR器通過介質(zhì)發(fā)送一個脈沖，把 來自“未知”傳輸環(huán)境的反射與標準阻抗生成的反射進行比較。TDR顯示了在沿著一條傳輸線傳播快速階躍信號時返回的電壓波形。波形結(jié)果是入射階躍和階躍遇到阻抗偏差時產(chǎn)生的反射的組合。三、時域反射計原理時域反射計TDRg最常用的測量傳輸線特征阻抗

18、的儀器， 它是利用時域反 射的原理進行特性阻抗的測量。示波器© 1階躍信號發(fā)生器1階躍信號設(shè)置：23 mM, 250 kH工方波上升沿時間：35 K1丁圖3.1 TDR原理圖傳輸液空系統(tǒng)41示波器顯示when匕注0 T四、時域反射計(TDR)組成(1)快沿信號發(fā)生器：典型的發(fā)射信號的特征是：幅度 200mv上升時間35ps,頻率250kHz方波。(2)采樣示波器：通用的采樣示波器；(3)探頭系統(tǒng)：連接被測件和TDR儀器。五、仿真與結(jié)果圖5.1時域反射計仿真電路圖5.2信號發(fā)生器設(shè)置選項Tteklrnnlx III UH-： i ”措晨 一.3 3ioO上升下降時間i3用00口比415

19、 2.000006'（»&）圖5.3信號發(fā)生器上升沿時間設(shè)置圖5.4終端開路時（反射系數(shù)為 1）的結(jié)果圖5.5終端短路時（反射系數(shù)為-1）的結(jié)果電子測量技術(shù)大作業(yè)圖7.1被測傳輸線特征阻抗的計算22圖5.6終端有負載阻抗時的結(jié)果 "mi，;西的畫I WOLT1M3V WQIT3/aV六、TDRM試信號理論運行特征圖七、圖6.1 TDR測試信號理論運行特征圖被測傳輸線特征阻抗的計算利用將用捫和反射舉 數(shù)計算負裁俎抗反射系球計理資核阻抗是實少？TDR能夠根據(jù)公式自動計算出結(jié)果H 口34 口Zet*« 口電子測量技術(shù)大作業(yè)8、 總結(jié)通過這次試驗，了解到了時域反射計（TDR）組成，原理等信息，通過時域反射計，我們可以測量任意負載的負載阻抗，而這就大大解決了傳輸線阻抗的測量的難度，可以給相關(guān)的工程帶來極大的方便。同時也加深了對知識點的理解！學(xué)習(xí)是一個實踐的過程，我們學(xué)習(xí)過怎樣計算負載線的特性阻抗，以及反射系數(shù)那些東西，現(xiàn)在用時域反射計（TDR）可以很方便快捷地將起特 性阻抗求