12A407_42A107电子测量2014第二组课(1).ppt

电子测量原理 技术 冯永茂电子与信息工程学院电子信息工程系2014版 作业1 大功率半导体激光器内部集成了多路温度传感器 压力传感器 相对湿度传感器 光强传感器 请查阅资料 给出一套传感器选型指南 并提出相应的信号处理的参考电路 提交方式 第三节课上课时 提交电子文档与纸介质打印稿 每节课上随机抽查3 5份 直到期末考试 3KW半导体工业激光器 第二组课概要 时间量的测量基础知识 信号周期的测量 信号频率的测量 时间量的测量系统构成 时间量的测量基础知识 信号的放大 波形的整形 数字逻辑的基本概念 时间参数 行为级描述 时间的测量 认识世界的开始 周期的测量 频率的测量 高频率的测量 短时间间隔的测量 极低频率的测量 时间量测量的基本方法 数字计数器 数字计数器的最佳实现 采用FPGA 周期的测量原理 周期 period cycle 事物在运动 变化过程中 两个连续出现或反复出现的现象或事件之间的时间间隔 Thetimeintervalbetweentwosuccessiveoccurrencesofarecurrenteventorphasesofanevent 周期的测量 时间间隔的测量 两个连续 相同的特征之间的时间间隔 第一步 发现 选择 处理信号的特征 周期测量 测量两个时间 坐标点 间隔 合理提取信号的 周期 特征 连续信号 模拟信号 选择变化率最大点 脉冲信号 数字信号 选择脉冲的变化沿 思想 利用电子计数器在两个时间点之间 触发信号到来后 以固定的时钟周期 TC 计数 到触发信号再次到来时 停止计数 读取计数结果NC 则被测信号的周期为 Ts Tc Nc 数字化的周期测量方法 两个重要的信号处理环节 信号放大与波形整形 信号的放大 主要解决 幅度和滤波降噪 波形整形 主要解决 获得足够陡峭的变化沿 集成运算放大器 高速比较器 施密特触发器 典型应用电路结构与分析 初试 叠加原理分析运放电路1 设法寻找 建立方程 虚短 与 虚断 虚短 就是 虚断 就是 不用多想 初试 叠加原理分析运放电路2 初试 叠加原理分析运放电路3 继续深入思考 为什么要整形 如何对放大之后的波形进行整形 高速比较器与施密特触发器 滞回比较器 现代周期测量的数字化实现方案 深入认识脉冲信号的相位抖动 Jitter 整形之后的信号 幅度 变化沿满足了现代数字信号的标准 相对于本地参考时钟 必然存在相对的相位偏移 也称作抖动 在进入周期特征信息提取 脉冲沿信息提取之前 必须要进行 数字同步去抖 使得特征信息的变化相位严格与本地参考时钟同步 第一个实用的逻辑结构 请牢牢记住 认识一下D触发器 行为级描述 Tco是理解D触发器行为原理的关键参数 D触发器 排队 移位寄存器 数字特征 认识一下移位寄存器的行为特征 第一个实用的逻辑结构 数字同步去抖 同步去抖的行为特征 时序逻辑仿真 只有连续出现 足够稳定 的新逻辑状态 输出才会跟随变化 否则 随机干扰不会影响输出的逻辑状态 第二个实用逻辑 脉冲沿提取逻辑 逻辑设计中 学会使用 与 或 和 异或 逻辑 分析 理解逻辑离不开Tco和Tpd 边沿检测的时序行为 脉冲沿分离逻辑 活用基本逻辑门 脉冲沿分离的时序行为 认识一些基本逻辑要素与概念 逻辑使能 同步计数使能 同步复位 清零 异步复位 同步置位 预置数 异步置位 竞争冒险的去除 课程概要 同步去抖 脉冲沿检测与分离 FPGA中的计数器 周期测量的典型设计 第一个实用的设计方法 划划看 DFF VerilogHDL行为级描述 Tco是理解D触发器行为原理的关键参数 划划看 来分析移位寄存器的行为特征 always posedgeclk Beginq d end 划一下移位寄存器的行为特征 数字同步去抖的行为级描述 Always posedgeclk Beginout 1th signal in out 2th out 1th out 3th out 2th out 4th out 3th EndAlways posedgeclk Beginif out 1thend VerilogHDL就是在用途最广泛的C语言的基础上发展起来的一种件描述语言 它是由GDA GatewayDesignAutomation 公司的PhilMoorby在1983年末首创 1989年CADENCE公司收购了GDA公司 使得VerilogHDL成为了该公司的独家专利 同步去抖的行为特征 时序逻辑仿真 划划看 脉冲沿提取逻辑的时序行为 逻辑设计中 学会使用 与 或 和 异或 逻辑 分析 理解逻辑离不开Tco和Tpd 边沿检测的时序行为 大道从简 活用基本逻辑门 脉冲沿分离的时序行为 在计数器之前 基本逻辑要素与概念 逻辑使能 同步计数使能 同步复位 清零 异步复位 同步置位 预置数 异步置位 竞争冒险的去除 带使能端的计数器 行为级描述 Moduleen cnt 10bit enable sclr clk cnt out Inputenable Inputsclr Inputclk Output 9 0 cnt out Reg 9 0 cnt out Always posedgeclk Beginif sclr cnt out 10 d0 elseif enable cnt out cnt out 1 elsecnt out cnt out Endendmodule 异步操作的描述 Always posedgeclkorposedgeaclr Beginif aclr cnt out 10 d0 elseif enable cnt out cnt out 1 elsecnt out cnt out Endendmodule 计数器测量的误差特征与2 3原则 计数器会产生 1误差 相对误差为 1 N 为什么会有这样的误差特征 2 3原则 被测信号最大幅度控制在器件或满量程的2 3附近 课程概要 周期测量的典型设计 总结 关键信号处理环节 如何测量目标信号的频率 频率测量的典型设计 周期测量 测量两个时间点之间隔 在两个时间点之间 以固定的时钟周期 TC 计数 读取计数结果NC 则周期为 Ts Tc Nc计数器会产生 1误差 相对误差为 1 N 2 3原则 被测信号最大幅度控制在器件或满量程的2 3附近 周期测量的典型应用实例 转速传感器 利用钢铁材料 或其他导磁材料 做的齿轮转动 产生磁通量的变化 通过故态磁性传感元件获得信号 可测量齿轮的转动 特点是分辨率高 频响宽 可靠性高 内置放大整形电路 输出为幅度稳定的方波信号 测量转速范围宽 0 3Hz 10KHz 广泛应用于机械 冶金 石油 化工 交通 自控 军用 汽车ABS 出租车记价器 火车车轮转速 摩托车发动机转速等各个领域 检验一下你现在的知识与能力 实际电路与测量系统的设计 条件 传感器到控制电路的距离约2 4米 要求 实时检测脉冲信号的周期数据 问题 1 如何选择传感器的供电电压 2 如何设计与传感器的接口电路 3 如何选择参考时钟 4 如何规划系统结构 5 能否给出实现的流程与推导 实际系统设计需要考虑的问题 何处才是系统的接地点 脉冲信号经过长线传输之后也会变形 认真设计你的接口电路 电阻衰减 施密特整形 总线缓冲器隔离 主控IC FPGA或者MCU 根据被测信号 按照2 3原则 相对误差为 1 N规律 合理选择参考时钟的周期 频率 并兼顾常见标称值 以FPGA为例 设计周期测量系统 同步去抖 脉冲沿检测与分离 同步复位 同步锁存测量结果 多次累加获得可靠平均值 设计延伸 如何利用片上数据缓存 定点数与二进制数据的平均值处理技巧 顶层逻辑结构的初步设计 累加器的行为级描述 实例 modulecycle averager 14bit cycle min add en sync clk sclr ave out simu out input 11 0 cycle min inputadd en inputsync clk inputsclr output 11 0 ave out output 13 0 simu out wire 11 0 ave out reg 13 0 simu out assignave out simu out 13 2 wire 13 0 cyc int assigncyc int 13 12 2 b00 assigncyc int 11 0 cycle min always posedgesync clk beginif sclr simu out 14 d0 elseif add en simu out simu out cyc int elsesimu out simu out endendmodule 你可以分析明白这样的仿真结果么 时间量测量的开始 小结 周期的测量 测量频率的常见方法 测量频率在FPGA的实现概述 频率测量的典型设计 周期测量 测量两个时间点之间隔 在两个时间点之间 以固定的时钟周期 TC 计数 读取计数结果NC 则周期为 Ts Tc Nc计数器会产生 1误差 相对误差为 1 N 2 3原则 被测信号最大幅度控制在器件或满量程的2 3附近 实际电路与测量系统的设计 条件 传感器到控制电路的距离约2 4米 要求 实时检测脉冲信号的周期数据 问题 1 如何选择传感器的供电电压 2 如何设计与传感器的接口电路 3 如何选择参考时钟 4 如何规划系统结构 5 能否给出实现的流程与推导 实际系统设计需要考虑的问题 脉冲信号经过长线传输之后也会变形 认真设计你的接口电路 电阻衰减 施密特整形 总线缓冲器隔离 主控IC FPGA或者MCU 同步去抖 脉冲沿检测与分离 同步复位 同步锁存测量结果 多此累加获得可靠平均值 设计延伸 如何利用片上数据缓存 记住几个有价值的逻辑结构 同步去抖 脉冲沿检测与分离 tco是你理解同步时序逻辑的关键 顶层逻辑结构的初步设计 累加器的行为级描述 实例 modulecycle averager 14bit cycle min add en sync clk sclr ave out simu out input 11 0 cycle min inputadd en inputsync clk inputsclr output 11 0 ave out output 13 0 simu out wire 11 0 ave out reg 13 0 simu out assignave out simu out 13 2 wire 13 0 cyc int assigncyc int 13 12 2 b00 assigncyc int 11 0 cycle min always posedgesync clk beginif sclr simu out 14 d0 elseif add en simu out simu out cyc int elsesimu out simu out endendmodule 你可以分析明白这样的仿真结果么 认识一下高级万用表 我们认识的还是很粗浅 见识一下专业 电子测量 永无止境 认识一下信号的频率 频率 是单位时间内完成振动的次数 是描述振动物体往复运动频繁程度的量 常用符号f或v表示 单位为秒 1 为了纪念德国物理学家赫兹的贡献 人们把频率的单位命名为赫兹 简称 赫 每个物体都有由它本身性质决定的与振幅无关的频率 叫做固有频率 频率概念不仅在力学 声学中应用 在电磁学和无线电技术中也常用 交变电流在单位时间内完成周期性变化的次数 叫做电流的频率 测量频率的意义 交变信号在单位时间内的重复次数 频率的基本单位是赫兹 符号Hz 表示每秒一个完整周期 常用单位有千赫 kHz 兆赫 MHz 与吉赫 GHz 多普勒效应一种声音尽管只有一个恒定的频率 但是对听者来说 他有时却是变化的 当波源和听者之间发生相对运动时 听者所感到的频率改变的这种现象称为多普勒现象 在医学诊断 交通监测等行业有着广泛应用 测量频率的基本思想方法 构造 单位时间 时基 在 时基 内 对被测信号进行计数 频率的测量归结为两个核心问题 如何构造时基 如何控制被测信号进行计数 时基产生电路的基本要求 标准性 单位时间 作为计数器频率和时间测量的本地工作基准 应当具有高稳定度和高准确度 多值性 为了适应计数器较宽的测量范围 要求 单位时间 时基 可多档选择 常用 时基 有 1mS 10mS 100mS 1S 10S 朴素的时基原理 功能 产生测频时的 门控信号 多档闸门时间可选 及时间测量时的 时标 信号 多档可选 实现 由内部晶体振荡器 也可外接 通过倍频或分频得到 再通过门控双稳态触发器得到 门控信号 时基 例如 若fc 1MHz 经106分频后 可得到fs 1Hz 周期Ts 1s 的时基信号 经过门控双稳态电路得到宽度为Ts 1s的门控信号 频率的基本分类 频率 单位时间内的重复次数 测量频率 固定时间段内的计数器操作 信号频率的分类 普通频率范围1Hz 300MHz 低频率范围 300MHz 测量方法的适用范围 普通频率范围 固定时基内的计数值 低频率范围 测量周期 然后求倒数 高频率的测量 超外差 PLL 计数器 FPGA器件特性的支持 高精度的时基来源于高精度的时钟源 电子计数器内部时间 频率基准采用石英晶体振荡器 简称 晶振 为基准信号源 基于压电效应产生稳定的频率输出 但是晶振频率易受温度影响 普通晶体频率准确度为10 5 晶振 脸谱 技术进步永无止境 SiliconOscillators formore 任意 频率 PLL