应用电子技术2014

应用电子技术,武汉物理与数学研究所刘朝阳,中科院武汉分校研究生课程,整体情况,班长课时16-18次作业与考试chyliu,学习电子技术需要的,心：有兴趣手：勤动手笔：记录详实,第1讲电子系统设计基础,设计的基本原则协调/平衡设计仪器用例基本仪器介绍万用表/示波器/数字电桥作业与调查,中,设计平衡点,平衡（续）,模拟数字硬件软件FPGAMCU,第1讲电子系统设计基础,设计的基本原则协调/平衡设计仪器用例基本仪器介绍万用表/数字电桥作业与调查,简易小口径MRI仪器系统,任务书设计一套能用于小动物质子成像的7T简易MRI系统需求分析主要部件单元单元连接/控制,系统框图,涉及的主要电子技术领域,基本电路射频电路LNA,PLL,DDSFPGA嵌入式控制PCB设计,其他需要了解的领域,运算放大器滤波器锁相放大器可靠性设计,第1讲电子系统设计基础,设计的基本原则协调/平衡设计仪器用例基本仪器介绍万用表/数字电桥作业与调查,1.3常用仪表,1.3.1万用表基础,“万用表”是万用电表的简称，是检测修理计量仪器仪表、自动化装置和家用电器最常用的多用途电测仪表。万用表基本功能电流、电压、电阻、扩展功能三极管的放大倍数、频率、周期、电容值、温度、逻辑电位、分贝值等。,万用表基本工作原理,万用表类型,模拟式万用表(即指针式万用表)数字式的万用表准确度与分辨力均较高，而且过载能力强，抗干扰性能好，功能多、体积小、重量轻，还能从根本上消除读取数据时的视差不便于观察被测电量的连续变化过程及其变化的趋势数字万用表检验电容器的充电过程、热敏电阻阻值随温度变化的规律，以及观察光敏电阻阻值随光照的变化特性等，就不如模拟式万用表方便、直观,模拟万用表组成,数字万用表组成,数字万用表的主要性能指标,显示位数基本量程更新速度分辨率测量精度输入阻抗,显示位数等,完整显示位：能够显示0-9的数字；非完整显示位(1/2位或3/4位)：只能在最高位上显示0和1(1/2)或2,3(3/4)。如4位DMM，具有4位完整显示位，其最大显示数字为9999。而41/2位（4位半）DMM，具有4位完整显示位，1位非完整显示位，其最大显示数字为19999。基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/D转换器动态范围确定。通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展其他量程。如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五档量程；基本量程为2V或20V的DMM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五档量程。每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。一般低速高精度的DMM测量速度在几次/秒几十次/秒。,分辨率与精度并不完全一致,指DMM能够分辨最小电压变化量的能力。反映了DMM灵敏度.用每个字对应的电压值来表示，即V/字。不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小量程上具有最高分辨力。例如，3位半的DMM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字（即当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字”）,使用万用表注意事项,（1）测量前应注意什么？（2）如何防止测量中表的指针反向偏转？（3）测量电压、电流时应注意什么？（4）测量电阻时应注意什么？（5）测量结束后应注意什么？,表头指针是否零位；选好测量项目、量程。,将红黑表笔插入对应的“”、“”端。,要注意电表表笔在电路中的串、并联。,断开电路、欧姆调零；每次换挡，要重新调零。,将转换开关拨到最高交流电压挡或关的位置。,1.3.2LCR数字电桥,最早的LCR测试就是一个真正的电桥平衡测试方法，现在一直沿用至今，LCR数字电桥又称LCR测量仪、LCR电桥、数字电桥等等测试精度与频率，偏置电压/电流，方法等对结果有重要的影响,工作原理,自由轴法测量原理智能LCR测量原理测量参数的选择测试结果的校正测试结果,自由轴法测量原理,测量、参数的方法主要有：（一）电桥法（二）谐振法（三）伏安法（固定轴法，自由轴法）其中，自由轴法是目前智能测试仪广泛采用的测试原理它的优点是测量精度高，速度快（几十次秒）,其中，标准电阻s是已知的，只要测出标量，以及，就可以算出被测阻抗，再通过一些等效电路模型，计算出，等参数,用鉴相器提取矢量电压的实部和虚部原理图,轴,轴,s,x,智能LCR测量原理,问题:,对于两列同频正弦信号(频率已知),如何求幅度,相位差等参量?,数字信号处理,最小二乘法(最佳平方逼近法),相关算法,方案：采用对两矢量电压进行同时采样，再通过相关算法求出其有效值和相位差，从而求出，等参数,智能LCR测试仪硬件框图,前端电路,正弦信号源,同时采样,数据存储,被测元件,时序控制,智能LCR测试仪原理框图,测量误差的分析与处理,(1)随机误差：多周期数据处理每通道每次采集1K个点的数据（取10个周期），每次10个周期的数据一起处理，这样等效于连续测量10次，然后取平均值作为最后的测试结果。,测量误差的分析与处理,(2)系统偏移的校正：偏移量主要是由有源器件零漂和地阻抗引起的，其结果是在待测交流信号上叠加了直流分量。由于在整周期上，交流正弦信号的加权平均值是零，所以，将采集后的数据进行加权平均处理，其结果就是直流分量。将采集的数据减去这个直流分量再做数据处理，可以提高测量精度。,测量误差的分析与处理,(3)开路校准和短路校准：LCR参数测量仪器的测量端、测量馈线以及测量夹具总是存在残余阻抗和残余导纳，这些残余量对小电容、小电感或大电阻的测量会造成较大的误差。本设计引入自动的开路校准与短路校准:先通过理论分析建立系统的误差模型，求出误差修正公式，然后，通过简单的“开路”，“短路”等校准技术记录误差因子，最后程序利用修正公式和误差因子自动计算修正结果。,电阻测试结果,电容测试结果,电感测试结果,测试数据,基本参数损耗D,品质因数Q,D、Q两者互为倒数，其计算方法为被测器件的有功功率PR(电阻器耗能)与无功功率PC(电容器储能)或PL(电感器储能)的比值.对串联和并联等效电路使用下式计算：=Rs/|Xs|,D=|Xp|/Rp，D和Q的值与等效方式无关,基本参数ESREPR,任何一个被测器件都可以等效为一个串联电路或并联电路.串联电阻Rs为串联等效电路中的电阻部分，Rs也叫ESR.并联电阻Rp为并联等效电路中的电阻部分，Rp也叫EPR。,清零与校准,清零由于仪器本身的漂移，会叠加一些杂散成份，如接触电阻、电感、并联电容等，则不清零就会有误差。短路清零对小阻抗器件更为有效，开路清零对高阻抗器件更有效。负载校准高级的仪器校准方法，可以使仪器在高于仪器原有准确度的基础上测量元件，主要用于下面两种情况(1)当有更准确的元件并需对同规格元件进行更高准确度的测量(2)统一现场所有LCR数字电桥的测试数据,电容正确测试条件,小于100pF电容用1MHz频率测量，中等容量如(1000pF-10uF)用1KHz,10KHz,100KHz，国家标准测试中等电容的测试频率标准是1KHz。电解类如铝电解，钽电解等用100Hz或120Hz。从电平的角度说大部分电容对电平不敏感，不同电平测试变化不大，但有些介电常数大的电容与电平非常敏感，应仔细选择电平。,选择串联和并联测试参数,可以两个不同的测试频率下损耗因子的变化性来决定，若频率升高而损耗增加，则应选用串联等效电路；若频率升高而损耗减小，则应选用并联等效电路。对于电感来说，情况正好与电容相反。实际中，器件的D不可能与频率完全成正比关系，其可能有并联成分，也可能有串联成分，应看何种成分占主导。根据元件的最终使用情况来判定。如用于信号耦合电容，则最好选择串联方式，旁路或并联