2015全国大学生电子设计大赛之仪器仪表类赛题分析-名校解读

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,几点认识电压测量仪器设计时间频率测量仪器设计数字示波器设计信号发生器设计几点建议,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,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。,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。,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。,按以上步骤进行设计有助于大学生工程设计能力的培养。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,从学习的角度，应侧重掌握以下类仪器,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。,几点认识,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。,电压测量仪器设计,电压测量仪器分类主要技术指标设计举例,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。,电压测量仪器设计,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50、75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）。,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（真实值）100或（读数值）100（工程中常采用）,引用误差（相对满度误差）：（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：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、5.07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。,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=,由于2.0r2.5，则该仪器的准确度应该定为.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）,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：（aVxbVm）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,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：（aVxbVm）,例，某3位半数字电压表的测量误差为（0.1Vx0.1Vm）由于0.1（19991）2，测量误差也可表示为（0.1Vx2个字）,表达式：=（a%VXn个字）,由于项误差不随读数而变，因此还可用“n个字”的形成表示,表达式和表达式是完全等价的。,电压测量误差技术指标的分析,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：（aVxbVm）表达式：（aVxn个字）,例如，某三位半电压表的测量误差为（0.3Vx2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0.005V，测量误差r0.5%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0.002V，测量误差r20%意味被测电压的读数小于量程的10%时，仪器达不到0.5%。,、频率范围：20Hz1MHz；、测量误差：(3%读数+2个字)；、3位数字显示，最大显示数：999；、量程：0.1V，1V，10V；、输入阻抗分600、高阻(5M)两档；、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。,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。,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。,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。,步骤：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：,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。,、频率范围：20Hz1MHz；、测量误差：(3%读数+2个字)；、3位数字显示，最大显示数：999；、量程：0.1V，1V，10V；、输入阻抗分600、高阻(5M)两档；、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。,步骤：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择,指标，频率范围为20Hz1MHz,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。,步骤2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择,指标、测量误差：(3%读数+2个字)；,在20Hz1MHz频率范围内，每一点都能达到以上测量精度。第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。主要对第项误差(3%读数)进行分配，,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，各部分电路指标分配如下：,指标、测量误差：(3%读数+2个字)；,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，8MHzat2VRMSInput；600kHzat100mVRMS。,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20Hz1MHz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、测量误差：(3%读数+2个字)；,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0.7V7V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0.77V(有效值),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MAX197MAX197有05V，010V，-55V，-1010V四种输入电压范围供选择。本设计选择010V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。,步骤2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择,指标、量程：0.1V，1V，10V；,3个量程显示范围分别为0.01V9.99V（10V量程）；.001V.999V（1V量程）；00.1V99.9mV（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：10V量程：K0释放，K1释放(1)1V量程：K0释放，K1闭合(10)0.1V量程：K0闭合，K1闭合(100),步骤2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择,指标、量程：0.1V，1V，10V；,带宽：20MHz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/s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SR2Vomf=88.86V/s。,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：,指标、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/s能满足要求,采用AD817（电压反馈型）单位增益带宽=50MHz，SR=350V/s能满足要求,采用LF357（电压反馈型）单位增益带宽=20MHz，SR=50V/s满足部分要求,单位增益带宽（电压反馈型）20MHz；电压摆率(SR)100V/s,指标、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18V。,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；,仪器目前状态：10V量程,设计举例：交流电压表,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！,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02V)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600、高阻两档，通过拨码开关SW予以选择。,5:1？,学生作品1,学生作品2,1,10,(100),8位？,10,被测信号（0.5）,05V（直流）,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。,频率测量实现原理,被测信号(fx),测量结果(),闸门时间(T),若取T=1秒，该信号在秒内重复了N次，则该信号的频率为：fxNT,电子计数器法测量原理（传统方法）,周期测量实现原理,被测信号(Tx),测量结果(),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：TxNT0,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。：计数误差。其中1，是计数过程中不可避免的误差：标准频率误差。由晶振输出频率不稳定引起，其值为.0.3210-R/20：触发误差。其中为信噪比，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。,电子计数器法误差分析（传统方法）,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N=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=1s，则当被测信号周期分别为10s（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。,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1s，查表得知，其中界频率为kHz，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kHz时，应该直接测其频率；当被测信号的频率小于kHz时，应该测量周期，再换算成频率。,时标T0=1S,闸门T=1S,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10-510-6。,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。,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=0.3210-R/20。其中为信噪比，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，,倒数计数器法测量原理及误差分析,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。,同步原理,由于触发器的同步作用，计数器所记录的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的大小。,触发器的功能：对应CK端上升沿，端的信号传送到端。,为了测量实际的闸门时间T，设置了计数器，并用标准时钟f0进行计数来确定实际闸门时间T的大小。计数器的累计数NAfxT；T=NA/fx计数器的累计数NBf0T；T=NB/f0联立上两式，得,计数器记录的N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。,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。,倒数计数器法测量原理及误差分析,设计举例：等精度频率计的设计,频率测量范围：1Hz10MHz；周期测量范围：0.01s1s；测量误差210-5；预置闸门时间：1s信号灵敏度：0.1V（有效值）；输入衰减：1，20（可程序预置）波形适应性:正弦波、脉冲波、三角波,时间频率测量仪器设计,经整理，要求的主要技术指标如下：,根据1997年全国电赛“简易数字频率计”，2006年湖北电赛“多功能电子计数器”等题目的内容改写。,目的：以本题为背景，理解时频测量仪器相关技术指标的含义,等精度：被测信号在1Hz10MHz范围内，测量误差均210-5。为达到以上指标，只能采用倒数计数器法实现频率测量。如果晶振频率采用10MHz，闸门时间取1s，则由1字误差引人的测量误差为10-7。这时，只要采用的晶体振荡器的准确度不低于210-5，即可达到要求的测量误差指标。,频率测量范围：1Hz10MHz；测量误差210-5预置闸门时间：1s,与频率测量误差相关技术指标的理解：,测量误差的分析,由于要求仪器测量误差的指标为210-5，因此应该采用位数字显示。位数字频率计实际显示范围为：1.00000（Hz）9.99999（MHz）。其中，小数点及单位能根据数据的大小自动设置。为了体现仪器的测量精度可以达到210-5，最高显示位不能为“0”。例如，若fx=1.123456Hz，由于Hz的210-5为0.00002Hz，则应该显示1.123452Hz。即允许的显示数为1.123431.12347五者之一。其中最后一位含有误差。如果选择显示位数为位以下，则不能体现仪器能达到210-5的精度；如果选择显示位数为位，则数据最后有23位含有误差，无意义。,频率测量范围：1Hz10MHz；测量误差210-5预置闸门时间：1s,与频率测量误差相关技术指标的理解：,显示位数的确定,频率测量范围：1Hz10MHz；测量误差210-5预置闸门时间：1s,要求被测频率测量误差210-5，因此必须采用倒数计数法，电路框图如下,设计举例：等精度频率计的设计,与频率测量误差相关技术指标的理解：,放大器的带宽最低不能低于10MHz，考虑波形适应性，带宽应大于30MHz。放大器的放大倍数，放大倍数的准确度没严格要求，可适当增大。整形电路一般采用比较器，注意比较器芯片的速度及压摆率等参数。,频率测量范围：1Hz10MHz；信号灵敏度：0.1V（有效值）；输入衰减：1，20（可程序预置）波形适应性:正弦波、脉冲波、三角波耦合方式：AC耦合,调整电路一般由阻抗变换器、AC/DC选择电路、衰减器等组成。整形电路一般采用电压比较器，比较器所要求的输入电压一般在0.5V1V之间。,与通道放大器的设计有关技术指标的理解：,放大与整形电路参考电路之一,（黄正瑾电子设计竞赛赛题解析东南大学出版社）,放大与整形电路参考电路之二（学生作品）,1，量程电路采用多个放大器构成（个量程使用了组放大器），避免在反馈回路中使用开关，提高了放大器的稳定性。（性价比？）2，将被测频率分成高频和低频两组，降低了对比较器芯片的要求。,特点：,实际测试效果良好！,数字示波器的发展日新月异，技术指标越做越高；学生应重点掌握好最基本数字示波器的设计方法；2003年“简易数字示波器”可以作为一个很好的学生训练题,主要训练点：高速的数据采集及存储（DMA方式）由通道的前向通道电路及时基电路完成。同步的波型显示；由通道的后向通道电路及通道电路完成。数字示波器的控制一般采用单片机FPGA两级控制方式。,数字示波仪器设计,信号频率：DC50kHz，Ri100k；屏幕刻度为810div，垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div；垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差5%；水平扫速：20s/div，0.2ms/div，0.2s/div，误差5%；内触发方式、上升沿触发、触发电平可调；显示波形无明显失真。,2003年全国电赛“简易数字示波器”可以作为一个很好的学生训练题，经整理，题目要求的主要技术指标如下：,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；,步骤4：组装、调试及测试,数字示波仪器设计,步骤1：在方案论证的基础上建立总体方案,通道电路（前向通道后向通道）通道电路控制电路（含时基电路、采集与显示的控制）,数字示波仪器设计,通道前向通道电路的设计时基电路的设计波形显示电路的设计,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；,数字示波仪器设计,通道前向通道电路的设计,输入通道电路,信号频率：DC50kHz，Ri100k；屏幕刻度为810div，垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div；垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差5%；水平扫速：20s/div，0.2ms/div，0.2s/div，误差5%；,相关参数,输入电路一般由跟随器电路组成，可以实现输入阻抗等指标要求程控放大器主要完成垂直灵敏度的选择，输入通道电路中最主要的部分低频滤波器用于抗混迭，改善采样信号的频谱混迭现象的影响。电平转换电路将电压范围为1V+1V的信号移位至02V，与A/D匹配。,相关设计,信号频率：DC50kHz，Ri100k；屏幕刻度为810div，垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div；垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差5%；水平扫速：20s/div，0.2ms/div，0.2s/div，误差5%；,A/D转换器的位数：与垂直分辨率及刻度有关。A/D转换器应能分辨328256级，选8位A/D转换器。A/D转换器的最高转换速率：与最快扫描速度及水平分辨率有关。要求最快扫描速度为20s/div，水平分辨率为20点/div，则其最高转换速率应为1MHz。若考虑双踪，应选择在2MHz以上。器件选择：根据上述分析，A/D转换器可以选择CA3308、TLC5510等芯片。若选择TLC5510，其输入信号电压范围为02V。,A/D转换器的选择,相关参数,通道前向通道电路的设计,存储器的容量：水平分辨率为20点/div，显示屏水平刻度为10div，因而满屏显示需2010200点。考虑双踪功能及水平移动扩展显示功能的需要，存储深度可选择容量为1KB以上的存储器。器件选择：本设计要求数据的写入与读出能同时进行，因而应该选择双口RAM器件，例如选择IDT7132（容量为2KB）的双口RAM。,存储器的选择,信号频率：DC50kHz，Ri100k；屏幕刻度为810div，垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div；垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差5%；水平扫速：20s/div，0.2ms/div，0.2s/div，误差5%；,相关参数,通道前向通道电路的设计,输入通道电路,相关技术指标的分析与分配,示波管显示（X向）的视觉误差约占12%（不可避免的）；,8位A/D转换器8位D/A转换器的误差可控制在1%，两者共占12%；,通道电路引入的误差应该控制在12%，其中程控放大电路是通道电路设计中最主要的部分。以上分配是在控制时序完全正确的前提下进行的,屏幕刻度为810div，垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div；垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差5%；,程控放大器的设计,垂直灵敏度挡位的范围在0.01V/div1V/div之间，按1-2-5分配原则应设置7挡；示波器显示屏的垂直刻度为8div，则对应被测信号电压幅度的范围在0.08V8V之间。如果A/D转换器最大输入电压幅度为2V，则计算得到对应输入电路的衰减、放大系数范围应为0.2525。,不同垂直灵敏度（V/div）挡的衰减或放大系数,信号频率：DC50kHz，Ri100k；屏幕刻度为810div，垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div；垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差5%；,相关参数,程控开关建议采用模拟开关，例如选择集成开关MAX4501；在调节各量程增益时，模拟开关的内阻计入其中；,不同垂直灵敏度（V/div）挡的衰减或放大系数,不建议采用以下接法!,运算放大器的选择：本题要求带宽为50kHz，若采用电压反馈型运放，其增益带宽积应大于1.25MHz(2550kHz)，可选用GBW为5MHz的运放LF356等。,时基电路的设计（采样与存储控制部分）,由时钟、扫描速度（t/div）控制器、写地址计数器、RAM读写控制等组成t/div控制器：分频器，产生一个与设定“t/div”量程对应频率的脉冲信号，用作A/D转换器的采样时钟和写地址计数器的输入时钟信号。写地址计数器：二进制计数器，用于产生一个对应的写RAM地址。,作用：产生与题目要求扫描速度一致的时钟信号；控制信号的采集与存储。,“t/div”控制器作用：实际上是一个分频器。产生一个与设定“t/div”量程对应的频率，用作A/D采样率和写地址计数器的输入时钟频率。,设扫描速度为t/div，相对应的采样率f如下式中，N20点/div,屏幕刻度为810div，水平分辨率20点/div；水平扫速：20s/div，0.2ms/div，0.2s/div，误差5%；,相关参数,时基电路的设计（采样与存储控制部分）,有关计算,写地址计数器：实际上是一个二进制计数器，用于产生一个对应的写RAM地址。,已知屏幕水平方向有10div，且20点/div。则屏幕水平方向显示点数N=200。即本题采样存储器的存储深度为200。写地址计数器应采用八位二进制计数器即可。,时基电路的设计（采样与存储控制部分）,每个触发信号能启动一轮数据采集与写入RAM的过程控制器产生一个与设定“t/div”对应的采样频率，一方面使A/D按该采样频率进行转换，得到一串8位数据流；另一方面，控制器产生写使能信号W送至RAM，使写地址计数器按顺序递增,确保每个数据写入到对应的存储单元中。一旦200个单元写满，一个写入循环即完成。当下一次触发信号到来时，将启动新的一轮采集过程。,数据采集与存储的过程,波形显示电路的设计,通道电路的分析,作用：产生同步扫描电压信号（锯齿波）送给示波器轴。要求：通道总误差小于5%。,误差分配：示波管显示视觉误差约占12%；8位D/A转换器误差可控制在1%；时基（时钟及分频）误差可忽略控制时序应该做到完全正确。,由通道电路及后向通道电路组成,波形的显示与波形的存储在管理上是分离的，即不管数据以何种速度写入到存储器中，均可以采用一个不变的宜人的速率读出数据。这样，可以无闪烁的观察频率极低信号，而且可以清淅而稳定观察频率很低信号波形，并且免除对高速D/A和高带宽阴极射线示波管的要求。,同步显示原理,一方面，读地址计数器提供的地址依次将存储器中的波形数据送至D/A转换器，恢复为离散的模拟电压(t)，然后送至示波器的Y轴；另一方面，读地址同时经另一个D/A转换器形成锯齿阶梯波送至示波器的X轴，作同步的扫描信号(t)。很显然，CRT屏幕上将形成一个稳定的被测信号的波形。,信号发生器是为电子测量提供符合一定技术要求电信号的仪器设备。严格地说，信号发生器不是测量仪器，但它是电子系统研制、生产及维护中最基本电子电子仪器之一。,信号发生器设计,由一般RC振荡器或LC振荡器构成的信号发生器基于专用信号发生器IC芯片的信号发生器（例，MAX038等）基于DDS的信号发生器：采用可编程器件D/A转换器采用DDS集成芯片（例，AD9851等）,现代信号发生器的一般组成,信号发生器设计,输出频率范围：20Hz1MHz可预置步进值：10Hz，100Hz，1kHz，10kHz。输出频率误差：10-4。输出电平范围：-30dB+20dB，步进值为10dB（共六种输出电平）。输出电平误差：0.3dB。负载电阻：600。输出信号波形无明显失真。,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。,设计举例：正弦信号发生器,信号发生器设计,产生频率范围为20Hz1MHz、步进频率为10Hz的正弦波信号；同时使输出幅度达到20dB(有效值为7.76V),产生幅度范围为-30dB+20dB，间隔为10dB的6种输出电平；同时完成隔离、驱动以及输出阻抗匹配等功能。,20dB（7.76V）,20dB10dB0dB-10dB-20dB-30dB,、DDS信号源电路（振荡电路宽带放大电路）,、输出控制电路（步进衰减电路输出电路）：,建立总体设计方案（设计方案论证略）,输出频率范围：20Hz1MHz输出频率误差：0.1%频率步进值：10Hz，100Hz，1kHz，10kHz(视不同的输出频率)输出电平范围：-30dB+20dB,、DDS信号源电路（振荡电路宽带放大电路）,与信号源电路相关的技术指标：,输出电平：20dB（7.76V）频率范围：20Hz1MHz。,其中，DDS电路采用DDS集成芯片（例AD9851）宽带放大电路也可采用ALC电路，具体电路略,DDS信号源电路框图,各级增益指标的分配,20dB（21.9VP-P）,1VP-P,1,输出电平：-30dB、-20dB、-10dB、0dB、+10dB、+20dB输出电平误差：0.3dB输出阻抗：600输出信号波形无明显失真。,、输出控制电路（步进衰减电路输出电路）,分贝误差相对误差对数形式dB=20lg(1+)dBdB=0.3dB相当于=3.5%,20dB10dB0dB-10dB-20dB-30dB,输出幅度控制电路,与输出控制电路相关的技术指标,21.9,步进衰减电路分析,K1,K2,K3,K4,K5,K6,该电阻网络每个节点分压比均由411和190分压决定，即分压比为0.316(-10dB)。设K2导通，由于411+190=601，而601和278的并联值约为190。则与K2相连的节点的分压比由601和190的分压决定，即分压比为0.316(-10dB)。,、输出控制电路（步进衰减电路输出电路）,对构成放大电路和输出电路运放的要求：,带宽、SR和电源指标的要求同电压表。除此之外，还要考虑最大输出电流大于7.76V/600=13mA（一般均能满足要求）,学生作品1,从资料手册可知，当Iout=10mA（R1=3.9k），Iout端的电阻为50100时，波形最好。,学生作品2,将DDS输出信号送到高速D/A芯片TLC7524的基准电压端，通过单片机控制TLC7524的Data端，实现信号幅度的数控衰减。,几点建议,理论联系实际，进一步提高设计水平,既要克服理论脱离实际的现象，也要避免忽视理论的倾向！在电子设计竞赛中，要特别注意避免忽视理论的倾向！重视理论的指导作用。严格地说，缺乏理论推导及工程计算，不进行方案论证及指标分析的设计，不能称其为设计！,电子设计竞赛目标：培养具有坚实理论基础，能运用所学知识解决专业问题的能力，具有一定的创新思想的电子信息技术人才。而不是培养仅靠经验进行设计的“工匠式”人才。,几点建议,注重大学生创新能力的培养,全国大学生电子设计竞赛章程明确指出，竞赛应该有助于培养大学生的创新能力。因此，训练中要注意对学生创新思维的培养，历时天的竞赛对学生创新思维的发挥还是具有一定的空间，单一机械式的训练模式会禁锢学生的思想，妨碍了创新精神的发挥。如果学生只会把经过训练过的模块拼凑起来设计，不可能出现高水平的作品。,.电子仪器设计的内涵：电子仪器设计是一种有目地的创作行为，是设计者在分析研究前人设计产品的基础上，运用自身积累，创造性地开发、研究新产品的过程。没有创新能力，就不可能研究出新型的电子仪器。,几点意见,部分作品存在盲目使用高性能芯片的现象。映射出部分学生不能很好的掌握按照指标要求选