赵茂泰教授报告课件

1、全国大学生电子设计竞赛全国大学生电子设计竞赛仪器仪表类题目设计的几点意见仪器仪表类题目设计的几点意见2014.11. 20武汉大学武汉大学 赵茂泰赵茂泰 电赛命题及其特点电赛命题及其特点 仪器类题目设计的几个要点仪器类题目设计的几个要点 设计举例分析设计举例分析 做好电子设计竞赛工作的体会做好电子设计竞赛工作的体会1 1电赛命题的特点电赛命题的特点1 1电赛命题及其特点电赛命题及其特点p 性质：性质：全国大学生电子设计竞赛是由教育部倡导的学科竞赛之一（姓教）。p 目标：目标：以竞赛为载体， 促进教育改革，尤其是实践教学和教学内容的改革； 培养学生的实际能力和创新能力； 倡导理论联系实际的学风。

2、p 措施措施：全国统一命题（指挥棒）是主要措施之一。 每年正式命题之前，全国专家组都要在王越院士每年正式命题之前，全国专家组都要在王越院士的指导下，本着的指导下，本着“与时俱进与时俱进”的精神，对命题方向及的精神，对命题方向及内容进行认真的讨论。内容进行认真的讨论。u 以模拟和数字电路应用技术为基本内容（涉及模-数混合电路、单片机、嵌入式系统、可编程器件等）。u 侧重于某个专业的题目 （如基础电子技术、通信、仪器仪表、电力电子、自动控制等），以适应不同类型学校和专业的学生选用。 u 命题应该是一个具备一定功能的电子系统，可以不是一个完整的产品。难度与本科毕业设计的难度相当。命题范围、类型命题范

3、围、类型u 强调软硬结合，但以硬为主u 强调命题必须涵盖电子技术中的相关知识点（例各类放大器、振荡器、变频、调制解调等），必须可测试，兼顾趣味性。u 考虑参赛学生为一、二年级学生，命题时会尽量对专业性背景较强的题目进行相应的淡化处理。u 大赛评分体系主要包括功能和技术指标，尤其是技术指标。为了拉开竞赛成绩的差距，题目中某些技术指标的实现具有一定的难度。命题特点命题特点p 熟练掌握单片机最小系统，否则系统不能工作（会用为止会用为止）。p 重点掌握好各类基本电路及可编程器件的应用技术（主要培主要培训内容训内容）。2 2，在以上基础上，选择二个以上的专业方向，在以上基础上，选择二个以上的专业方向赛前

4、培训的思路：赛前培训的思路：1 1，把，把基础电子电路的训练作为重点。训练作为重点。p 基础电子技术p 通信p 仪器仪表p 自动控制p 电力电子2仪器类题目设计的几个要点仪器类题目设计的几个要点p 仪器类赛题是电子设计竞赛中出现最多的一类赛题，并且其他类赛题中也经常包含有电子测量的内容。p 基本电路的设计是仪器设计的基础。仪器类赛题的设计最终往往会化解成为一些基本电子电路的组合，因此电子仪器类赛题的训练一定要建立在基本电路设计训练的基础上。p 虽然电路设计是仪器设计的基础，但若不具备必要的仪器设计基础和对相关技术指标的准确理解，将会误导设计的方向，严重影响竞赛成绩。 本讲座侧重讨论仪器设计所需

5、要的基本专业知识。本讲座侧重讨论仪器设计所需要的基本专业知识。2仪器类题目设计的几个要点仪器类题目设计的几个要点 仪器类赛题设计应该按一定步骤进行仪器类赛题设计应该按一定步骤进行p 审题（对赛题要求进行分析）；p 在方案论证的基础上建立总体设计方案；p 技术指标分析、指标分配及核心器件的选择；p 硬件电路设计；软件系统设计；p 组装、调试及测试；p 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。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

6、。根据实际情况作适当的调整。2仪器类题目设计的几个要点仪器类题目设计的几个要点 从学习的角度，应侧重掌握类基本仪器类型从学习的角度，应侧重掌握类基本仪器类型p 电压测量类仪器p 时间频率测量仪器p 数字示波器p 数字示波器 电子仪器种类繁多，但只要掌握好这类基本仪器的原理，其他类型电子仪器的设计便不会存在大的障碍。 若能较好地掌握若能较好地掌握这这类典型电子仪器的设计，在电赛中或类典型电子仪器的设计，在电赛中或在今后工作中遇到电子仪器设计课题时，只要分析课题的特殊在今后工作中遇到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。要求，再学习一些相关知识，就

7、能很快地进入设计状态。 2仪器类题目设计的几个要点仪器类题目设计的几个要点 准确理解电子仪器各项指标是做好设计的关键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。否则，很难设计出优秀的作品。础上确定其核心器件。否则，很难设计出优秀的作品。 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

8、，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。3设计举例设计举例分析分析 电压测量类仪器 时间频率测量仪器 信号发生器 数字示波器 电子仪器种类繁多，训练时，只要掌握好这类仪器的原理与设计，其他类型仪器设计不会存在大的障碍。 电压测量类仪器电压测量类仪器p 直流电压测量（含电流、电阻等参数测量）直流电压测量（含电流、电阻等参数测量）p 交流电压测量（含电流、电容、电感等参数测量）交流电压测量（含电流、电容、电感等参数测量）p 有关物理量的测量有关物理量的

9、测量（相关传感器电压测量）（相关传感器电压测量）直流电压测量是最基本的测量内容。直流电压测量是最基本的测量内容。3设计举例设计举例分析分析电压测量仪器主要技术指标电压测量仪器主要技术指标l 测量误差，最核心的指标，其大小取决于量程放大器、A/D转换器等电路的误差之和。它与各项指标存在密切关系（重点讨论）l 分辨率（或位数）， 虚指标，有时直接用仪器内A/D转换器的位数，或显示的位数来表示。分辨率一般应高于测量误差，但过高没有意义。l 量程（或测量范围），量程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。在量程10%100%范围内的测量均应达到仪器误差的要求。l 输入阻抗，一般越大越好

10、，以减少由信号源内阻引起的测量误差，例如直流电压表输入阻抗一般大于10M；但高频信号仪器有时规定为50、75等，以与信号源内阻匹配。l 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。l 其他（略）。3设计举例设计举例分析分析u 精度较低的仪器一般采用测量精度较低的仪器一般采用测量值的相对误差来表示的相对误差来表示u 精度较高的仪器常采用误差公式（两项绝对误差之和）来表示精度较高的仪器常采用误差公式（两项绝对误差之和）来表示（VXVA）100 或者或者 （VXVX）100 “电压测量误差电压测量误差”在电赛中有如下两种表达

11、方式在电赛中有如下两种表达方式定义：定义：含义：含义：例如，要求某三位数字电压表的测量误差为r r 1%1%。 若在量程为10V量程档（最大读数为9.99V ）中测量标准值为标准值为5 V V的电压，则允许测量产生的最大绝对误差值应不大于 5.00V1% = 0.05V。即该表显示范围应为即该表显示范围应为 4.954.955.055.05V V之间，否则认为该表未达标之间，否则认为该表未达标u 精度较低的仪器一般采用测量精度较低的仪器一般采用测量值的相对误差来表示的相对误差来表示式中，式中，VA为被测电压的真值，常用高一级仪器测量的值替代，称标准值； VX 为实际测量的读数； VX VX V

12、A 称测量的绝对误差。式中：Vx为被测电压的指示值；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。 “b”项误差也称固定误差，其大小不随读数变化而变化。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，也可表示为 （0.1Vx2个字）表达式表达式 2： = （a%VX n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u 精度较低的仪器一般采用测量精度较低的仪器一般采用测量值的相对误差来表示的相对误差来表示u 精度较高的仪器常采用误差公式（两项绝对误差）来表示精度较高的仪器常采用误差公

13、式（两项绝对误差）来表示 表达式 1：（aVxbVm ）阻容测试仪（阻容测试仪（C C题）题）（1）电阻测量的量程为500、5k、50k三档，电阻测量误差的绝对值不大于0.05%读数6个字。（34分）（2）电容测量的量程为50nF、500nF二档，电容测量误差的绝对值不大于2%读数6个字。（24分）（3）具有自动筛选功能。即在进行筛选测量时，用户通过键盘输入要求的电阻、电容值和筛选的误差值；测量时，仪器在显示被测电阻、电容值的同时，能给出是否符合筛选要求的指示。（10分）（4）进一步降低电阻测量的测量误差。（10分）（5）测量速率大于2次/秒，电阻测量的最大显示数为49999，电容测量的最大显

14、示数为4999，具有自动量程转换和手动量程转换功能。（16分）（6）其他（6分）与电阻电容测量误差相关的分数约占70分。 例，2014年全国大学生电赛模拟技术邀请赛C题（全封闭）（aVxbVm ）的含义）的含义l 电阻测量的量程为500、5k、50k三档l 电阻测量误差的绝对值不大于0.05%读数6个字。l 电阻测量的最大显示数为49999l 测量速率大于2次/秒，l 进一步降低电阻测量的测量误差。 假定在5k档量程中测量一个标准值（或读数）为2k的电阻值，则要求测量产生的最大绝对误差值应该不大于2.0000k0.05%0.0006k = 0.0016k 。（注意：最大显示数为49999 ）

15、即本次测量允许的读数范围为 1.99842.0016k，或者说最多允许读数产生16个字的误差。 “0.05%“0.05%读数读数6 6个字个字”的含义：电阻测量误差的分析电阻测量误差的分析（aVxbVm ）的含义）的含义测试条件测试条件满分满分测试记录测试记录评分评分备注备注500 量程Rx=120（标称值）8标准值: ()实测值: ()误差12个字满分，每增加14个字扣1分。5k量程Rx=1.2k（标称值）8标准值: ()实测值: () 误差12个字满分，每增加14个字扣1分。50k量程Rx=12k（标称值）8标准值: (k) 实测值: (k)误差12个字满分，每增加14个字扣1分。50k量

16、程Rx=47k（标称值）5标准值: ()实测值: (k) 误差30个字满分，每增加50个字扣1分。50k量程，Rx= 0（输入短路）5实测值: (k) 显示6个字满分，每增加2个字扣1分。u 电阻测量误差检测采用直接比较法，用五位半数字多用表作标准仪器u 测试表中，RX表示被测电阻的标称值，标准值是指用五位半数字多用表测量的结果，实测值是指用制作的电阻测试仪测量的结果。当测量误差小于等于（0.05%读数6个字）时给满分；大于（1%读数6个字）时不给分；其间分级给分。 阻容测试仪的测评阻容测试仪的测评（以电阻测量误差的测评为例）（以电阻测量误差的测评为例）测试条件测试条件满分满分测试记录测试记录

17、评分评分备注备注500 量程Rx=120（标称值）8 8标准值: ()实测值: ()误差12个字满分，每增加14个字扣1分。5k量程Rx=1.2k（标称值）8 8标准值: (k)实测值: (k)误差12个字满分，每增加14个字扣1分。50k量程Rx=12k（标称值）8 8标准值: (k) 实测值: (k)误差12个字满分，每增加14个字扣1分。50k量程Rx=47k（标称值）5 5标准值: ()实测值: (k) 误差30个字满分，每增加50个字扣1分。50k量程，Rx= 0（输入短路）5 5实测值: (k)显示6个字满分，每增加2个字扣1分。某参赛队作品的测试记录 120.025 120.05

18、8 8 1.20022 1.20346 6u 若指标没有达到要求，其它方面做的再好意义也不大。技术指标主要依靠模拟电子技术，赛前训练一定要以电子技术的知识点为核心。u 达不到指标并不等于没有成绩，若达不到指标就尽量接近它。实际上，电赛赛题中的部分指标完全达到是很难的。 12.0022 12.034 47.0002 47.134 00.0026 62 25 5测试条件测试条件满分满分测试记录测试记录评分评分备注备注500 量程Rx=120（标称值）8 8标准值: ()实测值: ()误差12个字满分，每增加14个字扣1分。5k量程Rx=1.2k（标称值）8 8标准值: (k)实测值: (k)误差1

19、2个字满分，每增加14个字扣1分。50k量程Rx=12k（标称值）8 8标准值: (k) 实测值: (k)误差12个字满分，每增加14个字扣1分。50k量程Rx=47k（标称值）5 5标准值: ()实测值: (k) 误差30个字满分，每增加50个字扣1分。50k量程，Rx= 0（输入短路）5 5实测值: (k)显示6个字满分，每增加2个字扣1分。 120.025 120.058 1.20022 1.20048 12.0022 12.004 47.0002 47.019 00.002888题目：（4）进一步降低电阻测量的测量误差。（10分）u 如果以上5项均满分，则可根据作品的实际精度继续加分u

20、 具体测评要求：无误差（标准值等于实测值）时给满分；其间分级给分。 具体分级方法：实测值偏离标准值字数每累计超过7个字扣1分进一步降低测量误差10累计共超过28个字 6测量误差与各电子电路模块间的关系测量误差与各电子电路模块间的关系（定性分析）表达式：（aVxbVm ）“a”项误差称读数误差，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引起。所以又称增益误差。“b”项误差称固定误差，其大小不随读数变化而变化。主要由量化、偏移等因素（例1字误差，运放失调电压等因素）而引起的误差。 Vx199919990 0显示显示Vm图图1 “a”1 “a”

21、项误差示意图项误差示意图Vx199919990 0显示显示Vm图图2 “b”2 “b”项误差示意图项误差示意图测量误差与各电子电路模块间的关系测量误差与各电子电路模块间的关系（测量误差分配）l 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。 l 实际分配时，一般不平均分配，而是根椐各部分电路实现的难度程度进行合理分配。l 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。（尽量使每级的误差小于仪器总误差一个数量级以上） 若某一部分电路的误差超过仪器总误差，则仪器注定不达标若某一部分电路的误差超过仪器总误差

22、，则仪器注定不达标 设计时，应尽量使比较多的电路模块的误差能小于仪器总误设计时，应尽量使比较多的电路模块的误差能小于仪器总误差一个量级，从而使难度大的电路模块可以多分配一些误差。差一个量级，从而使难度大的电路模块可以多分配一些误差。测量误差与各电子电路模块间的关系测量误差与各电子电路模块间的关系（举例分析）以电阻测量电路为例分析以电阻测量电路为例分析“b”“b”项误差：项误差：（ 6 6个字个字 ）主要由各运算放大器的品质和主要由各运算放大器的品质和A/DA/D转换器的转换器的1 1字误差等因素决定，只要选字误差等因素决定，只要选择低噪、低失调电压的运算放大器，注意调整好各电路的零点，该项误差

23、择低噪、低失调电压的运算放大器，注意调整好各电路的零点，该项误差即可得到有效的控制。即可得到有效的控制。“a”“a”项误差项误差（ 0.05% ）由测量电路、电压放大电路、由测量电路、电压放大电路、 A/DA/D转换器三部分电路的误差组合而成。应转换器三部分电路的误差组合而成。应该根椐误差分配原则及实际的经验，对总误差该根椐误差分配原则及实际的经验，对总误差（ 0.05% ）进行分配。进行分配。l 要求A/D转换器测量误差0.01%，（本题指定采用16位转换器ADS1118）l 已知：ADS1118的总误差0.01%（datasheet提供）l 要求放大器附加的测量误差0.01%； 采用低漂、

24、低躁、高CMRR的仪表放大器，认真布线及调试可达到。l 要求测量电路（含量程变换）的测量误差0.03% 则仪器的总误差将则仪器的总误差将0.05%难点：难点：测量电路（含量程变换）的电压测量误差应小于的电压测量误差应小于0.03%0.03% 根椐经验积累及以上分配原则，根椐经验积累及以上分配原则，“a”项误差指标分配如下：项误差指标分配如下：0V至2.5V作品达标三要素：作品达标三要素：设计、布线、调试设计、布线、调试. .测量电路的分析及调试方法：u 分别对测量电路、放大电路、A/D转换器电路进行调试。u 整机调试：分别调整好500、5k、50k三档量程的精度。 仔细调整RS1RS3的阻值（

25、串并联电阻或加电位器），使作品测量 的显示数据与五位半数字多用表测量的显示一致（前五位）。u 整机调试可以纠正各个部分电路调试时的偏差.0V至2.5V作品达标三要素：作品达标三要素：设计、布线、调试设计、布线、调试. .测量电路的分析及调试方法：u 500量程的分辨率为0.01（满流程显示为500.00 ），因而由导线电阻和接触电阻对测量结果影响较大。解决方案：四线法.u 50k量程的恒定电流为0.05mA,因而运放的输入偏置电流将影响电阻测量精度。解决方法：挑选输入偏置电流的运放，并认真调整RS3的阻值。实测结果：在34位参赛学生中，5位学生的成绩达到了90分左右 时间频率测量仪器设计时间频

26、率测量仪器设计 测量方法：测量方法：l 电子计数器法（传统方法）电子计数器法（传统方法） 测量误差与被测信号的频率有关测量误差与被测信号的频率有关l 倒数计数器法（等精度测量方法）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测量误差较小，且与被测信号的频率无关p 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。一类仪器统一称为时间频率测量仪器。p 频率和周期是其中最基本的两个参数。频率和周期是其中最基本的两个参数。3设计举例设计举例分析分析频率测量实现原理（传统

27、方法）频率测量实现原理（传统方法）被测信号被测信号( (f fx x) )测量结果测量结果( () )闸门时间闸门时间(T)(T) 若取若取T=1秒，该信号秒，该信号在秒内重复了在秒内重复了N次，则次，则该信号的频率为：该信号的频率为： fx NT 时间频率测量仪器设计时间频率测量仪器设计被测信号被测信号( (T Tx x) )测量结果测量结果( () )时间标准时间标准( ( T T0 0 ) )若所选时标为若所选时标为T0，计数器计数，计数器计数值为值为N，则被测信号的周期为：，则被测信号的周期为： Tx NT0周期测量实现原理（传统方法）周期测量实现原理（传统方法） 时间频率测量仪器设计

28、时间频率测量仪器设计p 时间频率测量仪器一般采用相对误差形式表示；时间频率测量仪器一般采用相对误差形式表示；p 时间频率测量仪器的测量误差由以下三种类型误差合成。时间频率测量仪器的测量误差由以下三种类型误差合成。 ：计数误差。其中：计数误差。其中1 1，计数过程中不可避免的误差，计数过程中不可避免的误差 ：标准频率误差：标准频率误差。由晶振输出频率不稳定引起，其值为由晶振输出频率不稳定引起，其值为 . 0.32. 0.3210-R/20：触发误差。其中为信噪比，产生闸门信号时发生触发误差。其中为信噪比，产生闸门信号时发生时间频率仪器测量误差的表示时间频率仪器测量误差的表示NN00TT00ff0

29、0TTNNffxx20/001032.0RxxTTNNTT频率测量误差公式频率测量误差公式周期测量误差公式周期测量误差公式 标准频率误差：目前，不带温补的晶振准确度可以达到10-510-6。当仪器总误差大于10-5，且设计中采用了晶振时，该项误差可以忽略。 触发误差：触发误差：在周期测量时，若被测信号由信号发生器提供，该项误差可以忽略；但在外部被测信号的信噪比较差时，需要考虑该项误差。在目前电赛题目中，总误差仅仅考虑了计数误差。在目前电赛题目中，总误差仅仅考虑了计数误差。计数误差（计数误差（ ）分析）分析p 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

30、频率分别为10Hz、100kHz时，其计数误差分别为10-1、10-5。p 周期测量时，计数误差与被测信号频率成正比（与周期成反比）。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。NN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。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。NN1，频率测量，频率测量 a信号波型：方波、正弦波；信号波型：方波、正弦波； b幅度范围：幅度范围：0.5V5V； c

31、频率范围：频率范围：0.1Hz10MHz d测量误差：测量误差：10-4 （最大闸门时间（最大闸门时间10s 时）；时）； e进一步减小被测信号的幅度。进一步减小被测信号的幅度。 2，周期测量（略），周期测量（略） 3，脉冲宽度测量（略），脉冲宽度测量（略） 4，具有自校功能，时标信号频率为，具有自校功能，时标信号频率为1MHz。 5，自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。，自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。 举例：举例：19971997年全国电赛年全国电赛B B题题 ：简易数字频率计：简易数字频率计 时间频率测量仪器设计时间频率测量仪器设计 a信号波型：方波、正弦波；信号波型

32、：方波、正弦波； b幅度范围：幅度范围：0.5V5V； c频率范围：频率范围：0.1Hz10MHz； d测量误差：测量误差：10-4 （最大闸门时间（最大闸门时间10s 时）；时）； e进一步减小被测信号的幅度（例如进一步减小被测信号的幅度（例如0.05V）。）。 与信号幅度相关技术指标的解读：与信号幅度相关技术指标的解读： 设计一个信号幅度范围为设计一个信号幅度范围为0.5V5V （0.05V5V ）的宽带输入通道电路。）的宽带输入通道电路。本题可分解为两个主要问题（难点）：本题可分解为两个主要问题（难点）： 与频率测量误差相关技术指标的解读：与频率测量误差相关技术指标的解读： 要求信号在频

33、率范围（要求信号在频率范围（0.1Hz10MHz）内均能达到）内均能达到10-4的测量精度。的测量精度。举例：简易数字频率计（频率测量部分）举例：简易数字频率计（频率测量部分） 时间频率测量仪器设计时间频率测量仪器设计 与信号幅度相关技术指标的分析：与信号幅度相关技术指标的分析： 设计一个信号幅度范围为设计一个信号幅度范围为0.5V5V （0.05V5V ）的宽带输入通道电路。）的宽带输入通道电路。p 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。p 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。p 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

34、等参数。1520.05V1输入灵敏度整形级触发电平G 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。1，采用传统频率（周期）测量方法 当 fx = 1 Hz，T（闸门时间）=10s，则频率计数 N=10（显示1.0 Hz ） 由于计数误差N =1 总是存在，则 （ N N）10010 当 fx = 0.1 Hz，T（闸门时间）=10s，则频率计数 N=1 由于N =1 ，则 （ N N）100100 结论结论: :在频率范围低端，频率测量不能满足测量误差在频率范围低端，频率测量不能满足测量误差1010-4-

35、4 的要求。的要求。 同理证明，在频率高端，周期测量不能满足误差同理证明，在频率高端，周期测量不能满足误差1010-4-4 的要求的要求频率（周期）测量方案论证:2，频率范围高端采用频率测量；信号频率范围低端先采用周期测量方法，然后再将测的的周期值换算成频率值。 计算证明，该方法可行（例如，中介频率取计算证明，该方法可行（例如，中介频率取1kHz1kHz）。但该方法在硬件和软）。但该方法在硬件和软件实现时会很麻烦。件实现时会很麻烦。 与信号频率相关技术指标的分析：与信号频率相关技术指标的分析： 要求被测信号在要求被测信号在0.1Hz0.1Hz10MHz10MHz范围内测量误差均范围内测量误差均

36、1010-4-4。计数器对被测信号fX 进行计数，由于同步电路，不存在1误差。但实际闸门时间 T 不准。计数器对标准时钟 f0 进行计数，用来确定实际闸门时间T的大小。存在1误差，但时钟频率高，1影响很小。 0fNNfBAx3，采用等精度频率测量方法频率（周期）测量方案论证:等精度频率测量电路方案 若晶振频率为10MHz，闸门时间取1s，则由1字误差引人的误差为10-7。由于晶体振荡器准确度一般不低于10-5，仪器达到要求的测量误差指标。 主门2事事 件件 计 数 器 时 钟 通 道 时 间间 计计 数 器主门1T0P0T1同步控制门P1.0P1.2P1.18 80 03 31 1显示及接口键

37、盘及接口CKDQSDP1.389C52被测信号 当年全国共有当年全国共有1111个参赛作品获得全国一等奖，只有成绩前个参赛作品获得全国一等奖，只有成绩前2 2名的学生作品采用了名的学生作品采用了等精度频率测量方案！ 本题要求仪器测量误差的指标为本题要求仪器测量误差的指标为1010-4-4，因此应该采用，因此应该采用5 5位数字显示，晶振位数字显示，晶振频率准确度达到频率准确度达到1010-5-5。 5 5位数字频率计实际显示范围为：位数字频率计实际显示范围为：1.00001.0000（HzHz） 9.99999.9999（MHzMHz）。其中，）。其中，小数点及单位能根据数据的大小自动设置。为

38、了确保仪器的测量精度在任何小数点及单位能根据数据的大小自动设置。为了确保仪器的测量精度在任何读数都能达到读数都能达到1010-4-4，最高显示位不能为，最高显示位不能为“0”0” 例如，若例如，若 f fx=1.123456Hzx=1.123456Hz，由于，由于HzHz的的1010-4 -4 为为0.0001Hz0.0001Hz，则允许的，则允许的显示数为显示数为1.12331.12331.1235 1.1235 三者之一。即其中最后一位数含有误差。三者之一。即其中最后一位数含有误差。 如果选择显示位数为如果选择显示位数为4 4位及以下，则不能体现仪器能达到位及以下，则不能体现仪器能达到10

39、10-4-4的精度。的精度。 如果选择显示位数如果选择显示位数6 6位及以上，则数据最后位及以上，则数据最后2 2位均含有误差，无意义。位均含有误差，无意义。显示位数的确定显示位数的确定仪器数字显示位数应该与仪器的精度相关。学生电赛作品在确定显示位数方仪器数字显示位数应该与仪器的精度相关。学生电赛作品在确定显示位数方面存在混乱，普遍选的过多。面存在混乱，普遍选的过多。确定原则：若要求设计精度达到确定原则：若要求设计精度达到1010-N-N，则其显示位数原则上应为，则其显示位数原则上应为N+1N+1位，位，晶振晶振频率准确度达到频率准确度达到1010- -（N+1N+1）。 信号发生器是为电子测

40、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，但它是基本电子电子仪器之一。 信号发生器一般由信号产生电路、输出电路、控制器三部分组成。n 由一般RC振荡器或LC振荡器构成的信号发生器n 基于专用信号发生器IC芯片的信号发生器（例，MAX038等）n 基于DDS的信号发生器（频率稳定度高、频率步进小时首选） 采用可编程器件D/A转换器 采用DDS集成芯片（例，AD9851等）信号产生电路方案：n 宽带放大电路（宽带放大电路（PLCPLC）步进衰减电路功率放大电路）步进衰减电路功率放大电路n 程控宽带放大电路（含衰减电路）功率放大电路程控宽带放大电路（含衰减电路）功率放

41、大电路n 运用运用D/AD/A转换器的程控宽带放大电路功率放大电路转换器的程控宽带放大电路功率放大电路输出电路方案： 信号发生器设计信号发生器设计输出电平范围：可预置步进值：输出电平误差：负载电阻： 输出信号波形失真度输出频率范围：可预置步进值：输出频率误差：调制特性方面:与信号产生电路相关的技术指标与输出电路相关的技术指标 信号发生器设计信号发生器设计举例举例1：2005年全国电赛年全国电赛A题，经整理改写如下题，经整理改写如下1，设计制作一个正弦信号发生器：（62分） （1）正弦波输出频率范围：1kHz10MHz； （2）具有频率设置功能，频率步进：100Hz； （3）输出信号频率稳定度：

42、优于10-4； （4）输出电压幅度：在50 负载电阻上的电压峰-峰值达到6V1V； （5）失真度：用示波器观察时无明显失真。2，产生模拟幅度调制(AM)信号。（10分）3，产生模拟频率调制(FM)信号。（13分）4，产生二进制PSK、ASK信号。（10分）5，其他。（62分） 信号发生器设计信号发生器设计（1）正弦波输出频率范围：1kHz10MHz；（2）具有频率设置功能，频率步进：100Hz； （3）输出信号频率稳定度：优于10-4；（4）输出电压幅度：在50负载电阻上的电压峰-峰值达到6V1V； （5）失真度：用示波器观察时无明显失真。输出电路的设计方案信号产生电路的设计方案 由于题目要求

43、输出信号频率稳定度优于10-4，频率步进为100Hz，所以学生作品几乎都采用了基于DDS的信号发生器方案。 采用可编程器件D/A转换器 采用DDS集成芯片（例，AD9954、AD9851等） 题目仅要求输出电压峰-峰值在50负载电阻上能达到6V1V即可，不需要对幅度进行程控，对输出电压幅度的准确度也未提出要求。 所以该题输出电路采用一个比较单纯的带宽为10MHz，后级具有一定驱动能力的宽带放大器即可满足题目要求。DDS技术和可编程技术的普及。设计举例设计举例2： 20042004年湖北电赛年湖北电赛“简易综合测试仪简易综合测试仪”改写改写 信号发生器设计信号发生器设计输出频率范围：20Hz1M

44、Hz 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。n 宽带放大电路（宽带放大电路（PLCPLC）步进衰减电路功率放大电路）步进衰减电路功率放大电路n 程控宽带放大电路（含衰减电路）功率放大电路程控宽带放大电路（含衰减电路）功率放大电路n 运用运用D/AD/A转换器的程控宽带放大电路功率放大电路转换器的程控宽带放大电路功率放大电路输出电路方案：各级增益指标的分配各级增益指标的分配峰峰值峰峰值1 V1p输出电平：输出电平

45、：-30dB、-20 dB、 -10dB 、0dB、+10dB、+20dBp输出电平误差：输出电平误差：0.3dB（相当于相当于= 3.5%= 3.5%）p输出阻抗：输出阻抗：600p输出信号波形无明显失真。输出信号波形无明显失真。方案方案1:1:宽带放大电路（宽带放大电路（PLCPLC）步进衰减电路输出电路）步进衰减电路输出电路 20dB 10dB 0 dB-10dB-20dB-30dB幅度控制与输出电路相关的技术指标与输出电路相关的技术指标21.9许多厂家生产的信号发生器输出电路都采用这种方案许多厂家生产的信号发生器输出电路都采用这种方案20dB（峰峰值（峰峰值21.9V）p 要求宽带放大

46、器（或PLC）输出电平为稳定的7.76V(20dB)。p 步进电阻衰减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)。p 功率放大器主要提高带负载能力，同时兼顾隔离和阻抗匹配的功能 K1K2K3K4K5K6宽带放大宽带放大（或（或PLCPLC）7.76V7.76V(20dB)(20dB)输入输入输出输出功率放大功率放大方案方案1:1:宽带放大电路（宽带放大电路（PLCPLC）步进衰减电路输出电路）步进衰减电路输出电路方案方案1:1:宽带放大电路（宽带放大电路（PLCPLC）步进衰减电路功率放大电路）步进衰减电路功率放大电路方案方案2:2:宽带放大电路（宽带

47、放大电路（PLCPLC）步进衰减电路功率放大电路）步进衰减电路功率放大电路方案方案3:3:运用运用D/AD/A转换器的程控宽带放大电路功率放大电路转换器的程控宽带放大电路功率放大电路 将DDS输出信号送到高速D/A芯片的基准电压端，通过单片机控制D/A芯片的Data端，实现信号幅度的数控衰减。V VREFREFV VO OD D0 0D D7 7（幅度控制）运用运用D/AD/A转换器构成程控放大电路的原理转换器构成程控放大电路的原理D/AD/A转换器转换器输入信号输入信号输出信号输出信号输入信号输入信号输出信号输出信号R Rf f电阻网络电阻网络等效电路等效电路 +_D3D2D1D0 VREF

48、RRR2R2R2R2R2RRf V0II3I2I1I0l 数字示波器的发展日新月异，学生应重点掌握好最基本的数字示波器的设计方法；l 2003年的“简易数字存储示波器”或2007年的“数字示波器”可以直接作为学生的训练题。l 2007年的“数字示波器”的内容涵盖了“简易数字示波器”的内容。u 高速的数据采集及存储（高速的数据采集及存储（DMADMA方式）方式）u 同步的波型显示（数据与地址的对应）同步的波型显示（数据与地址的对应） u 数字示波器的控制（单片机数字示波器的控制（单片机+FPGA+FPGA） 数字示波器设计（评述）数字示波器设计（评述）u 等效采样等效采样技术技术、u 高速取样技

49、术、高速取样技术、u 宽带低噪放大器设计宽带低噪放大器设计“简易数字存储示波器简易数字存储示波器”涵盖的主要知识点：涵盖的主要知识点：“数字示波器数字示波器”新增加的知识点新增加的知识点20072007年年“数字示波器数字示波器”的主要技术指标如下：的主要技术指标如下：（1）频率范围10Hz10MHz。（2）扫描速度含20ms/div、2s/div、100ns/div三档，波形周期测量误差5%。水平显示分辨率20点/ div。（ A/D转换采样率限定为1MSa/s ）（3）垂直分辨率为8bits，垂直灵敏度含1V/div、0.1V/div、2mV/div 三档。电压测量误差5%。在2mV/di

50、v档，输入短路时的输出噪声峰-峰值小于2mV。p 设计一个采用实时采样方式的数字示波器，要求最高采样率为设计一个采用实时采样方式的数字示波器，要求最高采样率为1MSa/s1MSa/s，频率范围为频率范围为10Hz10Hz50KHz50KHz，并具有，并具有“存储存储/ /调出调出”、“单次触发单次触发”等功能。等功能。p 设计一个采用等效采样方式的数字示波器，要求最高等效采样速率为设计一个采用等效采样方式的数字示波器，要求最高等效采样速率为200MSa/s200MSa/s，输入信号频率，输入信号频率 50KHz50KHz10MHz10MHz。p 设计一个放大倍数为设计一个放大倍数为125125

51、倍、带宽为倍、带宽为10MHz10MHz的宽带放大器（如果的宽带放大器（如果A/DA/D转换转换器最大输入电压范围为器最大输入电压范围为0 02V2V）经分析，本题可分解为如下三个主要问题：经分析，本题可分解为如下三个主要问题：获全国一等奖的作品前两个问题都能完成，区别仅在完成第三个问题的程度获全国一等奖的作品前两个问题都能完成，区别仅在完成第三个问题的程度方案一：方案一： A/D选用MAX118：采样率为1MS/s，输入电压范围为05V垂直灵敏垂直灵敏度度2 mV/div2 mV/div0.1 V/div0.1 V/div1 V/div1 V/div放大器增放大器增益益312.5312.56

52、.256.250.6250.625312.5（两级）（两级）阻抗转换阻抗转换6.25.625测试结果：测试结果： 2 mV/div 档垂直灵敏度的误差超标！说明增益为档垂直灵敏度的误差超标！说明增益为312的宽带放大器未达指标！的宽带放大器未达指标！方案二：方案二：A/D选用选用AD7822，输入电，输入电压范围为压范围为 02V垂直灵敏度1V/div0.1V/div2mV/div理论增益0.252.5125实际增益0.1150问题：作品实际放大倍数为问题：作品实际放大倍数为 0.1，1，50 。然后在调试时，通过微调模拟示。然后在调试时，通过微调模拟示波器的垂直灵敏度来保证波型显示波器的垂直

53、灵敏度来保证波型显示8格。格。4.5110.11阻抗转换阻抗转换 方案二：方案二：A/D选用选用AD7822，输入电，输入电压范围为压范围为 02V垂直灵敏度1V/div0.1V/div2mV/div理论增益0.252.5125实际增益0.1150问题：作品实际放大倍数为问题：作品实际放大倍数为 0.1，1，50 。然后在调试时，通过微调模拟示。然后在调试时，通过微调模拟示波器的垂直灵敏度来保证波型显示波器的垂直灵敏度来保证波型显示8格。格。三档量程的电压测量误差5%，系统模拟带宽大于10MHz。示波器的实际垂直分辨率低于7bit，相当于使用了一只低于7位 A/D转换器。未达要求仪器分辨率为8

54、bit的预定指标。测评结果：测评结果：原因分析：原因分析：做好电子设计竞赛工作的体会做好电子设计竞赛工作的体会 制定一个周密的赛前训练计划制定一个周密的赛前训练计划训练计划应该以知识点为核心，并且注意系统性。不要过度猜题。训练时间要予以保证（12年），注意循序渐进。不要过度强调专业方向。训练的重心应该是基本电子电路的设计。注意倡导理论联系实际的学风。目前要特别注意忽视理论的倾向！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

55、设计的“工匠式”人才。部分作品存在盲目使用高性能芯片的现象。映射出部分学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择器件的基本能力。生不能很好的掌握按照指标要求选择器件的基本能力。杀鸡不要用牛刀。最贵的器件并非是最恰当的器件。训练杀鸡不要用牛刀。最贵的器件并非是最恰当的器件。训练中，应该加强培养学生熟练阅读器件数据手册（中，应该加强培养学生熟练阅读器件数据手册（DatasheetDatasheet）的能力，使学生对使用器件的性能有较准确的理解。的能力，使学生对使用器件的性能有较准确的理解。 电赛作品不要追求豪华，应该越朴素越好电赛作品不要追求豪华，应该越朴

56、素越好单纯拼器件不计成本的作品不是好作品。实际上，大部分电赛作品可单纯拼器件不计成本的作品不是好作品。实际上，大部分电赛作品可以在百元左右完成。以在百元左右完成。目前，全国专家组在命题中，已经在部分题目增加了性价比、功耗等目前，全国专家组在命题中，已经在部分题目增加了性价比、功耗等指标的要求。指标的要求。做好电子设计竞赛工作的体会做好电子设计竞赛工作的体会 总成绩总成绩:120:120分分 制作制作( (基本部分基本部分): 50): 50分分 制作制作( (发挥部分发挥部分): 50): 50分分 写作写作( (设计报告设计报告): 20): 20分分 注意注意“设计与总结报告设计与总结报告

57、”的重要性的重要性100100分分( (进一步提高很困难进一步提高很困难) ) 稍加注意，即可获较好成绩稍加注意，即可获较好成绩 在电赛测评中，在电赛测评中，“设计报告设计报告”的成绩有时会在总分中起到的成绩有时会在总分中起到了很重要的作用。了很重要的作用。做好电子设计竞赛工作的体会做好电子设计竞赛工作的体会队号测试总分设计报告总分总分排序测试排序A195.00 17.67 112.67 1 3 A2 94.00 18.50 112.50 2 5 A3 93.00 18.33 111.33 3 13 A4 94.00 17.00 111.00 4 4 A5 93.00 17.83 110.83 5 10 A6 92.00 18.50 110.50 6 15