电子设计仪器仪表类赛题分析

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全国大学生电子设计竞赛

仪器仪表类赛题分析武汉大学

赵茂泰

2023.11.20

1.几点认识

2.电压测量仪器设计3.时间频率测量仪器设计

4.数字示波器设计5.信号发生器设计

6.几点建议

1.几点认识⑴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。且仪器系统可以较简单地加工成学生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⑵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。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。

1.几点认识⑶确凿理解电子仪器各项指标是做好设计的关键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。对于大量测量来讲，测量工作的价值几乎全部取决于它的确凿程度。进行电子仪器设计时，必需对各项技术指标(特别是测量误差)进行认真地分析，对有关指标进行分派，并在此基础上确定其核心器件，进行电路设计。

1.几点认识⑷仪器类赛题设计应当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、指标分派及核心器件的选择；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，可以根据实际状况作适当的调整。

1.几点认识⑸从学习的角度，应侧重把握以下4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，但只要透彻把握这4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。若能较好地把握这4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，只要分析课题的特别要求，再学习一些相关知识，就能很快地进入设计状态。

1.几点认识小结电子仪器类课题的训练工作应当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———重点把握好4类基本仪器的设计方法。讲座仅侧重探讨与电子测量相关的一些问题。

2.电压测量仪器设计⑴电压测量仪器分类⑵主要技术指标⑶设计举例

2.电压测量仪器设计⑴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。

⑵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；分辩率(或位数),虚指标。应高于测量误差；但过高提高分辩率是没有意义的。实际上，分辩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。

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。

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。

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

δ=(△/真实值)100%或δ=(△/读数值)100%

(工程中常采用)

国家标准：采用引用误差来定义指针式仪器确凿度的等级

引用误差(相对满度误差):γ=(△max/满度值)100%式中，△max为量程范围内测量值的最大绝对误差

国家标准规定：指针仪表确凿度(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﹪。

指针式仪器的确凿度一般按引用误差的大小分为不同的等级例：某量程为100mA电流表，用标准表校验后结果如下：被校表读数(mA)标准表读数(mA)绝对误差△(mA)0002020.3-0.34039.5+0.55049.5+0.56059+18078+210099+1

则满度相对误差：r=(△max/满度值)100%=2%由于2.0﹪≤r2.5﹪,则该仪器的确凿度应当定为2.5级。

用满度相对误差定义仪器确凿度会浪费仪表的固有品质。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%)

电压测量误差技术指标的分析指针式仪器的确凿度一般按引用误差的大小分为不同的等级数字式仪器的确凿度常采用两项误差之和的形式来表示表达式：Δ=(a%Vx+b%Vm)式中：Vx为测量电压的指示值；Vm为测量电压的满度值。数字仪器用“a〞和“b〞两个参数来表示某个仪器的确凿度“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，测量确凿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。

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1:△=(a%Vx+b%Vm)

由于b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2:△=(a%+n个字)表达式1和表达式2是完全等价的。例，某3位半数字电压表的测量误差为△=(0.1%Vx+0.1%Vm)

由于0.1%(1999+1)=2,测量误差也可表示为△=(0.1%Vx+2个字)

表达式1:△=(a%Vx+b%Vm)表达式2:△=(a%Vx+n个字)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。假使被测电压的读数小于量程的10%时，将很难达到这个指标。

例如，某三位半电压表的测量误差为Δ=(0.3%Vx+2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Δ=

0.005V,测量误差r=0.5%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Δ=0.002V,测量误差r=20%意味被测电压的读数小于量程的10%时，仪器达不到0.5%。

⑶设计举例：交流电压表根据1999年全国电赛“数字式工频有效值多用表〞,2023年湖北电赛“简易综合测试仪〞等题目的内容改写。经整理，要求的主要技术指标如下：①、频率范围：20Hz~1MHz;②、测量误差：(3%读数+2个字);③、3位数字显示，最大显示数：999;④、量程：0.1V,1V,10V;⑤、输入阻抗分600Ω、高阻(≥5MΩ)两档；⑥、具有自动零点调理功能和自动量程转换功能。

目的：以此题为背景，探讨电子测量仪器设计的一般步骤；重点探讨技术指标分析；指标分派及核心器件选择的方法。

⑶设计举例：交流电压表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；指标分派及核心器件的选择；整机硬