仪器仪表题目分析与应对(赵茂泰)

仪器仪表类题目分析与应对基于电压测量的仪器部分2017.4.2武汉大学

赵茂泰

1．几点认识

2．电压测量类仪器的组成

3．电压测量类仪器的设计举例

4．几点体会

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、计算机原理及接口等专业基础课基础上，综合运用通信、自动控制及电力电子等学科的专业知识而形成的一个独具特色的学科。与电赛内容一致。电子仪器的设计能够较容易加工成学生在４天内完成的赛题。仪器类赛题是电子设计竞赛中出现最多的一类赛题。并且，在其他类赛题中大部分都包含一些电子测量的内容。

因此，掌握好电子仪器的设计技术至关重要。1．几点认识⑵仪器仪表设计的基础是基本电子电路仪器仪表实际上就是一些最基本电子电路的组合。电子测量仪器设计从本质上讲就是电子电路的设计。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。因此，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，仪器仪表类赛题的训练一定要在建立在基本电子电路充分训练的基础上。否则，不仅得不到好的效果，也有背大学生电子设计竞赛的初衷。1．几点认识⑶做好仪器类赛题的关键是准确理解各项指标的涵义

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，并在此基础上确定其核心器件，再进行相关电路的设计。

电子仪器的价值由各项技术指标的优良程度决定。

电子仪器主要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相对更加严格。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。1．几点认识⑷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、误差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。

实际设计时，不同课题的设计步骤会存在一些不同。1．几点认识⑸

从学习的角度，应侧重掌握以下４类仪器

电压测量类仪器时间频率测量仪器数字示波器信号发生器所以，赛前训练应该涵盖这4方面的内容。实际的电子仪器设计中，只要掌握好这４类电子仪器的原理，再分析该课题的特殊要求，学习一些相关知识，就能很快地进入设计状态中。本次讲座侧重讨论电压测量类仪器的赛题1．几点认识电子仪器种类繁多，但只要透彻掌握以上４类电子仪器的原理，其他类型电子仪器的设计便不会存在大的障碍。⑴数字直流电压测量仪器（基本模块）直流电压测量是最基本的电压测量模块!２．电压测量类仪器的组成⑵有关电参数测量仪器的组成（有关变换器+基本模块）各类参数变换器均由基本电子电路组成（含交流电压、电流、功率、电阻、电容、电感等参数的测量）⑵有关电参数测量仪器的组成（有关变换器+基本模块）──以交流电压测量为例讨论有关电参数测量仪器的组成原理峰值（Vp+、Vp-、Vp-p）和振幅（Vm）平均值：有效值：注：若未加说明，各类电压表的示值按正弦波有效值来定度表征交流电压幅度特性的三个基本参数：全波检波后的平均值零电平为参考直流分量为参考⑵有关电参数测量仪器的组成（有关变换器+基本模块）──以交流电压测量为例讨论有关电参数测量仪器的组成原理①均值电压表：用均值检波器作AC/DC变换器（需正弦波有效值定度）交流电压的测量模式：放大──检波式，频率范围为20HZ～10MHZ，灵敏度为mV级。②峰值电压表：用峰值检波器作AC/DC变换器（需正弦波有效值定度）检波──放大式，峰值检波器输入电阻很高，可以为输入级，并做在探头内。适合做成超高频毫伏表，灵敏度可达几十μV。③有效值电压表：采用有效值转换器或热偶作为AC/DC变换器交流电压的测量模式：定度方便：输出的直流电压线性正比于各种波形的有效值。基于真有效值转换器的有效值电压表有广泛的应用前景，但受芯片工艺限制，目前频率范围的上限约为10MHZ。④基于高速采样的交流电压测量方法全数字化方案。适于对非规则波形参数的测试。方便，灵活。但受限于A/D转换器的最高采样率。⑴数字直流电压测量仪器（基本模块）⑵有关电参数测量仪器的组成（有关变换器+基本模块）⑶有关物理量测量仪器的组成（有关传感器+基本模块）

小结：直流电压测量是最基本的电压测量模块!在此基础上，通过有关变换器和传感器，实现了大部分电参数和物理量的测量。电压测量类仪器是最基础，应用范围非常广泛的一类仪器。２．电压测量类仪器的组成（含温度、重量、压力、光强等物理量的测量）题目主要要求：

根据2007年全国电赛“积分式直流数字电压表【高职组】”，2011年全国电赛“自动电阻测试仪【高职组】”，2004年湖北电赛“智能数字万用表【高职组】”等题目的内容改写。设计举例一：智能数字万用表（直流电压测量部分）高职高专参赛学生的电路功能实现能力强，但对技术指标不够敏感。本例侧重讨论：①如何准确理解仪器的技术指标（尤其测量精度）；②调试中的相关技术。量程：0.2V，2V，20V；最大显示数：1999；输入阻抗≥5MΩ；直流电压测量误差：±0.2%读数±2个字；具有自动量程转换功能；（其他略)3．电压测量类仪器的设计举例第１项误差为被测电压值的0.2%，称“a”项误差，其大小与读数Vx成正比。主要由衰减器、放大器和A/D转换器等转换系数的不准及非线性等因素产生。第２项误差为固定的2个字，称“b”项误差，其大小不随读数变化而变化。主要由偏移误差、量化误差等因素产生。测量误差指标的分析：（±0.2%读数±2个字）直流数字电压表组成示意图①准确理解仪器测量误差（误差分析，误差分配，核心器件的选择）Vx19990显示Vm“a”项误差示意图Vx19990显示Vm“b”项误差示意图要求量程转换电路的测量误差小于0.1%；要求A/D转换器的测量误差小于0.1%；则仪器的总误差将小于0.2%根椐以上分配原则，各部分电路误差的分配：各部分电路核心器件的选择：量程转换电路应该选择高精度低噪声运算放大器（带宽无要求）

例，OPA333，高精度零漂移CMOS运放；A/D转换器应该优先选择积分型A/D转换器

例，MC14433，具有自动稳零性能，器件精度可达±0.05%±1字测量误差指标的分配：

误差分配：将仪器总误差分配给各个部分电路。以确定各个部分电路设计时应该控制的测量误差。

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１项误差进行分配。(0.2%读数)①准确理解仪器测量误差（误差分析，误差分配，核心器件的选择）直流数字电压表的组成题目主要要求：量程：0.2V，2V，20V；最大显示：1999；输入阻抗≥5MΩ；直流电压测量误差：±0.2%读数±2个字；具有自动量程转换功能；20V量程：K1吸合，K2释放(×0.1)2V量程：K1释放，K2释放(×1)0.2V量程：K1释放，K2吸合(×10)注：2V量程为基本量程量程转换器的组成：

OPA3330～2V②调试中的相关技术

一个设计正确、制作良好的作品，必须经过认真的调试才能达到预定的技术指标。否则可能前功尽弃。第1项称“a”项误差，与量程转换电路和A/D转换器的转换系数不准有关。第2项称“b”项误差，与放大器的零点偏移和A/D转换器的量化误差有关。测量误差的调试：（±0.2%读数±2个字）先调“b”项误差（零点），再调“a”项误差；先调“基本量程，再调其他量程。调试步骤：Vx19990显示Vm“a”项误差示意图Vx19990显示Vm“b”项误差示意图基本量程的调整：使量程处于基本量程状态（2V量程）；“b”项误差调整：输入端短路，调整调零电路，使被测表的显示数字在0.000附近；

②直流数字电压表的调试OPA3330～2V“a”项误差调整：输入端加入一个1.000V～1.999V之间的稳定电压，然后调整RW0，使被测表的显示数字值与标准表显示数字值的前4位相等。

使量程处于20V量程状态（K1吸合，K2释放）；

输入端加入一个10.00V～19.99V之间的稳定电压，调整RW1，使被测表显示的数字与标准表显示数字的前4位相等。

20V量程的调整：

使量程处于0.2V量程状态（K1释放，K2吸合）；

输入端加入一个100.0mV～199.9mV之间的稳定电压，调整RW2，使被测表显示的数字与标准表显示数字的前4位相等。0.2V量程的调整：OPA3330～2V设计举例二：交流数字电压表3．电压测量类仪器的设计举例①、频率范围：20Hz～2MHz；②、测量误差：±1%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、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。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。

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；误差分配及核心器件选择的方法。

步骤2：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：

其中，交直流转换采用真有效值转换器方案。设计举例二：交流数字电压表步骤1：审题（略）步骤3：技术指标分析、误差分配、核心器件的选择指标①，频率范围为20Hz～2MHz

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。准确理解技术指标的含义；分析误差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2：在方案论证的基础上建立总体方案步骤1：审题（略）指标②、测量误差：±1%读数±2个字；

在20Hz～2MHz频率范围内，每一个频率点都能达到以上测量精度。第１项误差为被测电压值的1%，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２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：步骤3：技术指标分析、误差分配、核心器件的选择误差分配：根椐电路难易程度，将总误差（1%）分配给仪器的各个部分电路。误差分配：

分配给A/D转换器的测量误差：小于0.1%；分配给量程转换(放大器)的测量误差：小于0.1%；分配给真有效值转换器的测量误差：小于0.8%

则仪器的总误差将小于1%放大器和A/D转换器的测量误差小于0.1%不困难；难点在于：真有效值转换器的电压测量误差应小于0.8%根椐电路难易程度，将总误差（1%）分配给仪器的各个部分电路。指标②、测量误差：±1%读数±2个字；

依据1：由设计资料可知，AD637的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；

1MHzat200mVRMSInput测量误差的分配：技术指标分析：器件选择（主要是真有效值转换器的选择）依据2：实验测量表明：当输入信号频率不大于2MHz时，输入信号的电压有效值在0.7V～7V范围内能保证测量误差≤±0.4%+0.5mV。根据题目要求，拟选用AD637/k作为真有效值转换器的核心器件；

结论：为了确保AD637在20Hz～2MHz范围内，测量误差均小于0.8％，

要求量程电路的归一化输出电压范围限定为0.7～7V(有效值)指标②、测量误差：±1%读数±2个字；

步骤3：技术指标分析、误差分配、核心器件的选择指标③、量程：0.1V，1V，10V；3个量程显示范围分别为00.1mV～99.9mV（0.1V量程）；001mV～999mV（1V量程）；0.01V～9.99V（10V量程）。

量程转换器的组成：

10V量程：K1释放，K2释放(×1)1V量程：K1释放，K2闭合(×10)0.1V量程：K1闭合，K2闭合(×100)步骤3：技术指标分析、误差分配、核心器件的选择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。

单位增益带宽（电压反馈型）＞25MHz

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；由于每级放大器增益最大为10，再考虑级联等因素的影响，则选择运放芯片的单位增益带宽大于25MHz。也可以采用带宽应大于5MHz的电流反馈型运放。

电压摆率(SR)＞

200V/μs

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2MHz，则要求集成运放的压摆率SR＞2πVom·f=178V/μs。对量程电路中集成运放的要求：量程电路核心器件的选择：（要求量程电路总误差≤0.1%，带宽＞2MHz）指标③、量程：0.1V，1V，10V；步骤3：技术指标分析、误差分配、核心器件的选择运算放大器的选择：

采用AD811（电流反馈型）

3dB带宽：

SR=2500V/μs

能满足要求

采用AD817（电压反馈型）单位增益带宽=

50MHz，

SR=350V/μs

能满足要求

采用LF357（电压反馈型）单位增益带宽=

20MHz，

SR=50V/μs满足部分要求条件：单位增益带宽（电压反馈型）＞35MHz；电压摆率(SR)＞200V/μs指标③、量程：0.1V，1V，10V；指标④，3位数字显示，最大显示数为999

例如，本设计选择MAX197。MAX197具有0～5V，0～10V，-5～5V，-10～10V四种满量程输入电压范围供选择。本题量程电路的归一化的输出电压范围为0.7～7V，则选择0～10V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，需增加设计刻度调节电路。A/D转换器的分辨率应该高于或等于仪器精度的3倍（最好一个量级）。A/D转换器的分辨率必须高于或等于显示分辨率。

A/D转换器满量程输入电压范围的选择A/D转换器位数的选择步骤3：技术指标分析、误差分配、核心器件的选择因此，本题电压表的A/D转换器的相对分辨率应高于11bit。

建议取12位A/D转换器，例如，MAX197，AD574，ICL7109。步骤2：在方案论证的基础上建立总体方案步骤3：技术指标分析、误差分配、核心器件的选择步骤4：整机硬件电路设计、软件系统设计；仪器目前状态：10V量程设计举例二：交流数字电压表步骤1：审题步骤5