仪器仪表类赛题分析

1、全国大学生电子设计竞赛全国大学生电子设计竞赛仪仪 器器 仪仪 表表 类类 赛赛 题题 分分 析析2012.11. 20武汉大学武汉大学 赵茂泰赵茂泰 几点认识几点认识 电压测量仪器设计电压测量仪器设计 时间频率测量仪器设计时间频率测量仪器设计 数字示波器设计数字示波器设计 信号发生器设计信号发生器设计 几点建议几点建议 电子测量仪器设计涵盖的知识范围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

2、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器系统可以较容易地加工成学生4 4天内完成的赛题。因此，天内完成的赛题。因此，电子电子仪器类赛题是电子设计竞赛中出现最多的一类赛题。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。实际上，其他类赛题中也包含有电子测量的内容。1 1几点认识几点认识 基本电子电路的设计是仪器设计的基础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

3、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 1几点认识几点认识 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。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

4、计时，必须进行电子仪器设计时，必须对对各项技术各项技术指标（尤其是测指标（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，进行电路设计。础上确定其核心器件，进行电路设计。 1 1几点认识几点认识 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

5、的准确程度。 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。根据实际情况作适当的调整。1 1几点认识几点认识 从学习的角度，应侧重掌握以下类仪器从学习的角度，

6、应侧重掌握以下类仪器l 基于电压测量的仪器l 时间频率测量仪器l 数字示波器l 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。 几点认识几点认识小小 结结l 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；路训练的基础上进行；l 仪器类赛题的最核心的技术指标是测量误差；仪器类赛题的最核心的技术指标是测量误差；l 仪器类课题训练

7、的思路仪器类课题训练的思路 重点掌握好类基本仪器重点掌握好类基本仪器的设计方法。的设计方法。1 1几点认识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设计 电压测量仪器分类电压测量仪器分类 主要技术指标主要技术指标 设计举例设计举例 电压测量仪器分类电压测量仪器分类 指针式仪器指针式仪器 数字式仪器（以微处理器为核心）数字式仪器（以微处理器为核心）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测量（相关传感

8、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。电压测量仪器设计电压测量仪器设计 主要技术指标主要技术指标l 测量误差，最核心的指标，它与各项指标存在密切关系；l 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。l 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。l 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

9、有时要求规定为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）。电压测量误差技术指标的分析电压测量误差技术指标的分析u 测量误差常用的表示形式：测量误差常用的表示形式： 绝对误差：绝对误差：读数值-真实值 相对误差：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）：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u 国家标准：国家标准：采用引用误差来

10、定义指针式仪器准确度的等级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：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、5.0 7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：被校表读数（mA）02040506080100标准表读数（mA）020.339.549.5597899绝对误差（mA）0-0.3+0.5+0.5+1+2+1则满度相对误差： r =（max满度值）100=由于2.0 r 2.5，则该仪器的准确度应该定为. . 级。u 用满度相对

11、误差定义仪器准确度会浪费仪表的固有品质。用满度相对误差定义仪器准确度会浪费仪表的固有品质。u 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 ）u 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u 数字式仪器的准确度常采用两项误差之和的形式来表示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：（aVxbV

12、m ）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。数字仪器数字仪器用用“a”a”和和“b”b”两个参数来表示某个仪器的准确度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电压测量误差技术指标的分析u 指针式仪器一般采用指针式仪器一般采用相对满度误差相对满度误差表示

13、表示u 数字式仪器常采用两项数字式仪器常采用两项绝对误差之和绝对误差之和的形式来表示的形式来表示 表达式：表达式： （aVx bVm）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：表达式： = （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。电压测量误差技术指标的分析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1

14、0%时，将很难达到这个指标。 表达式： （aVx bVm） 表达式： （aVx n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 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

15、%。、频率范围：频率范围：20Hz20Hz1MHz1MHz；、测量误差：、测量误差：(3%(3%读数读数+2+2个字个字) )； 、 3 3 位数字显示，最大显示数：位数字显示，最大显示数：999999；、量程：、量程：0.1V0.1V，1V1V，10V10V；、输入阻抗分、输入阻抗分600 600 、高阻、高阻(5M(5M) )两档；两档；、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。、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：经整理，要求的主要技术指标如下： 根据根据19991999年全国电赛年全国电赛 “ “数字式工频有效值多用表数字式工频有效值多用表”，200

16、42004年湖北电赛年湖北电赛 “ “简易综合测试仪简易综合测试仪”等题目的内容改写。等题目的内容改写。 设计举例：设计举例：交流电压表目的：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电子仪器类赛题设计的一般步骤一般步骤p审题，审题，对赛题要求进行分析；对赛题要求进行分析；p在方案论证的基础上建立总体方案；在方案论证的基础上建立总体方案；p技术指标分析；指标分配及核心器件的选择；技术指标分析；指标分配及核心器件的选择；p整机硬件电路设计、软件系统设计；整机硬件电路设计、软件系统设计；p组装、调试及测试；组装、调试

17、及测试；p撰写设计报告。撰写设计报告。 设计举例：设计举例：交流电压表p技术指标分析；指标分配及核心器件的选择；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；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；分析技术指标与哪些部分电路相关； 对总指标进行分配；对总指标进行分配； 选择核心芯片并形成各部分电路。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步骤：在方案论证的基础上建立总体方案经过经过方案论证，拟定的总体方案框图如下：方案论证，拟定的总体方案框图如下： 设计举例：设计举例：交流电压表l 其中，交直流转换采用真有效值转换器方案。、频率范

18、围：频率范围：20Hz20Hz1MHz1MHz；、测量误差：、测量误差：(3%(3%读数读数+2+2个字个字) )； 、3 3 位数字显示，最大显示数：位数字显示，最大显示数：999999；、量程：、量程：0.1V0.1V，1V1V，10V10V；、输入阻抗分、输入阻抗分600600 、高阻、高阻(5M(5M) )两档；两档；、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。步骤：步骤：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择指标指标，频率范围为，频率范围为 20 Hz20 Hz1MHz1MHzl 含义：要求组成量程

19、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。l 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。步骤步骤2 2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择指标指标、测量误差：、测量误差：(3%(3%读数读数+2+2个字个字) )； l 在20Hz1MHz频率范围内，每一点都能达到以上测量精度。l 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。l 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：技术指标分析：技术指标（误差）分配：技术指标（

20、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 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 ）l 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。l 主要对第项误差(3%读数)进行分配，步骤步骤2 2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择技术指标分析、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（误差）分配：l 要求A/D转换器的测量误差小于 0.1%；l 要求量程转换(放大器)的测量误差小于 0.5% ；l 要求真有效值转换器的测

21、量误差小于 2% 则仪器的总误差将小于则仪器的总误差将小于2.6% (2.6% (3% ) 3% ) 难点：难点：真有效值转换器的电压测量误差应小于真有效值转换器的电压测量误差应小于 2% 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：根椐以上分配原则及实际经验，各部分电路指标分配如下：指标指标、测量误差：、测量误差：(3%(3%读数读数+2+2个字个字) )； l 根据平时积累，拟选用AD637作为真有效值转换器的核心器件；l 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， 8MHz at 2V RMS Input；

22、 600 kHz at 100mV RMS。步骤步骤2 2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择技术指标分析、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（误差）分配：技术指标分析：技术指标分析：核心器件的选择：核心器件的选择： 因此，需要通过论证及必要实验来确定：在因此，需要通过论证及必要实验来确定：在20Hz20Hz1MHz1MHz范范围内，测量误差小于围内，测量误差小于2 2时所允许的输入信号电压幅度范围时所允许的输入信号电压幅度范围指标指标、测量误差：、测量误差：(3%(3%读数读数+2+2个字个字) )； l 还需要通过实验验证。l 通过实验和实际测量的结果表明：

23、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每个量程归一化的输出电压范围设定为0.70.77V(7V(有效值有效值) )步骤步骤2 2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择指标指标，3 3位数字显示，最大显示数为位数字显示，最大显示数为 999999 含义：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，例如，本设计本

24、设计选择选择MAX197MAX197 MAX197MAX197有有0 05V5V，0 010V10V，-5-55V5V，-10-1010V 10V 四种输入电压范围供选四种输入电压范围供选择。本设计选择择。本设计选择0 010V10V输入电压范围。输入电压范围。 为了使为了使AD637AD637最大输出电压与最大输出电压与MAX197MAX197的最大输入电压一致，需增加加刻的最大输入电压一致，需增加加刻度调节电路。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。步骤步骤2 2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择指标指标、量程：、

25、量程：0.1V0.1V，1V1V，10V10V；l 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）。l 由于最大量程为10V，所以量程电路主要由放大器组成。l 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。l 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：量程转换器的组成： 10 V10 V量程：量程：K0K0释放，释放，K1K1释放

26、释放( (1)1) 1 V 1 V量程：量程：K0K0释放，释放，K1K1闭合闭合( (10)10)0.1V0.1V量程：量程：K0K0闭合，闭合，K1K1闭合闭合( (100)100)步骤步骤2 2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择指标指标、量程：、量程：0.1V0.1V，1V1V，10V10V；u 带宽： 20 MHz 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。u 电压摆率(SR)

27、： 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：对量程电路中集成运放的要求：技术指标分配：技术指标分配：要求量程电路总误差小于要求量程电路总误差小于0.5%量程电路核心器件的选择：量程电路核心器件的选择：指标指标、量程：、量程：0.1V0.1V，1V1V，10V10V；核心器件的选择：核心器件的选择： 采用采用AD811 （电流反馈型）（电流反馈型）u 3dB带宽：带宽：u SR = 2500V/s 能满足要求能满足要求 采用采用AD817（电压反

28、馈型）（电压反馈型）u 单位增益带宽单位增益带宽 = 50MHz，u SR = 350 V /s 能满足要求能满足要求 采用采用LF357（电压反馈型）（电压反馈型）u 单位增益带宽单位增益带宽 = 20MHz，u SR = 50 V /s 满足部分要求满足部分要求单位增益带宽（电压反馈型）（电压反馈型）20 MHz； 电压摆率(SR)100V/s指标指标、量程：、量程：0.1V0.1V，1V1V，10V10V；核心器件的选择：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最大输出

29、电压幅度为14.14V14.14V，若采用，若采用AD811AD811，工作电压应选择，工作电压应选择18 V18 V。 步骤步骤1 1：在方案论证的基础上建立总体方案：在方案论证的基础上建立总体方案步骤步骤2 2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择 步骤步骤3 3：整机硬件电路设计、软件系统设计；整机硬件电路设计、软件系统设计；仪器目前状态：仪器目前状态：10V10V量程量程 设计举例：设计举例：交流电压表步骤步骤4 4：组装、调试及测试：组装、调试及测试u 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2.5

30、V；调RW1使显示器显示5.00V（即MAX157的输出）。u 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）。 u 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！必须严格按照一个特定的顺序进行调试，否则会引起混乱！学生作品学生作品 1 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

31、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 ？学生作品学生作品 1 1 学生作品学生作品 2 2110(100)8位位 ？10被测信号（ 0.5）05V（ 直流直流）时间频率测量仪器设计时间频率测量仪器设计 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

32、、周期、时间间隔、相位、占空比、上升时间能完成频率、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。等参数测量的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。频率测量实现原理频率测量实现原理被测信号被测信号( (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 电子计数器法测量原理（传统方法）电子计数器法测量原理（传统方法）周期测量实现原理周期测量实现原理被

33、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 频率测量误差：频率测量误差： 周期测量误差：周期测量误差：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三种种类型误差合成。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：计数误差。其中1 1，是计数过程中不可避免的误差，是计数过程中不可避免的误差 ：标准频率误差：标准频率

34、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NN00TT00ff00TTNNffxx以上表达式给出了误差的组成，可用于指导进行设计工作。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）电子计数器法误差分析（传统方法）20/001032.0RxxTTNNTT 计数误差（计数误差（ ）分析）分析u 这是由于量化而带来的误差，故这是由于量化而带来的误差，故又称量化误差。又称量化误差。u 量化误差是不可避免的，量化

35、误差是不可避免的， 即误差即误差总是存在总是存在。 由于由于N =1 总是存在，为了减小计数误差，应该使计数值总是存在，为了减小计数误差，应该使计数值N尽量大。尽量大。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。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

36、，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：但是，还存在两个问题：l 该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值；该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值；l 在中界频率附近，仍不能达到较高的测量精度。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。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

37、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（标准频率误差（ ）的分析）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。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，其值就等于晶误差是由仪

38、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。 00ff00TT 因此，当仪器总测量误差指标大于因此，当仪器总测量误差指标大于1010-5-5，且设计中采用了晶，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。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

39、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在周期测量中，如果仪器总测量误差指标大于1010-5-5， 倒数计数器法测量原理及误差分析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时间频率测量仪器设计p 被测信号脉冲先同步再计数；p 设两个计数器，分别测量被测脉冲个数及闸

40、门时间的大小。 同步原理同步原理 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0fNNfBAx 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

41、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。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显示及接口键盘及接口CKDQSDP1.3被测信号89C52 倒数计数器法测量原理及误差分析倒数计数器法测量原理及误差分析 设计举例：设计举例：等精度频率计的设计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21010

42、-5-5； 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时间频率测量仪器设计经整理，要求的主要技术指标如下：经整理，要求的主要技术指标如下： 根据根据19971997年全国电赛年全国电赛“简易数字频率计简易数字频率计”，20062006年湖北电赛年湖北电赛“多功能多功能电子计数器电子计数器”等题目的内容改写。等题目的内容改写。 目的：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：被测信号在等精度：被测信号在1Hz1Hz10MHz1

43、0MHz范围内，测量误差均范围内，测量误差均2 21010-5-5。为达到。为达到以上指标，只能采用倒数计数器法实现频率测量。以上指标，只能采用倒数计数器法实现频率测量。 如果晶振频率采用如果晶振频率采用10MHz10MHz，闸门时间取，闸门时间取1s1s，则由，则由1 1字误差引人的测量误字误差引人的测量误差为差为1010-7-7。这时，只要采用的晶体振荡器的准确度不低于。这时，只要采用的晶体振荡器的准确度不低于2 21010-5-5，即可达到，即可达到要求的测量误差指标。要求的测量误差指标。 p 频率测量范围：频率测量范围：1Hz1Hz10MHz10MHz；p 测量误差测量误差2 2101

44、0-5-5p 预置闸门时间：预置闸门时间：1s1s与频率测量误差相关技术指标的理解：与频率测量误差相关技术指标的理解：测量误差的分析测量误差的分析 由于要求仪器测量误差的指标为由于要求仪器测量误差的指标为2 21010-5-5，因此应该采用位数字显示。，因此应该采用位数字显示。 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：1.000001.00000（HzHz） 9.999999.99999（MHzMHz）。其中，）。其中，小数点及单位能根据数据的大小自动设置。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为了体现仪器的测量精度可以达到2 21010-5-5

45、，最高显示位不能为，最高显示位不能为“0”0”。例。例如，若如，若 f fx x=1.123456Hz=1.123456Hz，由于，由于HzHz的的2 21010-5 -5 为为0.00002Hz0.00002Hz，则应该显示，则应该显示 1.123451.123452 Hz2 Hz。即允许的显示数为。即允许的显示数为1.123431.123431.12347 1.12347 五者之一。其中最后五者之一。其中最后一位含有误差。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如果选择显示位数为位以下，则不能体现仪器能达到2 21010-5-5的精度；的精度；如果选择显示位数为位，则

46、数据最后有如果选择显示位数为位，则数据最后有2 23 3位含有误差，无意义。位含有误差，无意义。p 频率测量范围：频率测量范围：1Hz1Hz10MHz10MHz；p 测量误差测量误差2 21010-5-5p 预置闸门时间：预置闸门时间：1s1s与频率测量误差相关技术指标的理解：与频率测量误差相关技术指标的理解：显示位数的确定显示位数的确定u 频率测量范围：1Hz10MHz；u 测量误差210-5u 预置闸门时间：1s要求被测频率测量误差要求被测频率测量误差2 21010-5 -5 ，因此必须采用倒数计数法，电路框图如下，因此必须采用倒数计数法，电路框图如下主门2事事 件件 计 数 器 时 钟

47、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显示及接口键盘及接口CKDQSDP1.389C52被测信号 设计举例：设计举例：等精度频率计的设计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：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。p 频率测量范围：1Hz10MHz；p 信号灵敏度：0.1V（有效值）；p 输入衰减：1，20（可程序预置）

48、p 波形适应性:正弦波、脉冲波、三角波p 耦合方式： AC耦合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。与通道放大器的设计有关技术指标的理解：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

49、的要求。特特 点：点：实际测试效果良好！实际测试效果良好！l 数字示波器的发展日新月异，技术指标越做越高；l 学生应重点掌握好最基本数字示波器的设计方法；l 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：主要训练点：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） 由通道的前向通道电路及时基电路完成。由通道的前向通道电路及时基电路完成。u 同步的波型显示；同步的波型显示； 由通道的后向通道电路及通道电路完成。由通道的后向通道电路及通道电路完成。u 数字示波器的控制数字示波器的控制 一般采用单片机一般采用单片机FPGAFPGA两级控制方式。两级控制

50、方式。数字示波仪器设计数字示波仪器设计 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：步骤步骤1 1：在方案论证的基础上建立总体方案：在方案论证的基础上建立总体方案步骤步骤2 2：技术指标分析、技术指标分

51、配、核心器件的选择技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择 步骤步骤3 3：整机硬件电路设计、软件系统设计；整机硬件电路设计、软件系统设计；步骤步骤4 4：组装、调试及测试：组装、调试及测试数字示波仪器设计数字示波仪器设计输输 入入电电 路路双双 口口 R RA AM M( (Y Y输输 入入 ）( (X X输输 入入 ) )普普 通通示示 波波 器器逻逻 辑辑 控控 制制 电电 路路( (C CP PL LD D) )单单 片片 机机 系系 统统A A/ /D D转转 换换触触 发发电电 路路D D/ /A A转转 换换D D/ /A A转转 换换键键 盘盘 与与显显 示示 电电 路路写写

52、地地址址读读地地址址时时 钟钟步骤步骤1 1：在方案论证的基础上建立总体方案：在方案论证的基础上建立总体方案 通道电路通道电路（前向通道后向通道）（前向通道后向通道） 通道电路通道电路 控制电路控制电路（含时基电路、采集与显示的控制）（含时基电路、采集与显示的控制）数字示波仪器设计数字示波仪器设计输输 入入电电 路路双双 口口 R RA AM M( (Y Y输输 入入 ）( (X X输输 入入 ) )普普 通通示示 波波 器器逻逻 辑辑 控控 制制 电电 路路( (C CP PL LD D) )单单 片片 机机 系系 统统A A/ /D D转转 换换触触 发发电电 路路D D/ /A A转转

53、换换D D/ /A A转转 换换键键 盘盘 与与显显 示示 电电 路路写写地地址址读读地地址址时时 钟钟1.1. 通道前向通道电路的设计通道前向通道电路的设计2.2. 时基电路的设计时基电路的设计3.3. 波形显示电路的设计波形显示电路的设计步骤步骤2 2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择 步骤步骤3 3：整机硬件电路设计、软件系统设计；整机硬件电路设计、软件系统设计；数字示波仪器设计数字示波仪器设计 通道前向通道电路的设计通道前向通道电路的设计输入通道电路l 信号频率： DC50kHz， Ri100k ；l 屏幕刻度为810div，垂直分辨

54、率32级/div，水平分辨率20点/div； l 垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差5% ；l 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l 信号频率： DC50kHz， Ri100k ；l 屏幕刻度为810div，垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div

55、； l 垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差5% ；l 水平扫速： 20s/div，0.2ms/div，0.2s/div，误差5%； A/DA/D转换器的位数：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/DA/D转换器的最高转换速率：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：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

56、择TLC5510，其输入信号电压范围为 02V。A/DA/D转换器的选择转换器的选择 相关参数相关参数 通道前向通道电路的设计通道前向通道电路的设计 存储器的容量：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：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IDT 7132（容量为2KB）的双口RAM 。存储器的选择存储器的选择 l 信号频率： DC50kHz， Ri100k ；l 屏幕刻度为810div，

57、垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div； l 垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差5% ；l 水平扫速： 20s/div，0.2ms/div，0.2s/div，误差5%；相关参数相关参数 通道前向通道电路的设计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1 2%； 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l 屏幕

58、刻度为810div，垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div； l 垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差5% ；程控放大器的设计程控放大器的设计 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。垂直灵敏度(V/div)10mV20mV50mV0.1V0.2V0.5V1V衰减放大系数2512.552.51.250.50. 25不同

59、垂直灵敏度（V/div）挡的衰减或放大系数l 信号频率： DC50kHz， Ri100k ；l 屏幕刻度为810div，垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div； l 垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差5% ；相关参数相关参数 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； 垂直灵敏度(V/div)10mV20mV50mV0.1V0.2V0.5V1V衰减放大系数2512.552.51.250.50. 25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不建议采用以下接法 !运算

60、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（时基电路的设计（采样与存储控制部分采样与存储控制部分）p 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p t/divt/div控制器：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。p 写地址计数器：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：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