电子测量2013第二组课

电子测量原理-技术

冯永茂电子与信息工程学院电子信息工程系

2013版课程概要本课程的重点研究对象；学好电子测量都能干什么；测量的关键知识与原则；时间量的测量预备知识；本课程的重点研究对象时间的测量；电压的测量；阻抗的测量；信号的测量；信号的合成；

作业1大功率半导体激光器内部集成了多路温度传感器、压力传感器、相对湿度传感器、光强传感器，请查阅资料，给出一套传感器选型指南，并提出相应的信号处理的参考电路。提交方式，第三节课上课时，提交电子文档与纸介质打印稿；每节课上随机抽查3-5份，直到期末考试。3KW半导体工业激光器时间的测量—认识世界的开始周期的测量；频率的测量；高频率的测量；短时间间隔的测量；极低频率的测量；时间量测量的基本方法—数字计数器；数字计数器的最佳实现—采用FPGA；电压的测量—电子测量的核心电路与技术传感器信号调理电路；温度传感器；光传感器；电流传感器；ADC的类型与工作原理；SAR—逐次逼近型；双积分型；数据采集电路的基本构成；电路实现的若干关键环节阻抗的测量—认识电路的开始集总式电路分析与分布式电路分析；电阻、电容、电感只是相对参数；自动平衡电桥法的基本构成与原理；与时间、电压测量相结合的阻抗测量；实例问题分析；信号的测量—工欲善其事，必先利其器数字示波器的基本构成；数字示波器的常用功能；使用中的若干关键技术；数字示波器的发展现状；信号的合成—改造世界的开始PLL（锁相环）的基本原理；常见的PLL应用与实例；DDS的基本原理与结构；基于DDS的任意波形发生器；基于DDS的脉冲函数发生器；学好电子测量都能干什么分析、设计与数据采集相关的电路与产品；更加深入、贴切的理解电路、信号；综合模拟电路、MCU、FPGA三大技术；锻炼从信号、电路、系统的角度分析问题、解决问题；测量的关键知识与原则测量误差的定义（阅读）绝对误差与精确度（阅读）相对误差与精密度（阅读）量程选择的2/3原则；电路上抑制干扰的基本方法；测量误差的基础知识测量误差的分类根据测量误差的性质，测量误差可分为随机误差、系统误差、粗大误差三类。1.随机误差定义:在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差或偶然误差，简称随差。随机误差主要由对测量值影响微小但却互不相关的大量因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、测量人员感官的无规律变化等。3.1.1测量误差的分类（续）例：对一不变的电压在相同情况下，多次测量得到1.235V，1.237V，1.234V，1.236V，1.235V，1.237V。单次测量的随差没有规律，但多次测量的总体却服从统计规律。可通过数理统计的方法来处理,即求算术平均值随机误差定义：测量结果与在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差测量误差的分类（续）2.系统误差定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位误差，或值随温度变化的误差。产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正确，环境因素（温度、湿度、电源等）影响，测量原理中使用近似计算公式，测量人员不良的读数习惯等。系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。系差越小，测量就越准确。系统误差的定量定义是：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。即测量误差的分类（续）3.粗大误差：粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。产生粗差的原因有：①测量操作疏忽和失误如测错、读错、记错以及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等。②测量方法不当或错误如用普通万用表电压档直接测高内阻电源的开路电压③测量环境条件的突然变化如电源电压突然增高或降低，雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。含有粗差的测量值称为坏值或异常值，在数据处理时，应剔除掉。

测量误差的分类（续）4.系差和随差的表达式 在剔除粗大误差后，只剩下系统误差和随机误差各次测得值的绝对误差等于系统误差和随机误差的代数和。在任何一次测量中，系统误差和随机误差一般都是同时存在的。系差和随差之间在一定条件下是可以相互转化测量结果的表征

准确度表示系统误差的大小。系统误差越小，则准确度越高，即测量值与实际值符合的程度越高。精密度表示随机误差的影响。精密度越高，表示随机误差越小。随机因素使测量值呈现分散而不确定，但总是分布在平均值附近。精确度用来反映系统误差和随机误差的综合影响。精确度越高，表示正确度和精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。射击误差示意图周期的测量原理周期[period;cycle]：事物在运动、变化过程中，两个连续出现或反复出现的现象或事件之间的时间间隔；Thetimeintervalbetweentwosuccessiveoccurrencesofarecurrenteventorphasesofanevent；周期的测量时间间隔的测量两个连续、相同的特征之间的时间间隔；第一步：发现、选择、处理信号的特征；周期测量—

测量两个时间（坐标点）间隔合理提取信号的“周期”特征；连续信号—模拟信号—选择变化率最大点；脉冲信号—数字信号—选择脉冲的变化沿；利用电子计数器在两个时间点之间，触发信号到来后，以固定的时钟周期（TC）计数，到触发信号再次到来时，停止计数，读取计数结果NC，则被测信号的周期为：

Ts=Tc×Nc周期测量的实例—车轮转速传感器仔细体会，接受问题，分析问题，解决问题先要了解传感器的基本工作原理1齿圈6旋转时，齿顶和齿隙交替对向极轴。在齿圈旋转过程中，感应线圈内部的磁通量交替变化从而产生感应电动势，当齿圈的转速发生变化时，感应电动势的频率也变化。此传感器结构简单、成本低，但存在下述缺点：一是其输出信号的幅值随转速的变化而变化。若车速过慢，其输出信号低于1V，电控单元就无法检测；二是响应频率不高。当转速过高时，传感器的频率响应跟不上；三是抗电磁波干扰能力差。目前，国内外ABS系统的控制速度范围一般为15～160km/h，今后要求控制速度范围扩大到8～260km/h以至更大，显然电磁感应式轮速传感器很难适应。先要了解传感器的基本工作原理2

当齿轮位于图中(a)所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当齿轮位于图中(b)所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个毫伏(mV)级的准正弦波电压。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压。霍尔轮速传感器具有以下优点：其一是输出信号电压幅值不受转速的影响。；其二是频率响应高。其响应频率高达20kHz，相当于车速为1000km/h时所检测的信号频率；其三是抗电磁波干扰能力强。因此，霍尔传感器不仅广泛应用于ABS轮速检测，也广泛应用于其控制系统的转速检测。分析信号的基本属性最简系统结构数字化的周期测量方法两个重要的信号处理环节：信号放大与波形整形；信号的放大，主要解决：幅度和滤波降噪；波形整形，主要解决：获得足够陡峭的变化沿；集成运算放大器、高速比较器、施密特触发器；典型应用电路结构与分析；初试—叠加原理分析运放电路1设法寻找“=”，建立方程；“虚短”与“虚断”；“虚短”就是“=”；“虚断”就是“不用多想”。初试—叠加原理分析运放电路2初试—叠加原理分析运放电路3

继续深入思考为什么要整形，如何对放大之后的波形进行整形？高速比较器与施密特触发器（滞回比较器）。现代周期测量的数字化实现方案放大整形同步脉冲沿分离计数处理N=n+1fsfsfN深入认识脉冲信号的相位抖动--Jitter整形之后的信号，幅度、变化沿满足了现代数字信号的标准；相对于本地参考时钟，必然存在相对的相位偏斜—也称作抖动；在进入周期特征信息提取—脉冲沿信息提取之前，必须要进行“数字同步去抖”；使得特征信息的变化相位严格与本地参考时钟同步；第一个实用的逻辑结构—请牢牢记住认识一下D触发器—行为级描述；Tco是理解D触发器行为原理的关键参数；D触发器“排队”移位寄存器—数字特征；认识一下移位寄存器的行为特征第一个实用的逻辑结构—数字同步去抖同步去抖的行为特征—时序逻辑仿真只有连续出现“足够长”的新逻辑状态，输出才会跟随变化，否则，随机干扰不会影响输出的逻辑状态；第二个实用逻辑—脉冲沿提取逻辑逻辑设计中，学会使用“与”，“或”和“异或”逻辑；分析、理解逻辑离不开Tco和Tpd边沿检测的时序行为脉冲沿分离逻辑—活用基本逻辑门脉冲沿分离的时序行为认识一些基本逻辑要素与概念逻辑使能；同步计数使能；同步复位（清零）；异步复位；同步置位（预置数）；异步置位；竞争冒险的去除；课程概要同步去抖；脉冲沿检测与分离；FPGA中的计数器；周期测量的典型设计；第一个实用的设计方法—划划看DFF—VerilogHDL行为级描述；Tco是理解D触发器行为原理的关键参数；“划划看”来分析移位寄存器的行为特征；always@(posedgeclk)Beginq<=d;end划一下移位寄存器的行为特征数字同步去抖的行为级描述Always@(posedgeclk)Beginout_1th<=signal_in;out_2th<=out_1th;out_3th<=out_2th;out_4th<=out_3th;EndAlways@(posedgeclk)Beginif(out_1th&out_2th&out_3th&out_4th)sync_out<1’b1;elseif(~(out_1th|out_2th|out_3th|out_4th)sync_out<=1’b0;elsesync_out<=sync_out;end

VerilogHDL就是在用途最广泛的C语言的基础上发展起来的一种件描述语言，它是由GDA(GatewayDesignAutomation)公司的PhilMoorby在1983年末首创,1989年CADENCE公司收购了GDA公司，使得VerilogHDL成为了该公司的独家专利。

同步去抖的行为特征—时序逻辑仿真划划看—脉冲沿提取逻辑的时序行为逻辑设计中，学会使用“与”，“或”和“异或”逻辑；分析、理解逻辑离不开Tco和Tpd边沿检测的时序行为大道从简—活用基本逻辑门脉冲沿分离的时序行为在计数器之前--基本逻辑要素与概念逻辑使能；同步计数使能；同步复位（清零）；异步复位；同步置位（预置数）；异步置位；竞争冒险的去除；带使能端的计数器行为级描述Moduleen_cnt_10bit(enable,sclr,clk,cnt_out);Inputenable;Inputsclr;Inputclk;Output[9:0]cnt_out;Reg[9:0]cnt_out;Always@(posedgeclk)Beginif(sclr)cnt_out<=10’d0;elseif(enable)cnt_out<=cnt_out+1;elsecnt_out<=cnt_out;Endendmodule异步操作的描述Always@(posedgeclkorposedgeaclr)Beginif(aclr)cnt_out<=10’d0;elseif(enable)cnt_out<=cnt_out+1;elsecnt_out<=cnt_out;Endendmodule计数器测量的误差特征与2/3原则计数器会产生±1误差，相对误差为±1/N；2/3原则：被测信号最大幅度控制在器件或满量程的2/3附近；课程概要周期测量的典型设计;总结：关键信号处理环节；如何测量目标信号的频率；频率测量的典型设计；周期测量—测量两个时间点之间隔在两个时间点之间，以固定的时钟周期（TC）计数，读取计数结果NC，则周期为：Ts=Tc×Nc计数器会产生±1误差，相对误差为±1/N；2/3原则：被测信号最大幅度控制在器件或满量程的2/3附近；周期测量的典型应用实例—转速传感器利用钢铁材料（或其他导磁材料）做的齿轮转动，产生磁通量的变化，通过故态磁性传感元件获得信号，可测量齿轮的转动。特点是分辨率高，频响宽，可靠性高。内置放大整形电路，输出为幅度稳定的方波信号,测量转速范围宽(0.3Hz～10KHz)。广泛应用于机械、冶金、石油、化工、交通、自控、军用、汽车ABS、出租车记价器、火车车轮转速、摩托车发动机转速等各个领域。检验一下你现在的知识与能力实际电路与测量系统的设计条件：传感器到控制电路的距离约2-4米；要求：实时检测脉冲信号的周期数据；问题：1、如何选择传感器的供电电压；2、如何设计与传感器的接口电路；3、如何选择参考时钟；4、如何规划系统结构；5、能否给出实现的流程与推导；实际系统设计需要考虑的问题何处才是系统的接地点？脉冲信号经过长线传输之后也会变形；认真设计你的接口电路：电阻衰减施密特整形总线缓冲器隔离主控IC（FPGA或者MCU）；根据被测信号，按照2/3原则，相对误差为±1/N规律，合理选择参考时钟的周期（频率），并兼顾常见标称值；以FPGA为例，设计周期测量系统同步去抖脉冲沿检测与分离同步复位（同步锁存测量结果多此累加获得可靠平均值设计延伸（如何利用片上数据缓存？）顶层逻辑结构的初步设计累加器的行为级描述—实例modulecycle_averager_14bit(cycle_min,add_en,sync_clk,sclr,ave_out,simu_out);input[11:0] cycle_min;input add_en;input sync_clk;input sclr;output[11:0] ave_out;output[13:0] simu_out;wire[11:0] ave_out;reg[13:0] simu_out;assignave_out=simu_out[13:2];wire[13:0] cyc_int;assigncyc_int[13:12]=2'b00;assigncyc_int[11:0]=cycle_min;always@(posedgesync_clk)beginif(sclr)simu_out<=14'd0;elseif(add_en)simu_out<=simu_out+cyc_int;elsesimu_out<=simu_out;endendmodule你可以分析明白这样的仿真结果么？时间量测量的开始小结：周期的测量;测量频率的常见方法；测量频率在FPGA的实现概述；频率测量的典型设计；周期测量—测量两个时间点之间隔在两个时间点之间，以固定的时钟周期（TC）计数，读取计数结果NC，则周期为：Ts=Tc×Nc计数器会产生±1误差，相对误差为±1/N；2/3原则：被测信号最大幅度控制在器件或满量程的2/3附近；实际电路与测量系统的设计条件：传感器到控制电路的距离约2-4米；要求：实时检测脉冲信号的周期数据；问题：1、如何选择传感器的供电电压；2、如何设计与传感器的接口电路；3、如何选择参考时钟；4、如何规划系统结构；5、能否给出实现的流程与推导；实际系统设计需要考虑的问题脉冲信号经过长线传输之后也会变形；认真设计你的接口电路：电阻衰减施密特整形总线缓冲器隔离主控IC（FPGA或者MCU）；同步去抖脉冲沿检测与分离同步复位（同步锁存测量结果多此累加获得可靠平均值设计延伸（如何利用片上数据缓存？）记住几个有价值的逻辑结构：同步去抖脉冲沿检测与分离tco是你理解同步时序逻辑的关键；顶层逻辑结构的初步设计累加器的行为级描述—实例modulecycle_averager_14bit(cycle_min,add_en,sync_clk,sclr,ave_out,simu_out);input[11:0] cycle_min;input add_en;input sync_clk;input sclr;output[11:0] ave_out;output[13:0] simu_out;wire[11:0] ave_out;reg[13:0] simu_out;assignave_out=simu_out[13:2];wire[13:0] cyc_int;assigncyc_int[13:12]=2'b00;assigncyc_int[11:0]=cycle_min;always@(posedgesync_clk)beginif(sclr)simu_out<=14'd0;elseif(add_en)simu_out<=simu_out+cyc_int;elsesimu_out<=simu_out;endendmodule你可以分析明白这样的仿真结果么？认识一下高级万用表：我们认识的还是很粗浅：见识一下专业！电子测量：永无止境认识一下信号的频率频率，是单位时间内完成振动的次数，是描述振动物体往复运动频繁程度的量，常用符号f或v表示，单位为秒-1。为了纪念德国物理学家赫兹的贡献，人们把频率的单位命名为赫兹，简称“赫”。每个物体都有由它本身性质决定的与振幅无关的频率，叫做固有频率。频率概念不仅在力学、声学中应用，在电磁学和无线电技术中也常用。交变电流在单位时间内完成周期性变化的次数，叫做电流的频率。测量频率的意义交变信号在单位时间内的重复次数。频率的基本单位是赫兹，符号Hz，表示每秒一个完整周期。常用单位有千赫(kHz)、兆赫(MHz)与吉赫(GHz)。多普勒效应一种声音尽管只有一个恒定的频率，但是对听者来说，他有时却是变化的。当波源和听者之间发生相对运动时，听者所感到的频率改变的这种现象称为多普勒现象。在医学诊断、交通监测等行业有着广泛应用测量频率的基本思想方法构造“单位时间”—时基；在“时基”内，对被测信号进行计数；频率的测量归结为两个核心问题：如何构造时基、如何控制被测信号进行计数；时基产生电路的基本要求标准性：“单位时间”作为计数器频率和时间测量的本地工作基准，应当具有高稳定度和高准确度；多值性：为了适应计数器较宽的测量范围，要求“单位时间（时基）”可多档选择。常用“时基”有：1mS、10mS、100mS、1S、10S；朴素的时基原理功能：产生测频时的“门控信号”（多档闸门时间可选）及时间测量时的“时标”信号（多档可选）；实现：由内部晶体振荡器（也可外接），通过倍频或分频得到。再通过门控双稳态触发器得到“门控信号（时基）”；例如：若fc=1MHz,经106分频后，可得到fs=1Hz(周期Ts=1s)的时基信号，经过门控双稳态电路得到宽度为Ts=1s的门控信号。频率的基本分类频率：单位时间内的重复次数；测量频率：固定时间段内的