简易网络导纳分析仪题

简易网络导纳分析仪题第1页，共18页，2023年，2月20日，星期四1.题目来源细胞分泌机制的研究：细胞膜电容、膜电阻的测量第2页，共18页，2023年，2月20日，星期四建模——模型化简——最后归结为一端口网络的测量问题第3页，共18页，2023年，2月20日，星期四vpc=–RfiPPC2C膜片钳放大器膜电流检测第4页，共18页，2023年，2月20日，星期四基本原理：傅立叶变换离散傅立叶变换（DFT）：数据处理第5页，共18页，2023年，2月20日，星期四简易网络导纳分析的应用无源网络分析、测量人体医学阻抗测量猪肉注水检测建筑钢筋锈蚀监测

……第6页，共18页，2023年，2月20日，星期四专用芯片第7页，共18页，2023年，2月20日，星期四形成题目：简易网络导纳分析仪第8页，共18页，2023年，2月20日，星期四2.知识范围模拟电路：信号产生、信号放大——I/V变换电路数字电路：DDS、相位检测、ADC、DAC、数显信号处理：一般计算、DFT题目类型属于电子测量仪器的设计，还必须具备一般电子测量仪器设计的知识和典型智能功能的实现技术。为了实现题目的所有功能，设计方案应是一个以微控制器为核心的电子系统，因而设计将涉及单片机、A/D、D/A转换等数字化处理技术。DDS：DigitalDirectFrequencySynthesis或DirectDigitalSynthesizerDFT：DiscreteFourierTransform第9页，共18页，2023年，2月20日，星期四1.制作正弦波信号发生器，技术指标如下：

a.频率：100Hz、300Hz、1kHz、3kHz、10kHz，误差：1%；

b.输出电压峰-峰值：1V，误差：小于20mV；

c.输出电阻小于1Ω；

d.输出波形无明显失真。2.制作一端口网络N0的电导Re[Y]、电纳Im[Y]、导纳模|Y|和导纳角φY的测量电路，技术指标如下：

a.Re[Y]范围：0.1mS~10mS，分为若干量程，误差小于10%；

b.Im[Y]范围：0.1mS~10mS，分为若干量程，误差小于10%；

c.|Y|误差小于10%；

d.φY范围：±90º，误差小于5%。3.

方案分析第10页，共18页，2023年，2月20日，星期四1.正弦波信号发生器

为了达到频率精度和控制方便，并考虑到本题发挥部分，普遍采用DDS方案(当然也可用其他方案实现）。FPGA存储器相位累加器单片机晶振D/A放大LPF射随器采用AD9851：采用大规模可编程逻辑器件（CPLD或FPGA）：原理相同第11页，共18页，2023年，2月20日，星期四2.一端口网络N0的电导Re[Y]、电纳Im[Y]、导纳模|Y|和导纳角φY的测量电路本科生题目说明中的第二条：测量和数据处理建议从以下3种方法中选择1种：a.测量导纳模|Y|和导纳角φY，然后通过计算得到Re[Y]和Im[Y]；b.根据傅里叶变换

建议采用模拟乘法器和低通滤波器首先得到Re[Y]和Im[Y]，然后通过计算得到导纳模|Y|和导纳角φY；

c.根据离散傅里叶变换用离散数学方法首先得到Re[Y]和Im[Y]，然后通过计算得到导纳模|Y|和导纳角φY。上述说明实际指出了完成本题测量部分的几个基本方案。第12页，共18页，2023年，2月20日，星期四方案b在题目的原稿中还有一句话：上述3种方法中，鼓励使用b、c两种方法。表明出题人的倾向方案。细胞膜电容和膜电阻的测量即用b、c两种方案都得到较高的精度，且c方案更好，在所开发的PC3型膜片钳放大器中得到应用。信号发生器：VmcosωtI/V变换电路输出：v=−RfImcos(ωt+φ)=k1cos(ωt+φ)——f(t)模拟乘法器输出：k1cos(ωt+φ)·Vmcosωt=k2[cos(2ωt+φ)+cosφ]/2经低通滤波得i的实部：(k2/2)cosφ

=−(VmRfIm/2)cosφ

——Re[kIm]模拟乘法器输出：k1cos(ωt+φ)·Vmsinωt=k2[sin(2ωt+φ)−sinφ]/2经低通滤波得i的虚部：(k2/2)sinφ

=−(Vm

RfIm/2)sinφ

——Im[kIm]华中科技大学一个队采用该方案求φ，得到很精确的结果，但遗憾的是没有直接得到Re[kIm]和Im[kIm]。第13页，共18页，2023年，2月20日，星期四方案c

可用两路ADC同步采集I/V变换电路和正弦波信号发生器的输出数据，然后用软件计算：

Pi：每个正弦周期A/D采样点数

ZA=vO/i：互阻增益

M：正弦波信号发生器输出幅值

vO：I/V变换电路输出采样值

f：正弦波信号频率

只有空军雷达学院的一个队采用这个方案——获得第一名

第14页，共18页，2023年，2月20日，星期四典型方案如图。方案a测量导纳模|Y|和导纳角φY，然后通过计算得到Re[Y]和Im[Y]第15页，共18页，2023年，2月20日，星期四几年前大学生电子设计竞赛曾有过相位测试仪器的设计，有测量导纳角φY的基础，该方案十分容易实现，主要考虑给专科学生完成。我们的题目要求电导Re[Y]、电纳Im[Y]和导纳模|Y|测量误差小于10％，导纳角φY误差小于10％，技术指标要求不高。主要是考虑到比赛时难以找到精度高于5％的“标准元件”进行测试。实际上，方案a存在以下影响测量精度的因素：

①信号源中的直流偏移和放大器中的直流失调引起的误差，它们都会影响幅值检测和相位检测的精度。而方案b、c在傅氏变换后，可完全抑制直流成分。②系统噪声影响幅值检测和相位检测的精度。而方案b、c在傅氏变换时的积分或求和平均后，将随机噪声的影响降到最低。第16页，共18页，2023年，2月20日，星期四4.竞赛作品评述1.电流检测方法——互阻放大电路的应用参考文献：康华光主编.电子技术基础（模拟部分）第四、五版，第1章.高等教育出版社.瞿安连.应用电子技术，第3章.科学出版社.