仪器仪表类赛题分析(赵茂泰)p1-44

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2012.11. 20１．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。

且仪器系统可以较容易地加工成学生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。

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。

⑶准确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，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，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。

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的准确程度。

⑷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。

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。

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。

若能较好地掌握这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，只要分析课题的特殊要求，再学习一些相关知识，就能很快地进入设计状态。

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；l仪器类课题训练的思路———重点掌握好４类基本仪器的设计方法。

讲座仅侧重讨论与电子测量相关的一些问题。

⑴电压测量仪器分类⑵主要技术指标⑶设计举例指针式仪器数字式仪器（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）p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（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50Ω、75Ω等，以与信号源内阻匹配。

l其他（略）。

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：Ø绝对误差：△＝读数值-真实值Ø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）u国家标准：采用引用误差来定义指针式仪器准确度的等级Ø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﹪。

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％=２％由于2.0﹪≤ r＜2.5﹪，则该仪器的准确度应该定为２.５级。

u用满度相对误差定义仪器准确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％）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表达式：Δ＝±（a％V x ＋b％V m ）式中：V x 为测量电压的指示值；V m 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V x 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。

数字仪器用“a”和“b”两个参数来表示某个仪器的准确度u指针式仪器一般采用相对满度误差表示u 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％V x ＋b％V m ）由于ｂ项误差不随读数而变，因此还可用“n个字”的形成表示例，某3位半数字电压表的测量误差为△＝±（0.1％V x ＋0.1％V m ）由于0.1％×（1999＋1）＝2，测量误差也可表示为△＝±（0.1％V x ＋2个字）表达式２：△= ±（a%V X ＋n个字）表达式１和表达式２是完全等价的。

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10%时，将很难达到这个指标。

表达式１：△＝±（a％V x ＋b％V m ）表达式２：△＝±（a％V x ＋n个字）例如，某三位半电压表的测量误差为Δ＝±（0.3％V x ＋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”，2004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600 Ω、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。

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一般步骤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方案；p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；p组装、调试及测试；p撰写设计报告。

p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；分析技术指标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１：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：⑶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。

步骤２：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择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、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。

指标①，频率范围为20 Hz～1MHzl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。

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。

指标②、测量误差：±(3%读数+2个字)；技术指标分析：l在20Hz～1MHz频率范围内，每一点都能达到以上测量精度。

l第１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（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１项误差(3%读数)进行分配，指标②、测量误差：±(3%读数+2个字)；技术指标分析：技术指标（误差）分配：核心器件的选择：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。