2017培训 脉冲信号参数测量仪解析

2 仪器类赛题训练建议
（2）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。电子仪器的功能 是测试其它电子系统的性能，因此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。
。
方案一：基于窗口比较器的上升时间测量方法 测量算法：
通过窗口比较器，把上升时间tr转换 为时间间隔T。
90%Vm Vin 10%Vm
+ + -
被测信号 m50%Vm
V
Vo1 Vo
Vo2
上升时间 时钟脉冲 计数值
窗口比较器电路
用标准时钟填充这段时间间隔，得 到对应tr的计数值。
为了减少±1字误差的影响，可以采 用多周期平均的测量方法。
被测信号
输入 通道电路
A/D 转换器
为了达到测量精度， A/D转换 器的分辨率应足够高（3倍以上） 例，分辨率为0.5%（4倍）
例如， 选择10位A/D转换器，其输入电压幅度范围为0～2.5V，即 2.5V ─→ 1024（0.1%） 1.25V ─→ 512（0.2%） 0.5V ─→ 204（0.5%）
① ② ③ ④ 电压类测量仪器 时间频率类测量仪器 数字示波测量仪器 信号发生器
许多仪器包含多个基本电子仪器模块。例如，脉冲信号参数测量 仪包含了以上 ① ② ④ 三个模块。 若能较好地掌握这４类基本电子仪器的设计，在进行其他类型电 子仪器设计时，只要根据题目要求再学习一些相关知识，就能很快地 进入设计状态。
采样脉冲
采样值
步骤：
① 根据Vm值，计算出0.1Vm和0.9Vm的值。
② 记录大于0.1Vm和小于0.9Vm的采样数据的个数，然后换算出对应的tr。 ③ 为进一步减少误差，可采用多次平均的方法作为最终结果
不足：① 需要很高的采样速率；② 涉及的因素多，例如很难区分上升
时间和下降时间，起点和终点易混淆等。（成功率）
工作波形图
窗口比较器的功能：把上升时间tr转换为时间间隔。
90%Vm Vin 10%Vm
+ + -
Vo2 Vo
Vo1
V 50%V m m
Vo1
Vo2
Vo2 Vo 上升时间 下升时间 上升时间 下升时间
问题：上升时间和下降时间没有区分开！
上升时间和下降时间的分离
A Vo B
50%V m
Vo1 Vo2 A
被测信号
输入 通道电路
A/D 转换器
FPGA
单片机
输入通道电路分析
输入通道电路的带宽
输入通道电路与A/D转换器的关系
输入通道电路的带宽
f（t）
τ
0
T
t
0
nω
周期矩形脉冲信号的时域波形
周期矩形脉冲信号的频谱
通道电路与 A/D 转换器的关系
题目要求：被测信号的幅度范围为0.1～10V，测量误差不大于2%。
输入通道电路设计举例
OPA690
+
THS3095
被测信号 + 0.1V~10V 300Ω 1.2kΩ
ADS803
A/D 转换器
200Ω 50Ω
0.5V~2.5V
THS3095
带宽：210MHz 压摆率：7300V/μs 输出驱动电流：250mA 输入电压范围：±13V
OPA690
电压反馈型运放 单位增益带宽：500MHz 压摆率：7300V/μs
2.１
题意分析
E题：脉冲信号参数测量仪
2.１
题意分析
1.任务：
设计并制作一个数字显示的周期性矩个矩形脉冲信号发生器，作为测试仪的附加功能。
τ
Vm
实际矩形脉冲信号波形图
2.要求：
测量参数 1 2 3 4 5
30分
测量范围 10Hz～2MHz
测量误差 不大于0.1% 不大于2% 不大于2% 不大于5%
分值 15分 15分 15分 15分
占空比 D
10％～90％ 0.1～10V 50.0～999ns
其他
10分
脉冲参数测量仪与数字示波器中的波形参数测量模块的功能相当
2.１
题意分析
测量参数 测量范围 10Hz～2MHz 占空比 D 10％～90％ 0.1～10V 50.0～999ns 测量误差 不大于0.1% 不大于2% 不大于2% 不大于5% 分值
的被测脉冲信号上，一个周期内至少可以取得1个幅度近似为Vm的采样值。
90%V m V 50%V 被测信号m m
采样脉冲
采样值
数据处理步骤：
① 设置一个阈值，在多个周期内，取若干个（例如25个）大于阈值的采 样数据并存储 ② 对存储的采样数据排序，取其中间值（或去极值去平均）作为幅值
测量电路框图
显示
2.2
幅度参数（Vm）的测量
要求：幅度范围为0.1～10V，测量误差的绝对值不大于2%。 方案一：采用峰值检波器的测量方法
VMAX
VTOP
ΔVm
定义：
过冲
VP-P
VBASE VMIN
方案二：基于高速数据采样技术的幅度测量方法（示波器）
被测信号
采样脉冲
采样值
测量方法：① 设置一个阈值，取大于阈值的采样数据并存储；
2 仪器类赛题训练建议
（4）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、指标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。纠正 学生不经分析直接设计或“照猫画虎”的设计习惯 以上步骤可以根据实际情况作适当的调整。
50Ω
测试结果表明，该电路方案能符合本题各项要求。
谢谢大家！ 敬请指正！
进行电子仪器设计时，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。
2 仪器类赛题训练建议
（3） 基本电子电路的设计是仪器设计的基础
仪器类赛题目是电子竞赛中出现最多的一类赛题。且在其他类 赛题中也包含有一些测量的内容。
电子仪器设计从本质上讲是电子电路的设计。对仪器类赛题目 内容进行分析，最终往往会分解成一些最基本电子电路的组合。 大学生电赛是学科竞赛，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，不仅得不到好的成绩，也有背大学 生电子设计竞赛的初衷。
时间间隔测量由FPGA完成，设计方法可参考数字频率计赛题解析 应采用高速比较器；并尽量采用双路比较器芯片（例如TLV3502）， 以减少两个比较器传输延迟时间的不一致而引入的误差。
2.4
脉冲信号发生器的设计
τ
作品方案举例
形成电路 （FPGA）
整形电路
输出电路 50Ω
电路带宽分析：
tr与带宽Bf的关系为tr=(0.35～0.45) / Bf， 对应 tr=30ns， Bf=12～15MHz。 为了进一步减小谐波误差，建议信号发生器电路的带宽大于50MHz
B
上升时间
(Vo)
上升时间的测量（时间间隔的测量）
用标准时钟填充这段时间间隔，得到对应tr的计数值。为了减少±1 字误差的影响，可以采用多周期平均的测量方法。
tr
时钟 计数
上升时间测量电路框图
0.9Vm 被测信号 键盘 显示
输入 通道电路
比较器×2
FPGA
0.1Vm 衰减2 衰减１
单片机
Vm
D/A 转换器
1 2 3 4 5
重点讨论：
幅度参数的测量
其他 上升时间参数的测量
脉冲信号发生器的设计
2.2
幅度参数（Vm）的测量
# 当fo=2MHz，D=10%时，对应的信号脉冲宽度=50ns
条件：脉冲信号频率范围为10Hz～2MHz，占空比D范围为10％～90％
要求：幅度范围为0.1～10V，测量误差的绝对值不大于2%。 幅度 Vm 的定义
输出电路分析：
① 带宽 ≥ 50MHz，且压摆率＞5V/30ns=170V/μs
② 输出驱动电流 ≥ 5V/50Ω=100mA
2.4
脉冲信号发生器的设计
电路设计要求： 带宽大于50MHz；输出电路压摆率＞170V/μs； 输出驱动电流≥ 100mA
形成电路 （FPGA） Vm=3.3V TLV3501
VMAX VTOP
VP-P
VBASE VMIN
关键：测试 VTOP
2.2
幅度参数（Vm）的测量
# 当fo=2MHz，D=10%时，对应的信号脉冲宽度=50ns
条件：脉冲信号频率范围为10Hz～2MHz，占空比D范围为10％～90％
要求：幅度范围为0.1～10V，测量误差的绝对值不大于2%。 幅度 Vm 的确定方法（IEC标准）
② 对存储的采样数据排序，取其中间值（或去极值去平均）作为幅值
主要问题：需要高速A/D转换器。例如，本题被测信号最小脉宽为50ns，
若在一个周期内取25个数据，则A/D转换器采样速率约需500MHz。
解决方案：适度降低采样速率，然后再在多个周期内取数据进行处理。
作品案例：采用采样速率为50MHz（20ns）的A/D转换器，则在脉宽为50ns
+
THS3095 Vm=2.5V
+
-
Vm= 5V
THS3095 带宽：210MHz； 压摆率：7300V/μs； 输出驱动电流：250mA