仪器仪表类赛题分析(赵茂泰)p45-88

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⑵倒数计数器法测量原理及误差分析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门时间的大小。

同步原理由于Ｄ触发器的同步作用，计数器Ⅰ所记录的Ｄ触发器的功能：对应CK 端上升沿，Ｄ端的信号传送到端。

N A 已不存在±1 字误差的影响。

但是，实际的闸门时间Ｔ已不等于预置的闸门时间T P 。

因此，还需要同时测量实际的闸门时间Ｔ的大小。

取时钟频率f0= 10MHz，则由±1引起的相对误差为10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。

⑶设计举例：等精度频率计的设计①频率测量范围：1Hz～10MHz；３．时间频率测量仪器设计经整理，要求的主要技术指标如下：根据1997年全国电赛“简易数字频率计”，2006年湖北电赛“多功能电子计数器”等题目的内容改写。

②周期测量范围：0.01µs ～1s ；③测量误差≤2×10-5；④预置闸门时间：1s⑤信号灵敏度：0.1V （有效值）；⑥输入衰减：×1，×20（可程序预置）⑦波形适应性:正弦波、脉冲波、三角波目的：以本题为背景，理解时频测量仪器相关技术指标的含义p频率测量范围：1Hz～10MHz；p测量误差≤2×10-5p预置闸门时间：1s测量误差的分析ü等精度：被测信号在1Hz～10MHz范围内，测量误差均≤2×10-5。

为达到以上指标，只能采用倒数计数器法实现频率测量。

ü如果晶振频率采用10MHz，闸门时间取1s，则由±1字误差引人的测量误差为10-7。

这时，只要采用的晶体振荡器的准确度不低于2×10-5，即可达到要求的测量误差指标。

p频率测量范围：1Hz～10MHz；p测量误差≤2×10-5p预置闸门时间：1s显示位数的确定ü由于要求仪器测量误差的指标为2×10-5，因此应该采用６位数字显示。

６位数字频率计实际显示范围为：1.00000（Hz）～9.99999（MHz）。

其中，小数点及单位能根据数据的大小自动设置。

ü为了体现仪器的测量精度可以达到2×10-5，最高显示位不能为“0”。

例如，若f x=1.123456‥‥Hz，由于１Hz的2×10-5 为0.00002Hz，则应该显示1.12345±2 Hz。

即允许的显示数为1.12343～1.12347 五者之一。

其中最后一位含有误差。

ü如果选择显示位数为５位以下，则不能体现仪器能达到2×10-5的精度；如果选择显示位数为７位，则数据最后有2～3位含有误差，无意义。

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）特点：1，量程电路采用多个放大器构成（３个量程使用了３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的要求。

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；l2003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：u高速的数据采集及存储（DMA方式）———由Ｙ通道的前向通道电路及时基电路完成。

u同步的波型显示；———由Ｙ通道的后向通道电路及Ｘ通道电路完成。

u数字示波器的控制———一般采用单片机＋FPGA两级控制方式。

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：①信号频率：DC～50kHz，Ri>100kΩ；②屏幕刻度为8×10div，垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div；③垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差≤5%；④水平扫速：20μs/div，0.2ms/div，0.2s/div，误差≤5%；⑤内触发方式、上升沿触发、触发电平可调；⑥显示波形无明显失真。

步骤1：在方案论证的基础上建立总体方案步骤2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择步骤3：整机硬件电路设计、软件系统设计；步骤4：组装、调试及测试输入）X输入)普通1.Ｙ通道前向通道电路的设计步骤2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择步骤3：整机硬件电路设计、软件系统设计；2.时基电路的设计3.波形显示电路的设计屏幕刻度为8×10div，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% ；20μs/div，0.2ms/div，0.2s/div，误差≤5%；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相关参数l信号频率：DC～50kHz，Ri>100kΩ；l屏幕刻度为8×10div，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：20μs/div，0.2ms/div，0.2s/div，误差≤5%；A/D转换器的选择ØA/D转换器的位数：与垂直分辨率及Ｙ刻度有关。

A/D转换器应能分辨32×8＝256级，选8位A/D转换器。

ØA/D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20μs/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。

Ø器件选择：根据上述分析，A/D转换器可以选择CA3308、TLC5510等芯片。

若选择TLC5510，其输入信号电压范围为0～2V。

l信号频率：DC～50kHz，Ri>100kΩ；l屏幕刻度为8×10div，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：20μs/div，0.2ms/div，0.2s/div，误差≤5%；相关参数Ø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20×10＝200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。

Ø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 。

存储器的选择输入通道电路屏幕刻度为8×10div，垂直分辨率32级/div，水平分辨率20点/div；程控放大器的设计垂直灵敏度挡位的范围在0.01V/div～1V/div之间，按1-2-5分配原则l 信号频率：DC～50kHz，Ri>100kΩ；l 屏幕刻度为8×10div，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0.08V～8V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0.25～25。

垂直灵敏度(V/div)10mV 20mV 50mV 0.1V 0.2V 0.5V 1V 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N=200。

即本题采样存储器的存储深度为200。

每个触发信号能启动一轮数据采集与写入RAM的过程∶同步显示原理信号发生器是为电子测量提供符合一定技术要求电信号的仪器设备。

严格地说，信号发生器不是测量仪器，但它是电子系统研制、生产及维护基于专用信号发生器IC芯片的信号发生器（例，MAX038等）５．信号发生器设计根据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。

设计举例：正弦信号发生器①输出频率范围：20Hz～1MHz ②可预置步进值：10Hz，100Hz，1kHz，10kHz。

③输出频率误差：±10-4。

④输出电平范围：-30dB～+20dB，步进值为10dB（共六种输出电平）。

⑤输出电平误差：±0.3dB。

⑥负载电阻：600Ω。

⑦输出信号波形无明显失真。

经整理，要求的主要技术指标如下：视不同的输出频率)其中，电路采用集成芯片（例宽带放大电路也可采用ALC×1×21.9K1K2K3K4K5K6学生作品1从资料手册可知，当Iout=10mA（R1=3.9kΩ），Iout端的电阻为50Ω~100Ω时，波形最好。

学生作品2将DDS输出信号送到高速D/A芯片TLC7524的基准电压端，通过单片机控制TLC7524的Data端，实现信号幅度的数控衰减。

既要克服理论脱离实际的现象，也要避免忽视理论的倾向！在电子设计竞赛中，要特别注意避免忽视理论的倾向！重视理论的指导作用。

严格地说，缺乏理论推导及工程计算，不进行方案论证及指标分析的设计，不能称其为设计！电子设计竞赛目标：培养具有坚实理论基础，能运用所学知识解决专业问题的能力，具有一定的创新思想的电子信息技术人才。

而不是培养仅靠经验进行设计的“工匠式”人才。

全国大学生电子设计竞赛章程明确指出，竞赛应该有助于培养大学生的创新能力。

因此，训练中要注意对学生创新思维的培养，历时４天的竞赛对学生创新思维的发挥还是具有一定的空间，单一机械式的训练模式会禁锢学生的思想，妨碍了创新精神的发挥。

如果学生只会把经过训练过的模块拼凑起来设计，不可能出现高水平的作品。

.电子仪器设计的内涵：电子仪器设计是一种有目地的创作行为，是设计者在分析研究前人设计产品的基础上，运用自身积累，创造性地开发、研究新产品的过程。

没有创新能力，就不可能研究出新型的电子仪器。

部分作品存在盲目使用高性能芯片的现象。

映射出部分学生不能很好的掌握按照指标要求选择器件的基本能力。

杀鸡不要用牛刀。

最贵的器件并非是最恰当的器件。

训练中，应该加强培养学生熟练阅读器件数据手册（Datasheet）的能力，使学生对使用器件的性能有较准确的理解。