電子測(cè)量大作業(yè)

1、電子測(cè)量技術(shù)大作業(yè) 電子測(cè)量技術(shù)大作業(yè)班 級(jí): 通信1109 學(xué) 號(hào): 11211105 姓 名: 單赟吉 專 業(yè): 通信工程 指導(dǎo)老師: 朱云 二零一三年十二月22第一題：一研究題目：4-19：在Multisim環(huán)境下，設(shè)計(jì)一種多斜積分式DVM，給出原理圖和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。二積分型A/D轉(zhuǎn)換電路2.1 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換電路雙積分型ADC是1種VT型A/D轉(zhuǎn)換器，原理電路如圖12.2.2-1(a)所示，由積分器、比較器、計(jì)數(shù)器和部分控制電路組成。工作過程如下：（1）平時(shí)（即A/D轉(zhuǎn)換之前），轉(zhuǎn)換控制信號(hào)vC=0，計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器FFc被清零，門G1、G2輸出低電平，開關(guān)S0閉合使電容C完全放電，

2、S1擲下方，比較器輸出vB=0，門G3關(guān)閉。（2）vC=1時(shí)，開關(guān)S0斷開，開關(guān)S1擲上方接輸入信號(hào)VI，積分器開始對(duì)VI積分，輸出電壓為 (2.1)顯然vO是1條負(fù)向積分直線，如圖12.2.2-1(b)中t=0T1段實(shí)線所示。與此同時(shí)，比較器輸出vB=1（因vO<0），門G3開啟，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。（3）當(dāng)積分到t=T1=2nTcp時(shí)（其中Tcp是時(shí)鐘CP的周期），n位計(jì)數(shù)器計(jì)滿2n復(fù)0，F(xiàn)Fc置1，門G2輸出高電平，開關(guān)S1擲下方接基準(zhǔn)電壓（VREF），積分器開始對(duì)（VREF）進(jìn)行積分。設(shè)t=T1時(shí)，vO下降到vO=VO1，由式（3.1） （2.2） 圖2.1 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(a

3、) 原理電路 (b)輸出電壓波形 因?yàn)椋╒REF）為負(fù)值，所以從V01開始向相反方向積分，即 （2.3）vO波形如圖3.5(b)中t=T1（T1+T2）段實(shí)線所示。 （4）當(dāng)t=T1+T2時(shí)，vO上升到vO=0V，vB=0，門G3被關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此時(shí)計(jì)數(shù)器中保存下來的數(shù)字就是時(shí)間T2。由圖可知，輸入信號(hào)VI越大，|VO1|越大，T2就越大。將式（3.2）、t=T1+T2和vO=0V代入式（3.3）中，得 （2.4）從而有 （2.5）顯然，計(jì)數(shù)器中的數(shù)字dn-1dn-2d1d0與輸入信號(hào)VI成正比。例如當(dāng)設(shè)10位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓VREF=8V，時(shí)鐘頻率fcp=1MHz，請(qǐng)問

4、輸入電壓VI=2V時(shí)=0100000000B2.2三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器圖2.2 三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器的原理圖圖2.2是一個(gè)三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由基準(zhǔn)電壓-VREF、 、積分器、比較器和由單片機(jī)構(gòu)成的計(jì)數(shù)控制電路組成。轉(zhuǎn)換開始前，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通S0使電容C完全放電。轉(zhuǎn)換開始，斷開S0。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程分三步進(jìn)行：首先，令開關(guān)S1置于輸入信號(hào)Ui一側(cè)。積分器對(duì)Ui進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分。積分結(jié)束時(shí)積分器的輸出電壓為：可見積分器的輸出電壓與Ui成正比。這一過程也稱為轉(zhuǎn)換電路對(duì)輸入模擬電壓Ui的采樣過程。圖2.3三斜積分式AD轉(zhuǎn)換波形圖在采樣開始時(shí)，邏輯控制電路將計(jì)數(shù)門打開，計(jì)數(shù)器對(duì)周

5、期為Tc的計(jì)數(shù)脈沖CP計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到滿量程N(yùn)1，此時(shí)計(jì)數(shù)器由全“1”恢復(fù)為全“0”，這個(gè)時(shí)間正好等于固定的積分時(shí)間T1， 。計(jì)數(shù)器復(fù)“0”時(shí)，同時(shí)給出一個(gè)溢出脈沖（即進(jìn)位脈沖）使控制邏輯電路發(fā)出信號(hào)，令開關(guān)S1轉(zhuǎn)換至參考電壓-VREF一側(cè)，采樣階段結(jié)束。三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換波形是將雙積分式A/D的反向積分階段T2分為圖4所示的T21、T22兩部分。在T21期間，積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓-VREF進(jìn)行積分，放電速度較快；在T22期間積分器改為對(duì)較小的基準(zhǔn)電壓 進(jìn)行積分,放電速度較慢。在計(jì)數(shù)時(shí),把計(jì)數(shù)器也分為兩段進(jìn)行計(jì)數(shù)。在T21期間,從計(jì)數(shù)器的高位(2m位)開始計(jì)數(shù)，設(shè)其計(jì)數(shù)值為N1；在T22

6、期間，從計(jì)數(shù)器的低位（20位）開始計(jì)數(shù)，設(shè)其計(jì)數(shù)值為N2。則計(jì)數(shù)器中最后的讀數(shù)為:N= N1×2n+N2 (2.6)在一次測(cè)量過程中，積分器上電容器的充電電荷與放電電荷是平衡的，則|Ux|T1=Vref×T21+(VREF2n)T22 (2.7)其中: T21=N1Tc T22=N2Tc 將上式進(jìn)一步整理，可得三斜式積分式A/D轉(zhuǎn)化器的基本關(guān)系式為 Vx=K×N1+N2K×N1Vref (2.8) 本設(shè)計(jì)中，取m=8，時(shí)鐘脈沖周期Tc=120us，基準(zhǔn)電壓VREF=5V，并希望把2V被測(cè)電壓變換成N=65536碼讀數(shù)時(shí)，由上式可以計(jì)算出T1=76.8ms

7、，而傳統(tǒng)的雙積分式AD轉(zhuǎn)換器在相同的條件下所需的積分時(shí)間T1=307.2s,可見三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器可以使轉(zhuǎn)換速度大幅度提高。2.3多斜式積分AD轉(zhuǎn)換電路多斜分式ADC如圖3-1所示。面簡(jiǎn)單介紹三重積分式ADC的工作原理。它的特點(diǎn)是比較期由兩段斜坡組成，當(dāng)積分器輸出電壓接近0點(diǎn)時(shí)，突然換接數(shù)值較小的基準(zhǔn)電壓，從而降低了積分器輸出電壓的斜率，延長(zhǎng)積分器回0的時(shí)間，使比較周期延長(zhǎng)以獲得更多的計(jì)數(shù)值，從而提高了分辨率。而積分器在輸出電壓較高時(shí)，接入數(shù)值較大的基準(zhǔn)電壓，積分速度快，因而轉(zhuǎn)換速度也快。圖2.4 多積分A/D轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)中有兩個(gè)比較器，比較器1的比較電平為0電平，比較器2的比較電平為V，同

8、時(shí)有兩個(gè)基準(zhǔn)電壓Er和Er/2m。工作過程如下：采樣期：Sx接通，Spb、Sps斷開，積分器對(duì)被測(cè)電壓Vi積分，積分周期恒定為T1；比較期I：Spb接通，Sx、Sps斷開，積分器對(duì)極性與Vi相反的基準(zhǔn)電壓Er進(jìn)行積分，由于Er數(shù)值較大，故積分速度較快，積分周期為T21；比較期：當(dāng)積分器輸出達(dá)到比較器2的比較電平V時(shí)，通過控制電路使開關(guān)Sps接通，Spb、Sx斷開，積分器對(duì)Er/2m積分。由于基準(zhǔn)電壓減小，因而積分速度按比例降低。當(dāng)積分器輸出電壓達(dá)到零伏時(shí)，比較器1動(dòng)作，通過控制電路使所有開關(guān)斷開，積分器停止積分，一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。因?yàn)槎喾e分式A/D轉(zhuǎn)換器要比單積分或雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的運(yùn)算快

9、而且準(zhǔn)確，固采用多積分式A/D轉(zhuǎn)換器。圖2.5多積分A/D轉(zhuǎn)換器的特性三模擬仿真本題目要求同用到多斜式積分ADC設(shè)計(jì)DVM，我們除了要求做到模擬ADC的仿真，也要考慮到不同的量程，首先從兩級(jí)積分型ADC開始研究，逐層深入，最后達(dá)到目的。3.1雙積分型ADC3.1.1外部電路研究：Multisim中有一個(gè)通用的ADC轉(zhuǎn)換器，對(duì)此芯片進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)它的大致原理正是基于雙積分型ADC的思想，我們可以用其進(jìn)行模擬分析驗(yàn)證。圖3.1 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器multisim仿真我給出Vref=5V，D=2nVVREF其中輸出數(shù)字量位數(shù)2n=255，D=255VVREF當(dāng)輸入電壓為1V時(shí)，D=255/5=51

10、，用十六進(jìn)制表示為33，同理，輸入為5V時(shí)D=255，用十六進(jìn)制表示為FF。在用三或多斜式積分電路上我們不能用到此芯片，否則就要加一個(gè)DAC才可以觀測(cè)到波形。3.1.2內(nèi)部電路分析雙積分型ADC主要有兩個(gè)模塊構(gòu)成，積分電路和計(jì)數(shù)器，我們將兩塊分別來模擬。積分電路：圖3.2 積分電路框圖圖3.2表明基本的積分放大電路，我們可以利用這個(gè)電路實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算，波形顯示如圖3.3所示：圖3.3 積分輸出波形基于DVM考慮，我們可以選擇不同量程，結(jié)合模擬電路知識(shí)，我給出以下一種連接方式： 圖3.4 輸入放大與量程轉(zhuǎn)換電路如圖3.4所示，電路被接成了電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器形式，輸入電阻高并且電路輸入端采用RC低

11、通濾波電路抑制交流干擾，兩個(gè)不同開關(guān)控制不同的量程，可實(shí)現(xiàn)不同量級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換。計(jì)數(shù)器：理論學(xué)習(xí)中提到的邏輯計(jì)數(shù)器我們可以用觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，以下給出三級(jí)JK觸發(fā)器的連接方式：三級(jí)連接可以記錄三位二進(jìn)制數(shù)字，即可以從0-7，J1開關(guān)實(shí)現(xiàn)鎖數(shù)，J2開關(guān)負(fù)責(zé)清零，在時(shí)鐘脈沖下可以實(shí)現(xiàn)從0-7的計(jì)數(shù)。圖3.5 三級(jí)JK觸發(fā)器計(jì)數(shù)器圖3.6 計(jì)數(shù)器輸出波形3.2 三積分型ADC電路 結(jié)合對(duì)書上知識(shí)的理解我設(shè)計(jì)出圖5為三斜積分A/D轉(zhuǎn)換器模擬電路部分，圖中放大電路選用比較精密的Op07，比較器選用LM311；圖中的開關(guān)都可以用邏輯控件控制（如單片機(jī)，只要將各個(gè)開關(guān)控制端接到單片機(jī)不同控制端口上即可實(shí)現(xiàn)不同的開

12、關(guān)通斷控制）原理同書上相同，想通過可選擇量程的放大器，在通過積分電路，在通過比較器，不同的是加了一個(gè)Vref28參考電壓，當(dāng)積分小于一個(gè)低電平時(shí)，再通過對(duì)-Vref28的積分產(chǎn)生反向電壓，達(dá)到三積分效果。圖3.7 三積分型ADC框圖由于三積分電路積分過程比較復(fù)雜，需要在不同狀態(tài)中控制不同的開關(guān)，因此并沒有進(jìn)行觀察波形的模擬。3.3 一個(gè)簡(jiǎn)單的DVM仿真由于多斜式積分ADC電路比較復(fù)雜，需要一些邏輯控件，在multisim環(huán)境中對(duì)我來說有些困難。用單片機(jī)proteous仿真可能可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)要求，在這里，我僅利用multisim中的基于雙積分ADC思想的ADC芯片和一個(gè)由8個(gè)D觸發(fā)器組成的寄存器7

13、4ls373給出一種簡(jiǎn)單的DVM模擬。如圖3.8所示，參考電壓為5V，輸入正弦電壓Vp=3V通過ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC發(fā)出結(jié)束信號(hào)，將數(shù)據(jù)存入寄存器中，寄存器在每次時(shí)鐘上升沿狀態(tài)時(shí)進(jìn)行下一狀態(tài)輸出。通過示波器觀察輸出波形與數(shù)碼管顯示數(shù)字的關(guān)系。圖3.8 基于雙積分型ADC的DVM設(shè)計(jì)圖3.9 輸入電壓與數(shù)碼管顯示對(duì)照關(guān)系圖3.10 各位輸出波形從圖3.9可見，數(shù)碼管顯示數(shù)字和模擬電壓輸出呈現(xiàn)對(duì)照關(guān)系，但數(shù)碼管是十六進(jìn)制，利用74ls47可以實(shí)現(xiàn)4321BCD轉(zhuǎn)換，且根據(jù)雙積分型ADC公式可以將數(shù)碼管結(jié)果換算成模擬電壓的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)DVM功能。四總結(jié)本次研討，需要深刻理解積

14、分型ADC的原理，加以利用，實(shí)現(xiàn)各種功能。在課上，我們學(xué)習(xí)的知只是框圖，里面內(nèi)容的構(gòu)造還需要自己研究。在本次實(shí)驗(yàn)中，我重點(diǎn)對(duì)積分電路和計(jì)數(shù)器進(jìn)行了探討分析，所用器件比較簡(jiǎn)單，在多次積分的設(shè)計(jì)上，還需要多個(gè)邏輯控件才能實(shí)現(xiàn)，難度較大，在研究過程中，我感到自己的水平有限。很多知識(shí)還要花時(shí)間用探索，在這里，由于水平和時(shí)間的限制，我只是做了簡(jiǎn)單的DVM仿真，在以后的學(xué)習(xí)中，我還會(huì)繼續(xù)學(xué)習(xí)多斜積分式ADC的相關(guān)知識(shí)，完成這部分的模擬。所以說，這份報(bào)告并沒有達(dá)到老師的要求，請(qǐng)老師諒解。不過在本次的學(xué)習(xí)中，我可以將很多學(xué)科知識(shí)結(jié)合起來，加深了對(duì)積分AD轉(zhuǎn)換器的理解，并有一定的創(chuàng)新，也算有一些收獲。五參考文獻(xiàn)

15、1趙會(huì)兵,朱云電子測(cè)量技術(shù)M. 高等教育出版社，2011,10.2張凡.微機(jī)原理與技術(shù)接口M.清華大學(xué)出版社 北京交通大學(xué)出版社，2010,9.3侯建軍.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第二版)M.高等教育出版社,2007,12.4朱定華.模擬電子技術(shù)M.清華大學(xué)出版社 北京交通大學(xué)出版社，2006,5.第二題：一、 研究題目：6-14：在Multisim環(huán)境下，基于Tektronix TDS204虛擬示波器設(shè)計(jì)一種時(shí)域反射計(jì)，給出電路原理圖和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。（本題設(shè)計(jì)以時(shí)域反射計(jì)測(cè)量阻抗為例）二、 時(shí)域反射計(jì)簡(jiǎn)介時(shí)域反射計(jì)(TDR)用來測(cè)量信號(hào)在通過某類傳輸環(huán)境傳導(dǎo)時(shí)引起的反射，如電路板軌跡、電纜、連接器等

16、等。TDR儀器通過介質(zhì)發(fā)送一個(gè)脈沖，把來自“未知”傳輸環(huán)境的反射與標(biāo)準(zhǔn)阻抗生成的反射進(jìn)行比較。TDR 顯示了在沿著一條傳輸線傳播快速階躍信號(hào)時(shí)返回的電壓波形。波形結(jié)果是入射階躍和階躍遇到阻抗偏差時(shí)產(chǎn)生的反射的組合。三、 時(shí)域反射計(jì)原理時(shí)域反射計(jì)TDR是最常用的測(cè)量傳輸線特征阻抗的儀器，它是利用時(shí)域反射的原理進(jìn)行特性阻抗的測(cè)量。圖3.1 TDR原理圖四、 時(shí)域反射計(jì)(TDR)組成（1）快沿信號(hào)發(fā)生器：典型的發(fā)射信號(hào)的特征是：幅度200mv，上升時(shí)間35ps，頻率250kHz方波。（2）采樣示波器：通用的采樣示波器；（3）探頭系統(tǒng)：連接被測(cè)件和TDR儀器。五、 仿真與結(jié)果圖5.1 時(shí)域反射計(jì)仿真電

17、路圖5.2 信號(hào)發(fā)生器設(shè)置選項(xiàng)圖5.3 信號(hào)發(fā)生器上升沿時(shí)間設(shè)置圖5.4 終端開路時(shí)（反射系數(shù)為1）的結(jié)果圖5.5 終端短路時(shí)（反射系數(shù)為-1）的結(jié)果圖5.6 終端有負(fù)載阻抗時(shí)的結(jié)果六、 TDR測(cè)試信號(hào)理論運(yùn)行特征圖圖6.1 TDR測(cè)試信號(hào)理論運(yùn)行特征圖七、 被測(cè)傳輸線特征阻抗的計(jì)算圖7.1 被測(cè)傳輸線特征阻抗的計(jì)算八、 總結(jié)通過這次試驗(yàn),了解到了時(shí)域反射計(jì)(TDR)組成，原理等信息，通過時(shí)域反射計(jì)，我們可以測(cè)量任意負(fù)載的負(fù)載阻抗，而這就大大解決了傳輸線阻抗的測(cè)量的難度，可以給相關(guān)的工程帶來極大的方便。同時(shí)也加深了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解！學(xué)習(xí)是一個(gè)實(shí)踐的過程，我們學(xué)習(xí)過怎樣計(jì)算負(fù)載線的特性阻抗，以及反

18、射系數(shù)那些東西，現(xiàn)在用時(shí)域反射計(jì)(TDR)可以很方便快捷地將起特性阻抗求解出來，可以說，是很值得欣慰的，而學(xué)習(xí)就是一個(gè)逐漸將我們所學(xué)習(xí)的知識(shí)變簡(jiǎn)單的過程，最后再回過頭看前學(xué)習(xí)的東西就略顯簡(jiǎn)單了，逐漸意識(shí)到了實(shí)驗(yàn)儀器的好處，可以很直觀快捷求得我們用筆頭難計(jì)算的東西，可見，實(shí)踐真的是一件非常重要且有意義的一件事情，好的實(shí)踐可以將我們學(xué)習(xí)的知識(shí)升華出想不到的地步，就算沒有什么好處了，也至少對(duì)所學(xué)的知識(shí)有了進(jìn)一不的了解，相信對(duì)學(xué)習(xí)和生活都回是一大好處。有了時(shí)域反射計(jì)(TDR)，我們就可以做很多的事情，可以測(cè)量反射的電壓，這樣就建立了終端和負(fù)載阻抗的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，使我們的思維和方法得到了改善，計(jì)算速度和效果也會(huì)大幅度提高，我們處理知識(shí)的速度也會(huì)顯得很輕捷，這樣，感覺收獲就大了很多。時(shí)域反射計(jì)(TDR)其實(shí)就是一個(gè)發(fā)送信號(hào)，一個(gè)接受信號(hào)，通過對(duì)接受到的信號(hào)