電子測量大作業(yè)

1、電子測量技術(shù)大作業(yè)班級:通信1109學(xué)號:11211105姓 名：單贊吉專業(yè):通信工程指導(dǎo)老師：朱云電子測量技術(shù)大作業(yè)第一題：1 .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。2 .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® 1種V-T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vc=0,計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器FFc被清零，IT Gt G2輸出低電平，開關(guān) 與閉合使電容C完全放電，&擲下

2、方，比較器輸出Vb=0,門G3關(guān)閉。(2) vc=1時(shí)，開關(guān)So斷開，開關(guān)S擲上方接輸入信號V,積分器開始對V積分,輸出電壓為Vo1 tViVI dt-tRC 0RC(2.1)顯然Vo是1條負(fù)向積分直線，如圖12.2.2-1(b)中t=0Ti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=2nTcp時(shí)(其中是時(shí)鐘CP的周期)，n位計(jì)數(shù)器計(jì)滿2n復(fù)0, FFc置1,門G2輸出高電平，開關(guān)S擲下方接基準(zhǔn)電壓(一Vref),積分器開始對 (VreF進(jìn)行積分。設(shè)1=丁1時(shí)，Vo下降到vo=V0i,由式(3.1)Voi-Ti(2.2)RC2

3、位位位位位是工n 位 位位位FF COCP1L位位位位位v BvO；C1Q R-V REFv C位位位位位位Vi 1 - -O r1 _4b -OrG3位位位位 位TC1R>C1R位位位位位圖2.1雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器Title（a）原理電路（b）輸出電壓波形Size Number BDate:File:4-Oct-2000D:T_sdnt_sdn122201.schSheet ofDrawn By:因?yàn)椋ㄒ籚ref）為負(fù)值，所以從Voi開始向相反方向積分,1 tVrefvO VO1 至” "EFHt VO1 記(tT1)(2.3)vO波形如圖3.5（b）中1=（T1+T2）段

4、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 V越大，|必|越大，T2就越大。將式（3.2）、t=T1+T2和vo=0V代入式（3.3）中，得vOViRCT1VrefRCT2(2.4)8從而有T2ViVrefTi(2.5)顯然，計(jì)數(shù)器中的數(shù)字dn-ldn-2-pldo與輸入信號V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Vre=8V,時(shí)鐘頻率fcp=1MHz 請問輸入電壓V=2V時(shí)D（io）TiVi2n( Vi )TCP VREFVREFD(10)2n(上MVREF210

5、(-) 256=0100000000B 82.2三斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器、IIt單片機(jī)計(jì)數(shù)控制圖2.2三斜積分式A/ D轉(zhuǎn)換器的原理圖圖2.2是一個(gè)三斜積分式A/ D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 S使電容C完全放電。轉(zhuǎn)換開始， 斷開&。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程分三步進(jìn)行：首先，令開關(guān)S置于輸入信號U一側(cè)。積分器對U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 U成正比。這一過程也稱為轉(zhuǎn)換電路對輸入模擬電 壓U的米樣過程圖2.3三斜積分式A/ D轉(zhuǎn)換波形圖在采樣開始時(shí)，邏輯

6、控制電路將計(jì)數(shù)門打開，計(jì)數(shù)器對周期為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,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 Ti,。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，令開關(guān)Si轉(zhuǎn)換至參考電壓-Vref一側(cè)， 采樣階段結(jié)束。三斜積分式 A/D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)

7、器的 高位（2m位）開始計(jì)數(shù)，設(shè)其計(jì)數(shù)值為 N;在T22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N2o則計(jì)數(shù)器中最后的讀數(shù)為：N= NX2n+N（2.6）在一次測量過程中，積分器上電容器的充電電荷與放電電荷是平衡的，則|Ux|T 尸Vref 加什（嬰）T22（2.7）其中：F尸NTc T 22=NT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KX N1+N2x二KX 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1ef=5V,并希望把2V被測電壓變換成N=6553刎讀數(shù)時(shí)，由上式可以計(jì)算出不=76.8ms,而傳統(tǒng)的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換

8、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A/ D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，延長積分器回0的時(shí)間, 使比較周期延長以獲得更多的計(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',同時(shí)

9、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，積分器對被測電壓 Vi積分，積分周期包 定為T1;比較期I: Spb接通，Sx、Sps斷開，積分器對極性與 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;比較期廠 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

10、單積分或雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的運(yùn)算快而且準(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 ADCS計(jì)DVM我們除了要求做到模擬ADC勺 仿真，也要考慮到不同的量程，首先從兩級積分型 ADCF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勺思想，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=2nj3其中輸出數(shù)字量位數(shù)2n=255, D=255高

11、VREFVREF當(dāng)輸入電壓為1V時(shí)，D=255/5=51,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)DACt可 以觀測到波形。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：電子測量技術(shù)大作業(yè)tCIDnF士VW-IDQkfi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：基于DV*慮，我們可以選擇不同量程，結(jié)合模擬電路知識，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

12、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JK觸發(fā)器的連接方式：三級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ADCfe路結(jié)合對書上知識的理解我設(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;

13、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) 二參考電壓，當(dāng)積分小于2"個(gè)低電平時(shí)，再通過對-V2f的積分產(chǎn)生反向電壓，達(dá)到三積分效果。2ThLM311M_VEE=圖3.7三積分型ADC匡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)簡單的DVM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 中對我來說有些困難。用單片機(jī)p

14、roteous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®、想的ADC5片和一個(gè)由8個(gè)D觸發(fā)器 組成的寄存器741s373給出一種簡單的DVM真擬。如圖3.8所示，參考電壓為5V,輸入正弦電壓Vp=3V!過ADC5片轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后EO3出結(jié)束信號，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計(jì)200芷曰ZTCSECT譏19；0&溝0 wdirili- yfvi - -C Q T I j!rMd黑巾/圖3.9輸入電壓與

15、數(shù)碼管顯示對照關(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)對照關(guān)系，但數(shù)碼管是十六進(jìn)制，利用741s47可以實(shí)現(xiàn)4321BCD專換，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)DVMft能。四.總結(jié)本次研討，需要深刻理解積分型ADC勺原理，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。很多知識還要花時(shí)間用探索，在這里，由于 水平和時(shí)

16、間的限制，我只是做了簡單的DVMggt,在以后的學(xué)習(xí)中，我還會 繼續(xù)學(xué)習(xí)多斜積分式ADC的相關(guān)知識，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)科知識結(jié)合起來，加深了對積分 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1 趙會兵 , 朱云電子測量技術(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，2

17、006,5.第二題：一、 研究題目：6-14：在Multisim 環(huán)境下，基于Tektronix TDS204S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) 測量阻抗為例）二、時(shí)域反射計(jì)簡介時(shí)域反射計(jì)（TDR）用來測量信號在通過某類傳輸環(huán)境傳導(dǎo)時(shí)引起的反射，如電路板軌跡、電纜、連接器等等。TDR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)TDRg最常用的測量傳輸線特征阻抗

18、的儀器， 它是利用時(shí)域反 射的原理進(jìn)行特性阻抗的測量。示波器© 1階躍信號發(fā)生器1階躍信號設(shè)置：23 mM, 250 kH工方波上升沿時(shí)間：35 K1丁圖3.1 TDR原理圖傳輸液空系統(tǒng)41示波器顯示when匕注0 T四、時(shí)域反射計(jì)(TDR)組成(1)快沿信號發(fā)生器：典型的發(fā)射信號的特征是：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)仿真電路圖5.2信號發(fā)生器設(shè)置選項(xiàng)Tteklrnnlx III UH-： i ”措晨 一.3 3ioO上升下降時(shí)間i3用00口比415

19、 2.000006'（»&）圖5.3信號發(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)果電子測量技術(shù)大作業(yè)圖7.1被測傳輸線特征阻抗的計(jì)算22圖5.6終端有負(fù)載阻抗時(shí)的結(jié)果 "mi，;西的畫I WOLT1M3V WQIT3/aV六、TDRM試信號理論運(yùn)行特征圖七、圖6.1 TDR測試信號理論運(yùn)行特征圖被測傳輸線特征阻抗的計(jì)算利用將用捫和反射舉 數(shù)計(jì)算負(fù)裁俎抗反射系球計(jì)理資核阻抗是實(shí)少？TDR能夠根據(jù)公式自動計(jì)算出結(jié)果H 口34 口Zet*« 口電子測量技術(shù)大作業(yè)8、 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)也加深了對知識點(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