儀器儀表題目分析與應(yīng)對(duì)(趙茂泰)

儀器儀表類題目分析與應(yīng)對(duì)基于電壓測(cè)量的儀器部分2017.4.22020/12/1911．幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

2．電壓測(cè)量類儀器的組成

3．電壓測(cè)量類儀器的設(shè)計(jì)舉例

4．幾點(diǎn)體會(huì)

2020/12/192⑴電子測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)涵蓋的知識(shí)范圍

電子測(cè)量是建立在模擬電路、數(shù)字電路、信號(hào)與系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)原理及接口等專業(yè)基礎(chǔ)課基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用通信、自動(dòng)控制及電力電子等學(xué)科的專業(yè)知識(shí)而形成的一個(gè)獨(dú)具特色的學(xué)科。與電賽內(nèi)容一致。電子儀器的設(shè)計(jì)能夠較容易加工成學(xué)生在４天內(nèi)完成的賽題。儀器類賽題是電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中出現(xiàn)最多的一類賽題。并且，在其他類賽題中大部分都包含一些電子測(cè)量的內(nèi)容。

因此，掌握好電子儀器的設(shè)計(jì)技術(shù)至關(guān)重要。1．幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)2020/12/193⑵儀器儀表設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是基本電子電路儀器儀表實(shí)際上就是一些最基本電子電路的組合。電子測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)從本質(zhì)上講就是電子電路的設(shè)計(jì)。大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽是學(xué)科競(jìng)賽，不是純粹意義上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)競(jìng)賽。因此，命題時(shí)將會(huì)刻意加強(qiáng)與電子電路密切相關(guān)的內(nèi)容，淡化一些專業(yè)性較強(qiáng)的內(nèi)容。

因此，儀器儀表類賽題的訓(xùn)練一定要在建立在基本電子電路充分訓(xùn)練的基礎(chǔ)上。否則，不僅得不到好的效果，也有背大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的初衷。1．幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)2020/12/194⑶做好儀器類賽題的關(guān)鍵是準(zhǔn)確理解各項(xiàng)指標(biāo)的涵義

進(jìn)行電子儀器設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)（尤其是測(cè)量誤差）進(jìn)行認(rèn)真地分析，并在此基礎(chǔ)上確定其核心器件，再進(jìn)行相關(guān)電路的設(shè)計(jì)。

電子儀器的價(jià)值由各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)良程度決定。電子儀器主要用于測(cè)試其它電子系統(tǒng)的性能指標(biāo)，因此，電子儀器對(duì)技術(shù)指標(biāo)的要求相對(duì)更加嚴(yán)格。電子儀器含多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，其中最核心的是測(cè)量誤差，其他技術(shù)指標(biāo)基本上都與測(cè)量誤差有關(guān)。對(duì)于許多測(cè)量來(lái)講，測(cè)量工作的價(jià)值幾乎全部取決于它的準(zhǔn)確程度。1．幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)2020/12/195⑷儀器類賽題設(shè)計(jì)應(yīng)該按一定步驟進(jìn)行審題（對(duì)賽題要求進(jìn)行分析）；在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體設(shè)計(jì)方案；技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配及核心器件的選擇；硬件電路設(shè)計(jì)；軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)；組裝、調(diào)試及測(cè)試；撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。

按以上步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)有助于大學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，不同課題的設(shè)計(jì)步驟會(huì)存在一些不同。1．幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)2020/12/196⑸

從學(xué)習(xí)的角度，應(yīng)側(cè)重掌握以下４類儀器

電壓測(cè)量類儀器時(shí)間頻率測(cè)量?jī)x器數(shù)字示波器信號(hào)發(fā)生器所以，賽前訓(xùn)練應(yīng)該涵蓋這4方面的內(nèi)容。實(shí)際的電子儀器設(shè)計(jì)中，只要掌握好這４類電子儀器的原理，再分析該課題的特殊要求，學(xué)習(xí)一些相關(guān)知識(shí)，就能很快地進(jìn)入設(shè)計(jì)狀態(tài)中。本次講座側(cè)重討論電壓測(cè)量類儀器的賽題1．幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)電子儀器種類繁多，但只要透徹掌握以上４類電子儀器的原理，其他類型電子儀器的設(shè)計(jì)便不會(huì)存在大的障礙。2020/12/197⑴數(shù)字直流電壓測(cè)量?jī)x器（基本模塊）直流電壓測(cè)量是最基本的電壓測(cè)量模塊!２．電壓測(cè)量類儀器的組成⑵有關(guān)電參數(shù)測(cè)量?jī)x器的組成（有關(guān)變換器+基本模塊）各類參數(shù)變換器均由基本電子電路組成（含交流電壓、電流、功率、電阻、電容、電感等參數(shù)的測(cè)量）2020/12/198⑵有關(guān)電參數(shù)測(cè)量?jī)x器的組成（有關(guān)變換器+基本模塊）──以交流電壓測(cè)量為例討論有關(guān)電參數(shù)測(cè)量?jī)x器的組成原理峰值（Vp+、Vp-、Vp-p）和振幅（Vm）平均值：有效值：注：若未加說(shuō)明，各類電壓表的示值按正弦波有效值來(lái)定度表征交流電壓幅度特性的三個(gè)基本參數(shù)：全波檢波后的平均值零電平為參考直流分量為參考2020/12/199⑵有關(guān)電參數(shù)測(cè)量?jī)x器的組成（有關(guān)變換器+基本模塊）──以交流電壓測(cè)量為例討論有關(guān)電參數(shù)測(cè)量?jī)x器的組成原理①均值電壓表：用均值檢波器作AC/DC變換器（需正弦波有效值定度）交流電壓的測(cè)量模式：放大──檢波式，頻率范圍為20HZ～10MHZ，靈敏度為mV級(jí)。②峰值電壓表：用峰值檢波器作AC/DC變換器（需正弦波有效值定度）檢波──放大式，峰值檢波器輸入電阻很高，可以為輸入級(jí)，并做在探頭內(nèi)。適合做成超高頻毫伏表，靈敏度可達(dá)幾十μV。2020/12/1910③有效值電壓表：采用有效值轉(zhuǎn)換器或熱偶作為AC/DC變換器交流電壓的測(cè)量模式：定度方便：輸出的直流電壓線性正比于各種波形的有效值?；谡嬗行е缔D(zhuǎn)換器的有效值電壓表有廣泛的應(yīng)用前景，但受芯片工藝限制，目前頻率范圍的上限約為10MHZ。④基于高速采樣的交流電壓測(cè)量方法全數(shù)字化方案。適于對(duì)非規(guī)則波形參數(shù)的測(cè)試。方便，靈活。但受限于A/D轉(zhuǎn)換器的最高采樣率。2020/12/1911⑴數(shù)字直流電壓測(cè)量?jī)x器（基本模塊）⑵有關(guān)電參數(shù)測(cè)量?jī)x器的組成（有關(guān)變換器+基本模塊）⑶有關(guān)物理量測(cè)量?jī)x器的組成（有關(guān)傳感器+基本模塊）小結(jié)：直流電壓測(cè)量是最基本的電壓測(cè)量模塊!在此基礎(chǔ)上，通過(guò)有關(guān)變換器和傳感器，實(shí)現(xiàn)了大部分電參數(shù)和物理量的測(cè)量。電壓測(cè)量類儀器是最基礎(chǔ)，應(yīng)用范圍非常廣泛的一類儀器。２．電壓測(cè)量類儀器的組成（含溫度、重量、壓力、光強(qiáng)等物理量的測(cè)量）2020/12/1912題目主要要求：

根據(jù)2007年全國(guó)電賽“積分式直流數(shù)字電壓表【高職組】”，2011年全國(guó)電賽“自動(dòng)電阻測(cè)試儀【高職組】”，2004年湖北電賽“智能數(shù)字萬(wàn)用表【高職組】”等題目的內(nèi)容改寫(xiě)。設(shè)計(jì)舉例一：智能數(shù)字萬(wàn)用表（直流電壓測(cè)量部分）高職高專參賽學(xué)生的電路功能實(shí)現(xiàn)能力強(qiáng)，但對(duì)技術(shù)指標(biāo)不夠敏感。本例側(cè)重討論：①如何準(zhǔn)確理解儀器的技術(shù)指標(biāo)（尤其測(cè)量精度）；②調(diào)試中的相關(guān)技術(shù)。量程：0.2V，2V，20V；最大顯示數(shù)：1999；輸入阻抗≥5MΩ；直流電壓測(cè)量誤差：±0.2%讀數(shù)±2個(gè)字；具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能；（其他略)3．電壓測(cè)量類儀器的設(shè)計(jì)舉例2020/12/1913第１項(xiàng)誤差為被測(cè)電壓值的0.2%，稱“a”項(xiàng)誤差，其大小與讀數(shù)Vx成正比。主要由衰減器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器等轉(zhuǎn)換系數(shù)的不準(zhǔn)及非線性等因素產(chǎn)生。第２項(xiàng)誤差為固定的2個(gè)字，稱“b”項(xiàng)誤差，其大小不隨讀數(shù)變化而變化。主要由偏移誤差、量化誤差等因素產(chǎn)生。測(cè)量誤差指標(biāo)的分析：（±0.2%讀數(shù)±2個(gè)字）直流數(shù)字電壓表組成示意圖①準(zhǔn)確理解儀器測(cè)量誤差（誤差分析，誤差分配，核心器件的選擇）Vx19990顯示Vm“a”項(xiàng)誤差示意圖Vx19990顯示Vm“b”項(xiàng)誤差示意圖2020/12/1914要求量程轉(zhuǎn)換電路的測(cè)量誤差小于0.1%；要求A/D轉(zhuǎn)換器的測(cè)量誤差小于0.1%；則儀器的總誤差將小于0.2%根椐以上分配原則，各部分電路誤差的分配：各部分電路核心器件的選擇：量程轉(zhuǎn)換電路應(yīng)該選擇高精度低噪聲運(yùn)算放大器（帶寬無(wú)要求）

例，OPA333，高精度零漂移CMOS運(yùn)放；A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)該優(yōu)先選擇積分型A/D轉(zhuǎn)換器

例，MC14433，具有自動(dòng)穩(wěn)零性能，器件精度可達(dá)±0.05%±1字測(cè)量誤差指標(biāo)的分配：

誤差分配：將儀器總誤差分配給各個(gè)部分電路。以確定各個(gè)部分電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該控制的測(cè)量誤差。

應(yīng)根椐各部分電路實(shí)現(xiàn)的難度程度進(jìn)行合理分配。主要對(duì)第１項(xiàng)誤差進(jìn)行分配。(0.2%讀數(shù))①準(zhǔn)確理解儀器測(cè)量誤差（誤差分析，誤差分配，核心器件的選擇）2020/12/1915直流數(shù)字電壓表的組成題目主要要求：量程：0.2V，2V，20V；最大顯示：1999；輸入阻抗≥5MΩ；直流電壓測(cè)量誤差：±0.2%讀數(shù)±2個(gè)字；具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能；20V量程：K1吸合，K2釋放(×0.1)2V量程：K1釋放，K2釋放(×1)0.2V量程：K1釋放，K2吸合(×10)注：2V量程為基本量程量程轉(zhuǎn)換器的組成：

OPA3330～2V2020/12/1916②調(diào)試中的相關(guān)技術(shù)

一個(gè)設(shè)計(jì)正確、制作良好的作品，必須經(jīng)過(guò)認(rèn)真的調(diào)試才能達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。否則可能前功盡棄。第1項(xiàng)稱“a”項(xiàng)誤差，與量程轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換系數(shù)不準(zhǔn)有關(guān)。第2項(xiàng)稱“b”項(xiàng)誤差，與放大器的零點(diǎn)偏移和A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差有關(guān)。測(cè)量誤差的調(diào)試：（±0.2%讀數(shù)±2個(gè)字）先調(diào)“b”項(xiàng)誤差（零點(diǎn)），再調(diào)“a”項(xiàng)誤差；先調(diào)“基本量程，再調(diào)其他量程。調(diào)試步驟：Vx19990顯示Vm“a”項(xiàng)誤差示意圖Vx19990顯示Vm“b”項(xiàng)誤差示意圖2020/12/1917基本量程的調(diào)整：使量程處于基本量程狀態(tài)（2V量程）；“b”項(xiàng)誤差調(diào)整：輸入端短路，調(diào)整調(diào)零電路，使被測(cè)表的顯示數(shù)字在0.000附近；②直流數(shù)字電壓表的調(diào)試OPA3330～2V“a”項(xiàng)誤差調(diào)整：輸入端加入一個(gè)1.000V～1.999V之間的穩(wěn)定電壓，然后調(diào)整RW0，使被測(cè)表的顯示數(shù)字值與標(biāo)準(zhǔn)表顯示數(shù)字值的前4位相等。2020/12/1918使量程處于20V量程狀態(tài)（K1吸合，K2釋放）；

輸入端加入一個(gè)10.00V～19.99V之間的穩(wěn)定電壓，調(diào)整RW1，使被測(cè)表顯示的數(shù)字與標(biāo)準(zhǔn)表顯示數(shù)字的前4位相等。20V量程的調(diào)整：使量程處于0.2V量程狀態(tài)（K1釋放，K2吸合）；

輸入端加入一個(gè)100.0mV～199.9mV之間的穩(wěn)定電壓，調(diào)整RW2，使被測(cè)表顯示的數(shù)字與標(biāo)準(zhǔn)表顯示數(shù)字的前4位相等。0.2V量程的調(diào)整：OPA3330～2V2020/12/1919設(shè)計(jì)舉例二：交流數(shù)字電壓表3．電壓測(cè)量類儀器的設(shè)計(jì)舉例①、頻率范圍：20Hz～2MHz；②、測(cè)量誤差：±1%讀數(shù)±2個(gè)字；③、3位數(shù)字顯示，最大顯示數(shù)：999；④、量程：0.1V，1V，10V；⑤、輸入阻抗分600Ω

、高阻（≥5MΩ）兩檔；⑥、具有自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能和自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

根據(jù)1999年全國(guó)電賽“數(shù)字式工頻有效值多用表”，2004年湖北電賽“簡(jiǎn)易綜合測(cè)試儀”等題目的內(nèi)容改寫(xiě)。

目的：以本題為背景，討論電子測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)的一般步驟；重點(diǎn)討論技術(shù)指標(biāo)分析；誤差分配及核心器件選擇的方法。

2020/12/1920步驟2：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案經(jīng)過(guò)方案論證，擬定的總體方案框圖如下：

其中，交直流轉(zhuǎn)換采用真有效值轉(zhuǎn)換器方案。設(shè)計(jì)舉例二：交流數(shù)字電壓表步驟1：審題（略）2020/12/1921步驟3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇指標(biāo)①，頻率范圍為20Hz～2MHz

含義：要求組成量程轉(zhuǎn)換器的運(yùn)算放大器芯片和有效值轉(zhuǎn)換器芯片具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)特性。實(shí)際設(shè)計(jì)中，信號(hào)頻率范圍要與測(cè)量誤差、量程等指標(biāo)結(jié)合在一起綜合考慮。準(zhǔn)確理解技術(shù)指標(biāo)的含義；分析誤差與哪些部分電路相關(guān)；對(duì)總指標(biāo)進(jìn)行分配；選擇核心芯片并形成各部分電路。步驟2：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案步驟1：審題（略）2020/12/1922指標(biāo)②、測(cè)量誤差：±1%讀數(shù)±2個(gè)字；

在20Hz～2MHz頻率范圍內(nèi)，每一個(gè)頻率點(diǎn)都能達(dá)到以上測(cè)量精度。第１項(xiàng)誤差為被測(cè)電壓值的1%，與量程轉(zhuǎn)換電路、真有效值轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器三部分電路轉(zhuǎn)換系數(shù)的誤差有關(guān)。第２項(xiàng)誤差為固定的2個(gè)字，是與被測(cè)電壓無(wú)關(guān)的量化誤差。技術(shù)指標(biāo)分析：步驟3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇誤差分配：根椐電路難易程度，將總誤差（1%）分配給儀器的各個(gè)部分電路。2020/12/1923誤差分配：

分配給A/D轉(zhuǎn)換器的測(cè)量誤差：小于0.1%；分配給量程轉(zhuǎn)換(放大器)的測(cè)量誤差：小于0.1%；分配給真有效值轉(zhuǎn)換器的測(cè)量誤差：小于0.8%

則儀器的總誤差將小于1%放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的測(cè)量誤差小于0.1%不困難；難點(diǎn)在于：真有效值轉(zhuǎn)換器的電壓測(cè)量誤差應(yīng)小于0.8%根椐電路難易程度，將總誤差（1%）分配給儀器的各個(gè)部分電路。指標(biāo)②、測(cè)量誤差：±1%讀數(shù)±2個(gè)字；

2020/12/1924依據(jù)1：由設(shè)計(jì)資料可知，AD637的帶寬與輸入信號(hào)電壓幅度有關(guān)，當(dāng)幅值太大或較小時(shí)，AD637的帶寬都將變窄。例如，8MHzat2VRMSInput；

1MHzat200mVRMSInput測(cè)量誤差的分配：技術(shù)指標(biāo)分析：器件選擇（主要是真有效值轉(zhuǎn)換器的選擇）依據(jù)2：實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明：當(dāng)輸入信號(hào)頻率不大于2MHz時(shí)，輸入信號(hào)的電壓有效值在0.7V～7V范圍內(nèi)能保證測(cè)量誤差≤±0.4%+0.5mV。根據(jù)題目要求，擬選用AD637/k作為真有效值轉(zhuǎn)換器的核心器件；

結(jié)論：為了確保AD637在20Hz～2MHz范圍內(nèi)，測(cè)量誤差均小于0.8％，

要求量程電路的歸一化輸出電壓范圍限定為0.7～7V(有效值)指標(biāo)②、測(cè)量誤差：±1%讀數(shù)±2個(gè)字；

步驟3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇2020/12/1925指標(biāo)③、量程：0.1V，1V，10V；3個(gè)量程顯示范圍分別為00.1mV～99.9mV（0.1V量程）；001mV～999mV（1V量程）；0.01V～9.99V（10V量程）。

量程轉(zhuǎn)換器的組成：

10V量程：K1釋放，K2釋放(×1)1V量程：K1釋放，K2閉合(×10)0.1V量程：K1閉合，K2閉合(×100)步驟3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇量程電路可以采用兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)，每級(jí)放大器增益為1、10可選，當(dāng)增益分別選擇為1、10時(shí)，便能實(shí)現(xiàn)10V、1V、0.1V三個(gè)量程的選擇。2020/12/1926

單位增益帶寬（電壓反饋型）＞25MHz

電壓反饋型運(yùn)放增益帶寬積GBW的概念：在小信號(hào)情況下，單位增益帶寬大于增益與帶寬的乘積；由于每級(jí)放大器增益最大為10，再考慮級(jí)聯(lián)等因素的影響，則選擇運(yùn)放芯片的單位增益帶寬大于25MHz。也可以采用帶寬應(yīng)大于5MHz的電流反饋型運(yùn)放。

電壓擺率(SR)＞

200V/μs

本設(shè)計(jì)中放大器的最大輸出電壓為10V(幅度Vom=14.14V)，最高頻率為2MHz，則要求集成運(yùn)放的壓擺率SR＞2πVom·f=178V/μs。對(duì)量程電路中集成運(yùn)放的要求：量程電路核心器件的選擇：（要求量程電路總誤差≤0.1%，帶寬＞2MHz）指標(biāo)③、量程：0.1V，1V，10V；步驟3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇2020/12/1927運(yùn)算放大器的選擇：

采用AD811（電流反饋型）

3dB帶寬：

SR=2500V/μs

能滿足要求

采用AD817（電壓反饋型）單位增益帶寬=

50MHz，

SR=350V/μs

能滿足要求

采用LF357（電壓反饋型）單位增益帶寬=

20MHz，

SR=50V/μs滿足部分要求條件：?jiǎn)挝辉鲆鎺挘妷悍答佇停?5MHz；電壓擺率(SR)＞200V/μs指標(biāo)③、量程：0.1V，1V，10V；2020/12/1928指標(biāo)④，3位數(shù)字顯示，最大顯示數(shù)為999

例如，本設(shè)計(jì)選擇MAX197。MAX197具有0～5V，0～10V，-5～5V，-10～10V四種滿量程輸入電壓范圍供選擇。本題量程電路的歸一化的輸出電壓范圍為0.7～7V，則選擇0～10V輸入電壓范圍。

為了使AD637最大輸出電壓與MAX197的最大輸入電壓一致，需增加設(shè)計(jì)刻度調(diào)節(jié)電路。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)該高于或等于儀器精度的3倍（最好一個(gè)量級(jí)）。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率必須高于或等于顯示分辨率。

A/D轉(zhuǎn)換器滿量程輸入電壓范圍的選擇A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇步驟3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇因此，本題電壓表的A/D轉(zhuǎn)換器的相對(duì)分辨率應(yīng)高于11bit。

建議取12位A/D轉(zhuǎn)換器，例如，MAX197，AD574，ICL7109。2020/12/1929步驟2：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案步驟3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差分配、核心器件的選擇步驟4：整機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)；儀器目前狀態(tài)：10V量程設(shè)計(jì)舉例二：交流數(shù)字電壓表步驟1：審題2020/12/1930步驟5：組裝、調(diào)試及測(cè)試

先調(diào)10V量程（基本量程）檔：先調(diào)零點(diǎn)，然后輸入一個(gè)電壓值，例如Ux=5V；調(diào)RW1使AD637的輸出為3.5V；調(diào)RW4使顯示器顯示5.00V（即MAX157的輸出）。再調(diào)1V量程檔（K1吸合）：輸入一個(gè)電壓值（0.5V）；調(diào)RW2使顯示器顯示0.500V（即MAX157的輸出）。最后調(diào)0.1V量程（K2吸合）：輸入電壓值50mV；調(diào)RW3使顯示器顯示50.0mV（即MAX157的輸出）。制定一個(gè)合理的調(diào)試步驟，然后嚴(yán)格按照調(diào)試步驟進(jìn)行調(diào)試。

其中調(diào)試一定要按特定的次序進(jìn)行2020/12/1931學(xué)生作品舉例×1×10(×100)8位？×10被測(cè)信號(hào)（直流）優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)放反饋網(wǎng)絡(luò)無(wú)開(kāi)關(guān)不足：8位A/D分辨率低于999，顯示時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)跳字現(xiàn)象，跳字步進(jìn)約為4。（×1）（×10）2020/12/1932題目要求：測(cè)量矩形脈沖信號(hào)的幅度Vm，被測(cè)脈沖信號(hào)幅度范圍為0.1～10V，測(cè)量誤差不大于2%。其他條件：頻率fo范圍為10Hz～2MHz，占空比D范圍為10％～90％2016年TI杯省聯(lián)賽E題“脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)量?jī)x”的部分內(nèi)容。

設(shè)計(jì)舉例三：脈沖幅度參數(shù)的測(cè)量VMAXVTOPVMINVBASEVP-P關(guān)鍵：測(cè)試VTOP注：脈沖信號(hào)幅度Vm參數(shù)具有特定的涵義2020/12/1933脈沖幅度Vm的確定（IEC標(biāo)準(zhǔn)）不宜采用檢波器方法！應(yīng)該采用基于高速采樣技術(shù)的測(cè)量方法。

最困難的測(cè)試點(diǎn)：

當(dāng)fo=2MHz，D=10%時(shí)，對(duì)應(yīng)的信號(hào)脈沖寬度為50ns脈寬為50ns的脈沖信號(hào)對(duì)電路帶寬及采樣率均提出較高的要求！步驟1：審題（分析難點(diǎn)并確定對(duì)應(yīng)的解決方案）2020/12/1934基于高速數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的幅度測(cè)量方法分析主要問(wèn)題：需要高速A/D轉(zhuǎn)換器。例如，本題被測(cè)信號(hào)最小脈寬為50ns，

若在一個(gè)周期內(nèi)取25個(gè)數(shù)據(jù)，則A/D轉(zhuǎn)換器采樣速率約需500MHz。解決方案：采用新的測(cè)量算法，以便能適度降低采樣速率。①設(shè)置一個(gè)閾值，取大于閾值的采樣數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)；

②對(duì)存儲(chǔ)的采樣數(shù)據(jù)排序，取其中間值（或去極值去平均）作為幅值2020/12/1935數(shù)據(jù)處理步驟：設(shè)置一個(gè)閾值，在多個(gè)周期內(nèi)，取若干個(gè)（例如25個(gè)）大于閾值的采樣數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)對(duì)存儲(chǔ)的采樣數(shù)據(jù)排序，取其中間值（或去極值去平均）作為幅值作品案例：采用采樣速率為50MHz（20ns）的A/D轉(zhuǎn)換器，則在脈寬為50ns的被測(cè)脈沖信號(hào)上，一個(gè)周期內(nèi)至少可以取得1個(gè)幅度近似為Vm的采樣值。2020/12/1936測(cè)量電路框圖量程轉(zhuǎn)換電路帶寬的分析測(cè)量誤差的分析及分配步驟2：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案步驟3：技術(shù)指標(biāo)分析、技術(shù)指標(biāo)分配步驟1：審題（分析難點(diǎn)并確定對(duì)應(yīng)的解決方案）2020/12/1937周期矩形脈沖信號(hào)的時(shí)域波形周期矩形脈沖信號(hào)的頻譜量程轉(zhuǎn)換電路帶寬的分析步驟3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差指標(biāo)分配

決定電路帶寬的被測(cè)信號(hào)參數(shù)是：fo=2MHz，D=10%，對(duì)應(yīng)脈沖寬度τ

=50ns

2020/12/1938量程轉(zhuǎn)換電路帶寬的分析測(cè)量誤差的分配步驟3：技術(shù)指標(biāo)分析、誤差指標(biāo)分配測(cè)量誤差來(lái)源于量程轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換器。根據(jù)兩部分電路的難易程度，分配給（寬帶）量程轉(zhuǎn)換電路的誤差為不大于0.5%；因此分配給A/D轉(zhuǎn)換器（采樣率為50MHz）的誤差為不大于1.5%。題目要求：被測(cè)信號(hào)的幅度范圍為0.1～10V，測(cè)量誤差不大于2%。2020/12/1939步驟4：整機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)、核心器件的選擇量程一般由程控放大器和衰減器組合而成。量程間一般為10倍率（例如數(shù)字電壓表）；為了降低對(duì)后面A/D轉(zhuǎn)換器的要求，量程間也可選擇為5倍率或2倍率（例如數(shù)字示波器）。量程轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)：設(shè)本例量程間選擇為5倍率，其量程電路結(jié)