2015全国大学生电子设计大赛仪器仪表类赛题分析名校解读

全国大学生电子设计竞赛 仪 器 仪 表 类 赛 题 分 析,2012.11. 20,武汉大学 赵茂泰,几点认识 电压测量仪器设计 时间频率测量仪器设计 数字示波器设计 信号发生器设计 几点建议, 电子测量仪器设计涵盖的知识范围,电子测量是建立在模拟电路、数字电路、信号与系统、微机原理及接口等专业基础课的基础上，综合应用计算机、通信与控制等学科的专业知识而形成的一个独具特色的学科。 目前电子仪器基本上都以微处理器为核心，含有模数混合电路。且对新技术敏感，几乎所有电子技术的应用热点都会成为电子测量与仪器技术的生长点。,电子仪器设计所要求的知识点与电赛的要求完全一致。且仪器系统可以较容易地加工成学生4天内完成的赛题。因此，电子仪器类赛题是电子设计竞赛中出现最多的一类赛题。 实际上，其他类赛题中也包含有电子测量的内容。,1几点认识, 基本电子电路的设计是仪器设计的基础,电子测量仪器设计从本质上讲就是电子电路的设计。对仪器类赛题内容进行分析，最终往往会化解成为一些最基本电子电路的组合。 大学生电子设计竞赛是学科竞赛，不是纯粹意义上的产品设计竞赛。命题时将会刻意加强与电子电路密切相关的内容，淡化一些专业性较强的内容。,1几点认识,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，不仅得不到好的效果，也违背大学生电子设计竞赛的精神。, 准确理解电子仪器各项指标是做好设计的关键,进行电子仪器设计时，必须对各项技术指标（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。,1几点认识,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。 电子仪器的主要功能用于测试其它电子系统的性能指标，因此，电子仪器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。, 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。但以上设计过程是设计时的一个基本思路，实际设计时，可以根据实际情况作适当的调整。,1几点认识, 从学习的角度，应侧重掌握以下类仪器,基于电压测量的仪器 时间频率测量仪器 数字示波器 信号发生器,电子仪器种类繁多，但只要透彻掌握这类仪器原理，其他类型电子仪器的设计便不会存在大的障碍。,若能较好地掌握这类典型电子仪器的设计，今后工作遇到实际电子仪器设计课题时，只要分析课题的特殊要求，再学习一些相关知识，就能很快地进入设计状态。,几点认识,小 结,电子仪器类课题的训练工作应该建立在扎实的基础电子电路训练的基础上进行； 仪器类赛题的最核心的技术指标是测量误差； 仪器类课题训练的思路 重点掌握好类基本仪器的设计方法。,1几点认识,讲座仅侧重讨论与电子测量相关的一些问题。,电压测量仪器设计, 电压测量仪器分类 主要技术指标 设计举例, 电压测量仪器分类,指针式仪器 数字式仪器（以微处理器为核心）,直流电压测量（含电流、电阻等参数测量） 交流电压测量（含电流、电容、电感等参数测量） 有关物理量的测量（相关传感器电压测量）,直流电压测量是最基本的测量内容。,电压测量仪器设计, 主要技术指标,测量误差，最核心的指标，它与各项指标存在密切关系；,分辨率（或位数）， 虚指标。应高于测量误差；但过高提高分辨率 是没有意义的。实际上，分辨率仅与显示位数有关，而仪器的测量误差则取决于量程放大器、A/D转换器等的总误差。,量程（或测量范围），量程一般由程控的放大器和衰减器组合而成。量程之间一般为10倍率。在各量程10%100%范围内，均应达到测量误差的要求。,输入阻抗，一般越大越好，以减少由信号源内阻引起的测量误差；但高频信号仪器有时要求规定为50、75等，以与信号源内阻匹配。,频率范围（指交流电压测量），在频率范围内任一频率点，均应达到测量误差的要求。即对仪器中放大器的带宽及频带平坦度提出要求。,其他（略）。,电压测量误差技术指标的分析,测量误差常用的表示形式：,绝对误差： 读数值-真实值,相对误差：分真实值相对误差和读数值相对误差两种 （真实值）×100 或 （读数值）×100 （工程中常采用）,引用误差（相对满度误差）： （max满度值）×100 式中，max为量程范围内测量值的最大绝对误差,国家标准：采用引用误差来定义指针式仪器准确度的等级,国家标准规定： 指针仪表准确度（S）分为 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 7级，对应的引用误差分别不大于±0.1、±0.2、±0.5、±1.0、±1.5、±2.5、±5.0。,例：某量程为100mA电流表，用标准表校验后结果如下：,则满度相对误差： r =（max满度值）×100=,由于2.0 r 2.5，则该仪器的准确度应该定为. 级。,用满度相对误差定义仪器准确度会浪费仪表的固有品质。,指针式仪器的准确度一般按引用误差的大小分为不同的等级,例如，若用该表（2.5级）测某一电流，读数为50mA，则认为： 本次测量的绝对误差 =2.5mA，（实际仅为0.5mA） 本次测量的相对误差 r = 5， (实际仅为1 ）,指针式仪器的准确度一般按引用误差的大小分为不同的等级 数字式仪器的准确度常采用两项误差之和的形式来表示,表达式：±（aVxbVm ） 式中：Vx为测量电压的指示值；Vm为测量电压的满度值。,“a”项误差也称读数误差，其大小与读数Vx成正比。主要由衰减器、放大器、模拟开关和A/D转换器等转换系数的不准及非线性等因素产生。 “b”项误差也称固定误差，其大小不随读数变化而变化。主要由量化、偏移等因素而产生的误差。 当被测电压较大时，测量准确度主要由读数误差决定，b项误差影响很小。因此在测量中，应合理选择量程。,数字仪器用“a”和“b”两个参数来表示某个仪器的准确度,电压测量误差技术指标的分析,指针式仪器一般采用相对满度误差表示 数字式仪器常采用两项绝对误差之和的形式来表示,表达式： ±（aVx bVm）,例，某3位半数字电压表的测量误差为 ±（0.1Vx0.1Vm） 由于 0.1×（ 19991） 2，测量误差也可表示为 ±（0.1Vx2个字）,表达式： = ±（a%VX n个字）,由于项误差不随读数而变，因此还可用“n个字”的形成表示,表达式和表达式是完全等价的。,电压测量误差技术指标的分析,直接用相对误差来表示仪器测量误差指标。这种简单的表示形式一般只有当仪器读数在量程的10%100%范围内时才能达到这个指标。如果被测电压的读数小于量程的10%时，将很难达到这个指标。,表达式： ±（aVx bVm） 表达式： ±（aVx n个字）,例如，某三位半电压表的测量误差为±（0.3Vx2个字），这时可以简单地用0.5%来表示它的测量误差。但只能当被测电压在仪器量程的10%100%范围内时，才能达到这个指标。 若某次测量在量程为2V（最大读数为1.999V ）时的读数为1.000V， 则±0.005V，测量误差 r ± 0.5% 意味被测电压的读数在量程的10%100%范围内时，可以直接用0.5%来表示它的测量误差,若某次测量在量程为2V时读数为0.010V， 则±0.002V，测量误差 r ± 20% 意味被测电压的读数小于量程的10%时，仪器达不到0.5%。,、频率范围：20Hz1MHz； 、测量误差：±(3%读数+2个字)； 、 3 位数字显示，最大显示数：999； 、量程：0.1V，1V，10V； 、输入阻抗分600 、高阻(5M)两档； 、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。,经整理，要求的主要技术指标如下：,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：交流电压表,目的：以本题为背景，讨论电子测量仪器设计的一般步骤；重点讨论技术指标分析；指标分配及核心器件选择的方法。,电子仪器类赛题设计的一般步骤,审题，对赛题要求进行分析； 在方案论证的基础上建立总体方案； 技术指标分析；指标分配及核心器件的选择； 整机硬件电路设计、软件系统设计； 组装、调试及测试； 撰写设计报告。, 设计举例：交流电压表,技术指标分析；指标分配及核心器件的选择； 准确理解技术指标的含义； 分析技术指标与哪些部分电路相关； 对总指标进行分配； 选择核心芯片并形成各部分电路。,步骤：在方案论证的基础上建立总体方案,经过方案论证，拟定的总体方案框图如下：, 设计举例：交流电压表,其中，交直流转换采用真有效值转换器方案。,、频率范围：20Hz1MHz； 、测量误差：±(3%读数+2个字)； 、3 位数字显示，最大显示数：999； 、量程：0.1V，1V，10V； 、输入阻抗分600 、高阻(5M)两档； 、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。,步骤：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择,指标，频率范围为 20 Hz1MHz,含义：要求组成量程转换器的运算放大器芯片和有效值转换器芯片具有足够宽的频率响应特性。 实际设计中，信号频率范围要与测量误差、量程等指标结合在一起综合考虑。,步骤2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择,指标、测量误差：±(3%读数+2个字)；,在20Hz1MHz频率范围内，每一点都能达到以上测量精度。 第项误差为被测电压值的3%，与量程转换电路、真有效值转换器、A/D转换器三部分电路转换系数的误差有关。 第项误差为固定的2个字，是与被测电压无关的量化误差。,技术指标分析：,技术指标（误差）分配：,误差分配：将仪器总误差合理分配给各个部分电路。以确定各个部分电路设计时应该达到的测量误差。 若某一部分电路产生的误差能小于仪器总误差一个数量级以上，则该项误差对仪器总误差的影响将可以忽略。（尽量使每级的误差 ） 实际分配时，应根椐各部分电路实现的难度程度进行合理分配。 主要对第项误差(3%读数)进行分配，,步骤2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择,技术指标（误差）分配：,要求A/D转换器的测量误差小于 0.1%； 要求量程转换(放大器)的测量误差小于 0.5% ； 要求真有效值转换器的测量误差小于 2% 则仪器的总误差将小于2.6% (3% ),难点：真有效值转换器的电压测量误差应小于 2%,根椐以上分配原则及实际经验，各部分电路指标分配如下：,指标、测量误差：±(3%读数+2个字)；,根据平时积累，拟选用AD637作为真有效值转换器的核心器件； 由AD637的设计资料可知，其带宽与输入信号电压幅度有关，当幅值太大或较小时，AD637的带宽都将变窄。例如， 8MHz at 2V RMS Input； 600 kHz at 100mV RMS。,步骤2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择,技术指标（误差）分配：,技术指标分析：,核心器件的选择：,因此，需要通过论证及必要实验来确定：在20Hz1MHz范围内，测量误差小于2时所允许的输入信号电压幅度范围,指标、测量误差：±(3%读数+2个字)；,还需要通过实验验证。 通过实验和实际测量的结果表明：当输入信号的频率不大于1MHz时，输