《综合测试仪》作品解析.ppt

综合测试仪,设计并制作一个综合测试仪，包括电压表、正弦波振荡器等部分，示意图如下：,,电压表电平振荡器幅频特性测试功能,,一、命题意图二、交流电压表的设计方法三、正弦波振荡器的设计方法四、幅频特性测试功能的实现,本题涉及的主要电路： 电压表部分 ——— 交流电压测量增益可程控的宽带放大、真有效值 (AC/DC)转换、 A/D 转换等 振荡器部分———正弦波信号发生器信号源(DDS)、输出幅度的控制(增益可程控的宽带放大与衰减),一、命题意图,为了实现题目的所有功能，设计方案应是一个以微控制器为核心的电子系统，因而设计将涉及单片机、A/D 转换等数字化处理技术；,,,,,,涵盖了宽带放大、衰减、检波、频率合成、滤波、输入阻抗、输出阻抗等多个概念,电压表是一个典型电子系统，电子系统设计的一般步骤是：,审题，方案论证，建立总体设计方案对技术指标进行分析；以此为依据进行指标分配、选择核心器件硬件电路设计、软件系统设计组装、调试撰写设计报告二、交流电压表的设计方法,1、建立总体设计方案,两种实现方案：1) 采用高速A/D转换器对被测交流信号直接采样，然后再通过数据处理得到信号的电平值。

2) 先采用 AC/DC (真有效值转换器) 将被测的交流信号电压转换为与其有效值相等的直流电压，然后通过A/D转换器对该直流电压进行采样，得到被测交流信号的电平值二、交流电压表的设计方法,1、建立总体设计方案,2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择,经整理，题目要求电压表满足的主要技术指标有如下5条：①、频率范围：20 Hz～1MHz；②、测量误差：±(3%读数+2个字)；③、显示范围：.001V～9.99V（可分多量程）④、输入阻抗：分600 Ω 、高阻(≥5MΩ)两档⑤、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能二、交流电压表的设计方法,1、建立总体设计方案,2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择,指标1，频率范围：20 Hz～1MHz,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、测量显示范围等指标结合在一起综合考虑二、交流电压表的设计方法,指标1，频率范围：20 Hz～1MHz2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择,指标2，测量误差：±(3%读数+2个字),数显仪表中，电压测量误差表达式一般由二部分组成： 第①项是误差表达式中的相对部分，为被测电压值的3%； 第②项是误差表达式的绝对部分，为固定的2个字。

它在数字仪表中是与被测电压值无关的量化误差为了减少第②项误差(量化误差)，量程转换电路送到A/D转换器输入端的电压应尽量大在20 Hz～1MHz频率范围内，每一点都能达到的测量精度),指标1，频率范围：20 Hz～1MHz2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择,指标2，测量误差：±(3%读数+2个字),数显仪表中，电压测量误差表达式一般由二部分组成： 第①项是误差表达式中的相对部分，为被测电压值的3%； 第②项是误差表达式的绝对部分，为固定的2个字它在数字仪表中是与被测电压值无关的量化误差为了减少第②项误差(量化误差)，量程转换电路送到A/D转换器输入端的电压应尽量大影响第①项误差的主要环节有量程转换电路、真有效值转换器、A/D转换器三部分 若某一部分产生的误差能小于仪器总误差一个数量级，则对仪器总误差的影响将很小 实际分配时，应根椐每个模块电路的实现难度进行合理分配,根椐以上原则，若分配： A/D转换器的电压测量误差小于 0.1%； 量程转换(放大器)的电压测量误差小于 0.5% ； 真有效值转换器的电压测量误差小于 2% 则仪器的总误差将小于2.6% (＜3% ),关键：真有效值转换器的电压测量误差应小于 2%,,,①带宽：8 MHz at 2 V RMS Input 600 kHz at 100 mV RMS② 输入电压范围： 0 ～ 7V (有效值),当输入信号电压幅值较小时，AD637的带宽将会变窄,由AD637的设计资料可知：,,作品1、作品2提供的实际测量数据表明， 当输入信号的频率不大于2MHz时，其输入信号的电压有效值在0.7V～7V范围内能保证测量误差≤±2%+0.5mV。

每个量程归一化的输出电压范围设定为0.7 ～ 7V(有效值),,,,,,,指标1，频率范围：20 Hz～1MHz2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择,指标2，测量误差：±(3%读数+2个字),指标3，显示范围：.001V～9.99V (要求三位数字显示),含义1：仪器的显示分辨率为0.001V(相对分辨率为0.1%) 因此电压表的A/D转换器的相对分辨率也应小于0.1%考虑留有一定余量，设计应取12位以上的A/D转换器含义2：电压表最少应设置二个量程： ① 10V量程(显示范围: V ～ V ) ② 1 V量程(显示范围: V ～ V ),指标1，频率范围：20 Hz～1MHz2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择,指标2，测量误差：±(3%读数+2个字),指标3，显示范围：.001V～9.99V (要求三位数字显示),含义2：电压表最少应设置二个量程： ① 10V量程(显示范围: V ～ V ) ② 1 V量程(显示范围: V ～ V ) 实际设计中，送到AD637输入端的信号电压有效值小于 0.7V 时，它的转换精度将不能达到预定的要求，为此需要再设置0.1V量程。

③ 0.1V量程(显示范围: mV ～ mV ),含义1：仪器的显示分辨率为0.001V(相对分辨率为0.1%) 因此电压表的A/D转换器的相对分辨率也应小于0.1%考虑留有一定余量，设计应取12位以上的A/D转换器指标1，频率范围：20 Hz～1MHz2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择,指标2，测量误差：±(3%读数+2个字),指标3，显示范围：.001V～9.99V (要求三位数字显示),根据以上分析，电压表应设置三个量程： 10V量程(显示范围: V ～ V ) 1 V量程(显示范围: V ～ V ) 0.1V量程(显示范围: mV ～ mV ),① 由于最大量程为10V，所以量程转换器主要由放大器组成 ② 最小量程为0.1V挡时，为了将0.1V的电压放大到10V，该量程转换器的增益(最大增益)应为100倍 ③ 量程转换器采用两级放大器级联组成，每级放大器的增益为 1、10 两种值可控，当两个放大器的增益分别选择为1、10 时，便能实现电压表的 10V、1V、0.1V 三个量程的选择功能。

① 10V量程： K0释放，K1释放×1) ② 1 V量程： K0释放，K1闭合×10) ③ 0.1V量程： K0闭合，K1闭合×100),量程转换器的组成：,对量程转换器的整体要求： ① 频带宽度： 1 MHz ② 放大级数： 2 级 ③ 每级 放大倍数： 1、10 倍 可选,① 单位增益带宽： ＞ 15 MHz 电压反馈型运放增益带宽积GBW的概念：在小信号情况下，单位增益带宽大于增益与带宽的乘积；再考虑级联的影响，则运放芯片的单位增益带宽应大于15MHz 也可以采用电流反馈型运放（参见TI资料4.12节） ② 电压摆率(SR)： ＞ 88.86V/μs 电压摆率(或全功率带宽)的概念：本设计中放大器的最大输出电压达到10V(幅度Vom=14.14V)，信号的最高频率为1MHz，则要求集成运放的压摆率SR＞2πVom·f=88.86 V/μs (全功率带宽 ＝ SR / 2πVom),对构成量程转换器的集成运放的要求：,例2：采用AD811 （电流反馈型） 3dB带宽： SR = 2500V/μs 能满足要求,例1：采用AD817（电压反馈型） 单位增益带宽 = 50MHz， SR = 350 V /μs 能满足要求,核心器件选择,例1：采用LF357（电压反馈型） 单位增益带宽 = 20MHz， SR = 50 V /μs 满足部分要求,由AD817 DATA SHEET 提供的设计资料得知：,,,还要考虑运放其它技术指标是否符合设计要求： 例：放大器的最大输出电压幅度达到 Vom= ±14.14V ， 若采用AD817，其额定工作电压应选择为： ±18 V,,,由AD811 DATA SHEET 提供的设计资料得知：,,,,还要考虑运放其它技术指标是否符合设计要求： 例：放大器的最大输出电压幅度达到 Vom= ±14.14V ， 若采用AD811，其额定工作电压应选择为： ±18 V,,,二、电压(电平)表的设计方法,1、建立总体设计方案,2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择,3、电压表电路的设计,继电器 JK0、JK1 用于量程转换继电器 JK2 用于实现仪器高阻和600Ω输入阻抗的选择；继电器 JK3 用于实现仪器的自动零点调节功能。

由于量程转换器的每个量程的满程输出电压为10V，而有效值转换器AD637允许的最大输入电压为7V，因而在AD637前端加一衰减器，使输入AD637的最大电压控制在7V以内 为了减小对运放输入范围的要求，可将衰减器前移为了减小对运放输入范围的要求，可将衰减器前移×,AD637的输出是直流电压，可选用转换速率较低的A/D转换器但是，A/D转换器的位数应在12位以上，以满足仪器分辨率的要求； 例如，MAX197，AD574，ICL7109等 具体设计时，还要注意 A/D转换器输入电压范围与AD637输出电压范围的一致 例如，MAX197 有0～5V ，0～10V， -5～5V ，-10～10V 四种范围选择 本题可选择0～5V或0～10V 并且，MAX197和AD637之间还要加刻度调节电路题中要求电压显示范围为0.001－9.99V，因而需要量程转换把量程分为10V、1V和0.1V三档由于有效值转换模块要求输入电压范围为0.7－7V，因此，首先通过模拟开关选通分别实现0.01倍、0.1倍和1倍的信号衰减，然后采用运算放大器把被测信号放大20倍，从而实现量程转换。

被测信号最高频率为1MHz、最大增益为20倍，所以要求运放增益带宽积为20MHz以上AD817的增益带宽积为50MHz，满足设计要求 输入阻抗为600Ω、高阻两档的调节通过拨码开关SW予以实现学生作品 1,,？,,学生作品 1,。