南华大学黄智伟 备战电子设计竞赛 仪器仪表类赛题分析.docx
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南华大学黄智伟备战电子设计竞赛仪器仪表类赛题分析
南华大学黄智伟备战电子设计竞赛“仪器仪表类”赛题分析
1.历届的“仪器仪表类”赛题
在10届电子设计竞赛中,“仪器仪表类”赛题是电子设计竞赛中出现的最多类型的赛题,“仪器仪表类”赛题除了1994年和2009年外,其它每届都有,共有14题[1]:
简易电阻、电容和电感测试仪(1995年D题)
简易数字频率计(1997年B题)
数字式工频有效值多用表(1999年B题)
频率特性测试仪(1999年C题)
简易数字存储示波器(2001年B题)
低频数字式相位测量仪(2003年C题)
简易逻辑分析仪(2003年D题)
集成运放参数测试仪(2005年B题)
简易频谱分析仪(2005年C题)
音频信号分析仪(2007年A题)【本科组】
数字示波器(2007年C题)【本科组】
积分式直流数字电压表(2007年G题)【高职高专组】
简易数字信号传输性能分析仪(2011年E题)【本科组】
简易自动电阻测试仪(2011年G题)【高职高专组】
如果将信号源类赛题(4题)[1]也包括进来,如:
实用信号源的设计和制作(1995年B题);波形发生器(2001年A题);正弦信号发生器(2005年第七届A题);信号发生器(2007年H题)【高职高专组】,“仪器仪表类”赛题达到18题。
可以看出,仪器仪表类赛题是电子设计竞赛中出现的最多类型的赛题。
2.历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案
2.1简易电阻、电容和电感测试仪(1995年D题)
2.1.1简易电阻、电容和电感测试仪设计要求[1]
设计并制作一台数字显示的电阻、电容和电感参数测试仪,测量范围:
电阻100Ω~1MΩ;电容100pF~10000pF;电感100μH~10mH。
测量精度为±5%。
制作4位数码管显示器,显示测量数值,并用发光二极管分别指示所测元件的类型和单位。
设计详细要求与评分标准等请登录www.查询。
2.1.2简易电阻、电容和电感测试仪系统设计方案
1.电阻的测量
(1)伏安法:
伏安法的理论根据是欧姆定律,即R=U/I,具体方法是直接测量被测电阻上的端电压和流过的电流,再计算出电阻值。
此法看来简单易行,但要准确测量,需要根据具体情况选择合适的仪器和测量方法。
(2)数字多用表中的电阻测量方法:
利用直流电源、输入电阻和运算放大器组成一个多值恒流源,实现多量程电阻测量,各量程电流、电压值可以设置。
恒流I(I=E/R)通过被测电阻Rx,由数字电压(DVM)表测出其端电压Ux,则Rx=Ux/I。
(3)高值电阻的测量:
测量高值电阻可采用电压源分压的方法。
由于高值电阻Rx很大,进行实际测量时要求:
①缓冲放大器必须有极高的输入阻抗。
仪器的直流输入缓冲器采用级联型场效应对管作为高输入阻抗级。
②电路绝缘良好。
为减少缓冲放大器、印制电路板等泄漏,对印制板材料、工艺、防潮等方面要采取措施。
③采用误差修正技术,通过计算,消去分压误差。
(4)电桥法:
电桥法又称零示法,它利用指零电路作为测量的指示器,工作频率很宽,能在很大程度上消除或削弱系统误差的影响,精度很高,可达到10-4。
应当指出,在实际应用中,测量电阻采用直流双臂电桥(也称凯尔文电桥)。
信号源是直流电源,通常采用大容量的蓄电池。
这种直流电桥能消除由于接线电阻和接触电阻造成的测量误差,测量小电阻的准确度可做到10-5。
2.电感、电容的测量
(1)电桥法:
实际上采用电桥法的阻抗测量仪都是多功能仪器,常称为万能电桥。
它是交流电桥,可测量电阻、电感和电容、线圈的Q值以及电容器的损耗等,是一种多用途、宽量程的便携式仪器。
电桥由桥体、信号源(1000Hz振荡器)和晶体管指零仪3部分组成。
桥体是电桥的核心部分,由标准电阻、标准电容及转换开关组成,通过转换开关切换,可以构成不同的电桥电路,对电阻、电容、电感进行测量。
(2)谐振法(Q表):
谐振法是测量阻抗的另一种基本方法。
它是利用调谐回路的谐振特性而建立的测量方法。
测量精度虽说不如交流电桥法高,但是由于测量线路简单方便,在技术上的困难要比高频电桥小(主要是杂散藕合的影响)。
再加上高频电路元件大多用于调谐回路中,故用谐振法进行测量也比较符合其工作的实际情况。
所以在测量高频电路参数(如电容、电感、品质因数、有效阻抗等)中,谐振法是一种重要的手段。
将回路调至谐振状态,根据已知的回路关系式和已知元件的数值,可以求出未知元件的参量。
(3)便携式数字万用表中的L、C测量:
在便携式数字万用表中,为降低成本采用时常数法。
时常数τ=RC。
3.电阻、电容和电感参数测试仪系统方案
一个电阻、电容和电感参数测试仪系统结构如下所示:
电阻、电容和电感利用RC振荡器和LC振荡器,使其R、C、L值与振荡频率相关。
AT89S52单片机根据所选通道,向模拟开关送两位地址信号,取得RC振荡器(采用555定时器电路)或者LC振荡器(电容三点式振荡电路)振荡频率,然后根据所测频率判断是否转换量程,将数据进行处理后,送数码管显示相应的被测R、C、L值参数值。
2.2简易数字频率计(1997年B题)
2.2.1简易数字频率计设计要求[1]
设计并制作一台数字显示的简易频率计。
1.设计要求
(1)基本要求
①频率测量
a.测量范围信号:
方波、正弦波;幅度:
0.5V~5V;频率:
1Hz~1MHz;
b.测量误差≤0.1%。
②周期测量
a.测量范围信号:
方波、正弦波;幅度:
0.5V~5V;频率:
1Hz~1MHz;
b.测量误差≤0.1%。
③脉冲宽度测量
a.测量范围信号:
脉冲波;幅度:
0.5V~5V;脉冲宽度≥100μs;
b.测量误差≤1%。
④显示器
十进制数字显示,显示刷新时间1~10秒连续可调,对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。
⑤具有自校功能,时标信号频率为1MHz。
⑥自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。
(2)发挥部分
①扩展频率测量范围为0.1Hz~10MHz(信号幅度0.5V~5V),测量误差降低为0.01%(最大闸门时间≤10s)。
②测量并显示周期脉冲信号(幅度0.5V~5V、频率1Hz~1kHz)的占空比,占空比变化范围为10%~90%,测量误差≤1%。
③在1Hz~1MHz范围内及测量误差≤1%的条件下,进行小信号的频率测量,提出并实现抗干扰的措施。
2.2.2简易数字频率计系统设计方案[2,8,9]
1.频率测量方法
(1)计数式直接测频:
在计数式直接测频的方法中,主门具有“与门”的逻辑功能。
主门的一个输入端送入的是频率为ƒX的窄脉冲,它是由被测信号经A通道放大整形后得到的。
主门的另一个输入端送入的是来自门控双稳的闸门时间信号Ts。
因为门控双稳是受时基(标准频率)信号控制的,所以Ts既准确又稳定。
设计时通过晶体振荡器和分频器的配合,可以获得10s、1s、0.1s等闸门时间。
由于主门的“与”功能,它的输出端只有在闸门信号Ts有效期间才有频率ƒX的窄脉冲输出,并送到计数器去计数,计数值为N=TS/TX=TS*ƒX,它与被测信号的频率ƒX成正比,由此可得ƒX=N/TS。
(2)计数式直接测周期:
与计数式直接测频方法相比,其中门控双稳改由输入信号放大、整形和分频后的脉冲控制,所以闸门时间的宽度就等于k倍被测信号的周期kTX;而主门的另一个输入端,送入由晶体振荡器和分频器产生的周期为T0的时标脉冲信号。
由于主门的“与”功能,它只在kTX期间有时标脉冲信号输出,并由计数器计数,其值为N。
不难看出,被测信号的周期为:
TX=NT0/k。
(3)计数式测量时间间隔:
计数式测量时间间隔是在测周期的方框图基础上,将门控双稳改为分别由两个测时通道输出的脉冲信号来控制,其中一个脉冲与被测时间间隔的起点相对应,称为启动信号,它使门控双稳置位而开启主门;另一个脉冲则与被测时间间隔的终点相对应,称为停止信号,它使门控双稳复位而关闭主门。
因此闸门信号的宽度以及主门开启的时间就等于被测的时间间隔ΔTX,在这段时间内由计数器计下的时标脉冲To的数目为N,因此被测时间间隔为:
ΔTX=NT0。
(4)等精度测频、测周期:
倒数计数器采用多周期同步测量法,即测量输入信号的多个(整数个)周期值,再进行倒数运算而求得频率。
与直接测量法相比其优点是,可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。
(5)等精度测时间间隔:
要对两路脉冲信号之间的时间间隔进行等精度测量,可在等精度测频、测周期方法的基础上增加一个同步电路2(D触发器)和一个B输入通道,并将其输出反相后送到同步电路2的复位端上,该同步电路的触发时钟由输入通道A的输出经两级反相器延时后得到,该同步电路的输出UQ2由计数器A直接计数,同时还作为闸门B的开门信号,由计数器B记录通过闸门B的时钟脉冲的数目,最后将两个计数器所计得的数送运算电路进行处理,便可获得被测时间间隔的值。
若将两个输入通道的输入端连在一起,并分别选择两个通道的触发极性和调节触发电平,使得在脉冲的前沿处产生一个与ƒA对应的脉冲;而在被测脉冲的后沿处产生一个与ƒB对应的脉冲,就能实现对脉冲宽度的测量。
在测得信号的脉冲宽度及其周期的基础之上,通过计算就可得到占空比。
2.设计方案
(1)采用FPGA等可编程器件可以方便地完成不同测量原理的频率计设计。
(2)以AT89S52单片机为核心构成频率计,采用高阻抗、高增益的前端放大器和分频器,采用屏蔽和看门狗、软件陷阱、软件容错等多种软件抗干扰措施。
将被测量的输入信号(0.1Hz~30MHz)划分成0.1Hz~1Hz、1Hz~50kHz、50kHz~1MHz、1MHz~30MHz四个频段,分别是对小于1MHz与大于1MHz的信号采用了两个预处理放大器,分别进行放大,接着对放大器输出的信号进行整形、分频处理。
利用单片机进行频率、周期、脉宽、占空比的测量和计算处理,运算结果串行输出到数码显示。
2.3数字式工频有效值多用表(1999年B题)
2.3.1数字式工频有效值多用表设计要求[1]
设计并制作一个能同时对一路工频交流电(频率波动范围为50±1Hz、有失真的正弦波)的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数进行测量的数字式多用表。
(1)基本要求
①测量功能及量程范围
a.交流电压:
0~500V;
c.有功功率:
0~25kW;
d.无功功率:
0~25kvar;
e.功率因数(有功功率/视在功率):
0~1。
②为便于本试题的设计与制作,设定待测0~500V的交流电压、0~50A的交流电流均已经相应的变换器转换为0~5V的交流电压。
③准确度
a.显示为位(0.000~4.999),有过量程指示;
b.交流电压和交流电流:
±(0.8%读数+5个字),例:
当被测电压为300V时,读数误差应小于±(0.8%×300V+0.5V)=±2.9V;
c.有功功率和无功功率:
±(1.5%读数+8个字);
d.功率因数:
±0.01。
④功能选择:
用按键选择交流电压、交流电流、有功功率、无功功率和功率因数的测量与显示。
(2)发挥部分
①用按键选择电压基波及总谐波的有效值测量与显示。
②具有量程自动转换功能,当变换器输出的电压值小于0.5V时,能自动提高分辨力达0.01V。
③用按键控制实现交流电压、交流电流、有功功率、无功功率在测试过程中的最大值、最小值测量。
④其它(例如扩展功能,提高性能)。
2.3.2数字式工频有效值多用表系统设计方案[2,8,9]
设计要求对单相电的电参数进行测量,这些参数中,电压和电流为基本量,其他参数是导出量。
由于要求计算功率因数,需要对电流、电压信号进行同时采样。
如果采用非同时采样方法需要用软件修正的方法消除或减少引入的固定相位误差。
真有效值AC/DC转换常用的方法有:
热电变换法、采样计算法、模拟直接运算变换法和单片集成有效值转换组件(对数放大器)法等。
采样计算法能够对周期信号进行快速采样,获得多个离散值,再利用单片机的运算功能,进行相关运算,转换精度高,并可算出相位信息。
系统以AT89S52单片机为核心,包括数据采集、数据处理(单片机系统)和输入/输出模块(键盘/显示模块)三个模块。
输入的电压信号和电流信号通过可编程放大器PGA103进行放大和保持,通过多路开关进入A/D转换器被采样。
为保持采样间隔随信号频率的波动而发生相应的变化,即把一个周期等时间间隔采样变为等相位采样。
设计中采用锁相环电路,利用锁相环把信号的频率通过计数器进行64倍频,从而在需采集信号的一个周期中产生64个脉冲,利用此脉冲信号作为单片机的外部中断信号,快速启动AD转换器进行转换,实现高速数据采样。
(1)输入放大器电路设计:
为满足对大小不同的电流信号和电压信号进行处理,输入放大器电路采用可编程形式,由可编程运算放大器芯片PGA103组成,通过单片机对PGA103的引脚端1和引脚端2进行控制,可获得不同的放大倍数。
(2)信号采样和保持电路设计
在功率测量时,需要对电压、电流信号同时测量,但单片机对电压信号和电流信号的A/D转换只能依次进行,因此,需要采取采样保持电路对两路信号分别进行保持,利用单片机P1口的P1.4发出的控制信号,可对采样保持电路进行控制。
测量时,单片机先对电压信号进行采集与A/D转换,而此时的电流信号被送到采样保持电路保持,待电压信号处理完毕后再对所保持的电流信号进行转换。
信号采样和保持电路可采用AD585或者LF398等采样保持芯片。
(3)A/D采样电路设计:
A/D采样电路可采用多路开关CD4051和A/D转换器芯片AD754组成,如图5.4.6所示。
由单片机控制CD4051开关的导通,分别接入电压和电流信号放大器输出信号,在AD754中进行A/D转换后输出12Bit数字信号到单片机。
A/D采样电路也可以采用工业电力计量或多通道模拟量采集的芯片,如THS1206、AD73360等。
(4)信号频率采样和倍频电路设计:
采用等相位间隔方法对信号进行采样,采样间隔随信号频率的波动作相应的变化。
其实现方案是采用锁相环加计数器把信号的频率进行64倍频,从而在需采集信号的一个周期中产生64个脉冲,利用此脉冲信号作为单片机的外部中断信号,快速启动A/D转换器进行转换,实现高速数据采集。
在采用CD4046锁相环的信号频率采样和倍频电路中,TL082构成过零检测电路,CD4046完成锁相和倍频。
2.4频率特性测试仪(1999年C题)[1]
2.4.1频率特性测试仪设计要求
设计并制作一个频率特性测试系统,包含测试信号源、被测网络、检波及显示三部分。
(1)基本要求
①制作幅频特性测试
a.频率范围:
100Hz~100kHz;
b.频率步进:
10Hz;
c.频率稳定度:
10-4;
d.测量精度:
5%;
e.能在全频范围和特定频率范围内自动步进测量,可手动预置测量范围及步进频率值;
f.LED显示,频率显示为5位,电压显示为3位,并能打印输出。
②制作一被测网络
a.电路型式:
阻容双T网络;
b.中心频率:
5kHz;
c.带宽:
±50Hz;
d.计算出网络的幅频和相频特性,并绘制相位曲线;
e.用所制作的幅频特性测试仪测试自制的被测网络的幅频特性。
(2)发挥部分
①制作相频特性测试仪
a.频率范围:
500Hz~10kHz;
b.相位度数显示:
相位值显示为三位,另以一位作符号显示;
c.测量精度:
3°。
②用示波器显示幅频特性。
③在示波器上同时显示幅频和相频特性。
④其它。
2.4.2频率特性测试仪系统设计方案[2,8,9]
频率特性测试可采用冲激响应测试法和扫频测试法。
设计要求的频率范围为100Hz~100kHz,属于低频频率特性测试仪的频率范围,冲激响应测试法和扫频测试法两种方法都可采用。
设计要求频率按10Hz步进,采用频率步进式扫描的扫频测试法,操作起来更为方便。
扫频测试法可采用频率逐点步进或频率连续变化的方法,完成整个频率特性的测量。
这种方法无需对信号进行时域与频率的变换计算,可以通过对模拟量的测量和运算完成。
在采用扫频测试法的频率特性测试仪中,扫描同步控制部分产生锯齿或阶梯型扫描电压,同步地控制压控振荡器(VCO)和显示部分的工作,以及对整机其它部分的性能作同步地补偿,如对扫频信号源的幅值平坦度进行补偿等。
扫频信号源部分产生频率从低到高或由高到低变化的正弦波振荡信号。
扫频信号的产生方法有多种,按需要可做成点频(连续波CW)、频率自动步进(STEP)、频率连续变化(扫频SWEEP)等形式。
可采用VCO产生扫频信号,VCO的控制量使用斜坡电压或阶梯电压,同时斜坡电压或阶梯电压又作为显示的X轴扫描电压以达到扫频和曲线显示的同步。
测量和计算部分对输入与输出信号的幅值和相位进行测量。
计算输出信号与输入信号的幅值比,得到幅频特性;计算输出与输入的相位差,得到相频特性。
只分析电路的幅频特性称为标量分析,而同时给出幅频特性和相频特性的称为矢量分析。
显示系统的频率特性有各种形式,如采用图形和文字信息显示,用得最多的是幅频特性曲线和相频特性曲线。
对于频率特性,还可采用波特图显示方式,即频率轴按对数刻度,相应地频率步进(扫频)按等比级数取值。
频标发生器电路产生一个频标信号,在显示的频率特性曲线上打上一个图形标志,用以指示该处对应的频率值。
频率特性测试仪可以采用单片机、FPGA实现。
1.扫频信号源
扫频测试法包括了扫频信号源,幅度和相位检测,数值计算处理,频率特性曲线显示,同步控制等几个部分,各个部分电路设计考虑如下:
(1)扫频信号源发生器性能指标:
扫频测试需要用到正弦波信号,对于正弦波信号,主要性能指标有频率稳定度、频率精度、失真和噪声、信号源内阻以及输出幅度等。
正弦波信号用于扫频测量时,除了上述指标要求外,要考虑的其他性能指标有:
扫频频率范围,或称为频偏、扫频速度、扫频方式、扫频线性度、平坦度、输出动态范围和衰减器精度,以及在进行相频特性测量时,信号源的相位应能通过预置加以控制并便于测量。
(2)扫频信号源发生器实现方案:
a.压控振荡器(VCO)形式,可采用专用的VCO芯片或者函数发生器芯片构成。
b.锁相环(PLL)频率合成器形式。
c.直接数字合成器(DDS)形式,DDS不但可以合成出正弦波,三角波,方波等函数波形,还可以合成各种调制波形和任意形状的波形,只要将所需波形预先计算好存于波形存储器中即可。
通过这种方法可以制成任意波形发生器(AWG)。
DDS的信号的相位可以十分精确地控制,在进行相频特性测量时,这是十分重要的。
目前,专用的DDS集成电路芯片的最高时钟频率可达到1GHz以上,可实现的信号源正弦波频率达数百MHz以上。
d.DDS+PLL频率合成器:
DDS+PLL频率合成器形式使用了两个DDS。
DDS1作为分频器,直接改变参考振荡源的频率。
DDS2作为频率合成器的环路分频器,用于实现频率值的小幅度步进。
DDS作为分频器,其工作频率上限不可能太高,因此,在DDS分频之前,先经过一个2N分频。
PLL+DDS频率合成器可采用AD9858等专用芯片。
2.幅度测量电路设计
幅度测量常用的检波方式有峰值检波和有效值检波。
(1)有效值检波电路:
有效值检波电路可采用专用的有效值检波电路芯片以实现精确的RMS检波,如采用RMS-DC转换器芯片MX536A/MX636等。
(2)峰值检波电路:
一个有源峰值检波电路采用OP和二极管组成,用来保持峰值电压的电容C应根据被检波的信号频带宽度而取相应的值,一般不宜太大。
在完成一次峰值检测后,泄放开关管导通,将C上的电荷清除,接着进行下一次测量。
每次测量,都应在网络达到稳态输出时进行,至少应包含一个峰值周期。
因而测量速度随网络带宽和激励频率而变。
采用上述两种模拟检波电路所获得的直流模拟电压,还需要通过一个A/D转换为数字量,供数字显示用。
3.相位测量电路设计
相频特性的测量通过测量网络的输出与输入信号的相位差来实现。
也可以分为模拟电路测量方法和数字测量方法两种。
(1)模拟测量方法:
用过零电压比较器将输入和输出正弦波整型为方波,送鉴相器鉴相,鉴相电路由异或门和低通滤波器组成的,异或门的输出为脉冲方波,其占空比与两个信号的相位差成正比。
经过低通滤波器,即可将占空比转换为直流电压,再经A/D转换后,单片机读取相位差值。
该值表征两个波形的相对相位差大小,但不能分辩出两者之间的相位关系是超前还是滞后。
为此还要另外加一个相位极性判别电路。
(2)数字化方法:
采用数字电路技术对输出的脉冲宽度进行测量,可以直接地完成相位差的测量。
设计要求在10kHz时,相位测量精度达到3°,相应的脉冲宽度约为1μs。
一般的数字电路都可以满足这一计数速度要求。
也可以采用单片机中的计数和测频功能,来完成这一工作,具体方法是直接利用整形之后两个方波信号的边沿作为单片机的两个中断源,并测量两次中断之间的时间间隔。
这种方法要求单片机时钟频率足够的高。
2.5简易数字存储示波器(2001年B题)
2.5.1简易数字存储示波器赛题要求[1]
设计并制作一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器。
(1)基本要求(50分)
①要求仪器具有单次触发存储显示方式,即每按动一次“单次触发”键,仪器在满足触发条件时,能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采集与存储,然后连续显示。
②要求仪器的输入阻抗大于100kΩ,垂直分辨率为32级/div,水平分辨率为20点/div;设示波器显示屏水平刻度为10div,垂直刻度为8div。
③要求设置0.2s/div、0.2ms/div、20μs/div三档扫描速度,仪器的频率范围为DC~50kHz,误差≤5%。
④要求设置0.1V/div、1V/div二档垂直灵敏度,误差≤5%。
⑤仪器的触发电路采用内触发方式,要求上升沿触发、触发电平可调。
⑥观测波形无明显失真。
(2)发挥部分(50分)
①增加连续触发存储显示方式,在这种方式下,仪器能连续对信号进行采集、存储并实时显示,且具有锁存(按“锁存”键即可存储当前波形)功能。
(15分)
②增加双踪示波功能,能同时显示两路被测信号波形。
(8分)
③增加水平移动扩展显示功能,要求存储深度增加一倍,并且能通过操作“移动”键显示被存储信号波形的任一部分。
(5分)
④垂直灵敏度增加0.01V/div档,以提高仪器的垂直灵敏度,并尽力减小输入短路时的输出噪声电压。
(10分)
⑤其它。
(12分)
(3)说明
测试过程中,不能对普通示波器进行操作和调整。
2.1.2简易数字存储示波器赛题分析与设计方案例[3,8,9,22,23]
赛题要求设计并制作一台简易数字存储示波器。
一个简易数字存储示波器由信号调理、触发电路、A/D(ADC)、D/A(DAC)、Y输出电路、X输出电路、控制器等组成。
被测信号A和B为模拟信号输入,Y、X信号为输出信号,分别加在普通示波器的Y、X输入端。
被测的输入信号(模拟信号),进行调理、量化(A/D转换)后,存入数据存储器。
然后,在控制器的控制下,从存储器读出数据并恢复(D/A转换)为模拟信号,输入到普通示波器的Y通道;同时系统还需要产生对应的扫描信号,加入到通用示波器的X通道,将被测的输入信号在通用示波器的荧光屏上显示出来。
控制器是整个系统的核心。
根据设计要求,控制器需要具有如下功能:
①
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