电赛仪器仪表题目分析与应对(赵茂泰).ppt
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仪器仪表类题目分析与应对仪器仪表类题目分析与应对基于电压测量的仪器部分基于电压测量的仪器部分2017.4.2武汉大学武汉大学赵茂泰赵茂泰11几点认识几点认识22电压测量类仪器的组成电压测量类仪器的组成33电压测量类仪器的设计举例电压测量类仪器的设计举例44几点体会几点体会电子测量仪器设计涵盖的知识范围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、计算机原理及接口等专业基础课基础上，综合运用通信、自动控制及电力电子等学科的专业知识而形成的一个独具特色的学科。
与电赛内容一致。
电子仪器的设计能够较容易加工成学生在天内完成的赛题。
仪器类赛题是电子设计竞赛中出现最多的一类赛题。
并且，在其仪器类赛题是电子设计竞赛中出现最多的一类赛题。
并且，在其他类赛题中大部分都包含一些电子测量的内容。
他类赛题中大部分都包含一些电子测量的内容。
因此，掌握好电子仪器的设计技术至关重要。
因此，掌握好电子仪器的设计技术至关重要。
11几点认识几点认识仪器仪表设计的基础是基本电子电路仪器仪表设计的基础是基本电子电路仪器仪表实际上就是一些最基本电子电路的组合。
电子测量仪器设计从本质上讲就是电子电路的设计。
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。
因此，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。
因此，仪器仪表类赛题的训练一定要在建立在基本电子电路充因此，仪器仪表类赛题的训练一定要在建立在基本电子电路充分训练的基础上。
否则，不仅得不到好的效果，也有背大学生电分训练的基础上。
否则，不仅得不到好的效果，也有背大学生电子设计竞赛的初衷。
子设计竞赛的初衷。
11几点认识几点认识做好仪器类赛题的关键是准确理解各项指标的涵义做好仪器类赛题的关键是准确理解各项指标的涵义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，并在此基础上确定其核心器件，再进行相关电路进行认真地分析，并在此基础上确定其核心器件，再进行相关电路的设计。
的设计。
电子仪器的价值由各项技术指标的优良程度决定。
电子仪器主要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相对更加严格。
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。
11几点认识几点认识仪器类赛题设计应该按仪器类赛题设计应该按一定步骤进行一定步骤进行p审题（对赛题要求进行分析）；p在方案论证的基础上建立总体设计方案；p技术指标分析、误差分配及核心器件的选择；p硬件电路设计；软件系统设计；p组装、调试及测试；p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。
按以上步骤进行设计有助于大学生工程设计能力的培养。
实际设计时，不同课题的设计步骤会存在一些不同。
实际设计时，不同课题的设计步骤会存在一些不同。
11几点认识几点认识从学习的角度，应侧重掌握以下类仪器从学习的角度，应侧重掌握以下类仪器u电压测量类仪器u时间频率测量仪器u数字示波器u信号发生器所以，赛前训练应该涵盖这4方面的内容。
实际的电子仪器设计中，只要掌握好这类电子仪器的原理，再分析该课题的特殊要求，学习一些相关知识，就能很快地进入设计状态中。
本次讲座侧重讨论电压测量类仪器的赛题本次讲座侧重讨论电压测量类仪器的赛题11几点认识几点认识电子仪器种类繁多，但只要透彻掌握以上类电子仪器的原理，其他类型电子仪器的设计便不会存在大的障碍。
数字直流电压测量仪器（基本模块）数字直流电压测量仪器（基本模块）直流电压测量是最基本的电压测量模块直流电压测量是最基本的电压测量模块!
电压测量类仪器的组成电压测量类仪器的组成有关电参数测量仪器的组成（有关变换器有关电参数测量仪器的组成（有关变换器+基本模块）基本模块）各类参数变换器均由基本电子电路组成各类参数变换器均由基本电子电路组成（含交流电压、电流、功率、电阻、电容、电感等参数的测量）（含交流电压、电流、功率、电阻、电容、电感等参数的测量）有关电参数测量仪器的组成（有关变换器有关电参数测量仪器的组成（有关变换器+基本模块）基本模块）以交流电压测量为例讨论有关电参数测量仪器的组成原理以交流电压测量为例讨论有关电参数测量仪器的组成原理u峰值（Vp+、Vp-、Vp-p）和振幅（Vm）u平均值平均值：
u有效值有效值：
注：
注：
若未加说明，各类电压表的示值按正弦波有效值来定度表征交流电压幅度特性的三个基本参数表征交流电压幅度特性的三个基本参数：
全波检波后的平均值全波检波后的平均值零电平为参考零电平为参考直流分量为参考直流分量为参考有关电参数测量仪器的组成（有关变换器有关电参数测量仪器的组成（有关变换器+基本模块）基本模块）以交流电压测量为例讨论有关电参数测量仪器的组成原理以交流电压测量为例讨论有关电参数测量仪器的组成原理均值电压表：
用均值检波器作AC/DC变换器（需（需正弦波有效值定度正弦波有效值定度）交流电压交流电压的测量的测量模式模式：
放大检波式，频率范围为20HZ10MHZ，灵敏度为mV级。
峰值电压表：
用峰值检波器作AC/DC变换器（需（需正弦波有效值定度正弦波有效值定度）检波放大式，峰值检波器输入电阻很高，可以为输入级，并做在探头内。
适合做成超高频毫伏表，灵敏度可达几十V。
有效值电压表：
采用有效值转换器或热偶作为AC/DC变换器交流电压交流电压的测量的测量模式模式：
定度方便：
输出的直流电压线性正比于各种波形的有效值各种波形的有效值。
基于真有效值转换器的有效值电压表有广泛的应用前景，但受芯片工艺限制，目前频率范围的上限约为10MHZ。
基于高速采样的交流电压测量方法全数字化方案。
适于对非规则波形参数的测试。
方便，灵活。
但受限于A/D转换器的最高采样率。
数字直流电压测量仪器（基本模块）数字直流电压测量仪器（基本模块）有关电参数测量仪器的组成（有关变换器有关电参数测量仪器的组成（有关变换器+基本模块）基本模块）有关物理量测量仪器的组成（有关传感器有关物理量测量仪器的组成（有关传感器+基本模块）基本模块）小结：
小结：
p直流电压测量是最基本的电压测量模块直流电压测量是最基本的电压测量模块!
在此基础上，通过有关变换器在此基础上，通过有关变换器和传感器，实现了大部分电参数和物理量的测量。
和传感器，实现了大部分电参数和物理量的测量。
p电压测量类仪器是最基础，应用范围非常广泛的一类仪器。
电压测量类仪器是最基础，应用范围非常广泛的一类仪器。
电压测量类仪器的组成电压测量类仪器的组成（含温度、重量、压力、光强等物理量的测量）（含温度、重量、压力、光强等物理量的测量）题目主要要求：
题目主要要求：
根据根据2007年全国电赛年全国电赛“积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表【高职组高职组】”，2011年年全国电赛全国电赛“自动电阻测试仪自动电阻测试仪【高职组高职组】”，2004年湖北电赛年湖北电赛“智能数字万智能数字万用表用表【高职组高职组】”等题目的内容改写。
等题目的内容改写。
设计举例一：
设计举例一：
智能数字智能数字万用表万用表（直流电压测量部分）（直流电压测量部分）高职高专参赛学生的电路功能实现能力强，但对技术指标不够敏感。
本例侧重讨论：
如何准确理解仪器的技术指标（尤其测量精度）；如何准确理解仪器的技术指标（尤其测量精度）；调试中的相关技术。
调试中的相关技术。
量程：
量程：
0.2V，2V，20V；最大显示数：
；最大显示数：
1999；输入阻抗输入阻抗5M；直流电压测量误差：
直流电压测量误差：
0.2%读数读数2个字；个字；具有自动量程转换功能；具有自动量程转换功能；（其他略（其他略）33电压测量类仪器的设计举例电压测量类仪器的设计举例l第项误差为被测电压值的0.2%，称“a”项误差，其大小与读数Vx成正比。
主要由衰减器、放大器和A/D转换器等转换系数的不准及非线性等因素产生。
l第项误差为固定的2个字，称“b”项误差，其大小不随读数变化而变化。
主要由偏移误差、量化误差等因素产生。
测量误差指标的分析：
（0.2%读数2个字）直流数字电压表组成示意图准确理解仪器测量误差（误差分析，误差分配，核心器件的选择）准确理解仪器测量误差（误差分析，误差分配，核心器件的选择）Vx19990显示Vm“a”项误差示意图Vx19990显示Vm“b”项误差示意图l要求量程转换电路的测量误差小于0.1%；l要求A/D转换器的测量误差小于0.1%；则仪器的总误差将小于0.2%根椐以上分配原则，各部分电路误差的分配：
根椐以上分配原则，各部分电路误差的分配：
各部分电路核心器件的选择：
各部分电路核心器件的选择：
l量程转换电路应该选择高精度低噪声运算放大器（带宽无要求）例，OPA333，高精度零漂移CMOS运放；lA/D转换器应该优先选择积分型A/D转换器例，MC14433，具有自动稳零性能，器件精度可达0.05%1字测量误差指标的分配：
测量误差指标的分配：
l误差分配：
将仪器总误差分配给各个部分电路。
以确定各个部分电路设计时应该控制的测量误差。
l应根椐各部分电路实现的难度程度进行合理分配。
l主要对第项误差进行分配。
（0.2%读数）准确理解仪器测量误差（误差分析，误差分配，核心器件的选择）准确理解仪器测量误差（误差分析，误差分配，核心器件的选择）直流直流数字数字电压表的组成电压表的组成题目主要要求：
题目主要要求：
量程：
量程：
0.2V，2V，20V；最大显示：
；最大显示：
1999；输入阻抗输入阻抗5M；直流电压测量误差：
直流电压测量误差：
0.2%读数读数2个字；个字；具有自动量程转换功能；具有自动量程转换功能；20V20V量程：
量程：
K1K1吸合，吸合，K2K2释放释放（0.1）0.1）2V2V量程：
量程：
K1K1释放，释放，K2K2释放释放
（1）1）0.2V0.2V量程：
量程：
K1K1释放，释放，K2K2吸合吸合（10）10）注：
注：
2V2V量程为基本量程量程为基本量程量程转换器的组成：
量程转换器的组成：
OPA33302V调试中的相关技术调试中的相关技术一个设计正确、制作良好的作品，必须经过认真的调试才能达到预定一个设计正确、制作良好的作品，必须经过认真的调试才能达到预定的技术指标。
否则可能前功尽弃。
的技术指标。
否则可能前功尽弃。
l第1项称“a”项误差，与量程转换电路和A/D转换器的转换系数不准有关。
l第2项称“b”项误差，与放大器的零点偏移和A/D转换器的量化误差有关。
测量误差的调试：
（测量误差的调试：
（0.2%读数读数2个字）个字）u先调先调“b”项误差（零点），再调项误差（零点），再调“a”项误差；项误差；u先调先调“基本量程，再调其他量程基本量程，再调其他量程。
调试步骤：
调试步骤：
Vx19990显示Vm“a”项误差示意图Vx19990显示Vm“b”项误差示意图基本量程的调整：
基本量程的调整：
u使量程处于基本量程状态（使量程处于基本量程状态（2V2V量程量程）；）；u“b”项误差调整：
项误差调整：
输入端短路，调整调零电路，使被测表的显示数字在0.000附近；直流数字电压表的调试直流数字电压表的调试OPA33302Vu“a”项误差调整：
项误差调整：
输入端加入一个1.000V1.999V之间的稳定电压，然后调整RW0，使被测表的显示数字值与标准表显示数字值的前4位相等。
u使量程处于20V量程状态（K1K1吸合，吸合，K2K2释放释放）；u输入端加入一个10.00V19.99V之间的稳定电压，调整RW1，使被测表显示的数字与标准表显示数字的前4位相等。
20V量程的调整：
量程的调整：
u使量程处于0.2V量程状态（K1K1释放，释放，K2K2吸合吸合）；u输入端加入一个100.0mV199.9mV之间的稳定电压，调整RW2，使被测表显示的数字与标准表显示数字的前4位相等。
0.2V量程的调整：
量程的调整：
OPA33302V设计举例二：
设计举例二：
交流数
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