儀器儀表類題目分析與應對基于電壓測量的儀器部分2017.4.2武漢大學

趙茂泰

1．幾點認識

2．電壓測量類儀器的組成

3．電壓測量類儀器的設計舉例

4．幾點體會

⑴電子測量儀器設計涵蓋的知識范圍

電子測量是建立在模擬電路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、計算機原理及接口等專業(yè)基礎(chǔ)課基礎(chǔ)上，綜合運用通信、自動控制及電力電子等學科的專業(yè)知識而形成的一個獨具特色的學科。與電賽內(nèi)容一致。電子儀器的設計能夠較容易加工成學生在４天內(nèi)完成的賽題。儀器類賽題是電子設計競賽中出現(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量的內(nèi)容。

因此，掌握好電子儀器的設計技術(shù)至關(guān)重要。1．幾點認識⑵儀器儀表設計的基礎(chǔ)是基本電子電路儀器儀表實際上就是一些最基本電子電路的組合。電子測量儀器設計從本質(zhì)上講就是電子電路的設計。大學生電子設計競賽是學科競賽，不是純粹意義上的產(chǎn)品設計競賽。因此，命題時將會刻意加強與電子電路密切相關(guān)的內(nèi)容，淡化一些專業(yè)性較強的內(nèi)容。

因此，儀器儀表類賽題的訓練一定要在建立在基本電子電路充分訓練的基礎(chǔ)上。否則，不僅得不到好的效果，也有背大學生電子設計競賽的初衷。1．幾點認識⑶做好儀器類賽題的關(guān)鍵是準確理解各項指標的涵義

進行電子儀器設計時，必須對各項技術(shù)指標（尤其是測量誤差）進行認真地分析，并在此基礎(chǔ)上確定其核心器件，再進行相關(guān)電路的設計。

電子儀器的價值由各項技術(shù)指標的優(yōu)良程度決定。

電子儀器主要用于測試其它電子系統(tǒng)的性能指標，因此，電子儀器對技術(shù)指標的要求相對更加嚴格。電子儀器含多項技術(shù)指標，其中最核心的是測量誤差，其他技術(shù)指標基本上都與測量誤差有關(guān)。對于許多測量來講，測量工作的價值幾乎全部取決于它的準確程度。1．幾點認識⑷儀器類賽題設計應該按一定步驟進行審題（對賽題要求進行分析）；在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體設計方案；技術(shù)指標分析、誤差分配及核心器件的選擇；硬件電路設計；軟件系統(tǒng)設計；組裝、調(diào)試及測試；撰寫設計報告。

按以上步驟進行設計有助于大學生工程設計能力的培養(yǎng)。

實際設計時，不同課題的設計步驟會存在一些不同。1．幾點認識⑸

從學習的角度，應側(cè)重掌握以下４類儀器

電壓測量類儀器時間頻率測量儀器數(shù)字示波器信號發(fā)生器所以，賽前訓練應該涵蓋這4方面的內(nèi)容。實際的電子儀器設計中，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，學習一些相關(guān)知識，就能很快地進入設計狀態(tài)中。本次講座側(cè)重討論電壓測量類儀器的賽題1．幾點認識電子儀器種類繁多，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計便不會存在大的障礙。⑴數(shù)字直流電壓測量儀器（基本模塊）直流電壓測量是最基本的電壓測量模塊!２．電壓測量類儀器的組成⑵有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（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)的測量）⑵有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（有關(guān)變換器+基本模塊）──以交流電壓測量為例討論有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成原理峰值（Vp+、Vp-、Vp-p）和振幅（Vm）平均值：有效值：注：若未加說明，各類電壓表的示值按正弦波有效值來定度表征交流電壓幅度特性的三個基本參數(shù)：全波檢波后的平均值零電平為參考直流分量為參考⑵有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（有關(guān)變換器+基本模塊）──以交流電壓測量為例討論有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成原理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）交流電壓的測量模式：放大──檢波式，頻率范圍為20HZ～10MHZ，靈敏度為mV級。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，并做在探頭內(nèi)。適合做成超高頻毫伏表，靈敏度可達幾十μV。③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量方法全數(shù)字化方案。適于對非規(guī)則波形參數(shù)的測試。方便，靈活。但受限于A/D轉(zhuǎn)換器的最高采樣率。⑴數(shù)字直流電壓測量儀器（基本模塊）⑵有關(guān)電參數(shù)測量儀器的組成（有關(guān)變換器+基本模塊）⑶有關(guān)物理量測量儀器的組成（有關(guān)傳感器+基本模塊）

小結(jié)：直流電壓測量是最基本的電壓測量模塊!在此基礎(chǔ)上，通過有關(guān)變換器和傳感器，實現(xiàn)了大部分電參數(shù)和物理量的測量。電壓測量類儀器是最基礎(chǔ)，應用范圍非常廣泛的一類儀器。２．電壓測量類儀器的組成（含溫度、重量、壓力、光強等物理量的測量）題目主要要求：

根據(jù)2007年全國電賽“積分式直流數(shù)字電壓表【高職組】”，2011年全國電賽“自動電阻測試儀【高職組】”，2004年湖北電賽“智能數(shù)字萬用表【高職組】”等題目的內(nèi)容改寫。設計舉例一：智能數(shù)字萬用表（直流電壓測量部分）高職高專參賽學生的電路功能實現(xiàn)能力強，但對技術(shù)指標不夠敏感。本例側(cè)重討論：①如何準確理解儀器的技術(shù)指標（尤其測量精度）；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；直流電壓測量誤差：±0.2%讀數(shù)±2個字；具有自動量程轉(zhuǎn)換功能；（其他略)3．電壓測量類儀器的設計舉例第１項誤差為被測電壓值的0.2%，稱“a”項誤差，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)的不準及非線性等因素產(chǎn)生。第２項誤差為固定的2個字，稱“b”項誤差，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。測量誤差指標的分析：（±0.2%讀數(shù)±2個字）直流數(shù)字電壓表組成示意圖①準確理解儀器測量誤差（誤差分析，誤差分配，核心器件的選擇）Vx19990顯示Vm“a”項誤差示意圖Vx19990顯示Vm“b”項誤差示意圖要求量程轉(zhuǎn)換電路的測量誤差小于0.1%；要求A/D轉(zhuǎn)換器的測量誤差小于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)換電路應該選擇高精度低噪聲運算放大器（帶寬無要求）

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

例，MC14433，具有自動穩(wěn)零性能，器件精度可達±0.05%±1字測量誤差指標的分配：

誤差分配：將儀器總誤差分配給各個部分電路。以確定各個部分電路設計時應該控制的測量誤差。

應根椐各部分電路實現(xiàn)的難度程度進行合理分配。主要對第１項誤差進行分配。(0.2%讀數(shù))①準確理解儀器測量誤差（誤差分析，誤差分配，核心器件的選擇）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；直流電壓測量誤差：±0.2%讀數(shù)±2個字；具有自動量程轉(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：

OPA3330～2V②調(diào)試中的相關(guān)技術(shù)

一個設計正確、制作良好的作品，必須經(jīng)過認真的調(diào)試才能達到預定的技術(shù)指標。否則可能前功盡棄。第1項稱“a”項誤差，與量程轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換系數(shù)不準有關(guān)。第2項稱“b”項誤差，與放大器的零點偏移和A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差有關(guān)。測量誤差的調(diào)試：（±0.2%讀數(shù)±2個字）先調(diào)“b”項誤差（零點），再調(diào)“a”項誤差；先調(diào)“基本量程，再調(diào)其他量程。調(diào)試步驟：Vx19990顯示Vm“a”項誤差示意圖Vx19990顯示Vm“b”項誤差示意圖基本量程的調(diào)整：使量程處于基本量程狀態(tài)（2V量程）；“b”項誤差調(diào)整：輸入端短路，調(diào)整調(diào)零電路，使被測表的顯示數(shù)字在0.000附近；

②直流數(shù)字電壓表的調(diào)試OPA3330～2V“a”項誤差調(diào)整：輸入端加入一個1.000V～1.999V之間的穩(wěn)定電壓，然后調(diào)整RW0，使被測表的顯示數(shù)字值與標準表顯示數(shù)字值的前4位相等。

使量程處于20V量程狀態(tài)（K1吸合，K2釋放）；

輸入端加入一個10.00V～19.99V之間的穩(wěn)定電壓，調(diào)整RW1，使被測表顯示的數(shù)字與標準表顯示數(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100.0mV～199.9mV之間的穩(wěn)定電壓，調(diào)整RW2，使被測表顯示的數(shù)字與標準表顯示數(shù)字的前4位相等。0.2V量程的調(diào)整：OPA3330～2V設計舉例二：交流數(shù)字電壓表3．電壓測量類儀器的設計舉例①、頻率范圍：20Hz～2MHz；②、測量誤差：±1%讀數(shù)±2個字；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、具有自動零點調(diào)節(jié)功能和自動量程轉(zhuǎn)換功能。主要技術(shù)指標如下：

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

目的：以本題為背景，討論電子測量儀器設計的一般步驟；重點討論技術(shù)指標分析；誤差分配及核心器件選擇的方法。

步驟2：在方案論證的基礎(chǔ)上建立總體方案經(jīng)過方案論證，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。設計舉例二：交流數(shù)字電壓表步驟1：審題（略）步驟3：技術(shù)指標分析、誤差分配、核心器件的選擇指標①，頻率范圍為20Hz～2MHz

含義：要求組成量程轉(zhuǎn)換器的運算放大器芯片和有效值轉(zhuǎn)換器芯片具有足夠?qū)挼念l率響應特性。實際設計中，信號頻率范圍要與測量誤差、量程等指標結(jié)合在一起綜合考慮。準確理解技術(shù)指標的含義；分析誤差與哪些部分電路相關(guān)；對總指標進行分配；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）指標②、測量誤差：±1%讀數(shù)±2個字；

在20Hz～2MHz頻率范圍內(nèi)，每一個頻率點都能達到以上測量精度。第１項誤差為被測電壓值的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項誤差為固定的2個字，是與被測電壓無關(guān)的量化誤差。技術(shù)指標分析：步驟3：技術(shù)指標分析、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%）分配給儀器的各個部分電路。誤差分配：

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

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

依據(jù)1：由設計資料可知，AD637的帶寬與輸入信號電壓幅度有關(guān)，當幅值太大或較小時，AD637的帶寬都將變窄。例如，8MHzat2VRMSInput；

1MHzat200mVRMSInput測量誤差的分配：技術(shù)指標分析：器件選擇（主要是真有效值轉(zhuǎn)換器的選擇）依據(jù)2：實驗測量表明：當輸入信號頻率不大于2MHz時，輸入信號的電壓有效值在0.7V～7V范圍內(nèi)能保證測量誤差≤±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②、測量誤差：±1%讀數(shù)±2個字；

步驟3：技術(shù)指標分析、誤差分配、核心器件的選擇指標③、量程：0.1V，1V，10V；3個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)指標分析、誤差分配、核心器件的選擇量程電路可以采用兩級放大器級聯(lián)，每級放大器增益為1、10可選，當增益分別選擇為1、10時，便能實現(xiàn)10V、1V、0.1V三個量程的選擇。

單位增益帶寬（電壓反饋型）＞25MHz

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

電壓擺率(SR)＞

200V/μs

本設計中放大器的最大輸出電壓為10V(幅度Vom=14.14V)，最高頻率為2MHz，則要求集成運放的壓擺率SR＞2πVom·f=178V/μs。對量程電路中集成運放的要求：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③、量程：0.1V，1V，10V；步驟3：技術(shù)指標分析、誤差分配、核心器件的選擇運算放大器的選擇：

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：單位增益帶寬（電壓反饋型）＞35MHz；電壓擺率(SR)＞200V/μs指標③、量程：0.1V，1V，10V；指標④，3位數(shù)字顯示，最大顯示數(shù)為999

例如，本設計選擇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，需增加設計刻度調(diào)節(jié)電路。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率應該高于或等于儀器精度的3倍（最好一個量級）。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)換器的相對分辨率應高于11bit。

建議取12位A/D轉(zhuǎn)換器，例如，MAX197，AD574，ICL7109。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)指標分析、誤差分配、核心器件的選擇步驟4：整機硬件電路設計、軟件系統(tǒng)設計；儀器目前狀態(tài)：10V量程設計舉例二：交流數(shù)字電壓表步驟1：審題步驟5