2017培训 脉冲信号参数测量仪解析

2017年电子设计大赛培训典型仪器类竞赛题目解析1仪器类赛题训练建议2脉冲信号参数测量仪赛题分析2.1题意分析2.2幅度测量2.3上升时间测量2.4脉冲信号发生器（1）仪器类赛题训练的思路——重点掌握４类基本仪器①电压类测量仪器②时间频率类测量仪器③数字示波测量仪器④信号发生器仪器种类繁多，从学习角度应该重点掌握４类基本仪器的原理许多仪器包含多个基本电子仪器模块。例如，脉冲信号参数测量仪包含了以上①②④三个模块。若能较好地掌握这４类基本电子仪器的设计，在进行其他类型电子仪器设计时，只要根据题目要求再学习一些相关知识，就能很快地进入设计状态。2仪器类赛题训练建议（2）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，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。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。电子仪器的功能是测试其它电子系统的性能，因此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。2仪器类赛题训练建议（3）基本电子电路的设计是仪器设计的基础仪器类赛题目是电子竞赛中出现最多的一类赛题。且在其他类赛题中也包含有一些测量的内容。电子仪器设计从本质上讲是电子电路的设计。对仪器类赛题目内容进行分析，最终往往会分解成一些最基本电子电路的组合。大学生电赛是学科竞赛，命题时将会刻意加强与电子电路密切相关的内容，淡化专业性较强的内容。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，不仅得不到好的成绩，也有背大学生电子设计竞赛的初衷。2仪器类赛题训练建议（4）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。纠正学生不经分析直接设计或“照猫画虎”的设计习惯以上步骤可以根据实际情况作适当的调整。2仪器类赛题训练建议E题：脉冲信号参数测量仪2.１题意分析2.１题意分析1.任务：设计并制作一个数字显示的周期性矩形脉冲信号参数测量仪，其输入阻抗为50Ω。同时设计制作一个矩形脉冲信号发生器，作为测试仪的附加功能。实际矩形脉冲信号波形图Vmτ测量参数测量范围测量误差分值110Hz～2MHz不大于0.1%15分2占空比D10％～90％不大于2%15分30.1～10V不大于2%15分450.0～999ns不大于5%15分5其他10分30分脉冲参数测量仪与数字示波器中的波形参数测量模块的功能相当2.要求：测量参数测量范围测量误差分值110Hz～2MHz不大于0.1%2占空比D10％～90％不大于2%30.1～10V不大于2%450.0～999ns不大于5%5其他2.１题意分析重点讨论：幅度参数的测量上升时间参数的测量脉冲信号发生器的设计2.2幅度参数（Vm）的测量条件：脉冲信号频率范围为10Hz～2MHz，占空比D范围为10％～90％#当fo=2MHz，D=10%时，对应的信号脉冲宽度=50ns要求：幅度范围为0.1～10V，测量误差的绝对值不大于2%。VMAXVTOPVMINVBASEVP-P幅度Vm的定义关键：测试VTOP2.2幅度参数（Vm）的测量幅度Vm的确定方法（IEC标准）条件：脉冲信号频率范围为10Hz～2MHz，占空比D范围为10％～90％#当fo=2MHz，D=10%时，对应的信号脉冲宽度=50ns要求：幅度范围为0.1～10V，测量误差的绝对值不大于2%。2.2幅度参数（Vm）的测量方案一：采用峰值检波器的测量方法要求：幅度范围为0.1～10V，测量误差的绝对值不大于2%。VMAXVTOPVMINVBASEVP-PΔVm定义：过冲被测信号采样脉冲采样值方案二：基于高速数据采样技术的幅度测量方法（示波器）主要问题：需要高速A/D转换器。例如，本题被测信号最小脉宽为50ns，若在一个周期内取25个数据，则A/D转换器采样速率约需500MHz。解决方案：适度降低采样速率，然后再在多个周期内取数据进行处理。测量方法：①设置一个阈值，取大于阈值的采样数据并存储；②对存储的采样数据排序，取其中间值（或去极值去平均）作为幅值Vm90%Vm50%Vm被测信号采样脉冲采样值数据处理步骤：①设置一个阈值，在多个周期内，取若干个（例如25个）大于阈值的采样数据并存储②对存储的采样数据排序，取其中间值（或去极值去平均）作为幅值作品案例：采用采样速率为50MHz（20ns）的A/D转换器，则在脉宽为50ns的被测脉冲信号上，一个周期内至少可以取得1个幅度近似为Vm的采样值。测量电路框图输入通道电路FPGAA/D转换器单片机显示被测信号输入通道电路的带宽输入通道电路与A/D转换器的关系输入通道电路分析00Tτtf（t）nω输入通道电路的带宽周期矩形脉冲信号的时域波形周期矩形脉冲信号的频谱通道电路与A/D转换器的关系题目要求：被测信号的幅度范围为0.1～10V，测量误差不大于2%。为了达到测量精度，A/D转换器的分辨率应足够高（3倍以上）例，分辨率为0.5%（4倍）输入通道电路A/D转换器被测信号例如，选择10位A/D转换器，其输入电压幅度范围为0～2.5V，即2.5V─→1024（0.1%）1.25V─→512（0.2%）0.5V─→204（0.5%）结论：为了达到2%的测量精度，该A/D转换器输入电压幅度范围应该限制在0.5V～2.5V范围内。A/D转换器被测信号×50.1V~0.5V0.5V~2.5V2.5V~10V0.5V~2.5V0.5V~2.5V0.5V~2.5V÷5×10.1V~10V三量程输入通道电路结构图A/D转换器被测信号0.5V~2.5V0.1V~10V+-200Ω+-50Ω300Ω1.2kΩOPA690THS3095ADS803带宽：210MHz压摆率：7300V/μs输出驱动电流：250mA输入电压范围：±13VTHS3095电压反馈型运放单位增益带宽：500MHz压摆率：7300V/μs输出电压摆幅：±4VOPA6908bitA/D转换器最大采样速率：60MHz典型输入电压范围：0～2.5VADS803输入通道电路设计举例2.3上升时间参数（tr）的测量上升时间tr的定义：是指信号幅度从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间方案一：基于高速数据采样技术的上升时间测量方法被测信号采样脉冲采样值0.9Vm0.1Vm步骤：①根据Vm值，计算出0.1Vm和0.9Vm的值。②记录大于0.1Vm和小于0.9Vm的采样数据的个数，然后换算出对应的tr。③为进一步减少误差，可采用多次平均的方法作为最终结果不足：①需要很高的采样速率；②涉及的因素多，例如很难区分上升时间和下降时间，起点和终点易混淆等。（成功率）。Vm50%Vm上升时间时钟脉冲计数值被测信号方案一：基于窗口比较器的上升时间测量方法测量算法：通过窗口比较器，把上升时间tr转换为时间间隔T。用标准时钟填充这段时间间隔，得到对应tr的计数值。为了减少±1字误差的影响，可以采用多周期平均的测量方法。+-+-Vin90%Vm10%VmVo1Vo2Vo窗口比较器电路工作波形图Vm50%VmVo2Vo1Vo2Vo上升时间下升时间上升时间下升时间+-+-Vin90%Vm10%VmVo2Vo1Vo窗口比较器的功能：把上升时间tr转换为时间间隔。问题：上升时间和下降时间没有区分开！50%VmVo2Vo1上升时间VoABAB(Vo)上升时间和下降时间的分离tr时钟计数上升时间的测量（时间间隔的测量）用标准时钟填充这段时间间隔，得到对应tr的计数值。为了减少±1字误差的影响，可以采用多周期平均的测量方法。输入通道电路FPGA单片机键盘显示被测信号D/A转换器衰减１衰减2Vm0.1Vm0.9Vm上升时间测量电路框图时间间隔测量由FPGA完成，设计方法可参考数字频率计赛题解析比较器×2应采用高速比较器；并尽量采用双路比较器芯片（例如TLV3502），以减少两个比较器传输延迟时间的不一致而引入的误差。2.4脉冲信号发生器的设计形成电路（FPGA）50Ω输出电路整形电路电路带宽分析：tr与带宽Bf的关系为tr=(0.35～0.45)/Bf，对应tr=30ns，Bf=12～15MHz。为了进一步减小谐波误差，建议信号发生器电路的带宽大于50MHz输出电路分析：①带宽≥50MHz，且压摆率＞5V/30ns=170V/μs②输出驱动电流≥5V/50Ω=100mAτ作品方案举例电路设计要求：带宽大于50MHz；输出电路压摆率＞170V/μs；输出驱动电流≥100mATHS3095带宽：210MHz；压摆率：7300V/μs；输出驱动电流：250mA形成电路（FPGA）50Ω+-1.2kΩTHS3095+-1.2kΩTLV3501+5VVm=3.3VVm=2.5VVm=5V*简易电路方案：采用8个74HC244缓冲器并联提高输出电流，满足驱动50Ω负载的题目要求。形成电路（FPGA）50ΩVm=3.3VVm=5V输出电路（8×74HC244）2.4脉冲信号发生器的设计测试结果表明，该电路方案能符合本题各项要求。谢谢大家！敬请指正！