综合测试仪解析

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1、几点意见：几点意见：1，注意养成良好的工作习惯。，注意养成良好的工作习惯。（例如，先论证做方案，要有电（例如，先论证做方案，要有电路图量程图，合理分工制作调试，集体统调，完成后要做文档）路图量程图，合理分工制作调试，集体统调，完成后要做文档）2，走一步要有一个脚印，并要善于积累。，走一步要有一个脚印，并要善于积累。（虽然做的越多（虽然做的越多越好，但最关键是不要知其然而不知其所以然越好，但最关键是不要知其然而不知其所以然）3，在强化训练阶段，不仅需要按时完成预定的训练计，在强化训练阶段，不仅需要按时完成预定的训练计划，还要有本组的计划。划，还要有本组的计划。4，不仅善于组内配合，还要重视组与组

2、之间的交流。，不仅善于组内配合，还要重视组与组之间的交流。5，现在是非常时期，需要迅速建立起气氛紧张、工作，现在是非常时期，需要迅速建立起气氛紧张、工作有序的良好氛围。有序的良好氛围。综合测试仪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：部分，示意图如下：电压表电压表电平振荡器电平振荡器幅频特性测试功能幅频特性测试功能 正 弦 波振 荡 电 路电 压 测 试电 路输 入微 控 制 器 系 统（含 键 盘）数 字 显 示数 字 显 示稳 压 电 源输 出综合测试仪综合测试仪1 1、基本要求、基本要求（1）交流

3、电压表）交流电压表a被测信号频率范围：被测信号频率范围：20 Hz100 kHz。b电压测量显示范围：电压测量显示范围：.001V9.99V（可分多量程）。（可分多量程）。c电压测量误差：电压测量误差：（3%读数读数+2个字）。个字）。d输入阻抗：分输入阻抗：分600、高阻（、高阻（5M）两档）两档（可不测试，在电路设计中予以保（可不测试，在电路设计中予以保证）证）。e具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。（2）正弦波振荡器）正弦波振荡器a输出频率范围：输出频率范围：20 Hz100kHz。频率步进值可预置，视不同的频率频率步进值可预置，视不同的频率范

4、围步进值可分别预置为范围步进值可分别预置为10Hz，100Hz，1kHz，10kHz。b输出频率误差：输出频率误差：0.1%。c输出电平范围：输出电平范围：-30dB+20 dB，步进值为，步进值为10dB（共六种输出电平）。（共六种输出电平）。d输出电平误差：输出电平误差：0.3dB。e负载电阻：负载电阻：600。f输出信号波形无明显失真。输出信号波形无明显失真。2 2发挥部分发挥部分（1）将电压表被测信号的频率范围扩展至）将电压表被测信号的频率范围扩展至1MHz，正弦波振荡器输出的频率范围也扩，正弦波振荡器输出的频率范围也扩展至展至1MHz，其它要求不变。，其它要求不变。（2）具有幅频特性

5、测试功能，能在预置的频率范围内自动步进测量，要求逐点显示频）具有幅频特性测试功能，能在预置的频率范围内自动步进测量，要求逐点显示频率值和对应的电压值，扫描速度率值和对应的电压值，扫描速度10点点/分钟，频率步进值可预置。分钟，频率步进值可预置。（3）具有存储回放功能，扫描结束后能调出各个测量存储点的信号频率值及其电压值，）具有存储回放功能，扫描结束后能调出各个测量存储点的信号频率值及其电压值，存储点不低于存储点不低于20个。个。（4）其它（如整机功率消耗等）。）其它（如整机功率消耗等）。（1MHz）（1MHz）一、命题意图一、命题意图二、交流电压表的设计方法二、交流电压表的设计方法三、正弦波振

6、荡器的设计方法三、正弦波振荡器的设计方法四、幅频特性测试功能的实现四、幅频特性测试功能的实现 本题涉及的主要电路：本题涉及的主要电路：电压表部分电压表部分 交流电压测量交流电压测量增益可程控的宽带放大、增益可程控的宽带放大、(AC/DC)转换、转换、A/D 转换等转换等 振荡器部分振荡器部分正弦波信号发生器正弦波信号发生器信号源信号源(DDS)、输出幅度的控制、输出幅度的控制(增益可程控的宽带放大与衰减增益可程控的宽带放大与衰减)一、命题意图一、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、

7、为核心的电子系统，因而设计将涉及单片机、A/D 转换等数字转换等数字化处理技术；化处理技术；涵盖了宽带放大、衰减、检波、频率合成、滤波、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，电压表是一个典型电子系统，电子系统设计的一般步骤是：电子系统设计的一般步骤是：u 审题，方案论证，建立总体设计方案。审题，方案论证，建立总体设计方案。u 对技术指标进行分析；以此为依据进行指标分配、选择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。核心器件。u 硬件电路设计、软件系统设计硬件电路设计、软件系统设计u 组装、调

8、试。组装、调试。u 撰写设计报告。撰写设计报告。二、交流电压表的设计方法二、交流电压表的设计方法1、建立总体设计方案建立总体设计方案两种实现方案：两种实现方案：1)采用高速采用高速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。数据处理得到信号的电平值。2)先采用先采用 AC/DC(真有效值转换器真有效值转换器)将被测的交流信号电压转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，然后通过换为与其有效值相等的直流电压，然后通过A/D转换器对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。该直流电压进行采样，得到被测交流信

9、号的电平值。二、交流电压表的设计方法二、交流电压表的设计方法1、建立总体设计方案、建立总体设计方案二、交流电压表的设计方法二、交流电压表的设计方法 交直流转换交直流转换u 交直流转换的方案的选择交直流转换的方案的选择1，峰值检波，峰值检波2，均值检波，均值检波3，真有效值检波，真有效值检波u 交直流转换的方案选择交直流转换的方案选择1，峰值检波，峰值检波2，均值检波，均值检波3，真有效值检波，真有效值检波峰值检波和均值检波特点：峰值检波和均值检波特点：优点：电路简单，优点：电路简单，频率范围宽。频率范围宽。不足：不足：附加误差不易控制。附加误差不易控制。检波后的直流输出正比于检波器输入电压的峰

10、值和平均值。但是，检波后的直流输出正比于检波器输入电压的峰值和平均值。但是，仪表的刻度是按正弦电压的有效值来定度的，因此，只有测量正弦电压仪表的刻度是按正弦电压的有效值来定度的，因此，只有测量正弦电压时读数才是它的有效值。当测量非正弦波电压时，示值没有直接物理意时读数才是它的有效值。当测量非正弦波电压时，示值没有直接物理意义，必须经过换算才能测算出被测电压的有效值。义，必须经过换算才能测算出被测电压的有效值。真有效值检波特点：真有效值检波特点：优点：精度较高，调试简单，优点：精度较高，调试简单，电压表的读数与波形无关电压表的读数与波形无关。不足：价格较高，。不足：价格较高，频率范围窄，目前真有

11、效值集成电路仅达到数频率范围窄，目前真有效值集成电路仅达到数MHz量级量级以上以上3 3种方法均可能达到该题要求，种方法均可能达到该题要求，本设计拟采用真有效值检波为例进行分析。本设计拟采用真有效值检波为例进行分析。1、建立总体设计方案、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、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经整理，题目要求电压表满足的主要技术指标有如下5 5条：条：、频率范围：、频率范围：20 Hz1MHz；、测量误差：、测量误差：(3%读数读数+2个字个字)；、显示范围：、显示范围：.001V9.99

12、V（可分多量程）（可分多量程）、输入阻抗：分、输入阻抗：分600 、高阻、高阻(5M)两档两档、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。、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二、交流电压表的设计方法 交直流转换交直流转换1、建立总体设计方案、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、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择指标指标1 1，频率范围：，频率范围：20 Hz1MHz 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。器芯片具有足够宽的频率

13、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。指标结合在一起综合考虑。二、交流电压表的设计方法二、交流电压表的设计方法指标指标1 1，频率范围：，频率范围：20 Hz1MHz。2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择指标指标2 2，测量误差：，测量误差：(3%读数读数+2个字个字)数显仪表中，电压测量误差表达式一般由二部分组成：数显仪表中，电压测量误差表达式一般由二部分组成：第项是误差表达式中的相对部分，为被测电压值的第项是误差表达式中的相对部分

14、，为被测电压值的3%；第项是误差表达式的绝对部分，为固定的第项是误差表达式的绝对部分，为固定的2个字。它在数个字。它在数字仪表中是与被测电压值无关的量化误差。字仪表中是与被测电压值无关的量化误差。为了减少第项误差为了减少第项误差(量化误差量化误差)的影响，量程转换电路送到的影响，量程转换电路送到A/D转换器输入端的电压应尽量大。转换器输入端的电压应尽量大。(在20 Hz1MHz频率范围内，每一点都能达到的测量精度频率范围内，每一点都能达到的测量精度)影响第项误差的主要环节有量程转换电路、真有效值转换影响第项误差的主要环节有量程转换电路、真有效值转换器、器、A/DA/D转换器三部分。转换器三部分

15、。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。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：根椐以上原则，若分配：A/DA/D转换器的电压测量误差小于转换器的电压测量误差小于 0.1%；量程转换量程转换(放大器放大器)的电压测量误差小于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则仪器的总误差将小于2.6%(3%)关键：真有效值转换

16、器的电压测量误差应小于关键：真有效值转换器的电压测量误差应小于 2%2%带宽：带宽：8 MHz at 2 V RMS Input 600 kHz at 100 mV RMS 输入电压范围：输入电压范围：0 0 7V(7V(有效值有效值)当输入信号电压幅值较小时，当输入信号电压幅值较小时，AD637AD637的带宽将会变窄的带宽将会变窄 由由AD637的设计资料可知：的设计资料可知：作品作品1、作品、作品2提供的实际测量数据表明，提供的实际测量数据表明，当输入信号的频率不大于当输入信号的频率不大于2MHz时，其输入信号的电压有效值时，其输入信号的电压有效值在在0.7V7V范围内能保证测量误差范围

17、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每个量程归一化的输出电压范围设定为0.7 7V(有效值有效值)指标指标1，频率范围：，频率范围：20 Hz1MHz。2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择指标指标2，测量误差：，测量误差：(3%读数读数+2个字个字)指标指标3，显示范围：，显示范围：.001V9.99V(要求三位数字显示要求三位数字显示)含义含义1 1：仪器的显示分辨率为：仪器的显示分辨率为0.001V(0.001V(相对分辨率为相对分辨率为0.1%)0.1%)因此电压表的因此电压表的A/D转换器的相

18、对分辨率也应小于转换器的相对分辨率也应小于0.1%考虑留有一定余量，设计应取考虑留有一定余量，设计应取12位以上的位以上的A/D转换器。转换器。含义含义2 2：电压表最少应设置二个量程：电压表最少应设置二个量程：10V10V量程量程(显示范围显示范围:V:V V)V)1 V1 V量程量程(显示范围显示范围:V:V V)V)指标指标1，频率范围：，频率范围：20 Hz1MHz。2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择指标指标2，测量误差：，测量误差：(3%读数读数+2个字个字)指标指标3，显示范围：，显示范围：.001V9.99V(要求三

19、位数字显示要求三位数字显示)含义含义2 2：电压表最少应设置二个量程：电压表最少应设置二个量程：10V10V量程量程(显示范围显示范围:V:V V)V)1 V1 V量程量程(显示范围显示范围:V:V V)V)实际设计中，送到实际设计中，送到AD637AD637输入端的信号电压有效值输入端的信号电压有效值小于小于 0.7V 0.7V 时，它的转换精度将不能达到预定的要求，时，它的转换精度将不能达到预定的要求，为此需要再设置为此需要再设置0.1V0.1V量程。量程。0.0.1V1V量程量程(显示范围显示范围:mV:mV mV)mV)含义含义1 1：仪器的显示分辨率为：仪器的显示分辨率为0.001V

20、(0.001V(相对分辨率为相对分辨率为0.1%)0.1%)因此电压表的因此电压表的A/D转换器的相对分辨率也应小于转换器的相对分辨率也应小于0.1%考虑留有一定余量，设计应取考虑留有一定余量，设计应取12位以上的位以上的A/D转换器。转换器。2、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择、技术指标的分析、技术指标的分配、核心器件的选择指标指标3，显示范围：，显示范围：.001V9.99V(要求三位数字显示要求三位数字显示)根据以上分析，根据以上分析，电压表应设置三个量程：电压表应设置三个量程：10V10V量程量程(显示范围显示范围:V:V V)V)1 V 1 V量程量程(显示范围显示范围

21、:V:V V)V)0 0.1V1V量程量程(显示范围显示范围:mV:mV mV)mV)由于最大量程为由于最大量程为10V10V，所以量程电路主要由放大器组成。，所以量程电路主要由放大器组成。最小量程为最小量程为0.1V0.1V挡时，为了将挡时，为了将0.1V0.1V的电压放大到的电压放大到10V10V，该量，该量程转换器的增益程转换器的增益(最大增益最大增益)应为应为100100倍。倍。量程电路可以采用两级放大器级联，每级放大器的增益为量程电路可以采用两级放大器级联，每级放大器的增益为 1、10 两种值可选，当两个放大器的增益分别选择为两种值可选，当两个放大器的增益分别选择为1、10 时，便时

22、，便能实现电压表的能实现电压表的 10V、1V、0.1V 三个量程的选择功能。三个量程的选择功能。10V10V量程：量程：K0K0释放，释放，K1K1释放。释放。(1)1 V1 V量程量程：K0K0释放，释放，K1K1闭合。闭合。(10)0.0.1V1V量程量程：K0K0闭合闭合，K1K1闭合。闭合。(100)量程转换器的组成：量程转换器的组成：对量程转换器的整体要求：对量程转换器的整体要求：频带宽度：频带宽度：1 MHz 放大级数：放大级数：2 级级 每级每级 放大倍数：放大倍数：1、10 倍倍 可选可选 单位增益带宽：单位增益带宽：15 MHz 电压反馈型运放增益带宽积电压反馈型运放增益带

23、宽积GBW的概念：在小信号情况下，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（参见也可以采用电流反馈型运放（参见TI资料资料4.12节）节）电压摆率电压摆率(SR)：88.86V/s 电压摆率电压摆率(或全功率带宽或全功率带宽)的概念：本设计中放大器的最大输的概念：本设计中放大器的最大输出电压达到出电压达到10V(10V(幅度幅度Vom=14.14V)Vom=14.14V)，信号的最高频率为，信号的最高频率为1MH

24、z1MHz，则，则要求集成运放的压摆率要求集成运放的压摆率SRSR2Vomf=88.86 V/s2Vomf=88.86 V/s。(全功率带宽全功率带宽 SR/2Vom)对量程电路中集成运放的要求：对量程电路中集成运放的要求：例例2：采用：采用AD811（电流反馈型）（电流反馈型）u 3dB带宽：带宽：u SR=2500V/s 能满足要求能满足要求 例例1：采用：采用AD817（电压反馈型）（电压反馈型）u 单位增益带宽单位增益带宽=50MHz，u SR=350 V/s 能满足要求能满足要求核心器件选择核心器件选择 例例1：采用：采用LF357（电压反馈型）（电压反馈型）u 单位增益带宽单位增益

25、带宽=20MHz，u SR=50 V/s 满足部分要求满足部分要求由由AD817 DATA SHEET AD817 DATA SHEET 提供的设计资料得知：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：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例：放大器的最大输出电压幅度达到 Vom=14.14V，若采用若采用AD817，其额定工作电压应选择为：，其额定工作电压应选择为：18 V 由由AD811 DATA SHEET AD811 DATA SHEET 提供的设计资料得知：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：还要考虑运放

26、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例：放大器的最大输出电压幅度达到 Vom=14.14V，若采用若采用AD811，其额定工作电压应选择为：，其额定工作电压应选择为：18 V 二、电压二、电压(电平电平)表的设计方法表的设计方法1、建立总体设计方案、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、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、电压表电路的设计继电器继电器 JK0、JK1 用于量程转换用于量程转换继电器继电器 JK2 用于实现仪器高阻和用于实现仪器高阻和600输入阻抗的选择；输入阻抗的选择；继电器继电器 JK3

27、用于实现仪器的自动零点调节功能。用于实现仪器的自动零点调节功能。量程量程测量显示范围测量显示范围JK0JK1系数系数控制信号控制信号0.1V00.0mV 99.9mV吸合吸合吸合吸合100P1.0=1、P1.1=1、P1.2=01V.000 V .999 V释放释放吸合吸合10P1.0=0、P1.1=1、P1.2=010V0.00 V 9.99 V释放释放释放释放1P1.0=0、P1.1=0、P1.2=0 由于量程转换器的每个量程的满程输出电压为由于量程转换器的每个量程的满程输出电压为10V，而有，而有效值转换器效值转换器AD637允许的最大输入电压为允许的最大输入电压为7V，因而在，因而在A

28、D637前前端加一衰减器，使输入端加一衰减器，使输入AD637的最大电压控制在的最大电压控制在7V以内。以内。为了减小对运放输出电压范围的要求，可将衰减器前移为了减小对运放输出电压范围的要求，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的输出是直流电压，可选用转换速率较低的A/D转转换器。但是，换器。但是，A/D转换器的位数应在转换器的位数应在12位以上，以满足仪器分位以上，以满足仪器分辨率的要求；辨率的要求；例如，例如，MAX197，AD574，ICL7109等等 具体设计时，还要注

29、意具体设计时，还要注意 A/D转换器输入电压范围与转换器输入电压范围与AD637输出电压范围的一致。输出电压范围的一致。例如，例如，MAX197 有有05V，010V，-55V，-1010V 四种范围选择。四种范围选择。本题可选择本题可选择05V或或010V。并且，。并且，MAX197和和AD637之之间还要加刻度调节电路。间还要加刻度调节电路。题中要求电压显示范围为0.0019.99V，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0.77V，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

30、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600、高阻两档的调节通过拨码开关SW予以实现。学生作品学生作品 1？学生作品学生作品 1 5:1学生作品学生作品 2 13308位？位？仪器的精度的调试仪器的精度的调试（电路基本正常后才能进行）u 先调先调10V量程档：输入一个电压值，例如量程档：输入一个电压值，例如7.75V（峰峰值为（峰峰值为21.9V,可用示波器比对）；调可用示波器比对）；调RW4使使AD637输入端为输入端为7.75V；调；调RW1使显示器显示使显

31、示器显示7.75V（即（即MAX157的输出）。的输出）。u 再调再调1V量程档（量程档（K0吸合）：输入一个电压值（吸合）：输入一个电压值（0.775V）；调）；调RW2使显示器显示使显示器显示0.775V（即（即MAX157的输出）。的输出）。u 最后调最后调0.1V量程（量程（K1吸合）：输入电压值吸合）：输入电压值77.5mV；调；调RW3使使显示器显示显示器显示77.5V（即（即MAX157的输出）。的输出）。项目与测试条件满分测试记录评分备注 测量范围：Vip-p=21.9 V430Hz90kHz(V)(V)电压测量1kHzVip-p=21.9 V9实测显示值：(V)1kHzVip

32、-p=2.19V实测显示值：(V)1kHz Vip-p=219mV实测显示值：(V)自动零点调节功能3自动量程转换功能3u 当信号源输出电压峰峰值为21.9V时，电压表读数应为7.75V（有效值），u 测量误差小于(3%读数+2个字)时给满分，大于(15%读数+2个字)时不给分，其间分级给分。测试记录与评分表（电压表部分测试记录与评分表（电压表部分1 1）u 当信号源输出电压峰峰值为21.9V时，电压表读数应为7.75V（有效值），u 测量误差小于(3%读数+2个字)时给满分，大于(15%读数+2个字)时不给分，其间分级给分。实际的测试记录与评分表（电压表部分实际的测试记录与评分表（电压表部分

33、2 2）测量范围:Vip-p=21.9 V4100kHz990kHz(V)(V)电平电压测量500kHz Vip-p=21.9 V6实测显示值：(V)500kHz Vip-p=2.19V实测显示值：(V)500kHz Vip-p=219mV实测显示值：(V)人工零点调节：人工零点调节：高灵敏度高频仪表在零点处一般都存在偏移值，且该偏移值的大小高灵敏度高频仪表在零点处一般都存在偏移值，且该偏移值的大小随时间和环境会有一定的变化。因此使用前，要求用户先将输入表随时间和环境会有一定的变化。因此使用前，要求用户先将输入表笔短接，然后通过调节调零电位器人为地在输入端加上一个补偿电笔短接，然后通过调节调零

34、电位器人为地在输入端加上一个补偿电压，使输出为零。这个过程称为人工零点调节。压，使输出为零。这个过程称为人工零点调节。4 4、自动零点调节功能的实现自动零点调节功能的实现 自动零点调节过程：当用户按下自动零点调节过程：当用户按下“自动零点调节自动零点调节”按键后：按键后：1 1、单片机发出控制指令，使继电器、单片机发出控制指令，使继电器JK3JK3吸合，输入端接地，吸合，输入端接地，2 2、启动一次测量并将测量值、启动一次测量并将测量值(零点偏移零点偏移Vos)Vos)存入存入RAMRAM中的某一单元中的某一单元3 3、再使继电器、再使继电器JK3JK3释放，输入端接被测信号，此时测量值释放，

35、输入端接被测信号，此时测量值 VoxVox应是应是实际的测量值实际的测量值VxVx与与VosVos之和；之和；4 4、执行一次减法运算，使、执行一次减法运算，使Vx=Vox-VosVx=Vox-Vos，即本次测量最终结果，即本次测量最终结果4 4、自动零点调节功能的实现自动零点调节功能的实现 可以使仪器在很短的时间内自动选定最合理的量程，不仅能使可以使仪器在很短的时间内自动选定最合理的量程，不仅能使仪器获得高精度的测量，而且简化了操作过程。仪器获得高精度的测量，而且简化了操作过程。5 5、自动量程转换功能的实现、自动量程转换功能的实现二、电压二、电压(电平电平)表的设计方法表的设计方法1、建立

36、总体设计方案、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、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、电压表电路的设计4 4、自动零点调节功能的实现、自动零点调节功能的实现5 5、自动量程转换功能的实现自动量程转换功能的实现理想状态：理想状态：100999欠量程：欠量程：若经处理后的数若经处理后的数字小于字小于 等于等于099，则，则认为欠量程，应做降认为欠量程，应做降量程处理。量程处理。超量程：超量程：若经处理后的数若经处理后的数字大于字大于 999（或（或A/D转换器给出超量程指转换器给出超量程指示），则认为超量程，示），则认为超量程，应做升

37、量程处理。应做升量程处理。三、正弦波振荡器的设计方法三、正弦波振荡器的设计方法1、建立总体设计方案、建立总体设计方案振荡器电路形式的选择振荡器电路形式的选择振振荡器输出幅度控制方式的选择振振荡器输出幅度控制方式的选择 振荡器电路的形式：振荡器电路的形式：RC振荡器或振荡器或LC振荡器振荡器 专用信号发生器专用信号发生器IC芯片构成芯片构成 DDS信号源信号源 采用可编程器件采用可编程器件+D/A转换器等转换器等 采用采用DDS集成芯片集成芯片(例例AD9851)输出幅度控制方式的形式：输出幅度控制方式的形式：用用DDS集成芯片提供的功能集成芯片提供的功能 采用采用D/A转换器的方法转换器的方法

38、 传统电平振荡器的方法传统电平振荡器的方法 先将幅度放大至先将幅度放大至20dB，再通过，再通过10dB多节步进衰减器将电平变换为多种电平多节步进衰减器将电平变换为多种电平 产生频率范围为产生频率范围为20Hz1MHz、步进频率为、步进频率为10Hz的正的正弦波信号；同时使输出幅度达弦波信号；同时使输出幅度达到到20dB(有效值为有效值为7.76V)产生幅度范围为产生幅度范围为-30dB+20dB，间隔为，间隔为10dB，6种输种输出电平；同时完成隔离、驱动出电平；同时完成隔离、驱动以及输出阻抗匹配等功能。以及输出阻抗匹配等功能。20dB(21.9VP-P)20dB 10dB 0 dB-10d

39、B-20dB-30dB、DDS信号源信号源(宽带放大宽带放大)电路：电路：、输出控制、输出控制(步进衰减步进衰减)电路：电路：1 1、建立总体设计方案、建立总体设计方案三、正弦波振荡器的设计方法三、正弦波振荡器的设计方法 与输出频率相关的技术指标：与输出频率相关的技术指标：输出频率范围：输出频率范围：20 Hz1MHz。输出频率误差：输出频率误差：0.1%频率步进值：频率步进值：10Hz，100Hz，1kHz，10kHz (视不同的输出频率视不同的输出频率)其它技术指标：其它技术指标：幅频特性测试功能、存储回放功能等幅频特性测试功能、存储回放功能等 1 1、建立总体设计方案、建立总体设计方案2

40、 2、技术指标的分析、分配及、技术指标的分析、分配及芯片选择芯片选择 与输出幅度相关的技术指标：与输出幅度相关的技术指标：输出电平：输出电平：-30dB、-20 dB、-10dB、0dB、+10dB、+20dB输出电平误差：输出电平误差：0.3dB负载电阻：负载电阻：600输出信号波形无明显失真。输出信号波形无明显失真。、DDS信号源信号源(宽带放大宽带放大)电路：电路：、输出控制、输出控制(步进衰减步进衰减)电路：电路：与输出频率相关的技术指标：与输出频率相关的技术指标：输出频率范围：输出频率范围：20 Hz1MHz。输出频率误差：输出频率误差：0.1%频率步进值：频率步进值：10Hz，10

41、0Hz，1kHz，10kHz (视不同的输出频率视不同的输出频率)1 1、建立总体设计方案、建立总体设计方案2 2、技术指标的分析、分配及、技术指标的分析、分配及芯片选择芯片选择、DDS信号源信号源(宽带放大宽带放大)电路：电路：、输出控制、输出控制(步进衰减步进衰减)电路：电路：参赛队普遍选用参赛队普遍选用AD985X系列系列DDS集成芯片集成芯片 AD985X系列系列DDS集成芯片性能较好。其中最高输入时钟集成芯片性能较好。其中最高输入时钟频率可达到频率可达到1GHz，输出无杂散动态范围也较高。，输出无杂散动态范围也较高。AD985X系列系列DDS集成芯片推出较早，因而认知度较高集成芯片推

42、出较早，因而认知度较高DDSDDS信号源电路芯片的选择信号源电路芯片的选择u 系统的电磁兼容能力强。系统的电磁兼容能力强。芯片内部含有一个芯片内部含有一个6 6倍频的时钟倍频倍频的时钟倍频器。若外接时钟频率为器。若外接时钟频率为20MHz20MHz，相当于系统时钟频率，相当于系统时钟频率fc为为120MHz120MHz。(系统时钟最高允许为系统时钟最高允许为180MHz)180MHz)u 输出频率方便。输出频率方便。AD9851AD9851内部有内部有5 5个个8 8位输入数据寄存器，其中位输入数据寄存器，其中3232位用于装载频率控制字位用于装载频率控制字FSWFSW。FSWFSW与最终合成

43、的信号频率与最终合成的信号频率f fO O之间之间的转换公式为的转换公式为f fO O=fc=fcFSW/232FSW/232。u 频率分辨率高。若系统时钟频率频率分辨率高。若系统时钟频率fcfc为为120MHz120MHz，则最大分辨率，则最大分辨率ffO O=120=120106106232Hz=0.03Hz232Hz=0.03Hz。远超出本题。远超出本题10Hz10Hz步进的要求步进的要求u DDSDDS的最大输出频率越小，系统时钟的频率越大时，输出频率的最大输出频率越小，系统时钟的频率越大时，输出频率与最大杂散频率就越容易分离。与最大杂散频率就越容易分离。DDSDDS允许最大输出频率为

44、允许最大输出频率为0.4fc(48MHz)0.4fc(48MHz)，本设计要求的最大输出频率为，本设计要求的最大输出频率为1MHz1MHz，因而输出，因而输出频率与最大杂散频率很容易分离频率与最大杂散频率很容易分离。因而，因而，AD9851AD9851可以全面满足本题要求，并有较大余量。可以全面满足本题要求，并有较大余量。AD9851 DDSAD9851 DDS集成芯片的分析：集成芯片的分析：各级增益指标的分配各级增益指标的分配20dB(21.9VP-P)20dB 10dB 0 dB-10dB-20dB-30dB1 VP-P21.91 通信系统一般采用电平来表达信号的强度。通信系统一般采用电平

45、来表达信号的强度。电压的基本单位是伏特，电平单位是分贝，用对数来表示。即事先取电压的基本单位是伏特，电平单位是分贝，用对数来表示。即事先取定一个电压或电流数作为参考值定一个电压或电流数作为参考值(0dB)(0dB)，用待表示的量与参考值之比取对，用待表示的量与参考值之比取对数，再乘以数，再乘以2020作为电平的分贝数。我国定义作为电平的分贝数。我国定义0.7750.775伏特为伏特为0 0分贝，那么分贝，那么7.757.75伏特就是伏特就是2020分贝。分贝。两者之间的换算关系，是：两者之间的换算关系，是：电平电平20lg(20lg(电压值电压值/0.775/0.775伏特伏特)电平的电平的概

46、念概念各级增益指标的分配各级增益指标的分配20dB(21.9VP-P)20dB 10dB 0 dB-10dB-20dB-30dB1 VP-P21.91 说明：说明：高性能的信号源商品的放大电路一般采用高性能的信号源商品的放大电路一般采用ALC（自动电平控制）电路，即在任何情况下，放大电路的输出电（自动电平控制）电路，即在任何情况下，放大电路的输出电平都能保持不变。平都能保持不变。在振荡电路输出稳定的情况下，也可以采用性能优良的在振荡电路输出稳定的情况下，也可以采用性能优良的宽带放大电路。宽带放大电路。各级增益指标的分配各级增益指标的分配20dB(21.9VP-P)20dB 10dB 0 dB-

47、10dB-20dB-30dB1 VP-P5VP-P 20dB 10dB 0 dB-10dB-20dB-30dB1 VP-P54.3821.9 为了尽量减少放大器的级数，学生制为了尽量减少放大器的级数，学生制作也可以将各级增益指标分配为作也可以将各级增益指标分配为1、DDS信号源信号源(宽带放大宽带放大)电路：电路：、输出控制、输出控制(步进衰减步进衰减)电路：电路：1 1、建立总体设计方案、建立总体设计方案2 2、技术指标的分析、分配及芯片选择技术指标的分析、分配及芯片选择3 3、电路的设计、电路的设计、DDS信号源电路信号源电路、输出幅度控制电路、输出幅度控制电路三、正弦波振荡器的设计方法三

48、、正弦波振荡器的设计方法3 3、电路的设计、电路的设计、DDS信号源电路的设计：信号源电路的设计：、DDS信号源电路的设计信号源电路的设计 AD9851与单片机的接口电路与单片机的接口电路 AD9851与单片机的接与单片机的接口采用了总线方式。口采用了总线方式。由于由于AD9851的的W_CLK和和FQ_UD信号对应上升信号对应上升沿有效，因而单片机沿有效，因而单片机RD和和WR控制信号以及地址控制信号以及地址信号要先经过非门，然后信号要先经过非门，然后再经与门再经与门(不是或门不是或门)接至接至AD9851的的FQ_UD和和W_CLK端。端。AD9851的输出电路的输出电路 AD9851生成

49、的模拟信生成的模拟信号由号由IOUT、IOUTB端送出。端送出。该两端对应该两端对应AD9851内内D/A转换器的差分电流输转换器的差分电流输出端，其满度电流大小由出端，其满度电流大小由接在接在RSET端电阻值决定，端电阻值决定，计算公式为：计算公式为：IOUT=39.92/RSET。对对AD9851的的DATA SHEET进一步分析得知：进一步分析得知：由由IOUT、IOUTB端送出端送出的满度电流为的满度电流为10mA时，输出时，输出信号的无杂散动态范围信号的无杂散动态范围SFDR最好，取最好，取RSET=3.9k(对应对应取取IOUT=10mA)。为了将输出电流转换成为了将输出电流转换成

50、电压，电压，IOUT、IOUTB端应各端应各接一个电阻，为了得到最好接一个电阻，为了得到最好的的SFDR性能，这两个电阻的性能，这两个电阻的阻值应该相等。阻值应该相等。AD9851最大满度输出电最大满度输出电压范围也有一定的限制。实压范围也有一定的限制。实验证明，接在验证明，接在IOUT、IOUTB端电阻值取为端电阻值取为50100时时,波形最好。若取波形最好。若取100，此时，此时AD9851送出的满度输出电压送出的满度输出电压约为约为 1 Vp-p。、DDS信号源电路的设计信号源电路的设计 DDS信号源的放大与滤波电路信号源的放大与滤波电路 该放大器放大倍数设计为该放大器放大倍数设计为5

51、5倍。倍。该放大器同时还同时兼有二阶该放大器同时还同时兼有二阶的有源滤波器的作用，当的有源滤波器的作用，当R1=1kR1=1k、R2=2kR2=2k、C1=C2=100pFC1=C2=100pF时，其截止时，其截止频率约为频率约为1.2MHz1.2MHz，能有效地滤除带，能有效地滤除带外高频杂散分量。外高频杂散分量。、DDS信号源电路的设计信号源电路的设计与输出控制电路相关的技术指标与输出控制电路相关的技术指标输出电平：输出电平：-30dB、-20 dB、-10dB、0dB、+10dB、+20dB输出电平误差：输出电平误差：0.3dB 输出阻抗：输出阻抗：600输出信号波形无明显失真。输出信号

52、波形无明显失真。三、电平振荡器的设计方法三、电平振荡器的设计方法1 1、建立总体设计方案、建立总体设计方案2 2、技术指标的分析、分配及芯片选择技术指标的分析、分配及芯片选择3 3、电路的设计、电路的设计、DDS信号源信号源 电路：电路：、输出幅度控制电路：、输出幅度控制电路：分贝误差分贝误差相对误差对数形式相对误差对数形式 dB=20 lg(1+)dB dB=0.3dB 相当于相当于 =3.5%)步进衰减电路步进衰减电路输出电路输出电路、输出幅度控制电路的设计、输出幅度控制电路的设计3、电路的设计、电路的设计 步进衰减电路分析步进衰减电路分析K1K2K3K4K5K6 该电阻网络每个节点的分压

53、比均由411和 190的分压决定，即分压比为 0.316(-10dB)。设设 K K2 2 导通，由于导通，由于411+190=601411+190=601，而，而601601和和278278的并的并联值约为联值约为190190。则与。则与 K K2 2 相连的节点的分压比由相连的节点的分压比由601601和和 190190的分压决定，即分压比为的分压决定，即分压比为 0.316(-10dB)0.316(-10dB)。、输出幅度控制电路的设计、输出幅度控制电路的设计K1K2K3K4K5K6 作用：将衰减器与负载隔离；提供足够的驱动能力。作用：将衰减器与负载隔离；提供足够的驱动能力。步进衰减电路

54、分析步进衰减电路分析 输出电路分析输出电路分析、输出幅度控制电路的设计、输出幅度控制电路的设计学生作品学生作品 1 20dB 10dB 0 dB-10dB-20dB-30dB学生作品学生作品 2 将DDS输出信号送到高速D/A芯片TLC7524的基准电压端，通过单片机控制TLC7524的Data端，实现信号幅度的数控衰减。u 振荡器的测试也使用数字示波器作为标准仪器。u 振荡器输出频率误差的绝对值小于0.3dB时给满分；大于3dB时不给分，其间分级给分。实际的测试记录与评分表（振荡器部分）实际的测试记录与评分表（振荡器部分）输出频率范围、误差。Vop-p=2.19V430Hz90kHz(V)(V)输出电平范围、误差，f=1kHz9-20dB0 dB20 dBVop-p=(V)Vop-p=(V)Vop-p=(V)输出信号波形无明显失真2(1)振荡器输出频率范围、误差Vop-p=2.19V4100kHz990kHz(V)(V)输出电平范围、误差 f=500kHz6-20dB0 dB20 dBVop-p=Vop-p=Vop-p=输出波形无明显失真2