【電賽參考資料】典型儀器類賽題分析(續(xù))-趙茂泰(2018)

1、典型典型儀儀器儀表類賽題分析（續(xù)）器儀表類賽題分析（續(xù)）(以電壓測(cè)量為基礎(chǔ)的儀器以電壓測(cè)量為基礎(chǔ)的儀器)2018.10. 28趙趙茂泰茂泰1 1儀器類賽題培訓(xùn)建議儀器類賽題培訓(xùn)建議2. 2. 數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析3 3. . 數(shù)字式工頻有效值測(cè)量儀賽題分析數(shù)字式工頻有效值測(cè)量儀賽題分析4. 4. 幾點(diǎn)意見幾點(diǎn)意見 電子儀器種類繁多，不可能一一研究。但從學(xué)習(xí)的角度，電子儀器種類繁多，不可能一一研究。但從學(xué)習(xí)的角度，只要掌握以下類儀器，各類儀器的設(shè)計(jì)便不會(huì)存在大的障礙。只要掌握以下類儀器，各類儀器的設(shè)計(jì)便不會(huì)存在大的障礙。u 電壓測(cè)量類儀器（電壓；各類電參量；各類物理量）u 時(shí)間頻

2、率測(cè)量儀器（頻率、周期、相位差、上升時(shí)間等）u 數(shù)字示波器（時(shí)域波形顯示、頻域譜線顯示）u 信號(hào)發(fā)生器建議：賽前訓(xùn)練時(shí)，選做涵蓋這建議：賽前訓(xùn)練時(shí)，選做涵蓋這4 4方面內(nèi)容的方面內(nèi)容的3-53-5個(gè)以上的題目。個(gè)以上的題目。 其中，電壓測(cè)量類儀器的賽題最為重要，半數(shù)以上儀其中，電壓測(cè)量類儀器的賽題最為重要，半數(shù)以上儀器類賽題都涵蓋該方面的內(nèi)容，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。器類賽題都涵蓋該方面的內(nèi)容，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。 1 1儀器類賽題培訓(xùn)建議儀器類賽題培訓(xùn)建議 儀器類賽題是典型的指標(biāo)題，做好儀器類賽題的關(guān)鍵是儀器類賽題是典型的指標(biāo)題，做好儀器類賽題的關(guān)鍵是準(zhǔn)確理解各項(xiàng)指標(biāo)（尤其是測(cè)量誤差）的涵義。準(zhǔn)確理解各項(xiàng)指標(biāo)（

3、尤其是測(cè)量誤差）的涵義。p Vx為被測(cè)電壓的指示值為被測(cè)電壓的指示值(讀數(shù)讀數(shù))；Vm為測(cè)量電壓的滿度值。為測(cè)量電壓的滿度值。p “a”項(xiàng)誤差也稱讀數(shù)誤差，其大小與讀數(shù)項(xiàng)誤差也稱讀數(shù)誤差，其大小與讀數(shù)Vx成正比。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(zhǔn)及非線性等因素引起。p “b”項(xiàng)誤差也稱固定誤差，其大小不隨讀數(shù)變化。項(xiàng)誤差也稱固定誤差，其大小不隨讀數(shù)變化。主要由量化、偏移等因素（例1字誤差，運(yùn)放失調(diào)電壓等因素）而引起。 表達(dá)式表達(dá)式 1： （aVxbVm ） 表達(dá)式表達(dá)式 2： = （a%VX n個(gè)字）個(gè)字）例：數(shù)字電壓表測(cè)量誤差的表達(dá)式例：數(shù)字電壓表測(cè)量誤差的表達(dá)式例，

4、某3位半數(shù)字電壓表的測(cè)量誤差為 （0.1Vx0.1Vm） 由于 0.1（19991）2，也可表示為 （0.1Vx2個(gè)字）表達(dá)式和表達(dá)式是完全等價(jià)的表達(dá)式和表達(dá)式是完全等價(jià)的例如：數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)的一般步驟：例如：數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)的一般步驟： 堅(jiān)持在訓(xùn)練中按堅(jiān)持在訓(xùn)練中按步驟步驟設(shè)計(jì)，有利于設(shè)計(jì)能力的設(shè)計(jì)，有利于設(shè)計(jì)能力的提高。提高。 1 1儀器類賽題培訓(xùn)建議儀器類賽題培訓(xùn)建議p 方案論證并確定系統(tǒng)的組成方案論證并確定系統(tǒng)的組成p 測(cè)量誤差指標(biāo)的分析及其分配測(cè)量誤差指標(biāo)的分析及其分配p 核心器件的選擇核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)及硬件電路的設(shè)計(jì)p 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)p 整機(jī)電路調(diào)試整機(jī)電路調(diào)

5、試 題目不同，設(shè)計(jì)步驟會(huì)略有差異，但差別不會(huì)太大。1任務(wù)任務(wù)設(shè)計(jì)制作一臺(tái)具有直流電壓、交流電壓和電阻測(cè)量功能的數(shù)字多用表。其中，A/D轉(zhuǎn)換器要求使用ADS112C04芯片（16位，-型A/D轉(zhuǎn)換器）。2要求要求2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析 2018年年全國競(jìng)賽模擬技術(shù)專題邀請(qǐng)賽全國競(jìng)賽模擬技術(shù)專題邀請(qǐng)賽（TI杯）杯） 直流電壓測(cè)量（只要求測(cè)量正極性電壓） （23分） 量程：0.2V、2V； 最大顯示數(shù)19999；精度：0.05%讀數(shù)2個(gè)字； 測(cè)量速度2次/s；輸入阻抗10M。 交流真有效值電壓測(cè)量（略） （32分） 電阻測(cè)量 （23分） 電阻量程：2、200k； 測(cè)量速度2次/s

6、； 最大讀數(shù)1999；精度：0.5%讀數(shù)2個(gè)字。 具有待機(jī)模式的低功耗性能（略） （12分）量程：0.2V、2V； 最大顯示數(shù)19999；精度：0.05%讀數(shù)2個(gè)字； 測(cè)量速度2次/s； 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖 直流電壓測(cè)量直流電壓測(cè)量 假定A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓的范圍為02V，則量程轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)就是把各量程輸出的電壓范圍歸一化為02V。 數(shù)字電壓表量程間一般為10倍乘。因而要求, 2V量程：量程：當(dāng)輸入在0.2V2V時(shí)，儀器都能達(dá)到0.05%2個(gè)字的精度； 0.2V量程：量程：當(dāng)輸入電壓在0.02V0.2V區(qū)間時(shí)，儀器均能達(dá)到預(yù)設(shè)精度。 A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：當(dāng)當(dāng)輸入在0.2V2V時(shí)，

7、 儀器均能達(dá)到0.05%2個(gè)字的精度2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析較高精度（ 0.05% ，四位半）； A/D轉(zhuǎn)換器有效分辨率的概念最基礎(chǔ)的測(cè)量模塊 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖與誤差基本無關(guān)u 擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測(cè)量誤差不大于于 0.03%。u 擬要求量程轉(zhuǎn)換電路的測(cè)量誤差不大于 0.02%； 把總誤差（把總誤差（0.05 %0.05 %）分配給各部分電路：）分配給各部分電路：量程：0.2V、2V； 最大顯示數(shù)19999；精度：0.05%讀數(shù)2個(gè)字； 測(cè)量速度2次/s； 直流電壓測(cè)量直流電壓測(cè)量2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析 核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)核心器

8、件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)：u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì)u 量程轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)及關(guān)鍵器件選擇設(shè)計(jì)及關(guān)鍵器件選擇（擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測(cè)量誤差不大于0.03%） 核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)：n 全國電賽賽題中使用最多的A/D轉(zhuǎn)換器是8位、12位SAR型。目前，SAR型A/D轉(zhuǎn)換器在工藝上有18位的限制。n 當(dāng)進(jìn)行較精密測(cè)量時(shí)，經(jīng)常會(huì)采用 -型A/D轉(zhuǎn)換器。目前，這種新型A/D轉(zhuǎn)換器可達(dá)到24位及以上。n 當(dāng)采用的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率達(dá)到16位以上時(shí)，需要考慮有效分辨率的存在。有效分辨率即實(shí)際分辨率，其值理想分辨率。n 影響有效分辨率主要

9、因素是噪聲。 假定A/D轉(zhuǎn)換器滿程輸入為2V，則 對(duì)于對(duì)于12位位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，它對(duì)應(yīng)的最小分辨力為2V/40980.5mV； 對(duì)于對(duì)于16位位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，它對(duì)應(yīng)的最小分辨力則為2V/655360.03mV。n 對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字平均，有利于有效分辨率的提高。u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì)（擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測(cè)量誤差不大于0.03%）n A/D轉(zhuǎn)換器分辨率不等于精度，工程設(shè)計(jì)時(shí)，可認(rèn)為精度比分辨率低12位，即A/D轉(zhuǎn)換器分辨率應(yīng)高于精度2-4倍以上。（例如，AD574精度，0.05%）n 本題要求必須使用16位的ADS112C04A

10、/D芯片，其輸入電壓范圍為0V2.0V，則本例要求：A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓在0.2V2.0V范圍內(nèi)，分辨率均能達(dá)到0.015% 0.007%以上。u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇：轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇：輸入電壓輸入電壓輸出數(shù)字輸出數(shù)字理論理論分辨率分辨率要求的要求的分辨率分辨率2V216=655360.0015%低于0.015%0.2V216/10=65530.015%等于0.015%結(jié)論：結(jié)論：ADS112C04 基本可用，但若考慮其他因素，略欠不足。基本可用，但若考慮其他因素，略欠不足。 除優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)：采用數(shù)字平均來緩解對(duì)A/

11、D分辨率的嚴(yán)要求； 另一個(gè)可考慮的措施：適當(dāng)降低儀器量程間的倍率。例如，數(shù)字示波器是以 125 步進(jìn)序列調(diào)整垂直檔位，即以 2mV/div、5mV/div、10mV/div、 20mV/div10V/div 方式步進(jìn)u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇：轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇： A/D轉(zhuǎn)換器采樣率（轉(zhuǎn)換器采樣率（SPS）的選擇）的選擇（支持?jǐn)?shù)字平均）（支持?jǐn)?shù)字平均）擬定擬定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的SPS為為40S/s，并在采集，并在采集15個(gè)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行數(shù)字平均，個(gè)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行數(shù)字平均，完成一次測(cè)量，則儀器的測(cè)量速度約為完成一次測(cè)量，則儀器

12、的測(cè)量速度約為2.7次次/s 2次次/s。 隨著SPS 的增加， -型A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的濾波次數(shù)就會(huì)減少，對(duì)應(yīng)的有效分辨率就越低。n 對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字平均，有利于精度的提高。n 本題要求測(cè)量速度2次/s，對(duì)采樣率的提高提出了限制。n -型A/D轉(zhuǎn)換器的SPS與有效分辨率之間相互制約，成反比。u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇：轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇： A/D轉(zhuǎn)換器采樣率（轉(zhuǎn)換器采樣率（SPS）的選擇：）的選擇： A/D轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計(jì)：p 優(yōu)化的PCB設(shè)計(jì)：所有連線盡量短，模擬地和數(shù)字地分開并盡量使用鋪

13、地層；充分的旁路電容；慎用芯片內(nèi)PGA和基準(zhǔn)電源。p ADS112C04集成度高，是可編程器件，使用較復(fù)雜。必須認(rèn)真閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)（datasheet）并準(zhǔn)確理解，才能完成好A/D轉(zhuǎn)換器的軟硬件的設(shè)計(jì)。p ADS112C04的data sheet共計(jì)70余頁，要求學(xué)生必須在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確掌握。因而注需要意培養(yǎng)學(xué)生的這種能力。 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖（擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測(cè)量誤差不大于0.03%） 把總誤差（把總誤差（0.05 %）分配給各部分電路：）分配給各部分電路： 核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)：u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設(shè)計(jì)（擬

14、要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測(cè)量誤差不大于0.02%）u 量程轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)及關(guān)鍵器件選擇設(shè)計(jì)及關(guān)鍵器件選擇n 0.2V、2V量程主要由運(yùn)算放大器構(gòu)成的10、1放大器構(gòu)成。n 選擇低躁、低漂、低失調(diào)的運(yùn)算放大器芯片，例如OPA333等；注意PCB的優(yōu)化設(shè)計(jì)。n 放大倍數(shù)的不準(zhǔn)確可以通過調(diào)試予以糾正。具體電路設(shè)計(jì)（略）具體電路設(shè)計(jì)（略）2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖 把總誤差（把總誤差（0.05 %）分配給各部分電路）分配給各部分電路 核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（略）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（略） 整機(jī)整機(jī)電路調(diào)試電路調(diào)試?yán)?/p>

15、，以典型三位半的數(shù)字電壓表為例例如，以典型三位半的數(shù)字電壓表為例: 設(shè)該表共有設(shè)該表共有0.2V、2V、20V三個(gè)量程，三個(gè)量程， 2V量程為基本量程。量程為基本量程。調(diào)試電路調(diào)試電路 調(diào)試一般步驟：調(diào)試一般步驟： 先調(diào)基本量程（包括先調(diào)基本量程（包括a項(xiàng)和項(xiàng)和b項(xiàng)誤差）項(xiàng)誤差） 再調(diào)其他量程再調(diào)其他量程 調(diào)其他量程時(shí)不要更改基本量程的調(diào)調(diào)其他量程時(shí)不要更改基本量程的調(diào)整元件整元件2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析OPA33302V 20V 20V量程：量程：K1K1吸合，吸合，K2K2釋放釋放( (0.1)0.1) 2V 2V量程：量程：K1K1釋放，釋放，K2K2釋放釋放( (1)

16、1)0.2V0.2V量程：量程：K1K1釋放，釋放，K2K2吸合吸合( (10)10) 注：注：2V2V量程為基本量程量程為基本量程典型三位半的數(shù)字電壓表介紹典型三位半的數(shù)字電壓表介紹 設(shè)該表共有設(shè)該表共有0.2V、2V、20V三個(gè)量程，三個(gè)量程， 2V量程為基本量程。量程為基本量程?；玖砍痰恼{(diào)整：基本量程的調(diào)整：u 使量程處于基本量程狀態(tài)（使量程處于基本量程狀態(tài)（2V2V量程量程）；）；u“b”項(xiàng)誤差調(diào)整：項(xiàng)誤差調(diào)整：輸入端短路，調(diào)整調(diào)零 電路，使被測(cè)表的顯示數(shù)字在0.000附近；OPA33302Vu“a”項(xiàng)誤差調(diào)整：項(xiàng)誤差調(diào)整：輸入端加入一個(gè)1.500V1.999V之間的穩(wěn)定電壓，然后調(diào)

17、整 RW0，使被測(cè)表的顯示數(shù)字值與標(biāo)準(zhǔn)表顯示數(shù)字值的前4位相等。u 使量程處于20V量程狀態(tài)（ K1 K1吸合，吸合，K2K2釋放釋放）；u 輸入端加入一個(gè) 15.00V19.99V之間的穩(wěn)定電壓，調(diào)整RW1，使被測(cè)表顯示的數(shù)字與標(biāo)準(zhǔn)表顯示數(shù)字的前4位相等。20V量程的調(diào)整：量程的調(diào)整：u 使量程處于0.2V量程狀態(tài)（ K1 K1釋放，釋放，K2K2吸合吸合）；u 輸入端加入一個(gè) 150.0mV199.9mV之間的穩(wěn)定電壓，調(diào)整RW2，使被測(cè)表顯示的數(shù)字與標(biāo)準(zhǔn)表顯示數(shù)字的前4位相等。0.2V量程的調(diào)整：量程的調(diào)整：OPA33302Vu顯示結(jié)果必須給出5個(gè)有效數(shù)字。例如，標(biāo)準(zhǔn)表顯示1.42000

18、V，被測(cè)表顯示1.42V,計(jì)0分。附：測(cè)量精度指標(biāo)測(cè)評(píng)的評(píng)分細(xì)則：附：測(cè)量精度指標(biāo)測(cè)評(píng)的評(píng)分細(xì)則：u如果顯示有多位跳動(dòng)，只記錄第一位。例如，標(biāo)準(zhǔn)表顯示1.42123V，被測(cè)表顯示1.42xxV,記錄為1.42xV，“x”選擇相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。直流電壓測(cè)量精度達(dá)到（0.05%讀數(shù)2個(gè)字）時(shí)給滿分；低于（0.5%讀數(shù)2個(gè)字）時(shí)不給分，其間分級(jí)給分。 當(dāng)被測(cè)電壓的標(biāo)準(zhǔn)值為1.5000 xV時(shí)，如果顯示值在150009以內(nèi)（= |顯示值-標(biāo)準(zhǔn)值|9個(gè)字），得滿分。按以上原則制定的絕對(duì)誤差與得分對(duì)照表如下：值值9個(gè)字個(gè)字 18字字27字字36字字45字字54字字63字字72字字81字字得分得分9分8分7分

19、6分5分4分3分2分1分u即使測(cè)量誤差較大，依然可以得到若干分?jǐn)?shù)。（測(cè)試記錄中的標(biāo)準(zhǔn)值為用標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量的值，顯示值為作品儀器的測(cè)量值。）（標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)表：五位半以上）表：五位半以上） 電阻量程：2、200k； 測(cè)量速度2次/s； 最大讀數(shù)1999；精度：0.5%讀數(shù)2個(gè)字。u 已完成數(shù)字電壓表部分的測(cè)量誤差不大于0.05% ；u 則要求R-V變換電路的測(cè)量誤差不大于于 0.45%。 把總誤差（把總誤差（0.5 %0.5 %）分配給各部分電路：）分配給各部分電路： 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖電阻測(cè)量電阻測(cè)量 2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析（要求要求R-V變換電路的測(cè)量誤差不大于0.45

20、%） R-V變換電路的選擇及電路設(shè)計(jì)量程量程恒流恒流 Is壓降壓降 Vx量程電路量程電路A/D輸入電壓輸入電壓02100mA00.2V1002.0V0200k10uA02.0V102.0V以恒流源法為例：以恒流源法為例：（要求R-V變換電路的測(cè)量誤差不大于0.45%） R-V變換電路變換電路的選擇及電路設(shè)計(jì)的選擇及電路設(shè)計(jì)測(cè)量誤差分析：測(cè)量誤差分析：p一般情況下，由恒流源“Is”不準(zhǔn)確度而產(chǎn)生的誤差可以控制在 有效的范圍內(nèi)。p電阻測(cè)量誤差主要來自于低阻檔量程和高阻檔量程產(chǎn)生的原理誤差。p本例，2檔屬低阻檔量程； 200k檔屬偏高阻檔量程100mA恒流源的設(shè)計(jì)實(shí)例：恒流源的設(shè)計(jì)實(shí)例：改變 Rs

21、的值，就可以形成不同的 Is 值2N39602N3960OPA334實(shí)際被測(cè)電壓除了被測(cè)電阻Rx兩端的電壓外，還包括了引線和接觸電阻r1和r2上的壓降值。被測(cè)電阻的阻值較大時(shí)， r1和r2可以忽略，但當(dāng)被測(cè)電阻的阻值較小時(shí)，引線電阻將帶來很大的誤差?！皉1和r2” 的阻值約為數(shù)十 m及以上；2量程（顯示1.999）1個(gè)字為1 mp 低低阻值檔量程的誤差分析：阻值檔量程的誤差分析：p 解決方案：四線法解決方案：四線法Rx兩端除了連接原來的兩條測(cè)試導(dǎo)線外，再單獨(dú)用兩條導(dǎo)線連接到數(shù)字電壓表的輸入端。由于DVM的輸入電阻很高，引線電阻r1“和 r2”上可認(rèn)為無電流流過，即沒有壓降，因而能準(zhǔn)確地測(cè)量Rx

22、兩端的電壓。p 高高阻值檔量程的誤差分析：阻值檔量程的誤差分析：u 盡量提高量程電路的輸入阻抗，例如使輸入阻抗達(dá)到100M以上。u 必要時(shí)采用修正技術(shù)。p 解決方案：解決方案： 對(duì)Rx和Rx的并聯(lián)值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并讀入；通過運(yùn)算消去并聯(lián)誤差，得實(shí)際的被測(cè)值Rx 。u 圖中 Rz 為數(shù)字電壓表輸入阻抗的等效電阻，本題要求在10M以上。u 當(dāng)Rx要數(shù)值較小時(shí)，Rz 的影響可以忽略不計(jì)；當(dāng)Rx要數(shù)值較大時(shí)，例如Rx=100k， Rx 將產(chǎn)生百分之一的分流，這時(shí)需要采用修正技術(shù)。任務(wù)：設(shè)計(jì)制作一個(gè)能同時(shí)測(cè)量一路工頻信號(hào)電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)的數(shù)字多用表。（工頻頻率為501

23、Hz，波形為有失真的正弦波）說明：為便于本試題的設(shè)計(jì)與制作，設(shè)定待測(cè)0500V的交流電壓、050A的交流電流均已經(jīng)相應(yīng)的變換器轉(zhuǎn)換為05V的交流電壓。不要求制作部分要求制作部分3 3數(shù)字式工頻有效值多用表賽題分析 1999年全國競(jìng)賽本科組年全國競(jìng)賽本科組B題題（1）測(cè)量功能及量程范圍a、交流電壓：0500V； b、交流電流：050A；c、有功功率：025kW；d、無功功率：025kvar；e、功率因數(shù)：01 。（2）準(zhǔn)確度（顯示范圍為00004999）a、交流電壓和交流電流：（0.8讀數(shù)5個(gè)字；b、有功功率和無功功率：（1.5讀數(shù)8個(gè)字）；c、 功率因數(shù)：0.01 。（3）具有量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能

24、。當(dāng)變換器輸出電壓值小于0.5V時(shí)，使電壓分辨力能達(dá)到0.01V。要求制作的部分要求制作的部分 設(shè)計(jì)重點(diǎn)：設(shè)計(jì)重點(diǎn)：p05V（真有效值）的測(cè)量 ； p有功功率的測(cè)量實(shí)際測(cè)量電壓（有效值）為 05V，顯示為 0000499.9V實(shí)際測(cè)量電壓（有效值）為 05V，顯示為 00.0049.99A有功功率測(cè)量與 一個(gè)周期內(nèi)的 u(t)、i(t) 瞬時(shí)值有關(guān)通過計(jì)算得到（與有功功率等有關(guān)）通過計(jì)算得到（與有功功率等有關(guān)）要求設(shè)置500V、50V兩個(gè)量程。（ 50V量程顯示范圍為00.0049.99V） 交流電壓（真有效值）的測(cè)量方法 一般有效值電壓的測(cè)量方法：一般有效值電壓的測(cè)量方法：先用檢波器測(cè)幅度（

25、或平均值），再換算成有效值。該法只適合規(guī)則波形。波形波形有效值（有效值（Urms）備注備注正弦波0.707Um三角波0.577Um隔直三角波方波Um隔直方波矩形波隔直矩形波tk為脈沖寬度 真有效值電壓測(cè)量方法：真有效值電壓測(cè)量方法：按照有效值電壓的數(shù)學(xué)定義來實(shí)現(xiàn)，因此，它適合于任意波形有效值的測(cè)量。本題被測(cè)信號(hào)的波形為有失真的正弦波，屬于無規(guī)則任意波形，必須采用真有效值電壓測(cè)量方法.方案方案1：采用真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器芯片，例如AD637。 簡單，能滿足有效值電壓的測(cè)量，但不能滿足功率因數(shù)等參數(shù)測(cè)量方案方案2：采用基于時(shí)域分析的交流采樣技術(shù)。能同時(shí)滿足有效值電壓和有功功率等參數(shù)測(cè)量，并能對(duì)

26、波形做出全面分析。能滿足本題的各項(xiàng)要求。但難度較大。真有效值電壓測(cè)量實(shí)現(xiàn)方案真有效值電壓測(cè)量實(shí)現(xiàn)方案在當(dāng)年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中，選擇方案在當(dāng)年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中，選擇方案2 2并并取得成功的只有幾所學(xué)校取得成功的只有幾所學(xué)校! ! 采用交流采樣方法時(shí)，電壓有效值、電流有效值、有功功率、采用交流采樣方法時(shí)，電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)的數(shù)學(xué)定義如下：無功功率、功率因數(shù)的數(shù)學(xué)定義如下：3 3數(shù)字式工頻有效值多用表賽題分析 交流電壓（真有效值）的測(cè)量u實(shí)際測(cè)量電壓（有效值）為 05V，要求顯示為 0000499.9Vu設(shè)置500V、50V兩個(gè)量程。（實(shí)際為5V、0.

27、5V兩個(gè)量程）u測(cè)量準(zhǔn)確度：（0.8讀數(shù)5個(gè)字）； 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖與誤差基本無關(guān)u 擬定A/D轉(zhuǎn)換器電路的測(cè)量誤差不大于于 0.7%。u 擬定量程轉(zhuǎn)換電路的測(cè)量誤差不大于 0.1%； 把總誤差（把總誤差（0.8 %0.8 %）分配給各部分電路：）分配給各部分電路：基于時(shí)域的交流采樣方法：基于時(shí)域的交流采樣方法：p 采樣計(jì)算法的本質(zhì)是用離散的梯形積分代替連續(xù)積分，必然會(huì)產(chǎn)生積采樣計(jì)算法的本質(zhì)是用離散的梯形積分代替連續(xù)積分，必然會(huì)產(chǎn)生積分余項(xiàng)（誤差）。分余項(xiàng)（誤差）。p 在在A/DA/D轉(zhuǎn)換器分辨率足夠高的前提下，交流采樣的測(cè)量精度主要取決轉(zhuǎn)換器分辨率足夠高的前提下，交流采樣的測(cè)量精

28、度主要取決于采樣頻率和采樣是否同步。于采樣頻率和采樣是否同步。p 粗略的說，采樣頻率每提高粗略的說，采樣頻率每提高1 1倍，測(cè)量精度增加約倍，測(cè)量精度增加約1 1倍；采用同步采樣倍；采用同步采樣可使測(cè)量精度大幅度提高，尤其在被測(cè)信號(hào)頻率不夠穩(wěn)定的情況下?？墒箿y(cè)量精度大幅度提高，尤其在被測(cè)信號(hào)頻率不夠穩(wěn)定的情況下。 真有效值的數(shù)學(xué)定義為：被測(cè)信號(hào)的均方根值。 當(dāng)采用數(shù)字取樣方法時(shí)，先對(duì)被測(cè)信號(hào)在一個(gè)基波周期內(nèi)進(jìn)行等間隔采樣，再計(jì)算出所有采集數(shù)據(jù)的均方根值，其計(jì)算公式為： 式中，n為在一個(gè)交流電壓周期T 內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)。 ( )( )nTrmsiiUut dtutTn1220011 核心器件的選擇及

29、硬件電路的設(shè)計(jì)核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)： 當(dāng)N取128時(shí)，對(duì)應(yīng)的采樣頻率 fs =6.4 kHz 根據(jù)取樣定理，當(dāng)N取128時(shí)，可分析工頻信號(hào)中的諧波次數(shù)可以達(dá)到63次，足以滿足我國電力系統(tǒng)的測(cè)量要求。 A/D A/D轉(zhuǎn)換電路的選擇轉(zhuǎn)換電路的選擇 擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測(cè)量誤差不大于于 0.7%。 核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)：根據(jù)以上分析，采樣率擬采用 6.4 kSPS 。p 采樣頻率的確定采樣頻率的確定p 同步采樣及其實(shí)現(xiàn)同步采樣及其實(shí)現(xiàn)p 轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定p 采樣頻率的確定采樣頻率的確定p 同步采樣及其實(shí)現(xiàn)同步采樣及其實(shí)現(xiàn) A/D

30、A/D轉(zhuǎn)換電路的選擇轉(zhuǎn)換電路的選擇 擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測(cè)量誤差不大于于 0.7%。 核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)： 首先測(cè)出被測(cè)信號(hào)的周期T； 用該周期除以一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N得到采樣間隔Ts ； 確定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值,用定時(shí)中斷方式采樣。p 采樣頻率的確定采樣頻率的確定p 同步采樣及其實(shí)現(xiàn)同步采樣及其實(shí)現(xiàn)1. 軟件同步采樣法：軟件同步采樣法：優(yōu)點(diǎn)：該方法省去硬件環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單。不足：只能測(cè)到前一個(gè)周期的T，當(dāng)信號(hào)頻率飄移時(shí)，存在同步偏差。 定時(shí)器給出的Ts與理論值存在誤差，經(jīng)N點(diǎn)積累，引起誤差。 有專門硬件電路產(chǎn)生同步于被測(cè)信號(hào)的采樣脈沖。常采用倍頻鎖相環(huán)來

31、構(gòu)成頻率跟蹤電路實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣。2. 硬件同步采樣法：硬件同步采樣法：特點(diǎn)：當(dāng)信號(hào)頻率漂移時(shí)，能自動(dòng)跟蹤并產(chǎn)生新的同步于信號(hào)基頻的 采樣脈沖, 大大削弱截?cái)嗾`差的影響。但是，硬件開銷較大。 核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)： 擬采用擬采用6.4kSPS采樣頻率 。p 采樣頻率的確定采樣頻率的確定p 同步采樣及其實(shí)現(xiàn)同步采樣及其實(shí)現(xiàn)p 轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定結(jié)論：結(jié)論：應(yīng)該采樣應(yīng)該采樣采樣頻率 大于6.4kSPS的、1212位以上的、位以上的、A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。例如：例如：1, AD547: 121, AD547: 12位，最高采樣率：位，最高

32、采樣率： 40kSPS 2, AD7655: 16 2, AD7655: 16位，最高采樣率：位，最高采樣率： 1MSPS 擬采用擬采用6.4kSPS采樣頻率 。 擬采用基于鎖相倍頻的同步采樣方式。擬采用基于鎖相倍頻的同步采樣方式。 擬采用擬采用1212位以上的位以上的 A/DA/D轉(zhuǎn)換器。（具體分析略）轉(zhuǎn)換器。（具體分析略） A/D A/D轉(zhuǎn)換電路的選擇轉(zhuǎn)換電路的選擇 要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測(cè)量誤差不大于于 0.7%。 核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)：（鎖相倍頻后的信號(hào)作為單片機(jī)外部中斷信號(hào)，快速啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換）鎖相倍頻電路框圖鎖相倍頻電路框圖鎖相倍頻電路實(shí)

33、例鎖相倍頻電路實(shí)例硬件同步采樣法采樣電路硬件同步采樣法采樣電路 核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)：基于鎖相倍頻的同步采樣方式基于鎖相倍頻的同步采樣方式的硬件電路框圖的硬件電路框圖 有功功率（P）的測(cè)量 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖 交流電壓（有效值）的測(cè)量 有功功率（P）的測(cè)量 把總誤差（把總誤差（1.5 %1.5 %）分配給各部分電路：）分配給各部分電路： 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖 交流電壓（有效值）的測(cè)量要求：交流電壓（有效值）測(cè)量誤差不大于（0.8讀數(shù)5個(gè)字）要求：有功功率測(cè)量誤差不大于（1.5讀數(shù)8個(gè)字）有效值測(cè)量和P的測(cè)量基本上使用了同樣的采集電路（分

34、析略） 核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)：核心器件的選擇及硬件電路的設(shè)計(jì)：3 3數(shù)字式工頻有效值多用表賽題分析p鎖相倍頻后的信號(hào)作為單片機(jī)外部中斷信號(hào)，快速啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換；p每次啟動(dòng)，先控制S/H同時(shí)采集兩路模擬信號(hào)并存儲(chǔ)，然后通過轉(zhuǎn)換開關(guān)分別對(duì)存儲(chǔ)的兩個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；p單片機(jī)對(duì)采集的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘運(yùn)算，形成一個(gè)數(shù)據(jù) u(n).i(n)；p低通濾波用于消除帶外噪聲及混疊噪聲，其截止頻率為采樣頻率的一半。S/H：采樣保持器（例，LF398）學(xué)生作品的最佳學(xué)生作品的最佳方案方案雙極模擬輸入雙極模擬輸入數(shù)字輸出數(shù)字輸出 方案中，方案中，AD574的模擬輸入采用了雙極的模擬輸入采用了雙極性方式，其輸入電壓范圍為性方式，其輸入電壓范圍為-5V+5V。 5V量程倍數(shù)的確定：量程倍數(shù)的確定：p 5V（有效值）的峰峰值為（有效值）的峰峰值為21.414Vrms=14.14V，即，即 -7.07V+7.07Vp 由于輸入信號(hào)為失真的正弦波，最