電子測量2013第二組課

1、雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219;16-17:40A219電子測量原理-技術(shù)馮永茂馮永茂電子與信息工程學(xué)院電子與信息工程學(xué)院電子信息工程系電子信息工程系 2013版版雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215課程概要課程概要本課程的重點研究對象；本課程的重點研究對象；學(xué)好電子測量都能干什么；學(xué)好電子測量都能干什么；測量的關(guān)鍵知識與原則；測量的關(guān)鍵知識與原則；時間量的測量預(yù)備知識；時間量的測量預(yù)備知識；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A

2、303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215 大功率半導(dǎo)體激光器內(nèi)部集成了多路溫度傳大功率半導(dǎo)體激光器內(nèi)部集成了多路溫度傳感器、壓力傳感器、相對濕度傳感器、光強感器、壓力傳感器、相對濕度傳感器、光強傳感器，請查閱資料，給出一套傳感器選型傳感器，請查閱資料，給出一套傳感器選型指南，并提出相應(yīng)的信號處理的參考電路。指南，并提出相應(yīng)的信號處理的參考電路。提交方式，第三節(jié)課上課時，提交電子文檔提交方式，第三節(jié)課上課時，提交電子文檔與

3、紙介質(zhì)打印稿；每節(jié)課上隨機抽查與紙介質(zhì)打印稿；每節(jié)課上隨機抽查3-5份份，直到期末考試。，直到期末考試。雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A2153KW半導(dǎo)體工業(yè)激光器半導(dǎo)體工業(yè)激光器雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215時間的測量時間的測量認(rèn)識世界的開始認(rèn)識世界的開始周期的測量；周期的測量；頻率的測量；頻率的測量；高頻率的測量；高頻率的測量；短時間間隔的測量；短時間間隔的測量；極低頻率的測量；極低頻率的測量；時間量測量

4、的基本方法時間量測量的基本方法數(shù)字計數(shù)器；數(shù)字計數(shù)器；數(shù)字計數(shù)器的最佳實現(xiàn)數(shù)字計數(shù)器的最佳實現(xiàn)采用采用FPGA；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215傳感器信號調(diào)理電路；傳感器信號調(diào)理電路；溫度傳感器；溫度傳感器；光傳感器；光傳感器；電流傳感器；電流傳感器；ADC的類型與工作原理；的類型與工作原理；SAR逐次逼近型；逐次逼近型；雙積分型；雙積分型；數(shù)據(jù)采集電路的基本構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集電路的基本構(gòu)成；電路實現(xiàn)的若干關(guān)鍵環(huán)節(jié)電路實現(xiàn)的若干關(guān)鍵環(huán)節(jié)雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四

5、8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215集總式電路分析與分布式電路分析；集總式電路分析與分布式電路分析；電阻、電容、電感只是相對參數(shù)；電阻、電容、電感只是相對參數(shù)；自動平衡電橋法的基本構(gòu)成與原理；自動平衡電橋法的基本構(gòu)成與原理；與時間、電壓測量相結(jié)合的阻抗測量；與時間、電壓測量相結(jié)合的阻抗測量；實例問題分析；實例問題分析；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215數(shù)字示波器的基本構(gòu)成；數(shù)字示波器的基本構(gòu)成；數(shù)字示波器的常用功能；數(shù)字示波器的常用功能；使用中的若干關(guān)鍵技術(shù)；使用中的若干關(guān)鍵技

6、術(shù)；數(shù)字示波器的發(fā)展現(xiàn)狀；數(shù)字示波器的發(fā)展現(xiàn)狀；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215PLL（鎖相環(huán)）的基本原理；（鎖相環(huán)）的基本原理；常見的常見的PLL應(yīng)用與實例；應(yīng)用與實例；DDS的基本原理與結(jié)構(gòu)；的基本原理與結(jié)構(gòu)；基于基于DDS的任意波形發(fā)生器；的任意波形發(fā)生器；基于基于DDS的脈沖函數(shù)發(fā)生器；的脈沖函數(shù)發(fā)生器；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215學(xué)好電子測量都能干什么學(xué)好電子測量都能干什么分析、設(shè)計與數(shù)據(jù)采

7、集相關(guān)分析、設(shè)計與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的電路與產(chǎn)品；的電路與產(chǎn)品；更加深入、貼切的理解電路更加深入、貼切的理解電路、信號；、信號；綜合模擬電路、綜合模擬電路、MCU、FPGA三大技術(shù)；三大技術(shù)；鍛煉從信號、電路、系統(tǒng)的鍛煉從信號、電路、系統(tǒng)的角度分析問題、解決問題；角度分析問題、解決問題；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215測量誤差的定義（閱讀）測量誤差的定義（閱讀）絕對誤差與精確度（

8、閱讀）絕對誤差與精確度（閱讀）相對誤差與精密度（閱讀）相對誤差與精密度（閱讀）量程選擇的量程選擇的2/3原則；原則；電路上抑制干擾的基本方法；電路上抑制干擾的基本方法；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215測量誤差的基礎(chǔ)知識測量誤差的基礎(chǔ)知識測量誤差的分類測量誤差的分類 根據(jù)測量誤差的性質(zhì)，測量誤差可分為隨機誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差三類。1.隨機誤差 定義: 在同一測量條件下（指在測量環(huán)境、測量人員、測量技術(shù)和測量儀器都相同的條件下），多次重復(fù)測量同一量值時（等精度測量），每次測量誤差的絕對值和符號都以不

9、可預(yù)知的方式變化的誤差，稱為隨機誤差或偶然誤差，簡稱隨差。 隨機誤差主要由對測量值影響微小但卻互不相關(guān)的大量因素共同造成。這些因素主要是噪聲干擾、電磁場微變、零件的摩擦和配合間隙、熱起伏、空氣擾動、大地微震、測量人員感官的無規(guī)律變化等。雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A2153.1.1 3.1.1 測量誤差的分類測量誤差的分類（續(xù)）（續(xù)）例：對一不變的電壓在相同情況下，多次測量得到 1.235V，1.237V，1.234V，1.236V，1.235V，1.237V。單次測量的隨差沒有規(guī)律， 但多次測量的總體

10、卻服從統(tǒng)計規(guī)律?？赏ㄟ^數(shù)理統(tǒng)計的方法來處理,即求算術(shù)平均值1211nniixxxxxnn u隨機誤差定義：測量結(jié)果與在重復(fù)性條件下，對同一被測隨機誤差定義：測量結(jié)果與在重復(fù)性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差量進行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差 iixx()n 雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215測量誤差的分類測量誤差的分類（續(xù)）（續(xù)）2.系統(tǒng)誤差 定義：在同一測量條件下，多次測量重復(fù)同一量時，測量誤差的絕對值和符號都保持不變，或在測量條件改變時按一定規(guī)律變化的誤差，稱為系統(tǒng)誤差

11、。例如儀器的刻度誤差和零位誤差，或值隨溫度變化的誤差。 產(chǎn)生的主要原因是儀器的制造、安裝或使用方法不正確，環(huán)境因素（溫度、濕度、電源等）影響，測量原理中使用近似計算公式，測量人員不良的讀數(shù)習(xí)慣等。 系統(tǒng)誤差表明了一個測量結(jié)果偏離真值或?qū)嶋H值的程度。系差越小，測量就越準(zhǔn)確。 系統(tǒng)誤差的定量定義是：在重復(fù)性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差。即0 xA雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215測量誤差的分類測量誤差的分類（續(xù)）（續(xù)）3.粗大誤差： 粗大誤差是一種顯然與實際值不符

12、的誤差。產(chǎn)生粗差的原因有： 測量操作疏忽和失誤 如測錯、讀錯、記錯以及實驗條件未達(dá)到預(yù)定的要求而匆忙實驗等。 測量方法不當(dāng)或錯誤 如用普通萬用表電壓檔直接測高內(nèi)阻電源的開路電壓 測量環(huán)境條件的突然變化 如電源電壓突然增高或降低，雷電干擾、機械沖擊等引起測量儀器示值的劇烈變化等。含有粗差的測量值稱為壞值或異常值，在數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)剔除掉。 雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215測量誤差的分類測量誤差的分類（續(xù)）（續(xù)）4.系差和隨差的表達(dá)式在剔除粗大誤差后，只剩下系統(tǒng)誤差和隨機誤差各次測得值的絕對誤差等于系統(tǒng)誤

13、差和隨機誤差的代數(shù)和。 在任何一次測量中，系統(tǒng)誤差和隨機誤差一般都是同時存在的。 系差和隨差之間在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化 iiiixAxxxAx雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215測量結(jié)果的表征測量結(jié)果的表征準(zhǔn)確度表示系統(tǒng)誤差的大小。系統(tǒng)誤差越小，則準(zhǔn)確度越高，即測量值與實際值符合的程度越高。精密度表示隨機誤差的影響。精密度越高，表示隨機誤差越小。隨機因素使測量值呈現(xiàn)分散而不確定，但總是分布在平均值附近。精確度用來反映系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合影響。精確度越高，表示正確度和精密度都高，意味著系統(tǒng)誤差和隨

14、機誤差都小。射擊誤差射擊誤差示意圖示意圖 每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401周期的測量原理周期的測量原理周期周期period;cycle：事物在運動、變化過程中，兩個連續(xù)出現(xiàn)或反復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象或事件之間的時間間隔；The time interval between two successive occurrences of a recurrent event or phases of an event；周期的測量時間間隔的測量兩個連續(xù)、相同的特征之間的時間間隔；第一步：發(fā)現(xiàn)、選擇、處理信號的特征；第一步：發(fā)現(xiàn)、選擇、處理信號的

15、特征；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401周期測量周期測量 測量兩個時間（坐標(biāo)點）間隔測量兩個時間（坐標(biāo)點）間隔合理提取信號的“周期”特征；連續(xù)信號模擬信號選擇變化率最大點；脈沖信號數(shù)字信號選擇脈沖的變化沿；利用電子計數(shù)器在兩個時間點之間，觸發(fā)信號到來后，以固定的時鐘周期（TC）計數(shù)，到觸發(fā)信號再次到來時，停止計數(shù)，讀取計數(shù)結(jié)果NC，則被測信號的周期為： Ts=TcNc每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401周期測量的實例周期測量的實例車輪轉(zhuǎn)速傳感器車輪轉(zhuǎn)速傳感器

16、仔細(xì)體會，接受問題，分析問題，解決問題每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401先要了解傳感器的基本工作原理先要了解傳感器的基本工作原理1 齒圈6旋轉(zhuǎn)時，齒頂和齒隙交替對向極軸。在齒圈旋轉(zhuǎn)過程中，感應(yīng)線圈內(nèi)部的磁通量交替變化從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)齒圈的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，感應(yīng)電動勢的頻率也變化。 此傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但存在下述缺點：一是其輸出信號的幅值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。若車速過慢，其輸出信號低于1V，電控單元就無法檢測；二是響應(yīng)頻率不高。當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，傳感器的頻率響應(yīng)跟不上；三是抗電磁波干擾能力差。 目前，國內(nèi)外ABS系統(tǒng)的控制

17、速度范圍一般為15160km/h，今后要求控制速度范圍擴大到8260km/h以至更大，顯然電磁感應(yīng)式輪速傳感器很難適應(yīng)。每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401先要了解傳感器的基本工作原理先要了解傳感器的基本工作原理2 當(dāng)齒輪位于圖中(a)所示位置時，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場相對較弱；而當(dāng)齒輪位于圖中(b)所示位置時，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場相對較強。齒輪轉(zhuǎn)動時，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個毫輸出一個毫伏伏(mV)(mV)級的準(zhǔn)正弦波電壓。此信號級的準(zhǔn)正弦波電壓。此信

18、號還需由電子電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖還需由電子電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電壓。電壓。 霍爾輪速傳感器具有以下優(yōu)點：其一是輸出信號電壓幅值不受轉(zhuǎn)速的影響。；其二是頻率響應(yīng)高。其響應(yīng)頻率高達(dá)20kHz，相當(dāng)于車速為1000km/h時所檢測的信號頻率；其三是抗電磁波干擾能力強。因此，霍爾傳感器不僅廣泛應(yīng)用于ABS輪速檢測，也廣泛應(yīng)用于其控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測。每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401分析信號的基本屬性分析信號的基本屬性每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401最簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最

19、簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401數(shù)字化的周期測量方法數(shù)字化的周期測量方法兩個重要的信號處理環(huán)節(jié)：信號放大與波形整形；信號的放大，主要解決：幅度和濾波降噪；波形整形，主要解決：獲得足夠陡峭的變化沿；集成運算放大器、高速比較器、施密特觸發(fā)器；典型應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)與分析；典型應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)與分析；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401初試初試疊加原理分析運放電路疊加原理分析運放電路1設(shè)法尋找設(shè)法尋找“=”，建立方程；，建立方程；“虛短”與“虛斷”；“虛短”就是

20、“=”；“虛斷”就是“不用多想”。每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401初試初試疊加原理分析運放電路疊加原理分析運放電路234211344231234121233423412123341212334)(1 , and If)(212)(1 So Here )(1RRVVVoutVRRVoutRRRRVRRVRRRRRRVoutVoutVoutVRRVoutVRRRRRRVoutVRRRVVRRRVout每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401初試初試疊加原理分析運放

21、電路疊加原理分析運放電路334213421)( )()(RRVVRRVVVVVoutCMCM每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401 為什么要整形，如何對放大之后的波形進行整形？為什么要整形，如何對放大之后的波形進行整形？高速比較器與施密特觸發(fā)器（滯回比較器）。高速比較器與施密特觸發(fā)器（滯回比較器）。每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401現(xiàn)代周期測量的數(shù)字化實現(xiàn)方案現(xiàn)代周期測量的數(shù)字化實現(xiàn)方案放大整形同步脈沖沿分離計數(shù)處理N=n+1fsfsfN每周三下午每周三下午2

22、:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401深入認(rèn)識脈沖信號的相位抖動深入認(rèn)識脈沖信號的相位抖動-Jitter整形之后的信號，幅度、變化沿滿足了現(xiàn)代數(shù)字信號的標(biāo)準(zhǔn)；相對于本地參考時鐘，必然存在相對的相位偏斜也稱作抖動；在進入周期特征信息提取脈沖沿信息提取之前，必須要進行“數(shù)字同步去抖”；使得特征信息的變化相位嚴(yán)格與本地參考時鐘同步；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401第一個實用的邏輯結(jié)構(gòu)第一個實用的邏輯結(jié)構(gòu)請牢牢記住請牢牢記住認(rèn)識一下D觸發(fā)器行為級描述；Tco是理解D觸發(fā)器行為原理的關(guān)鍵參

23、數(shù)；D觸發(fā)器“排隊”移位寄存器數(shù)字特征；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401認(rèn)識一下移位寄存器的行為特征認(rèn)識一下移位寄存器的行為特征每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401第一個實用的邏輯結(jié)構(gòu)第一個實用的邏輯結(jié)構(gòu)數(shù)字同步去抖數(shù)字同步去抖每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401同步去抖的行為特征同步去抖的行為特征時序邏輯仿真時序邏輯仿真只有連續(xù)出現(xiàn)“足夠長”的新邏輯狀態(tài)，輸出才會跟隨變化，否則，隨機干擾

24、不會影響輸出的邏輯狀態(tài)；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401第二個實用邏輯第二個實用邏輯脈沖沿提取邏輯脈沖沿提取邏輯邏輯設(shè)計中，學(xué)會使用“與”，“或”和“異或”邏輯；分析、理解邏輯離不開Tco和Tpd每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401邊沿檢測的時序行為邊沿檢測的時序行為每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401脈沖沿分離邏輯脈沖沿分離邏輯活用基本邏輯門活用基本邏輯門每周三下午每周三下午2:004:

25、00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401脈沖沿分離的時序行為脈沖沿分離的時序行為每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401認(rèn)識一些基本邏輯要素與概念認(rèn)識一些基本邏輯要素與概念邏輯使能；同步計數(shù)使能；同步復(fù)位（清零）；異步復(fù)位；同步置位（預(yù)置數(shù)）；異步置位；競爭冒險的去除；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401課程概要課程概要同步去抖；同步去抖；脈沖沿檢測與分離；脈沖沿檢測與分離；FPGAFPGA中的計數(shù)器；中的計數(shù)器；周期測量的典型設(shè)計

26、；周期測量的典型設(shè)計；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401第一個實用的設(shè)計方法第一個實用的設(shè)計方法劃劃看劃劃看DFFVerilog HDL行為級描述；Tco是理解D觸發(fā)器行為原理的關(guān)鍵參數(shù)；“劃劃看”來分析移位寄存器的行為特征；always(posedge clk)Begin q=d;end每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401劃一下移位寄存器的行為特征劃一下移位寄存器的行為特征每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012

27、:00教四教四401數(shù)字同步去抖的行為級描述數(shù)字同步去抖的行為級描述Always (posedge clk)Begin out_1th=signal_in; out_2th= out_1th; out_3th=out_2th; out_4th=out_3th;EndAlways (posedge clk)Begin if(out_1th&out_2th &out_3th&out_4th) sync_out1b1; else if (out_1th |out_2th |out_3th|out_4th) sync_out=1b0; else sync_out=sync_ou

28、t;endVerilog HDL就是在用途最廣泛的C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種件描述語言，它是由GDA(Gateway Design Automation)公司的PhilMoorby在1983年末首創(chuàng), 1989年CADENCE公司收購了GDA公司，使得VerilogHDL成為了該公司的獨家專利。 每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401同步去抖的行為特征同步去抖的行為特征時序邏輯仿真時序邏輯仿真每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401劃劃看劃劃看脈沖沿提取邏輯的時序

29、行為脈沖沿提取邏輯的時序行為邏輯設(shè)計中，學(xué)會使用“與”，“或”和“異或”邏輯；分析、理解邏輯離不開Tco和Tpd每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401邊沿檢測的時序行為邊沿檢測的時序行為每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401大道從簡大道從簡活用基本邏輯門活用基本邏輯門每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401脈沖沿分離的時序行為脈沖沿分離的時序行為每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五

30、上午單周五上午10:0012:00教四教四401在計數(shù)器之前在計數(shù)器之前-基本邏輯要素與概念基本邏輯要素與概念邏輯使能；同步計數(shù)使能；同步復(fù)位（清零）；異步復(fù)位；同步置位（預(yù)置數(shù)）；異步置位；競爭冒險的去除；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401帶使能端的計數(shù)器帶使能端的計數(shù)器行為級描述Module en_cnt_10bit(enable,sclr,clk,cnt_out);Input enable;Input sclr;Input clk;Output 9:0 cnt_out;Reg 9:0 cnt_out;Always (p

31、osedge clk)Begin if (sclr) cnt_out=10d0; else if(enable) cnt_out=cnt_out+1; else cnt_out=cnt_out;Endendmodule每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401異步操作的描述異步操作的描述Always (posedge clk or posedge aclr)Begin if (aclr) cnt_out=10d0; else if(enable) cnt_out=cnt_out+1; else cnt_out=cnt_out;End

32、endmodule每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401計數(shù)器測量的誤差特征與計數(shù)器測量的誤差特征與2/3原則原則計數(shù)器會產(chǎn)生1誤差，相對誤差為1/N；2/3原則：被測信號最大幅度控制在器件或滿量程的2/3附近；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401課程概要課程概要周期測量的典型設(shè)計周期測量的典型設(shè)計; ;總結(jié)：關(guān)鍵信號處理環(huán)節(jié)；總結(jié)：關(guān)鍵信號處理環(huán)節(jié)；如何測量目標(biāo)信號的頻率；如何測量目標(biāo)信號的頻率；頻率測量的典型設(shè)計；頻率測量的典型設(shè)計；每周三下午每周三下午2:

33、004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401周期測量周期測量測量兩個時間點之間隔測量兩個時間點之間隔在兩個時間點之間，以固定的時鐘周期（TC）計數(shù)，讀取計數(shù)結(jié)果NC，則周期為： Ts=TcNc計數(shù)器會產(chǎn)生1誤差，相對誤差為1/N；2/3原則：被測信號最大幅度控制在器件或滿量程的2/3附近；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401周期測量的典型應(yīng)用實例周期測量的典型應(yīng)用實例轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器利用鋼鐵材料（或其他導(dǎo)磁材料）做的齒輪轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生磁通量的變化，通過故態(tài)磁性傳感元件獲得信號，可測量齒輪的轉(zhuǎn)

34、動。特點是分辨率高，頻響寬，可靠性高。內(nèi)置放大整形電路內(nèi)置放大整形電路，輸出為幅度穩(wěn)定的方波信號,測量轉(zhuǎn)速范圍寬(0.3Hz10KHz)。廣泛應(yīng)用于機械、冶金、石油、化工、交通、自控、軍用、汽車ABS、出租車記價器、火車車輪轉(zhuǎn)速、摩托車發(fā)動機轉(zhuǎn)速等各個領(lǐng)域。每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401檢驗一下你現(xiàn)在的知識與能力檢驗一下你現(xiàn)在的知識與能力每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401實際電路與測量系統(tǒng)的設(shè)計實際電路與測量系統(tǒng)的設(shè)計條件條件：傳感器到控制電路的距離約

35、2-4米；要求要求：實時檢測脈沖信號的周期數(shù)據(jù)；問題問題：1、如何選擇傳感器的供電電壓； 2、如何設(shè)計與傳感器的接口電路； 3、如何選擇參考時鐘； 4、如何規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 5、能否給出實現(xiàn)的流程與推導(dǎo)；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401實際系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的問題實際系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的問題何處才是系統(tǒng)的接地點？脈沖信號經(jīng)過長線傳輸之后也會變形；認(rèn)真設(shè)計你的接口電路：電阻衰減施密特整形總線緩沖器隔離主控IC（FPGA或者MCU）；根據(jù)被測信號，按照2/3原則，相對誤差為1/N規(guī)律，合理選擇參考時鐘的周期（頻率），并兼顧常見標(biāo)稱值

36、；每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401以以FPGA為例，設(shè)計周期測量系統(tǒng)為例，設(shè)計周期測量系統(tǒng)同步去抖脈沖沿檢測與分離同步復(fù)位（同步鎖存測量結(jié)果多此累加獲得可靠平均值設(shè)計延伸（如何利用片上數(shù)據(jù)緩存？）每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401頂層邏輯結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計頂層邏輯結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401累加器的行為級描述累加器的行為級描述實例實例cycle_min11.0add_e

37、nsync_clksclrave_out11.0simu_out13.0cycle_averager_14bitinst4module cycle_averager_14bit(cycle_min,add_en,sync_clk,sclr,ave_out,simu_out);input 11:0cycle_min;inputadd_en;inputsync_clk;inputsclr;output 11:0ave_out;output 13:0simu_out;wire 11:0ave_out;reg 13:0simu_out;assign ave_out=simu_out13:2;wire

38、13:0 cyc_int;assign cyc_int13:12=2b00;assign cyc_int11:0=cycle_min;always (posedge sync_clk)begin if (sclr) simu_out=14d0; else if (add_en) simu_out=simu_out+cyc_int; else simu_out=simu_out;endendmodule每周三下午每周三下午2:004:00教四教四301單周五上午單周五上午10:0012:00教四教四401你可以分析明白這樣的仿真結(jié)果么？你可以分析明白這樣的仿真結(jié)果么？雙周二雙周二8:2012:0

39、0二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215時間量測量的開始時間量測量的開始小結(jié)：周期的測量小結(jié)：周期的測量; ;測量頻率的常見方法；測量頻率的常見方法；測量頻率在測量頻率在FPGA的實現(xiàn)概述；的實現(xiàn)概述；頻率測量的典型設(shè)計；頻率測量的典型設(shè)計；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215周期測量周期測量測量兩個時間點之間隔測量兩個時間點之間隔在兩個時間點之間，以固定的時鐘周期（TC）計數(shù)，讀取計數(shù)結(jié)果NC，則周期為： Ts=TcNc計數(shù)器會產(chǎn)生1誤差，相

40、對誤差為1/N；2/3原則：被測信號最大幅度控制在器件或滿量程的2/3附近；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215實際電路與測量系統(tǒng)的設(shè)計實際電路與測量系統(tǒng)的設(shè)計條件條件：傳感器到控制電路的距離約2-4米；要求要求：實時檢測脈沖信號的周期數(shù)據(jù)；問題問題：1、如何選擇傳感器的供電電壓； 2、如何設(shè)計與傳感器的接口電路； 3、如何選擇參考時鐘； 4、如何規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 5、能否給出實現(xiàn)的流程與推導(dǎo)；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-1

41、7:40A215實際系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的問題實際系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的問題脈沖信號經(jīng)過長線傳輸之后也會變形；認(rèn)真設(shè)計你的接口電路：電阻衰減施密特整形總線緩沖器隔離主控IC（FPGA或者MCU）；同步去抖脈沖沿檢測與分離同步復(fù)位（同步鎖存測量結(jié)果多此累加獲得可靠平均值設(shè)計延伸（如何利用片上數(shù)據(jù)緩存？）記住幾個有價值的邏輯結(jié)構(gòu)：同步去抖脈沖沿檢測與分離tco是你理解同步時序邏輯的關(guān)鍵；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215頂層邏輯結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計頂層邏輯結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A

42、119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215累加器的行為級描述累加器的行為級描述實例實例cycle_min11.0add_ensync_clksclrave_out11.0simu_out13.0cycle_averager_14bitinst4module cycle_averager_14bit(cycle_min,add_en,sync_clk,sclr,ave_out,simu_out);input 11:0cycle_min;inputadd_en;inputsync_clk;inputsclr;output 11:0ave_out;output 1

43、3:0simu_out;wire 11:0ave_out;reg 13:0simu_out;assign ave_out=simu_out13:2;wire 13:0 cyc_int;assign cyc_int13:12=2b00;assign cyc_int11:0=cycle_min;always (posedge sync_clk)begin if (sclr) simu_out=14d0; else if (add_en) simu_out=simu_out+cyc_int; else simu_out=simu_out;endendmodule雙周二雙周二8:2012:00二教二教

44、A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215你可以分析明白這樣的仿真結(jié)果么？你可以分析明白這樣的仿真結(jié)果么？雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215認(rèn)識一下高級萬用表：認(rèn)識一下高級萬用表：雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215我們認(rèn)識的還是很粗淺：見識一下專業(yè)！我們認(rèn)識的還是很粗淺：見識一下專業(yè)！雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:201

45、0:00二教二教A219；16-17:40A215電子測量：永無止境電子測量：永無止境雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215認(rèn)識一下信號的頻率認(rèn)識一下信號的頻率頻率，頻率，是單位時間單位時間內(nèi)完成振動的次數(shù)，是描述振動物體往復(fù)運動頻繁程度的量，常用符號f或v表示，單位為秒-1。為了紀(jì)念德國物理學(xué)家赫茲的貢獻(xiàn)，人們把頻率的單位命名為赫茲，簡稱“赫”。每個物體都有由它本身性質(zhì)決定的與振幅無關(guān)的頻率，叫做固有頻率。頻率概念不僅在力學(xué)、聲學(xué)中應(yīng)用，在電磁學(xué)和無線電技術(shù)中也常用。交變電流在單位時間內(nèi)完成周期性變化的

46、次數(shù)，叫做電流的頻率。雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215測量頻率的意義測量頻率的意義交變信號在單位時間內(nèi)的重復(fù)次數(shù)。頻率的基本單位是赫茲，符號Hz，表示每秒一個完整周期。常用單位有千赫(kHz)、兆赫(MHz)與吉赫(GHz)。多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)一種聲音盡管只有一個恒定的頻率一種聲音盡管只有一個恒定的頻率，但是對聽者來說，他有時卻是變，但是對聽者來說，他有時卻是變化的。當(dāng)波源和聽者之間發(fā)生相對化的。當(dāng)波源和聽者之間發(fā)生相對運動時，聽者所感到的頻率改變的運動時，聽者所感到的頻率改變的這種現(xiàn)象稱為多普勒

47、現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為多普勒現(xiàn)象。 在醫(yī)學(xué)診斷、交通監(jiān)測等行業(yè)在醫(yī)學(xué)診斷、交通監(jiān)測等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用有著廣泛應(yīng)用雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215測量頻率的基本思想方法測量頻率的基本思想方法構(gòu)造“單位時間”時基；在“時基”內(nèi)，對被測信號進行計數(shù)；頻率的測量歸結(jié)為兩個核心問題：如何構(gòu)造時基、如何控制被測信號進行計數(shù)；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215時基產(chǎn)生電路的基本時基產(chǎn)生電路的基本要求要求標(biāo)準(zhǔn)性標(biāo)準(zhǔn)性： “單位

48、時間”作為計數(shù)器頻率和時間測量的本地工作基準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)具有高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度；多值性多值性：為了適應(yīng)計數(shù)器較寬的測量范圍，要求“單位時間（時基）”可多檔選擇。常用“時基”有：1mS、10mS、100mS、1S、10S；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215樸素的時基原理樸素的時基原理功能功能：產(chǎn)生測頻時的“門控信號”（多檔閘門時間可選）及時間測量時的“時標(biāo)”信號（多檔可選）；實現(xiàn)實現(xiàn)：由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過倍頻或分頻得到。再通過門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門控信號（時基）”；例如：若fc=1MHz,經(jīng)1

49、06分頻后，可得到fs=1Hz(周期Ts=1s)的時基信號，經(jīng)過門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到寬度為Ts=1s的門控信號。雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215頻率的基本分類頻率的基本分類頻率：單位時間內(nèi)的重復(fù)次數(shù)；頻率：單位時間內(nèi)的重復(fù)次數(shù)；測量頻率：固定時間段內(nèi)的計數(shù)器操作；測量頻率：固定時間段內(nèi)的計數(shù)器操作；信號頻率的分類：信號頻率的分類：普通頻率范圍普通頻率范圍1Hz300MHz；低頻率范圍：低頻率范圍：300MHz;雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二

50、教A219；16-17:40A215測量方法的適用范圍測量方法的適用范圍普通頻率范圍：固定時基內(nèi)的計數(shù)值；普通頻率范圍：固定時基內(nèi)的計數(shù)值；低頻率范圍：測量周期，然后求倒數(shù)；低頻率范圍：測量周期，然后求倒數(shù)；高頻率的測量：超外差高頻率的測量：超外差+PLL+計數(shù)器；計數(shù)器；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215 FPGA器件特性的支持器件特性的支持雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215高精度的時基來源于高精度的時鐘源

51、高精度的時基來源于高精度的時鐘源電子計數(shù)器內(nèi)部時間、頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩器（石英晶體振蕩器（簡稱簡稱“晶振晶振”）為基準(zhǔn)信號源；基于壓電效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響，普通晶體頻率準(zhǔn)確度為10-5；AGC放大器AGC放大器溫度控制溫度控制隔離放大器隔離放大器加熱器加熱器傳感器傳感器輸輸出出頻率調(diào)整頻率調(diào)整晶體電路晶體電路絕熱層絕熱層雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215晶振晶振“臉譜臉譜”雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A

52、219；16-17:40A215技術(shù)進步永無止境：技術(shù)進步永無止境：Silicon O for more雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215“任意任意”頻率：頻率：PLL in a Typical FPGA Chip雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215利用利用FPGA測量頻率的靈活性測量頻率的靈活性短時基“捕捉”瞬態(tài)頻率變化；長時基測量平均頻率；雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四

53、8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215時基不一定是選通脈寬時基不一定是選通脈寬時基的產(chǎn)生時基的產(chǎn)生定時器（計數(shù)固定的周期）；“高級高級”實際邏輯實際邏輯利用脈沖傳遞狀態(tài)信息；VCCref_clkINPUTup countermodulus 1000clockq9.0basic_section_cntinstcomparedatab=999dataa9.0clockaebbasic_section_compinst1basic_trigOUTPUTsimu_cnt9.0OUTPUT雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215兩個同步脈沖構(gòu)成時基兩個同步脈沖構(gòu)成時基雙周二雙周二8:2012:00二教二教A303;A119每周四每周四8:2010:00二教二教A219；16-17:40A215巧妙利用巧妙利用Ba