電子測量原理-技術

馮永茂電子與信息工程學院電子信息工程系

2013版課程概要本課程的重點研究對象；學好電子測量都能干什么；測量的關鍵知識與原則；時間量的測量預備知識；本課程的重點研究對象時間的測量；電壓的測量；阻抗的測量；信號的測量；信號的合成；

作業1大功率半導體激光器內部集成了多路溫度傳感器、壓力傳感器、相對濕度傳感器、光強傳感器，請查閱資料，給出一套傳感器選型指南，并提出相應的信號處理的參考電路。提交方式，第三節課上課時，提交電子文檔與紙介質打印稿；每節課上隨機抽查3-5份，直到期末考試。3KW半導體工業激光器時間的測量—認識世界的開始周期的測量；頻率的測量；高頻率的測量；短時間間隔的測量；極低頻率的測量；時間量測量的基本方法—數字計數器；數字計數器的最佳實現—采用FPGA；電壓的測量—電子測量的核心電路與技術傳感器信號調理電路；溫度傳感器；光傳感器；電流傳感器；ADC的類型與工作原理；SAR—逐次逼近型；雙積分型；數據采集電路的基本構成；電路實現的若干關鍵環節阻抗的測量—認識電路的開始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；自動平衡電橋法的基本構成與原理；與時間、電壓測量相結合的阻抗測量；實例問題分析；信號的測量—工欲善其事，必先利其器數字示波器的基本構成；數字示波器的常用功能；使用中的若干關鍵技術；數字示波器的發展現狀；信號的合成—改造世界的開始PLL（鎖相環）的基本原理；常見的PLL應用與實例；DDS的基本原理與結構；基于DDS的任意波形發生器；基于DDS的脈沖函數發生器；學好電子測量都能干什么分析、設計與數據采集相關的電路與產品；更加深入、貼切的理解電路、信號；綜合模擬電路、MCU、FPGA三大技術；鍛煉從信號、電路、系統的角度分析問題、解決問題；測量的關鍵知識與原則測量誤差的定義（閱讀）絕對誤差與精確度（閱讀）相對誤差與精密度（閱讀）量程選擇的2/3原則；電路上抑制干擾的基本方法；測量誤差的基礎知識測量誤差的分類根據測量誤差的性質，測量誤差可分為隨機誤差、系統誤差、粗大誤差三類。1.隨機誤差定義:在同一測量條件下（指在測量環境、測量人員、測量技術和測量儀器都相同的條件下），多次重復測量同一量值時（等精度測量），每次測量誤差的絕對值和符號都以不可預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律變化等。3.1.1測量誤差的分類（續）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律，但多次測量的總體卻服從統計規律。可通過數理統計的方法來處理,即求算術平均值隨機誤差定義：測量結果與在重復性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值之差測量誤差的分類（續）2.系統誤差定義：在同一測量條件下，多次測量重復同一量時，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律變化的誤差，稱為系統誤差。例如儀器的刻度誤差和零位誤差，或值隨溫度變化的誤差。產生的主要原因是儀器的制造、安裝或使用方法不正確，環境因素（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習慣等。系統誤差表明了一個測量結果偏離真值或實際值的程度。系差越小，測量就越準確。系統誤差的定量定義是：在重復性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值與被測量的真值之差。即測量誤差的分類（續）3.粗大誤差：粗大誤差是一種顯然與實際值不符的誤差。產生粗差的原因有：①測量操作疏忽和失誤如測錯、讀錯、記錯以及實驗條件未達到預定的要求而匆忙實驗等。②測量方法不當或錯誤如用普通萬用表電壓檔直接測高內阻電源的開路電壓③測量環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，在數據處理時，應剔除掉。

測量誤差的分類（續）4.系差和隨差的表達式 在剔除粗大誤差后，只剩下系統誤差和隨機誤差各次測得值的絕對誤差等于系統誤差和隨機誤差的代數和。在任何一次測量中，系統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化測量結果的表征

準確度表示系統誤差的大小。系統誤差越小，則準確度越高，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，意味著系統誤差和隨機誤差都小。射擊誤差示意圖周期的測量原理周期[period;cycle]：事物在運動、變化過程中，兩個連續出現或反復出現的現象或事件之間的時間間隔；Thetimeintervalbetweentwosuccessiveoccurrencesofarecurrenteventorphasesofanevent；周期的測量時間間隔的測量兩個連續、相同的特征之間的時間間隔；第一步：發現、選擇、處理信號的特征；周期測量—

測量兩個時間（坐標點）間隔合理提取信號的“周期”特征；連續信號—模擬信號—選擇變化率最大點；脈沖信號—數字信號—選擇脈沖的變化沿；利用電子計數器在兩個時間點之間，觸發信號到來后，以固定的時鐘周期（TC）計數，到觸發信號再次到來時，停止計數，讀取計數結果NC，則被測信號的周期為：

Ts=Tc×Nc周期測量的實例—車輪轉速傳感器仔細體會，接受問題，分析問題，解決問題先要了解傳感器的基本工作原理1齒圈6旋轉時，齒頂和齒隙交替對向極軸。在齒圈旋轉過程中，感應線圈內部的磁通量交替變化從而產生感應電動勢，當齒圈的轉速發生變化時，感應電動勢的頻率也變化。此傳感器結構簡單、成本低，但存在下述缺點：一是其輸出信號的幅值隨轉速的變化而變化。若車速過慢，其輸出信號低于1V，電控單元就無法檢測；二是響應頻率不高。當轉速過高時，傳感器的頻率響應跟不上；三是抗電磁波干擾能力差。目前，國內外ABS系統的控制速度范圍一般為15～160km/h，今后要求控制速度范圍擴大到8～260km/h以至更大，顯然電磁感應式輪速傳感器很難適應。先要了解傳感器的基本工作原理2

當齒輪位于圖中(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。齒輪轉動時，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個毫伏(mV)級的準正弦波電壓。此信號還需由電子電路轉換成標準的脈沖電壓。霍爾輪速傳感器具有以下優點：其一是輸出信號電壓幅值不受轉速的影響。；其二是頻率響應高。其響應頻率高達20kHz，相當于車速為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用于ABS輪速檢測，也廣泛應用于其控制系統的轉速檢測。分析信號的基本屬性最簡系統結構數字化的周期測量方法兩個重要的信號處理環節：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、施密特觸發器；典型應用電路結構與分析；初試—疊加原理分析運放電路1設法尋找“=”，建立方程；“虛短”與“虛斷”；“虛短”就是“=”；“虛斷”就是“不用多想”。初試—疊加原理分析運放電路2初試—疊加原理分析運放電路3

繼續深入思考為什么要整形，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器（滯回比較器）。現代周期測量的數字化實現方案放大整形同步脈沖沿分離計數處理N=n+1fsfsfN深入認識脈沖信號的相位抖動--Jitter整形之后的信號，幅度、變化沿滿足了現代數字信號的標準；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“數字同步去抖”；使得特征信息的變化相位嚴格與本地參考時鐘同步；第一個實用的邏輯結構—請牢牢記住認識一下D觸發器—行為級描述；Tco是理解D觸發器行為原理的關鍵參數；D觸發器“排隊”移位寄存器—數字特征；認識一下移位寄存器的行為特征第一個實用的邏輯結構—數字同步去抖同步去抖的行為特征—時序邏輯仿真只有連續出現“足夠長”的新邏輯狀態，輸出才會跟隨變化，否則，隨機干擾不會影響輸出的邏輯狀態；第二個實用邏輯—脈沖沿提取邏輯邏輯設計中，學會使用“與”，“或”和“異或”邏輯；分析、理解邏輯離不開Tco和Tpd邊沿檢測的時序行為脈沖沿分離邏輯—活用基本邏輯門脈沖沿分離的時序行為認識一些基本邏輯要素與概念邏輯使能；同步計數使能；同步復位（清零）；異步復位；同步置位（預置數）；異步置位；競爭冒險的去除；課程概要同步去抖；脈沖沿檢測與分離；FPGA中的計數器；周期測量的典型設計；第一個實用的設計方法—劃劃看DFF—VerilogHDL行為級描述；Tco是理解D觸發器行為原理的關鍵參數；“劃劃看”來分析移位寄存器的行為特征；always@(posedgeclk)Beginq<=d;end劃一下移位寄存器的行為特征數字同步去抖的行為級描述Always@(posedgeclk)Beginout_1th<=signal_in;out_2th<=out_1th;out_3th<=out_2th;out_4th<=out_3th;EndAlways@(posedgeclk)Beginif(out_1th&out_2th&out_3th&out_4th)sync_out<1’b1;elseif(~(out_1th|out_2th|out_3th|out_4th)sync_out<=1’b0;elsesync_out<=sync_out;end

VerilogHDL就是在用途最廣泛的C語言的基礎上發展起來的一種件描述語言，它是由GDA(GatewayDesignAutomation)公司的PhilMoorby在1983年末首創,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。

同步去抖的行為特征—時序邏輯仿真劃劃看—脈沖沿提取邏輯的時序行為邏輯設計中，學會使用“與”，“或”和“異或”邏輯；分析、理解邏輯離不開Tco和Tpd邊沿檢測的時序行為大道從簡—活用基本邏輯門脈沖沿分離的時序行為在計數器之前--基本邏輯要素與概念邏輯使能；同步計數使能；同步復位（清零）；異步復位；同步置位（預置數）；異步置位；競爭冒險的去除；帶使能端的計數器行為級描述Moduleen_cnt_10bit(enable,sclr,clk,cnt_out);Inputenable;Inputsclr;Inputclk;Output[9:0]cnt_out;Reg[9:0]cnt_out;Always@(posedgeclk)Beginif(sclr)cnt_out<=10’d0;elseif(enable)cnt_out<=cnt_out+1;elsecnt_out<=cnt_out;Endendmodule異步操作的描述Always@(posedgeclkorposedgeaclr)Beginif(aclr)cnt_out<=10’d0;elseif(enable)cnt_out<=cnt_out+1;elsecnt_out<=cnt_out;Endendmodule計數器測量的誤差特征與2/3原則計數器會產生±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；課程概要周期測量的典型設計;總結：關鍵信號處理環節；如何測量目標信號的頻率；頻率測量的典型設計；周期測量—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，讀取計數結果NC，則周期為：Ts=Tc×Nc計數器會產生±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；周期測量的典型應用實例—轉速傳感器利用鋼鐵材料（或其他導磁材料）做的齒輪轉動，產生磁通量的變化，通過故態磁性傳感元件獲得信號，可測量齒輪的轉動。特點是分辨率高，頻響寬，可靠性高。內置放大整形電路，輸出為幅度穩定的方波信號,測量轉速范圍寬(0.3Hz～10KHz)。廣泛應用于機械、冶金、石油、化工、交通、自控、軍用、汽車ABS、出租車記價器、火車車輪轉速、摩托車發動機轉速等各個領域。檢驗一下你現在的知識與能力實際電路與測量系統的設計條件：傳感器到控制電路的距離約2-4米；要求：實時檢測脈沖信號的周期數據；問題：1、如何選擇傳感器的供電電壓；2、如何設計與傳感器的接口電路；3、如何選擇參考時鐘；4、如何規劃系統結構；5、能否給出實現的流程與推導；實際系統設計需要考慮的問題何處才是系統的接地點？脈沖信號經過長線傳輸之后也會變形；認真設計你的接口電路：電阻衰減施密特整形總線緩沖器隔離主控IC（FPGA或者MCU）；根據被測信號，按照2/3原則，相對誤差為±1/N規律，合理選擇參考時鐘的周期（頻率），并兼顧常見標稱值；以FPGA為例，設計周期測量系統同步去抖脈沖沿檢測與分離同步復位（同步鎖存測量結果多此累加獲得可靠平均值設計延伸（如何利用片上數據緩存？）頂層邏輯結構的初步設計累加器的行為級描述—實例modulecycle_averager_14bit(cycle_min,add_en,sync_clk,sclr,ave_out,simu_out);input[11:0] cycle_min;input add_en;input sync_clk;input sclr;output[11:0] ave_out;output[13:0] simu_out;wire[11:0] ave_out;reg[13:0] simu_out;assignave_out=simu_out[13:2];wire[13:0] cyc_int;assigncyc_int[13:12]=2'b00;assigncyc_int[11:0]=cycle_min;always@(posedgesync_clk)beginif(sclr)simu_out<=14'd0;elseif(add_en)simu_out<=simu_out+cyc_int;elsesimu_out<=simu_out;endendmodule你可以分析明白這樣的仿真結果么？時間量測量的開始小結：周期的測量;測量頻率的常見方法；測量頻率在FPGA的實現概述；頻率測量的典型設計；周期測量—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，讀取計數結果NC，則周期為：Ts=Tc×Nc計數器會產生±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；實際電路與測量系統的設計條件：傳感器到控制電路的距離約2-4米；要求：實時檢測脈沖信號的周期數據；問題：1、如何選擇傳感器的供電電壓；2、如何設計與傳感器的接口電路；3、如何選擇參考時鐘；4、如何規劃系統結構；5、能否給出實現的流程與推導；實際系統設計需要考慮的問題脈沖信號經過長線傳輸之后也會變形；認真設計你的接口電路：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位（同步鎖存測量結果多此累加獲得可靠平均值設計延伸（如何利用片上數據緩存？）記住幾個有價值的邏輯結構：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鍵；頂層邏輯結構的初步設計累加器的行為級描述—實例modulecycle_averager_14bit(cycle_min,add_en,sync_clk,sclr,ave_out,simu_out);input[11:0] cycle_min;input add_en;input sync_clk;input sclr;output[11:0] ave_out;output[13:0] simu_out;wire[11:0] ave_out;reg[13:0] simu_out;assignave_out=simu_out[13:2];wire[13:0] cyc_int;assigncyc_int[13:12]=2'b00;assigncyc_int[11:0]=cycle_min;always@(posedgesync_clk)beginif(sclr)simu_out<=14'd0;elseif(add_en)simu_out<=simu_out+cyc_int;elsesimu_out<=simu_out;endendmodule你可以分析明白這樣的仿真結果么？認識一下高級萬用表：我們認識的還是很粗淺：見識一下專業！電子測量：永無止境認識一下信號的頻率頻率，是單位時間內完成振動的次數，是描述振動物體往復運動頻繁程度的量，常用符號f或v表示，單位為秒-1。為了紀念德國物理學家赫茲的貢獻，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決定的與振幅無關的頻率，叫做固有頻率。頻率概念不僅在力學、聲學中應用，在電磁學和無線電技術中也常用。交變電流在單位時間內完成周期性變化的次數，叫做電流的頻率。測量頻率的意義交變信號在單位時間內的重復次數。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，他有時卻是變化的。當波源和聽者之間發生相對運動時，聽者所感到的頻率改變的這種現象稱為多普勒現象。在醫學診斷、交通監測等行業有著廣泛應用測量頻率的基本思想方法構造“單位時間”—時基；在“時基”內，對被測信號進行計數；頻率的測量歸結為兩個核心問題：如何構造時基、如何控制被測信號進行計數；時基產生電路的基本要求標準性：“單位時間”作為計數器頻率和時間測量的本地工作基準，應當具有高穩定度和高準確度；多值性：為了適應計數器較寬的測量范圍，要求“單位時間（時基）”可多檔選擇。常用“時基”有：1mS、10mS、100mS、1S、10S；樸素的時基原理功能：產生測頻時的“門控信號”（多檔閘門時間可選）及時間測量時的“時標”信號（多檔可選）；實現：由內部晶體振蕩器（也可外接），通過倍頻或分頻得到。再通過門控雙穩態觸發器得到“門控信號（時基）”；例如：若fc=1MHz,經106分頻后，可得到fs=1Hz(周期Ts=1s)的時基信號，經過門控雙穩態電路得到寬度為Ts=1s的門控信號。頻率的基本分類頻率：單位時間內的重復次數；測量頻率：固定時間段內的