历届的“仪器仪表类”赛题分析

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在历届电子设计竞赛中，“仪器仪表类”赛题是电子设计竞赛中出现的最多类型的赛题：

 

如果将信号源类赛题（4题）[1]也包括进来，如：实用信号源的设计和制作（1995年B题）；波形发生器（2001年A题）；正弦信号发生器（2005年第七届A题）；信号发生器（2007年H题）【高职高专组】，“仪器仪表类”赛题达到18题。      

 

 

 

1. 简易电阻、电容和电感测试仪（1995年D题）   
2. 简易数字频率计（1997年B题）       
3. 数字式工频有效值多用表（1999年B题）       
4. 频率特性测试仪（1999年C题）       
5. 简易数字存储示波器（2001年B题）       
6. 低频数字式相位测量仪（2003年C题）       
7. 简易逻辑分析仪（2003年D题）       
8. 集成运放参数测试仪（2005年B题）       
9. 简易频谱分析仪（2005年C题）       
10. 音频信号分析仪（2007年A题）【本科组】       
11. 数字示波器（2007年C题）【本科组】       
12. 积分式直流数字电压表（2007年G题）【高职高专组】       
13. 简易数字信号传输性能分析仪（2011年E 题）【本科组】       
14. 简易自动电阻测试仪（2011年G 题）【高职高专组】

可以看出，仪器仪表类赛题是电子设计竞赛中出现的最多类型的赛题。

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 一
 

简易电阻、电容和电感测试仪（1995年D题）
 

简易电阻、电容和电感测试仪设计要求
 

设计并制作一台数字显示的电阻、电容和电感参数测试仪，测量范围：电阻100Ω～1MΩ；电容100pF～10000pF；电感100μH～10mH。测量精度为±5% 。制作4位数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测元件的类型和单位。

 

简易电阻、电容和电感测试仪系统设计方案
 

1. 电阻的测量

 

（1）伏安法：伏安法的理论根据是欧姆定律，即R=U／I，具体方法是直接测量被测电阻上的端电压和流过的电流，再计算出电阻值。此法看来简单易行，但要准确测量，需要根据具体情况选择合适的仪器和测量方法。

 

（2） 数字多用表中的电阻测量方法：利用直流电源、输入电阻和运算放大器组成一个多值恒流源，实现多量程电阻测量，各量程电流、电压值可以设置。恒流I（I=E/R）通过被测电阻Rx，由数字电压(DVM)表测出其端电压Ux，则Rx＝Ux/I。

 

（3） 高值电阻的测量：测量高值电阻可采用电压源分压的方法。由于高值电阻Rx很大，进行实际测量时要求：①缓冲放大器必须有极高的输入阻抗。仪器的直流输入缓冲器采用级联型场效应对管作为高输入阻抗级。②电路绝缘良好。为减少缓冲放大器、印制电路板等泄漏，对印制板材料、工艺、防潮等方面要采取措施。③采用误差修正技术，通过计算，消去分压误差。

 

（4）电桥法：电桥法又称零示法，它利用指零电路作为测量的指示器，工作频率很宽，能在很大程度上消除或削弱系统误差的影响，精度很高，可达到10－4。应当指出，在实际应用中，测量电阻采用直流双臂电桥（也称凯尔文电桥）。信号源是直流电源，通常采用大容量的蓄电池。这种直流电桥能消除由于接线电阻和接触电阻造成的测量误差，测量小电阻的准确度可做到10－5。

 

2. 电感、电容的测量

 

（1）电桥法：实际上采用电桥法的阻抗测量仪都是多功能仪器，常称为万能电桥。它是交流电桥，可测量电阻、电感和电容、线圈的Q值以及电容器的损耗等，是一种多用途、宽量程的便携式仪器。电桥由桥体、信号源（1000Hz振荡器）和晶体管指零仪3部分组成。桥体是电桥的核心部分，由标准电阻、标准电容及转换开关组成，通过转换开关切换，可以构成不同的电桥电路，对电阻、电容、电感进行测量。

 

（2）谐振法（Q表）：谐振法是测量阻抗的另一种基本方法。它是利用调谐回路的谐振特性而建立的测量方法。测量精度虽说不如交流电桥法高，但是由于测量线路简单方便，在技术上的困难要比高频电桥小（主要是杂散藕合的影响）。再加上高频电路元件大多用于调谐回路中，故用谐振法进行测量也比较符合其工作的实际情况。所以在测量高频电路参数（如电容、电感、品质因数、有效阻抗等）中，谐振法是一种重要的手段。将回路调至谐振状态，根据已知的回路关系式和已知元件的数值，可以求出未知元件的参量。

 

（3）便携式数字万用表中的L、C测量：在便携式数字万用表中，为降低成本采用时常数法。时常数τ=RC。

 

3. 电阻、电容和电感参数测试仪系统方案

 

一个电阻、电容和电感参数测试仪系统结构如下所示：电阻、电容和电感利用RC振荡器和LC振荡器，使其R、C、L值与振荡频率相关。AT89S52单片机根据所选通道，向模拟开关送两位地址信号，取得RC振荡器（采用555定时器电路）或者LC振荡器（电容三点式振荡电路）振荡频率，然后根据所测频率判断是否转换量程，将数据进行处理后，送数码管显示相应的被测R、C、L值参数值。

 

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 二

 

简易数字频率计（1997年B题）

 

简易数字频率计设计要求：设计并制作一台数字显示的简易频率计。

 

1. 设计要求

 

（1）基本要求
　　① 频率测量
　　a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz；
　　b．测量误差≤0.1%。
　　② 周期测量
　　a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz；
　　b．测量误差≤0.1%。
　　③ 脉冲宽度测量
　　a．测量范围 信号：脉冲波；幅度：0.5V～5V；脉冲宽度≥100μs；
　　b．测量误差≤1%。
　　④ 显示器
　　十进制数字显示，显示刷新时间1～10秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。
　　⑤ 具有自校功能，时标信号频率为1MHz。
　　⑥自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

（2）发挥部分
　　① 扩展频率测量范围为0.1Hz～10MHz（信号幅度0.5V～5V），测量误差降低为0.01%（最大闸门时间≤10s）。
　　② 测量并显示周期脉冲信号（幅度0.5V～5V、频率1Hz～1kHz）的占空比，占空比变化范围为10%～90%，测量误差≤1% 。
　　③ 在1Hz～1MHz范围内及测量误差≤1%的条件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干扰的措施。

简易数字频率计系统设计方案

 

1. 频率测量方法

 

（1）计数式直接测频：在计数式直接测频的方法中，主门具有“与门”的逻辑功能。主门的一个输入端送入的是频率为ƒX的窄脉冲，它是由被测信号经A通道放大整形后得到的。主门的另一个输入端送入的是来自门控双稳的闸门时间信号Ts。因为门控双稳是受时基（标准频率）信号控制的，所以Ts既准确又稳定。设计时通过晶体振荡器和分频器的配合，可以获得10 s、1s、0.1 s等闸门时间。由于主门的“与”功能，它的输出端只有在闸门信号Ts有效期间才有频率ƒX的窄脉冲输出，并送到计数器去计数，计数值为N=TS/TX=TS*ƒX ，它与被测信号的频率ƒX成正比，由此可得ƒX=N/TS。

 

（2）计数式直接测周期：与计数式直接测频方法相比，其中门控双稳改由输入信号放大、整形和分频后的脉冲控制，所以闸门时间的宽度就等于k倍被测信号的周期kTX；而主门的另一个输入端，送入由晶体振荡器和分频器产生的周期为T0的时标脉冲信号。由于主门的“与”功能，它只在kTX期间有时标脉冲信号输出，并由计数器计数，其值为N。不难看出，被测信号的周期为：TX=NT0/k。

 

（3）计数式测量时间间隔：计数式测量时间间隔是在测周期的方框图基础上，将门控双稳改为分别由两个测时通道输出的脉冲信号来控制，其中一个脉冲与被测时间间隔的起点相对应，称为启动信号，它使门控双稳置位而开启主门；另一个脉冲则与被测时间间隔的终点相对应，称为停止信号，它使门控双稳复位而关闭主门。因此闸门信号的宽度以及主门开启的时间就等于被测的时间间隔ΔTX，在这段时间内由计数器计下的时标脉冲To的数目为N，因此被测时间间隔为：ΔTX=NT0。

 

（4）等精度测频、测周期：倒数计数器采用多周期同步测量法，即测量输入信号的多个（整数个）周期值，再进行倒数运算而求得频率。与直接测量法相比其优点是，可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。

 

（5）等精度测时间间隔：要对两路脉冲信号之间的时间间隔进行等精度测量，可在等精度测频、测周期方法的基础上增加一个同步电路2（D触发器）和一个B输入通道，并将其输出反相后送到同步电路2的复位端上，该同步电路的触发时钟由输入通道A的输出经两级反相器延时后得到，该同步电路的输出UQ2由计数器A直接计数，同时还作为闸门B的开门信号，由计数器B记录通过闸门B的时钟脉冲的数目，最后将两个计数器所计得的数送运算电路进行处理，便可获得被测时间间隔的值。

 

  若将两个输入通道的输入端连在一起，并分别选择两个通道的触发极性和调节触发电平，使得在脉冲的前沿处产生一个与ƒA 对应的脉冲；而在被测脉冲的后沿处产生一个与ƒB对应的脉冲，就能实现对脉冲宽度的测量。

 

  在测得信号的脉冲宽度及其周期的基础之上，通过计算就可得到占空比。

 

2. 设计方案

 

（1）采用FPGA等可编程器件可以方便地完成不同测量原理的频率计设计。

（2）以AT89S52单片机为核心构成频率计，采用高阻抗、高增益的前端放大器和分频器，采用屏蔽和看门狗、软件陷阱、软件容错等多种软件抗干扰措施。将被测量的输入信号（0.1 Hz～30 MHz）划分成0. 1 Hz～1 Hz、1Hz～50 kHz、50 kHz～1 MHz、1 MHz～30 MHz四个频段，分别是对小于1 MHz与大于1 MHz的信号采用了两个预处理放大器，分别进行放大，接着对放大器输出的信号进行整形、分频处理。利用单片机进行频率、周期、脉宽、占空比的测量和计算处理，运算结果串行输出到数码显示。

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 二

 

简易数字频率计（1997年B题）

 

简易数字频率计设计要求：设计并制作一台数字显示的简易频率计。

 

1. 设计要求

 

（1）基本要求
　　① 频率测量
　　a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz；
　　b．测量误差≤0.1%。
　　② 周期测量
　　a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz；
　　b．测量误差≤0.1%。
　　③ 脉冲宽度测量
　　a．测量范围 信号：脉冲波；幅度：0.5V～5V；脉冲宽度≥100μs；
　　b．测量误差≤1%。
　　④ 显示器
　　十进制数字显示，显示刷新时间1～10秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。
　　⑤ 具有自校功能，时标信号频率为1MHz。
　　⑥自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

（2）发挥部分
　　① 扩展频率测量范围为0.1Hz～10MHz（信号幅度0.5V～5V），测量误差降低为0.01%（最大闸门时间≤10s）。
　　② 测量并显示周期脉冲信号（幅度0.5V～5V、频率1Hz～1kHz）的占空比，占空比变化范围为10%～90%，测量误差≤1% 。
　　③ 在1Hz～1MHz范围内及测量误差≤1%的条件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干扰的措施。

简易数字频率计系统设计方案

 

1. 频率测量方法

 

（1）计数式直接测频：在计数式直接测频的方法中，主门具有“与门”的逻辑功能。主门的一个输入端送入的是频率为ƒX的窄脉冲，它是由被测信号经A通道放大整形后得到的。主门的另一个输入端送入的是来自门控双稳的闸门时间信号Ts。因为门控双稳是受时基（标准频率）信号控制的，所以Ts既准确又稳定。设计时通过晶体振荡器和分频器的配合，可以获得10 s、1s、0.1 s等闸门时间。由于主门的“与”功能，它的输出端只有在闸门信号Ts有效期间才有频率ƒX的窄脉冲输出，并送到计数器去计数，计数值为N=TS/TX=TS*ƒX ，它与被测信号的频率ƒX成正比，由此可得ƒX=N/TS。

 

（2）计数式直接测周期：与计数式直接测频方法相比，其中门控双稳改由输入信号放大、整形和分频后的脉冲控制，所以闸门时间的宽度就等于k倍被测信号的周期kTX；而主门的另一个输入端，送入由晶体振荡器和分频器产生的周期为T0的时标脉冲信号。由于主门的“与”功能，它只在kTX期间有时标脉冲信号输出，并由计数器计数，其值为N。不难看出，被测信号的周期为：TX=NT0/k。

 

（3）计数式测量时间间隔：计数式测量时间间隔是在测周期的方框图基础上，将门控双稳改为分别由两个测时通道输出的脉冲信号来控制，其中一个脉冲与被测时间间隔的起点相对应，称为启动信号，它使门控双稳置位而开启主门；另一个脉冲则与被测时间间隔的终点相对应，称为停止信号，它使门控双稳复位而关闭主门。因此闸门信号的宽度以及主门开启的时间就等于被测的时间间隔ΔTX，在这段时间内由计数器计下的时标脉冲To的数目为N，因此被测时间间隔为：ΔTX=NT0。

 

（4）等精度测频、测周期：倒数计数器采用多周期同步测量法，即测量输入信号的多个（整数个）周期值，再进行倒数运算而求得频率。与直接测量法相比其优点是，可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。

 

（5）等精度测时间间隔：要对两路脉冲信号之间的时间间隔进行等精度测量，可在等精度测频、测周期方法的基础上增加一个同步电路2（D触发器）和一个B输入通道，并将其输出反相后送到同步电路2的复位端上，该同步电路的触发时钟由输入通道A的输出经两级反相器延时后得到，该同步电路的输出UQ2由计数器A直接计数，同时还作为闸门B的开门信号，由计数器B记录通过闸门B的时钟脉冲的数目，最后将两个计数器所计得的数送运算电路进行处理，便可获得被测时间间隔的值。

 

  若将两个输入通道的输入端连在一起，并分别选择两个通道的触发极性和调节触发电平，使得在脉冲的前沿处产生一个与ƒA 对应的脉冲；而在被测脉冲的后沿处产生一个与ƒB对应的脉冲，就能实现对脉冲宽度的测量。

 

  在测得信号的脉冲宽度及其周期的基础之上，通过计算就可得到占空比。

 

2. 设计方案

 

（1）采用FPGA等可编程器件可以方便地完成不同测量原理的频率计设计。

（2）以AT89S52单片机为核心构成频率计，采用高阻抗、高增益的前端放大器和分频器，采用屏蔽和看门狗、软件陷阱、软件容错等多种软件抗干扰措施。将被测量的输入信号（0.1 Hz～30 MHz）划分成0. 1 Hz～1 Hz、1Hz～50 kHz、50 kHz～1 MHz、1 MHz～30 MHz四个频段，分别是对小于1 MHz与大于1 MHz的信号采用了两个预处理放大器，分别进行放大，接着对放大器输出的信号进行整形、分频处理。利用单片机进行频率、周期、脉宽、占空比的测量和计算处理，运算结果串行输出到数码显示。

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 三

 

数字式工频有效值多用表（1999年B题）

数字式工频有效值多用表设计要求[1]

设计并制作一个能同时对一路工频交流电（频率波动范围为50 ±1Hz、有失真的正弦波）的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数进行测量的数字式多用表。

（1）基本要求
　　① 测量功能及量程范围
　　a. 交流电压：0～500V；
　　c. 有功功率：0～25kW；
　　d. 无功功率：0～25kvar；
　　e. 功率因数（有功功率/视在功率）：0～1 。
　　② 为便于本试题的设计与制作，设定待测0～500V的交流电压、0～50A的交流电流均已经相应的变换器转换为0～5V的交流电压。
　　③ 准确度
　　a. 显示为 位（0.000～4.999），有过量程指示；
　　b. 交流电压和交流电流：±（0.8％读数＋5个字），例：当被测电压为300V时，读数误差应小于±（0.8％×300V＋0.5V）＝±2.9V ；
　　c. 有功功率和无功功率：±（1.5％读数＋8个字）；
　　d. 功率因数：±0.01 。
　　④ 功能选择：用按键选择交流电压、交流电流、有功功率、无功功率和功率因数的测量与显示。

（2）发挥部分
　　① 用按键选择电压基波及总谐波的有效值测量与显示。
　　② 具有量程自动转换功能，当变换器输出的电压值小于0.5V时，能自动提高分辨力达0.01V。
　　③ 用按键控制实现交流电压、交流电流、有功功率、无功功率在测试过程中的最大值、最小值测量。
　　④ 其它（例如扩展功能，提高性能）。

数字式工频有效值多用表系统设计方案

设计要求对单相电的电参数进行测量，这些参数中，电压和电流为基本量，其他参数是导出量。由于要求计算功率因数，需要对电流、电压信号进行同时采样。如果采用非同时采样方法需要用软件修正的方法消除或减少引入的固定相位误差。真有效值AC/DC转换常用的方法有：热电变换法、采样计算法、模拟直接运算变换法和单片集成有效值转换组件（对数放大器）法等。

采样计算法能够对周期信号进行快速采样，获得多个离散值，再利用单片机的运算功能，进行相关运算，转换精度高，并可算出相位信息。系统以AT89S52单片机为核心，包括数据采集、数据处理（单片机系统）和输入／输出模块（键盘／显示模块）三个模块。输入的电压信号和电流信号通过可编程放大器PGA 103进行放大和保持，通过多路开关进入A/D转换器被采样。

为保持采样间隔随信号频率的波动而发生相应的变化，即把一个周期等时间间隔采样变为等相位采样。设计中采用锁相环电路，利用锁相环把信号的频率通过计数器进行64倍频，从而在需采集信号的一个周期中产生64个脉冲，利用此脉冲信号作为单片机的外部中断信号，快速启动AD转换器进行转换，实现高速数据采样。

（1）输入放大器电路设计：为满足对大小不同的电流信号和电压信号进行处理，输入放大器电路采用可编程形式，由可编程运算放大器芯片PGA103组成，通过单片机对PGA103的引脚端1和引脚端2进行控制，可获得不同的放大倍数。

（2）信号采样和保持电路设计

在功率测量时，需要对电压、电流信号同时测量，但单片机对电压信号和电流信号的A/D转换只能依次进行，因此，需要采取采样保持电路对两路信号分别进行保持，利用单片机P1口的P1.4发出的控制信号，可对采样保持电路进行控制。测量时，单片机先对电压信号进行采集与A/D转换，而此时的电流信号被送到采样保持电路保持，待电压信号处理完毕后再对所保持的电流信号进行转换。信号采样和保持电路可采用AD585或者LF398等采样保持芯片。

 （3） A/D采样电路设计：A/D采样电路可采用多路开关CD4051和A/D转换器芯片AD754组成，如图5.4.6所示。由单片机控制CD4051开关的导通，分别接入电压和电流信号放大器输出信号，在AD754中进行A/D转换后输出12Bit数字信号到单片机。A/D采样电路也可以采用工业电力计量或多通道模拟量采集的芯片，如THS1206、AD73360等。

（4）信号频率采样和倍频电路设计：采用等相位间隔方法对信号进行采样，采样间隔随信号频率的波动作相应的变化。其实现方案是采用锁相环加计数器把信号的频率进行64倍频，从而在需采集信号的一个周期中产生64个脉冲，利用此脉冲信号作为单片机的外部中断信号，快速启动A/D转换器进行转换，实现高速数据采集。在采用CD4046锁相环的信号频率采样和倍频电路中，TL082构成过零检测电路，CD4046完成锁相和倍频。

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 四

频率特性测试仪（1999年C题）[1]

频率特性测试仪设计要求：设计并制作一个频率特性测试系统，包含测试信号源、被测网络、检波及显示三部分。

（1）基本要求

① 制作幅频特性测试

a. 频率范围：100Hz～100kHz；
b. 频率步进：10Hz；
c. 频率稳定度：10-4；
d. 测量精度：5％ ；
e. 能在全频范围和特定频率范围内自动步进测量，可手动预置测量范围及步进频率值；
f. LED显示，频率显示为5位，电压显示为3位，并能打印输出。
② 制作一被测网络
a. 电路型式：阻容双T网络；
b. 中心频率：5kHz；
c. 带宽：±50Hz；
d. 计算出网络的幅频和相频特性，并绘制相位曲线；
e. 用所制作的幅频特性测试仪测试自制的被测网络的幅频特性。

（2）发挥部分

① 制作相频特性测试仪
　　a. 频率范围：500Hz～10kHz；
　　b. 相位度数显示：相位值显示为三位，另以一位作符号显示；
　　c. 测量精度：3°。

② 用示波器显示幅频特性。

③ 在示波器上同时显示幅频和相频特性。

④ 其它。

频率特性测试仪系统设计方案

频率特性测试可采用冲激响应测试法和扫频测试法。设计要求的频率范围为100 Hz ～100 kHz，属于低频频率特性测试仪的频率范围，冲激响应测试法和扫频测试法两种方法都可采用。设计要求频率按10 Hz步进，采用频率步进式扫描的扫频测试法，操作起来更为方便。

扫频测试法可采用频率逐点步进或频率连续变化的方法，完成整个频率特性的测量。这种方法无需对信号进行时域与频率的变换计算，可以通过对模拟量的测量和运算完成。在采用扫频测试法的频率特性测试仪中，扫描同步控制部分产生锯齿或阶梯型扫描电压，同步地控制压控振荡器（VCO）和显示部分的工作，以及对整机其它部分的性能作同步地补偿，如对扫频信号源的幅值平坦度进行补偿等。

    扫频信号源部分产生频率从低到高或由高到低变化的正弦波振荡信号。扫频信号的产生方法有多种，按需要可做成点频（连续波CW）、频率自动步进(STEP)、频率连续变化（扫频SWEEP）等形式。可采用VCO产生扫频信号，VCO的控制量使用斜坡电压或阶梯电压，同时斜坡电压或阶梯电压又作为显示的X轴扫描电压以达到扫频和曲线显示的同步。

    测量和计算部分对输入与输出信号的幅值和相位进行测量。计算输出信号与输入信号的幅值比，得到幅频特性；计算输出与输入的相位差，得到相频特性。只分析电路的幅频特性称为标量分析，而同时给出幅频特性和相频特性的称为矢量分析。

    显示系统的频率特性有各种形式，如采用图形和文字信息显示，用得最多的是幅频特性曲线和相频特性曲线。对于频率特性，还可采用波特图显示方式，即频率轴按对数刻度，相应地频率步进（扫频）按等比级数取值。

频标发生器电路产生一个频标信号，在显示的频率特性曲线上打上一个图形标志，用以指示该处对应的频率值。

频率特性测试仪可以采用单片机、FPGA实现。

1. 扫频信号源

    扫频测试法包括了扫频信号源，幅度和相位检测，数值计算处理，频率特性曲线显示，同步控制等几个部分，各个部分电路设计考虑如下：

（1） 扫频信号源发生器性能指标：扫频测试需要用到正弦波信号，对于正弦波信号，主要性能指标有频率稳定度、频率精度、失真和噪声、信号源内阻以及输出幅度等。正弦波信号用于扫频测量时，除了上述指标要求外，要考虑的其他性能指标有：扫频频率范围，或称为频偏、扫频速度、扫频方式、扫频线性度、平坦度、输出动态范围和衰减器精度，以及在进行相频特性测量时，信号源的相位应能通过预置加以控制并便于测量。

（2）扫频信号源发生器实现方案：

a. 压控振荡器（VCO）形式，可采用专用的VCO芯片或者函数发生器芯片构成。

b. 锁相环（PLL）频率合成器形式。

c.直接数字合成器（DDS）形式，DDS不但可以合成出正弦波，三角波，方波等函数波形，还可以合成各种调制波形和任意形状的波形，只要将所需波形预先计算好存于波形存储器中即可。通过这种方法可以制成任意波形发生器（AWG）。DDS的信号的相位可以十分精确地控制，在进行相频特性测量时，这是十分重要的。目前，专用的DDS集成电路芯片的最高时钟频率可达到1 GHz以上，可实现的信号源正弦波频率达数百MHz以上。

d. DDS + PLL频率合成器：DDS＋PLL频率合成器形式使用了两个DDS。DDS1作为分频器，直接改变参考振荡源的频率。 DDS2作为频率合成器的环路分频器，用于实现频率值的小幅度步进。DDS作为分频器，其工作频率上限不可能太高，因此，在DDS分频之前，先经过一个2N分频。PLL + DDS频率合成器可采用AD9858等专用芯片。

2. 幅度测量电路设计

    幅度测量常用的检波方式有峰值检波和有效值检波。

（1）有效值检波电路：有效值检波电路可采用专用的有效值检波电路芯片以实现精确的RMS检波，如采用RMS－DC转换器芯片 MX536A/MX636等。  

（2）峰值检波电路：一个有源峰值检波电路采用OP和二极管组成，用来保持峰值电压的电容C应根据被检波的信号频带宽度而取相应的值，一般不宜太大。在完成一次峰值检测后，泄放开关管导通，将C上的电荷清除，接着进行下一次测量。每次测量，都应在网络达到稳态输出时进行，至少应包含一个峰值周期。因而测量速度随网络带宽和激励频率而变。

    采用上述两种模拟检波电路所获得的直流模拟电压，还需要通过一个A/D转换为数字量，供数字显示用。

3. 相位测量电路设计

    相频特性的测量通过测量网络的输出与输入信号的相位差来实现。也可以分为模拟电路测量方法和数字测量方法两种。

（1） 模拟测量方法：用过零电压比较器将输入和输出正弦波整型为方波，送鉴相器鉴相，鉴相电路由异或门和低通滤波器组成的，异或门的输出为脉冲方波，其占空比与两个信号的相位差成正比。经过低通滤波器，即可将占空比转换为直流电压，再经A/D转换后，单片机读取相位差值。该值表征两个波形的相对相位差大小，但不能分辩出两者之间的相位关系是超前还是滞后。为此还要另外加一个相位极性判别电路。

（2）数字化方法：采用数字电路技术对输出的脉冲宽度进行测量，可以直接地完成相位差的测量。设计要求在10 kHz时，相位测量精度达到3°，相应的脉冲宽度约为1μs。一般的数字电路都可以满足这一计数速度要求。也可以采用单片机中的计数和测频功能，来完成这一工作，具体方法是直接利用整形之后两个方波信号的边沿作为单片机的两个中断源，并测量两次中断之间的时间间隔。这种方法要求单片机时钟频率足够的高。

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 五

简易数字存储示波器（2001年B题）

简易数字存储示波器赛题要求：设计并制作一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器。

（1）基本要求（50分）

① 要求仪器具有单次触发存储显示方式，即每按动一次“单次触发”键，仪器在满足触发条件时，能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采集与存储，然后连续显示。

 ② 要求仪器的输入阻抗大于100kΩ，垂直分辨率为32级/div，水平分辨率为20点/div；设示波器显示屏水平刻度为10div，垂直刻度为8div。

    ③ 要求设置0.2s/div、0.2ms/div、20μs/div三档扫描速度，仪器的频率范围为DC～50kHz，误差≤5%。

    ④ 要求设置0.1V/div、1V/div二档垂直灵敏度，误差≤5%。

   ⑤ 仪器的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发、触发电平可调。

   ⑥ 观测波形无明显失真。

（2）发挥部分（50分）

   ① 增加连续触发存储显示方式，在这种方式下，仪器能连续对信号进行采集、存储并实时显示，且具有锁存（按“锁存”键即可存储当前波形）功能。（15分）

    ② 增加双踪示波功能，能同时显示两路被测信号波形。（8分）

   ③ 增加水平移动扩展显示功能，要求存储深度增加一倍，并且能通过操作“移动” 键显示被存储信号波形的任一部分。（5分）

    ④ 垂直灵敏度增加0.01V/div档，以提高仪器的垂直灵敏度，并尽力减小输入短路时的输出噪声电压。（10分）

   ⑤ 其它。（12分）

（3）说明

测试过程中，不能对普通示波器进行操作和调整。

简易数字存储示波器赛题分析与设计方案例：赛题要求设计并制作一台简易数字存储示波器。

一个简易数字存储示波器由信号调理、触发电路、A/D（ADC）、D/A（DAC）、Y输出电路、X输出电路、控制器等组成。被测信号A和B为模拟信号输入，Y、X信号为输出信号，分别加在普通示波器的Y、X输入端。

被测的输入信号（模拟信号），进行调理、量化（A/D转换）后，存入数据存储器。然后，在控制器的控制下，从存储器读出数据并恢复（D/A转换）为模拟信号，输入到普通示波器的Y通道；同时系统还需要产生对应的扫描信号，加入到通用示波器的X通道，将被测的输入信号在通用示波器的荧光屏上显示出来。

控制器是整个系统的核心。根据设计要求，控制器需要具有如下功能：

① 在满足触发条件时，能启动对被测信号进行采样（实时采样方式）、存储、显示。

② 根据被测信号的频率范围确定相应的采样速率，根据不同扫描速率的要求确定相应的采样速率。

③ 在对存储的信号进行显示时，能够选择一个合适的速率将存储的信号数据读出并恢复为模拟量，作为通用示波器的Y通道输入信号；同时提供与Y通道信号速率相适应的扫描电压，作为X通道的输入信号。

④ 应该根据垂直灵敏度的要求选择信号调理电路相应的增益，使A／D转换器能够在合适的模拟输入信号幅度下进行转换。

⑤  能够实现对两个信号的同时采集和存储，可实现双踪显示功能。

控制器可采用单片机、可编程逻辑器件等芯片，根据设计要求，可选择单片机和可编程逻辑器件组成。利用可编程逻辑器件（FPGA）完成对信号的采集和存储控制，承担底层控制；利用单片机实现对可编程逻辑器件及至整个系统的管理，承担顶层控制及数据处理，如从键盘输入选择采样速率、选择信号调理电路的增益、将存储的数字信号进行数据处理并恢复为模拟信号进行显示等操作。

设计要求对两个被测信号（A、B）同时进行显示，因此必须同时对A、B两个被测信号进行采样、存储。通常，对两个信号进行调理、采样、存储有两种方法，即交替方法和双通道方法。对于电子设计竞赛来说，双通道方法采用两块A/D转换器，设计思路比较简单，免去了对控制信号的复杂要求，是比较合适。

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 六

简易逻辑分析仪 （2003年D题）

简易逻辑分析仪赛题要求
赛题要求设计并制作一个8路数字信号发生器与简易逻辑分析仪。

（1）基本要求（50分）

第1部分：制作数字信号发生器

按照给出的逻辑信号序列示例，产生8路可预置的循环移位逻辑信号序列，输出信号为TTL电平，序列时钟频率为100Hz，并能够重复输出。

第2部分：制作简易逻辑分析仪

① 具有采集8路逻辑信号的功能，并可设置单级触发字。信号采集的触发条件为各路被测信号电平与触发字所设定的逻辑状态相同。在满足触发条件时，能对被测信号进行一次采集、存储；

② 能利用模拟示波器清晰稳定地显示所采集到的8路信号波形，并显示触发点位置；

③ 8位输入电路的输入阻抗大于50kΩ，其逻辑信号门限电压可在0.25~4V范围内按16级变化，以适应各种输入信号的逻辑电平；

④ 每通道的存储深度为20bit。

（2）发挥部分（50分）

① 能在示波器上显示可移动的时间标志线，并采用LED或其它方式显示时间标志线所对应时刻的8路输入信号逻辑状态；（18分）

② 简易逻辑分析仪应具备3级逻辑状态分析触发功能，即当连续依次捕捉到设定的3个触发字时，开始对被测信号进行一次采集、存储与显示，并显示触发点位置。3级触发字可任意设定（例如：在8路信号中指定连续依次捕捉到两路信号11、01、00作为三级触发状态字）；（18分）

③ 触发位置可调（即可选择显示触发前、后所保存的逻辑状态字数）；（5分）

④ 其它（如增加存储深度后分页显示等）。（9分）

简易逻辑分析仪赛题分析与设计方案例
赛题要求设计并制作一个8路数字信号发生器和一个简易逻辑分析仪。

一个简易逻辑分析仪由三个AT89S52单片机小系统组成。一片AT89S52单片机小系统A产生8路可预置的循环移位逻辑信号序列，一片AT89S52单片机小系统B实现人机交互，另一片AT89S52单片机小系统C用于触发并显示信号。采用双口RAM，具有分页显示、可移动时间标志线、可设定触发位、连续间断触发、触发方式多样等功能。

（1） AT89S52单片机小系统A

根据预置的循环移位元逻辑信号序列（通过8路开关设置），循环移位元输出这个序列，时钟频率为100 Hz，同时把这个时钟信号输出给系统C作为信号采样时钟。

   （2）AT89S52单片机小系统B

控制一块64×128的点阵液晶，接受键盘输入。菜单功能详细、操作方便，可以设置该逻辑分析仪的工作方式。工作方式按一定的格式写入双口RAM，将被系统C读取。同时把用户设置的门限电平值进行DA转换，和循环移位元逻辑输入信号相比较。工作方式设置完毕后，可以从双口RAM读时间标志线所对应时刻的8路输入信号的逻辑状态，并在液晶屏上显示。

（3）AT89S52单片机小系统C

根据单片机A送来的100 Hz信号采样时钟对比较器输出的信号序列进行采样，读取双口RAM的工作方式设置，判断触发点，向双口RAM写实中标志线对应时刻的输入信号逻辑状态。

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 七

低频数字式相位测量仪（2003年C题）
低频数字式相位测量仪赛题要求[1]
赛题要求设计并制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分。

（1）基本要求（50分）

① 设计并制作一个相位测量仪

a．频率范围：20Hz～20kHz。

b．相位测量仪的输入阻抗≥100k。

c．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V～5V范围内变化。

d．相位测量绝对误差≤2°。

e．具有频率测量及数字显示功能。

f． 相位差数字显示：相位读数为0o~359.9o，分辨力为0.1°。

② 参考图1.3.18制作一个移相网络

a．输入信号频率：100Hz、1kHz、10kHz。

b．连续相移范围：－45°～＋45°。

c．A＇、B＇输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。

（2）发挥部分（50分）

① 设计并制作一个数字式移相信号发生器，用以产生相位测量仪所需的输入正弦信号，要求：

a．频率范围：20Hz～20kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。

b．A、B输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。

c．相位差范围为0～359°，相位差步进为1°，相位差值可预置。

d．数字显示预置的频率、相位差值。（22分）

② 在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输入正弦电压峰-峰值至0.3V～5V范围。（6分）

③ 用数字移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位差值和不同幅度进行校验。（12分）

④ 其它。（10分）

低频数字式相位测量仪赛题分析与设计方案例
根据赛题要求，需要设计并制作一个相位测量仪、一个数字式移相信号发生器和一个移相网络。

相位测量仪的关键有两个部分，一个是A（U1）、B（U2）输入信号间的相位差的检测电路，该电路需要对输入的信号进行放大和整形，提取两输入信号间的相位差；二是相位差的数字化、频率测量与显示电路，该电路部分采用微控制器不难实现。

数字式移相信号发生器用来产生相位测量仪所需的输入正弦信号，可以事先将正弦信号波形参数数字化后做成一个数据表存储在ROM中，然后利用微控制器读出送DAC输出即可。利用微控制器可以输出任意相位的正弦信号波形。

移相网络赛题给出了一个参考电路，可以利用电路仿真软件（如multisim）确定各元器件参数。

（1）低频数字式相位测量仪

     低频数字式相位测量仪功能：测量并显示A（U1）、B（U2）输入信号间的相位差及频率。

首先将同频信号A（U1）、B（U2）经运算放大器放大后，输入到过零比较器中。经过零比较器后的信号转变为方波信号，输入到FPGA芯片中。通过VHDL语言编程、下载到FPGA芯片并烧制，实现了测频、测相及频率和相位差显示的功能。

低频数字式相位测量仪所需器件：采用运放TL082，比较器LM393，Xilinx公司的Spartan-ⅡE系列xc2s100e-6pq208 FPGA芯片和LED数码管显示。

（2）数字式移相信号发生器

数字移相原理简述如下：先将任意波形信号数字化，并形成一张数据表存入FPGA芯片中，此后可通过两片D／A转换芯片在FPGA的控制下连续地循环输出该数据表，就可获得两路任意波形信号，当两片D／A转换芯片所获得的数据序列完全相同时，则转换所得到的两路任意波形信号无相位差，称为同相。当两片D／A转换芯片所获得的数据序列不同时，则转换所得到的两路任意波形信号就存在着相位差。由于数据表中数据的总个数一定，因此相位差的值只与数据地址的偏移量有关。这种处理方式的实质是：将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值。

本设计中数字式移相信号发生器可自行产生两路同频正弦波信号。由于正弦波函数表早已编辑好并存储于ROM中，因此可通过软件编程实现ROM地址中的数据按不同数据序列的循环输出的功能，并经D/A转换后得到两路移相正弦波。

数字式移相信号发生器的FPGA 采用Spartan-ⅡE系列的xc2s100e-6pq208。利用AD7520和运放把来自FPGA幅度数据转化为AD7524的基准电压，从而实现数控调压，步进为10mv。利用AD7524和运放把来自FPGA波形数据转化成正弦波A。平滑滤波采用RC滤波网络。

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 八

简易频谱分析仪（2005年C题）

简易频谱分析仪赛题要求
采用外差原理设计并实现频谱分析仪，其参考原理框图如下图2.6.14所示。

（1）基本要求（50分）

① 频率测量范围为10MHz~30MHz；

② 频率分辨力为10kHz，输入信号电压有效值为20mV±5mV，输入阻抗为50Ω；

③ 可设置中心频率和扫频宽度；

④ 借助示波器显示被测信号的频谱图，并在示波器上标出间隔为1MHz的频标。

（2）发挥部分（50分）

① 频率测量范围扩展至1MHz~30MHz；（20分）

② 具有识别调幅、调频和等幅波信号及测定其中心频率的功能，采用信号发生器输出的调幅、调频和等幅波信号作为外差式频谱分析仪的输入信号，载波可选择在频率测量范围内的任意频率值，调幅波调制度ma=30%，调制信号频率为20kHz；调频波频偏为20kHz，调制信号频率为1kHz；（20分）

③ 其他。（10分）

简易频谱分析仪赛题分析与设计方案例[5,8,9,22,23]
根据赛题要求，采用外差式原理设计并实现简易频谱分析仪。混频器需要采用模拟电路形式（如乘法器电路），扫频信号发生器可以采用DDS电路实现，滤波器可以采用集成电路芯片实现。

一个频谱分析仪系统的设计方案如下：

简易频谱分析采用SPCE061A单片机作为主控制器，进行信号处理和人机交互控制。利用SPCE061A内嵌的32K字的闪存（Flash），存储扫描所得的频率点幅值，不需要外扩存储器；利用内嵌的10位电压模/数转换器(ADC)完成信号采样；利用通用可编程输入/输出端口与外围器件（LCD显示器、键盘）相连。

本机振荡器电路采用AD9850 DDS芯片构成，外接一个精密的时钟源。

混频器电路采用AD835乘法器专用芯片。AD835是一个电压输出四象限乘法器电路，能够完成W=XY+Z功能。

可编程放大器电路采用AD603 90MHz低噪声可编程放大器芯片，用来放大输入信号和衰减DDS本机振荡器电路输出后，送入乘法器电路。

本设计要求频谱分辨率为10KHz，所以每个扫频点的间隔为10KHz，以此频点作为中心，左右各5KHz范围之内为有效值，所以滤波器需要5KHz的带宽。MAX297是Maxim公司生产的一个八阶低通椭圆型、开关电容滤波器，采用输入时钟频率控制输出截止频率的方式来实现对模拟信号和数字信号的滤波。

为了提高检波精度，选择真有效值/直流（True RMS-to-DC）转换器芯片MX636作为检波电路。

本设计中采用普通的4×4键盘，按键功能分配：设置0～9和“.”11个普通数字输入键；频率和带宽的单位“MHz”的设置键；为新输入信号后启动测量和界面切换的“启动/返回”键；中心频率设置键；扫描带宽设置键；频标显示设置键。

显示模块采用常用的FM1602C液晶显示模块，液晶屏上显示操作指示。

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 九

集成运放参数测试仪（2005年B题）
集成运放参数测试仪赛题要求[1]
赛题要求设计并制作一台能测试通用型集成运算放大器参数的测试仪。

（1）基本要求（50分）

① 能测试VIO(输入失调电压)、IIO(输入失调电流)、AVD (交流差模开环电压增益)和KCMR (交流共模抑制比)四项基本参数，显示器最大显示数为 3999；

② 各项被测参数的测量范围及精度如下(被测运放的工作电压为±15V)：

VIO：测量范围为0～40mV（量程为4mV和40mV），误差绝对值小于3%读数+1个字；

IIO：测量范围为0～4μA（量程为0.4μA和4μA），误差绝对值小于3%读数+1个字；

AVD：测量范围为 60dB～120dB，测试误差绝对值小于3dB；

KCMR：测量范围为 60dB～120dB，测试误差绝对值小于3dB；

③ 测试仪中的信号源(自制)用于AVD、KCMR参数的测量，要求信号源能输出频率为5Hz、输出电压有效值为4 V的正弦波信号，频率与电压值误差绝对值均小于1%；

④ 按照本题附录提供的符合GB3442-82的测试原理图，再制作一组符合该标准的测试VIO、IIO、AVD 和KCMR参数的测试电路，以此测试电路的测试结果作为测试标准，对制作的运放参数测试仪进行标定。

（2）发挥部分（50分）

① 增加电压模运放BWG (单位增益带宽)参数测量功能，要求测量频率范围为100kHz～3.5MHz，测量时间≤10秒，频率分辨力为1kHz；

为此设计并制作一个扫频信号源，要求输出频率范围为 40kHz～4MHz，频率误差绝对值小于1%；输出电压的有效值为2V±0.2 V；（30分）

② 增加自动测量(含自动量程转换)功能。该功能启动后，能自动按VIO、IIO、AVD 、KCMR 和BWG的顺序测量、显示并打印以上5个参数测量结果；（15分）

③ 其他。（5分）

集成运放参数测试仪赛题分析与设计方案例
该赛题要求设计并制作一台能测试通用型集成运算放大器参数的测试仪，所提供的测试方法也是根据相关标准提出的。但在制作过程中出现了一个出题者没有预料到问题，现在市场上购买到得LM741、μA741、AD741等通用型运算放大器，由于制造工艺的进步，其性能指标有较大的提高和变化，对有些参数的测试存在一些困难和问题。

一个参考的集成运放综合参数测试仪系统设计方案以凌阳SPCE061A单片机为控制核心，由检测电路、信号源、自动测试控制电路、键盘和LED显示器等组成。可对LM741及与之引脚兼容的其他集成运放（例如μA741、F007、F741）的基本参数VIO、IIO、AVD 和KCMR及BWG进行测试和数字显示，具有自动打印和语音播报功能。信号源采用AD9835DDS专用芯片，产生测试需要的40kHz～4MHz扫频信号以及测试仪中的5Hz信号。LED显示器采用串行工作方式，8片74HC595芯片工作在静态显示模式。

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 十

积分式直流数字电压表（2007年G题）【高职高专组】
积分式直流数字电压表赛题要求[1]
赛题要求在不采用专用A/D转换器芯片的前提下，设计并制作积分型直流数字电压表。

（1）基本要求（50分）

① 测量范围：10mV～2V。

② 量程：200mV，2V。

③ 显示范围：十进制数0～1999。

④ 测量分辨率：1mV（2V档）。

⑤ 测量误差：≤±0.5％±5个字。

⑥ 采样速率：≥ 2次/秒。

⑦ 输入电阻：≥1M。

⑧ 具有抑制工频干扰功能。

（2）发挥部分（50分）

① 测量范围：1mV～2V。（4分）

② 量程：200mV，2V。

③ 显示范围：十进制数0～19999。（3分）

④ 测量分辨率：0.1mV（2V档）。（2分）

⑤ 测量误差：≤±0.05％±5个字。（20分）

⑥ 具有自动校零功能。（8分）

⑦ 具有自动量程转换功能。（8分）

⑧ 其他。（5分）

积分式直流数字电压表赛题分析与设计方案例
赛题要求在不采用专用A/D转换器芯片的前提下，设计并制作一个积分型直流数字电压表，在发挥部分还要求能自动切换量程，对精度、分辨率、输入阻抗等指标也提出了较高的要求。保证测量精度是这个赛题的核心要求，双斜积分式ADC是积分型直流数字电压表最佳选择。双斜积分式ADC通过对两次积分过程（对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分）进行比较，得到被测电压值。该赛题就是要求根据双斜积分式ADC的工作原理，利用运算放大器和控制电路实现积分式的直流数字电压表。

整个系统可以采用单片机为控制核心，控制运算放大器和电子开关组成的双斜积分式ADC完成电压测量。

①单片机控制积分器对输入电压进行正向积分，再接通负基准电压对积分反向积分，当积分器的积分电压高于比较器比较点时，比较器翻转引发中断，单片机计数T2的值。通过对T2值的运算，可求得被测电压值。

    ②单片机用一量程粗测被测电压，并判断当前被测电压是否满足当前量程的测量范围，如果不满足就自动切换量程。

③对于系统的元件老化、环境温度变化等造成的积分器零漂，可以在程序中设计零点、满量程校正功能，以便随时修正系统产生的误差。

传统的51单片机具有价格低廉、使用简便等特点，采用51单片机作为系统的控制核心可以实现赛题要求的基本功能。也可以采用8位RISC闪存单片机（如PIC16F628A）单片机作为系统的控制核心。PIC16系列单片机的大部分指令是单周期指令，这对提高软件计时精度进而提高测量精度是有利的。内置的上电复位和看门狗模块能提高系统可靠性并简化外部电路。还有一个重要特性就是它的定时器具有“自动捕捉”功能，当外部电平跳变时能立刻将定时器当前值“捕捉”记录下来而无需软件干预，有利提高测量精度。

输入电路可以采用运算放大器组成的电压跟随器满足输入阻抗要求，并且通过运算放大器对0～200mV的输入电压进行放大，运算放大器可以选择uA741、TL084、CA3140等芯片。

电压比较器可以采用LM393等芯片组成。

电子开关可以选择常规CD40xx系列模拟开关或者74HC4051等芯片。

    ＋2. 5 V和 －2. 5 V基准电压源可以利用两个LM431产生，并再经两个可调多圈精密电位计两次分压，实现基准电压粗、细调节。

根据赛题要求需要六位数字显示，数字显示模块可以采用8279芯片构成的键盘显示电路或者液晶显示器模块组成。

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历届“仪器仪表类”赛题要求与设计方案 十一

数字示波器（2007年C题）【本科组】
数字示波器赛题要求
赛题要求设计并制作一台具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器。

（1）基本要求（50分）

① 被测周期信号的频率范围为10Hz～10MHz，仪器输入阻抗为1M，显示屏的刻度为8 div×10div，垂直分辨率为8bits，水平显示分辨率≥20点/ div；

② 垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div两档。电压测量误差≤5%；

③ 实时采样速率≤1MSa/s，等效采样速率≥200MSa/s；扫描速度要求含20ms/div、

2μs /div、100 ns/div三档，波形周期测量误差≤5%；

④ 仪器的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发，触发电平可调；

⑤ 被测信号的显示波形应无明显失真。

（2）发挥部分（50分）

① 提高仪器垂直灵敏度，要求增加2mV/div档，其电压测量误差≤5%，输入短路时的输出噪声峰-峰值小于2mV；（22分）

② 增加存储/调出功能，即按动一次“存储”键，仪器即可存储当前波形，并能在需要时调出存储的波形予以显示；（7分）

③ 增加单次触发功能，即按动一次“单次触发”键，仪器能对满足触发条件的信号进行一次采集与存储（被测信号的频率范围限定为10Hz～50kHz）；（7分）

④ 能提供频率为100kHz的方波校准信号，要求幅度值为0.3V±5%（负载电阻≥1 M时），频率误差≤5%；（6分）

⑤ 其他。（8分）

数字示波器赛题分析与设计方案例
根据赛题要求设计并制作一台具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器，仔细分析该题，可以发现该赛题与2001年B题“简易数字存储示波器”十分类似，对照两赛题的技术指标，主要的不同有：被测信号的频率范围与输入阻抗，扫描速度，采样速率和双踪示波等。实时采样的概念比较好理解，与2001年B题相同。等效采样方式能以较低的采样速率获得较高的带宽，对等效采样的概念需要查找有关资料，可参考蒋焕文等编著的《电子测量》一书中取样示波器的内容，或陈尚松等编著的《电子测量与仪器》等相关资料，正确的理解。

一个具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器设计方案如下所示：

数字示波器由信号调理、触发电路、采集存储、数据处理、人机交互等模块组成。系统采用单片机AT89S52和EP1C6 FPGA作为控制核心。采用高速、低噪声运放（如OPA690）构成信号调理模块，实现信号的高阻输入与幅度控制；采用高速运放OPA690构成比较器，实现内部触发，且触发电平可调功能；数据采集模块由采样保持电路（如AD783）与ADC（如AD7822）组成，在FPGA时序严格控制下进行采样。AT89S52作为系统的总控制器，与FPGA内部的双口RAM和高速时钟相结合，实现实时采样、等效采样、数据交换、存储调出、单次触发、方波校准、示波器显示等功能。

根据赛题要求，需要设计一个具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器。

实时采样是在信号存在周期内对其采样，对每个采样周期的采样点按时间顺序进行简单的排列就能表达一个波形。根据奈奎斯特低通采样定理，采样频率至少是被测信号上限频率的两倍。对于周期的正弦信号，一个周期内至少应该有2个采样点。为了不失真地恢复原被测信号，通常一个周期内就需要采样8个点以上。为了不失真地恢复原被测信号，目前实时采样数字示波器的采样频率一般规定为信号实时带宽的4～10倍，并采用适当的内插算法。如果不采用内插算法，则要求采样速率为信号实时带宽的10～20倍，带宽越高则采样速率要求越高。实时采样的硬件设计和软件设计相对简单，能采集和恢复任意信号，采样时间较短，缺点是对A/D转换器的速度和精度要求很高，如果要采集一个10 MHz的信号，至少需要100MHz以上的高速ADC。

等效采样方式能以较低的采样速率获得较高的带宽，使用等效采样法的前提是被测信号是周期出现的。为了重建原信号，可以每一个周期内等效地、等间隔地抽取少量的样本，最后将多个周期抽取的样本集合到同一个周期内，这样就可以等效成在一个被测信号周期内采样效果。等效采样方式通常以MCU为控制核心，以精密时钟发生电路控制低速ADC对高频信号进行循环采样，在每个采样波形上只取一个点。

根据赛题题意选择实时采样和等效时间采样相结合的方式。赛题要求实时采样速率≤1 MSa/s，即限制了A/D转换器的速率为≤1 MSa/s；赛题要求水平分辨率至少为20点/div，故50 kHz以下采用实时采样方式，50 kHz～10 MHz采用等效时间采样方式，且使最高等效采样速率达到200 MSa/s。即当系统的扫描速度为2μs/div、100 ns/div时，采用等效采样。2μs/div挡时Δt为100 ns，100 ns/div挡时Δt为5 ns，系统的最高时钟为200 MHz。

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 “仪器仪表类”赛题需要和掌握的一些知识

从历届的赛题来看，主攻“仪器仪表类”赛题方向的同学需要了解和掌握：

（1）目前已经出现过的赛题，基本上在实验室都可以看到和用到的，赛题的基本工作原理与测量和测试方法，这一方面的知识可以从产品说明书和使用手册中获得。

（2）注意同一类型的仪器仪表，其工作原理与测量和测试方法可能不同，例如电压的测量低频交流电压和高频交流电压测量的方法就完全不同；例如频率、周期的测量等。选择合适的工作原理与测量和测试方法是赛题能否制作成功和获得好的竞赛成绩的关键。

（3）赛题中涉及到的一些基本电路有：

输入电路：分压器、前置放大器；滤波器电路；ADC电路；微控制器（单片机、FPGA、ARM、DSP）；DAC；键盘与开关电路，LED与液晶显示器；电源电路等。

（4）“仪器仪表类”赛题也在其他赛题中出现，例如2007年的“程控滤波器（D题）”就要求制作一个“简易幅频特性测试仪”

 一些建议

（1）选择已经出现过的一些赛题做一些训练；主要训练这类赛题的共用部分，如微控制器、ADC/DAC、放大器、电源等。

（2）主攻“仪器仪表类”赛题方向的同学还可以发挥自己的想象力，考虑一下：

① 还有哪些实验室的仪器仪表没有在赛题中没有出现过？如阻抗分析仪、网络分析仪等，在培训过程中事先训练一下。

② 已经出现过的一些赛题，考虑一下哪些可能会在放大器、高频等赛题中出现？

③ 已经出现过的一些赛题，考虑一下哪些可能在指标和功能方面会有哪些变化？如简易电阻、电容和电感测试仪等赛题。

④ 已经出现过的一些赛题，考虑一下哪些可能在制作要求方面会有哪些变化？

gmchen

似乎是某本书的内容，只收集到2011年。2011年以后的题目（本科组）如下：

简易频率特性测试仪（2013年E题）

80MHz-100MHz频谱仪（2015年E题）

数字频率计（2015年F 题）

远程幅频特性测试装置（2017年H 题） 

人去搂空

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