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同昆仪器仪表西门子plc字母意思变频器开关电源

来源:http://www.togaac.com 作者:领航仪器 时间:2020-01-24 17:05

  电赛仪器仪表题目分析与应对(赵茂泰)_工学_高等教育_教育专区。仪器仪表类题目分析与应对 基于电压测量的仪器部分 武汉大学 赵茂泰 2017.4. 2 1.几点认识 2.电压测量类仪器的组成 3.电压测量类仪器的设计举例 4.几点体会 1.几点认识

  仪器仪表类题目分析与应对 基于电压测量的仪器部分 武汉大学 赵茂泰 2017.4. 2 1.几点认识 2.电压测量类仪器的组成 3.电压测量类仪器的设计举例 4.几点体会 1.几点认识 ⑴ 电子测量仪器设计涵盖的知识范围 电子测量是建立在模拟电路、数字电路、信号与系统、计算机原 理及接口等专业基础课基础上,综合运用通信、自动 控制及电力电子 等学科的专业知识而形成的一个独具特色的学科。与电赛内容一致。 电子仪器的设计能够较容易加工成学生在4天内完成的赛题。 仪器类赛题是电子设计竞赛中出现最多的一类赛题。并且,在其 他类赛题中大部分都包含一些电子测量的内容。 因此,掌握好电子仪器的设计技术至关重要。 1.几点认识 ⑵ 仪器仪表设计的基础是基本电子电路 仪器仪表实际上就是一些最基本电子电路的组合。电子测量 仪器设计从本质上讲就是电子电路的设计。 大学生电子设计竞赛是学科竞赛,不是纯粹意义上的产品设 计竞赛。因此,命题时将会刻意加强与电子电路密切相关的内容, 淡化一些专业性较强的内容。 因此,仪器仪表类赛题的训练一定要在建立在基本电子电路 充分训练的基础上。否则,不仅得不到好的效果,也有背大学生 电子设计竞赛的初衷。 1.几点认识 ⑶ 做好仪器类赛题的关键是准确理解各项指标的涵义 电子仪器的价值由各项技术指标的优良程度决定。 电子仪器主要用于测试其它电子系统的性能指标,因此,电子仪 器对技术指标的要求相对更加严格。 电子仪器含多项技术指标,其中最核心的是测量误差,其他技术 指标基本上都与测量误差有关。对于许多测量来讲,测量工作的价值 几乎全部取决于它的准确程度。 进行电子仪器设计时,必须对各项技术指标(尤其是测量误差) 进行认真地分析,并在此基础上确定其核心器件,再进行相关电路 的设计。 1.几点认识 ⑷ 仪器类赛题设计应该按一定步骤进行 ? 审题(对赛题要求进行分析); ? 在方案论证的基础上建立总体设计方案; ? 技术指标分析、误差分配及核心器件的选择; ? 硬件电路设计;软件系统设计; ? 组装、调试及测试; ? 撰写设计报告。 按以上步骤进行设计有助于大学生工程设计能力的培养。 实际设计时,不同课题的设计步骤会存在一些不同。 1.几点认识 ⑸ 从学习的角度,应侧重掌握以下4类仪器 ? ? ? ? 电压测量类仪器 时间频率测量仪器 数字示波器 信号发生器 电子仪器种类繁多,但只要透彻掌握以上4类电子仪器的原 理,其他类型电子仪器的设计便不会存在大的障碍。 所以,赛前训练应该涵盖这4方面的内容。实际的电子仪器设计中,变频器开关电源吱吱响 只要掌握好这4类电子仪器的原理,再分析该课题的特殊要求,学习一些 相关知识,就能很快地进入设计状态中。 本次讲座侧重讨论电压测量类仪器的赛题 2.电压测量类仪器的组成 ⑴ 数字直流电压测量仪器(基本模块) 被测电压 调理 电路 A/D 转换器 显示 电路 直流电压测量是最基本的电压测量模块! ⑵ 有关电参数测量仪器的组成(有关变换器+基本模块) 被测电参数 调理 电路 有关参数 变换器 直流电压 直流电压 测量模块 各类参数变换器均由基本电子电路组成 (含交流电压、同昆仪器仪表电流、功率、电阻、电容、电感等参数的测量) ⑵ 有关电参数测量仪器的组成(有关变换器+基本模块) ──以交流电压测量为例讨论有关电参数测量仪器的组成原理 表征交流电压幅度特性的三个基本参数: ? 峰值(Vp+ 、 Vp- 、 Vp-p)和振幅(Vm ) 零电平为参考 直流分量为参考 ? 平均值:V ? 1 T T ? T 0 v(t) dt 全波检波后的平均值 ? 有效值: 1 T ? o v 2 (t ) d t 注:若未加说明,各类电压表的示值按正弦波有效值来定度 ⑵ 有关电参数测量仪器的组成(有关变换器+基本模块) ──以交流电压测量为例讨论有关电参数测量仪器的组成原理 交流电压的测量模式: ① 均值电压表:用均值检波器作AC/DC变换器(需正弦波有效值定度) 被测电压 阻抗 变换器 宽带量程 转换电路 平均值 检波器 直流电压 测量模块 放大──检波式,频率范围为20HZ~10MHZ,灵敏度为mV级。 ② 峰值电压表:用峰值检波器作AC/DC变换器(需正弦波有效值定度) 探头形式 被测电压 峰值 检波器 直流量程 转换电路 直流电压 测量模块 检波──放大式,峰值检波器输入电阻很高,可以为输入级,并做 在探头内。适合做成超高频毫伏表,灵敏度可达几十μV。 交流电压的测量模式: ③ 有效值电压表:采用有效值转换器或热偶作为AC/DC变换器 被测电压 阻抗 变换器 宽带量程 转换电路 有效值 转换器 直流电压 测量模块 定度方便:输出的直流电压线性正比于各种波形的有效值。 基于真有效值转换器的有效值电压表有广泛的应用前景,但受芯 片工艺限制,目前频率范围的上限约为10MHZ。 ④ 基于高速采样的交流电压测量方法 被测电压 宽带量程 转换电路 高速A/D 转换器 单片机 系统 全数字化方案。适于对非规则波形参数的测试。 方便,灵活。但受限于A/D转换器的最高采样率。 2.电压测量类仪器的组成 ⑴ 数字直流电压测量仪器(基本模块) ⑵ 有关电参数测量仪器的组成(有关变换器+基本模块) ⑶ 有关物理量测量仪器的组成(有关传感器+基本模块) 被测物理数 直流电压 调理 电路 有关 传感器 直流电压 测量模块 (含温度、重量、西门子plc字母意思压力、光强等物理量的测量) 小结: ? 直流电压测量是最基本的电压测量模块!在此基础上,通过有关变换器 和传感器,实现了大部分电参数和物理量的测量。 ? 电压测量类仪器是最基础,应用范围非常广泛的一类仪器。 3.电压测量类仪器的设计举例 设计举例一:智能数字万用表(直流电压测量部分) 根据2007年全国电赛 “积分式直流数字电压表【高职组】 ” ,2011年 全国电赛 “自动电阻测试仪【高职组】 ” , 2004年湖北电赛 “智能数字 万用表【高职组】”等题目的内容改写。 ? 高职高专参赛学生的电路功能实现能力强,但对技术指标不够敏感。 ? 本例侧重讨论:① 如何准确理解仪器的技术指标(尤其测量精度); ② 调试中的相关技术。 题目主要要求: ① 量程:0.2V,2V,20V;最大显示数:1999; ② 输入阻抗≥5MΩ; ③ 直流电压测量误差:±0.2%读数± 2个字; ④ 具有自动量程转换功能; (其他略) ① 准确理解仪器测量误差(误差分析,误差分配,核心器件的选择) 直流数字电压表组成示意图 被测电压 量程 转换电路 A/D 转换器 单片机 键盘与 显示 测量误差指标的分析:(±0.2%读数± 2个字) ? 第1项误差为被测电压值的0.2%,称“a”项误差,其大小与读数Vx成正比。 主要由衰减器、放大器和A/D转换器等转换系数的不准及非线性等因素产生。 ? 第2项误差为固定的2个字,称“b”项误差,其大小不随读数变化而变化。主 要由偏移误差、量化误差等因素产生。 显示 1999 显示 1999 0 Vm Vx 0 Vm Vx “a” 项误差示意图 “b” 项误差示意图 ① 准确理解仪器测量误差(误差分析,误差分配,核心器件的选择) 测量误差指标的分配: ? 误差分配:将仪器总误差分配给各个部分电路。以确定各个部分电路设计 时应该控制的测量误差。 ? 应根椐各部分电路实现的难度程度进行合理分配。 ? 主要对第1项误差进行分配。(0.2%读数) 根椐以上分配原则,各部分电路误差的分配: ? 要求量程转换电路的测量误差小于 0.1% ; ? 要求A/D转换器的测量误差小于 0.1%; 则仪器的总误差将小于0.2% 各部分电路核心器件的选择: ? 量程转换电路应该选择高精度低噪声运算放大器(带宽无要求) 例,OPA333,高精度零漂移CMOS运放; ? A/D转换器应该优先选择积分型A/D转换器 例,MC14433,具有自动稳零性能,器件精度可达±0.05%±1字 直流数字电压表的组成 OPA333 0~2V 题目主要要求: ① 量程:0.2V,2V,20V;最大显示:1999; ② 输入阻抗≥5MΩ; ③ 直流电压测量误差:±0.2%读数± 2个字; ④ 具有自动量程转换功能; 量程转换器的组成: 20V量程:K1吸合,K2释放(×0.1) 2V量程:K1释放,K2释放(×1) 0.2V量程:K1释放,K2吸合(×10) 注:2V量程为基本量程 ② 调试中的相关技术 一个设计正确、制作良好的作品,必须经过认真的调试才能达到预定 的技术指标。否则可能前功尽弃。 测量误差的调试:(±0.2%读数± 2个字) ? 第1项称“a”项误差,与量程转换电路和A/D转换器的转换系数不准有关。变频器开关电源吱吱响 ? 第2项称“b”项误差,与放大器的零点偏移和A/D转换器的量化误差有关。 显示 1999 显示 1999 0 Vm Vx 0 Vm Vx “a” 项误差示意图 “b” 项误差示意图 调试步骤: ? 先调“b”项误差(零点),再调“a”项误差; ? 先调“基本量程,再调其他量程。 ② 直流数字电压表的调试 OPA333 0~2V 基本量程的调整: ? 使量程处于基本量程状态(2V量程); 标准电压表 被测电压 被测电压表 ? “b”项误差调整:输入端短路,调整调零 电路,使被测表的显示数字在0.000附近; ? “a”项误差调整:输入端加入一个1.000V~1.999V之间的稳定电压,然后 调整 RW0,使被测表的显示数字值与标准表显示数字值的前4位相等。 OPA333 0~2V 标准电压表 被测电压 被测电压表 20V量程的调整: ? 使量程处于20V量程状态( K1吸合,K2释放); ? 输入端加入一个 10.00V~19.99V之间的稳定电压,调整RW1,使被测表 显示的数字与标准表显示数字的前4位相等。 0.2V量程的调整: ? 使量程处于0.2V量程状态( K1释放,K2吸合); ? 输入端加入一个 100.0mV~199.9mV之间的稳定电压,调整RW2,使被测 表显示的数字与标准表显示数字的前4位相等。 3.电压测量类仪器的设计举例 设计举例二:交流数字电压表 根据1999年全国电赛“数字式工频有效值多用表”,2004年湖北电赛 “简易综合测试仪”等题目的内容改写。 目的:以本题为背景,讨论电子测量仪器设计的一般步骤;重点讨论技 术指标分析;误差分配及核心器件选择的方法。 主要技术指标如下: ①、频率范围:20Hz~2MHz; ②、测量误差:±1%读数± 2个字; ③、 3 位数字显示,最大显示数:999; ④、量程:0.1V,1V,10V; ⑤、输入阻抗分600Ω 、高阻(≥5MΩ)两档; ⑥、具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。 设计举例二:交流数字电压表 步骤1:审题(略) 步骤2:在方案论证的基础上建立总体方案 经过方案论证,拟定的总体方案框图如下: ? 其中,交直流转换采用真有效值转换器方案。 步骤1:审题(略) 步骤2:在方案论证的基础上建立总体方案 步骤3:技术指标分析、误差分配、核心器件的选择 ? ? ? ? 准确理解技术指标的含义; 分析误差与哪些部分电路相关; 对总指标进行分配; 选择核心芯片并形成各部分电路。 指标①,频率范围为 20Hz~2MHz ? 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。 ? 实际设计中,信号频率范围要与测量误差、量程等指标结合在一起综 合考虑。 步骤3:技术指标分析、误差分配、核心器件的选择 指标②、测量误差:±1%读数±2个字; 技术指标分析: ? 在20Hz~2MHz频率范围内,每一个频率点都能达到以上测量精度。 ? 第1项误差为被测电压值的1%,与量程转换电路、西门子plc字母意思真有效值转换器、 A/D转换器三部分电路转换系数的误差有关。 ? 第2项误差为固定的2个字,是与被测电压无关的量化误差。 误差分配: 根椐电路难易程度,将总误差(1%)分配给仪器的各个部分电路。 指标②、测量误差:±1%读数±2个字; 误差分配: 根椐电路难易程度,将总误差(1%)分配给仪器的各个部分电路。 ? 分配给A/D转换器的测量误差:小于 0.1%; ? 分配给量程转换(放大器)的测量误差:小于 0.1% ; ? 分配给真有效值转换器的测量误差:小于0.8% 则仪器的总误差将小于 1 % 放大器和A/D转换器的测量误差小于 0.1%不困难; 难点在于:真有效值转换器的电压测量误差应小于 0.8 % 步骤3:技术指标分析、误差分配、核心器件的选择 指标②、测量误差:±1%读数±2个字; 技术指标分析: 测量误差的分配: 器件选择(主要是真有效值转换器的选择) 根据题目要求,拟选用AD637/k作为真有效值转换器的核心器件; 依据1:由设计资料可知,AD637的带宽与输入信号电压幅度有关,当幅值 太大或较小时,AD637的带宽都将变窄。例如,8MHz at 2V RMS Input; 1MHz at 200mV RMS Input 依据2:实验测量表明:当输入信号频率不大于2MHz时,输入信号的电压有 效值在0.7V~7V范围内能保证测量误差≤±0.4%+0.5mV。 结论:为了确保AD637在20Hz~2MHz范围内,测量误差均小于0.8%, 要求量程电路的归一化输出电压范围限定为 0.7~7V(有效值) 步骤3:技术指标分析、误差分配、核心器件的选择 指标③、量程:0.1V,1V,10V; ? 3个量程显示范围分别为 00.1mV~99.9mV(0.1V量程);001mV~999mV (1V量程); 0.01V~9.99V(10V量程)。 ? 量程电路可以采用两级放大器级联,每级放大器增益为 1、10 可选,当 增益分别选择为1、10 时,便能实现10V、1V、0.1V 三个量程的选择。 量程转换器的组成: 10V量程:K1释放,K2释放(×1) 1V量程:K1释放,K2闭合(×10) 0.1V量程:K1闭合,K2闭合(×100) 步骤3:技术指标分析、误差分配、核心器件的选择 指标③、量程:0.1V,1V,10V; 量程电路核心器件的选择:(要求量程电路总误差 ≤ 0.1%,带宽> 2MHz) 对量程电路中集成运放的要求: ? 单位增益带宽(电压反馈型)>25 MHz 电压反馈型运放增益带宽积GBW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;由于每级放大器增益最大为10,再考虑级联等因素 的影响,则选择运放芯片的单位增益带宽大于25MHz。 也可以采用带宽应大于5MHz的电流反馈型运放。 ? 电压摆率(SR) > 200V/μs 本设计中放大器的最大输出电压为10V(幅度Vom=14.14V),最高频率为 2MHz,则要求集成运放的压摆率 SR>2πVom·f = 178V/μs。 指标③ 、量程:0.1V,1V,10V; 运算放大器的选择: 条件:单位增益带宽(电压反馈型)>35 MHz;电压摆率(SR)>200V/μs 采用AD817(电压反馈型) ? 单位增益带宽 = 50MHz, ? SR = 350 V /μs 采用AD811 (电流反馈型) ? 3dB带宽: 能满足要求 ? SR = 2500V/μs 采用LF357(电压反馈型) ? 单位增益带宽 = 20MHz, ? SR = 50 V /μs 能满足要求 满足部分要求 步骤3:技术指标分析、误差分配、核心器件的选择 指标④,西门子plc字母意思3位数字显示,最大显示数为 999 A/D转换器位数的选择 ? A/D转换器的分辨率应该高于或等于仪器精度的3倍(最好一个量级)。 ? A/D转换器的分辨率必须高于或等于显示分辨率。 因此,本题电压表的A/D转换器的相对分辨率应高于11 bit。 建议取12位A/D转换器,例如,MAX197,AD574,ICL7109 。 A/D转换器满量程输入电压范围的选择 例如,本设计选择 MAX197。MAX197具有 0~5V,0~10V,-5~5V, -10~10V 四种满量程输入电压范围供选择。 本题量程电路的归一化的输出电压范围为0.7~7V,则选择0~10V输 入电压范围。 为了使AD637最大输出电压与MAX197的最大输入电压一致,需增加设 计刻度调节电路。 设计举例二:交流数字电压表 步骤1:审题 步骤2:在方案论证的基础上建立总体方案 步骤3:技术指标分析、误差分配、核心器件的选择 步骤4:整机硬件电路设计、软件系统设计; 仪器目前状态:10V量程 步骤5:组装、调试及测试 其中调试一定要按特定的次序进行 制定一个合理的调试步骤,然后严格按照调试步骤进行调试。 ? 先调10V量程(基本量程)档:先调零点,然后输入一个电压值,同昆仪器仪表例如Ux=5V; 调RW1使AD637的输出为3.5V;调RW4使显示器显示5.00V(即MAX157的输出)。 ? 再调1V量程档(K1吸合):输入一个电压值(0.5V);调RW2使显示器显示 0.500V(即MAX157的输出)。 ? 最后调0.1V量程(K2吸合):输入电压值50mV;调RW3使显示器显示50.0mV (即MAX157的输出)。 学生作品举例 (×1) ×10 被测信号 ×1 优点:运放反馈网络无开关 不足:8位A/D分辨率低于999, 显示时可能会出现跳字现象, 跳字步进约为 4。 (×10) ×10 (×100) ( 直流) 8位 ? 设计举例三:脉冲幅度参数的测量 2016年TI杯省联赛E题“脉冲信号参数测量仪”的部分内容。 题目要求:测量矩形脉冲信号的幅度Vm,被测脉冲信号幅度范围为 0.1~10V,测量误差不大于2%。 其他条件:频率fo范围为10Hz~2MHz,占空比D范围为10%~90% 注:脉冲信号幅度Vm参数具有特定的涵义 VMAX VTOP VP-P VBASE VMIN 关键:测试 VTOP 步骤1:审题(分析难点并确定对应的解决方案) 脉冲幅度 Vm 的确定(IEC标准) 不宜采用检波器方法 !应该采用基于高速采样技术的测量方法。 最困难的测试点: 当fo=2MHz,D=10%时,对应的信号脉冲宽度为50ns 50ns 500ns 脉宽为50ns的脉冲信号对电路带宽及采样率均提出较高的要求! 基于高速数据采样技术的幅度测量方法分析 ① 设置一个阈值,取大于阈值的采样数据并存储; ② 对存储的采样数据排序,取其中间值(或去极值去平均)作为幅值 被测信号 采样脉冲 采样值 主要问题:需要高速A/D转换器。例如,本题被测信号最小脉宽为50ns, 若在一个周期内取25个数据,则A/D转换器采样速率约需500MHz。 解决方案:采用新的测量算法,以便能适度降低采样速率。 作品案例:采用采样速率为50MHz(20ns)的A/D转换器,则在脉宽为50ns 的被测脉冲信号上,一个周期内至少可以取得1个幅度近似为Vm的采样值。 数据处理步骤: ① 设置一个阈值,在多个周期内,取若干个(例如25个)大于阈值的采 样数据并存储 ② 对存储的采样数据排序,取其中间值(或去极值去平均)作为幅值 90%V m V 50%V 被测信号m m 采样脉冲 采样值 步骤1:审题(分析难点并确定对应的解决方案) 步骤2:在方案论证的基础上建立总体方案 测量电路框图 显示 被测信号 量程 转换电路 A/D 转换器 FPGA 单片机 步骤3:技术指标分析、技术指标分配 ? 量程转换电路带宽的分析 ? 测量误差的分析及分配 步骤3:技术指标分析、误差指标分配 ? 量程转换电路带宽的分析 决定电路带宽的被测信号参数是:fo=2MHz,D=10%,对应脉冲宽度 τ = 50ns f(t) τ 0 T t 0 nω 周期矩形脉冲信号的时域波形 周期矩形脉冲信号的频谱 步骤3:技术指标分析、误差指标分配 ? 量程转换电路带宽的分析 ? 测量误差的分配 题目要求:被测信号的幅度范围为 0.1~10V,测量误差不大于2%。 测量误差来源于量程转换电路和A/D转换器。 被测信号 量程 转换电路 A/D 转换器 根据两部分电路的难易程度, 分配给(宽带)量程转换电路的误差为不大于0.5%; 因此分配给A/D转换器(采样率为50MHz)的误差为不大于1.5%。 步骤4:整机硬件电路设计、核心器件的选择 量程转换电路的设计: ? 量程一般由程控放大器和衰减器组合而成。量程间一般为10倍率(例如数 字电压表);为了降低对后面A/D转换器的要求,量程间也可选择为5倍率或 2倍率(例如数字示波器)。 ? 设本例量程间选择为5倍率,其量程电路结构图如下:。 0.1V~0.5V 0.1V~10V 被测信号 2.5V~10V ÷5 0.5V~2.5V 0.5V~2.5V ×5 ×1 0.5V~2.5V 0.5V~2.5V A/D 转换器 量程电路的归一化 输出电压范围为0.5V~2.5V ? 前述分析还要求本例的量程电路达到: 量程电路的带宽为100MHz;测量误差不大于0.5%。 步骤4:整机硬件电路设计、核心器件的选择 ; A/D转换器的选择: 最高采样速率:50MHz 输入电压范围:0.5V~2.5V 测量误差不大于1.5% A/D转换器位数的确定:为了达到测量精度, A/D转换器的分辨率应高 于精度的3倍以上。则本例要求A/D转换器的分辨率能达到0.5%(输入在 0.5V~2.5V范围内), 应该选择10位及以上的A/D转换器, 输入电压 2.5V 1.25V 0.5V 输出数字 1024 512 204 分辨率 0.1% 0.2% 0.5% 结论:为了使A/D转换器在0.5V~2.5V输入电压幅度范围内均能达到 1.5% 的测量精度,应该选择10位以上的A/D转换器。 步骤4:整机硬件电路设计、核心器件的选择 ; THS3095 ? 带宽:210MHz ? 压摆率:7300V/μs OPA690 ? 电压反馈型运放 ? 单位增益带宽:500MHz ? 压摆率:7300V/μs ? 输出电压摆幅:±4V ADS6122 ? 12位A/D转换器 ? 最大采样速率:65MHz ? 满量程输入电压范围 :0~2.5V ? 输出驱动电流:250mA ? 输入电压范围:±13V 3.电压测量类仪器的设计举例 设计举例三:脉冲幅度参数的测量 步骤1:审题(分析难点及对应的解决方案) 步骤2:在方案论证的基础上建立总体方案 步骤3:技术指标分析、技术指标分配、 步骤4:整机硬件电路设计、核心器件的选择 步骤5:软件系统设计(略) 步骤6:整机电路调试(略) 3.几点体会 ? 组织培训时,坚持要求学生按步骤进行设计;这样做有助于大 学生真正的工程设计能力的提高。 ? 审题的目的是分析难点及对应的解决方案,然后根据自己的能 力进行选题。要特别注意题意理解的准确性,变频器开关电源吱吱响不要看表面。 ? 仪器设计的关键问题是:正确理解技术指标的含义,认真分析 误差与哪些部分电路相关;然后在对总指标进行分配的基础上 选择好核心芯片,并形成相关电路。 ? 注重测试环节,特别是测试方法及测试步骤的安排。一个设计 正确、制作良好的作品,必须经过认真的调试才能达到预定的 技术指标。否则可能前功尽弃。

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