基于随机等效采样的交流毫伏表设计

发布时间：2017-08-20 10:24

  本文关键词：基于随机等效采样的交流毫伏表设计

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【摘要】：数字交流毫伏表是电子测量和科学研究实验中不可缺少的工具,由于其具有读数方便、测量准确等特点,广泛应用于学校、工厂和科研单位。随着对测量要求的进一步提高,如何提高数字交流毫伏表的带宽和精度是研究交流毫伏表的重要内容。基于随机等效采样的交流毫伏表是一种采用全新设计方案的交流毫伏表,将随机等效采样算法运用到交流毫伏表设计中,在提高测量带宽和精度的同时,可以降低对模数转换速率的要求。目前,市场上的数字交流毫伏表大多采用精密检波方式检测信号幅度,而检波电路的带宽受到检波二极管性能的限制,随着测量信号频率的增加,测量误差也会增大；同时,此方案对模拟通道的平坦度要求也很高,增大了设计难度。本项目受江苏绿扬电子仪器集团有限公司委托,研究开发一款基于随机等效采样的数字交流毫伏表,以达到更宽的频率测量范围。基于随机等效采样的交流毫伏表研发的关键技术问题是实现随机等效采样算法。本文在研究分析了现有交流毫伏表技术方案基础上,提出了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)和微控制器(Micro Controller Unit, MCU)相结合的方案。该方案中的FPGA主要实现随机等效采样算法和外设控制逻辑,MCU通过总线和FPGA进行数据传输,以达到控制外设和获取采样数据的目的。本文详细分析了基于随机等效采样的数字交流毫伏表和传统的基于精密检波的数字交流毫伏表技术解决方案及各自优缺点,介绍了随机等效采样算法、该数字交流毫伏表的硬件电路结构和基于FPGA的逻辑设计,并对各逻辑模块进行了仿真。论文还详尽地阐述了该交流毫伏表的控制软件、FPGA在系统配置软件和PC机端上位机软件的设计思想,并给出了软件流程图。论文最后对交流毫伏表整机进行了测试,结果显示该交流毫伏表等效采样率高达200MSa/s,模拟通道带宽达20MHz,频率在10Hz～10MHz、幅度在100μV～300V范围内的测量误差均小于5%,满足用户提出的技术指标要求。
【关键词】：交流毫伏表 随机等效采样 FPGA MCU
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM933.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 研究现状11-12
• 1.3 论文结构12-14
• 第二章 交流信号幅度检测原理14-18
• 2.1 实时采样检测幅度14-15
• 2.2 精密检波检测幅度15
• 2.3 随机等效采样检测幅度15-18
• 第三章 系统硬件电路的设计18-36
• 3.1 交流毫伏表的总体结构18-19
• 3.2 通道电路设计19-28
• 3.2.1 无源衰减网络设计19-20
• 3.2.2 阻抗变换电路设计20-22
• 3.2.3 增益可控的放大网络设计22-26
• 3.2.4 触发通道设计26-28
• 3.3 A/D转换器电路设计28-29
• 3.4 FPGA关键电路29-32
• 3.4.1 FPGA时钟电路29-30
• 3.4.2 FPGA配置模式30-32
• 3.5 单片机与FPGA的通信总线32-34
• 3.6 电路抗干扰设计34-36
• 第四章 总体模块逻辑设计36-42
• 4.1 A/D转换器驱动模块36-38
• 4.2 随机等效采样模块38-39
• 4.3 数码管及LED驱动模块39-40
• 4.4 按键扫描模块40-42
• 第五章 交流毫伏表控制软件设计42-51
• 5.1 控制软件总体框图42-43
• 5.2 单片机控制软件设计43-47
• 5.2.1 人机交互模块43
• 5.2.2 在系统配置FPGA软件设计43-44
• 5.2.3 单片机和上位机数据传输协议44-47
• 5.3 上位机软件设计47-51
• 5.3.1 上位机串口通信程序设计47-48
• 5.3.2 更新FPGA固件应用程序设计48-51
• 第六章 系统性能测试51-58
• 6.1 系统测试平台及条件51
• 6.2 模拟通道性能测试51-55
• 6.3 随机等效采样波形还原测试55-56
• 6.4 系统测量性能测试56-58
• 第七章 总结与展望58-59
• 附录59-61
• 参考文献61-63
• 致谢63

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本文编号：706099