（1）設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)并制作一臺數(shù)字顯示的電阻、電容和電感參數(shù)測試儀，示意框圖如圖1.3.23所示。
圖1.3.23簡易電阻、電容和電感測試儀方框圖
（2）設(shè)計(jì)要求
①基本要求
a. 測量范圍：電阻100Ω～1MΩ；電容100pF～10000pF；電感100μH～10mH。
b. 測量精度：±5% 。
c. 制作4位數(shù)碼管顯示器，顯示測量數(shù)值，并用發(fā)光二極管分別指示所測元件的類型和單位。
②發(fā)揮部分
a. 擴(kuò)大測量范圍。
b. 提高測量精度。
c. 測量量程自動轉(zhuǎn)換。
2.簡易數(shù)字頻率計(jì)（第三屆,1997年）
（1）設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)并制作一臺數(shù)字顯示的簡易頻率計(jì)。
（2）設(shè)計(jì)要求
①基本要求
第1部分：頻率測量：
a．測量范圍 信號：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；頻率：1Hz～1MHz
b．測量誤差≤0.1%
第2部分：周期測量：
a．測量范圍 信號：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；頻率：1Hz～1MHz
b．測量誤差≤0.1%
第3部分：脈沖寬度測量：
a．測量范圍 信號：脈沖波；幅度：0.5V～5V；脈沖寬度≥100μs
b．測量誤差≤1%
第4部分：顯示器
十進(jìn)制數(shù)字顯示，顯示刷新時(shí)間1～10秒連續(xù)可調(diào)，對上述三種測量功能分別用不同顏色的發(fā)光二極管指示。
第5部分：具有自校功能，時(shí)標(biāo)信號頻率為1MHz。
第6部分：自行設(shè)計(jì)并制作滿足本設(shè)計(jì)任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。
②發(fā)揮部分
a. 擴(kuò)展頻率測量范圍為0.1Hz～10MHz（信號幅度0.5V～5V），測量誤差降低為0.01%（****閘門時(shí)間≤10s）。
b. 測量并顯示周期脈沖信號（幅度0.5V～5V、頻率1Hz～1kHz）的占空比，占空比變化范圍為10%～90%，測量誤差≤1% 。
c. 在1Hz～1MHz范圍內(nèi)及測量誤差≤1%的條件下，進(jìn)行小信號的頻率測量，提出并實(shí)現(xiàn)抗干擾的措施。
3. 數(shù)字式工頻有效值多用表[4]（第四屆,1999年）
（1）設(shè)計(jì)任務(wù)題目
設(shè)計(jì)并制作一個能同時(shí)對一路工頻交流電（頻率波動范圍為50±1Hz、有失真的正弦波）的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)進(jìn)行測量的數(shù)字式多用表。參見圖1.3.24。
圖1.3.24數(shù)字式工頻有效值多用表
（2）設(shè)計(jì)要求
①基本要求
第1部分：測量功能及量程范圍
a. 交流電壓：0～500V；
b. 交流電流：0～50A；
c. 有功功率：0～25kW；
e. 無功功率：0～25kvar；
f. 功率因數(shù)（有功功率/視在功率）：0～1 。
為便于本試題的設(shè)計(jì)與制作，設(shè)定待測0～500V的交流電壓、0～50A的交流電流均已經(jīng)相應(yīng)的變換器轉(zhuǎn)換為0～5V的交流電壓。
第2部分：準(zhǔn)確度
a. 顯示為 位（0.000～4.999），有過量程指示；
b. 交流電壓和交流電流：±（0.8％讀數(shù)＋5個字），例：當(dāng)被測電壓為300V時(shí)，讀數(shù)誤差應(yīng)小于±（0.8％×300V＋0.5V）＝ 2.9V ；
c. 有功功率和無功功率：±（1.5％讀數(shù)＋8個字）；
f. 功率因數(shù)：± 0.01 。
第3部分：功能選擇：用按鍵選擇交流電壓、交流電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)的測量與顯示。
②發(fā)揮部分
a. 用按鍵選擇電壓基波及總諧波的有效值測量與顯示。
b. 具有量程自動轉(zhuǎn)換功能，當(dāng)變換器輸出的電壓值小于0.5V時(shí)，能自動提高分辨力達(dá)0.01V。
c. 用按鍵控制實(shí)現(xiàn)交流電壓、交流電流、有功功率、無功功率在測試過程中的****值、最小值測量。
e. 其它（例如擴(kuò)展功能，提高性能）。
（3）說明
a. 調(diào)試時(shí)可用函數(shù)發(fā)生器輸出的正弦信號電壓作為一路交流電壓信號；再經(jīng)移相輸出代表同一路的電流信號。
b. 檢查交流電壓、交流電流有效值測量功能時(shí)，可采用函數(shù)發(fā)生器輸出的對稱方波信號。電壓基波、諧波的測試可用函數(shù)發(fā)生器輸出的對稱方波作為標(biāo)準(zhǔn)信號，測試結(jié)果應(yīng)與理論值進(jìn)行比較分析。
4.頻率特性測試儀[4]（第四屆,1999年）
（1）設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)并制作一個頻率特性測試系統(tǒng)，包含測試信號源、被測網(wǎng)絡(luò)、檢波及顯示三部分，如圖1.3.25所示。
圖1.3.25頻率特性測試儀方框圖
（2）設(shè)計(jì)要求
①基本要求
第1部分：制作幅頻特性測試儀
a．頻率范圍：100Hz～100kHz；
b．頻率步進(jìn)：10Hz；
c．頻率穩(wěn)定度：10-4；
d．測量精度：5％ ；
e．能在全頻范圍和特定頻率范圍內(nèi)自動步進(jìn)測量，可手動預(yù)置測量范圍及步進(jìn)頻率值；
f．LED顯示，頻率顯示為5位，電壓顯示為3位，并能打印輸出。
第2部分：制作一被測網(wǎng)絡(luò)
a．電路型式：阻容雙T網(wǎng)絡(luò)；
b. 中心頻率：5kHz；
c. 帶寬：±50Hz；
e. 計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的幅頻和相頻特性，并繪制相位曲線；
f. 用所制作的幅頻特性測試儀測試自制的被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。
②發(fā)揮部分
a. 制作相頻特性測試儀
頻率范圍：500Hz～10kHz；
相位度數(shù)顯示：相位值顯示為三位，另以一位作符號顯示；
測量精度：3°。
b. 用示波器顯示幅頻特性。
c. 在示波器上同時(shí)顯示幅頻和相頻特性。
e. 其它。
（3）說明
發(fā)揮部分b、c均用所制作的頻率特性測試儀測試自制的被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性。
5. 簡易數(shù)字存儲示波器[5]（第五屆，2001年）
（1）設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)并制作一臺用普通示波器顯示被測波形的簡易數(shù)字存儲示波器，示意圖如圖1.3.26所示。
圖1.3.26簡易數(shù)字存儲示波器方框圖
（2）設(shè)計(jì)要求
①基本要求
a. 要求儀器具有單次觸發(fā)存儲顯示方式，即每按動一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時(shí)，能對被測周期信號或單次非周期信號進(jìn)行一次采集與存儲，然后連續(xù)顯示。
b. 要求儀器的輸入阻抗大于100kΩ，垂直分辨率為32級/div，水平分辨率為20點(diǎn)/div；設(shè)示波器顯示屏水平刻度為10div，垂直刻度為8div。
c. 要求設(shè)置0.2s/div、0.2ms/div、20μs/div三檔掃描速度，儀器的頻率范圍為DC～50kHz，誤差≤5%。
d. 要求設(shè)置0.1V/div、1V/div二檔垂直靈敏度，誤差≤5%。
e. 儀器的觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)方式，要求上升沿觸發(fā)、觸發(fā)電平可調(diào)。
f. 觀測波形無明顯失真。
②發(fā)揮部分
a. 增加連續(xù)觸發(fā)存儲顯示方式，在這種方式下，儀器能連續(xù)對信號進(jìn)行采集、存儲并實(shí)時(shí)顯示，且具有鎖存（按“鎖存”鍵即可存儲當(dāng)前波形）功能。
b. 增加雙蹤示波功能，能同時(shí)顯示兩路被測信號波形。
c. 增加水平移動擴(kuò)展顯示功能，要求存儲深度增加一倍，并且能通過操作“移動”鍵顯示被存儲信號波形的任一部分。
d. 垂直靈敏度增加0.01V/div檔，以提高儀器的垂直靈敏度，并盡力減小輸入短路時(shí)的輸出噪聲電壓。
e. 其它。
（3）說明
測試過程中，不能對普通示波器進(jìn)行操作和調(diào)整。
6. 低頻數(shù)字式相位測量儀（第六屆，2003年）
（1）設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)并制作一個低頻相位測量系統(tǒng)，包括相位測量儀、數(shù)字式移相信號發(fā)生器和移相網(wǎng)絡(luò)三部分，示意圖如圖1.3.27～1.3.29所示。
（2）設(shè)計(jì)要求
①基本要求
第1部分：設(shè)計(jì)并制作一個相位測量儀（參見圖1.3.17）
a．頻率范圍：20Hz～20kHz。
b．相位測量儀的輸入阻抗≥100k。
c．允許兩路輸入正弦信號峰-峰值可分別在1V～5V范圍內(nèi)變化。
d．相位測量絕對誤差≤2°。
e．具有頻率測量及數(shù)字顯示功能。
f． 相位差數(shù)字顯示：相位讀數(shù)為0o~359.9o，分辨力為0.1°。
第2部分：參考圖1.3.18制作一個移相網(wǎng)絡(luò)
a．輸入信號頻率：100Hz、1kHz、10kHz。
b．連續(xù)相移范圍：－45°～＋45°。
c．A＇、B＇輸出的正弦信號峰-峰值可分別在0.3V～5V范圍內(nèi)變化。
②發(fā)揮部分
第1部分：設(shè)計(jì)并制作一個數(shù)字式移相信號發(fā)生器（圖1.3.29），用以產(chǎn)生相位測量儀所需的輸入正弦信號，要求：
a．頻率范圍：20Hz～20kHz，頻率步進(jìn)為20Hz，輸出頻率可預(yù)置。
b．A、B輸出的正弦信號峰-峰值可分別在0.3V～5V范圍內(nèi)變化。
c．相位差范圍為0～359°，相位差步進(jìn)為1°，相位差值可預(yù)置。
d．?dāng)?shù)字顯示預(yù)置的頻率、相位差值。
第2部分：在保持相位測量儀測量誤差和頻率范圍不變的條件下，擴(kuò)展相位測量儀輸入正弦電壓峰-峰值至0.3V～5V范圍。
圖1.3.29數(shù)字式移相信號發(fā)生器
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第3部分：用數(shù)字移相信號發(fā)生器校驗(yàn)相位測量儀，自選幾個頻點(diǎn)、相位差值和不同幅度進(jìn)行校驗(yàn)。
第4部分：其它。
（3）說明
a. 移相網(wǎng)絡(luò)的器件和元件參數(shù)自行選擇，也可以自行設(shè)計(jì)不同于圖2的移相網(wǎng)絡(luò)。
b. 基本要求b項(xiàng)中，當(dāng)輸入信號頻率不同時(shí)，允許切換移相網(wǎng)絡(luò)中的元件。
c. 相位測量儀和數(shù)字移相信號發(fā)生器互相獨(dú)立，不允許共用控制與顯示電路。
7.簡易邏輯分析儀（第6屆，2003年）
（1）設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)并制作一個8路數(shù)字信號發(fā)生器與簡易邏輯分析儀，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1.3.30所示：
圖1.3.30 數(shù)字信號發(fā)生器與簡易邏輯分析儀結(jié)構(gòu)框圖
（2）設(shè)計(jì)要求
①基本要求
第1部分：制作數(shù)字信號發(fā)生器
能產(chǎn)生8路可預(yù)置的循環(huán)移位邏輯信號序列，輸出信號為TTL電平，序列時(shí)鐘頻率為100Hz，并能夠重復(fù)輸出。邏輯信號序列示例如圖1.3.31所示。
第2部分：制作簡易邏輯分析儀
a．具有采集8路邏輯信號的功能，并可設(shè)置單級觸發(fā)字。信號采集的觸發(fā)條件為各路被測信號電平與觸發(fā)字所設(shè)定的邏輯狀態(tài)相同。在滿足觸發(fā)條件時(shí)，能對被測信號進(jìn)行一次采集、存儲。
b．能利用模擬示波器清晰穩(wěn)定地顯示所采集到的8路信號波形，并顯示觸發(fā)點(diǎn)位置。
c．8位輸入電路的輸入阻抗大于50kΩ，其邏輯信號門限電壓可在0.25~4V范圍內(nèi)按16級變化，以適應(yīng)各種輸入信號的邏輯電平。
d．每通道的存儲深度為20bit。
圖1.3.31 重復(fù)輸出循環(huán)移位邏輯序列00000101
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②發(fā)揮部分
a. 能在示波器上顯示可移動的時(shí)間標(biāo)志線，并采用LED或其它方式顯示時(shí)間標(biāo)志線所對應(yīng)時(shí)刻的8路輸入信號邏輯狀態(tài)。
b. 簡易邏輯分析儀應(yīng)具備3級邏輯狀態(tài)分析觸發(fā)功能，即當(dāng)連續(xù)依次捕捉到設(shè)定的3個觸發(fā)字時(shí)，開始對被測信號進(jìn)行一次采集、存儲與顯示，并顯示觸發(fā)點(diǎn)位置。3級觸發(fā)字可任意設(shè)定（例如：在8路信號中指定連續(xù)依次捕捉到兩路信號11、01、00作為三級觸發(fā)狀態(tài)字）。
c. 觸發(fā)位置可調(diào)（即可選擇顯示觸發(fā)前、后所保存的邏輯狀態(tài)字?jǐn)?shù)）。
e. 其它（如增加存儲深度后分頁顯示等）。
（3）說明
a. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中的跳接線必須采取可靈活改變的接插方式。
b. 數(shù)字信號的采集時(shí)鐘可采用來自數(shù)字信號發(fā)生器的時(shí)鐘脈沖clock。
c. 測試開始后，參賽者不能對示波器進(jìn)行任何調(diào)整操作。
e. 題中涉及的“字”均為多位邏輯狀態(tài)。如圖1.3.31中縱向第一個字為一個8位邏輯狀態(tài)字（00000101），而發(fā)揮部分中的3級觸發(fā)字為2位邏輯狀態(tài)。
8. 方案例：簡易數(shù)字存儲示波器
（1）簡易數(shù)字存儲示波器（方案1）
簡易數(shù)字存儲示波器（方案1）方框圖如圖1.3.32所示。系統(tǒng)采用單片機(jī)和可編程器件作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，將設(shè)計(jì)任務(wù)分解為通道信號調(diào)理、觸發(fā)信號產(chǎn)生、采集存儲、數(shù)據(jù)融合處理、顯示、操作面板、掉電保護(hù)等功能模塊。單片機(jī)完成人機(jī)界面、系統(tǒng)控制、信號分析、處理、變換，用CPLD完成采集控制邏輯及顯示控制邏輯。
圖1.3.32 簡易數(shù)字存儲示波器（方案1）方框圖
（2）簡易數(shù)字存儲示波器（方案2）
簡易數(shù)字存儲示波器（方案2）方框圖如圖1.3.33所示。系統(tǒng)采用單片機(jī)與CPLD結(jié)合方式。數(shù)據(jù)采集采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7822，直接用CPLD準(zhǔn)確定時(shí)控制ADC的采樣速率，實(shí)現(xiàn)整個頻段的全速采樣。
數(shù)據(jù)存儲器采用雙口 RAM（IDT7132）存儲采樣量化后的波形數(shù)據(jù)，同樣用CPLD控制RAM的地址線。IDT7132有兩組相互隔離的數(shù)據(jù)線、地址線、片選線和讀寫控制線，它們可對RAM內(nèi)部的存儲單元同時(shí)進(jìn)行讀寫操作，并且互不影響，這樣就解決了高速存儲和讀取的問題。
雙蹤顯示只用一片模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一片存儲器和一片數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以高速率切換模擬開關(guān)CLNO52分別選通兩路信號進(jìn)入采樣電路，兩路波形數(shù)據(jù)被存放在同一片存儲器的奇、偶地址位。雙蹤顯示時(shí)，光掃描奇數(shù)位地址的數(shù)據(jù)，再掃描偶數(shù)位地址的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)雙蹤顯示。
幅度控制采用模擬開關(guān) 4O51、寬帶運(yùn)放 LM356，配合精密電位器實(shí)現(xiàn)垂直分辨率調(diào)節(jié)。 PZ口的三條控制線控制4051選通不同通道的接入電阻值，從而實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，達(dá)到程控放大的目的。
（3）簡易數(shù)字存儲示波器（方案3）
簡易數(shù)字存儲示波器（方案3）方框圖如圖1.3.34所示。系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)為核心，輔以少量的必要的邏輯電路�？梢岳糜邢薜目刂凭�和數(shù)據(jù)／地址總線，簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并充分發(fā)揮數(shù)量不多的數(shù)字邏輯器件的作用，實(shí)現(xiàn)了整個題目的基本要求部分和擴(kuò)展部分，由于數(shù)字器件的高速性，例如：采用高速的計(jì)數(shù)器74HC4040（4.5 V供電時(shí)，頻率可達(dá)45 MHz），可編程計(jì)數(shù)定時(shí)器82C53（時(shí)鐘頻率可達(dá)8 Mllz）以及一些必要的邏輯器件的速度都可達(dá)數(shù)十兆赫，加上采用AHD57，足以使整個系統(tǒng)的采樣儲存速度高達(dá) 8 MHz，可以滿足并超過題目對采集速度 1Mbps的要求。同時(shí)可以用軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能和對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種后期處理，改善人機(jī)界面。數(shù)據(jù)采集采用程控放大器PGA102。
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