《简易网络导纳分析仪(A题)》命题解析 幻灯片.pptVIP

《简易网络导纳分析仪（A题）》命 题 解 析 华中科技大学 瞿安连 1. 题目来源 2. 知识范围 3.?方案分析 4. 竞赛作品评述 1. 题目来源 细胞分泌机制的研究： 细胞膜电容、膜电阻的测量 建模——模型化简——最后归结为一端口网络的测量问题 PC2C 膜片钳放大器 vpc= – Rf iP 基本原理：傅立叶变换 简易网络导纳分析的应用 无源网络分析、测量 人体医学阻抗测量 猪肉注水检测 建筑钢筋锈蚀监测 …… 专用芯片 形成题目：简易网络导纳分析仪 2. 知识范围 模拟电路：信号产生、信号放大——I/V变换电路 数字电路：DDS、相位检测、ADC、DAC、数显 信号处理：一般计算、DFT 题目类型属于电子测量仪器的设计，还必须具备一般电子测量仪器设计的知识和典型智能功能的实现技术。 为了实现题目的所有功能，设计方案应是一个以微控制器为核心的电子系统，因而设计将涉及单片机、A/D 、D/A转换等数字化处理技术。 3.?方案分析 1. 制作正弦波信号发生器，技术指标如下： a.频率：100Hz、300Hz、1kHz、3kHz、10kHz ，误差：1%； b. 输出电压峰-峰值：1V，误差：小于20mV； c. 输出电阻小于1Ω； d. 输出波形无明显失真。 2. 制作一端口网络N0的电导Re[Y ]、电纳Im[Y ]、导纳模|Y |和导纳角φY的测量电路，技术指标如下： a. Re [Y ]范围：0.1 mS ~ 10mS，分为若干量程，误差小于10%； b. Im [Y ]范围：0.1 mS ~ 10mS，分为若干量程，误差小于10%； c. |Y |误差小于10%； d. φY范围：±90o，误差小于5%。 1. 正弦波信号发生器 为了达到频率精度和控制方便，并考虑到本题发挥部分，普遍采用DDS方案(当然也可用其他方案实现）。 2. 一端口网络N0的电导Re[Y ]、电纳Im[Y ]、导纳模|Y |和导纳角φY 的测量电路 方案b 在题目的原稿中还有一句话：上述3种方法中，鼓励使用b、c两种方法。 表明出题人的倾向方案。 细胞膜电容和膜电阻的测量即用b、c两种方案都得到较高的精度，且c方案更好，在所开发的PC3型膜片钳放大器中得到应用。 方案c 可用两路ADC同步采集I/V变换电路和正弦波信号发生器的输出数据，然后用软件计算： Pi：每个正弦周期A/D采样点数 ZA= vO/i：互阻增益 M：正弦波信号发生器输出幅值 vO： I/V变换电路输出采样值 f：正弦波信号频率 典型方案如图。 几年前大学生电子设计竞赛曾有过相位测试仪器的设计，有测量导纳角φY 的基础，该方案十分容易实现，主要考虑给专科学生完成。 我们的题目要求电导Re[Y ]、电纳Im[Y ]和导纳模|Y |测量误差小于10％，导纳角φY误差小于10％，技术指标要求不高。主要是考虑到比赛时难以找到精度高于5％的“标准元件” 进行测试。 实际上，方案a存在以下影响测量精度的因素： ① 信号源中的直流偏移和放大器中的直流失调引起的误差，它们都会影响幅值检测和相位检测的精度。而方案b、c在傅氏变换后，可完全抑制直流成分。 ② 系统噪声影响幅值检测和相位检测的精度。而方案b、c在傅氏变换时的积分或求和平均后，将随机噪声的影响降到最低。 4. 竞赛作品评述 1. 电流检测方法——互阻放大电路的应用 2. 傅立叶变换： 积分域＋∞～－∞，测量时应取足够的周期近似，否则误差较大。 DFT： 要注意DFT漏泄（DFT leakage），之前应加窗函数，如Hanning窗。 谢谢！ Anlian QU Huazhong University of Science and Technology Institute of Biophysics and Biochemistry 2007. 7 膜电流检测 离散傅立叶变换（DFT）： 数据处理 DDS：Digital Direct Frequency Synthesis或 Direct Digital Synthesizer DFT：Discrete Fourier Transform FPGA 存储器 相位累加器 单片机 晶 振 D/A 放大 LPF 射随器 采用AD98