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本書是全國大學生電子設計競賽培訓教程第5分冊，是針對全國大學生電子設計競賽的特點和需求編寫的。全書共7章，內容包括：時頻測量儀設計、電氣參數測量儀、時域測量儀、元件參數測量儀、頻域測量儀、數據域測量儀和其他測量儀的工作原理、設計基礎、設計方法及大量設計舉例。本書內容豐富實用、敘述條理清晰、工程性強，可作為高等學校電子信息類、自動化類、電氣類、計算機類專業的大學生參加全國及省級電子設計競賽、課程設計與製作、畢業設計的參考書，以及電子工程各類技術人員的參考書。
序
全國大學生電子設計競賽是由教育部高等教育司、工業和信息化部人事教育司共同主辦的面向全國高等學校本科、專科學生的一項群眾性科技活動，目的在於推動普通高等學校在教學中培養大學生的創新意識、協作精神和理論聯繫實際的能力，加強學生工程實踐能力的訓練和培養；鼓勵廣大學生踴躍參加課外科技活動，把主要精力吸引到學習和能力培養上來，促進高等學校形成良好的學習風氣；同時，也為優秀人才脫穎而出創造條件。
全國大學生電子設計競賽自1994年至今已成功舉辦13屆，深受全國大學生的歡迎和喜愛，參賽學校、參賽隊和參賽學生逐年增加。對參賽學生而言，電子設計競賽和賽前系列培訓，使他們獲得了電子綜合設計能力，鞏固了所學知識，並培養了他們用所學理論指導實踐，團結一致，協同作戰的綜合素質；通過參加競賽，參賽學生可以發現學習過程中的不足，找到努力的方向，為畢業後從事專業技術工作打下更好的基礎，為將來就業做好準備。對指導老師而言，電子設計競賽是新、奇、特設計思路的充分展示，更是各高等學校之間電子技術教學、科研水平的檢驗，通過參加競賽，可以找到教學中的不足之處。對各高等學校而言，全國大學生電子設計競賽現已成為學校評估不可缺少的項目之一，這種全國大賽是提高學校整體教學水平、改進教學的一種好方法。
全國大學生電子設計競賽只在單數年份舉辦，但近年來，許多地區、省市在雙數年份也單獨舉辦地區性或省內電子設計競賽，許多學校甚至每年舉辦多次各種電子競賽，其目的在於通過這類電子大賽，讓更多的學生受益。
全國大學生電子設計競賽組委會為了組織好這項賽事，2005年編寫了《全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編（2005）》。我們在組委會的支持下，從2007年開始至今，編寫了“全國大學生電子設計競賽培訓教程”（共14冊），深受參賽學生和指導教師的歡迎和喜愛。
這一系列教程出版發行後，據不完全統計，被數百所高校採用，作為全國大學生電子設計競賽及各類電子設計競賽培訓的主要教材或參考教材。讀者紛紛來信來電表示這套教材寫得很成功、很實用，同時也提出了許多寶貴意見。基於這種情況，從2017年開始，我們對此系列教程進行整編。新編寫的5本系列教材包括：《基本技能訓練與綜合測評》《模擬電子線路與電源設計》《數字系統與自動控制系統設計》《高頻電子線路與通信系統設計》和《電子儀器儀錶與測量系統設計》。
《電子儀器儀錶與測量系統設計》是新編系列教材的第5分冊，是在前幾版的基礎上撰寫而成的，刪去了一些陳舊的內容，增加了2013年、2015年和2017年的競賽內容。全書共7章，第1章介紹時頻測量儀設計，第2章介紹電氣參數測量儀設計，第3章介紹時域測量儀設計，第4章介紹元器件參數測量儀設計，第5章介紹頻域測量儀設計，第6章介紹數據域參數測量儀設計，第7章介紹其他測量儀器設計。本書收集整理了歷屆關於電子儀器儀錶和測量系統設計方面的競賽試題17道，並將它們歸類為了7章。每章的第一節介紹與本章相關的基本技術及關鍵器件，所舉的每道試題均設有題目分析、方案論證與比較、理論分析與參數計算、軟硬件設計、測試方法、測試結果及結果分析，內容豐富多彩。
參加本書編寫工作的有高吉祥、熊躍軍、歐陽宏志、李清江、陳新喜、周群、張耀東等。高吉祥、熊躍軍任主編，歐陽宏志任副主編，李清江、陳新喜、周群、張耀東等參加了部分章節的編寫。西安電子科技大學傅豐林教授在百忙之中對本書進行了主審。長沙學院電子信息與電氣工程學院院長劉光燦、副院長劉輝為本書出版立項、編著、組織做了大量的工作。南華大學王彥教授、湖南科技大學吳新開教授為本書的編寫提供了大量優秀作品和論文。長沙學院楊毅、熊思瑾等同學在文字編輯與校對方面做了大量的工作。北京理工大學羅偉雄教授、武漢大學趙茂泰教授等為本書編寫出謀劃策，對本書的修訂提出了寶貴意見。再次表示衷心的感謝。
由於時間倉促，本書在編寫過程中難免存在疏漏和不足，歡迎廣大讀者和同行批評指正。
編 者
2019年1月
全國大學生電子設計競賽自1994年至今已成功舉辦13屆，深受全國大學生的歡迎和喜愛，參賽學校、參賽隊和參賽學生逐年增加。對參賽學生而言，電子設計競賽和賽前系列培訓，使他們獲得了電子綜合設計能力，鞏固了所學知識，並培養了他們用所學理論指導實踐，團結一致，協同作戰的綜合素質；通過參加競賽，參賽學生可以發現學習過程中的不足，找到努力的方向，為畢業後從事專業技術工作打下更好的基礎，為將來就業做好準備。對指導老師而言，電子設計競賽是新、奇、特設計思路的充分展示，更是各高等學校之間電子技術教學、科研水平的檢驗，通過參加競賽，可以找到教學中的不足之處。對各高等學校而言，全國大學生電子設計競賽現已成為學校評估不可缺少的項目之一，這種全國大賽是提高學校整體教學水平、改進教學的一種好方法。
全國大學生電子設計競賽只在單數年份舉辦，但近年來，許多地區、省市在雙數年份也單獨舉辦地區性或省內電子設計競賽，許多學校甚至每年舉辦多次各種電子競賽，其目的在於通過這類電子大賽，讓更多的學生受益。
全國大學生電子設計競賽組委會為了組織好這項賽事，2005年編寫了《全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編（2005）》。我們在組委會的支持下，從2007年開始至今，編寫了“全國大學生電子設計競賽培訓教程”（共14冊），深受參賽學生和指導教師的歡迎和喜愛。
這一系列教程出版發行後，據不完全統計，被數百所高校採用，作為全國大學生電子設計競賽及各類電子設計競賽培訓的主要教材或參考教材。讀者紛紛來信來電表示這套教材寫得很成功、很實用，同時也提出了許多寶貴意見。基於這種情況，從2017年開始，我們對此系列教程進行整編。新編寫的5本系列教材包括：《基本技能訓練與綜合測評》《模擬電子線路與電源設計》《數字系統與自動控制系統設計》《高頻電子線路與通信系統設計》和《電子儀器儀錶與測量系統設計》。
《電子儀器儀錶與測量系統設計》是新編系列教材的第5分冊，是在前幾版的基礎上撰寫而成的，刪去了一些陳舊的內容，增加了2013年、2015年和2017年的競賽內容。全書共7章，第1章介紹時頻測量儀設計，第2章介紹電氣參數測量儀設計，第3章介紹時域測量儀設計，第4章介紹元器件參數測量儀設計，第5章介紹頻域測量儀設計，第6章介紹數據域參數測量儀設計，第7章介紹其他測量儀器設計。本書收集整理了歷屆關於電子儀器儀錶和測量系統設計方面的競賽試題17道，並將它們歸類為了7章。每章的第一節介紹與本章相關的基本技術及關鍵器件，所舉的每道試題均設有題目分析、方案論證與比較、理論分析與參數計算、軟硬件設計、測試方法、測試結果及結果分析，內容豐富多彩。
參加本書編寫工作的有高吉祥、熊躍軍、歐陽宏志、李清江、陳新喜、周群、張耀東等。高吉祥、熊躍軍任主編，歐陽宏志任副主編，李清江、陳新喜、周群、張耀東等參加了部分章節的編寫。西安電子科技大學傅豐林教授在百忙之中對本書進行了主審。長沙學院電子信息與電氣工程學院院長劉光燦、副院長劉輝為本書出版立項、編著、組織做了大量的工作。南華大學王彥教授、湖南科技大學吳新開教授為本書的編寫提供了大量優秀作品和論文。長沙學院楊毅、熊思瑾等同學在文字編輯與校對方面做了大量的工作。北京理工大學羅偉雄教授、武漢大學趙茂泰教授等為本書編寫出謀劃策，對本書的修訂提出了寶貴意見。再次表示衷心的感謝。
由於時間倉促，本書在編寫過程中難免存在疏漏和不足，歡迎廣大讀者和同行批評指正。
編 者
2019年1月
目次
第1章 時頻測量儀設計 1
1.1 時頻測量儀設計基礎 1
1.1.1 概述 1
1.1.2 電子計數法測量頻率 3
1.1.3 電子計數法測量時間 8
1.1.4 通用計數器 14
1.2 低頻數字式相位測量儀設計
［2003年全國大學生電子設計競賽（C題）］ 19
1.2.1 題目分析 20
1.2.2 方案論證 21
1.2.3 硬件設計 27
1.2.4 軟件設計 33
1.2.5 性能測試 37
1.2.6 設計改進 39
1.3 數字頻率計
［2015年全國大學生電子設計競賽（F題）（本科組）］ 40
1.3.1 題目分析 41
1.3.2 方案論證 42
1.3.3 理論分析與計算 44
1.3.4 電路與程序設計 45
1.3.5 測試方案與測試結果 47
1.3.6 結論 49
1.4 簡易數字信號傳輸性能分析儀
［2011年全國大學生電子設計競賽（E題）］ 49
1.4.1 題目分析 51
1.4.2 方案論證 52
1.4.3 系統設計與實現 55
1.4.4 測試方案及結果 61
第2章 電氣參數測量儀設計 66
2.1 電氣參數測量儀設計基礎 66
2.1.1 概述 66
2.1.2 模擬式直流電壓的測量 67
2.1.3 交流電壓的測量 70
2.1.4 數字電壓表簡介 83
2.1.5 數字多用表 86
2.2 積分式直流數字電壓表
［2007年全國大學生電子設計競賽（G題）（高職高專組）］ 91
2.2.1 題目分析 91
2.2.2 方案論證 92
2.2.3 系統硬件與軟件設計 93
2.2.4 系統測試 96
第3章 時域測量儀設計 98
3.1 時域測量儀設計基礎 98
3.1.1 時域測量引論 98
3.1.2 示波管介紹 99
3.1.3 波形顯示原理 103
3.2 簡易數字存儲示波器設計
［2001年全國大學生電子設計競賽（B題）］ 111
3.2.1 題目分析 112
3.2.2 方案論證 114
3.2.3 硬件設計 122
3.2.4 系統測試 125
3.2.5 結論 127
3.3 數字示波器
［2007年全國大學生電子設計競賽（C題）（本科組）］ 128
3.3.1 題目分析 129
3.3.2 系統方案 131
3.3.3 理論分析與計算 134
3.3.4 電路與程序設計 136
3.3.5 測試方案與測試結果 141
第4章 元器件參數測量儀設計 144
4.1 元器件參數測量儀設計基礎 144
4.1.1 概述 144
4.1.2 電阻的測量 147
4.1.3 電感、電容的測量 150
4.1.4 晶體管特性圖示儀 162
4.2 簡易電阻、電容和電感測量儀設計
［1995年全國大學生電子設計競賽（D題）］ 164
4.2.1 電阻、電容和電感測量原理 164
4.2.2 系統設計 167
4.2.3 測量系統誤差的消除 172
4.3 集成運算放大器參數測量儀設計
［2005年全國大學生電子設計競賽（B題）］ 174
4.3.1 集成運算放大器參數測量原理 176
4.3.2 系統設計 178
4.3.3 電路的抗干擾措施及調試 185
第5章 頻域測量儀設計 189
5.1 頻域測量儀設計基礎 189
5.1.1 線性系統幅頻特性的測量 189
5.1.2 頻譜分析儀概述 195
5.1.3 外差式頻譜分析儀 198
5.2 簡易頻率特性測試儀
［2013年全國大學生電子設計競賽試題（E題）］ 203
5.2.1 題目分析 205
5.2.2 方案論證 206
5.2.3 理論分析與計算 207
5.2.4 電路與程序設計 209
5.2.5 測試方案與測試結果 212
5.3 簡易頻譜分析儀設計
［2005年全國大學生電子設計競賽（C題）］ 214
5.3.1 題目分析 216
5.3.2 方案論證 216
5.3.3 系統組成及工作原理 218
5.3.4 硬件設計 219
5.3.5 軟件設計 223
5.3.6 測試結果 224
5.4 音頻信號分析儀
［2007年全國大學生電子設計競賽（A題）（本科組）］ 225
5.4.1 題目分析 227
5.4.2 系統方案 228
5.4.3 理論分析與計算 229
5.4.4 電路與程序設計 232
5.4.5 測試方案與測試結果 234
附錄A：三角波、鋸齒波及方波的傅裡葉級數係數MATLAB仿真 236
5.5 80～100MHz頻譜分析儀
［2015年全國大學生電子設計競賽（本科組）（E題）］ 240
5.5.1 題目分析 241
5.5.2 系統方案 242
5.5.3 理論分析與計算 243
5.5.4 電路與程序設計 245
5.5.5 測試方案與測試結果 250
5.6 遠程幅頻特性測試儀
［2017年全國大學生電子設計競賽（H題）］ 252
5.6.1 題目分析 254
5.6.2 系統方案論證與選擇 255
5.6.3 系統理論分析與硬件電路設計 256
5.6.4 軟件設計 260
5.6.5 測試結果 261
5.6.6 測試結果分析 262
第6章 數據域測試儀設計 263
6.1 數據域測試儀設計基礎 263
6.1.1 數據域測試概述 263
6.1.2 邏輯分析儀的組成原理 270
6.2 簡易邏輯分析儀設計
［2003年全國大學生電子設計競賽（D題）］ 282
6.2.1 題目分析 284
6.2.2 方案論證 284
6.2.3 系統設計與原理框圖 285
6.2.4 電路設計與說明 286
6.2.5 軟件設計 292
6.2.6 系統測試 293
6.2.7 結論 294
第7章 其他測量儀器 295
7.1 直流電動機測速裝置
［2017年全國大學生電子設計競賽（O題）（高職高專組）］ 295
7.1.1 題目分析 296
7.1.2 系統方案 297
7.1.3 系統理論分析與計算 298
7.1.4 硬件電路與程序設計 298
7.2 簡易水情檢測系統
［2017全國大學生電子設計競賽（P題）（高職高專組）］ 301
7.2.1 題目分析 303
7.2.2 系統設計方案 307
7.2.3 系統設計與論證 308
7.2.4 電路與程序設計 308
7.2.5 測試方法、結果及分析 310
7.3 單相用電器分析監測裝置
［2017年全國大學生電子設計競賽（K題）］ 312
7.3.1 題目分析 313
7.3.2 系統方案 315
7.3.3 理論分析與計算 316
7.3.4 電路設計 317
7.3.5 程序設計 319
7.3.6 測試方案與測試結果 319
參考文獻 321
1.1 時頻測量儀設計基礎 1
1.1.1 概述 1
1.1.2 電子計數法測量頻率 3
1.1.3 電子計數法測量時間 8
1.1.4 通用計數器 14
1.2 低頻數字式相位測量儀設計
［2003年全國大學生電子設計競賽（C題）］ 19
1.2.1 題目分析 20
1.2.2 方案論證 21
1.2.3 硬件設計 27
1.2.4 軟件設計 33
1.2.5 性能測試 37
1.2.6 設計改進 39
1.3 數字頻率計
［2015年全國大學生電子設計競賽（F題）（本科組）］ 40
1.3.1 題目分析 41
1.3.2 方案論證 42
1.3.3 理論分析與計算 44
1.3.4 電路與程序設計 45
1.3.5 測試方案與測試結果 47
1.3.6 結論 49
1.4 簡易數字信號傳輸性能分析儀
［2011年全國大學生電子設計競賽（E題）］ 49
1.4.1 題目分析 51
1.4.2 方案論證 52
1.4.3 系統設計與實現 55
1.4.4 測試方案及結果 61
第2章 電氣參數測量儀設計 66
2.1 電氣參數測量儀設計基礎 66
2.1.1 概述 66
2.1.2 模擬式直流電壓的測量 67
2.1.3 交流電壓的測量 70
2.1.4 數字電壓表簡介 83
2.1.5 數字多用表 86
2.2 積分式直流數字電壓表
［2007年全國大學生電子設計競賽（G題）（高職高專組）］ 91
2.2.1 題目分析 91
2.2.2 方案論證 92
2.2.3 系統硬件與軟件設計 93
2.2.4 系統測試 96
第3章 時域測量儀設計 98
3.1 時域測量儀設計基礎 98
3.1.1 時域測量引論 98
3.1.2 示波管介紹 99
3.1.3 波形顯示原理 103
3.2 簡易數字存儲示波器設計
［2001年全國大學生電子設計競賽（B題）］ 111
3.2.1 題目分析 112
3.2.2 方案論證 114
3.2.3 硬件設計 122
3.2.4 系統測試 125
3.2.5 結論 127
3.3 數字示波器
［2007年全國大學生電子設計競賽（C題）（本科組）］ 128
3.3.1 題目分析 129
3.3.2 系統方案 131
3.3.3 理論分析與計算 134
3.3.4 電路與程序設計 136
3.3.5 測試方案與測試結果 141
第4章 元器件參數測量儀設計 144
4.1 元器件參數測量儀設計基礎 144
4.1.1 概述 144
4.1.2 電阻的測量 147
4.1.3 電感、電容的測量 150
4.1.4 晶體管特性圖示儀 162
4.2 簡易電阻、電容和電感測量儀設計
［1995年全國大學生電子設計競賽（D題）］ 164
4.2.1 電阻、電容和電感測量原理 164
4.2.2 系統設計 167
4.2.3 測量系統誤差的消除 172
4.3 集成運算放大器參數測量儀設計
［2005年全國大學生電子設計競賽（B題）］ 174
4.3.1 集成運算放大器參數測量原理 176
4.3.2 系統設計 178
4.3.3 電路的抗干擾措施及調試 185
第5章 頻域測量儀設計 189
5.1 頻域測量儀設計基礎 189
5.1.1 線性系統幅頻特性的測量 189
5.1.2 頻譜分析儀概述 195
5.1.3 外差式頻譜分析儀 198
5.2 簡易頻率特性測試儀
［2013年全國大學生電子設計競賽試題（E題）］ 203
5.2.1 題目分析 205
5.2.2 方案論證 206
5.2.3 理論分析與計算 207
5.2.4 電路與程序設計 209
5.2.5 測試方案與測試結果 212
5.3 簡易頻譜分析儀設計
［2005年全國大學生電子設計競賽（C題）］ 214
5.3.1 題目分析 216
5.3.2 方案論證 216
5.3.3 系統組成及工作原理 218
5.3.4 硬件設計 219
5.3.5 軟件設計 223
5.3.6 測試結果 224
5.4 音頻信號分析儀
［2007年全國大學生電子設計競賽（A題）（本科組）］ 225
5.4.1 題目分析 227
5.4.2 系統方案 228
5.4.3 理論分析與計算 229
5.4.4 電路與程序設計 232
5.4.5 測試方案與測試結果 234
附錄A：三角波、鋸齒波及方波的傅裡葉級數係數MATLAB仿真 236
5.5 80～100MHz頻譜分析儀
［2015年全國大學生電子設計競賽（本科組）（E題）］ 240
5.5.1 題目分析 241
5.5.2 系統方案 242
5.5.3 理論分析與計算 243
5.5.4 電路與程序設計 245
5.5.5 測試方案與測試結果 250
5.6 遠程幅頻特性測試儀
［2017年全國大學生電子設計競賽（H題）］ 252
5.6.1 題目分析 254
5.6.2 系統方案論證與選擇 255
5.6.3 系統理論分析與硬件電路設計 256
5.6.4 軟件設計 260
5.6.5 測試結果 261
5.6.6 測試結果分析 262
第6章 數據域測試儀設計 263
6.1 數據域測試儀設計基礎 263
6.1.1 數據域測試概述 263
6.1.2 邏輯分析儀的組成原理 270
6.2 簡易邏輯分析儀設計
［2003年全國大學生電子設計競賽（D題）］ 282
6.2.1 題目分析 284
6.2.2 方案論證 284
6.2.3 系統設計與原理框圖 285
6.2.4 電路設計與說明 286
6.2.5 軟件設計 292
6.2.6 系統測試 293
6.2.7 結論 294
第7章 其他測量儀器 295
7.1 直流電動機測速裝置
［2017年全國大學生電子設計競賽（O題）（高職高專組）］ 295
7.1.1 題目分析 296
7.1.2 系統方案 297
7.1.3 系統理論分析與計算 298
7.1.4 硬件電路與程序設計 298
7.2 簡易水情檢測系統
［2017全國大學生電子設計競賽（P題）（高職高專組）］ 301
7.2.1 題目分析 303
7.2.2 系統設計方案 307
7.2.3 系統設計與論證 308
7.2.4 電路與程序設計 308
7.2.5 測試方法、結果及分析 310
7.3 單相用電器分析監測裝置
［2017年全國大學生電子設計競賽（K題）］ 312
7.3.1 題目分析 313
7.3.2 系統方案 315
7.3.3 理論分析與計算 316
7.3.4 電路設計 317
7.3.5 程序設計 319
7.3.6 測試方案與測試結果 319
參考文獻 321
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