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本书是全国大学生电子设计竞赛培训教程第5分册，是依据全国大学生电子设计竞赛的特点和需求编写的。全书分为7章，内容包括时频测量仪设计、电气参数测量仪设计、时域测量仪设计、元器件参数测量仪设计、频域测量仪设计、数据域测试仪设计和其他测量仪器设计。本书内容丰富实用、叙述条理清晰、工程性强，可作为高等学校电子信息类、自动化类、电气类、计算机类专业大学生参加全国及省级电子设计竞赛、课程设计与制作、毕业设计的参考书，也可作为电子工程各类技术人员的参考书。

第1章  时频测量仪设计	001
1.1　时频测量仪设计基础	001
1.1.1　概述	001
1.1.2　电子计数法测量频率	002
1.1.3　电子计数法测量时间	007
1.1.4　通用计数器	013
1.2　低频数字式相位测量仪设计	017
［2003年全国大学生电子设计竞赛（C题）］	017
1.2.1　题目分析	019
1.2.2　方案论证	019
1.2.3　硬件设计	025
1.2.4　软件设计	031
1.2.5　性能测试	034
1.2.6　设计改进	036
1.3  数字频率计	037
［2015年全国大学生电子设计竞赛（F题）（本科组）］	037
1.3.1  题目分析	038
1.3.2  方案论证	039
1.3.3  理论分析与计算	040
1.3.4  电路与程序设计	041
1.3.5  测试方案与测试结果	043
1.3.6  结论	045
1.4  简易数字信号传输性能分析仪	045
［2011年全国大学生电子设计竞赛（E题）］	045
1.4.1  题目分析	047
1.4.2  方案论证	048
1.4.3  系统设计与实现	050
1.4.4  测试方案及结果	056
第2章  电气参数测量仪设计	060
2.1  电气参数测量仪设计基础	060
2.1.1  概述	060
2.1.2  模拟式直流电压的测量	061
2.1.3　交流电压的测量	064
2.1.4　数字电压表简介	075
2.1.5　数字多用表	078
2.2　积分式直流数字电压表	082
［2007年全国大学生电子设计竞赛（G题）（高职高专组）］	082
2.2.1　题目分析	083
2.2.2　方案论证	084
2.2.3　系统硬件与软件设计	085
2.2.4　系统测试	087
第3章  时域测量仪设计	089
3.1　时域测量仪设计基础	089
3.1.1　时域测量引论	089
3.1.2　示波管介绍	090
3.1.3　波形显示原理	093
3.2　简易数字存储示波器设计	100
［2001年全国大学生电子设计竞赛（B题）］	100
3.2.1　题目分析	101
3.2.2　方案论证	102
3.2.3　硬件设计	110
3.2.4　系统测试	113
3.2.5　结论	115
3.3　数字示波器	116
［2007年全国大学生电子设计竞赛（C题）（本科组）］	116
3.3.1　题目分析	117
3.3.2　系统方案	119
3.3.3　理论分析与计算	121
3.3.4　电路与程序设计	123
3.3.5　测试方案与测试结果	128
第4章  元器件参数测量仪设计	131
4.1  元器件参数测量仪设计基础	131
4.1.1  概述	131
4.1.2  电阻的测量	134
4.1.3  电感、电容的测量	136
4.1.4  晶体管特性图示仪	147
4.2  简易电阻、电容和电感测量仪设计	148
［1995年全国大学生电子设计竞赛（D题）］	148
4.2.1  电阻、电容和电感测量原理	149
4.2.2  系统设计	152
4.2.3  测量系统误差的消除	156
4.3  集成运算放大器参数测量仪设计	158
［2005年全国大学生电子设计竞赛（B题）］	158
4.3.1  集成运算放大器参数测量原理	160
4.3.2  系统设计	162
4.3.3  电路的抗干扰措施及调试	168
第5章  频域测量仪设计	172
5.1  频域测量仪设计基础	172
5.1.1  线性系统幅频特性的测量	172
5.1.2  频谱分析仪概述	177
5.1.3  外差式频谱分析仪	180
5.2  简易频率特性测试仪	184
［2013年全国大学生电子设计竞赛试题（E题）］	184
5.2.1  题目分析	186
5.2.2  方案论证	187
5.2.3  理论分析与计算	188
5.2.4  电路与程序设计	189
5.2.5  测试方案与测试结果	193
5.3　简易频谱分析仪设计	195
［2005年全国大学生电子设计竞赛（C题）］	195
5.3.1　题目分析	196
5.3.2　方案论证	196
5.3.3　系统组成及工作原理	198
5.3.4　硬件设计	199
5.3.5　软件设计	202
5.3.6  测试结果	204
5.4  音频信号分析仪	204
［2007年全国大学生电子设计竞赛（A题）（本科组）］	204
5.4.1  题目分析	206
5.4.2  系统方案	207
5.4.3  理论分析与计算	208
5.4.4  电路与程序设计	211
5.4.5  测试方案与测试结果	212
附录A  三角波、锯齿波及方波的傅里叶级数系数MATLAB仿真	215
5.5  信号失真度测量装置	218
［2021年全国大学生电子设计竞赛（A题）（本科组）］	218
5.5.1  题目分析	220
5.5.2　方案论证	221
5.5.3　系统组成及工作原理	222
5.5.4  理论分析与计算	222
5.5.5  电路与程序设计	224
5.5.6  测试方案与测试结果	226
5.6  周期信号波形识别及参数测量装置	227
［2021年全国大学生电子设计竞赛（J题）（高职高专组）］	227
5.6.1  方案论证	228
5.6.2  总体方案设计	229
5.6.3  理论分析与计算	229
5.6.4  电路与程序设计	230
5.6.5  实例	232
5.7  80～100MHz频谱分析仪	237
［2015年全国大学生电子设计竞赛（E题）（本科组）］	237
5.7.1  题目分析	238
5.7.2  系统方案	239
5.7.3  理论分析与计算	240
5.7.4  电路与程序设计	242
5.7.5  测试方案与测试结果	246
5.8  远程幅频特性测试仪	248
［2017年全国大学生电子设计竞赛（H题）］	248
5.8.1  题目分析	249
5.8.2  系统方案论证与选择	251
5.8.3  系统理论分析与硬件电路设计	252
5.8.4  软件设计	255
5.8.5  测试结果	256
5.8.6  测试结果分析	257


第6章  数据域测试仪设计	258
6.1  数据域测试仪设计基础	258
6.1.1  数据域测试概述	258
6.1.2  逻辑分析仪的组成原理	264
6.2  简易逻辑分析仪设计	275
［2003年全国大学生电子设计竞赛（D题）］	275
6.2.1  题目分析	277
6.2.2  方案论证	278
6.2.3  系统设计与原理框图	278
6.2.4  电路设计与说明	279
6.2.5  软件设计	285
6.2.6  系统测试	286
6.2.7  结论	287
第7章  其他测量仪器	288
7.1  直流电动机测速装置	288
［2017年全国大学生电子设计竞赛（O题）（高职高专组）］	288
7.1.1  题目分析	289
7.1.2  系统方案	290
7.1.3  系统理论分析与计算	291
7.1.4  硬件电路与程序设计	291
7.2  简易水情检测系统	294
［2017全国大学生电子设计竞赛（P题）（高职高专组）］	294
7.2.1  题目分析	295
7.2.2  系统设计方案	299
7.2.3  系统设计与论证	300
7.2.4  电路与程序设计	300
7.2.5  测试方法、结果及分析	302
7.3  单相用电器分析监测装置	304
［2017年全国大学生电子设计竞赛（K题）］	304
7.3.1  题目分析	305
7.3.2  系统方案	308
7.3.3  理论分析与计算	308
7.3.4  电路设计	309
7.3.5  程序设计	311
7.3.6  测试方案与测试结果	312
7.4  用电器分析识别装置	313
［2021年全国大学生电子设计竞赛（H题）（本科组）]	313
7.4.1  题目分析	314
7.4.2  系统方案	315
7.4.3  理论分析与计算	317
7.4.4  系统软硬件设计	318
7.4.5  测试方案与测试结果	321
7.5  线路负载及故障检测装置	322
［2019年全国大学生电子设计竞赛C题］（本科组）]	322
7.5.1  题目分析	324
7.5.2  实例	328
7.6  基于互联网的摄像测量系统	334
［2021年全国大学生电子设计竞赛（D题）］	334
7.6.1  题目分析	336
7.6.2  系统方案分析	336
7.6.3  理论分析与计算	337
7.6.4  电路设计	339
7.6.5  程序设计	339
7.6.6  测试方案与测试结果	341

前言
全国大学生电子设计竞赛是由教育部高等教育司、工业和信息化部人事教育司共同主办的面向全国高等学校本科、专科学生的一项群众性科技活动，其目的在于推动普通高等学校在教学中培养大学生创新意识、协作精神和理论联系实际的能力，加强学生工程实践能力的训练和培养；鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，把主要精力吸引到学习和能力培养上来，促进高等学校形成良好的学习风气，同时，也为优秀人才脱颖而出创造条件。
全国大学生电子设计竞赛自1994年至今已成功举办15届，深受全国大学生的欢迎和喜爱，参赛学校、参赛队和参赛学生逐年增加。对参赛学生而言，电子设计竞赛和赛前系列培训，促使他们获得了电子综合设计能力，巩固了所学知识，并培养了他们用所学理论指导实践、团结一致、协同作战的综合素质；通过参加竞赛，参赛学生可以发现学习过程中的不足，找到努力的方向，为毕业后从事专业技术工作打下更好的基础，为将来就业做好准备。对指导教师而言，电子设计竞赛是新、奇、特设计思路的充分展示，更是各高等学校之间电子技术教学、科研水平的检验，通过参加竞赛，可以找到教学中的不足之处。对各高等学校而言，全国大学生电子设计竞赛现已成为学校评估不可缺少的项目之一，参与这种全国大赛是提高学校整体教学水平、改进教学的一种好方法。
全国大学生电子设计竞赛只在单数年份举办，但近年来，许多地区、省市在双数年份也单独举办地区性或省内电子设计竞赛，许多学校甚至每年举办多次各种电子竞赛，其目的在于通过这类电子大赛，让更多的学生受益。
为了组织好这项赛事，全国大学生电子设计竞赛组委会于2005年编写了《全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2005）》。为落实好立德树人根本任务，我们在全国大学生电子设计竞赛组委会的支持下，从2007年开始至今，编写了“全国大学生电子设计竞赛培训教程”（共22册），培训教程深受参赛学生和指导教师的欢迎和喜爱。
据不完全统计，这一系列教程出版发行后，被数百所高校采用，作为全国大学生电子设计竞赛及各类电子设计竞赛培训的主要教材或参考教材。读者纷纷来信来电表示这套教材写得很成功、很实用，同时也提出了许多宝贵意见。基于这种情况，我们对此系列教程进行整编。新编写的5本系列教材包括《基本技能训练与综合测评》《模拟电子线路与电源设计》《数字系统与自动控制系统设计》《高频电子线路与通信系统设计》和《电子仪器仪表与测量系统设计》。
《电子仪器仪表与测量系统设计》是新编系列教材的第5分册。全书共7章，第1章介绍时频测量仪设计，第2章介绍电气参数测量仪设计，第3章介绍时域测量仪设计，第4章介绍元器件参数测量仪设计，第5章介绍频域测量仪设计，第6章介绍数据域测试仪设计，第7章介绍其他测量仪器设计。本书收集整理了历届关于电子仪器仪表和测量系统设计方面的竞赛试题22道，并将它们归类为7章。
本书由李楠、熊跃军任主编，程江华、刘通任副主编。在编写过程中，得到了电子科技大学赵禛、王希晗、杨文杰等同学，武汉理工大学张嘉明、岳志飞等同学，湖南工程学院匡曦、吴刚强、姚术等同学，中北大学陈云美、赵学智等同学的支持，以及得到了国防科技大学电子技术教学团队和电子科学与技术实验中心各位同事的帮助与指导，在此一并表示感谢。
由于水平有限，书中难免存在疏漏和不足，欢迎广大读者和同行批评指正。 

编  者

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全国大学生电子设计竞赛培训教程第5分册——电子仪器仪表与测量系统设计（第2版）