智能仪器复习提纲2.docx

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智能仪器复习提纲2

1.单片机接口电路中上拉电阻和下拉电阻的作用；

上拉电阻使端口电平为高，下拉电阻使端口电平为低，同时起限流作用，保护负载。

同时可以增强驱动能力和抗干扰能力。

2.多通道数据采集系统的3种不同结构形式及应用场合；

当被测信号有多路时采用多通道结构；

分为并行结构和共享结构；多通道并行结构常用于模拟信号频率很高且各路必须同步采样的高转换速率系统；多通道共享结构分为共享S/H和A/D和共享AD，当各路模拟输入信号不需要同时获取时可共享S/H和A/D，当各路模拟输入信号需要同时采样时，可共享A/D

3.输入通道和输出通道的故障自检方法？

输入通道：

变送器部分的自检：

若变送器内部或接线盒端子短路，Vin为24V，此时ADC转换的数字量为满量程（即数字量最大）；若变送器内部或接线盒端子开路，Vin为0V，此时ADC转换的数字量为最小（通常为零）。

ADC部分的自检：

将参考电源接至A/D转换器的输入端，启动测量，将此次采样结果再同ROM中的预定值加以比较，若误差在许可范围内，则AD转换器正常，否则可以判定AD转换器出现故障。

变送器与ADC连接图

输出通道：

采用间接参数判断法：

指根据模拟量输入通道的采样值的变化情况来判断模拟量输出通道或开关量输出通道是否正常。

4.单片机常通过继电器驱动大电流负载，驱动电路原理及保护措施是什么？

使用固态继电器驱动大电流负载。

直流型主要用于直流大功率控制场合；交流型主要用于交流大功率控制场合，又分为：

过零型和非过零型，过零型交流型固态继电器对交流负载的通/断控制与负载电源电压的相位有关，在输入信号有效后，必须在负载电源电压过零时才能接通输出端的负载电源，当输入端的控制信号撤销后，必须等到交流负载电源电压的过零时刻才能关断输出端的负载电源。

非过零型交流型固态继电器对交流负载的通/断控制与负载电源电压的相位无关，在输入信号有效时，负载端电源立即接通。

交流型SSR的工作原理如图2.84所示，它是一种四端器件，A和B是输入端，C和D是输出端。

工作时只要在A、B端加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能。

图2.84交流型SSR工作原理框图

图中的部件①-④构成交流SSR的主体，光电耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的联系，以防止输出端对输入端的影响；触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路④工作；开关电路一般用双向可控硅来实现；

为了防止开关管产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，并且使开关电路导通的瞬间电流不至于太大而损坏开关管，特设过零控制电路，使触发信号在交流负载的过零点控制开关管的通断。

吸收电路可防止从电源中传来的尖峰、浪涌电压对开关器件的冲击和干扰。

直流型的SSR工作原理框图如图2.85所示，无过零控制电路，开关器件一般用大功率开关三极管，工作原理与交流型的SSR相比大致相同。

不再赘述。

图2.85直流型的SSR工作原理框图

5.显示精度与什么因素有关？

如何确定各量程的显示精度？

6.标度变换的作用、方法及计算公式；

分为线性标度变换和非线性变换；线性变换公式为AX=（Am-A0）

+A0

其中A0为仪表的下限，Am为上限，AX为实际测量值，N0为A0对应的数字量，Nm为Am对应的数字量。

课本例题：

在某压力测量系统中，压力测量仪表的量程为400~1200Pa

采用8位A/D转换器，经计算机采样及数字滤波后的数字量为ABH，求此时的压力值。

（P163）

解：

AX=（1200-400）×174/255+400=936（PA）

其他例题：

温度控制系统中温度控制范围为30~42，采用四位数码管显示，显示精度0.05。

温度传感器在30~42范围内线性良好，经放大调理后进行八位A/D转换，温度y与转换结果x之间的关系为y=0.05x+30。

即温度为30时转换结果为0（00H），温度为31时转换结果为20（x=14H）。

写标度变换的定点算法子程序。

解：

ADCDATA30H；温度采样值

WDHDATA31H；温度显示值整数（BCD码）

WDLDATA32H；温度显示值小数（BCD码）

BDBH：

MOVA，ADC；取温度采样值

MOVB，#20；每度采样值为20

DIVAB；求整数部分

MOVWDL，B；暂存余数

ADDA，#30；整数部分加基数30

LCALLHBCD；转换为BCD码

MOVWDH，A；保存整数部分

MOVA，WDL；取余数部分

MOVB，#5；每个采样值相当于0.05

MULAB；计算小数部分

LCALLHBCD；转换为BCD码

MOVWDL，A；保存小数部分

RET

7.零点误差和增益误差自动校正的原理、作用及计算公式的推导；

零点误差：

将校准源零输出接到多用表的输入端，进入零点校准模式，此时多用表将选定功能的某一量程上的零点漂移测出并存入校准存储器，正常测量时，只要从存储器中提取此参数，并从读数中减去就得到了修正。

电路还暂时未找到

增益误差：

微处理器通过输出口控制使仪器输入端接地，启动一次测量得到测量值N0，此值便是仪器衰减器、放大器、A／D转换器等模拟部件所产生的零位输出值N0。

微处理器通过输出口又控制输入接基准电压VR，测得输出数据为NR，将N0、NR存入RAM的确定单元中；

使仪器输入端接被测信号Vx，此时的测量值为Nx，则测量结果为：

此为电路图

8.如何计算电压表能显示的最小电压值？

；

确定两组输入x和输出y，求解y=ax+b中的参数b即为所求的最小电压

9.相位测量原理及测量方法？

软件分析法

假如被测信号是不含直流分量的标准的正弦波X1和X2，用同步采样的方法将两路信号量化，对其进行分析，求得X1的两个同类过零点、求得X2的一个同类过零点（这里同类过零点是指都是由正到负或都是由负到正的过零点），由采样频率和采样点数通过X1的两个同类过零点求得信号的周期T，通过X1的过零点与X2的过零点之间的时间差ΔT。

这种方法是借助数据采集来完成的，其精度受采样点数和采样频率的限制，但在需要同步采样的场合可以兼而求得，如图3.5b为一种对相位信号进行检测的采集电路，图中SHA为采样保持放大器，AD为A/D转换器，μP为微处理器。

过零比较器法

设X1、X2为不含直流分量得正弦波或三角波，将X1、X2分别经过两个过零比较器变为方波，利用两个方波的上升沿或下降沿的时间差和其中一个方波的周期可求得相位，算法如上。

用中断法通过过零比较器输出的下降沿求相位的电路，所采用运算放大器无特殊要求.

这里要求单片机内部定时器的计数频率与被测信号频率相比足够高，例如相位测试分辨率为0.1º，定时器的时钟频率应为被测信号频率的3600倍。

10.仪用放大器、程控增益放大器和隔离放大器的各自何特点及应用

程控放大器：

在通用测量仪器中，为了适应不同的工作条件，在整个测量范围内获得合适的分辨率，提高测量精度，常采用可变增益放大器。

智能仪器含有微处理器，用仪器内置的程序控制放大器的增益称为程控增益放大器（Programmable-GainAmplifer），简称程控放大器（PGA）。

分类：

程控反相放大器、程控同相放大器等

仪用放大器：

在智能仪器中，常常需要精确放大带有一定共模干扰的微弱的差模信号，要求放大电路输入阻抗和共模抑制比高、误差小、稳定性好。

这种用来放大传感器输出的微弱电压或电流信号的放大电路称为仪用放大电路（测量放大电路）。

隔离放大器：

隔离放大器（IsolationAmplifier）输出端和输入端各自具有不同的电位参考点、即输入端和输出端没有直接的电耦合，而是通过光、变压器或电容等耦合元件耦合。

输入端和输出端的绝缘电压一般达1000V以上，绝缘电阻达数十ΜΩ。

因此输入端的干扰不会直接到达输出端，多路通道使用隔离放大器时相互之间不会影响。

当仪器工作环境噪声较大而信号较小时，采用隔离放大器可保护电子仪器设备和人身安全，提高共模抑制比，获得较精确的测量结果。

分为光电耦合、变压器耦合和电容耦合三种。

11.I2C总线传输数据的基本原理；

通过串行数据线SDA（SerialData）和串行时钟线SCL（SerialClock）两根线将多个具有I2C总线接口的器件连到总线上,使信息在I2C器件之间传递。

总线上可以接若干个单片微机和外围器件，每个器件可由唯一的地址确定，总线根据地址识别各器件。

I2C总线根据器件的功能通过软件编程使器件工作于发送或接收方式。

发送或接收可根据数据的传送方向而改变。

在数据传送过程中，必须确认数据传送的开始（启动）和结束（停止）。

开始和结束信号由主器件产生。

开始信号以后，总线被认为处于忙态；结束信号以后，总线被认为处于闲态。

主机发送地址后，系统中的其他器件都将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件。

传送数据时，首先传输数据的最高有效位，主器件在传送每个字节后（包括第一个地址字节）都传送一个应答位，通常接收器件在接收到每个字节后都会做出响应，即释放串行时钟线SCL，使SCL线返回高电平，准备接收下一个数据字节。

如果接收器件正在处理一个实时事件而不能接收数据时，（例如正在处理一个内部中断，在这个中断处理完之前就不能接收）将使SCL保持低电平，迫使发送器件处于等待状态。

当数据传送结束时，由主器件产生一个通信结束条件，即在SCL线为高电平时，SDA产生正跳变。

一次数据传送结束，释放总线，使总线处于空闲状态。

主机只能在总线空闲的时侯启动传输。

例如：

I2C总线上的器件1（主器件）要与器件2通信，包含下面几个步骤：

（1）器件等待总线处于“闲态”，即SDA和SCL处于高电平；

（2）器件1发送开始信号，即SCL高电平期间，SDA发生由高电平到低电平的跳变，使总线处于忙态;总线上的其他器件处于听的状态，查看自己是否被寻址；（4）器件1发送方向位，告诉器件2是发送还是接收数据；（5）器件2发送应答位，表示其是否识别出地址，是否准备好；（6）若器件2准备好，器件1发送/接收数据；每发送一个字节数据后，接收器件发送一个应答位,表示正常；（7）当所有数据传送完成后，器件1发出一位停止信号，即SCL线高电平、SDA线由低电平跳变到高电平，释放总线。

使总线再次处于空闲状态。

12.频率计包含哪几个基本单元及其作用；

13.频率测量的基本原理及测量电路；周期测量的基本原理及测量电路；

图3.11为基本的频率测量电路，适合于测量频率适中的频率量，将被测信号Vf经过放大、衰减、滤波及整形电路后变成一个标准的TTL信号，直接加在微处理器的计数端，用被测脉冲作为时钟触发微处理器内部计数器进行计数，微处理器内部另设一个定时器，在规定的时间根据计数数目，求得被测信号的频率，设规定时间为T0，计数器的计数值为N，则被测信号的频率为f，则：

F=N/T0（Hz）。

当被测信号的频率较高时，如f>20MHZ，有可能单片机的速度不能支持计数器正常工作，此时可采用图3.12电路，将被测信号经过一个针对高频信号设计的放大、衰减、滤波及整形电路后，先进入一个高速分频器（如10分频）后在进入单片机计数端，选择合适得分频数可处理较高的频率信号。

14.对给定的频率信号，选择测频还是测周的依据是什么？

低频测周期，高频测频率。

无论要得到频率值还是周期值，都可以遵循高频则测频率，低频则测周期的原则，这样做的结果是不管被测信号在什么频段内都可以达到要求的测量精度

15.硬件可靠性设计有哪些方法？

软件可靠性设计有哪些方法？

硬件可靠性设计：

元器件的选择是根本，合理安装调试是基础，系统设计是手段，外部环境是保证，这是可靠性设计遵循的基本准则，并贯穿于系统设计、安装、运行的全过程。

1.元器件级可靠性措施，包括：

（1）严格管理元器件的购置、储运；

（2）老化、筛选、测试；（3）降额使用；（4）选用集成度高的元器件。

2.部件及系统级的可靠性措施，包括：

（1）冗余技术，冗余技术也称容错技术或故障掩盖技术，它是通过增加完成同一功能的并联备用单元（包括硬件单元或软件单元）数目来提高系统可靠性的一种设计方法；

（2）电磁兼容设计电磁兼容性是指计算机系统在电磁环境中的适应性，即能保持完成规定功能的能力；（3）信息冗余技术；（4）故障自动检测与诊断技术；（5）失效保险

软件可靠性设计：

包括：

1.时间冗余技术2.指令冗余技术3.软件陷阱技术4.看门狗技术

16.干扰产生的原因及分类；抗干扰的主要方法有哪些？

干扰的来源很多，性质也不一样。

干扰窜入仪器的渠道主要有三个：

（1）空间电磁场。

通过电磁波辐射窜入仪器，如雷电、无线电波等。

（2）传输通道。

各种干扰通过仪器的输入输出通道窜入，特别是长传输线受到的干扰更严重。

（3）配电系统。

如来自市电的工频干扰，它可以通过电源变压器分布电容和各种电磁路径对测试系统产生影响。

各种开关、可控硅的启闭，元器件的机械振动等都会对测试过程引起不同程度的干扰。

干扰的特点是来自测试系统外部，因此一般可以通过屏蔽、滤波或电路元器件的合理布局，通过电源线和地线的合理连接，引线的正确走向等措施加以减弱或消除。

干扰的类型通常按干扰产生的原因、干扰传导模式和干扰波形的性质的不同进行划分。

1.按干扰产生的原因分类：

（1）放电干扰:

主要是雷电、静电、电动机的电刷跳动、大功率开关触点断开等放电产生的干扰。

（2）高频振荡干扰:

主要是中弧炉、感应电炉、开关电源、直流-交流变压器等产生高频振荡时形成的干扰。

（3）浪涌干扰:

主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电流、开关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等设备产生涌流引起的干扰。

2.按干扰传导模式分类：

对于传导干扰，按其传导模式分为常模干扰和共模干扰。

3.按干扰波形及性质分类：

这里最为典型的是将干扰划分为持续正弦波和各种形状的脉冲波。

（1）持续正弦波持续正弦波多以频率、幅值等特征值表示。

（2）偶发脉冲电压波形多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲宽度以及能量等特征值表示。

例如雷击波、接点分断电压负载、静电放电等波形。

（3）脉冲列脉冲列多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲序列持续时间等特征值表示，如接点分断电感负载、接地反复重燃过电压等。

抑制干扰的主要技术与措施：

主要包括滤波技术（无源滤波和有源滤波）、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。

（具体情况参照课本）

17．硬件容错设计包括哪些内容？

软件容错设计的主要作用是什么？

冗余技术包括硬件冗余、软件冗余、信息冗余、时间冗余等

硬件冗余是用增加硬件设备的方法，当系统发生故障时，将备份硬件顶替上去，使系统仍能正常工作。

硬件容错技术可从两方面考虑：

一是提高系统的先天素质，即采用可靠的元器件，合理的结构设计等，二是提高系统的后天素质，使系统具有自诊断功能。

软件容错技术：

人机界面的友好性和安全性设计是软件容错设计的主要内容。

主要包括：

操作提示功能设计；数据输入的容错设计；命令输入的容错设计；输出界面的容错设计；安全性设计

18．电阻和电容的检测原理和检测方法;

电阻型信号的检测：

1.恒流法测电阻，测量电阻的最简单的方法是根据欧姆定理利用一个恒定电流通过电阻先变成电压再求之。

图3.15为恒流法测电阻的基本电路，Rx为被测电阻，Ic是已知的恒流源。

图3.16为常见的恒流源产生电路之一，图中Ve为基准电压源，Ro为标准电阻，Tc为流过负载的电流，

2.恒压法测电阻，如图3.17电路所示，设Vref为恒定的电压，R0为标准电阻，则：

3.恒阻法测电阻

如图3.18所示，Ic电流源,先让Ic通过Ro产生电压经A/D转换得Do,再让Ic通过要测电阻Rxi产生电压经A/D转换得Di,设A/D转换的系数为K,即D=KVo，或Vo=D/K,设Voi为Ic流过Rx产生的电压，Voo为Ic流过Ro产生的电压因Ic*Rxi＝Vox，Ic*Ro＝Voo

可见电阻的测试结果与电流源Ic无关而只与标准电阻有关，这是恒阻法测量的一个突出优点，此外该方法测试结果与模拟开关的道通电阻也无关系，而且非常适用于同时检测多个电阻。

4.积分法测电阻

积分法的基本原理是用同一个直流电压、同一电容通过不同的电阻使积分值达到同一值，记录各次积分的时间值，用标准电阻的积分时间和被测电阻的积分时间解算被测电阻值。

事实上积分法也是一种恒阻法。

图3.19为积分电路，其中Ro是标准电阻，Rxi为被测电阻，后面再加上比较器及单片机电路就可以用程序来实现求电阻功能，简化了用电路计算方法实现的电路。

设输入电压为Vr，比较器的参考电压为Vh，计数器的时基为Tc，标准电阻积分时间为T1，计数值为D1，被测电阻积分时间为T2，计数值为D2,则：

电容型信号的检测

1.积分法测电容

积分法求电容的思路和积分法求电阻的思路相同，图3.20为积分器的部分电路

2.相位法测电容

相位法测电容如图3.21，先由微处理器控制D/A变换器产生正弦波Ao，Ao一路通过纯电阻分压电路产生电压信号A1，一路通过被测电容Cx与标准电阻Ro的分压电路产生电压A2,A2与A1之间必产生相位差，设A1的相位为0，A2与A1的相位差为：

由此式通过计算反函数可以求得Cx。

3.频率法测电容

频率法测电容是将电容组成振荡电路,利用振荡频率与电容的关系，通过频率求电容的值。

如图3.22为方案之一，用Cx和运放组成一个方波发生器，通过求振荡周期T或振荡频率f都可以求出电容Cx来。

19．电压和电流信号的检测原理;

电流信号的检测：

电压类信号又可分为直流电压和交流电压两类，比较简便的方法是将直流电压和交流电压分别对待，对直流电压直接处理，对交流电压，依据不同的响应变换为直流电压再进行处理。

电流信号的检测：

1.传统的手动分档测量方法，测量电流的基本原理是将被测电流通过已知电阻（取样电阻），在其两端产生电压，这个电压与被测电流成正比。

图3.3为一种用数字电压表分档测量直流电流的基本电路，该电路将输入电流分为20A、200mA、20mA、2mA四个量程，转换电阻用0.01Ω、0.99Ω、9Ω、90Ω四个电阻串连，将四种量程的电流接入电路的不同点，使得每种量程的电流在满量程时得到的电压都是0.2V（尽量选取数字电压表电压量程的最低档，以便做到尽可能小的电流测量的内阻），从而用0.2V的数字电压表配合不同的显示单位及小数点位置指示被测电流的大小。

这种方法是数字多用表常用的测量方法。

2.自动分档测量方法

在自动测试系统中一般以电流信号的最大值确定所需电阻，如最大值为100mA，A/D的输入最大值为10V，可选电阻为0.1KΩ，如果将自动量程分为四个档位，可用4个25欧的电阻串联，通过模拟开关引出不同的信号，电路如图3.4所示，图中运算放大器起输入缓冲作用。

这种方法对于直流电流和交流电流的测量都适用。

20．三种平均值滤波方法的原理及优缺点各是什么？

算术平均值滤波：

算术平均值滤波就是连续取N个采样值进行算术平均。

其数学表达式为：

式中，N为采样次数，yi为第i次采样值。

显然N越大，结果越准确，但计算时间也越长。

这种滤波方法适用于对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工，但对脉冲性干扰的平滑作用不理想，不宜用于脉冲性干扰较严重的场合。

递推平均值滤波：

把N个测量数据y1、y2．．．、yN看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果作为队尾的yN，而扔掉队首的y1，这样在队列中始终有N个“最新”数据。

计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均，就可以得到新的滤波值，这样，每进行一次测量，就可以计算得到一个新的平均滤波值，其数学表达式：

递推平均滤波法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低;对偶然出现的脉冲干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差，因此它不适用于脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频震荡系统。

加权递推平均值滤波：

为了提高滤波效果，可将各次采样值取不同的比例系数后再相加，这种方法被称为加权平均滤波法。

其运算关系式为

ci为加权系数，对它的选取应满足：

这种滤波方法适用于有较大滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统，对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，缓慢变化的信号，这种方法不能迅速反应系统当前所受干扰的程度，故滤波效果较差

21．如何根据测量数据建立线性插值方程？

线性插值：

从一组数据（xi,yi）中选取两个有代表性的点（x0,y0）和（x1,y1），然后根据插值原理，求出插值方程

Vi=|P1（Xi）－f（Xi）|,i=1,2,…,n–1若在x的全部取值区间[a,b]上始终有Vi＜ε（ε为允许的校正误差），则直线方程P1（x）=a1x+a0就是理想的校正方程。

举例：

0～490℃的镍铬—镍铝热电偶分度表如表5.2。

若允许的校正误差小于3℃，分析能否用直线方程进行非线性校正。

分析：

取A（0,0）和B（20.12,490）两点，按式（4.23）可求得a1=24.245，a0=0，即P1（x）=24.245x，此即为直线校正方程。

显然两端点的误差为0。

通过计算可知最大校正误差在x=11.38mV时，此时P1（x）=275.91。

误差为4.09℃。

另外，在240～360℃范围内校正误差均大3℃。

即用直线方程进行非线性校正不能满足准确度要求。

22．智能仪器内部自动校准的主要内容及原理。

内部自动校准技术利用仪器内部的校准源将各功能、各量程按工作条件调整到最佳状态。

输入偏置电流的自动校准

在仪器输入高端和低端连接一个带有屏蔽的10MΩ电阻盒，输入偏置电流Ib在该电阻上产生电压降，经A/D转换后储存于非易失性校准存储器内，作为输入偏置电流的修正值。

在正常测量时，微处理器根据修正值选出适当的数字量到D/A转换器，经输入偏置电流补偿电路产生补偿电流Ib′，抵消Ib，消除仪器输入偏置电流带来的测量误差。

零点漂移自动校准

将校准源零输出接到多用表的输入端，进入零点校准模式，此时多用表将选定功能的某一量程上的零点漂移测出并存入校准存储器，正常测量时，只要从存储器中提取此参数，并从读数中减去就得到了修正。

增益自动校准

微处理器通过输出口控制使仪器输入端接地，启动一次测量得到测量值N0，此值便是仪器衰减器、放大器、A／D转换器等模拟部件所产生的零位输出值N0。

微处理器通过输出口又控制输入接基准电压VR，测得输出数据为NR，将N0、NR存入RAM的确定单元中；

使仪器输入端接被测信号Vx，此时的测量值为Nx，则测量结果为：

23．防脉冲干扰平均值滤波的原理及编程；

24．触发电平自动调节原理？

触发电平自动调节

输入信号是经过可程控衰减器传输到比较器，而比较器的比较电平（即触发电平）是由微处理器控制、经D／A转换器转换值来设定的。

当经过衰减器的输入信号的幅度达到某一比较电平时，比较器输出将改变状态。

触发检测器将检测到的比较器输出状态送到微处理器，这样就把触发电平测出来了。

25．单片机外部元器件地址的确定方法及读写编程；

26. 简单智能仪器软硬件设计及软件编程。

数据采集系统设计

数据采集系统的一般组成框图如