智能仪器试题及答案Word格式.docx
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D.只能用多种滤波算法试验，由处理效果确定。
4.采样保持器的作用是（
A.提高系统的采样速率
B.保持系统的数据稳定
C.保证在A/D转换期间ADC前的模拟信号保持不变
D.使A/D转换器前信号能跟上模拟信号的变化
5.采集数据中含有脉冲性干扰，信号为直流，则应选择（
）滤波算法。
A.算数平均法
B.加权平均法
C.限幅滤波法
D.去极值平均法
6.在开发USB系统的时候，首要的任务是利用（
）实现设备的枚举过程，提供各种设备信息。
A.中断传输
B.控制传输
C.同步传输
D.批量传输
7．若非编码矩阵键盘的列线外接下拉电阻，该矩阵的扫描码应是（
）。
A．行线输出高电平
B．列线输出高电平
C．行线输出低电平
D．列线输出低电平
8．在智能仪智中，A/D转换的抗干扰技术包括（
A.对差模干扰的抑制
B.对共模干扰的抑制
C.采用软件方法提高A/D抗干扰能力
D.以上三种都包括
9．在进行数字电路的可测试性设计时，下面说法错误的是（
A．设计上应避免“线或”逻辑
B．所有不同相位和频率的时钟都应来自单一主时钟
C．数字电路应设计成主要以异步逻辑电路为基础的电路
D．电路应初始化到一明确的状态，以便确定测试的方法
10．下面（
）调试方式在目标机不存在的情况下也可以进行代码的调试。
A．ROM仿真器
B．在线仿真器
C．片上调试
D．JTAG
三、填空（每空2分，共20分）
1．假设一12位的A/D转换器，其满量程电压为10V，则它的分辨率是_____。
2．某仪器的非线性采用分段线性插值法进行校正，设段数为4，最少需要_____对（Xi，Yi）已知实验数据。
3．利用8片模拟多路开关CD4051设计64路的输入通道。
已知CD4051的漏电流为20nA，开关导通电阻
300Ω，设信号源内阻1000Ω。
则多路开关漏电流和导通电阻产生的误差大小为_____。
如果采用级连方式
连接，则需要多路开关_____片。
用级连方式连接电路产生的误差大小为_____。
4．某智能温度测量仪采用8位ADC，测量范围为10～100℃，仪器采样数据经滤波和非线性校正后的数字量
为0028H。
A0=10℃，Am=100℃，Nm=FFH=255，Nx=28H=40。
则对应的实测温度是_____。
5.设在某数据采集系统中，对正弦信号U=（Umsinωt）/2采样。
采/保的孔径时间tAP=20ns，A/D转换
器的位数为12位，求采样精度达到1LSB的最高信号频率是_____。
若S/H的捕捉时间tAC=3μs，稳定时间
ts=2μs，A/D转换时间tCONV=40μs，输出时间tOUT=4μs则通道的吞吐率是_____。
6．检测直流电压信号由于50Hz工频干扰使测量数据呈现周期性波动。
设采样周期Ts=1ms，采用算数平均滤波算法，
消除工频干扰。
选择平均点数_____。
7．某种仪器100台，工作1000h，假设有2台发生故障，则这种仪器的千小时的可靠率为_____。
四、简要回答下列问题（25分）
1.简述推动智能仪器发展的主要技术。
2.简述智能仪器设计的基本原则。
3.简述USB既插既用机制实现的原理。
4.可靠性是智能仪器中一个重要的技术指标。
请写出智能仪器中常用的提高硬件和软件可靠性的方法。
5.什么是可测试性？
智能仪器设计中引入可测试性设计有什么优缺点？
五、设计题（15分）
试设计一温度检测系统。
要求系统能检测8路温度信号（假设温度传感器的输出信号幅度0~25mV），测试
的温度范围为0~500℃，温度分辨率为0.5℃。
测试的最终结果用LCD显示器或LED显示器显示出来。
对多通
道的测量信号要有自动巡回检测的功能和选择某一通道进行单一测量的功能。
若采用自动巡回检测方式，要求每一
通道每秒钟检测100次。
仪器要具有与其它仪器或微机进行通讯的能力。
画出仪器的硬件框图，并说明每部分的参
数及其选择原则。
（1）根据设计要求，放大器的放大倍数至少应为多少？
（2）A/D转换器至少应选择多少位的？
（3）A/D转换器的速率至少为多少？
（4）根据设计要求，如果选用LED显示器，至少应用几位LED显示？
（5）测试系统与外界的通讯如选用串行通信，你准备选择哪种总线？
它的最远传输距离是多少？
（6）如果系统用89C51单片机做控制器，用字符式LCD显示模块做显示器，请画出图2中单片机与显示模块的
三根控制线RS、R/W和E的接口电路。
这三根控制信号的时序图如图1，它们的功能为：
RS：
寄存器选择输入线。
当其为低电平时，选通指令寄存器；
高电平时选通数据寄存器。
R/W：
读/写信号输入线。
低电平为写入，高电平为读出。
E：
使能信号输入线。
读状态下，高电平有效；
写状态下，下降沿有效。
图1
图2
答案：
一、否、是、否、否、否、否、是、否、否、否
二、B、B、B、C、D、B、A、D、C、B
三、
1．2.4mv
2.5
3.1.6mv，9，0.36mv；
4.24
5．3.888KHz，20.4KHz；
6.20
7.0.98
四、
1．
传感器技术：
信号检测是通过传感器实现的，为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断涌现。
A/D等新器件的发展显著增强了仪器的功能与测量范围。
DSP的广泛应用：
由于DSP芯片是通过硬件来完成上述乘法和加法运算，因此，采用DSP芯片可大大简化具有
此类数字信号处理功能的智能仪器的结构并提高其相应的性能，极大地增强了智能仪器的信号处理能力。
ASIC、FPGA／CPLD技术在智能仪器中的广泛使用：
使仪器的可靠性、成本、速度等方面有提高。
LabVlEW等图形化软件技术。
网络与通信技术：
智能仪器要上网，完成数据传输、远程控制与故障诊断等；
构建网络化测试系统，将分散的各种不同测试设备挂接在网络上，通过网络实现资源、信息共享，协调工作，共同
完成大型复杂系统的测试任务。
2．
从整体到局部（自顶向下）的设计原则：
这种设计原则的含义是，把复杂的、难处理的问题分为若干个较简单、容易
处理的问题，然后在一个个地加以解决。
较高的性能价格比原则：
在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，因为方案简单意味着元器件少，开发、
调试、方便，可靠性高。
组合化与开放式设计原则：
开放系统是指向未来的VLSI开放，在技术上兼顾今天和明天，既从当前实际可能出发，
又留下容纳未来新技术机会的余地；
向系统的不同配套档次开放，为发挥各方面厂商的积极性创造条件；
向用户不断变
化的特殊要求开放，在服务上兼顾通用的基本设计和用户的专用要求等等。
。
3．
即插即用技术包含2个技术层面，既热插拔和自动识别配置。
热插拔的关键技术在于电路接插件插、拔期间强电流的
处理。
USB在电缆以及接插件的设计上充分考虑了这一点，使得这个瞬时的强电流被安全地吸收，从而使USB设备实
现了热插拔。
系统设备的自动识别是通过在USB主机或Hub的下行端口信号线上接有下拉电阻和在设备端的信号线上
连接上拉电阻来实现的。
既当USB主机或Hub的下行端口处于断开状态时，信号线电平将恒为0。
当USB设备连接
上的瞬间，会造成USB主机或Hub端信号线的上冲，这样当USB主机或Hub检测到这个上冲过程，USB主机可认定
有一设备接入。
4．
提高硬件可靠性：
元器件的选择；
筛选；
降额使用；
可靠电路的设计；
冗余设计；
环境设计；
人为因素设计；
仪器可靠
性实验；
提高软件可靠性：
认真地进行规范设计；
可靠的程序设计方法；
程序验证技术；
提高软件设计人员的素质；
消除干扰；
增加试运行时间。
5．
可测试性（Testability）是指产品能够及时准确地确定其自身状态（如可工作，不可工作，性能下降等）和隔离其内
部故障的设计特性。
智能仪器设计中引入可测试性设计的优点
1．提高故障检测的覆盖率；
2．缩短仪器的测试时间；
3．可以对仪器进行层次化的逐级测试：
芯片级、板级、系统级；
4．降低仪器的维护费用；
缺点：
1．额外的软/硬件成本；
2．系统设计时间增加。
五、
放大器的增益200；
ADC的分辨率12位；
12.5ms；
4位
智能仪器课后习题答案
1-1你在学习和生活中，接触、使用或了解了哪些仪器仪表？
它们分别属于哪种类型？
指出他们的共同之处与主要区别。
选择一种仪器，针对其存在的问题或不足，提出改进设想
参考：
就测量仪器而言，按测量各种物理量不同可划分为八种：
几何量计量仪器、热工量计量仪器、机械量计量仪器、时间频率计量仪器、电磁计量仪器、无线电参数测量仪器、光学与声学测量仪器、电离辐射计量仪器。
1-2结合你对智能仪器概念的理解，讨论“智能化”的层次。
P2智能仪器是计算机技术和测量仪器相结合的产物，是含有微型计算机或微处理器的测量（或检测）仪器。
由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用（表现为智能的延伸或加强等），因而被称为智能仪器。
P5-P6智能仪器的四个层次：
聪敏仪器、初级智能仪器、模型化仪器和高级智能仪器。
聪敏仪器类是以电子、传感、测量技术为基础（也可能计算机技术和信号处理技术）。
特点是通过巧妙的设计而获得某一有特色的功能。
初级智能仪器除了应用电子、传感、测量技术外，主要特点是应用了计算机及信号处理技术，这类仪器已具有了拟人的记忆、存储、运算、判断、简单决策等功能。
模型化仪器是在初级智能仪器的基础上应用了建模技术和方法，这类仪器可对被测对象状态或行为作出评估，可以建立对环境、干扰、仪器参数变化作出自适应反映的数学模型，并对测量误差（静态或动态误差）进行补偿。
高级智能仪器是智能仪器的最高级别，这类仪器多运用模糊判断、容错技术、传感融合、人工智能、专家系统等技术。
有较强的自适应、自学习、自组织、自决策、自推理能力。
1-3仪器仪表的重要性体现在哪些方面？
P3-5
（1）仪器及检测技术已经成为促进当代生产的主流环节，仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一
（2）先进的科学仪器设备既是知识创新和技术创新的前提，也是创新研究的主题内容之一和创新成就得重要体现形式，科学仪器的创新是知识创新和及时创新的组成部分。
（3）仪器是信息的源头技术
总之，科学仪器作为认识世界的工具，是国民经济的“倍增器”、科学研究的“先行官”、现代战争的“战斗力”、法庭审判的“物化法官”，其应用遍及“农轻重、陆海空、吃穿用”。
1-4简述推动智能仪器发展的主要技术。
P8
（1）传感器技术
（2）A/D等新器件的发展将显著增强仪器的功能与测量范围（3）单片机与DSP的广泛应用（4）嵌入式系统和片上系统（SOC）将使智能仪器的设计提升到一个新阶段（5）ASIC、FPGA/CPLD即使在智能仪器中广泛使用（6）LabVIEW等图形化软件技术（7）网络与通信技术
1-5学过的哪些课程为智能仪器设计奠定基础，回顾其主要内容。
1-6智能仪器有哪几种结构形式？
对其做简要描述。
P6
从智能仪器的发展状况看来，其结构有两种基本类型，即微机内嵌式和微机扩展式。
微机内嵌式智能仪器是将单片或多片的微处理器与仪器有机的结合在一起形成的单机。
（微处理器在其中起控制和数据处理作用。
其特点主要是：
专用或多功能；
采用小型化、便携或手持式结构；
干电池供电；
易于密封，适应恶劣环境，成本较低。
微机扩展式智能仪器是以个人计算机（PC）为核心的应用扩展型测量仪器。
（PCI的优点是使用灵活、应用范围广，可以方便的利用PC已有的磁盘、打印机及绘图仪器等获取硬拷贝。
PC数据处理功能强、内存容量大，因而PCI可以用于复杂的、高性能的信息处理。
1-7智能仪器设计是采用FPGA/CPLD有哪些优点？
P12
FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，他们除了ASIC的特点之外，还有以下优点：
（1）随着VLSI工艺的不断提高，FPGA/CPLD的规模也越来越大，所能实现的功能越来越强可以实现系统集成；
（2）FPGA/CPLD的资金投入小，研制开发费用低；
（3）FPGA/CPLD可反复的编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的EPROM就可实现不同的功能；
（4）FPGA/CPLD芯片电路的实际周期短；
（5）FPGA/CPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计。
FPGA/CPLD适合于正向设计，对知识产权保护有利。
1-8为什么说嵌入式系统与片上系统（SOC）将使智能仪器的设计提升到一个新阶段？
P11
（1）嵌入式系统的深入发展将是智能仪器的设计提升到一个新的阶段，尤其是能运行操作系统的嵌入式系统平台，由于它具备多任务、网络支持、图形窗口、文件和目标管理等功能，并具有大量的应用程序接口（API），将会使研制复杂智能仪器变得容易；
（2）在片上系统设计中，设计者面对的不再是电路芯片而是根据所设计系统的固件特性和功能要求，选择相应得单片机CPU内核和成熟化的IP内核模块，消除了器件信息故障，加快了设计速度，片上系统将使系统设计发生革命性的变化。
2-1数据采集系统主要实现哪些基本功能？
P15
智能仪器的数据采集系统简称DAS，是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。
2-2简述数据采集系统的基本结构形式，并比较其特点。
P15-16
（1）集中采集式：
a分时采集型特点：
多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，简化了电路结构，降低了成本。
（但对信号的采集式由模拟多路切换器即多路转换开关分时切换、轮流选通的，因而相邻两路信号在时间上是依次被采集的，不能获得同一时刻的数据，这样就产生了时间偏斜误差。
b同步采集型特点：
在多路转换开关之前给每路信号通路各加一个采样保持器，使多路信号的采样在同一时刻进行，即同步采样。
（然后由各自的保持器保持着采样信号的幅值，等待多路转换开关分时切换进入公用的A/D电路将保持的采样幅值转换成数据输入主机。
这样可以消除分时采集型结构的时间偏斜误差，这种结构既能满足同步采集的要求，又比较简单。
不足之处：
在被测信号路数较多的情况下，同步采得的信号在保持器中保持的时间会加长，而保持器会有一些泄露，是信号有所衰减。
（2）分散采集式：
每一路信号一般都有一个S/H和A/D，不再需要模拟多路转换器MNX。
（每一个S/H和A/D之对本路信号进行模数转换即数据采集，采集的数据按一定的顺序或随机地输入计算机，根据采集系统中计算机控制结构的差异可以分为分布式单机采集系统和网络式采集系统。
2-3采样周期与那些因素有关，如何选择采样周期？
2-4为什么要在数据采集系统中使用测量放大器？
P19
由于电路内有这样或那样的噪声源存在，是的电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。
把电路输出端测得的噪声有效值
折算到改电路的输入端即除以该电路的增益
，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声
，即
。
如果在高电路输入端的信号幅度
小到比该电路的
还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。
为了不使小信号被淹没，就必须在该电路前面加一级放大器。
2-6在设计数据采集系统式，选择模拟多路开关要考虑的主要因素是什么？
2-7能否说一个带有采样保持器的数据采集系统的采样频率可以不受限制？
为什么？
P46不能说带有采样保持器的数据采集系统的采样频率可以不受限制。
因为在A/D转换器在进行转换时需要一定的时间，在这个转换时间内，被转换的模拟量应基本保持不变，否则转换精度没有保证，甚至根本失去看转换的意义。
所以转换时间
制约着转换信号的最高频率。
（式1），进而影响数据采集系统的采样频率
在A/D之前加上采样/保持器后
（式2），
为孔径时间。
由于
，所以由式2限定的信号频率远远高于式1限定的频率，采样/保持器扩展了被转换信号的范围，进而扩展了采样频率，但仍受
的限制，不能无限增大。
2-8在为一个数据采集系统选择微机时，主要考虑哪些因素？
（1）系统的通过速率，即系统速率、传输速率、采样速率或吞吐速率（单位时间内系统对模拟信号的采集次数）
（2）系统的分辨率，即数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量
（3）系统的精度，当系统工作在额定速率下，系统采集的数值和实际值的差尽量要小
2-10如果一个数据采集系统，要求有1%级精度性能指标，在设计该数据采集系统时，怎样选择系统的各个元器件？
P55
通常传感器和信号放大电路所占的误差比例最大，其他各环节如采样/保持器和A/D转换器等误差，可以按选择元器件精度的一般规则和具体情况而定，选择元器件精度的一般规则是：
每一个元器件的精度指标应该优于系统规定的某一最严格的性能指标的10倍左右。
所以此题中传感器和信号放大电路的总误差可分配成0.9%，A/D转换器和S/H器和多路模拟开关分配0.1%，且每个组件的误差应不大于0.01%。
2-11一个带有采样/保持器的数据采集系统，其采样频率
试问系统的采样频率是否太高？
P47
，故系统的采样频率不高
2-12数据采集系统的组成P15
2-13信号调理电路的组成P17
3-1键盘有哪几种组成方式？
各自有何特点？
按键去抖有哪几种方法？
键盘的组成方式及特点P60-P63
（1）非编码键盘包括独立连接式非编码键盘（结构简单，但当键数较多时，就要占用多个接口）和矩阵式非编码键盘（可以减少键盘接口）。
非编码键盘处理软件复杂，硬件简单。
（2）编码键盘由硬件来识别键闭合、释放状态，由硬件消除键抖动影响以及实现一些保护措施的方法，可以节省CPU相当多的时间。
这种键盘处理软件简单，但硬件较复杂。
按键去抖动的方法：
硬件方法和软件方法。
通常在键的个数较少时可采取硬件措施，即用R-S触发器或单稳态电路来消除按键抖动。
键数较多时，常用软件反弹跳，及采用软件延时法。
3-2键盘接口主要解决哪些问题？
P60
（1）决定是否有键按下
（2）如果有键按下，决定是哪一个键被按下
（3）确定被按键的读书
（4）反弹跳-按键抖动的消除
（5）不管一次按键持续的时间多长，仅采样一个数据
（6）处理同时按键，即同时又一个以上的按键情况
3-4LCD有那两种常用的驱动方式？
说明一种驱动方式的工作原理。
P65图3-8
（1）静态驱动方式
A端接交变的方波信号，B端接控制该段显示状态的信号。
从图中可以看出，当该段两个电极上的电压相同时，电极间的相对电压为0.，该段不显示；
当两极上的电压相位相反时，两电极间的相对电压为两倍幅值的方波电压，该段显示，即呈黑色显示状态。
（2）
迭加驱动方式（时分割驱动法）
3-5试述当前集中常见触摸屏的工作原理。
P81-P82
（1）电阻式触摸屏电阻式触摸屏的主要部分是一块玉显示器表面紧密配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层叫ITO的透明导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮得塑料层，她的内表面也涂有一层导电层，在两层导电层之间有许多细小的透明隔离点把他们隔开绝缘。
当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了一个结束，控制器检测到这个接通点并计算出X、Y轴的位置，这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。
（2）红外线式触摸屏红外线式触摸屏以光束阻断技术为基础，不需要在原来的显示器表面覆盖任何材料，而是在显示屏幕四周安放一个光点距架框，在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线组成的栅格。
当有任何物体进入这个栅格的时候，就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，在红外线探测器上会收到变化的信号，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置，经由控制器将触摸的位置坐标传递给操作系统。
（3）电容式触摸屏把人体当作一个电容元件的电极使用，是利用人体的电流感应进行工作的。
电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏。
当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，当用户和触摸屏表面耦合出足够量的电容时，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流，这个电流分别从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这4个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置，
（4）表面声波式触摸屏通过屏幕纵向和横向边缘的压电换能器发射超声波来实现。
在各自对面的边缘装有超声波传感器，屏幕表面形成纵横交错的超声波栅格。
当收获触摸笔接近屏幕表面，接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口的位置既是触摸坐标。
3-6什么是同步通信
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