智能仪器与虚拟仪器仪表复习题.docx
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智能仪器与虚拟仪器仪表复习题
传感器
温度传感器常采用了热敏电阻，一般用半导体材料做成，可以分为负温度系数热敏电阻NTC和正温度系数热敏电阻PTC，临界温度系数热敏电阻三种。
NTC和PTC的特征曲线如图
热敏电阻全桥电路分析
R2用作加热电阻，R3为负温度系数热敏电阻NTC，用来检测加热温度的变化，R3、R4、R5、R6组成全桥电路，当J1的1-2端、J2的1-2端断开时，则桥路后面的精密仪器放大器的输入电压为0，此时可以通过调节电位器RW对放大电路进行调0；当J1的1-2端、J2的1-2端接通时，则桥路的输出电压信号经放大调理电路放大，从而在Uo的输出端得到随加热温度变化而变化的电压信号。
D2hed3是稳定0漂。
区分三种电桥的特点全桥好
单臂电桥
半桥
全桥性能实验
霍尔传感器
开关型霍尔传感器和模拟量霍尔传感器，开关型霍尔传感器当磁钢（磁铁）转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平。
原件为三个引脚：
小瓷片靠近霍尔元件的正面，霍尔元件传感器输出低电平。
光电传感器
光电式传感器传感器有反射型和透射型两种，透射型的传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光源通过转盘上开的孔透射后由光电二极管接受转换成电信号，在转盘上有孔，转动时将获得与转速及孔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理即可得到转速值。
反射型的发光管和光电管是做在一起的。
模拟多路开关如图功能
MPC508（U1）为8通道多路开关：
INn（n=1～8）为8通道模拟量输入端，A0、A1、A2为通道选择控制端，EN为使能端，它们之间的关系见真值表8-1所示。
要访问MPC508多路开关，
可编程增益放大器
AD526（U2）为可编程增益放大器
A2、A1、A0、B四端为控制增益的代码输入端，
、
为使能端，VIN端为信号输入端，VOUT端为信号输出端，它们之间的关系见真值表9-1，通过编程可以很方便的设置1、2、4、8、16不同的增益。
表9-1
A/D转换
AD774B（U5）为12位逐次逼近型快速A/D转换器，其转换速度最大为8μS，其引脚图10-1及主要功能说明如下：
：
数字逻辑部分电源+5V
12/
：
数据输出格式选择信号引脚。
当12/
=1（+5V）时，双字节输出，即12位数据同时有效输出，当12/
=0（0V）时，为单字节输出，即只有高8位或低4位有效。
：
片选信号端，低电平有效。
：
字节选择控制线。
R/
：
读数据/转换控制信号，当R/
=1，ADC转换结果的数据允许被读出；当R/
=0时，则允许启动A/D转换。
CE：
启动转换信号，高电平有效。
、
：
模拟部分供电的正电源和负电源，为
或
。
REFOUT：
10V内部参考电压输出端
REFIN：
内部解码网络所需参考电压输入端
REFOFF：
补偿调整。
接至正负可调的分压网络，以调整ADC输出的零点。
10
、10
：
模拟量10V，20V量程的输入端口，信号的一端接至AG引脚。
DGND：
数字公共端（数字地）
AGND：
模拟公共端（模拟地）
～
：
数字量输出
STS：
输出状态信号引脚。
转换开始时，STS达到高电平，转换过程中保持高电平。
转换完成时返回到低电平。
STS可以作为状态信息被CPU查询，也可以用它的下降沿向CPU发中断申请，通知A/D转换已完成，CPU可以读取转换结果。
2、当A/D转换结束后，先能读入A/D转换后的12位数据中的低8位；后读入A/D转换后的12位数据中的高4位。
D/A转换实验
模拟量的输入端：
13、14脚
DB0~DB11连接单片机。
例题
AD7541A（U4）为12位D/A转换器，主要功能说明如下：
BIT1～BIT12：
12位数字量输入端
OUT1：
D/A转换电流输出1。
当DAC的BIT1～BIT12全为1时，输出电流最大，全为0时输出0；
OUT2：
D/A转换电流输出2。
OUT1与OUT2输出端电流之和为一常数。
IN：
参考电压输入端
：
反馈电阻输入
表11-1图11-1
数码管静态动态显示
液晶显示器的种类：
字符屏、汉字屏（带字库与不带字库）、单色、多色
键盘
键查询子程序流程框图
RS232通信
单片机串行口经MAX232器件进行电平转换后，与PC机串行口相连。
PC机使用串口调试应用软件：
串口调试.exe,实现上位机与下位机的通信。
MAX232PC机PS232电平转为UA
RS485通信
单片机串行口经MAX485器件进行电平转换后，再经过“RS485到RS232转换器”与PC机串行口相连。
直流电机转速
直流电机在应用中有多种控制方式，对直流电机的驱动控制主要采用电枢控制驱动：
即控制加在电枢两端电压的大小变化,以控制电机的转速大小。
由PWM信号形成器与晶体管功率放大器电路；由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号进行转速测量。
Pwm脉冲电信号
直流数字电压表实验
主程序流程框图T1定时中断子程序流程框图
温度测量（传感器为热敏电阻）
主程序流程框图T0定时中断子程序流程框图
数据采集卡
1．数据采集卡的组成
（1）多路开关
多路开关将各路被测信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。
（2）放大器
放大器将前一级多路开关切换进入待采集信号放大（或衰减）至采样环节的量程范围内。
通常，实际系统中放大器做成增益可调的放大器，设计者可根据输入信号幅值的不同，选择不同的增益倍数。
（3）采样/保持器
采样/保持器取出被测信号在某一瞬时的值（即信号的时间离散化）并在A/D转换过程中保持信号不变。
（4）A/D转换器
A/D转换器将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。
一般来讲，通常将采样/保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。
（5）D/A转换器
D/A转换器将计算机输出的数字量转化为模拟量输出。
（6）I/O口
一般数据采集卡都集成了数字量输入端和数字量输出端。
2．数据采集卡的性能指标
（1）模拟信号输入部分
①模拟输入通道数
该参数表明数据采集卡所能采集的最多的信号路数。
②信号的输入方式
被测信号的输入方式有：
·单端输入：
即信号的其中一个端子接地。
·差动输入：
即信号两端均浮地。
·单极性：
信号幅值范围为0～A，A为信号最大幅值。
·双极性：
信号幅值范围为－A～＋A。
一般的数据采集卡都设有信号输入方式参数的选择和设置，设计者可根据实际需要进行选择。
③模拟信号的输入范围
根据信号输入方式的不同（单极性输入或双极性输入），有不同的输入范围。
如对单极性输入，典型值为0～10V；对双极性输入，典型值为－5V～+5V。
④放大器增益
放大器增益是采集卡固有参数，可以由设计者设置。
⑤模拟输入阻抗
模拟输入阻抗是采集卡固有参数，一般步由设计者设置。
2．A/D转换部分
（1）采样速率
采样速率是指在单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数，是数据采集卡的重要技术指标。
由采样定理，为了使采样后输出的离散时间序列信号能无失真地复原输入信号，必须使采样频率fs至少为输入信号最高有效频率fmax的两倍，否则会出现频率混乱误差。
实际系统中，为了保证数据采集精度，一般由下列关系：
=（7～10）
×N
式中：
N为多通道数采系统的通道数；fs为采样频率；fmax为信号最高有效频率。
（2）位数
位数是指A/D转换器输出二进制的位数。
当输入电压由0V增至满量程U=UH时，一个12位（b=12）A/D的数字输出由12个“0”变为12个“1”，共计变化2
个状态，故A/D转换器产生一个最低有效位数字量的输出改变值，相应的输入量Umin=1/LSB=q可由下式计算：
1LSB=q=
式中：
q为量化值；UH≧A，为满量程输入电压，通常等于A/D转换器的电源电压。
（3）分辨率和分辨力
这两项指标数据采集卡可分辨的输入信号最小变化量。
分辨率一般以A/D转换器输出的二进制或BCD码位数表示，分辨力为1LSB（最低有效位数）。
（4）精度
精度一般用量化误差表示。
量化误差e为
LSB：
|e|=
LSB=
q=
3．D/A转换部分
（1）分辨率
分辨率是指当输入数字发生单位数码变化即1LSB时，所对应输出模拟量的变化量，通常用D/A转换器的转换位数b表示。
（2）标称满量程
标称满量程相当于数字量标称值2
的模拟量。
（3）响应时间
数字量化后，输出模拟量稳定到相应数值范围内（）所经历的时间称为响应时间。
虚拟仪器
虚拟仪器由三大功能块组成：
信号的采集、数据的处理、结果的输出，所以可以按照“信号的调理与采集——数据的分析和处理——结果的输出及显示”的结构模式来建立。
1．信号的调理和采集功能
对被测信号进行调理和采集是虚拟仪器的基本功能，此项功能主要是由虚拟仪器的硬件平台完成，本实验台提供三个工业上使用的高精度传感器。
名称
精度等级
输入标称值
输出标称值
响应时间
直流电压传感器
50V
5V
15μS
交流电压传感器
500V
15μS
交流电流传感器
5A
1V
15μS
为了使所有传感器输出一致，交流电压传感器和交流电流传感器在电路上增加了一级运放电路，使输出为5V（在出厂前已调好）。
2．数据分析和处理功能
虚拟仪器通过软件实现对输入信号的分析处理，如数字滤波、统计处理、数值计算、信号分析、数据压缩等数字信号处理。
本实验台提供数据采集卡支持LabVIEW、VB、VC等虚拟仪器软件开发平台。
3．结果的输出及显示
此项设计应考虑界面友好美观，操作方便。
4．虚拟仪器的软件设计过程
虚拟仪器程序设计主要包括前面板的设计、软件源程序的设计以及程序的调试。
（1）前面板设计：
因为用户使用虚拟仪器时所观察到的就是前面板，并在前面板中执行对仪器的操作，所以应根据实际中的仪器面板以及该虚拟仪器所要实现的功能来设计前面板。
（2）软件源程序的设计：
设计好前面板后，虚拟仪器还不能正常工作，只有在创建了软件源程序以后程序才能真正运行。
（3）程序的调试：
当前面板和源程序设计好以后，程序执行过程中可能会遇到很多方面的错误，因此要对程序进行调试。
5．虚拟仪器的软件设计思路
一般的虚拟仪器设计流程为：
开始→数据采集→数据处理→数据显示→结束。
（1）数据采集
当用数据采集卡测量模拟信号时，必须考虑下列因素：
输入模式（单端输入）、分辨率、输入范围、采样速率、精度等。
输入范围是指ADC能够量化处理的最大、最小输入电压值。
数据采集卡提供了可选择的输入范围，它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度。
采样速率取决于模/数变换的速率，采样速率的选择还需考虑输入信号频率。
（2）数据处理
数据处理包括直流信号、交流信号的处理两部分，直流信号处理比较简单，可以用多次采集后用求平均值的方法，交流信号处理比较复杂，方法也比较多。
（3）数据显示
数据显示主要通过前面板的显示窗口来体现数据采集和数据处理后测量值。
用VB编程语言设计虚拟仪表的思路：
（1）前面板设计
用VB开发软件设计的一个交流电压表和交流电流表的前面板，在这面板上设计了数据显示窗口，此窗口由指针式显示和数码管式显示两个功能，仪表的量程选择框，通道选择框，采样频率、采样点和输入范围选择框。
通道选择框选择输入数据采集卡上模拟信号的输入通道。
采样频率选择框对输入模拟信号的采样频率，采样点选择框在采样频率确定后决定了对信号采样的周期数（对周期信号而言）。
数据显示窗口控件为我公司自主开发的用于虚拟仪表显示的控件，可用于VB、VC、C++、Delphi等编程语言，提供12种表的显示类型。
（2）软件源程序设计
在本实验上提供两个用VB编写的虚拟仪表程序范例，一个是直流电压表设计范例，另一个为交流表设计范例。
LabVIEW开发软件设计虚拟仪表的思路
LabVIEW的编程方法式一种面向对象的编程思想。
用LabVIEW编制的程序由许多相互联系的对象组成，这些对象按照程序流程的需要连接。
程序运行时，数据流向就依照对象间的连接关系以及对象的各个端子起作用的顺序进行，因此用LabVIEW编制的框图程序，同时也就是一张数据流程图。
针对LabVIEW图形化编程语言的特点，设计虚拟仪表的框图可以按以下步骤进行：
1描述任务，设计程序流程；
2作程序分析，为了让主程序易读，考虑将程序中的某些部分作成子VI，然后在主程序中调用；
3针对具体需要，对相应对象的特性进一步设计或修改；
4按程序流程用连线连接各对象；
5用LabVIEW提供的各种程序调试工具调试源程序，直到达到预期要求。
虚拟示波器实验
1．虚拟示波器的组成及功能
图30－1所示的框图说明了具有实测功能的虚拟示波器的原理框图。
图30－1具有实测功能的虚拟示波器的原理框图
在图30－1所示的框图中，计算机对采集卡发出指令，启动采集卡，计算机将采集的信号数据进行存储、处理和显示，从而实现虚拟示波器。
采集卡将被测信号转换为离散的数字信号，并保存在计算机的数组中。
计算机通过虚拟仪器开发软件将保存在数组中的离散数字信号显示在图形控件中。
虚拟示波器既可以显示随时间变化的函数波形，又可以通过数据采集卡显示实际被测信号的波形。
2．显示随时间变化的函数
虚拟示波器在显示随时间变化的函数波形时，首先将其离散化，得到离散的函数值序列，下面以随时间变化的正弦函数为例，说明虚拟示波器显示随时间变化函数的方法。
设有正弦函数
=Sin（wt），将其离散化，有
=Sin（2××i×
）i=0,1,2,3,…
其中：
T为相邻两个离散值之间的时间间隔；T为函数周期。
将
在示波器上逐点显示连接，就得到正弦函数的波形。
被测电信号实时显示时，数据采集卡采集被测信号，得到一组离散的信号值，存放在一个数组中（例如数字y[1000]中），在图形控件上逐点连线显示。
3．数据采集卡的编程框图
对数据采集卡的编程主要包括数据采集卡的通道设置、查询方式和采集点设置的编程。
二、了解实验单元及虚拟仪器仪表的构成
所需实验设备：
信号接口挂箱、传感器挂箱，数据采集卡。
必考
数据采集卡是构成虚拟仪器的关键硬件。
在测量一个实际的物理信号时，必须用一个传感器或转换器把物理信号（如温度、压力等非电量信号）转化为电信号（如电压、电流信号），再通过一个信号调理电路对这些电信号进行处理（如滤波、放大等），然后经过AD转换，将模拟信号转换成计算机可以处理的数据信号，由虚拟仪器软件进行计算、分析、显示，并储存结果。
本实验台采用的DAQ硬件是台湾凌华（ADLINK）公司生产的PCI总线的多功能数据采集卡PCI-9111DG，能够实现模/数转换（ADC）、数/模转换（DAC）、数字式输出/输入（I/O）等功能。
一、PCI_9111数据采集卡主要性能
1．模拟输入
模拟通道数：
160单端输入，DC耦合。
直流
A/D转换器：
逐次逼近型，12位，100KS/s。
（注：
S——Sample）
输入范围：
±10V，±5V，±，±，±（软件可编程）
可编程增益：
1、2、4、8、16
转换时间：
8μsec
最大输入过载电压：
+35V
精度：
GAIN=1,2,4
%ofFSR±1LSB
GAIN=8,16
%ofFSR±1LSB
输入阻抗：
10MΩ
触发模式：
软件、定时器与外触发
数据传输：
查询、中断、FIFO半满中断、FIFO查询
FIFO缓存容量：
1024次采样率。
2．模拟输出
输出通道数：
1路电压输出。
分辨率：
12位。
建立时间：
30us。
输出范围：
0～10V（无极性），－10V～＋10V（极性）。
输出特性：
±5mA（驱动电源）。
3．数字I/O
通道数：
16TTL电平输入，16TTL电平输出。
输入电平：
低电平，0V（最小）；（最大）。
高电平：
＋（最小）；（最大）。
输出电平：
低电平：
0V（最小）；（最大）。
高电平：
＋（最小）；（最大）。
4．扩展数字量I/O（EDIO）
通道数：
4通道输入与4通道输出（带有状态回读功能）
信号类型：
TTL兼容
5．可编程定时器
器件：
8254
A/D触发定速：
带有2MHz时间基准的32位定时器
定速输出：
Hz~100kHz
前触发计数器：
记录A/D触发脉冲的一个16位计数器
升级会员 