智能仪器复习提纲.docx

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智能仪器复习提纲

第一章绪论

什么是智能仪器：

智能仪器是计算机与测试技术相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量仪器。

由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断和自动化操作等功能，具有一定的智能作用，因而被称为智能仪器。

智能仪器已开始从数据处理向知识处理发展。

1.1智能仪器发展概况

各个时期的发展：

50年代：

模拟式（指针式）仪器；60年代：

数字式仪器；70年代：

独立式智能仪器（简称称智能仪器）；80年代初：

个人仪器（PC仪器）；80年代后期：

虚拟仪器。

1.2智能仪器发展趋势

1、微型化2、多功能化3、人工智能化4、网络化

1.3智能仪器的分类、组成和特点

从发展应用的角度看，智能仪器分为微机内嵌式和微机扩展式两大类。

微机内嵌式：

将微机作为核心部件嵌入到智能仪器中，仪器包含一个或多个微机，属于嵌入式系统。

智能仪器由硬件和软件两大部分组成。

硬件包括微处理器、存储器、输入通道、输出通道、人机接口电路、通信接口电路等部分。

微处理器是仪器的核心；存储器包括程序存储器和数据存储器用来存储程序和数据；输入通道主要包括传感器、信号调理电路和A/D转换器等，完成信号的滤波、放大、模数转换等；输出通道主要包括D/A转换器、放大驱动电路和模拟执行器等，将处理器处理后的数字信号转换为模拟信号；人机接口电路主要包括键盘和显示器，是操作者和仪器的通信桥梁，操作者可通过键盘仪器发出控制指令，仪器可通过显示器将处理结果显示出来；通信接口电路实现仪器与计算机或其它仪器的通信。

智能仪器的特点：

1、操作自动化2、自测功能3、数据分析和处理功能4、友好的人机对话功能5、可程控操作能力

1.4智能仪器设计要求、原则及步骤

智能仪器设计的基本要求：

功能及技术指标要求、可靠性要求、便于操作和维护、仪器工艺结构与造型设计要求

智能仪器的设计原则：

1、从整体到局部（自顶向下）的原则2、较高的性能价格比原则3、开放式设计原则

智能仪器的设计步骤：

1、确定设计任务2、拟定总体设计方案3、方案实施：

（1）根据仪器总体方案，确定仪器的核心部件：

单片机、信号处理器（DSP）、可编程控制器（PLC）或微计算机（MPC）等

（2）设计和调试仪器。

第二章智能仪器输入/输出通道及接口技术

2.1模拟量输入通道概述

模拟量输入通道:

将实际存在的电压、电流、声音、图像、温度、压力等连续变化的模拟信号进行放大、滤波、隔离等处理，将其转换成计算机能接收的逻辑信号的电路称为模拟量输入通道。

从被转换模拟信号的数量及要求看模拟量输入道有单通道结构和多通道结构。

单通道结构（特点）：

当被测信号只有一路时采用单通道结构。

使用场合：

带采样/保持器（S/H）的单通道结构常用于频率较高的模拟信号的A/D转换。

多通道结构（特点）：

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。

使用场合：

（1）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。

该结构的优点速度快；缺点成本高，体积、功耗大。

（2）多通道共享结构：

当各路模拟输入信号不需要同时获取时，可选用共享S/H和A/D的多通道结构。

这种形式的通道速度慢，但硬件开销少，适合对转换速度要求不高的系统。

2.2传感器

传感器是指能把物理化学量转变成便于利用和输出的电信号，用于获取被测信息，完成信号的检测和转换的器件。

其性能直接影响整个仪器的性能。

传感器的分类：

按转换原理分类：

物理传感器和化学传感器；

按用途分类：

压力敏、力敏传感器、位置传感器、液面传感器、速度传感器、热敏传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、气敏传感器、生物传感器等。

按输出信号分类：

模拟传感器、数字传感器和开关传感器。

传感器的性能指标：

1、线性范围2、精度3、灵敏度4、稳定性5、频率响应特性

2.3放大器

放大器是信号调理电路中的重要元件，合理选择使用放大器是系统设计的关键。

程控放大器、仪用放大器、隔离放大器等是智能仪器中常用的放大器。

程控放大器:

作用：

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。

特点：

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简称程控放大器。

分类：

程控反相放大器、程控同相放大器等

1、程控反相放大器：

由理想运放条件，有

反相放大器

反相程控放大电路

如图所示，虚线框为模拟开关，模拟开关的闭合位置受控制信号C1、C2的控制，反馈电阻又随开关位置而变，从而实现放大器的增益由程序控制。

当放大倍数小于1时，程控反相放大器构成程控衰减器。

2、程控同相放大器：

同相放大电路

图为一般同相放大器的基本原理，类似的可导出同相放大器的增益

改变Rf或R1，同样可改变放大器的增益，但同相放大器只能构成增益放大器，不能构成衰减放大器。

（可构成射极跟随器）。

仪用放大器：

作用：

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）。

特点：

尺寸小，精度高，价格低

隔离放大器：

作用：

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。

按耦合器件的不同，可分为光电耦合、变压器耦合和电容耦合（直流）三种。

光电耦合隔离放大器：

光越强导通程度越高，光很强饱和状态，低电平。

2.4模拟多路开关

模拟多路开关也称多路转换器，主要用于信号的切换，是输入通道的重要元件之一。

当系统中有多个变化较为缓慢的模拟量输入时，常常利用模拟多路开关将各路模拟量分时与放大器、A／D转换器等接通，利用一片A／D转换器可完成多个模拟输入信号的依次转换，提高硬件电路的利用率，节省成本。

分类：

机械触点式开关和集成模拟电子开关

模拟多路开关的性能指标：

1、通道数量2、泄漏电流3、导通电阻4、开关速度

集成模拟多路开关：

目前已有多种型号的集成模拟多路开关，如CD4051（双向、8路）、CD4052（单向、差动4路）、AD7501（单向、8路）、AD7506（单向、16路）等。

它们功能相似，仅在某些参数和性能指标上有所差异。

八通道双向模拟多路开关CD4051、双四路模拟开关CD4052

模拟开关的通道扩展：

实际使用中，有时输入模拟信号数量较多，一片模拟开关不够用，需要使用多个集成模拟开关进行通道扩展，以满足使用要求。

利用两片CD4051将8路开关扩展成16路开关的原理图。

（实现16路扩展ROM/RAM）

2.5采样保持器

采样定义：

采样是对模拟信号周期性的抽取样值，使模拟信号变成时间上离散的脉冲串，采样值的大小取决于采样时间内输入模拟信号的大小。

常见的采样-保持电路

A为理想运算放大器，CH为保持电容，T为场效应管

（保持：

使输出电压不随时间变化而变化）

当S为高电平（S=1）时：

场效应管T导通，输入模拟信号Vi对保持电容CH充电，当S=1的持续时间tw远远大于电容CH的充电时间常数时，在tw时间内，CH上的电压Vc跟随输入电压Vi的变化，使输出电压Vo=Vc=Vi，这段时间为采样时间。

当S为低电平（S=0）时：

场效应管T截止，由于电压跟随器的输入阻抗很高，存储在上CH的电荷不会泄露，CH上的电压Vc保持不变，使输出电压Vo能保持采样结束瞬时的电压值，这段时间为保持时间。

采样脉冲的频率即采样频率fs（1/Ts）越高，采样越密，采样值越多，采样信号的包络线越接近输入信号的波形

集成采样保持器：

将采样保持电路的元器件集成在一片芯片上可构成集成采样保持器。

集成采样保持器种类很多，常用的集成芯片有LF198/298/398、AD582等。

其中LF198/298/398这三种芯片工作原理相同，仅参数有所差异。

LF398内部结构

两个运算放大器，接成单位增益的电压跟随器，S是模拟开关，是比较器，当逻辑控制端IN（+）为“1”时S闭合，输出跟随输入变化，处于采样状态；当IN（+）为“0”时，S断开，输出不随输入而变化，呈保持状态。

LF398的典型连接方法

2脚接1kΩ电阻，用于调节漂移电压；7脚接地，8脚接控制信号。

当控制信号大于1.4V时，LF398处于采样状态；当控制信号为低电平时，处于保持状态。

6脚外接保持电容，保持电容可选用漏电流小的聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容，其数值直接影响采样时间及保持精度。

增加保持电容CH的容量可提高精度，但会使采样时间加长。

因此，当精度要求不高（±1%）而速度要求较高时，CH可小至100pF。

当精度要求高（±0.01%），如与12位A/D相配合时，为减小下降误差和干扰，应取CH＝1000pF。

（重点）

采样保持器主要性能指标（在设计智能仪器选择采样/保持时，主要考虑哪些因素）：

捕捉时间、孔径时间、孔径不定时间：

孔径变化范围、孔径误差、保持电压的下降速度

2.6A/D转换器

A/D转换器过程：

采样---->量化---->编码

1.并联比较型A/D转换器：

并联比较型A/D转换器组成：

分压电阻链、电压比较器、寄存器和优先编码器（性能最好、速度最快）

3位并联比较型A/D转换器原理图

由图可见，分压电阻链由一个R/2和7个R电阻组成，它们依次对参考电压VREF分压。

R/2电阻分得的电压为

同理可得到其他各R上分得的电压

当输入电压比相应的参考电压高时，相应的比较器输出高电平，否则输出低电平。

优点：

转换速度快。

缺点：

随着输出位数的增加，所需器件数增加很快

2.逐次逼近型A/D转换器：

是目前集成A/D转换器产品中使用较为普遍的一种。

常用的集成3.芯片AD0808/0809系列（8位）

双积分式A/D转换器：

由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速度较慢。

4.Σ-ΔADC基本原理

Σ-△模数转换器内部主要构成：

抗混叠滤波器、模拟Σ-△调制器、数字低通滤波器

过采样技术：

这种采样频率远高于输入信号频率的技术称为过采样技术，过采样技术可提高ADC的分辨率。

5.A/D转换器的主要技术指标

转换精度常采用分辨率和转换误差来描述。

分辨率和量化误差：

位数越多，能够区分模拟输入电压的最小值越小，分辨能力越高，量化误差越小。

所以，分辨率常以ADC输出的二进制或十进制数的位数表示。

如输出为12位二进制数，分辨率为

转换误差：

偏移误差、满刻度误差、非线性误差

2.7A/D转换器与微处理器的接口

A/D转换器的控制方式：

程序查询方式、延时等待方式、中断方式

AD作用把模拟量转化成数字量（电压）

2.8开关量输入通道

指只有开和关、通和断、高和低两种状态的信号，可以用二进制数0和1表示。

2.9模拟量输出通道

模拟量输出通道是计算机对采样数据实现某种运算处理后，将处理结果回送给被测对象的数据通路。

输出数字信号的形式主要有开关量、数字量和频率量。

模拟量输出通道是将微机输出的数字量转换成适合于执行机构所要求的模拟量的环节。

D/A转换器的主要技术指标：

1、转换精度：

指在整个工作区间实际的输出电压与理想输出电压之间的偏差。

通常用分辨率和转换误差描述。

（1）分辨率

指当输入数字发生单位数码变化时所对应的输出模拟量的变化量。

DAC的位数（输入二进制数码的位数）越多，输出电压的取值个数越多，越能反映输出电压的细微变化，分辨率越高，一般可用DAC的位数衡量分辨率的高低。

另外，DAC的分辨率也可用DAC能够分辨出的最小电压（对应输入二进制代码中只有最低有效位为1，其余为零）与最大输出电压（对应输入二进制代码中各位全为1）的比值表征。

例如8位的D/A转换器，分辨率为:

对于n位D/A转换器，分辨率为

。

分辨率是D/A转换器在理论上能达到的精度。

不考虑转换误差时，转换精度即为分辨率的大小。

（2）转换误差

实际D/A转换器由于各元件参数值存在误差、基准电压不够稳定以及运算放大器的漂移等，使D/A转换器实际转换精度受转换误差的影响，低于理论转换精度。

转换误差指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差，常用这个最大偏差与输出电压满刻度（FSR）的百分比或最低有效位（LSB）的倍数表示。

一般是增益误差、漂移误差和非线形误差的综合指标。

增益误差（比例系数误差）、漂移误差（平移误差）、非线性误差（非线性度）P56页

例如某8位DAC的非线性误差为±0.05%，最大正、负误差为:

因此，非线性误差也常用若干个LSB表示（如上例的

），一般要求DAC的非线形误差小于

。

2.10开关量输出通道

固态继电器输出接口电路：

是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点功率型电子开关。

可达到无触点、无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。

具有开关速度快、体积小、质量轻、寿命长、工作可靠等优点，特别适合控制大功率设备场合。

固态继电器又分为：

直流型固态继电器（DC-SSR）和交流型固态继电器（AC-SSR）。

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。

SSR应用中应注意的问题：

（1）直流型和交流型用途不同，不能互换。

（2）交流型有过零型和非过零型两种，要求射频干扰小的场合应使用过零型。

（3）SSR的输入均为发光二极管，可直接由TTL驱动，也可以用CMOS电路再加一级跟随器驱动。

驱动电流约5～10mA时输出端导通，1mA以下输出端断开。

（4）切忌负载短路

第三章常见模拟量信号的检测方法

3.1概述

智能仪器中起控制作用的微处理器所处理的信号是二进制的数字信号，但物理世界中大量的信号都是连续变化的模拟量，智能仪器能够对它们进行处理的前提，先要能把模拟信号变换为数字信号，完成这种变换的电路叫模-数变换器（A/D变换器，简称ADC）。

模拟信号转换为数字信号的原理图

3.2电压类信号的检测

电压测量是其它许多电参量，也包括非电参量的基础。

1.对电压测量的基本要求：

频率范围宽：

被测电压的频率可以是超低频、低频、高频或超高频，其频率范围为0HZ到几百MHZ，甚至达到GHZ量级。

电压测量范围广、输入阻抗高、测量准确度高、抗干扰能力强

2.交流电压的测量

一个交流电压的大小，可以用它的峰值，平均值，有效值v及波形因数、波峰因数来表征。

3.3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。

3.4相位型信号的检测

相位测量方法的原理，已知未知被测量量，如何提高精度？

在检测系统中相位定义为同频的两路信号之间的相位之差，严格来讲是指两路正弦信号的相位差

1.软件分析法

如图3.5a所示，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。

2.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。

图3.6a为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.

过零比较器的整形过程见图3.6b。

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。

3.5时间型信号的检测P75

时间型信号测量方法的原理，已知未知被测量量，如何提高精度？

3.6频率及周期型信号的检测

简述频率测量的几种基本方法并比较各种方法的优缺点和适用范围并说明适用的原因。

高频采用测频法低频采用测周法

频率及周期型信号的特点

由于频率和周期互成倒数关系，对于智能检测系统来说，计算倒数之类问题不需要作为主要问题考虑，主要考虑测量精度要高，电路尽可能要简单。

使用电子计数器可以直接按照f=N/T所表达的频率的定义进行测量，考虑到电子计数器在计数时必然存在的±1误差，测量低频信号时不宜采用直接测频的方法，否则±1误差带来的影响比较显著甚至会很惊人。

此时可以改为先测量信号的周期，然后计算其倒数得到频率值，称之为测周的方法。

测周的方法同样不具有普遍的适用性，它可以用在测量较低频率的信号，而不适用在测量较高频率信号的场合。

此外被测型号也可能带有一定的干扰信号，因此加适当的低通滤波也是必需的。

优点：

当被测信号的频率较低时我们应该反过来测信号的周期。

这样才能提高测量精度和刷新频率。

3.7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。

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：

用恒压法测电阻时，参考电压、标准电阻的误差会直接反映在测量值中。

3.恒阻法测电阻

非常适用于同时检测多个电阻。

4.积分法测电阻

测量较大的电阻。

第5章智能仪器的典型数据处理功能

重点：

1.随机误差的处理和数字滤波方法2.系统误差的处理和传感器的非线性校正3.测量数据的标度变换

5.1概述

与常规的模拟电路相比，智能仪器的数据处理具有如下优点：

（1）可用程序代替硬件电路，完成多种运算。

（2）能自动修正误差。

（3）能对被测参数进行较复杂的计算和处理。

（4）能进行逻辑判断。

（5）智能仪器不但精度高，而且稳定可靠，抗干扰能力强。

5．2测量结果的非数值处理

一、查表

所谓查表法就是把事先计算或测得的数据按照一定顺序编制成表格，根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。

1.顺序查表法：

顺序查表法就是从头开始，按照顺序把表中元素的关键项逐一地与给定的关键字进行比较。

若比较结果相同，所比较的元素就是要查找的元素；若表中所有元素的比较结果都不相同，则该元素在表中查找不到。

顺序查表查找速度相对较慢。

对于无序表，特别是在表中记录不多的情况下，用顺序查找法是适宜的。

2.对半查表法

基本思想：

设置两个指针L0和Hi，分别保存表的下限值和上限值的序号，开始查表时设置Lo=0，Hi=N-1。

设N个元素按照从小到大的顺序排列，则中心元素的序号为：

由此将表分为前半部分和后半部分。

然后计算中心元素的地址：

根据中心元素的位置找出中心元素，并和查表的元素进行比较，若中心元素大于查表的元素，则选取表的前半部分，修改上限指针Hi：

（下限指针Lo不变）

若中心元素小于查表的元素，则选取表的后半部分，修改下限指针Lo：

（上限指针Hi不变）

若中心元素等于查表的元素，则查表成功。

3.计算查表法

这是智能仪器中经常使用的快速查表方法，仅适宜于有序表格。

这种方法不需要像上述两种方法那样逐个比较表中的关键项，查出表中关键项的记录，而是直接由关键项或经过简单计算，即可直接找到所需数据。

二、排序

1.冒泡排序法

在有N个数据的数列中依次比较两个相邻的一对数据，如果不符合规定的递增（或递减）顺序，则交换两个数据的位置，接着比较第二对（第二个和第三个数据），直到数列所有的数据依次比较完毕后，第一轮比较结束，这时最大（或最小）的数据降到数列中最后的位置。

第一轮排序需要进行（N一1）次比较

同理，第二轮比较需要进行（N一2）次比较，第二轮结束后，次最大（或最小）的数据排在底部往上第二位置上。

重复上述过程，直至全部排完，从而实现这组数据由大到小（或由小到大）的顺序排列。

2.希尔排序法

先取一个正整数d1（d1＜n，n为数据个数），把全部记录分成d1个组，所有相距为dl的数据看成是一组，然后在各组内分别进行插入排序，也就是在每组中将一个待排序的数据按其大小插到这组已经排序的序列中的适当位置，直到这组数据全部插入完毕为止；

接着取d2（d2＜d1），重复上述分组和排序操作；

直到di=1（i＞＝1），即所有记录成为一个组为止。

希尔排序对di的选择没有严格规定，一般选d1约为n／2，d2为d1／2，d3为d2／2，…，di＝1。

这样大大减少了数据移动次数，提高了排序效率。

5.3测量结果的数值处理

一、随机误差处理及数字滤波

随机误差（randomerror）由窜入仪器的随机干扰所引起。

它是指在相同条件下多次测量同一物理量时，其大小和符号作无规则的变化，且无法进行预测，但在多次重复测量时，其总体服从统计规律的误差。

与硬件滤波相比，数字滤波具有以下优点：

①因为用程序滤波，无需增加硬件设备，且可多通道共享一个滤波器（多通道共同调用一个滤波子程序），从而降低了成本。

②由于不用硬设备，各回路间不存在阻抗匹配等问题，故可靠性高，稳定性好。

③可以对频率很低的信号（如0．01Hz以下）进行滤波，这是模拟滤波器做不到的。

④可根据需要选择不同的滤波方法或改变滤波器的参数，使用方便、灵活。

1.程序判断滤波

限幅滤波

限幅滤波的基本算法是把两次相邻的采样值相减，求出其增量（以绝对值表示），然后与两次采样允许的最大差值（由被控对象的实际情况决定）△y进行比较，若小于或等于△y，则取本次采样值；若大于△y，则仍取上次采样值作为本次采样值，即：

|Y（k）－Y（k－1）|≤△y，则Y（k）=Y（k），取本次采样值；

|Y（k）－Y（k－1）|>△y，则Y（k）=Y（k－1），取上次采样值。

式中Y（k）——第k次采样值；

Y（k－1）——第（k－1）次采样值；

△y——相邻两次采样值所允许的最大偏差，取决于采样周期T及采样值Y的动态响应。

限幅滤波程序流程

这种滤波方法主要用于变化比较缓慢的参数，如温度、物位等测量系统。

门限值△y的选取是非常重要的，通常可根据经验数据获得，必要时也可由实验得出。

限速滤波

限速滤波是用3次采样值决定采样结果，设采样时刻tl、t2、t3所采集的参数分别为Y

（1），Y

（2），Y（3），则

|Y

（2）－Y

（1）|≤△y，则Y

（2）作为本次采样值；

|Y

（2）－Y

（1）|>△y，则Y

（2）不被采用，但仍保留，继续采样取得Y（3）；

|Y（3）－Y

（2）