智能仪器设计基础.doc

1、 智能仪器的定义及作用。 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。2、 为什么要采用程控放大器？程控放大器的组成。与普通放大器的区别？程控增益放大器的优势:1)减少放大器的数量在多通道的测量系统当中，各个通道的测量信号变化也会很显著，我们要将这些信号放大到与A/D转换的输入电压相匹配（05V）就需要多个增益不同的放大器。如果这样的话，将会大大的增加仪表需要放大器的数量，从而增加整体造价，若选用程控增益放大器,可减少放大器的数量，减少开支。2)程控增益放大器通用性很好其放大倍数可以根据需要用程序控制进行改变，很容易使各种量程的信号达到与A/D匹配的要求。区别:1) 反馈电阻网络可变；2）反馈电阻网络受控于控制接口的输出信号。3)由不同的控制信号，产生不同的反馈系数，改变放大器的闭环增益。组成：一般由放大器、可变反馈电阻网络和控制接口三个部分。3、 仪用放大器的工作原理（要求绘制基本电路图、求出放大器的闭环增益） 仪用放大器其对称结构使整个放大器具有很高的共模抑制能力，特别适用于长距离测量。通常为保证放大器的共模抑制能力，电路参数对称，即R1=R2、R3=R4、R5=R6，此时，闭环增益为，可使用控制阻值的方式改变放大器的增益。4、 LED显示器的驱动显示形式有几种，各自的优缺点是什么。 LED有两种显示方式：静态显示方式和动态显示方式。 1)静态显示：所有的位选线COM连接到一起接低电平（共阴极）或接高电平（共阳极），每一位LED的段选线连接到一个8位显示输出口上，这样N位显示器共需要8*N根显示输出线，显示时位与位之间是相互独立的。具有显示亮度高，显示稳定，控制方便等优点，但当显示的位数较多时，占用的I/O口线较多。 2)动态显示：一位一位地轮流点亮显示器各个位。对于显示器的每一位来说。是分时显示的，但由于人的眼视觉的暂留现象，仍感觉所有的位是同时显示的。优点：硬件少，价格便宜；缺点：占用机时长。5、 A/D转换器的主要性能指标。（1） 、分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出ADC应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小值为满量程输入的1/（2n-1）。（2） 、转换时间转换时间是AD转换完成一次所需的时间。（3） 、转换误差它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。（4） 、偏移误差偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称为零值误差。（5）、满刻度误差（增益误差）ADC的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。6、 为什么要进行V / I转换。 在工业控制系统中，信号长距离传输常以电流方式输出信号，因为电流信号在长距传输中信号衰减小，抗干扰能力强。一般情况下,仪器采用的标准电流信号是420mA，但智能仪器的D/A转换器的信号电流为A数量级，因此，D/A转换器的输出常常需配接V/I转换器以便和仪表标准电流信号匹配。7、 数字滤波与模拟滤波相比有哪些优点？ 1、数滤波是计算机的运算过程，不需要硬件，因此可靠性高，不存在阻抗匹配问题。而且可以对频率很高或很低的信号进行滤波，这是模拟滤波器所不及的。 2、数字滤波器是用软件算分实现的，因此可以使多个输入通道公用一个软件“滤波器”，从而减低仪表的成本。 3、只要适当改变软件滤波程序或运算参数，就能方便的改变滤波器特性，这对于低频、脉冲干伏、随机噪声特别有效。8、 简要介绍递推平均滤波算法。 递推平均滤波法是把N个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果放入队尾，而扔掉队首的一次数据，这样在队列中始终有N个“最新”的数据。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得到新的滤波值。这样每进行一次测量，就可计算得到一个新的平均滤波值。这种滤波算法称为递推平均滤彼法，即第n次采样的N项递推平均值是n，n-1，n-N-1次采样值的算术平均，与算术平均法相似。递推平均滤波算法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，因此它不适用于脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统。递过观察不同N值的递推平均滤波器的输出响应来选取N值，以便既少占用计算机时间，又能达到最好的滤波效果9、仪器故障的检测原理。 检测原理：给被测对象施加一定的检测信号，根据其输出响应信号来判断是否存在故障。所加的检测信号称为测试矢量或测试码。不是任何信号都可充当测试矢量的。测试矢量加在电路后，电路有故障和无故障时的响应信号是不同的。响应信号又称响应矢量或响应序列。10、 简述智能仪器系统误差自动校准的两种方式及实现方法。1、 根据系统误差的变化规律，采用一定的测量方法或计算方法，将它从一起的测量结果中扣除。 2、准确度等级高的一起其系统误差小。因此，可用准确度高的标准仪器去修正准确度低的被测仪器。11、 结合你对智能仪器的理解，讨论智能仪器的层次 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。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。12、 非编码键盘扫描的基本任务。 1、监测有无键按下；2、判断是哪个键按下；3、完成键处理任务。13、为什么仪器要进行量程转换? 自动量程转换是大多数通用智能测试仪器的基本功能。自动量程能根据被测量的打小自动选择合适量程，以保证测量值有足够的分辨力和准确度。14、智能仪器输出接口DAC的基本工作原理。 DAC的基本功能是将数字量转换为与其大小成正比的模拟量。假设一个n位的二进制数字量是d0，d1.dn,其大小可表示为：D=d0+d121+dn-12n-1,DAC按照上式将二进制数的每一位转换成与其大小成正比的模拟量，然后相加起来，就得到与该数字量大小成正比的模拟量。15、波特率的定义及意义。 波特率，指的是每秒串行发送或接收的二进制位（bit）数，单位为bps，它是衡量数据传送快慢的指标，也是衡量传送通道频宽的指标。16、DAC的主要技术指标及含义。 1、分辨率：指输入数字量的最小有效位(LSB)产生的一次变化时，DAC输出变化的最小增量相对于满刻度输出的百分比。大小只与DAC的位数有关，n位的DAC分辨率为（1/2n）*100%FSR。常用位数表示分辨率，如10位二进制的DAC分辨率为10位。选用时，分辨率首先要考虑。 2、精度：指DAC的实际输出与理论值的最大偏差，是DAC各种误差之和，包括非线性误差、零点误差、增益误差和温度漂移等。两种表示：绝对精度，用LSB作为单位；相对精度，即相对于满刻度输出值的百分比。 3、建立时间指数字量从全0变为全2时，DAC输出模拟量达到终值的1/2LSB误差范围之内所需要的时间。17、简述串行通信的三种工作模式。 1、单工方式：相互通信的任何一方仅允许数据单方向传送。 2、半双工方式：通信的双方既可以发送又可以接收数据，但是发送和接收数据只能分时使用同一传输线路，即在某一时刻只允许进行一个方向的数据传送。 3、全双工方式：通信的双方采用两根传输线连接两端设备，可同时进行数据的发送和接收。18、键盘扫描线反转法的基本原理。 线反转法通过单片机本身并行口或扩展的并行口均可实现。原理是先将行线作为输出线, 列线作为输入线, 行线输出全“0”信号, 读入列线的值, 那么在闭合键所在的列线上的值必为0；然后从列线输出全“0”信号，再读取行线的输入值，闭合键所在的行线值必为0。这样,当一个键被按下时, 必定可读到一对唯一的行列值。再由这一对行列值可以求出闭合键所在的位置。19、开关量输出隔离的目的及常用的隔离器件。 开关输出隔离的目的在于隔断微机与执行机构直接的直接电气联系，以防地电位差、外界电磁场等干扰因素造成执行机构的误动作，甚至导致只能一起本身的损坏。目前光电耦合期间和继电器常用做开关量输出隔离器件。20、如何利用牛顿迭代法求平方根。21、对半查找的基本原理。对半查找就是每次截取表的一半，确定查找元素在哪一部分，逐步细分，缩小检索范围，从而大大加快查找速度。22、希尔排序法的基本原理。 先取一个小于n的整数d1作为第一个增量，把文件的全部记录分成d1个组。所有距离为dl的倍数的记录放在同一个组中。先在各组内进行直接插人排序;然后，取第二个增量d2d1重复上述的分组和排序，直至所取的增量dt=1(dtdt-ld2d1)，即所有记录放在同一组中进行直接插入排序为止。23、 最小二乘法原理，如何利用最小二乘法进行直线拟合。最小二乘法原理是：对于含有随机误差的实验数据的拟合，通常选择“误差平方和最小”这一标准来衡量逼近结果，这样，使逼近模型比较符合实际关系，同时函数的表达形式也比较简单。进行直线拟合：设x和y之间的函数关系由直线方程ya0+a1x 式中a0 、a1 为回归系数 最小即对参数a（代表a0，a1）最佳估计，要求观测值yi的偏差的平方和为最小。对上式求偏导，应有： 整理后得到正则方程组：解正则方程组便可求得直线参数a0和a1的最佳估计值和。即 24、零位误差的校正方法。零位误差校正方法：在每一个测量周期或中断正常的测量过程中，把输入接地（即使输入为零），此时包括传感器在内的整个测量输入通道的输出即为零位输出（一般其值不为零）；再把输入接基准电压测得数据，并将和存于内存；然后输入接，测得，则测量结果可用下式计算，即在正常的测量过程中，均从采样值中减去原先存入零位输出值，从而实现零位校正。25、 智能仪器中常用的数字滤波算法有哪些。 智能仪器中常用的数字滤波算法有限幅滤波、中位值滤波、算术平均滤波、地推平均滤波、加权递推平均滤波、一阶惯性滤波和复合滤波等。26、采样保持器的工作原理。 工作原理： 采样期：当控制信号使模拟开关S闭合时，输入信号Vi经输入放大器与保持电容相连，输出电压Vo可随输入信号Vi变化，电容上的电压与输入电压相同。保持期：当控制信号使模拟开关断开时，电容只与放大器N2高阻输入端相连，这可以保持模拟开关断开前瞬间的输入信号Vi的值不变，输出放大器因此也可在相当长时间保持一个恒定输出值不变，直至模拟开关再次闭合。27、 数据采集系统的采样定理。 为了使采样信号能完全恢复连续信号f(t)，采样频率fs必须不小于信号最高有效频率fH的2倍。fH称为奈奎斯特频率。即fs2fH。28、智能仪器的设计原则。 1.从整体到局部(自顶向下)的设计原则。2.较高的性能价格比原则。3.组合(集成)化与开放式设计原则。29、智能仪器设计的步骤。 1、确定设计任务并拟定设计方案。2、硬件和软件研制。3、软硬件综合调试整机性能测试和评估。程序设计：AD574与8051接口查询法控制子程序。 限幅滤波子程 MOV DPTR，#0FFF8H ；送端口地址入DPTR MOVX DPTR，A ；启动AD574A SETB P1.0 ；置P1.0为输入方式LOOP：JB P1.0，LOOP ；检测P1.0口 INC DPTR ；使R/C为1 MOVX A，DPTR ；读取高8位数据 MOV 41H，A ；高8位内容存入41H单元 INC DPTR ；使R/C 、A0均为1 MOVX A，DPTR ；读取低4位 MOV 40H ，A ；将低4位内容存入40H单元 RET算术平均滤波子程序 中位值滤波子程序气泡排序子程序（升） 希尔排序子程序（降） RET 4、三角波、锯齿波、矩形波产生子程序。 矩形波 如果矩形波的高电平宽度为T1，低电平的宽度为T2，相应于高电平的输出数码为HIGH，相应于低电平的输出数码为LOW MOV A, # HIGH;LOOP4: MOVX DPTR, A；输出高电平数码到DAC CALL DT1 ；延时T1 MOV A, # LOW MOV DPTR, A ；输出低电平数码到DAC CALL DT2 ；延时T2 SJMP LOOP4 ；循环 E