《微机测控系统原理与设计》习题解答

微机测控系统原理与设计微机测控系统原理与设计 习题解答习题解答 本习题解答是高等学校教材 微机测控系统原理与设计 曹江涛 孙传友主编 高等教育 出版社 2014 年 1 月出版 全书各章习题的参考答案 第第 1 1 章章 1 为什么说系统技术是信息的源头技术 答 信息技术由测量技术 计算机技术 通讯技术三部分组成 测量技术则是关键和基础 仪器是一种信息的工具 如果没有仪器 就不能获取生产 科学 环境 社会等领域中全方 位的信息 进入信息时代将是不可能的 仪器是信息时代的信息获取 处理 传输的链 条中的源头 因此说 仪器技术是信息的源头技术 2 为什么现代测控系统一般都要微机化 答 将微型计算机技术引入测控系统中 不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题 而且 还能简化电路 增加或增强功能 提高测控精度和可靠性 显著增强测控系统的自化化 智 能化程度 而且可以缩短系统研制周期 降低成本 易于升级换代等等 3 微机测控系统有哪几种类型 画出它们的组成框图 答 测控仪器或系统可分为三大类 单纯以测试或检测为目的的 测试 检测 仪器或系统 单纯以控制为目的的 控制系统 和测控一体的 测控系统 微机化检测系统框图 微机化控制系统框图 微机化测控系统框图 4 什么是单片机 为什么有人又称它为嵌入式控制器或微控制器 答 单片机是指在一块芯片上集成了计算机的基本部件 包括中央处理器 CPU 存储器 RAM ROM 输入 输出接口 I O 计数器 定时器以及其他有关部件 这样一块集成电路 芯片具有一台微型计算机的属性 因而被称为单片微型计算机 简称单片机 单片机主要应用于测控领域 由于单片机在使用时 通常处于测控系统的核心地位并 嵌入其中 所以国际上通常把单片机称为嵌入式控制器或微控制器 5 微机测控系统的主机哪几种类型 怎样选择 答 目前微机测控系统采用的主机有 PC 机 PLC 单片机等 在实际应用中 应根据应用 规模 控制目的和控制需要等选用性价比高的计算机 例如 对于小型控制系统 智能仪表 及智能化接口 尽量采用单片机模式 对于新产品开发或用量较大 为了降低成本 也可采 用单片机模式 对于中等规模的控制系统 为了加快系统的开发速度 可以选用 PLC 对 于大型的生产过程控制系统 最好选用 PC 机 如果控制现场环境比较好 对可靠性要求又 不是特别高 可以选择普通的 PC 机 否则还是选择工业 PC 机 即工控机 为宜 6 在家用电器中使用单片机应属于微计算机的 A 辅助设计应用 B 测量 控制应用 C 数字计算应用 D 数据处理应用 答 B 第第 2 章章 1 模拟输入通道有哪几种类型 各有何特点 答 按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个 多路模拟输入通道可分为 集中采集式 简称集中式 和分散采集式 简称分布式 两大类型 集中式的特点是多路信号共同使用一个 S H 和 A D 电路 模拟多路切换器 MUX 对多路信 号分时切换 轮流选通到 S H 和 A D 进行数据采集 分布式的特点是每一路信号都有一个 S H 和 A D 因而也不再需要模拟多路切换器 MUX 每一个 S H 和 A D 只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集 采集的数据按一定顺 序或随机地输入计算机 2 什么情况下需要设置低噪声前置放大器 为什么 答 由于电路内部有这样或那样的噪声源存在 使得电路在没有信号输入时 输出端仍输出 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该电 路的输入端即除以该电路的增益 K 得到的电平值称为该电路的等效输入噪声 如果加在该电路输入端的信号幅度小到比该电路的等效输入噪声还要低 那么这个信号 就会被电路的噪声所 淹没 为了不使小信号被电路噪声所淹没 就必须在该电路前面加 一级放大器 前置放大器 只要前置放大器本身的等效输入噪声比其后级电路的等效 输入噪声低 加入前置放大器后 整个电路的等效输入噪声就会降低 因而 输入信号就不 会再被电路噪声所淹没 3 图 2 1 14 a 所示采集电路结构只适合于什么情况 为什么 答 图 2 1 14 a 所示采集电路仅由 A D 转换器和前面的模拟多路切换器 MUX 构成 只适 合于测量恒定的各点基本相同的信号 因为恒定信号不随时间变化 无须设置 S H 各点基 本相同的信号无需设置 PGA 4 DFS V 数字地震仪属于集中采集式数据采集系统 zms 采样 48 道时去混淆滤波器截 止频为 125Hz 为提高勘探分辨率欲将采样周期改为 1ms 试问 地震仪的信号道数和去混 淆滤波器截止频率要不要改变 怎样改变 为什么 答 据题知 代入公式 2 1 38 计算得该地震仪的 A D 转换器的msTS2 48 N 转换周期为 为提高勘探分辨率欲将采样周期改为 1ms 则信号道数应 48 2 ms N T T S DA 减小为 否则 A D 转换器就转换不过来 24 48 2 1 mS mS T T N DA S 据题知 代入公式 2 1 17 计算得 C 5 将 C 5 和 TS 1ms 代msTS2 Hzfh125 入公式 2 1 17 计算得 抗混叠滤波器截止频率应减小为 将代Hzfh250 Hzfh250 入公式 2 1 18 计算得 这将使地震仪可记录的最高地震信号频率达Hzff h 250 max 到 250Hz 因而 可使地震仪的勘探分辨率提高一倍 如果只是减少采样周期而不改变抗混 叠滤波器截止频率 将代入公式 2 1 18 计算得 使地Hzfh125 Hzff h 125 max 震仪可记录的最高地震信号频率仍然被限制在 125Hz 因而地震仪的勘探分辨率仍然不能提 高 这就使减少采样周期的优越性发挥不出来 5 目前较广泛使用的 A D 转换器有哪几种类型 它们各有何特点 答 目前应用较广泛的主要有以下几种类型 逐次逼近式转换器 双积分式转换器 式 A D 转换器 逐次逼近型 A D 转换器 在精度 速度和价格上都适中 是最常用的 A D 转换器件 双积分 A D 转换器 具有精度高 抗干扰性好 价 格低廉等优点 但转换速度慢 近年来在单片机应用领域中也得到广泛应用 式 A D 转换器 具有积分式与逐次逼近式 ADC 的双重优点 它对工业现场的串 模干扰具有较强的抑制能力 不亚于双积分 ADC 它比双积分 ADC 有较高的转换 速度 与逐次逼近式 ADC 相比 有较高的信噪比 分辨率高 线性度好 不需要 采样保持电路 6 多路测试系统什么情况下会出现串音干扰 怎样减少和消除 答 多路测试系统由于模拟开关的断开电阻 Roff 不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电 容的缘故 每当某一道开关接通时 其它被关断的各路信号也出现在负载上 对本来是唯一 被接通的信号形成干扰 这种干扰称为道间串音干扰 简称串音 为减小串音干扰 应采取如下措施 减小 Ri 为此模拟多路切换器 MUX 前级应采用电压跟随器 MUX 选用 Ron 极小 Roff 极大的开关管 选用寄生电容小的 MUX 据公式 2 1 51 减少 MUX 输入端并联的开关数 N 可减小串音 若采用分布式数 据采集 则可从根本上消除串音干扰 因 N 1 代入公式 2 1 51 计算得 0 N V 7 主放大器与前置放大器有什么区别 设置不设置主放大器 设置哪种主放大器依据是 什么 答 测控系统的模拟输入通道一般包括模拟调理电路和数据采集电路两部分 前置放大器设 置在模拟调理电路前端 它是为减小模拟输入通道的等效输入噪声提高系统接收弱信号的能 力而设置的 放大的是连续电信号 主放大器设置在数据采集电路的 MUX 与 S H 之间 放大 的是经模拟多路切换器采样或选通的离散信号 它是为了提高数据采集电路的数据转换精度 和数据转换范围而设置的 如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号 而且多路信号的幅度也相差不 大 也就是 Vij 随 i 和 j 变化不大 那就没有必要在采集电路中设置主放大器 只要使各路 信号调理电路中的前置放大器增益满足 2 1 54 式即可 如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号 但是各路信号的幅度相差很大 也就是说 Vij 不随 j 变化 但随 i 变化很大 那就应在采集电路中设置程控增益放大器作为 主放大器 程控增益放大器的特点是每当多路开关 MUX 在对第 i 道信号采样时 放大器就采 用预先按 2 1 54 式选定的第 i 道的增益 Ki 进行放大 如果被测量的多路模拟信号是随时间变化的信号 而且各路信号的幅度也不一样 也就 是说 Vij 既随 i 变化 也随 j 变化 那就应在采集电路中设置瞬时浮点放大器作为主放大 器 8 模拟输出通道有哪几种基本结构 各有何特点 答 微机化测控系统的模拟信号输出通路的基本结构按信号输出路数来分 有单通道输出和 多通道输出两大类 多通道的输出结构主要有以下三种 一 数据分配分时转换结构 它的特点是每个通道配置一套输入寄存器和 D A 转换器 经微型计算机处理后的数据通过数据总线分时地选通至各通道输入寄存器 当数据 Dij 选通 至第 i 路输入寄存器的同时 第 i 路 D A 即实现数字 Dij 到模拟信号幅值的转换 二 数据分配同步转换结构 它的特点是在各路数据寄存器 R1 与 D A 转换器之间增设 了一个缓冲寄存器 R2 数据总线分时选通主机的输出数据先后被各路数据寄存器 R1 接收 然后在同一命令控制下将数据由 R1 传送到 R2 并同时进行 D A 转换输出模拟量 三 模拟分配分时转换结构 这种结构的特点是各通道共用一个 D A 转换器和一个数据 输入寄存器 微型计算机处理后的数据通过数据总线依通道顺序分时传送至输入寄存器并进 行 D A 转换 产生相应通道的模拟输出值 以上三种结构可归纳为两种分配方案 前两种数据分配结构实质上也就是图 2 2 2 a 所示的 数字保持 方案 模拟分配结构实质上也就是图 2 2 2 b 所示的 模拟保持 方 案 9 为什么模拟输出通道中要有零阶保持 怎样用电路实现 答 我们知道 模拟信号数字化得到的数据是模拟信号在各个采样时刻瞬时幅值的 A D 转 换结果 很显然把这些 A D 转换结果再经过 D A 转换 也只能得到模拟信号波形上的一个 个断续的采样点 而不能得到在时间上连续存在的波形 为了得到在时间上连续存在的波形 就要想办法填补相邻采样点之间的空白 理论上讲 可以有两种简单的填补采样点之间空白 的办法 一是把相邻采样点之间用直线连接起来 这种方式称为 一阶保持 方式 另一种 方式是把每个采样点的幅值保持到下一个采样点 这种方式称 零阶保持 零阶保持 方 式很容易用电路来实现 一阶保持 则很难用电路来实现 因此模拟输出通道中采用零阶 保持器 零阶保持器的实现有两种方式 一种是数字保持方式 即在 D A 之前加设一个寄存器 让每个采样点的数据在该寄存器中一直寄存到本路信号下个采样点数据到来时为止 这样 D A 转换器输出波形就不是离散的脉冲电压而是连续的台阶电压 另一种是模拟保持方式 即在公用的 D A 之后每路加一个采样保持器 保持器将 D A 转换器输出子样电压保持到本 路信号下个子样电压产生时为止 10 在控制系统中被控设备的驱动有哪两种方式 有何异同 答 在控制系统中 对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和数字量 开关量 输出驱动两 种方式 其中模拟量输出是指其输出信号 电压 电流 可变 根据控制算法 使设备在零到 满负荷之间运行 在一定的时间 T 内输出所需的能量 P 开关量输出则是利用控制设备处于 开 或 关 状态的时间来达到运行控制目的 如根据控制算法 同样要在 T 时间内输出 能量 P 则可控制设备满负荷工作时间 t 即采用脉宽调制的方法 同样可达到要求 11 在信号以电压形式传输的模拟电路中 前后两级电路之间 什么情况下需插接电压 跟随器 什么情况下不需要 为什么 答 在要求信号以电压形式传输 即要求前级馈送给后级的电压最大 的模拟电路中 当前 级电路的输出阻抗不是远小于后级电路的输入阻抗时 两者之间需插接电压跟随器 因为电 压跟随器的输入阻抗极高而输出阻抗极低 它插在两者之间 既给前级提供极高的输入阻抗 又给后级提高极低的输出阻抗 这样就能使前级馈送给后级的电压最大 如果前级电路的输 出阻抗极低 或者后级的输入阻抗极高 也就是说 已经满足电压传输最大的条件 两者之 间就无需再插接电压跟随器 12 试述开关量输入输出通道的基本组成 答 开关量输入通道主要由输入缓冲器 输入调理电路 输入地址译码电路等组成 如图 2 3 1 所示 开关量输出通道主要由输出锁存器 输出驱动电路 输出口地址译码电路等组成 如图 2 3 4 所示 图 2 3 1 图 2 3 4 13 单元电路连接时要考虑哪些问题 答 组成测控系统的各单元电路选定以后 就要把它们相互连接起来 为了保证各单元电路 连接起来后仍能正常工作 并彼此配合地实现预期的功能 就必须认真仔细地考虑各单元电 路之间的级联问题 如 电气特性的相互匹配 信号耦合方式 时序配合等 第第 3 章章 1 为什么常见的中小型微机化测控系统大多采用单片机 答 单片机是指将计算机的基本部件集成在一块芯片上而构成的微型计算机 单片机的优点 是可靠性高 控制功能强 易扩展 体积小 用单片机开发各类微机化产品 周期短 成本 低 在计算机和仪器仪表一体化设计中有着一般微机无法比拟的优势 正因为如此 目前常 见的微机化测控系统 特别是中型测控系统和便携式测控仪器大多采用单片机 2 80C51 系列单片机的基本芯片有哪几种 它们有何异同 答 80C51 系列单片机主要有 4 种型号 80C31 80C51 87C51 89C51 四者的区别是 80C31 片内无 ROM 80C51 片内有 4kB ROM 87C51 片内有 4kB EPROM 89C51 片内有 4kB 的 闪速 E2PROM 除此之外 四者的内核结构 引脚 指令系统都相同 3 为什么 80C3l 80C32 单片机的引脚固定接低电平 EA 答 因为 80C3l 80C32 单片机片内无 ROM 故应将引脚固定接低电平 以迫使系统全EA 部执行片外程序存储器程序 4 80C51 程序存储器中哪 5 个单元地址对应哪 5 个中断源的入口地址 答 80C51 程序存储器中有一个固定的中断源入口地址区 这些入口地址不得随意被其他程 序指令占用 5 个中断源的人口地址为 0003H 外部中断 0 入口地址 000BH 定时器 0 溢出中断入口地址 0013H 外部中断 1 入口地址 001BH 定时器 1 溢出中断入口地址 0023H 串行口中断入口地址 5 假设给图 3 2 2 ADC0809 的模拟输入端加 2 5V 直流电压 试确定以下两种情况下 80C51 单片机 P0 0 和 P0 1 读取的 A D 转换结果分别是 0 还是 1 1 VREF 5V VREF 0V 2 VREF 5V VREF 5V 解 1 由题知 UR 5V UR 0V UX 2 5V 代入公式 3 2 1 计算得 D7 D0 10000000 图 3 2 2 中 P0 0 D7 1 P0 1 D6 0 2 由题知 UR 5V UR 5V UX 2 5V 代入公式 3 2 1 计算得 D7 D0 11000000 图 3 2 2 中 P0 0 D7 1 P0 1 D6 1 6 在一个由 80C51 单片机与一片 ADC0809 组成的数据采集系统中 ADC0809 的 8 个输 入通道的地址为 7FF8H 7FFFH 试画出有关接口的电路图 并写出每隔 1min 轮流采集一次 8 个通道数据的程序 共采样 50 次 其采样值存入片外 RAM 中以 2000H 单元开始的存储区 中 答 接口电路可参见图3 2 2 参考程序如下 MAIN MOV R0 20H MOV R1 00H MOV R2 00H MOV R3 50 MOV R7 08H LOOP MOV DPTR 7FF8H LOOP1 MOVX DPTR A MOV R6 0AH DELAY NOP NOP NOP DJNZ R6 DELAY MOVX A DPTR INC DPTR MOV R2 DPL MOV DPH R0 MOV DPL R1 MOVX DPTR A INC DPTR MOV R0 DPH MOV R1 DPL MOV DPH 7FH MOV DPL R2 DJNZ R7 LOOP1 LCALL DELAY1M 延时1分钟 子程序另外编写 DJNZ R3 LOOP 7 图 3 2 6 所示 VFC 接口电路所能转换的模拟电压 Ux 的最大允许值是多少 解 由公式 3 2 1 可得 2 16 0 mS Nf V x x 因的最大计数值为 FFH 即 故模拟电压 Ux 的最大允许值为 1 T 12 16 2 12 16 16 0 max mS f Vx 8 仿照图 3 3 4 设计一个三路同步输出的 D A 转换接口电路并写出接口程序 答 9 串行 ADC 与并行 ADC 有何异同 串行 DAC 与并行 DAC 有何异同 答 串行 ADC 与并行 ADC 二者的模数转换原理相同 通常串行 ADC 是在并行 ADC 之后加一个 并 串转换电路构成的 串行 DAC 与并行 DAC 二者的数模转换原理相同 通常串行 DAC 是在 并行 DAC 之前加一个串 并转换电路构成的 10 说明图 3 3 8 的工作原理及其改进电路 答 图 3 3 8 的工作原理是 当单片机的 P1 0 为高电平时 继电器 J 通电 使开关 S 闭合 交流接触器 CJ 通电 进而使三相电机得电运行 上述电路的缺点是易引起强烈的干扰 一是继电器 J 的通断时触头产生电火花 二是接 触器 CJ 通断时产生很强的电弧 采用固体继电器代替通用型继电器 J 可消除接触器线圈 通断时 J 触点的电火花 但接触器 CJ 动作触点的电弧干扰依然存在 彻底消除电火花和电 弧的干扰 可以采用晶闸管组成的无触点开关 11 LED 显示接口与 LCD 显示接口有哪些相同点 有哪些不同点 答 相同点是 1 两种数字显示器都为 7 段 或 8 段 显示结构 因此也都有 7 个 或 8 个 段选端 并需接段驱动器 2 段驱动器所加段选码都要通过译码从要显示数字的 BCD 码转 换得到 译码方式也有硬件译码和软件译码两种 3 多位显示的方式都有静态和动态两种 方式 不同点是 LCD 数字显示器的公共电极与要显示的笔画电极之间不能加直流电压 只能 加频率为几十赫到数百赫的方波信号 因此 LCD 显示器的驱动接口需要提供该低频方波信 号 而且其显示接口的译码驱动电路与 LED 显示接口的译码驱动电路也不同 二者不能通用 12 LED 静态显示和动态显示在硬件和软件上有哪些主要区别 答 多位 LED 显示器有静态显示和动态显示两种形式 静态显示就是各位同时显示 为此 各位 LED 数码管的位选端应连在一起固定接地 共阴极时 或接 5V 共阳极时 每位数码管 的段选端应分别接一个 8 位锁存器 驱动器 动态显示就是逐位轮流显示 为实现这种显示 方式 各位 LED 数码管的段选端应并接在一起 由同一个 8 位 I O 口或锁存器 驱动器控制 而各位数码管的位选端分别由相应的 I O 口线或锁存器控制 动态 LED 显示程序与静态 LED 显示程序设计有所不同 在动态显示方式中 各个位的内 容是分时轮流输出的 要得到稳定的显示效果 必须不断重复执行显示程序 而在静态显示 方式中 各个位的内容是同时输出的 不需要不断重复执行同一内容的显示程序 仅仅在需 要更新显示内容时 CPU 才执行一次显示更新子程序 13 说明行列式 矩阵式 非编码键盘按键按下的识别原理 答 按键设置在行 列线交点上 行 列线分别连接到按键开关的两端 行线通过 上拉电阻接到 5V 上 无按键按下时 行线处于高电平状态 而当有按键按下时 行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定 列线的电平如果为低 则行线 电平为低 列线的电平如果为高 则行线的电平亦为高 将行 列线信号配合起来 并做适当的处理 就能确定闭合键即按下键的位置 14 键盘有哪三种工作方式 它们各自的工作原理及特点是什么 答 1 编程扫描方式 当单片机空闲时 才调用键盘扫描子程序 反复的扫描键 盘 等待用户从键盘上输入命令或数据 来响应键盘的输入请求 2 定时扫描工 作方式 单片机对键盘的扫描也可用定时扫描方式 即每隔一定的时间对键盘扫描 一次 3 中断工作方式 只有在键盘有键按下时 才执行键盘扫描程序并执行该 按键功能程序 如果无键按下 单片机将不理睬键盘 15 何谓 RS 232C 的电平转换 答 RS 232C 的逻辑电平与一般微处理器的逻辑电平 TTL 电平 是不一致的 因此在实际 应用时 必须把微处理器的信号电平 TTL 电平 转换为 RS 一 232C 电平 或者将 RS 一 232C 电平转换为微处理器的信号电平 TTL 电平 这两种转换是用专用电平转换芯片实现的 MC14488 可将 TTL 电平转换为 RS 一 232C 电平 MC14489 可将 RS 一 232C 电平转换 TTL 电平 单片机的串行口通过电平转换芯片所形成的 RS 232C 标准接口电路如下图所示 16 RS 232C 标准的接口信号有哪几类 说明常用的几根信号线的作用 答 RS 232C 标准接口上的信号线基本上可分为四类 数据信号 4 根 控制信号 12 根 定时信号 3 根 和地 2 根 常用的几根信号线是 TXD 发送数据 RXD 接收数据 RTS 请求发送 DSR 数 据装置就绪 和信号地 17 试比较 RS 232C 与 RS 422 RS 423 连接方式和传输特性的主要差别 答 连接方式比较如下 传输特性的主要差别 RS 232CRS 422RS 423 最大电缆长度 15m600m1200m 最大数据率 20Kb s300Kb s10Mb s 18 IEEE 488 是什么总线 何谓 讲者 听者 控者 答 IEEE 488 标准是为可程控仪器仪表设计的 由美国 Hewlett Packard 公司拟制 因此 又称为 HP IB 或 GP IB 总线 1975 年 IEEE 将其作为规范化的 IEEE 488 标准予以推荐 1977 年 IEC 予以认可 并将其作为国际标准 控者 是对系统进行控制的设备 它能发出接口消息 如各种命令 地址 也能接收 仪器发来的请求和信息 讲者 是发出仪器仪表消息的设备 听者 是接收讲者所发出 的仪器仪表消息的设备 一个系统中可以有一个或几个讲者 但在任一时刻只能有一个讲者 工作 一个系统中可以有几个听者 且可以有一个以上的听者同时工作 第第 4 章章 1 微机测控系统中为什么要对 A D 转换得到的测量数据进行处理 答 如果只考虑微机测控系统的 测量通道 中对测量数据有影响的环节 则测量数据的产 生过程可简化为 可见 A D 转换结果 D 与被测量 X 存在如下关系 FS DE XSM q MU D 在理想情况下 只要知道标准输入 X1产生的测量数据 D1 我们就可从任一测量数据 D 准确 地推算出其对应的被测非电量 X D D X X 1 1 然而 实际情况并没有这样简单 系统本身的参数 S M E 可能会随时间漂移 传感器电压 转换系数 S 还可能随被测非电量变化也有微小变化即存在一定程度非线性 如果我们依然按 照上式来简单地从测量数据推算被测非电量就必然产生误差 因此 我们必须对获得的测量 数据进行必要的处理 消除误差因素 或者说进行误差校正 其目的就是尽可能准确地计算 出实际的被测非电量 2 试述零位误差和灵敏度误差的校正方法 答 零位误差的硬件校正方法是设置调零电位器和调零电路 常见的调零电路有 传感器调 零电路 电桥调零电路 放大器输入偏移调零电路 A D 转换器调零电路 灵敏度误差的硬 件校正方法是调整传感器灵敏度 放大器放大倍数 A D 转换器的基准电压等主要参数 但 最常见的灵敏度调整方法还是调整决定放大器增益的电阻值 线性测试系统零位误差和灵敏度误差的软件校正方法是按照误差校正公式 编写专门的计算子程序 将最近执行 误差校准 操作获得 12 12 11 DD XX DDXX 的最新的校准数据 X1 D1 X2 D2 存入内存 每次测量后就调用该计算子程序 从输出 读数 D 计算出被测量 X 3 为什么要切换量程 怎样实现量程切换 答 为了扩大测量范围并保持一定的测量精度 检测系统大多设置多个量程 普通测量仪表 是用手动换档开关来切换量程 微机化测控系统应能自动进行量程切换 量程自动切换是实 现自动测量的重要组成部分 它使测量过程自动迅速地选择在最佳量程上 这样既能防止数 据溢出和系统过载 又能保证一定的测量精度 根据量程 上限 值的计算公式 SK E x max 要改变量程值 可以有改变传感器灵敏度 S 从传感器到 A D 间信号输入通道的总增益 即 各放大器放大倍数及衰减器衰减系数的连乘积 K A D 转换器基准 满度输入 电压 E 三种 方法 其中改变总增益 K 的方法最常用 4 在图 4 5 1 d 中 什么情况下 A D 转换数据可以直接送去显示 什么情况下不可以 为 什么 答 只有适当选择和调整放大器增益 K 使它满足以下条件 1 0 FS DE SKx 才可将 A D 转换结果直接送去显示 因为满足该条件时 A D 转换结果 Di与被测量 xi的数 值 Ni相等 A D 转换结果就可作为被测量的数值直接送去显示或打印 如果上述条件不满足 A D 转换结果 Di与被测量 xi的数值 Ni不相等 不可以直接作为被测量 xi的数值送去显示 5 温度传感器量程范围是 200 800 在某一时刻微处理器取样并经数字滤波后的数字量为 CDH 求此时的温度 解 温度传感器输出的是电压信号 微处理器取样并经数字滤波后的数字量是电压信号经模 数转换后的数据 此数据与温度值是对应的 但在数字上并不相同 要从模数转换后的数据 求得温度的数字 需经过标度变换 由题意可知 800 H N200 L N 满量程 255 DH FFHD 000 HDL Di CDHD 205 将以上数据代入公式 4 5 10 计算得此时的温度为 682 0255 200800 iLi DNN 微机调用按照公式 4 5 10 算法编制的软件程序计算出温度值 即可送显示器显示出来 6 图 4 5 1 d 中采用线性传感器和采用非线性传感器两种情况下 从 A D 转换数据计 算出显示数据的方法一样吗 为什么 答 不一样 图 4 5 1 d 中采用线性传感器的情况下 测量通道一般也是线性的 可以采用 线性通道的标度变换方法 从 A D 转换数据计算出显示数据 图 4 5 1 d 中采用非线性传 感器的情况下 测量通道就不是线性的 在这种情况下测量通道的 A D 转换结果 Di 与被测 量 xi 也就不成线性关系 因此就不能再用上述线性通道的标度变换方法 应该采用非线性 通道的标度变换方法即非线性校正方法 7 与硬件滤波器相比较 采用数字滤波方法来克服随机误差有何优点 答 与硬件滤波器相比较 采用数字滤波克服干扰 具有如下优点 节省硬件成本 可靠稳 定 功能强 方便灵活 而且不会丢失原始数据 在模拟信号输入通道中使用的频率滤波难 免滤去频率与干扰相同的有用信号 使这部分有用信号不能被转换成数据而存储或记录下来 即在原始数据记录上永久消失 由于数字滤波只是把已采集存储到存储器中的数据读出来进 行数字滤波 只 读 不 写 就不会破坏采集得到的原始数据 8 常用的数字滤波算法有哪些 它们各自对哪种干扰有效 答 常见的数字滤波方法有 1 算术平均滤波法 一般适用于具有随机干扰的信号 的滤波 2 移动平均滤波法 对周期性干扰有良好的抑制作用 平滑度高 灵敏 度低 但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差 3 中位值滤波法 能有效地克 服因偶然因素引起的波动干扰 对温度 液位等变化缓慢的被测参数能收到良好的 滤波效果 但对流量 速度等快速变化的参数一般不宜采用此法 4 去极值平均 值滤波法 算术平均与滑动平均滤波法 在脉冲干扰比较严重的场合 干扰将会 平均 到结果中去 故上述两种平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的误差 这 时可采用去极值平均值滤波法 第第 5 章章 1 试述 P PI PD 控制规律的特点以及连续 PID 算式离散化的方法 答 P 控制规律的特点是根据给定值与实现输出值的偏差的比例确定对控制对象进行控制的 控制量 即 0 uneKnu P PI 控制规律的特点是根据给定值与实现输出值的偏差的比例和积分确定对控制对象进 行控制的控制量 即 0 0 uie T T KneKnu n i I PP PD 控制规律的特点是根据给定值与实现输出值的偏差的比例和微分确定对控制对象进 行控制的控制量 即 0 1 unene T T KneKnu D PP 连续 PID 算式离散化处理的方法是把 r t e t u t c t 在第 n 次采样时刻的数据分 别用 r n e n u n c n 表示 偏差的数据用 e n r n c n 表示 采样周期 T 很小时 dt 可用 T 近似代替 de t 可用 e n e n 1 近似代替 积分 用 求和 近似代替 即可 作如下近似 T nene dt tde 1 n i t Tiedtte 0 0 这样 连续 PID 算式便可离散化为以下差分方程 0 0 1 unene T T Kie T T KneKnu D P n i I PP 2 位置型 PID 和增量型 PID 有什么区别和联系 增量型 PID 有什么优点 答 位置型 PID 和增量型 PID 控制算法的两种表达式分别为 位置型算法 0 0 1 unene T T ie T T neKnu D n i I P 增量型算法 2 1 210 neaneaneanu 利用增量型算法 可得出位置型算法的递推形式 2 1 1 1 210 neaneaneanunununu 增量型算法与位置型算法相比 具有以下优点 1 增量型算法不需要做累加 控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关 计算 误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小 而位置型算法要用到过去的误差的累加值 容易产生大的累加误差 2 增量型算法得出的是控制量的增量 例如阀门控制中 只输出阀门开度的变化部分 误动作影响小 必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出 不会严重影响系统的工作 3 采用增量型算法 易于实现手动到自动的无冲击切换 3 已知某模拟控制器的传递函数 欲用数字 PID 实现之 设采样周 S S SD 05 0 15 0 1 期 试分别写出相应的位置型和增量型 PID 算法表达式 sT1 解 本题给出的传递函数为 S SSE SU SD1 0 05 0 1 1 将本题给出的传递函数与公式 5 1 3 对比可知 该模拟控制器的 1 P K 又已知 将这些参数代入公式 5 1 7 得位置型 PID 算sTI05 0 sTD1 0 sT1 法表达式 0 0 1 1 0 20 uneneienenu n i 将这些参数代入公式 5 1 18 得 再代入公式 5 1 1 21 0 a2 1 1 a1 0 2 a 17 得位置型 PID 算法表达式 2 1 0 1 2 1 1 21 nenenenu 4 完全微分型 PID 算式有何不足之处 为什么可采用不完全微分型算式来克服 答 由图 5 2 2 b 可见 完全微分型 PID 算式的不足之处是 在阶跃输入的作用下 微 分项输出急剧增加 接着又急剧下降为零 因此容易引起控制过程的振荡 导致调节品质下 降 为了克服这一缺点 可采用不完全微分型算法 由图 5 2 2 d 可见 采用不完全微 分算法控制时 微分作用产生的输出是按指数规律逐渐下降的 最终衰减为零 因而系统输 出变化比较缓慢 不易引起振荡 5 何谓积分饱和 其影响如何 具体说明防止积分饱和的方法 答 积分作用虽能消除控制系统的静差 但它也有一个副作用 即会引起积分过量 这是由 于在偏差始终存在的情况下 输出 u n 将达到上 下极限值 此时虽然对 u n 进行了限幅 但积分项仍在累加 从而造成积分过量 当偏差方向改变后 因积分项的累积值很大 nuI 超过了输出值的限幅范围 故需经过一段时间后 输出 u n 才脱离饱和区 这样就造成调 节滞后 使系统出现明显的超调 恶化调节品质 这种由积分项引起的过积分作用称为积分 饱和现象 防止积分饱和的方法有三种 1 积分限幅法 积分限幅法的基本思想是当积分项输出达到输出限幅值时 即停止积 分项的计算 这时积分项的输出取上一时刻的积分值 2 积分分离法 积分分离法的基本思想是在偏差大时不进行积分 仅当偏差的绝对值 小于一预定的门限值 时才进行积分累积 这样既防止了偏差大时有过大的控制量 也避 免了过积分现象 3 变速积分法 变速积分法的基本思想是在偏差较大时积分慢一些 作用相对弱一些 而在偏差较小时 积分快一些 作用强一些 以尽快消除静差 6 在数字 PID 中 采样周期是如何确定的 选择采样周期应考虑哪些因素 答 依据采样定理 采样周期的上限值 应为信号频率组分中最高频率分量的周期的一半 若采样周期 T 大于此上限值 便会丢失部分信息 从而使控制质量变差 一般来说 采样周期的下限值应是微机执行控制程序所需的时间 实际采样周期 T 应在上下限之间选择 选择时应综合考虑如下一些因素 1 给定值的变化频率 加到被控对象上的给定值变化频率越高 采样频率应越高 即 T 应越小 以使给定值的 改变通过采样迅速得到反映 而不致在随动控制中产生大的时延 2 被控对象的特性 若对象是慢速的热工或化工对象时 T 一般取得较大 在对象变化较快的场合 T 应取 得较小 另外尚需考虑干扰的情况 从系统抗干扰的性能要求来看 要求采样周期短 使扰 动能迅速得到校正 3 使用的算式和执行机构的类型 采样周期太小 会使积分作用 微分作用不明显 同时 因受微机计算精度的影响 当 采样周期小到一定程度时 前后两次采样的差别反映不出来 使调节作用因此而减弱 此外 执行机构的动作惯性大 采样周期的选择要与之适应 否则执行机构来不及反应数字控制器 输出值的变化 4 控制的回路数 一般来讲 考虑到计算机的工作量和各个调节回路的计算成本 要求控制的回路较多时 相应的采样周期越长 以使每个回路的调节算法都有足够的时间来完成 第第 6 章章 1 监控程序主要由哪些模块组成 答 监控程序的组成主要取决于测控系统的组成规模 以及系统的硬件配备与功能 通常由 监控主程序 初始化管理 键盘管理 显示管理 中断管理 时钟管理 自诊断 手 自动 控制等模块组成 2 试述一键一义键盘管理的实现方法 答 一键一义即一个按键代表一个确切的命令或一个数字 编程时只要根据当前按键的编码 把程序直接转移到相应的处理模块的入口 而无需知道在此以前的按键情况 键盘信号的获得有三种方法 第一种是单纯查询法 主程序用扫描键盘等手段来获取键 盘信息 微处理器 机 周而复始地扫描键盘 当发现按键时 首先判别是命令键还是数字键 若是数字键 则把按键读数读入存储器 通常还进行显示 若是命令键 则根据按键读数查 阅转移表 以获得处理子程序的入口 处理子程序执行完后继续扫描键盘 第二种办法是中 断方法 按下任何键都引起一个中断请求 键码分析过程放在中断子程序中 这种方法需独 自占用一个外部中断源 第三种办法是定时查询方法 每隔一定时间查询一次键盘 由于时 间间隔通常很短 对于操作者来说键盘的响应是实时的 键盘的查询过程安排在定时中断程 序中完成 3 何谓中断 何谓中断源 单片机测控系统中常见的中断源有哪些 设置中断优先级的 目的是什么 答 所谓中断是指 CPU 在正常运行程序时 由于出现了内部或外部事件或者是程序事先安排 的事件 使得 CPU 中止正在运行的程序而转去执行事件服务的程序 待处理完毕后 返回到 被暂时中断的程序接着往下执行 这个过程称为中断 能够发出中断请求信号的外设或事件 称为中断源 微机化测控系统中常见的中断源有 过程通道 实时时钟 面板按键 通信接 口 系统故障 在实际系统中往往有两个以上的中断源 设计者要根据测控系统的功能特点 确定多个 中断源的优先级 以便区别轻重缓急在软件上作出相应处理 通常 当多个中断源同时提出 申请时 主机要识别出哪些中断源在申请中断 辨别和比较它们的优先级 优先响应级别高 的中断请求 另外 当 CPU 在处理中断时 还要能响应更高级的中断请求 而屏蔽掉同级或 较低级的中断请求 这就要求设计者精心安排多中断源的级别及响应时间 使次要工作不致 影响主要工作 4 在微机化测控系统中实现定时的方法有哪几种 答 有三种 1 硬件方法 是采用可编程定时 计数器接口电路 如 CTC 8253 以及单片机 内的定时电路 2 软件方法 是执行一段预先编制好的延时子程序 3 软件与硬件相结合 的方法 5 如何实现手动操作以及手 自动之间的无扰动切换 答 微机化控制系统的基本工作方式是自动控制 但在系统调试 测试和系统投运时 往往 要用手操方式来调整输出控制值 在手操方式时 系统的自动控制功能暂停 改由面板上的 输出加 减两键来调整输出值 在进行手 自动切换时 必须保证无扰动 为了实现无扰动 切换 软件设计人员要在用户 RAM 区中开辟一个输出控制值单元 作为当前输出控制量的映 象 无论是手操还是自动控制 都是对这一输出值的映象单元进行加或减 在输出模块程序 作用下 输出通道把此值送到执行机构上去 这样就用极其简单的方法实现了无扰动切换 6 为什么微机化测控系统要具备自检功能 自检方式有哪几种 常见自检内容有哪些 答 自检就是利用事先编制的程序对测控系统的主要部件进行自动检测 以确定是否有故障 以及故障的内容和位置 自检是微机化测控系统应具备的基本功能之一 也是提高可靠性和 可维护性的重要手段之一 一般地讲 故障诊断的基本原理是对被测部件输入一串数据 试验数据 然后观察相 应的输出数据 并对观察结果进行分析 确定故障的内容和位置 试验数据 观察到的结果 数据和故障的对应关系应在故障诊断前准备好 微机化测控系统的自检方式可分为三种类型 开机自检 在电源接通或系统复位之后 进行 周期性自检 运行过程中 间断插入自检操作 键盘自检 面板上设 自检 按键 当用户对系统的可信度发出怀疑时 便通过该键来启动一次自检过程 一般来说 常见自检内容包括 ROM RAM 总线 显示器 键盘以及测量电路等部件 的检测 测控系统能够进行自检的项目越多 使用和维修就越方便 但相应的硬件和软件也 越复杂 第第 7 章章 1 电路输入阻抗高 是否容易接收高频噪声干扰 为什么 答 电路输入阻抗高 是容易接收高频噪声干扰 因为电路所接收的高频噪声干扰的电压与 噪声干扰的频率成正比 与电路的输入阻抗成正比 2 接地方式有几种 各适用于什么情况 答 接地方式有单点接地 串联单点接地和并联单点接地 和多点接地两种方式 单点接地主要用于低频系统 不能用于高频信号系统 因为这种接地系统中地线一般都 比较长 在高频情况下 地线的等效电感和各个地线之间杂散电容耦合的影响是不容忽视的 当地线的长度等于信号波长 光速与信号频率之比 的奇数倍时 地线呈现极高阻抗 变成一 个发射天线 将对邻近电路产生严重的辐射干扰 多点接地方式多用于高频系统 多点接地不能用在低频系统中 因为各个电路的地电流 流过地线汇流排的电阻会产生公共阻抗耦合噪声 3 信号传输线屏蔽层接地点应怎样选择 答 当放大器接地而信号源浮地时 屏蔽层的接地点应选在放大器的低输入端 此时出现在 放大器输入端之间的噪声电压几乎为零 当信号源接地而放大器浮地时 信号传输线的屏蔽 应接到信号源的低端 此时出现在放大器输入端之间的噪声电压几乎为零 4 何谓 接地环路 它有什么危害 应怎样避免 答 当信号源和系统地都接大地时 两者之间构成的环路称为接地环路 如下图所示 通常 信号源和系统之间的距离可达数米至数十米 由于大地电阻和地电流的影响 将 使这两个接地点之间存在电位差 地电压 由等效电路下图 b 可见 地电压在 G V G V 系统的两输入端将形成干扰电压 而且大小几乎接近 因此其影响不可忽略 N V N V G V 为了避免形成接地环路产生干扰 应改为一点接地 并保持信号源与地隔离 如上图 a 所示 图中 Rsg 为信号源对地的漏电阻 由等效电路上图 b 可见 由于 Rsg 非常大 地电压在系统的两输入端将形成干扰电压将远远小于 比信号源接地时的干扰电 G V N V G V 压大有改善 此外 也可采用隔离变压器 纵向扼流圈 光电耦合器来切断接地环路 5 屏蔽有哪几种类型 屏蔽结构有哪几种形式 答 屏蔽有三种类型 静电屏蔽 电磁屏蔽 磁屏蔽 静电屏蔽是 用一个金属屏蔽盒罩住 被干扰的电路 或干扰源 且将金属盒接地 以消除外部的静电干扰 或抑制干扰源对外 部的干扰 电磁屏蔽是 用低内阻的金属材料制成屏蔽罩罩住被干扰的电路 外部高频电 磁场在导电性能良好的金属屏蔽罩内产生涡电流 该涡电流产生的反磁场可抵消高频干扰磁 场 从而达到电磁屏蔽的目的 磁屏蔽是 用高导磁材料 例如玻莫合金 制成屏蔽罩 使低 频磁场干扰的磁力线大部分在屏蔽罩内构成回路 泄漏到屏蔽罩外的干扰磁通就很少 从而 达到抑制低频磁场干扰的目的 屏蔽结构形式主要有屏蔽罩 屏蔽栅网 屏蔽铜箔 隔离仓和导电涂料等 6 为什么长线传输大都采用双绞线传输 答 在远距离信号传输的情况下 如果采取单线传输单端对地输入的方式 那么传输线上的 感应干扰电压 Un 和地电压 Um 都会与被测信号 Us 相串联 形成差模干扰 为了避免这种后 果 通常远距离信号传输采取双线传输双端差动输入的方式 而且为了实现双线平衡传输 通常采用双绞线 由于双线绞合较紧 各方面处于基本相同的条件 因此有很好的平衡特性 而且双绞线对电感耦合噪声有很好的抑制作用 7 为什么要在每个电路板的电源与地之间并接去耦电容 加几个去耦电容 电容量选 多大为宜 答 在每块印刷电路板的电源输入端跨接的电容应为一个 10 100 F 的大容量电 解电容 如体积允许 电容量大一些更好 和一个 0 01 0 1 F 的非电解电容 用 于去除干扰中的高频干扰和低频干扰 并接大电容为了去掉低频干扰成分 并接小 电容为了去掉高频干扰部分 8 为什么光电耦合器具有很强的抗干扰能力 采用光电耦合器时 输入和输出部分能否 共用电源 为什么 答 光耦合器由一只发光二极管和一只光电晶体管装在同一密封管壳内构成 发光二极管把 电信号转换为光信号 光电晶体管把光信号再转换为电信号 这种 电 光 电 转换在完 全密封条件下进行 不会受到外界光的影响 由于信号传递是靠光传递 切断了两个电路之 间电的联系 因此两电路之间的地电位差就再不会形成干扰了 光电耦合器的数字电路光耦合器的输入阻抗很低 一般在 100 1000 之间 而干扰 源的内阻一般很大 通常为 根据分压原理可知 这时能馈送到光电耦合器输 65 10 10 入端的噪声自然很小 即