北航三系计算机测试与控制复习题答案

1 计算机测试与控制复习题 1 绪论部分 1 计算机测控系统的特点和功能 能给出 4 项以上主要功能 自动对零功能 量程自动切换功能 多点快速测控 数字滤波功能 自动修正误差 数据处理功能 2 了解计算机测控系统主要组成框图 3 测控通道主要包括哪几种类型 模拟量输入通道 模拟量输出通道 开关量输入通道 开关量输出通道 4 计算机测控系统的工作步骤主要分为哪三步 实时 的含义 实时数据采集实时数据采集 通过测量变送装置完成被控量的瞬时值的检测和输入 实时控制决策实时控制决策 对采集的数据进 行分析和处理 按预定的控制策略决定采取何种控制行 为 实时控制输出实时控制输出 根据控制决策 向执行机构发出实时控制信号 完成系统控制任务 实时 的含义是指信号的输入 计算和输出都要在一定的时间间隔内完成 2 测控通道部分 1 多通道模拟量输入通道结构形式有哪几种 各自的特点 按照系统中数据采集电路数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个可分为两种 集中采集式集中采集式 有分时采集型和同步采集型两种 多路分时采集分时输入 共用采样 保持 器 S H 和 A D 电路 电路简化 存在时间偏斜误差 适合中低速测试系统 多路同步采 集分时输出 实现同步采样 信号路数较多时采样率不可能太高 分散采集式分散采集式 每一路信号都有一个 S H 和 A D 多路同时采集同时输入 2 2 为什么电流输出传感器比电压输出传感器更适合信号远距离传输 4 20mA 电流传感器与 0 20mA 的优点是什么 电流型信号既能保证精度又抗干扰 理想情况的外特性 相当于一个非常大的电压源串联 了一个非常大的内阻 传输线上的电阻和接线处的接触电阻只要不太大 只要和负载电阻 之和仍然远远小于信号源内阻 就可以认为不影响收到的电流大小 仍然等于信号源的 短路电流 4 20mA 电流传感器可以用来检测电路中是否有断线 对于 0 20mA 上电就为 0 坏了也是 0mA 改为 4mA 如果线路损坏 断路 就是 0mA 正常就是 4mA 变送器电路没有静态工作 电流将无法工作 信号起点电流 4mA DC 就是变送器的静态工作电流 3 模拟量输入调理电路的作用主要有哪些 3 种以上 实现物理信号向电信号的转换 小信号放大 滤波 零点校正 线性化处理 温度补偿 误差修正和量程切换等 4 模拟量输入调理中前置放大器的作用 前置放大器安排在滤波器之前还 是之后 为什么 作用 多数传感器输出信号都比较小 必须选用前置放大器进行放大 低噪声前置放大器低噪声前置放大器安排在滤波器之前 防止小信号被电路噪声淹没 有利于减少电路的等 效输入噪声 5 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 放大器的依据是什么 主放大器 采集电路中的放大器 任务是将模拟信号数字化 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 依据 如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号 而且各路信号的幅值也相 差不大 那就没必要设置主放大器 Vij 随 i 和 j 变化不大 选取 程控增益放大器 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 信号的幅值相差很大 Vij 不随 j 变化但随 i 变化很大 瞬时浮点放大器 被测量的多路模拟信号是随时间变化很快很大的信号 而且同 一时刻各路信号的幅度也不一样 Vij 随 i 和 j 变化 6 抗混叠滤波器的作用 滤掉被采样信号中高于 fs 2 的频率分量 消除混叠失真混叠失真 由于实际低通滤波器的幅频特性 不是矩形 即其下降陡度是有限值 而抗混叠滤波器的陡度应能保证把高于 fs 2 的干扰衰 减到 A D 的最小量化电平以下 3 7 采样保持器的主要参数 A D 转换加或不加采样保持器转换信号允许的 最高频率分别为多少 主要参数 孔径时间孔径时间 从发出保持指令到模拟开关完全断开时间 tAP 捕捉时间捕捉时间 从发出 采样指令后 S H 输出电压从原来保持值过渡到跟踪输入信号所需时间 tAC 不加采样保持器 A D 的位数 m 不加 A D 转换时间为 tc m ax1 1 2m c f t A A 加采样保持器 如果采样保持器的捕获时间为 TAC 孔径时间为 TAP A D 转换时间为 tc 为使孔径时间造成的误差小于 1LSB 则输入信号的最高频率 m ax1 1 2m AP f t A A 而满足采样定理的输入信号的最高频率 m ax 1 2 APACc f TTt A 8 十进制 A D 如 3 位半 和二进制 A D 如 8 位 的分辨率如何计算 3 位半 A D 输出为四位 最高位只输出 0 和 1 其他三位可显示 0 到 9 各位数 分辨率 1 0 0005 1999 D 二进制 A D 11 212 nn D 8 位 已知分辨率计算位数 2 0 1 l og 1 n D 9 模拟量输入通道 A D 转换器选择的主要依据是什么 位数的确定 信号的动态范围 转换精度 A D 转换速率的确定 转换速率 单位时间内所能完成的转换次数 应由转换时间 tc 和休止时间 t0 二者共 4 同决定 10 模拟量输出通道的结构类型有哪几种 数据分配分时转换结构 数据分配同步转换结构 模拟分配分时转换结构 11 为什么模拟量 开关量输出通道要通过锁存器与计算机数据数据总线相连 D A 芯片中集成两级锁存器结构的用途是什么 D A 转换需要一定时间且测控计算机接口总线不能被 D A 独占 所以 D A 输入端必须设置 锁存器 以提供数据锁存功能 两级锁存器两级锁存器 能实现多通道 D A 的同步转换输出 12 开关量输入通道为什么通过输入缓冲器与计算机数据数据总线相连 输入缓冲器的作用是将外部开关量输入设备与计算机总线隔离 当需要读入开关量状态信 息时 缓冲器接通 使开关量数据通过总线读入计算机 13 机械开关闭合状态输入往往出现信号抖动 可以采用什么措施可靠读入 开关状态信息 采用积分电路积分电路 采用 R S 触发器触发器 14 开关量输出驱动感性负载可能引起的干扰或潜在危害是什么 可以采取 5 的主要保护或抑制措施有哪些 在感性负载情况下 电流相位滞后于电压 电流过零 会产生较高的反向感应电压 直流 采用续流二极管 交流 RC 吸收回路 15 固态继电器与机械触点继电器比的优点有哪些 寿命高 可靠性高 输入驱动信号通过光电耦合器与输出隔离 抗干扰能力强 可 直接与测控计算机 I O 口相联 快速转换 灵敏度高 需要的控制电流很小 16 了解步进电机驱动原理 能够画出三相步进电机单三拍正反转驱动波形 六拍驱动正反转波形 双三拍正反转驱动波形 电机转子均匀分布着很多小齿 定子齿有三 个励磁绕组 定子几何轴线依次分别与转子齿 轴线错开 0 1 3 2 3 单三拍正转 与 六拍正转的波形图 反转把 图中 B C 字母交换 单三拍 A B C A 正 A C B A 反 六拍 A AB B BC C CA A 正 A AC C CB B BA A 反 双三拍 AB BC CA AB 正 AB BC AB 反 17 了解直流电机 PWM 调速原理 P45 脉冲宽度调制 PWM 通过调节直流电机电枢上电压的占空比来改变 平均电压的大小 从而控制电机的转速 改变通电的方向 可改变电机 转动的方向 18 单元电路级联设计中 若分别要求信号源馈送给负载的电压 电流 功 率最大 则对级联单元间阻抗匹配的要求是什么 匹配程度 6 19 信号以电压形式传输的模拟电路中 在前后级电路之间什么情况下需要 插入电压跟随器 什么情况不需要 为什么 P49 为实现负载匹配 在前级电路输出阻抗很大时需要插入电压跟随器 因为电压跟随器的输入阻抗大 输出阻抗小 插入电压跟随器 可以使负载获得更大的分 压 20 单元电路之间信号耦合方式有哪些种类 光电耦合为什么抗干扰能力强 直接耦合 上一级输出直接与下一级输入相连 两个单元电路存在 相互影响 阻容耦合 通过隔直电容耦合 隔直传变 变压器耦合 通过变压器电磁耦合 隔直传变 光电耦合 电信号变为光信号实现耦合 光电耦合实现了上下级之间的电气隔离 而且噪声源产生的大电压小电流不足以使光电耦 合导通 因而光电耦合抗干扰能力强 21 单片机与 CPU 的区别 MCS 51 单片机是多少位单片机 其数据线多少 位 地址线多少位 外扩程序存储器空间和数据存储器空间最大为多少 这两个空间是否重叠 单片机内除了集成有 CPU 外 还集成了存储器 RAM ROM 输入输出接口 I O 计数器 定时器以及其他有关部件 一块芯片就构成一台有独立功能的计算机 而 CPU 主要功能 是处理数据 只是单片机的一部分 MCS 51 单片机是 8 位单片机 数据线 8 位 地址线 16 位 程序存储器和数据存储器的最 大扩展空间各为 64KB 不重叠 7 22 单片机外部存储器 扩展可编程器件寻址方式 线选法 译码法 原理 线选法线选法 直接利用系统的高位地址线作为存储器芯片 或 I O 接口芯片 的片选信号 当要选中某个芯片时 单片机对应的片选信号引脚应为低电平 其它引脚为高 电平 优点 电路简单 不需要地址译码器硬件 体积小 成本低 缺点 可寻址的器件数目受到限制 地址空间不连续 地址不唯一 译码法译码法 利用常用的译码器芯片 74LS138 3 8 译码器 74LS139 双 2 4 译码器 74LS154 4 16 译码器 产生片选信号 单片机发地址码时 译码器只有某一 个固定的引脚输出为低电平 其余的为高电平 同类存储器间不会产生地址重 叠的问题 23 串行通信与并行通信的区别 同步和异步通信的区别 串行通信 所传送数据的各位按顺序一位一位地发送或接收 只需一根数据 一根地线 共 2 根 如双向通信发 送和接收各需 1 根数据线 成本低 硬件方便 适合远距离通信 传输速度低 并行通信 所传送数据的各位同时发送或接收 还可附加一位数据校验位 数据有多少 位就需要多少根数据线 速度快 成本高 适合近距离传输 异步 串行 通信是以字符字符为单位传送数据 用起始位 0 和停止位 1 标识每个字符的开始 和结束 两次传送时间间隔不固定 为可靠传递数据 在每次传送数据同时 增加了一些 标志位 同步 串行 通信以数据块数据块为单位传送数据 用同步字符 常约定 1 2 个字节 指示一帧的 开始 除数据线 地线 还有时钟同步线 为提高速度去掉了标志位 24 什么是全双工 什么是半双工通信方式 按通信方向氛围单工 半双工 全双工通信方式 单工方式 一端是发送端 另外一端是接收端 半双工 每端口有一个发送器和一个接收器 通过开关连接在线路上 数据可以双向传 送 全双工 通信双方用两个独立的收发器单独连接 可以同时发送和接收数据 因而提高速 度 25 RS232C 标准的电气特性 电缆长度 逻辑电平 通信速率 最大电缆长度 15 米 最大传输速率 20KB S 采用负逻辑 1 5V 15V 0 5V 15V 不带负载时输出电平 25V 25V 8 输出短路电流 自动 尽管控制系统不进行 PID 计算 但应使给定值跟踪被控量 同时将历史数据 e n 1 和 e n 2 清零 还要使 u n 1 跟踪手动控制量 这样一旦切向自动 控制量输出等于切换瞬间的 14 手动控制量 这就保证了 PID 控制量的连续性 自动 手动 手操器或软手动具有输出跟踪功能 即在自动状态下能够跟踪 PID 算法的输出控制量 5 监控程序部分可以忽略 6 抗干扰设计 1 形成噪声干扰的三要素 噪声源 耦合通道 接收电路 敏感电路 2 电容耦合 电感耦合 公共阻抗耦合等对应的主要噪声源 通常所采取 的主要抗干扰措施 电容耦合 静电耦合 主要为小电流 高电压 高频噪声源 减小接收电路阻抗 Zi 合理布线减小分布电容 Cm 电感耦合 电磁耦合 大电流 低电压噪声源 对容易受干扰的器件或电路加以屏蔽 公共阻抗耦合 两个或两个以上电路存在公共阻抗时 一个电路中的电流变化在公共阻抗 上产生的电压 对电源内阻抗耦合 1 减小电源的内阻 2 在电路中增加电源退耦滤波电路 公共地线耦合 对输出阻抗耦合 减小输出阻抗 3 差模噪声 共模噪声的概念及共模抑制比 1 差模噪声 使接收电路的一个输入端相对于另一输入端产生电位差的噪声 2 共模噪声 相对于公共的电位基准点 在系统的接收电路两个输入端上同时出现的噪声 3 共模抑制比 放大器对差模信号的电压放大倍数 Kd 与对共模信号的电压放大倍数 Kc 之 比 4 了解差模干扰的抑制方法 共模干扰的抑制方法 抑制差模干扰抑制差模干扰 采用低通滤波器滤掉交流干扰 尽可能早对被测信号进行前置放大 以提高信噪比 检测系统采用高抗扰度元器件 提高阀值电平 采用低速逻辑部件抑制高频干扰 注意信号线屏蔽和接地良好 抑制共模干扰抑制共模干扰 采用双端输入的差分放大器作为仪表输入通道的前置放大器 CMRR 可达 100 15 160dB 是抑制共模干扰的有效方法 将 模拟地 与 数字地 隔离 共模干扰构不成回路 会被有效抑制 利用屏蔽的方法使输入信号的 模拟地 浮空 也可以抑制共模干扰 采用单点接地 避免形成共地回路 5 什么情况会形成 接地环路 接地环路 对测量结果的影响 信号源和测量系统地都接大地时 形成接地环路接地环路 由于大地电阻和地电流的影响 任何两个接地点的电位都不相等 通常信号源和系统之间 的距离可达数 m 至数十 m 此时这两个接地点之间的电位差的影响将不能忽视 工业系统 中常常是一个幅值随机变化的 50Hz 的噪声电压 6 单点接地和多点接地对应的不同应用场合 接地设计原则接地设计原则 低频电路 系统采取单点接地 高频电路 系统采取多点接地 通常低于 1MHz 采用单点接地 高于 10MHz 采用多点接地 而 1 10MHz 之间可采用单 点接地 但地线长度必须小于信号波长的二十分之一 所有地线长度都不应大于 1 5 米 否则会产生辐射只能采用多点接地 7 串联单点接地方式下 为使干扰最小 应把电平高还是电平低的电路安 置在接地点最近的地方 串行接地存在接地线电阻 又由于各电路地电流的汇流 将造成较大的接地噪声压降 所 以小电流和地电位差敏感的电路应尽量靠近主接地点 即电平低的电路 8 什么是长线传输中的 反射 现象 产生的原因是什么 如何抑制这种 干扰 数字信号的长线传输不仅容易耦合外界噪声 还会因传输线两端阻抗不匹配而出现信号在 传输线上反射的现象 使信号波形发生畸变 主要措施 阻抗匹配 长线驱动 9 印制板设计中模拟地和数字地应该如何布置 数字地和模拟地分开设计 在电源处两种地线相连 且地线应尽量加粗 10 印制电路板中去耦电容的作用 应该布置在什么位置 集成电路在工作状态翻转时 其工作电流变化很大 形成尖峰噪声干扰 通过在集成电路 旁增加旁路去耦电容来抑制集成电路工作电流突变 位置 电源去耦就是在每个印制板入口处的电源线与地线之间并接去耦电容 集成芯片去 耦必须将去耦电容安装在本集成芯片的 Vcc 和 GND 线之间 11 软件抗干扰措施的前提条件 在干扰作用下 微机系统硬件部分不会受到任何损坏 或易损坏部分设置有监测状态可 供查询 程序区不会受干扰侵害 16 RAM 区中的重要数据不被破坏 或虽被破坏可以重新建立 12 主要软件抗干扰措施的原理 重点 C 语言可实现的方法 软件冗余技术软件冗余技术 1 指令冗余技术 多使用单字 节指令 并在关键地方人为插入 NOP 使 乱飞 程序 在程序区纳入正轨 重要指令冗余 确保这些指令的正确执行 2 时间冗余技术 重复检测法 多次检测结果一致则为真的输入信号 重复输出法 指令复执技术 重复执行无破坏的现行指令 程序卷回技术 重复执行一小段程序 延时避开法 软件陷阱技术软件陷阱技术 用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址 0000H 在此处将程序转向专门对 程序出错进行处理的程序 使程序纳入正轨 13 什么是 看门狗 技术 软件看门狗 和 硬件看门狗 实现单点结 果有何差别 看门狗看门狗 技术 技术 程序监视技术 基本原理是不断监视程序循环的运行时间 若发现超过正常运行所需的时 间 则认为进入死循环 将强迫程序返回初始入口 或出错处理程序入口 硬件看门狗技术能够监视程序陷入死循环 但对中断关闭无能为力 而软件看门狗能够监 视中断关闭故障 但对高级中断陷入死循环无能为力 14 什么是 热启动 什么是 冷启动 怎么自动识别当前启动属于哪 一种启动 1 微机启动启动方式 热启动热启动 故障复位 即再次启动 热启动的特征是不需要全部进行初始化 测控程序不必 从头开始执行 而应从故障部位开