测量算法与系统优化

测量算法与系统优化第1页，课件共120页，创作于2023年2月目录5.1测量算法5.2测量精确度的提高5.3智能仪器的低功耗设计5.4智能仪器的抗干扰设计习题与思考题第2页，课件共120页，创作于2023年2月5.1测量算法测量算法——为仪器实现测量功能所编制的各种程序。本节介绍智能仪器中常用的几种较典型的算法。一、量程选择二、极限判断与越限报警三、自检算法四、标度变换五、智能仪器的软件主流程实例第3页，课件共120页，创作于2023年2月一、量程选择1、手动选择量程：通过键盘输入量程命令，仪器内部的CPU据此输出相应的开关量而设置仪器的量程。第4页，课件共120页，创作于2023年2月一、量程选择2、自动选择量程：CPU可根据被测量的大小自动选择适当量程。下图是自动选择量程的流程图。第5页，课件共120页，创作于2023年2月一、量程选择3、由系统控制器选择量程：当仪器工作在此方式时，系统控制器通过GP-IB总线向仪器发布量程命令，仪器内部的CPU据此命令送出开关量选择相应的量程。第6页，课件共120页，创作于2023年2月二、极限判断与越限报警智能仪器在自动检测参数时，往往要判断被测参数是否超出某个界限，自动检测程序就是将每个被测参数与事先规定的上、下限进行比较，根据比较结果，做出相应的判断，并给出分类操作和报警。下图是自动检测程序流程图。第7页，课件共120页，创作于2023年2月二、极限判断与越限报警第8页，课件共120页，创作于2023年2月三、自检算法智能仪器可进行自测试和自诊断，即自检操作。仪器自检通常是检测电路中的一些测试点，这些测试点在电路正常时的测试值设计时就存在ROM中，在自检过程中CPU把当时测试值与正常值进行比较，如果两者相等或在允许误差的范围之内，则显示PASS（通过），否则显示错误（用代码显示故障部位）。第9页，课件共120页，创作于2023年2月三、自检算法自检分三种类型1、开机自检每当电源接通（或仪器复位）就进行一次，在以后的测量过程中不再进行。主要检查显示器、仪器的接插件、RAM、ROM等，如果正常，使面板显示器全亮，即888……或显示仪器的某些特征字符；如不正常，则显示故障代号提醒用户。第10页，课件共120页，创作于2023年2月三、自检算法2、周期性自检为了使仪器一直处于最佳的工作状态，大部分自检操作需要在测量过程中周期性地、重复地进行。通常是在每次测量间歇插入一项自检操作，多次测量之后便可完成仪器的全部自检项目，周而复始。第11页，课件共120页，创作于2023年2月三、自检算法该算法的核心是将自检例程TSTi按自检序号TNUM的顺序排列成自检项目表，如图所示。自检例程实际就是该项自检的子程序入口地址，在表中占两个字节。自检开始时，根据自检序号和自检项目表的首址TPT找到自检例程，控制便转向该项自检操作。程序中设置故障标志TFi，检测有故障则置1，否则清0。第12页，课件共120页，创作于2023年2月三、自检算法图5-3进行一项自检操作流程图第13页，课件共120页，创作于2023年2月三、自检算法图5-4包括自检的系统操作流程图第14页，课件共120页，创作于2023年2月三、自检算法3、键控自检即在仪器面板上设置自检按键，用来启动自检程序，微处理器根据按键译码后转到相应的自检程序执行自检操作。第15页，课件共120页，创作于2023年2月四、标度变换智能仪器中各种非电检测量一般均通过传感器转换为电量，再经过A/D转换得到与检测量相对应的数字量。在人机界面中，这些检测量必须以有单位的十进制数显示或打印出来。标度变换——完成从数字量到有单位的十进制数据转换过程标度变换有线性变换和非线性变换两种。第16页，课件共120页，创作于2023年2月四、标度变换

1.线性变换传感器在额定范围内的输出信号与被测量具有较好的线性关系——采用线性标度变换算法。

被测量的变换范围为A0～Am物理量的实际测量值为AxA0对应的数字量为N0，Am对应的数字量为Nm，Ax对应的数字量为Nx，则标度变换公式为：

Ax=(Am－A0)(Nx－N0)/(Nm－N0)+A0

第17页，课件共120页，创作于2023年2月四、标度变换一般通过一定的处理可以使被测参量的起点A0对应A/D转换值N0为0，这样上式就变为Ax=(Am－A0)(Nx/Nm)+A0第18页，课件共120页，创作于2023年2月四、标度变换2.

非线性变换传感器在额定范围内的输出信号与被测物理量不成线性关系——采用非线性标度变换。如果这种非线性关系可以用数学表达式描述，则可以用数学运算来完成非线性标度变换。描述非线性关系的数学表达式可能是二次以上的多项式，也可能包含开方或其他超越函数的表达式。为了保证运算精度，非线性标度变换算法多采用浮点算法。如果传感器的非线性不能用数学表达式描述，则只好用表格来描述。表格中的数据通过定标来获得，这时非线性标度变换通过查表和插值运算来完成。第19页，课件共120页，创作于2023年2月BYl951A型数字多用表可测量直流电压、交流电压、电阻和频率。测量直流电压的精度为0.005％，最高分辨率达。它带有GP-IB接口，具备除控制功能之外的其他9种接口功能，仪器具有包括开方、乘法、偏差、比例、统计等在内的12种运算功能，具有自校和自诊断功能，能诊断A/D转换器、数字逻辑电路及显示器等部件的功能，最高采样速率接近300次/秒。五、智能仪器的软件主流程实例第20页，课件共120页，创作于2023年2月五、智能仪器的软件主流程实例该仪器采用电压反馈V/F式的A/D转换器。原理框图见图5-5。V/F转换器把电压转换为与其成比例的频率，而F/V转换器则相反，把频率转换为与其成比例的电压。反馈环的输出为频率f，输入为被测电压Ui，两者的关系为第21页，课件共120页，创作于2023年2月五、智能仪器的软件主流程实例K1～K4为电路开环增益。若选择电路参数使其满足K1K2K3K4>>1，则上式简化为若K3、K4保持恒定，则Ui－f保持线性关系。因为这种转换器把电压直接转换为频率，因而称为V/F式A/D转换器。第22页，课件共120页，创作于2023年2月五、智能仪器的软件主流程实例实际上，由于元器件的老化和环境条件的变化，K3、K4的数值会变化，使Ui－f的定量关系受到破坏，产生误差。为此，仪器每隔2分钟自校准一次。校准原理如下：在图5-6中，直线①是准确的U－f关系曲线，其方程为选择常数a＝100000，fo为已知常数。当K3、K4变化时，实际的U－f关系如曲线②所示，表示为第23页，课件共120页，创作于2023年2月自校准时，仪器对±2V高稳定直流电压进行测量，结果为五、智能仪器的软件主流程实例得第24页，课件共120页，创作于2023年2月在校准期，微处理器根据测量值、求出A和B，并存在RAM中。在测量期，根据实际测量值，利用求出较为准确的f值。五、智能仪器的软件主流程实例由上式可求得最后所要求的结果为式中，第25页，课件共120页，创作于2023年2月五、智能仪器的软件主流程实例BY1951A数字多用表的总流程图第26页，课件共120页，创作于2023年2月第27页，课件共120页，创作于2023年2月5.2测量精确度的提高一、随机误差与数字滤波

1.随机误差及其处理方法2.数字滤波程序二、系统误差的处理1.非线性特性的校正2.偏移和增益误差的自动校准3.归一化技术及频率响应误差的校准4.最佳测量方法的自动选择第28页，课件共120页，创作于2023年2月5.2测量精确度的提高一、随机误差与数字滤波智能仪器可利用内部的CPU对测量数据进行加工处理，减少测量过程中产生的随机误差和系统误差，从而大大提高测量精确度。

1.随机误差及其处理方法随机误差由一系列互不相干的独立因素，如外界电磁场的微小变化，热状态的起伏、空气的扰动、大地的微震、随机干扰信号对测定值的综合影响所造成的。在相同的条件下多次测量同一被测量时，随机误差的绝对值和符号的变化没有确定的规律，也不可预见。但在多次重复测量时，随机误差服从统计规律。第29页，课件共120页，创作于2023年2月一、随机误差与数字滤波

1.随机误差及其处理方法处理方法：1)、时间平均：对一个不规则的波形，在充分长的时间内进行平均。2)、总体平均：在相同的条件下多次重复测量，然后求出各次测量在同一时间的算术平均。第30页，课件共120页，创作于2023年2月

1.随机误差及其处理方法

3)、滑动平均：对测量数据边平均边移动窗口，每次只需测量一次，平均的次数总是N。一、随机误差与数字滤波第31页，课件共120页，创作于2023年2月一、随机误差与数字滤波2.数字滤波程序数字滤波程序，就是通过一定的计算或判断来提高信噪比，它与硬件RC滤波器相比有以下优点：1)、成本低、可靠性高、稳定性好、不存在阻抗匹配问题、通用性好。2)、可对很低的频率滤波。3)、灵活性好，可用不同的滤波程序实现不同的滤波方法或改变滤波器的参数适应不同的滤波要求。第32页，课件共120页，创作于2023年2月常用的数字滤波方法：1)、程序判断滤波：

程序判断滤波是根据经验，确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差Δx，若超过此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉，用上次采样值作为本次采样值；若小于或等于Δx，表明没有受到干扰，本次采样值有效。当采样信号受到随机干扰和传感器不稳定而引起严重失真时，可以采用此方法进行滤波。

一、随机误差与数字滤波第33页，课件共120页，创作于2023年2月常用的数字滤波方法：

为了加快判断速度，可将经验值取反后以立即数的身份编入程序中，然后用与采样值相加运算来取代比较（减法）运算。例如相邻两次采样值最大不超过2，2取反后为＃FDH，当两次采样值为3时，（FDH+03H）产生进位说明超限（是干扰）。

流程图如图5-9所示。一、随机误差与数字滤波第34页，课件共120页，创作于2023年2月一、随机误差与数字滤波第35页，课件共120页，创作于2023年2月1、程序判断滤波设当前有效采样值放在31H单元，上次采样值存在30H单元中，超限量02H的反码FDH编入程序中。程序清单如下：FILT1:MOV30H,31H；采样系列迭代ACALLLOAD；采样新值（调子程序）在AMOV31H,A；暂存新值CLRCSUBBA,30H；求上次采样值差JNCFILT11；大于0，转CPLA；小于0则求绝对值，即求补INCAFILT11:ADDA,#0FDH；新采样差值与超限量相加

；(比较)超限否？JNCFILT12；不超限，本次有效MOV31H,30H；超限，以上次为准FILT12:RET一、随机误差与数字滤波第36页，课件共120页，创作于2023年2月2、中值滤波中值滤波是对某一参数连续采样n次（n一般取奇数），然后把n次的采样值从小到大排列，再取中间值作为本次采样值。该算法的采样次数常用3次或5次。对于变化很慢的参数，有时也可增加次数。对于变化较为剧烈的参数，此法不宜采用。一、随机误差与数字滤波第37页，课件共120页，创作于2023年2月FILT2:MOVA,R2；R2<R3否？CLRCSUBBA,R3JCFILT21；是，转MOVA,R2；R2>R3时，交换R2、R3XCHA,R3MOVR2,AFILT21:MOVA,R3；R3<R4否？CLRCSUBBA,R4程序清单如下：以采样3次为例，三次采样值分别存放在R2、R3、R4中，程序运行之后，将三个数据从小到大顺序排队，仍然存放在R2、R3、R4中，中值在R3中。2、中值滤波一、随机误差与数字滤波第38页，课件共120页，创作于2023年2月JCFILT22；R3<R4排序结束MOVA,R4；R3>R4时交换R3、R4XCHA,R3XCHA,R4；R3>R2否？CLRCSUBBA,R2JNCFILT22；R3>R2排序结束MOVA,R2；R3<R2以R2为中值MOVR3,AFILT22:RET；中值在R3中2、中值滤波一、随机误差与数字滤波第39页，课件共120页，创作于2023年2月3、算术平均值滤波算术平均值滤波法是按输入的N个采样数据xi（i＝1~N），取其平均值作为输入信号Y，即该算法适用于抑制随机干扰。采样次数N越大，平滑效果越好，但系统的灵敏度要下降。为便于求平均值，N一般取4、8、16等2的整数次幕，以便用移位来代替除法。一、随机误差与数字滤波第40页，课件共120页，创作于2023年2月设8次采样值依次存放在30H～37H的连续单元中，平均值求出后，保留在累加器A中。程序如下：FILT3:CLRA；清累加器MOVR2,AMOVR3,AMOVR0,#30H；指向第一个采样值FILT30:MOVA,@R0；取采样值ADDA,R3；累加到R2、R3中MOVR3,ACLRAADDCA,R2；进位位加到AMOVR2,A；R2为进位位累加和INCR0CJNER0,#38H,FILT303、算术平均值滤波一、随机误差与数字滤波第41页，课件共120页，创作于2023年2月FILT31:MOVR4,#03H；将（R2、R3）/8，用右移3位实现LOOP:CLRCRRCAXCHA,R3RRCAXCHA,R3DJNZR4,LOOPMOVA,R3ADDCA,#00H；四舍五入，结果在A中RET3、算术平均值滤波一、随机误差与数字滤波第42页，课件共120页，创作于2023年2月4、滑动平均值滤波滑动平均值法采用队列作为测量数据存储器，队列的队长固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果放入队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个最新的数据。计算平均值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均，就可以得到新的算术平均值。这样每进行一次测量，就可计算得到一个新的算术平均值。一、随机误差与数字滤波第43页，课件共120页，创作于2023年2月例：调用子程序RDXP，输入一个x值（三字节浮点数），放入MCS-51的现行工作寄存器区的R6（阶）R2R3中，然后把它放入外部RAM2000H～202FH的队列中（队长为16，队尾指针为内RAM的7FH），最后计算队列中16个数据的算术平均值，结果放到（R1）指向的三字节内部RAM中。2000H202FH……………………X指针4、滑动平均值滤波一、随机误差与数字滤波第44页，课件共120页，创作于2023年2月FSAV:LCALLRDXP；读入输入值xMOVA,7FH；队尾指针MOVB,#3；一个数据为3字节浮点数MULABMOVDPTR,#2000H；队首地址ADDA,DPL；计算队尾地址MOVDPL,AMOVA,R6；存放x值MOVX@DPTR,AINCDPTRMOVA,R2MOVX@DPTR,AINCDPTRMOVA,R3MOVX@DPTR,AMOVA,7FH；调整队尾指针INCA4、滑动平均值滤波一、随机误差与数字滤波第45页，课件共120页，创作于2023年2月CJNEA,#16,FSA1；循环队列CLRAFSA1:MOV7FH,AMOVR0,#15；累加15次INCDPTRFSA2:MOVA,DPLCJNEA,#30H,FSA3；循环对列在外RAM2000H~202FHMOVDPL,#0；循环FSA3:MOVXA,@DPTRMOVR7,AINCDPTRMOVXA,@DPTRMOVR4,AINCDPTRMOVXA,@DPTRMOVR5,A4、滑动平均值滤波一、随机误差与数字滤波第46页，课件共120页，创作于2023年2月INCDPTRCLR3AH；执行加法子程序的需要LCALLFABP；R6（阶）R2R3＋R7（阶）；R4R5R4（阶）R2R3MOVA,R4MOVR6,A；准备下一次累加DJNZR0,FSA2MOVC,ACC.7；暂存累加和的符号位DECA；阶码减4，相当于除以16DECADECADECAMOVACC.7,C；恢复y的符号位MOVR4,ALCALLFSTR；存放yRET4、滑动平均值滤波一、随机误差与数字滤波第47页，课件共120页，创作于2023年2月5、去极值平均滤波去极值平均滤波采用的方法是：连续采样n次后累加求和，同时找出其中的最大值和最小值，再从累加和减去最大值和最小值，按N－2个采样值求平均，即得有效采样值。该方法可以将明显的脉冲干扰消除，从而使平均滤波的输出值更接近真实值。例：连续进行4次数据采样，去掉其中最大值和最小值，然后求剩下的两个数据的平均值。R2R3存放最大值，R4R5存放最小值，R6R7存放累加和及最后结果。连续采样不限于4次，可以进行任意次，这时，只需改变R0中的数值，程序框图如图3-11所示。一、随机误差与数字滤波第48页，课件共120页，创作于2023年2月5、去极值平均滤波一、随机误差与数字滤波第49页，课件共120页，创作于2023年2月

CLRAMOVR2,A；0→最大值寄存器R2R3MOVR3,AMOVR6,A；0→累加和寄存器R6R7MOVR7,AMOVR4,#3FH；3FFFH→最小值寄存器R4R5MOVR5,#0FFHMOVR0,#4HDAV1:LCALLRDXP；读A/D→B、A（调采样子程序）MOVR1,A；采样值低位暂存R1，高位在BADDA,R7MOVR7,A；低位加到R7MOVA,BADDCA,R6MOVR6,A；高位加到R6，（R6、R7）+（BA）→R6R7CLRC；输入值>（R2R3）？MOVA,R35、去极值平均滤波一、随机误差与数字滤波第50页，课件共120页，创作于2023年2月SUBBA,R1MOVA,R2SUBBA,BJNCDAV2；否，转MOVA,R1；是MOVR3,AMOVR2,B；输入值→R2R3DAV2:CLRC；输入值<（R4R5）？MOVA,R1SUBBA,R5MOVA,BSUBBA,R4JNCDAV3；否，转MOVA,R1；是MOVR5,A；输入值→R4R5MOVR4,B5、去极值平均滤波一、随机误差与数字滤波第51页，课件共120页，创作于2023年2月DAV3:DJNZR0,DAV1；N－1＝0？CLRCMOVA,R7SUBBA,R3XCHA,R6SUBBA,R2XCHA,R7SUBBA,R5XCHA,R6SUBBA,R4CLRCRRCAXCHA,R7RRCAXCHR7,ARET；N个采样值的累加和减去最大值和最小值，N＝4；剩下的数据求平均值（除2）5、去极值平均滤波一、随机误差与数字滤波第52页，课件共120页，创作于2023年2月二、系统误差的处理系统误差是由测量系统本身缺陷引起的，它随系统不同或条件不同而改变，对系统误差无通用的处理方法。下面介绍几种智能仪器中常用的系统误差处理方法。1.非线性特性的校正由于许多传感器、检波器及其他器件的输出信号与被测参数存在明显的非线性，为使智能仪器直接显示各种被测参数并提高测量精度，必须对非线性特性进行校正，使之线性化。第53页，课件共120页，创作于2023年2月1)、校正函数假设器件的输出x与输入y的特性x＝f（y）存在非线性，现计算下列函数R＝g（x）＝g[f（y）]使量R与y间保持线性关系，则函数g（x）便是校正函数。1.非线性特性的校正第54页，课件共120页，创作于2023年2月1.非线性特性的校正1)、校正函数例如：半导体二极管检波器的输出电压U0与输入电压Ui成指数关系，即为了得到线性结果，计算机必须对数字化后的输出电压进行一次对数运算：使R与Ui之间存在线性关系。第55页，课件共120页，创作于2023年2月1.非线性特性的校正2)、连续函数拟合用连续函数进行拟拟合，首先要确定拟合函数的类型，通常根据人们对所研究对象的了解来进行选择。若事先缺乏了解，则可根据曲线的外形来估计函数形式。常用的拟合函数有解析函数（如1/x，xm和logx）和多项式。第56页，课件共120页，创作于2023年2月1.非线性特性的校正2、连续函数拟合例如：一热电耦的线性范围至400℃，线性输出为54uV/℃，要求用连续函数进行拟合，使线性范围扩大一倍，如图中直线所示。第57页，课件共120页，创作于2023年2月1.非线性特性的校正2)、连续函数拟合热电耦的特性可用2次多项式进行拟合：y=Ax+Bx2拟合函数曲线如图中虚线所示，在曲线上取两点：M(13.5，250)，N(42.3，750)于是有解得A=18.85（℃/mV），B=-0.026（℃/mV2）所以第58页，课件共120页，创作于2023年2月1.非线性特性的校正3)、分段函数拟合分段拟合是将器件非线性函数的整个区间划分成若干段，每段用一个多项式来拟合，通常是用直线或抛物线来拟合。

⑴分段直线拟合分段直线拟合是用一条折线来拟合器件的非线性曲线，如图3-13所示。图中y是被测量，x是测量数据，用三段直线来逼近器件的非线性曲线。第59页，课件共120页，创作于2023年2月1.非线性特性的校正3)、分段函数拟合⑴分段直线拟合直线表达式y=ax+b，在直线段上找出两点坐标，得两个方程。联立求解，获得参数a、b。第60页，课件共120页，创作于2023年2月1.非线性特性的校正⑵分段抛物线拟合分段抛物线拟合是用多段抛物线来拟合器件的非线性曲线。抛物线表达式y=ax2+bx+c，可在抛物线上找出三点坐标，获得三个三元一次方程组，联立求解，获得a、b、c参数。3)、分段函数拟合第61页，课件共120页，创作于2023年2月1.非线性特性的校正4)、查表和插值法这种方法先将校准数据点(x0，y0)，(x1，y1)，……（yn，xn）存于存储器内。设有测量数据x，xi-1<x<xi，校准时先根据x值查表得（xi-1,yi-1），（xi，yi）点，再用插值法求较精确的y值。常用的线性插值公式如下：第62页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准

自动校准的基本思想是仪器在开机后或每隔一定时间自动测量基准参数，

如数字电压表中的基准电压或地电位等，然后计算误差模型，获得并存储误差因子。在正式测量时，根据测量结果和误差因子计算校准方程，从而消除误差。第63页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准自动校准的典型例子有：1）、数字电压表输入单元的自动校准（1）普通数字电压表的输入单元

数字电压表的输入单元主要由输入衰减器和输入放大器组成。输入单元的衰减系数或放大系数的误差，以及输入放大器的零点漂移都将使整机测量产生误差。图5-15普通数字电压表输入单元第64页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准1）、数字电压表输入单元的自动校准（2）自动校准的输入单元在微处理器控制下，智能数字电压表随时测出零点偏移值和增益误差值。每当测量待测电压时，从读数中自动修正误差以获得正确的读数，从而降低对绝大多数元器件长期稳定性的要求，输入放大器失调电压的影响也可以消除，甚至可以不需调节零点电位器。第65页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准1）、数字电压表输入单元的自动校准（2）自动校准的输入单元图5-16自动校准的数字电压表输入单元第66页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准1）、数字电压表输入单元的自动校准（2）自动校准的输入单元

A1是输入放大器。放大器A2与R、R1和R2组成有源衰减器。R1和R2构成10：1基准衰减器。R3、R4组成分压器，分压比M为：第67页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准1）、数字电压表输入单元的自动校准（2）自动校准的输入单元放大器A1和A2的失调电压分别等于Uos1和Uos2，它们一般不等于零。A1和A2的开环放大倍数分别为K1和K2。这些放大器都具有高阻抗的场效应管输入级，所以失调电流可忽略。Er是一个正的基准电压，要求有很好的长期稳定性。各开关(绝大多数是场效应管)的激励状态不同，输入单元就完成不同量程的测量和校准。下面仅以1V量程为例进行讨论。第68页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准1）、数字电压表输入单元的自动校准（3）1V量程测量方式在1V量程，S1和S9接通，其余断开，等效电路为图5-17。A1同相输入端上的电压为

Ui+Uos1，反相输入端上的电压为图5-171V量程等效电路之一

第69页，课件共120页，创作于2023年2月图5-171V量程等效电路之一

2.偏移和增益误差的自动校准1）、数字电压表输入单元的自动校准（3）1V量程测量方式于是可写出：经A/D转换后得数字量第70页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准1）、数字电压表输入单元的自动校准（4）1V量程零点偏移校准参数B这时开关S6、S9闭合，其余开关均断开，得：U0进入模数转换器，得到数字量B图5-171V量程等效电路之一

第71页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准1）、数字电压表输入单元的自动校准（5）1V量程增益误差校准参数H这时S9、S10、S13、S15开关接通，其余开关均断开。等效电路如图5-18：图5-181V量程等效电路之二

第72页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准1）、数字电压表输入单元的自动校准（5）1V量程增益误差校准参数H对于放大器A2应有根据叠加原理得到：而UR与U0的关系是经A/D转换后得参数H得第73页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准1）、数字电压表输入单元的自动校准（6）1V增益－零点偏移误差校准参数K这时S9、S10、S13、S16开关接通，其余开关均断开。这时的输出电压U0：经模数转换后得到“1V增益－零点偏移误差校准系数K”第74页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准1）、数字电压表输入单元的自动校准（7）校准方程这就是0～1V量程的校准方程，只要测出D0、B、H和K，就可以根据上式算出准确的Ui。上两式相除得校准方程：第75页，课件共120页，创作于2023年2月2.偏移和增益误差的自动校准2）、校准存储器方式例如在诸如Flucke8502A数字万用表内采用的校准存储器方式，它的工作原理是：如果把精度很高的10.0000V电压加到仪器输入端，显示为10.0004V，则得校准系数为0.0004，存入校准存储器。以后每测量一次，就把这一校准系数计入被测参数，从而消除误差。第76页，课件共120页，创作于2023年2月3.归一化技术及频率响应误差的校准归一化的测量过程是：先不接入被测器件，测出系统本身的传输频响或反射频响等特性，经对数运算后存储起来，作为标量校准系数。然后接入被测器件，再测得相应的频响特性，经对数运算后，减去（相当与除以）相应的标量校准系数，经过正确的定标，所得的结果就是被测器件的真正频响。这里所讲的归一化技术，就是用一已知函数（归一化函数－－用于补偿器件的某种失真）去除所测得的函数。第77页，课件共120页，创作于2023年2月3.归一化技术及频率响应误差的校准如图5-19中，曲线a代表测试系统本身的频响；曲线b代表接入被测器件后的总的频响；曲线c表示测试系统归一化的频响，即理想化的测试系统频响；曲线d表示被测件的真正频响，即归一化后的频响，它不包含系统本身的频响。图5-19频响的归一化

第78页，课件共120页，创作于2023年2月4.最佳测量方法的自动选择由于对一个物理量的测量方法通常有多种算法。各种测量算法在不同的条件下会得到不同的测量精度。所以可以在一个仪器内设置多种测量方法测量某一参数，当测量条件改变时微处理器会自动选择一种最佳的测量方法进行测量，使仪器在各种条件下都能获得较高的测量精度。例如：若用直接计数测量频率的方法，对于低频率的测量误差较大，可改用测周期求倒数获得频率，能得到较高的测量精度。第79页，课件共120页，创作于2023年2月4.最佳测量方法的自动选择又如测相位差，HP5335A通用计数器测量相位时，是测量两信号的时间间隔T1及它们的周期T，相位差:如果T1很小，则Φ

的精度就下降，这时可以用倒相法，即将其中一个信号反相后进行测量，最后在从结果中扣除180o。图5-20小相位的测量

第80页，课件共120页，创作于2023年2月5.3智能仪器的低功耗设计现在设计智能仪器时一般都有下列要求：（1）首先要求仪器体积小、重量轻、便于携带。（2）能用于没有交流供电的场合，各种电池(瓶)就成为它主要的供电手段。（3）采用低功耗电路设计方法，以低功耗为主要技术指标。（4）具有存储数据的能力，数据通信的能力。一、低功耗设计概述第81页，课件共120页，创作于2023年2月

进行智能仪器的低功耗设计具有如下重要的意义：（1）实现“绿色”电子，节省能源。（2）提高了电磁兼容性和工作可靠性。（3）促进便携化发展。5.3智能仪器的低功耗设计一、低功耗设计概述第82页，课件共120页，创作于2023年2月Intel公司的MCS-51系列单片机中有HMOS和CHMOS两种工艺制作的芯片。其中80C3l／80C51／87C5l/89C51单片机是由HCMOS工艺制造而成，因而它的功耗低、抗干扰能力强，并具有掉电及待机运行模式。在5V供电12MHz时钟条件下，耗电仅为16mA。若采用了待机运行模式，功耗将会更小。而HMOS的同类单片机功耗为150mA。二、51系列单片机的低功耗运行5.3智能仪器的低功耗设计第83页，课件共120页，创作于2023年2月1.80C51单片机的两种节电方式80C51的节电运行模式：

●待机运行模式（标准节电运行工作方式）

●掉电运行模式二、51系列单片机的低功耗运行5.3智能仪器的低功耗设计第84页，课件共120页，创作于2023年2月1.80C51单片机的两种节电方式1）、待机运行模式将80C51单片机特殊功能寄存器中的功耗控制寄存器PCON的D0位（IDL）置位后，80C51即进入待机运行模式。进入待机模式后，片内振荡器继续振荡，RAM的状态被完整地保留下来，如堆栈指针、程序计数器、程序状态字、累加器及其他所有的寄存器均保存为待机前的状态，各口的片脚也都保存着待机前的逻辑状态，ALE和PSEN均进入无效状态，中断系统、定时/计数器及串行口可以照常工作。第85页，课件共120页，创作于2023年2月1.80C51单片机的两种节电方式结束待机的两种方法：

①中断：任何已开放的中断提出中断申请都会终止待机运行状态。单片机响应中断，在中断服务程序的RETI指令执行后，单片机返回执行刚才申请待机指令的下一条指令。②硬件复位：由于时钟振荡器还在振荡，只需RESET复位信号持续两个机器周期就可以完成复位，结束待机模式。1）、待机运行模式第86页，课件共120页，创作于2023年2月1.80C51单片机的两种节电方式PCON寄存器是功耗控制寄存器，其各位功能如下表所示SMOD：波特率控制位，该位置1时，波特率加倍。GF1、GF0：供用户使用的通用标志位。PD：掉电位，该位置1时单片机进入掉电运行模式。IDL：待机位，该位置1时单片机进入待机运行模式。1）、待机运行模式第87页，课件共120页，创作于2023年2月1.80C51单片机的两种节电方式标志位GF0和GF1可用于区分正常状态与休息状态所发生的中断。在执行进入待机运行的指令之前，先设置这一个或两个标志，在以中断方式终止待机运行模式时，由中断服务检查这些标志来判断本次中断是在何种运行模式下发生。1）、待机运行模式第88页，课件共120页，创作于2023年2月1.80C51单片机的两种节电方式2）、掉电运行模式进入掉电运行模式后片内振荡器停止工作，单片机各种活动即停止，只有片内RAM保持原来的数值；各片脚的输出值仍为各缓冲器原来的值；ALE和PSEN输出处于低电平。将80C51单片机中的PCON寄存器中PD位置1，80C51即进入掉电运行模式。该模式主要用于掉电时片内RAM中的数据保存。这时单片机的电源电压可降至2V，单片机的功耗也降至最小。第89页，课件共120页，创作于2023年2月1.80C51单片机的两种节电方式结束掉电运行模式的唯一方法是复位，复位将使振荡器解冻并使得单片机从0000H地址开始执行程序。复位信号应保持足够长的时间，以保证振荡器的起振和稳定（一般为10ms）2）、掉电运行模式第90页，课件共120页，创作于2023年2月1.80C51单片机的两种节电方式3）、待机与掉电模式下I/O端口的状态和处理在低功耗单片机应用系统中，应根据使用的要求和降低功耗的要求，在进入待机与掉电模式前，对80C31的P0、P1、P2、P3寄存器写入一些特定的数据。第91页，课件共120页，创作于2023年2月2.单片机与外围芯片的逻辑电平及驱动能力

在设计最小功耗应用系统时，不仅要求选用低功耗单片机，在外围电路中也应选择低功耗的芯片及器件。于是必须了解不同类型的逻辑电平及其I/O口。

CMOS与TTL逻辑电平不同点：1、CMOS的逻辑1电平比TTL逻辑1的电平高2、CMOS的逻辑电平与Vcc有关，而TTL逻辑电平在Vcc给定时，它的逻辑电平符合标准规范。第92页，课件共120页，创作于2023年2月下表为当Vcc=+5V时74HC、74HCT、LSTTL、HMOS型8051、HCMOS型80C51的逻辑电平2.单片机与外围芯片的逻辑电平及驱动能力

第93页，课件共120页，创作于2023年2月三、存储器的低功耗运行在一般的单片机应用系统中，存储器的功耗都较大，所以在低功耗单片机应用系统的设计中要注意：

1、选用HCMOS工艺的存储器这种存储器的功耗比NMOS工艺的存储器的功耗低得多，见表5-6第94页，课件共120页，创作于2023年2月三、存储器的低功耗运行2、采用维持工作方式

⑴

EPROM的维持方式当存储器片选脚CE为0时，存储器处于工作方式，可以读写。当存储器片选脚CE为1时，存储器处于维持工作方式，不能读写，这时功耗较低。第95页，课件共120页，创作于2023年2月三、存储器的低功耗运行对会进入待机工作方式的80C31可采用此连接方式对会进入掉电工作方式且EPROM容量小于32K字节的80C31可采用此连接方式对会进入掉电工作方式且EPROM容量大于32K字节的80C31可采用此连接方式第96页，课件共120页，创作于2023年2月⑵

RAM和EEPROM的维持工作方式当存储器片选脚CE为0时，存储器处于耗电的工作方式。当存储器片选脚CE为1时，存储器处于节电的维持工作方式。三、存储器的低功耗运行为了使RAM存储器在不读写时处于节电的维持工作方式可采用左图所示电路第97页，课件共120页，创作于2023年2月三、存储器的低功耗运行对于会进入掉电或待机工作方式的80C51低功耗系统，也可采用此电路。为复位时，P3口已为FFH，同时由于采用了外RAM和E2PROM，P3口不会另作它用，口锁存器内容始终为“1”，进入掉电或待机工作方式后，RD、WR输出为“1”，保证RAM/E2PROM处于节电的维持工作方式。对于6264有两个片选端CE1，CE2，只要将CE2接高电平，CE1按下图接即可。第98页，课件共120页，创作于2023年2月四、低功耗单片机应用系统设计方案一个单片机系统的功耗是由很多方面的原因来决定的，它主要取决于系统的技术指标、芯片和器件的选择，以及系统的工作方式。第99页，课件共120页，创作于2023年2月四、低功耗单片机应用系统设计方案要设计好一个低功耗单片机应用系统，通常需要采用以下方法：1、选用CMOS集成电路。2、选择低电压供电。3、尽量选用高速低频工作方式，因为CMOS电路的静态功耗几乎为零。

4、选用低功耗的外围器件。

5、选用低功耗高效率的电路。

6、采用低功耗的工作方式。7、合理地选择系统技术指标。8、采用分区分时供电方式。9、在软件设计上采取相应措施。第100页，课件共120页，创作于2023年2月9、在软件设计上采取相应措施。四、低功耗单片机应用系统设计方案尽量压短CPU的运行时间，尽可能地采用待机和掉电运行方式，尽量用软件来代替硬件。

采用以下软件措施：（1）尽量不采用软件循环延时的工作方式，而应采用定时中断的工作方式。

（2）尽量充分地利用待机时单片机内定时/计数器的功能来计时和计数。这样既节省了功耗，又完成了测量工作。

（3）在RS-232通信模块的软件设计中，应尽量提高传送的波特率。发送和接收时不要循环等待，而应采用串行中断。（4）在无谓等待时，可先进入等待或掉电状态，以降低功耗。（5）对于可外部关断的外围器件，可以通过单片机的I/O脚直接用软件来控制其关断和合上。

第101页，课件共120页，创作于2023年2月5.4智能仪器的抗干扰设计一、主要干扰源及相应的抗干扰措施

现场干扰一般都是以脉冲的形式进入智能仪器，干扰窜入的主要渠道有三条：供电系统干扰

过程通道干扰

空间辐射干扰。

第102页，课件共120页，创作于2023年2月5.4智能仪器的抗干扰设计一、主要干扰源及相应的抗干扰措施1.

供电系统干扰及抗干扰措施

电源干扰有过压、欠压、浪涌、下陷、尖峰电压和射频干扰等。为防止从电源系统引入干扰，智能仪器可采用下图所示供电配置。第103页，课件共120页，创作于2023年2月一、应用系统的主要干扰源及相应的抗干扰措施2.过程通道干扰及抗干扰措施

过程通道是前向接口、后向接口与主机或主机相互进行信息传输的路径，在过程通道中长线传输的干扰是主要因素。当计算机主振频率为1MHz时，传输线大于0.5m或主振为4MHz时，传输线大于0.3m，即作为长线传输处理。为了保证长线传输的可靠性，主要措施有：

①光电耦合隔离措施光电耦合的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。

②双绞线传输双绞线虽然频带较差，但波阻抗较高，抗共模噪声能力强。双绞线能使各个小环路的电磁感应干扰相互抵消，故对电磁场有一定抑制效果。第104页，课件共120页，创作于2023年2月一、应用系统的主要干扰源及相应的抗干扰措施2.

过程通道干扰及抗干扰措施③长线传输的阻抗匹配

阻抗不匹配的传输线会产生反射，使信号失真。传输线的阻抗匹配有四种形式：

ⓐ终端并联阻抗匹配ⓑ始端串联匹配

ⓒ终端并联隔直流匹配ⓓ终端接钳位二极管匹配第105页，课件共120页，创作于2023年2月一、应用系统的主要干扰源及相应的抗干扰措施3.空间干扰和抗干扰措施空间干扰主要是通过电磁波辐射窜入应用系统的。空间干扰可能来自系统内部或外部。一般情况下，空间干扰的抗干扰设计主要是地线设计、系统的屏蔽和布局设计。第106页，课件共120页，创作于2023年2月二、印制电路板及电路的抗干扰设计

1.地线设计(1)、单点接地与多点接地选择当工作频率小于1MHz时，采用单点接地。当工作频率大于10MHz时，采用多点接地。当工作频率在1~10MHz之间时，如果用单点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则宜采用多点接地法。(2)、数字、模拟电路分开，分别与电源端地线相连，尽量加大线性电路的接地面积。(3)、接地线应尽量加粗。(4)、接地线构成闭环路。第107页，课件共120页，创作于2023年2月二、印制电路板及电路的抗干扰设计

2.电源线布置

(1)、根据电流的大小，尽量加粗导体宽度。

(2)、电源线、地线的走向尽量要与数据传递的方向一致。第108页，课件共120页，创作于2023年2月二、印制电路板及电路的抗干扰设计

3.去耦电容配置一般在印制电路板的各个关键部位配置去耦电容。(1)、电源输入端跨接10～100uF的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。(2)、每个集成电路芯片都应安置一个0.01uF的陶瓷电容器。(3)、对于抗噪声能力弱，关断时电流变化大的器件和ROM、RAM存储器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。(4)、电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能带引线。第109页，课件共120页，创作于2023年2月二、印制电路板及电路的抗干扰设计

4.印制电路板的尺寸与器件布置印制电路板的大小要适中，相互有关的器件尽量要放的靠近些，能获得较好的抗噪声效果。如时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。发热量大的器件可放置在靠近机箱的上方。第110页，课件共120页，创作于2023年2月二、印制电路板及电路的抗干扰设计5.其他(1)、可在单片机复位端子“RESET”端配以0.01uF去耦电容，去除在强干扰现场“RESET”端出现的尖峰电压干扰。(2)、对于CMOS芯片的不用端要接地或接正电源。(3)、按钮、继电器、接触器等零部件在操作时会产生较大火花，必须利用RC电路加以吸收。为图5-27所示。第111页，课件共120页，创作于2023年2月三、软件的抗干扰设计1.干扰对测控系统造成的后果

(1)、数据采集误差加大

(2)、控制状态失灵

(3)、数据受干