《测控仪器设计》(第5章)《测控仪器设计(第3版)》

第五章电路与软件系统设计第五章电路与软件系统设计第一节

电路与软件系统概述第二节测控仪器的电路设计第三节测控仪器的软件设计第四节可靠性与故障诊断技术第一节

电路与软件系统概述一、电路与软件系统的作用传感器电路与软件执行器对传感器的输出信号进行采集和预处理数据进行相应的运算、显示、存储输出信号并使得执行机器执行相应的动作承上启下至关重要第一节

电路与软件系统概述二、电路与软件系统的组成测量电路：输入通道，对信号进行调理、转换及简单运算；控制电路：输出通道，对被控参数实行控制；中央处理系统：同时连结测量电路和控制电路，“心脏”；电源：提供能量、电平基准（地）、参考电平等；软件：与硬件配合才能正常工作，否则系统将成为“裸机”。第一节

电路与软件系统概述三、电路与软件系统的设计要求噪声比：有用信号强度与噪音信号强度之间的比率；

是衡量系统抗干扰能力的技术指标。分辨力：能够识别的信号的最小变化量（不是最小量）；

电路与软件的分辨力应该高于传感器的分辨力。非线性：输入输出关系偏离理想直线的程度；电路与软件的非线性应该优于传感器的非线性。量化误差：数字电路的一个最小数字所对应的被测量值；模拟传感器输出的模拟信号转化误差。稳定性：分为时间稳定性（时漂）和温度稳定性（温漂）；

受电路元器件特性、环境参数等因素的影响。1、精度要求：第一节

电路与软件系统概述三、电路与软件系统的设计要求频率特性：输出信号随输入信号的频率变化而变化的特性；

幅频特性-幅值随频率变化的特性；

相频特性-相位随频率变化的特性；阶跃特性：输入信号为阶跃信号或脉冲信号；时间常数–衡量输出信号的相应速度快慢；

衰减率-衡量输出信号趋稳的能力与速度；2、速度要求：第一节

电路与软件系统概述三、电路与软件系统的设计要求在工艺上提高电路系统元器件本身的可靠性;是在系统结构设计方面提高系统的可靠性和合理性;在电路和软件中增加适当措施。3、可靠性要求：硬件选材应合理设计，考虑初期投入和日后维护费用；软件系统尽可能自主开发，便于长期维护和升级。4、经济性要求：优先选用高集成度芯片或SoC。5、体积要求：第一节

电路与软件系统概述4、电路与软件系统的设计准则优先采用标准总线进行系统构架设计;优先采用标准接口进行信号传输;1、标准化准则：功能模块化–测量、处理、控制…；硬件模块化–便于维护、升级；软件模块化–便于移至、升级。2、模块化准则：对环境产生的电磁骚扰(ElectromagneticDisturbance)；对电磁骚扰电磁敏感性(ElectromagneticSusceptibility)。3、电磁兼容准则：第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计信号调理：放大、检波、滤波、阻抗匹配、隔离、调制…；

以期改善信号质量、达到测量精度要求；

主要取决于传感器。信号转换：阻抗/电压、电压/电流、电压/频率、模拟/数字…；

以便满足后续电路处理和计算机系统的要求；

主要取决于传感器的输出以及后续环节的特性。简单运算：加减（差动）、微积分、特征值运算…，

以便直接获得某些测量结果;

对于后续环节不采用计算机的情形尤为重要。1、测量电路的作用第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计2、测量电路的组成测量电路传

感

器放

大

器

解

调

器滤

波

器运算电路模数转换中央处理系统振荡器电

源图5-2传感器输出模拟信号的测量电路组成检波器第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计2、测量电路的组成电阻应变片测量电桥

放大器图5-3电阻应变式传感器测量电路组成电阻应变片测量电桥

放大器滤

波

器振荡器相敏检波直流供电桥(b)交流电桥第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计2、测量电路的组成传

感

器放

大

器

整形电路辨向电路细分电路计

数

器中央处理系统电

源锁

存

器图5-4传感器输出数字信号的测量电路检测电路电平转换第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计2、测量电路的组成增量编码器信号调理细分电路辨向电路可逆计数器锁

存

器(a)绝对编码器检测电路绝对编码器锁

存

器检测电路图5-5增量式编码器的测量电路组成(b)增量编码器第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计3、信号调理电路设计(1)放大电路设计要求：①噪声：要求具有较高的信噪比；②稳定性：输入失调电压/电流，温度漂移和灵敏度漂移；③阻抗：放大电路的输入阻抗应与传感器输出阻抗匹配；④增益：满足测量灵敏度、分辨力、稳定性的要求；⑤速度：具有足够的带宽和转换速率，以满足采样速率的要求。分类方法具体形式按用途分类电压、电流、功率、电荷、阻抗变换器按信号形式分类直流、交流按信号相位关系分类同相、反相按器件分类晶体管、场效应管、集成运算放大器……按工作频段分类直流、音频、射频、视频……按工作状态分类甲类、乙类、甲乙类、丙类第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计3、信号调理电路设计(2)滤波电路设计①特征频率与带宽：滤波器允许或阻止信号通过的最低或最高频率值。②增益与衰耗：低通、高通或带通滤波电路通带的增益。③阻尼与品质因数：滤波器中表示能量衰耗的一项指标。④群时延函数：评价信号经滤波后相位失真程度。第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计3、信号调理电路设计(3)调制解调电路设计调制：用一个测量信号去控制另一个作为载体的信号，让后者的某一特征参数按前者变化。解调：从已经调制的信号中去除载波信号，提取反映被测量值的测量信号。us0t(a)调幅信号u'0t(b)半波检波(c)原始信号uo0t图5-8包络检波tx0t0uc(a)调制信号(b)载波信号us0t(c)调幅信号图5-7幅值调制第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计3、信号调理电路设计(4)细分与辩向电路设计细分电路：又称插补器，主要是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值，以便提高仪器分辨力。第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计4、信号转换电路设计(1)阻抗-电压转换电路设计全等臂电桥形式，即四个桥臂R1、R2、R3和R4为四个相同的传感器（或者是传感器的四个敏感元件）。在初始状态（平衡状态）下，四个桥臂的阻抗相等，R1＝R2＝R3＝R4＝R，则输出信号U0为零。在工作状态下，四个传感器（敏感元件）的阻抗分别产生变化ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4。假设激励源为U，可以近似推导出此时的输出信号为：图5-13测量电桥第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计4、信号转换电路设计(2)电流-电压转换电路设计(a)原理与管脚图(b)电流－电压转换电路图5-14基于RCV420的差动电流－电压转换电路第二节

测控仪器的电路设计一、测量电路的设计4、信号转换电路设计(3)模拟-数字转换电路设计①

位数：位数越多，分辨率越高，量化误差就越小。②

线性误差：一般可达10-4～10-6数量级。

可以预先进行标定，在转换过程中给予修正。③

转换时间：普通A/D转换器的转换时间均在微秒级，

高速A/D转换器的转换时间则在纳秒级。④

基准稳定度：外源型传感器受电源波动的影响严重；

可以采用传感器电源作为A/D转换器基准电源，

则传感器电源波动对测量结果不会产生影响。第二节

测控仪器的电路设计二、中央处理电路的设计1、中央处理系统的作用功能：对来自测量电路的信号进行运算、处理、存储、显示…，

向控制电路发出控制命令，对被控参数实行控制。新功能：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、

复杂控制规律、多媒体功能、通讯或网络功能、

自我诊断功能、…第二节

测控仪器的电路设计二、中央处理电路的设计2、中央处理系统的组成输入接口：将来自测量电路的信号送入计算机中进行处理。主机单元：数据存储、运算、显示、打印、通讯、控制等。

组成形式-微处理器（单片机）、微型计算机。输出接口：将计算机的控制指令转变为控制信号并输出。第二节

测控仪器的电路设计二、中央处理电路的设计3、基于单片机的中央处理系统设计单片机（MCU）：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，一块芯片就构成一台计算机。第二节

测控仪器的电路设计二、中央处理电路的设计4、基于DSP中央处理系统设计多总线结构：DSP芯片内部一般采用的是哈佛结构。流水线操作：使两个或更多不同的操作可以重叠执行。专用乘法器：在一个指令周期内完成一次乘法运算。专用DSP指令：对数字信号进行更为高效、快速的处理。多机并行运行：多个DSP芯片并行处理，高速实时处理。快速指令周期：DSP芯片的主频不断提高。低功耗：降低功耗对于电力资源紧缺产生十分重要。高精度：浮点DSP、定点DSP的字长也能达到32位。第二节

测控仪器的电路设计二、中央处理电路的设计5、基于PLC中央处理系统设计功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。使用方便，编程简单，语言简明。安装简单，容易维修。抗干扰能力和可靠性能力都强。环境要求低。易学易用第二节

测控仪器的电路设计二、中央处理电路的设计6、基于PC中央处理系统设计第二节

测控仪器的电路设计二、中央处理电路的设计6、基于PC中央处理系统设计第二节

测控仪器的电路设计二、中央处理电路的设计6、基于PC中央处理系统设计第二节

测控仪器的电路设计三、控制电路的设计1、控制电路的作用与组成（1）信号转换：将计算机发出的指令（数字信号）转换为适当形式的电信号，例如电压、电流、脉冲等等；（2）放大驱动：将电信号的功率进行放大，使得电信号具有足够的能量来驱动执行机构动作；（3）信号隔离：将转换电路与驱动电路的之间的电联系切断，从而保护控制电路。第二节

测控仪器的电路设计三、控制电路的设计2、信号转换电路设计①位数：可参照A/D转换电路的设计方法。②输出接口：电压/电流，单极性/双极性等。③零点调整：正常工作之前必须要对放大器进行零点和满刻度的调整。④时钟匹配：保证与计算机的时钟相匹配。⑤参考电压：将参考电压直接接电源；可采用精密电压集成电路。⑥输入接口：直通型/缓冲型。(1)数/模转换电路设计第二节

测控仪器的电路设计三、控制电路的设计2、信号转换电路设计利用半导体功率晶体管或晶闸管等开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期(2)脉冲宽度调制电路设计图5-24用PWM波代替正弦半波第二节

测控仪器的电路设计三、控制电路的设计3、驱动电路设计(1)功率开关驱动电路设计图5-27晶体管驱动电路图5-28场效应管驱动电路第二节

测控仪器的电路设计三、控制电路的设计3、驱动电路设计(2)步进电机驱动电路设计图5-29步进电机驱动电路组成环行分配器：对输入的步进脉冲进行逻辑变换，产生给定工作方式所需的各相脉冲序列信号，从而在步进方向信号控制下使得步进电机按照一定规律运行。功率放大电路：产生使电动机旋转所需的激磁电流，足以驱动电机运转。第二节

测控仪器的电路设计三、控制电路的设计4、信号隔离电路设计光电隔离的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地，因此输入回路与输出回路完全隔离。同时光电耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几上千伏的高压，不会击穿器件。因此当外部设备出现故障，不会损坏控制电路和计算机系统。从而避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。因此，采用光电耦合器件的输入隔离电路具有很好的适用性，特别适合驱动一些高压器件和设备，可以有效保护测控系统的安全。第二节

测控仪器的电路设计四、电源的设计1、对电源的要求输入：须明确输入形式（直流/交流）和数值（大小/范围）；输出：输出电压、路数及其隔离性、输出电流及余量；稳压系数：开路输出电压Vo变化量与输入电压Vi变化量之比；电压调整率：输入电压变化时电源维持输出电压不变的能力；负载调整率：输出电流从零到最大时输出电压的相对变化值；纹波：实际的稳压电源存在的交流成分；可靠性：工作温度、环境湿度、散热方式。第二节

测控仪器的电路设计四、电源的设计2、电池电池：可以提供非常纯净的直流信号源（其纹波极小。种类：分为化学电池、物理电池与生物电池三大类。

化学电池：一次化学电池、可充电电池和燃料电池等。

物理电池：包括太阳能电池、热电池、压电池等。第二节

测控仪器的电路设计四、电源的设计3、直流稳定电源

线性直流稳定电源：靠调整管之间的电压降来稳定输出，稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调，但是体积大、较笨重、效率相对较低。图5-33一体化开关稳压电源

开关型直流稳压电源：功率器件调整管工作在饱和及截止区，即始终处于功率开关状态。优点是体积小，重量轻，稳定可靠，尤其是输入电压范围很宽；缺点相对于线性电源来说纹波较大。第二节

测控仪器的电路设计四、电源的设计7、集成稳压器图5-34三端稳压器的应用第二节

测控仪器的电路设计五、电路系统的抗干扰1、干扰源（1）来自信号通道的干扰：主要是由传感器、开关量输入输出、模拟量输入输出、电路本身的固有噪声等产生的。(2)来自电源的干扰：一部分是指由于电源的输入本身是交流电源，不可避免地残留一定的交流成分而形成噪声信号；另一部分是指由于开关通断、电机中电刷与整流子之间周期性的电火花干扰、大型动力设备的起停、自然界中雷电、汽车发动机点火装置产生的火花等干扰等因素产生的电源的异常抖动。(3)来自空间的辐射干扰：来自空间的各种电磁波和强电场的各种干扰。(4)来自元器件和电路板的噪声：来源于各种元器件和PCB电路板，特别是高频数字电路尤为明显，甚至产生自激，第二节

测控仪器的电路设计五、电路系统的抗干扰2、干扰的耦合方式图5-37静电耦合干扰的等效电路CmEnZiUn图5-38电磁耦合干扰的等效电路MInr1r2Un图5-40漏电流耦合产生的干扰Ra第二节

测控仪器的电路设计五、电路系统的抗干扰3、干扰的形态差模干扰：是指能够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干扰。共模干扰：是相对于公共的电位基准点，在系统的接收电路的两个输入端上同时出现的干扰。图5-42热电偶测温线路的共模干扰12测量仪第二节

测控仪器的电路设计五、电路系统的抗干扰4、常用抗干扰措施滤除开关通道干扰的方法很多，但最为常用的是采用隔离措施，采用的器件主要是光电耦合器件，(1)开关信号通道干扰的抑制措施第二节

测控仪器的电路设计五、电路系统的抗干扰4、常用抗干扰措施隔离变压器：适于50Hz以上的信号(2)模拟信号通道干扰的抑制措施同轴电缆：是一种屏蔽电缆，可以在相对长的无中继器的线路上支持高带宽通信，具有传送距离长、信号稳定的优点双绞线：一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消，从而可以降低自身信号的对外干扰。与此同时，空间电磁干扰在这一对双绞线上产生的感应电势大体相等，由附近电场耦合过来的容性干扰也大体相等，因此可以抵御相当部分来自外界的电磁波干扰。磁环：采用抗干扰磁环技术，也可以有效降低信道电磁干扰的影响。第二节

测控仪器的电路设计五、电路系统的抗干扰4、常用抗干扰措施(3)电源抗干扰措施为了避免低通滤波器中的电感元件进入磁饱和状态，要在干扰进入低通滤波器之前加以衰减。可以在低通滤波器与交流稳压器之间设置一个电源低通滤波器。第二节

测控仪器的电路设计五、电路系统的抗干扰4、常用抗干扰措施(4)空间抗干扰措施屏蔽的方法，是利用导电的低电阻材料制成容器或采用高导磁材料制成容器，以隔绝容器内外的电磁或静电的相互干扰。实施屏蔽的部位有整体外壳屏蔽、电缆屏蔽及连接器屏蔽第二节

测控仪器的电路设计五、电路系统的抗干扰4、常用抗干扰措施(5)PCB抗干扰措施1）印制电路板布局要合理。2）元器件选用要正确。3）布线要科学第二节

测控仪器的电路设计五、电路系统的抗干扰4、常用抗干扰措施(6)接地技术图5-51测控仪器的接地系统机箱壳架大功率电路低电平电路机壳地功率地信号地第三节

测控仪器的软件设计一、软件系统的作用(1)软件对计算机的硬件资源进行控制与管理，协调各组成部分的工作，从而完成信息采集、信号传输与转换、数据处理、显示与存储、指令输出以及控制等一系列硬件工作过程。(2)软件可以极大地扩大计算机的功能，提高计算机实现和运行各类应用任务的能力。(3)软件系统可向用户提供尽可能方便、灵活、友好的计算机操作使用界面，使得测控仪器系统操作更简单、使用更方便、观测更直观、更具人性化。(4)软件可为用户完成特定应用的信息处理任务，例如数字滤波、曲线拟合、图像处理、逻辑判断、目标识别等等。第三节

测控仪器的软件设计二、软件设计的原则

(1)实用性：测控系统的软件必须要满足系统的总体要求，满足仪器各种功能与技术指标（特别是精度和速度）的要求。

(2)先进性：采用先进成熟的技术和手段，便于修改、升级和移植。

(3)可扩充性：满足用户对信息需求不断变化的需要，以及系统投资建设的长期性效益。

(4)灵活性：通过采用结构化、模块化的设计形式，满足系统及用户各种不同的需求，适应不断变化的要求。

(5)规范性：采用的技术标准要遵循国际标准和国家标准与规范，保证系统发展的延续和可靠性。第三节

测控仪器的软件设计三、软件设计的主要方法

结构化方法(StructuredMethod)是20世纪60年代末在结构化程序设计的基础上发展起来的，它遵循系统工程的思想，充分考虑用户的需求，突出功能特征，按照软件生命周期严格划分工作阶段，强调软件各部分之间的结构及关系，是开发软件的全局设计方法。结构化方法：结构化分析（SA）

结构化设计（SD）

结构化编程（SP）第三节

测控仪器的软件设计四、常用集成开发环境

VisualStudio：是美国微软公司的开发工具包系列产品。VS是一个基本完整的开发工具集，它包括了整个软件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代码管控工具、集成开发环境(IDE)等等。所写的目标代码适用于微软支持的所有平台，包括MicrosoftWindows、WindowsMobile、WindowsCE、.NETFramework、.NETCompactFramework和MicrosoftSilverlight

及WindowsPhone。第三节

测控仪器的软件设计四、常用集成开发环境LabVIEW：是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。

LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。第四节

可靠性设计一、可靠性设计的作用

可靠性设计：在产品设计过程中，为消除产品的潜在缺陷和薄弱环节，防止故障发生，确保满足规定要求所采取的设计。

可靠性设计是系统总体工程设计的重要组成部分，可靠性设计的优劣对产品的固有可靠性产生重大的影响。产品设计一旦完成，并按设计预定的要求制造出来后，其固有可靠性就基本确定了。生产制造过程最多只能保证设计中形成的产品潜在可靠性得以实现，而在使用和维修过程中只能是尽量维持已获得的固有可靠性。

产品的可靠性首先是设计出来的，可靠性设计决定产品的“优生”，可靠性设计是可靠性工程的最重要的阶段。第四节

可靠性设计二、可靠性设计的原则（1）可靠性设计应有明确的可靠性指标和可靠性评估方案；（2）可靠性设计必须贯穿于功能设计的各个环节，在满足基本功能的同时，要全面考虑影响可靠性的各种因素；（3）应针对故障模式（即系统、部件、元器件故障或失效的表现形式）进行设计，最大限度地消除或控制产品在寿命周期内可能出现的故障（失效）模式；（4）在设计时，应在继承以往成功经验的基础上，积极采用先进的设计原理和可靠性设计技术。但在采用新技术、新型元器件、新工艺、新材料之前，必须经过试验，并严格论证其对可靠性的影响；（5）在进行产品可靠性的设计时，应对产品的性能、可靠性、费用、时间等各方面因素进行权衡，以便做出最佳设计方案。第四节

可靠性设计三、电路系统的可靠性设计在研制和生产电路系统时，应对元件进行老化实验和筛选，使得系统投入运行时，各元件能超过早期失效期。1、影响硬件可靠性的因素图5-57元件失效规律示意图时间t失效概率λ衰老期稳定工作期早期失效期第四节

可靠性设计三、电路系统的可靠性设计

注意元器件的电气性能：电压、电流、功率等。(2)考虑环境条件对硬件参数的影响：温度、电源；(3)考虑组装工艺：设计印制电路板时(4)优化结构设计：器件及设备的安装方式(5)冗余设计：采用若干设备并联(6)优化生产工艺：对元件进行老化实验和筛选2、提高硬件可靠性的一般方法第四节

可靠性设计四、软件系统的可靠性设计软件可靠性：按规定的条件和时间内运行不发生故障的能力。1、软件可靠性的基本概念软件的寿命周期中，也有早期故障期和偶然故障期。早期故障率也高于偶然故障期的故障率，但软件不存在故障率呈增长趋势的耗损故障期，软件的缺陷纠正一个就减少一个，不会重复出现。度量软件可靠性的直观指标是故障率，在软件寿命周期的各个阶段都可能发生软件错误或故障。软件开发周期各阶段需求分析设

计编码与单元试验综合与试验运行与维护错误百分数（%）551713105第四节

可靠性设计四、软件系统的可靠性设计(1)数字滤波：2、软件可靠性设计方法数字滤波(DigitalFilter)是通过软件计算的方式完成对信号的滤波，而不是使用硬件滤波器。这种方式具有更强的适应性，复用性好，允许自行定义分割点频率，修改方便，可实现超低频滤波。平均值滤波：即把n次采样结果的算术平均值作为输出。中值滤波：即把M次连续采样值进行排序，取其中位值作为滤波器的输出。

平滑滤波：把连续取n个采样值看成一个序列，取算术平均运算并输出。限幅滤波：将本次采样和上次采样的差值小于Δ的信号认为是有效信号。卡尔曼滤波：是一个最优化自回归数据处理算法。第四节

可靠性设计四、软件系统的可靠性设计(2)指令冗余：2、软件可靠性设计方法在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。此外，对系统流向起重要作用的指令如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP，也可将乱飞程序