成信工测控仪器设计讲义

《测控仪器设计》讲义§0引言0.1 仪器与测控仪器基本概念介绍什么是仪器与测控仪器？《测控仪器设计》在测控技术与仪器课程体系中的作用。测控仪器的发展趋势0.1.1什么是仪器与测控仪器传统的仪器可以定义为：用敏感元件将被测参数的信息转换成另一种形式的信息，通过信息的处理、传输、显示等形式被人们所认识。从计量测试角度，仪器可分为计量测试仪器、计算仪器、控制仪器。通常把计量测试仪器、控制仪器及装置统称为测控仪器。或者说测控仪器是利用测量与控制理论，采用机、光、电等各种计量测试原理，与控制系统、计算机技术等相结合的一种范围广泛的测量仪器。相关的概念补充如下：测试（Test）：加入一定激励信号后，用一定的测量仪器测量某一参数的变化或响应。测量（Measurement）：用一定的仪器和工具测定某一参数或指标；它以确定被测对象的量值为目的的一组操作。用实验方法，将物理量与作为单位量的量值相比较求出其比值的过程。计量（Metrology）：为实现测量单位的统一和被测量值准确可靠的活动。计量源于测量，而又严于测量。狭义的计量指计量单位及其基准、标准与量值的传递等；广义的计量则包括了所有的测量。如同科学发展离不开测量测试，仪器仪表是国民生产的重要组成部分。可广泛应用于：生产过程产品的静态与动态性能测试，加工过程的控制与监测，故障的诊断等等。它的作用可以归纳为：“仪器仪表是工业生产的‘倍增器’，科学研究的‘先行官’，军事上的‘战斗力’，国民活动中的‘物化法官’”。常见的测控仪器有：几何量（尺寸）；热工量（温湿度、流量）；机械量（测力、力矩、振动、速度与加速度、硬度）时间频率计量仪器；电磁计量仪器；无线电参数测量仪器；光学与声学参数测量仪器；电磁辐射计量仪器；0.1.2测控仪器设计与所学课程的关系和重点学习内容回顾一下以前所学的相关课程电子测量原理：电子测量原理与电参量测试方法。传感器与检测技术：检测技术基础和非电量测试方法。电路基础（电路分析、模电和数电）：电路设计方法与理论。单片机原理与应用：微处理器软硬件和接口设计。信号与系统：信息获取、处理的信号分析和系统分析。误差理论与数据处理：误差分析与数据处理。而测控仪器设计，学习的是如何应用系统和创新思维进行现代测控仪器、仪表的设计。内容上有测控仪器设计的原理、智能化测控仪器的软/硬件设计基础、仪器抗干扰和可靠性技术、现代仪表的智能化、信息化测控技术等等。测控仪器设计是测控技术与仪器的专业核心课程。课程要求有以下几个层次：掌握基础核心知识（如测控仪器设计的基本理论和方法，仪器电路（智能仪器）的硬件组成和软件设计等）。在测控仪器设计中能用系统和创新思维来进行仪器设计，即在实验或实践中能实际进行设计，并能表明自己的设计是有用、有效和合乎要求，并且具备后续发展的能力。0.1.3 测控仪器的现状和展望测控仪器的发展经历几个阶段，其中值得关注的现代微计算机与测控仪器相结合，使测控仪器的精度提高，功能扩展，可靠性增加，尤其是计算机网络技术的发展，使21世纪的测控仪器发展到一个新的阶段。从发展趋势上讲,测控仪器向高精度、高可靠性、高效率、高智能化、多维化、多功能化、网络化和采用新原理的新型仪器等方向发展。表1测控仪器的发展趋势应用领域仪器的主要要求备注（关注的理论基础）机械工程的纳米规划高精度精度理论航空、航天仪表高可靠性可靠性理论产品生产的高效率高效率（高速,大处理量）非接触测量、在线检测、自适应控制、模糊控制、操作与控制的自动化、多点检测等原子空间的三维测量、军事侦察、空间扫描对准多维化数据处理对仪器也要求多功能、高智能化智能化智能技术对极端参数和特种参数测量等需求测量仪器的新原理信息社会的网络化要求网络化网络技术0.2“测控仪器设计”介绍什么是测控仪器设计？它完成的功能是什么？怎样进行测控仪器设计？为什么要采用这样的方式进行设计？这是测控仪器设计课程所要回答的主要内容。这一节简介如下，以后的各章将详细讲述。首先先看网络化检测仪表的组成如图1，完成用敏感元件将被测参数的信息转换成另一种形式的信息，通过信息的处理、传输、显示等形式被人们所认识的仪器，仪表的设计。图1检测仪表的组成0.2.1“测控仪器设计”课程内容介绍由图1可以看出：表2测控仪器设计的理论与方法所涉及的理论和方法所要讲诉的章节方法被测参数的定义与概念1、仪器设计总体理论测量理论信号变换方法0、引言测量理论系统的性能和功能要求1、 仪器设计总体理论9、测控仪器设计的新技术被测参数测量的原理和误差分析1、仪器设计总体理论精度设计理论测量系统的可靠性分析6、测控仪器的抗干扰和可靠性设计可靠性理论测量系统的抗干扰6、测控仪器的抗干扰和可靠性设计抗干扰智能测控系统设计2、测控仪器的微处理机系统微处理机设计电路系统设计（变换、处理、传输、显示等）3、 智能测控仪器的输入输出接口4、 智能测控仪器的通信和人机接口电路设计软件基础与数据处理5、测控仪器设计的数据处理技术7、测控仪器设计的控制算法数据库、测试数据处理现代智能仪器的发展和新技术8、智能技术和测控仪器的现代设计方法人工智能、控制理论等0.2.2信号变换设计的方法从图1可以看出，仪器仪表进行测试有一个比较重要和基础的环节就是信号变换。合理的信号变换方法和手段可以提高测量的精度、可靠性、灵敏度；或者说是仪器的测试原理的一个组成成分。信号变换按结构形式来分主要有四类，即简单直接式变换、差动式变换、参比式变换和平衡（反馈）式变换。（1）简单直接变换的结构形式有两种。两种形式如图2所示图2信号的简单直接变换图（a）是一种只有转换电路的信号变换。这种信号变换形式最为简单，它要求敏感元件能将被测量转换成电学量（如压电传感器）图（b）是一种既有转换元件又有转换电路的信号变换。敏感元件首先把被测参数转换成某种可利用的中间物理量，再通过转换元件把中间物理量转换成电学量，最后通过转换电路使输出的电压或电流信号与被测参数相对应（如称重）（2）差动式变换为了提高检测仪表（系统）的灵敏度和线性度，减小或消除环境等因素的影响，信号变换常采用差动式结构，即用两个性能完全相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，并把它转换成两个性质相同但沿反方向变化的物理量（常见的是电路参数量）。图3信号的差动变换具体如图4：图4信号的差动变换例子特性分析：某变换器的特性方程为（1-1）另一个完全相同的变换器，感受相反方向的物理量，则其特性方程为（1-2）在差动输出时，特性方程是：（1-3）由于消除偶次项，使非线性误差大大减小，灵敏度提高一倍，零位偏移也消除。（3）参比式变换参比式变换也称补偿式变换。采用这种变换的目的是为了消除条件变化对敏感元件的影响。图5信号的参比式变换回归一下应变式传感器如何消除温度误差，不难理解参比变换。（4）平衡（反馈）式变换结构形式平衡式变换也称反馈式变换，是指信号变换环节（包括转换元件和转换电路）为闭环式结构图6信号的平衡式变换如果信号变换构成线形系统，符合叠加原理和频率保持性，在测控仪器设计中具有重要作用。（如各部分设计的关系和原理）。频率保持性：若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即若x(t)=Acos(ωt+φx)则y(t)=Bcos(ωt+φy)叠加性：系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即若x1(t)→y1(t)，x2(t)→y2(t)则x1(t)±x2(t)→y1(t)±y2(t)0.2.3结合图1思考以下问题：A、仪器的测试原理的有哪些?B、从信号与系统的观点，测试仪器应该是什么系统?C、从测试系统来讲，分为静态和动态特性，对于多环节系统与单环节系统有何区别？如何进行测试来得到。D、研究仪器及其原理的目的是什么？这些问题的答案可以在第1章中找到。0.3智能测控仪器（智能仪器）简介0.3.1智能仪器的概念智能仪器是计算机技术与仪器仪表相结合的产物。微处理器在智能仪器的作用主要体现在对测试过程的控制和对测试数据的处理两方面。智能仪器（IntelligentInstrument）通常是指含有微型计算机或微处理器的测量控制仪器，由于它拥有对信号数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能的作用，（表现为智能的延伸或加强）故被称为智能仪器或者具有数字存储、运算、逻辑判断能力、能自动选择量程、自动校正、自动补偿、自寻故障等，即能具备了一定的“智能”，故称智能仪器（即在测试中，可以完成一些需要人的智慧才能胜任的工作的仪器）。0.3.2智能仪器的现状和工作过程智能仪器已发展为从数据处理到知识处理的阶段，如：模糊判断、故障诊断、容错、传感器融合、机件寿命预测等随着计算机技术，网络技术的发展，提出了：软件即仪器、计算机即仪器、网络即仪器的概念。具有开放性、可互操作、分散性、网络化、智能化的特点。智能仪器的工作过程如图7（以单机型智能仪器为例）：图7单机型智能仪器系统的简单框图检测元件往往由传感器（包含了检测及变送功能）组成，它输出标准的（模拟）电信号，通过信号处理接口电路进行处理后，送给微机系统，微机系统对数据进行处理，可以按要求储存、校正、调节、显示或输出控制信号，通过输出接口电路控制被控设备，而人机界面接口则使操作员可以输入、修正控制要求、查看测控结果等。0.3.3智能仪器的分类（1）智能仪器按智能程度分类涉及到自动化生产工业时，把智能定义成自动化生产过程中一种闭环控制的仪器结合输入信号及存储的记忆而出现的判断控制能力。相应地就把智能仪器分类成：聪明类，电子、传感、测量初级智能，计算机，信号与处理模型化，系统辨识，模式识别高级智能，人工智能（2）智能仪器按结构分类单机型智能仪器如图7：这类智能仪器通常为某种测量目的设计，硬件与软件都是根据待测量、测控要求、性能指标来设计，针对性比较强，应用十分广泛，智能仪器狭义上通常就是指这种单机型智能仪器，这也是我们要着重分析的智能仪器。个人计算机仪器如图8：广义上，任何一台个人计算机附加上测量控制的外部设备都可以看成是一台智能仪器，可称为微机卡式仪器（PCI_personalcomputerinstrument）（亦称个人计算机仪器）图8个人计算机仪器的结构智能仪器测控系统（又称网络仪器）：在自动化工业过程中，往往对整个生产过程都要进行监控，在对机电产品测试中，也往往要对多种变量进行测试，综合分析测试结果，因此用大量智能仪器仪表（传感器）构成智能仪器系统也已经在很多场合得到了应用。0.3.3智能仪器的特点智能仪器的特点：仪器功能强大仪器性能优越仪器操作自动化数据传送与通信仪器功能强大：软件和硬件的结合体，软件的强大的运算能力和灵活性，使仪器功能大大增强。由于有微处理器，利用软件常用的数据处理十分方便：1）乘常数2）百分率偏离3）偏移4）比例：线形、对数、功率、最大最小、极限、统计。仪器性能优越：容易实现自动补偿、自动校正、多次测量平均，使测量精度提高。0.3.4（1）自动测试系统通常把在最少人工参与下能自动进行测量、处理、显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统。（多点循环检测的需要等）而由智能仪器组成的自动测试系统是一个分布式多微机系统，各智能仪器在任务一级并行工作，相互之间通过标准的外部总线进行必要的通讯，协同完成原来由大型系统才能胜任的测试任务。（2）虚拟仪器虚拟仪器可以自定义仪器功能。虚拟仪器（简称VI，VirtualInstruments）是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。常见软件LABVIEW的特点：使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面使用图标表示功能模块，使用图标间的连线表示各功能块之间的数据传递关系等提供程序调试功能具有结构化、模块化采用编译方式运行应用程序支持多种系统平台大量的函数库具有实时性提供DLL接口和CIN代码调用。（3）网络化仪器（4）智能传感器系统智能传感器系统兼有信息检测、信息处理能力的传感器系统模糊传感器（具有适应环境变化和学习推理的能力）习题与思考题1、如何判定仪表测量精确性？2、开环结构仪表和闭环结构仪表有什么各有缺点？3、比较仪表的准确度和误差之间的关系？4、什么是仪器？什么测控仪器？什么是智能仪器？它们的组成如何？5、检测仪表中信号变换的设计方法有哪些？6、智能仪器的基本类型与构成？它的发展方向是什么？7、用C或汇编语言完成乘常数、百分率偏离、偏移、对数、功率、最大最小、极限、统计的实现程序。8、推导闭环系统如下图的电压电流转换的方程，它对一般的闭环系统适用吗？9、请归纳一下检测方法的种类？根据仪表的概念说说与测控仪器设计的关系？第1章测控仪器设计的总体理论在这一章，要回答以下的问题，如何从误差角度保证仪器的精度设计；如何从整体设计的角度体现测控仪器的构思、设计、实现与运行。在理论上能用误差分析和综合的方法进行测控仪器的方案设计和系统的性能分析，并能给出定量的结果。能用系统的方法，对测控仪器系统的动静态特性，跟踪特性，动静态误差进行分析。依据上一章的介绍，对测控仪器的工作原理进行分析，进而给出测控仪器的设计原则和常用的设计原理。1.1测控仪器的精度理论测量（Measurement）：用一定的仪器和工具测定某一参数或指标；它以确定被测对象的量值为目的的一组操作。用实验方法，将物理量与作为单位量的量值相比较求出其比值的过程。从肉眼到直尺，到游标卡尺，到螺旋测微计，测量的器具精度不断提高；从长度，到温度，到电能，不同测量量都有精度的要求；从生产到日常生活，对不同需要的量都有明确的要求，或者说精度的要求。由于仪器误差的客观存在性以及精度的重要性决定了研究仪器误差是仪器设计的重要内容之一。而仪器的精度理论是研究仪器误差的重要理论依据。仪器的精度问题贯穿于仪器的设计、制造、使用全过程。而且工业上的精度要求越来越高，如半导体工业中RAM的线宽：对于64KRAM为2-3um；而256KRAM为0.7um。把“误差分析与数据处理”的原理联系仪器的设计。由于测控仪器是多环节的系统，它的误差的分析和计算，比较复杂。如仪器的电路原理可简化为下图3.1：进一步可简化为：图1.21测试系统流程简图所以仪器的误差分析可看为级联、并联或它们的混合。从误差的来源来讲：造成仪器误差的原因成在于仪器的设计、制造和使用的各个阶段。分别对应原理误差、制造误差和运行误差。从数学特性上看，原理误差多为系统误差，制造误差和运行误差多为随机误差。A、原理误差是由于在仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的结构和近似的测控电路所造成。有时是为简化设计、简化制造工艺、简化算法和降低成本所必不可免的。如在原理设计时：非线性考虑为线性；数据处理的近似和数据的舍入；机构的近似；测控电路等（采样、处理等）会带来原理误差。通常在设计阶段采用精确的、合乎实际的理论进行设计和参数计算；采用技术措施或采用误差补救措施避免原理误差。B、制造误差是指由仪器的零件、元件、部件和其它环节在尺寸、形状、相互位置以及其它参量等方面的制造及装配的不完善所引起的误差。可以通过合理的分配误差和确定制造误差；正确地确定仪器的结构参数；正确的应用仪器设计原则和原理；合理的结构工艺性；设置适当的调整和补偿环节来减小制造误差。等C、运行误差是在使用过程所产生的误差。如：力变形、磨损和间隙、温度、振动和干扰等。从误差的来源来分析误差，更像一些并联系统。但它能给出误差的系统分析和消除、减小方法。如前所诉，如果一个复杂的仪器系统，它的误差如何来确定？一般通过实验和综合分析的方法来分析。仪器误差分析的步骤：（1）寻找源误差；（2）计算（或分析或实验）得出各个源误差对仪器精度的影响；（3）精度综合1.1.1仪器误差的分析与运算如前所诉，得到仪器误差分析的步骤：（1）、确定系统与各组成成分的关系，最简单的情况可以得到如：（1-1）如不能，应能给出其相关或随机等特性。（2）、确定误差的传播系数、各个误差之间的相关性等（3）、进行误差合成，精度综合结合误差来源，也就是尽可能的得到原理（已定系统）误差，确定未定系统误差和随机误差的分布等数学特性来进行误差的分析。常见的分析方法有：A、误差的独立作用原理，方法类似误差理论中相互独立的函数标准差计算（1-2）函数的一般形式：变量相互独立，泰勒展开，并取其一阶项作为近似值：（1-3）得到：（1-4）类似有，函数标准差计算：（1-5）和在这些处理中，由于在仪器制造之前，仪器的实际方程为不存在，有时用理想的方程代替；同样各特性参数也为理想数值；并且突略各源误差对仪器影响的相关性以及非线性。B、推广A，可以用全微分来进行分析。若能列出仪器的全部或局部的作用原理方程，那么当源误差为各特性或结构的特性参数误差时，可以用对作用原理方程求全微分的方法来求各源误差对仪器精度的影响。（1-6）C、通过用几何法，利用源误差与其局部误差的几何关系，分析源误差对其精度的影响；这样就可解决适合于求解机构中未能列入作用方程的源误差所引起的局部误差。例：螺旋测微机构的误差分析（由于制造或装配产生的误差，使得螺旋测微机构的轴线与滑块运动方向成一夹角Θ，求由此引起的滑块位置的误差。图1.32螺旋测微机构的误差分析（1-7）D、同样的采用作用线和瞬时臂法；分析源误差对其精度的影响。主要考虑源误差在机构的传递过程。是基于源误差在机构中的传递机理与机构传递位移的过程密切相关；研究机构传递位移的规律，来分析位移相关测量的精度的方法。例：测杆和导套之间的配合间隙所引起的误差，设夹角为α。（1-8）图1.43测杆和导套之间的配合间隙所引起的误差E、通过实验来分析源误差对其精度的影响的数学逼近法：实际上，原理误差定义为仪器的实际输出与输入关系与仪器理想特性之差。通常采用测定的方法测出在一些离散点上仪器的输出与输入的对应值，利用数值逼近理论，依据仪器特性离散标定数据，以一些特定的函数去逼近仪器的特性，并以此作为仪器的实际特性；再将其与仪器的理想特性比较即可求得仪器的原理误差。方法：用代数多项式或样条函数，结合最小二乘原理来逼近仪器的实际特性。依据：闭区间的任意确定性连续函数可以用多项式在该区间内所要求的任意精度来逼近。例：测温传感器的特定方程i0123456温度Ti/ºC17.0318.0119.0220.0021.0022.0023.00电压Ui/mV-0.170540.125560.415920.696790.973241.242121.50351可得到：（1-9）方法可以在误差理论和数据处理中得到。F、对复杂系统的考虑，输入可以看作有用信号和扰动的合成，仪器的作用可以理解为传递函数的作用，扰动所参生的误差可用控制系统分析方法来分析。扰动：电源电压的波动、环境温度、压力变化、负载的变化。在制造和安装中的误差：电器元件参数的非线性、电路微小参数的突略等图1.54系统与扰动从系统即可分析。1.1.2仪器误差的综合仪器误差分析又称精度分析，是寻找影响仪器精度的根源及其规律，进而计算误差的大小和其对仪器总精度的影响程度；以便正确地选择仪器的设计方案，合理确定结构和技术参数，并为科学合理地设置误差补偿环节提供依据；进而在确保经济性的条件下获得满足要求的仪器总精度。需要一个计算，就是仪器误差的综合：仪器中的随机误差是大量的，考虑到随机误差的随机性及其分布规律的多样性，在对随机误差进行综合时，可以采用均方法和极限误差法。一台仪器误差的综合：若一台仪器中各项误差相互独立，而未定系统误差数又很小，因而未定系统误差的随机性大为减小，可按系统误差处理。仪器的总误差为（1-10）如果强调随机性：（1-11）一批同类仪器误差的综合：由于随机性大大增加，若单项误差独立，则合成误差为：（1-12）1.1.3仪器精度指标的确定仪器精度设计是仪器精度综合的反问题，其根本任务是将给定的仪器总误差合理分配到仪器的各个组成部件上，为正确设计仪器的各个组成部件结构以及制定零部件的公差和技术要求提供依据。（1）微小误差原理：与仪器的总误差的影响相比是微不足道的某一误差，称为微小误差（如：略去某项误差对总误差的影响小于1/10）测量过程包含有多种误差时，当某个误差对测量结果总误差的影响，可以忽略不计的误差。已知测量结果的标准差：（1-13）若将其中的部分误差Dk取出后，则得（1-14）如果，则称Dk为微小误差通常满足1/3原则:Dk〈1/3*D总即某项部分误差舍去后，用不确定度进行推导，满足：（1-15）则对测量结果的误差计算没有影响。（2）Mcp检测能力指数法测量仪器按测量的性质分为三类：参数检验：通常判断参数的范围。参数监控：介于参数检验和测量之间，对参数进行测控。参数测量：通常指参数的准确数值或计量数值。为从精度上区分，定义检测能力指数:（1-16）u为测量结果的标准不确定度；U为测量结果的总不确定度，T是参数允许的变化范围，用测量误差估计时，U1为测量仪器的不确定度。（1-17）例：设计一台用于检验港口计量进出口散装粮食的测量仪，要求其检测状况为A级，确定该测量仪的精度。解：根据国际惯例，港口计量粮食的误差范围为±0.4%，否则予以赔偿，因而被测对象的测量误差为±0.4%，对于A级测量，查检测能力指数表,Mcp=1.7-2,那么（1-18）1.1.3仪器误差分配方法分为：系统误差分配随机误差分配误差调整（1）系统误差分配过程：先计算出原理性的系统误差，再根据误差分析的结果找出系统误差可能出现的环节，根据一般经济工艺水平给出这些环节具体的系统误差值，算出仪器局部的系统误差，最后合成总误差，当设计结果小于或接近仪器允许的总误差的1/3，认为分配合理。（2）随机误差分配一般用方根和进行综合A、按等作用原则分配B按加权作用原则分配（3）误差调整制定三方面的公差：经济公差、生产公差、技术公差来衡量误差分配的合理程度。1.2测控仪器的系统特性是指测量系统与其输入、输出的关系。静态特性：输入信号x(t)不随时间变化的X-Y之间的关系动态特性：输入信号x(t)随时间变化的X-Y之间的关系图1.65测控仪器的系统特性从系统的角度，研究测试系统的目的：（1）应用测量系统测量未知物理量，即已知Y,H(S)；得到X(被测量)（2）根据对被测量的测量进行测量系统组建，即已知X,H(S)；得到Y(输出量)（3）用于系统研究、设计、制作，已知X,Y，得到H(S)(得到数学表达式进而得到测控仪器系统)从前面的分析和第一章中关于线形系统特性的介绍，可知理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入－输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。表示为：（1-19）1.2.1静态特性的基本参数零位：当输入量为零x=0时，测量系统的输出量不为零的数值问题：如何克服零位？例如可以通过测量系统的调零机构或者由软件扣除灵敏度：描述测量系统对输入量变化反应的能力。多级测量系统的灵敏度：若测量系统是由灵敏度分别为S1，S2，S3等多个相互独立的环节组成时，（如图1-1）测量系统的总灵敏度S为S=S1*S2*S3分辨力又称灵敏度阈：表征测量系统有效辨别输入量最小变化量的能力。测量范围——测量系统所能测量到的最小被测量（输入量）与最大被测量（输入量）之间的范围;可靠性：平均无故障时间MTBF——在标准工作条件下不间断地工作，直到发生故障而失去工作能力的时间称作为无故障时间。可信任概率P——表示仪表误差在给定时间内仍然保持在技术条件规定限度以内的概率。故障率或失效率——平均无故障时间MTBF的倒数。稳定性和影响系数：稳定性——指在规定工作条件范围之内，在规定时间内系统或仪器性能保持不变的能力。如：2.1mV／8h，一年不超过1％满量程输出。影响系数——指示值变化与影响量变化量的比值如：电源电压变化10％引起示值变化1％(相对误差)；温度变化1oC引起示值变化3.1×10-3(引用误差)输入电阻与输出电阻：输入电阻与输出电阻值对于组成测量系统的各环节而言甚为重要。前一环节的输出电阻R01相当于后面环节的信号源内阻，所以输出电阻理想值应为零。后一环节的输入电阻Ri2相当于前面环节的负载；输入电阻理想值为无穷大。1.2.1仪器的动态特性（输入输出特性）传递函数是描述仪器传递信息特性的函数，是仪器结构参数的表达式，只取决于仪器本身的结构，而与输入信号无关。动态偏移误差是一种有规律的或在一定条件下有固定大小和符号的误差，它由输入信号的形式和仪器的动态特性所决定。动态仪器的输出应能正确反映输入，故定义动态偏移误差为动态输出与输入之差。动态重复性误差是指在规定的使用条件下，对同一动态输入信号进行多次重复测量，所测得的各个输出信号在任意时刻量值的最大变化范围，通常用三倍的动态输出标准差表示。动态偏移误差和动态重复性误差是在时域表征动态测量仪器的精度，分别代表了动态仪器响应的准确程度和精密程度理想仪器与频率响应特性理想不失真仪器的幅频特性应该是与频率无关的常数，相频特性应该与频率成线性关系。设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系y(t)=A0x(t-t0)该系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。做傅立叶变换：不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性应分别满足A(ω)=A0=常数φ(ω)=-t0ω图1.7理想仪器与频率响应特性同样，根据这个特性，如果已知测量系统的动态特性，估算可测量信号的频率范围与对应的动态误差。*广义动态误差一个测量系统的频率特性为W(jω)，它所要执行的功能用理想频率特性表示为WN（jω），二者之间存在的误差。动态幅值误差表达式为典型环节的动态误差1）一阶系统的动态误差2）二阶系统的动态误差3）微分器的动态误差4）积分器的动态误差1.3测控仪器的总体设计测控仪器总体设计，是指在进行仪器具体设计之前，从仪器自身的功能、技术指标、监测与控制系统框架及仪器应有的环境和条件等总体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行全面的设想和规划。现代测控仪器是机、光、电、计算机一体化的整体系统；是检测和控制相结合的智能型动态系统。仪器总体设计的最终评估，是以其所能达到的经济指标与技术指标来衡量。在所有的技术指标中，精度与可靠性指标是测控仪器设计的核心问题。软件与硬件相结合是智能化设计的重要问题。1.3.1设计任务分析与创新点的构想就一台仪器而言，其所能达到的新功能，所实现的新方法，所反映的新技术、新理论，是测控仪器总体设计的创新。首先是设计任务的分析。设计任务分析:了解被测控参数的特点了解测控对象的特点了解仪器的功能要求、智能化要求了解仪器的使用条件了解国内外同类产品类型、原理、技术水平和特点了解国内有关方面的加工工艺水平和特点创新点的构想：创新是指对原理设计的继承和发展，对现有仪器的理论知识和实践经验了解的越多，掌握得越深入，越容易发现现有仪器设备的缺陷，从而找到进一步完善和发展的途径。1.3.2测控仪器设计原则测控仪器设计的经验原则有：A阿贝原则及其扩展B变形最小原则及减小变形影响的措施C测量链最短原则D坐标系基准统一原则E精度匹配原则F经济原则(1)阿贝原则及其扩展阿贝原则：为使量仪给出正确的测量结果，必须将仪器的读数刻线安放在被测尺寸线的延长线上。如图1.7一个是没有采用阿贝原则的游标卡尺，一个是采用阿贝原则的测长仪。式1-20是游标卡尺的误差分析，其转角为φ（虚线和游标卡尺滑块垂直线的夹具）。（1-20）式1-21是阿贝原则测长仪误差分析，其偏角为φ，长为d。（1-21）图1.87阿贝原则事例(2)变形最小原则及减小变形影响的措施应尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因温度变化所引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化，并使之对仪器精度的影响最小。在传感器设计中选用随温度和湿度变化较小的材料来做电容或电感式传感器为其中的例子。例：应变测量电桥零点温度漂移的补偿。A、平衡条件：电桥的平衡条件有两个：一个是电阻的平衡条件R1*R4=R2*R3,另一个是温度系数有a1+a4=a2+a3。B、应变测量电桥零点温度漂移的电路零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，，RS是串联电阻；RP是并联电阻。串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用。图1.87电桥温度补偿（1-22）（1-23）（1-24）设R1́、R2́、R3́、R4́与R1″、R2″、R3″、R4″为四个桥臂电阻在低温和高温下的实测数据，RŚ、RṔ与RS˝、RS˝分别为RS、RP在低温与高温下的欲求数值。（3）测量链最短原则构成仪器测量链环节的构件数目应最小。凡是构成直接与感受标准量和被测信息的有关元件如：被测件、标准件、感受元件、定位元件均属于测量链。如：电子式位移量同步比较原理。（4）坐标系基准统一原则仪器群体之间的位置统一（如：零件的设计基面、工艺基面和测量基面一致或仪器子坐标系在主坐标系统中的转换关系与实现转换的方法即坐标系的基准统一）（5）精度匹配原则在对仪器进行精度分析的基础上，根据仪器中各部分各环节对仪器精度影响程度的不同，分别对各部分各环节提出的各环节精度要求和适当的精度分配。（6）经济原则工艺性合理的精度要求合理选材合理的调整环节提高仪器寿命尽量使用标准件和标准化模块（7）误差分配理论中最佳测量系统设计原理等。1.3.3测控仪器原理（1）平均读数原理利用多次读数取其平均值，能够提高测量精度（如，光栅的摩尔条纹）（2）比较测量原理位移量同步比较测量原理光学量差动比较测量原理零位比较测量原理A位移量同步比较测量原理齿轮、凸轮型面参数：原来的用定义进行测量（转化为位移量）。后采用电子式位移量同步比较原理：分别激光或光栅测出各自的位移量，然后再根据它们的关系由计算机直接计算进行比较。差动比较（直流光照）B、差动比较（直流光照）图1.98差动比较示意图C、零位比较测量原理（自动平衡补偿测量）图1.9可移动电位器零位比较示意图（3）补偿原理补偿环节补偿方法补偿要求综合补偿1.3.4测控仪器工作原理的选择和系统设计A信号转换与传输原理接触式、非接触式或直接引入式。位置检测或数值检测机械、光学、光电、电学、气动等B标准量及其细分方法的选用标准量的分类及作用几何量标准器的类型及特点标准量的细分方法C数据处理与显示装置的选取快速、扩大使用范围、提高精度、实现自动化。（数据处理）指示、记录、数字、打印与其它显示装置。（位数和精度）D运动方式与控制方式如：开环、半闭环、闭环等控制方式直线运动或回转运动。1.3.5测控仪器设计的其它问题测控仪器技术指标的确定：从精度要求确定从测量范围确定从误差补偿要求确定测控仪器的造型设计A外形设计：外形比例的选择外形的均衡与稳定外形的风格外形形体的过渡表面装饰处理B人机工程人体尺度视角要求作用力要求工作环境和安全要求习题与思考题1、测控仪器设计原则有哪些？2、测控仪器的设计原理有哪些？3、推导扩散硅电阻电桥中的串联、并联补偿电阻的计算公式。4、推导仪器系统误差的几种综合方法。5、推导仪器精度指标的确定的微小误差原则。6、推导仪器系统和随机误差的分配方法？7、测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法?如何进行?8、使用两种方法测量一阶系统的时间常数？并比较它们的特点？9、一阶系统可否快速测出稳定的输出值？请阐述其过程。10、想用一个一阶系统作100Hz正旋信号的测量，如果求限制振幅误差控制控制在5%以内，时间常数为多少，这时的相位误差为多少？11、用一个二阶系统测量下图的方波。已知该二阶系统的固有频率f=100Hz,阻尼比为0.4。求x(t)的响应y(t),并绘出y(t)的波形图。12、如设计一个远距离的室内温度的数据采集系统，已知选用的传感器为AD590K，请分析传感器所产生的误差。第2章智能测控仪器的微处理机系统2.1通用微处理器构成的微型计算机微型计算机是智能测控仪器的核心，影响它的智能化水平。把嵌入到对象体系中的专用计算机称为嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统）嵌入性、专用性、计算机系统为其基本要素。单片机（SCM）是寻求最佳单片形态嵌入式系统的最初体系结构。（实际也是MCU）微控制器（MCU）扩展了各种外围电路与接口电路。SOC片上系统是应用系统在芯片上的最大解决。微机系统设计包括：单片机（微型处理器）时钟电路复位电路存储器I/O扩展接口电路其中关键在于微型计算机的选型和应用：中、大型任务（数据处理复杂、数据存储量大、实时性高的环节）-----微型计算机一般任务-----单片机随着时代的进步-----多处理机系统逐步发展。对单元电路的设计要求：时钟电路：对时钟电路的要求包括高、低电平是否等宽，在规定的负载条件下允许的最大升、降时间。一般选用专用时钟电路。对复位电路：，通过硬件或软件实现CPU及其它逻辑芯片与电路的初始化处理。可选择集成电源管理与复位芯片，有时需考虑掉电保护电路。2.1.1微处理器的功能结构在计算机的系统结构中，CPU是计算机的核心，主要由控制器、运算器和寄存器三部分组成。图2.1Intel8086CPU的内部结构2.1.28086/8088微处理器及其工作模式Intel8086为16位微处理器，16位数据线，20位地址线（低16位与数据线复用）。8088为准16位微处理器，只有8位数据线。有最大、最小模式，由MN/MX引脚决定，其接高为最小模式，接地为最大模式（含有两个或多个处理器，如8087协处理器和8089I/O协处理器）。图2.2Intel8086CPU的最小系统地址总线、数据总线、控制总线8282锁存器在ALE和BHE信号控制下完成20位地址锁存；收发器新形成16位数据总线，其输出允许端由DEN信号控制；开通方向由DT/R信号控制。M/IO、RD、WR组合决定传送类型图2.3Intel8086CPU的最大系统8288总线控制器输出信号：地址锁存信号ALE；数据总线收发器信号DEN和DT/R信号；INTA中断响应信号；MWTC、MRDC和IORC、IOWC两组读/写控制信号分别控制存储器读/写和I/O端口读/写。2.1.38086/8088微处理器的中断系统采用向量中断，0-3FFH存放，有256个中断向量。每个中断向量占4个单元，前两个单元存放中断处理程序入口地址的偏移量，后两个单元存放中断处理程序入口地址的段地址。硬件中断：可屏蔽中断（从INTR接入，当IF=1允许进入）非屏蔽中断NMI软件中断（如除数为0和中断指令引起的中断）中断优先级（8259）图2.4Intel8086CPU的中断（8259）2.2ARM嵌入式系统嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可以裁剪，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。IEEE定义为：“嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备”嵌入式系统深藏于工业系统、武器系统或一些机电仪表设备、消费电子类产品内部，完成一种或多种特定功能的计算机软件与硬件的综合体。嵌入式系统可以根据系统是否必须作为独立单元工作、是否必须具有网络功能、是否必须执行实时操作等标准来划分,即可以分为：单机嵌入式系统、实时嵌入式系统、网络设备和移动设备嵌入式处理器可以分成下面几类：嵌入式微处理器（MPU，MicroProcessorUnit）嵌入式微控制器（MCU，MicroControllerUnit）嵌入式DSP处理器（EDSP，EmbeddedDigitalSignalProcessor）嵌入式片上系统（SystemOnChip)ARM处理器：ARM公司使用通用的基础体系结构，以极低的成本和功耗提供了高性能、多系列的32RISC处理器核。ARM处理器在耗电、数据传送、数据处理速度以及带DSP功能方面业界领先，很快成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费和嵌入式解决市场的RISC标准采用RISC体系结构的ARM具有如下特点：采用固定长度的指令格式；使用单周期指令，便于流水线操作执行；大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。一般支持THUMB/ARM双指令集，能兼容8B/16B器件。体积小、功耗低、成本低、性能高。ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。TDMI的基本含义为：T支持16为压缩指令集Thumb；D支持片上Debug；M内嵌硬件乘法器（Multiplier）；I嵌入式ICE，支持片上断点和调试点ARM7TDMI-S处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度这样可使几个操作同时进行并使处理和存储器系统连续操作流水线使用3个阶段因此指令分3个阶段执行取指译码执行图2.5指令流水线简介程序计数器(PC)指向被取指的指令而不是指向正在执行的指令在正常操作过程中在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码并将第三条指令从存储器中取出传统的微处理器结构对于指令和数据有相同的带宽。因此，和16位结构相比，32位结构处理32位数据具有更高的性能并且在寻址更大的地址空间时要有效得多。16位结构比32位结构具有更高的代码密度，并且超过32位结构60%的性能。Thumb在32位结构上实现了16位的指令集，这样可提供：比16位结构更高的性能比32位结构更高的代码密度进入ARM状态执行BX指令，使操作数寄存器的状态位为0在处理器进行异常处理时，把PC放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序LDRR0，=LABEL+1BXR0如R[m]位0为0，跳转将CPSR的标志位T复位。进入Thumb状态执行BX指令，使操作数寄存器的状态位为1当处理器处于Thumb状态时发生异常，则异常处理返回时，自动切换到Thumb状态。LDRR0，=LABEL+1BXR0如R[m]位0为1，跳转将CPSR的标志位T置位。ARM微处理器的编程模型：字（Word）在ARM体系结构中，字的长度为32位。半字（Half-Word）在ARM体系结构中，半字的长度为16位。字节（Byte）在ARM体系结构中，字节的长度为8位。ARM处理器支持7种处理器模式：表2.1ARM处理器处理器模式处理器模式描述User普通程序执行模式FRQ用于高速数据传输或通道处理IRQ用于通用中断处理Supervisor操作系统的保护模式Abort用于实现虚拟或存储保护Undefined支持软件模拟或硬件协处理器System运行特权操作系统任务当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常，例如处理一个外部的中断请求。在处理异常之前，当前处理器的状态必须保留，这样当异常处理完成之后，当前程序可以继续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固定的优先级进行处理。ARM体系结构支持的异常类型图2.6ARM处理器支持7种处理器模式异常类型异常类型具体含义复位复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位处理程序处执行。未定义指令遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。软件中断执行SWI指令产生，用于用户模式下的程序调用特权操作指令。指令预取终止处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，产生指令预取中止异常。数据终止处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常。IRQ外部中断请求有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常。FIQ快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常。2.3PIC单片机特点（PIC16C71）低功耗采用哈佛结构（于冯.偌依曼不同）双向独立的可编程IO工作电源范围宽8级13位宽硬件堆栈配置有4路模拟输入通道可以节省1/2的程序空间，和4倍的速度优势。图2.57PIC16CXX系列管脚分布图哈佛结构：即程序和数据存储在不同的存储器中。可以使执行和取指操作重叠进行，提高运行速度，单字节指令（除跳转外)可以在单周期内执行。图2.68PIC16CXX功能原理图功能部件：算术逻辑单元ALU和工作寄存器W振荡/定时部件（timergeneration)振荡起振定时器OST，上电复位电路POR，看门狗定时器WDT指令译码与控制部件（ID/CONTROL）特殊功能寄存器（定时/计数寄存器RTCC与选择寄存器OPTION、程序寄存器OPTION、程序计数器PCL与PCLATH、状态寄存器STATUS、寄存器选择寄存器FSR、I/O寄存器PORTA、PORTB、PORTC与I/O控制寄存器THISA、THISB、A/D转换结果寄存器ADRES与A/D转换控制寄存器ADCON0、ADCON1以及中断控制寄存器INTCON。）36个通用寄存器RAM1024*14的程序存储器8级硬件堆栈算术逻辑单元ALU和工作寄存器WALU的功能是通过W对数据进行算术/逻辑运算。W提供操作数与存放运算结果MOVLW5；W=5，十进制5送工作寄存器MOVWF30；WF30，寄存器F30=5；ADDWF30，0；F30+WW，将寄存器F30的内容与W相加，结果存入W。状态寄存器STATUS：进位C、辅助进位DC、零Z、低功耗(PD)、看门狗定时溢出（T0）、寄存器页面选择（RP0、RP1）和IRP8个标志位PIC16C7113位程序计数器，可寻址8K程序存储空间。程序存储器为1K，程序计数器低8位PCL可读写，高5位PCH不能读写，需通过PCLATH。8级13位硬件堆栈，不占数据存储和程序存储器空间CALL和中断，PC值压栈RETURN、RETLW、RETFIE，弹出图2.79PIC16CXX内存分布例1：MOVLW9；把9装入W9àWMOVWFFSR；FSR=9,W->FSRCLRFINDF;0->F9,F9=0MOVLW10;10->W,W=10ADDWFINDF,0;10+0->W,W=10,FSR所指的寄存器F9内容“0”与W的内容0相加，结果存入W例2：BSFSTATUS,RP0;SelectBank1CLRFADCON1;ConfigureA/DinputsBCFSTATUS,RP0;SelectBank0MOVLW0xC1;RCClock,A/Dison,Channel0isselectedMOVWFADCON0;BSFINTCON,ADIE;EnableA/DInterruptBSFINTCON,GIE;Enableallinterrupts;;Ensurethattherequiredsamplingtimefortheselectedinputchannelhaselapsed.;Thentheconversionmaybestarted.;BSFADCON0,GO;StartA/DConversion:;TheADIFbitwillbesetandtheGO/DONEbit:;iscleareduponcompletionoftheA/DConversion.智能测控仪器的多微处理机系统和片内的总线在通信介绍。附录：利用单片机的内部定时器测量外部脉冲宽度例：用定时器测量引脚上正脉冲的宽度。（机器周期数）分析：T0、T1定时器/计数器中有一个门控信号GATE，当该信号被设置为“1”时，只有TR1=1,并且为1时，才能启动定时器。利用此信号可以检测外部某一个脉冲的宽度。测量过程为：初始设置T1工作在方式1，定时状态，时间常数初值为0，GATE=1。当外部待测脉冲由（P3.3）输入时，启动T1。当再次出现高电平时，开始计数，直到出现低电平为止。此时读出的时间常数就是对机器周期的计数次数，此数乘以机器周期即为正电平宽度。若f=12MHz，A、B中的数值则是以微秒为单位的正电平的宽度。图2.10定时器1的工作示意图T1T1开始初始化P3.3T1计数停止计数程序清单： MOVTMOD,#90H ；设置T1为模式1，且GATE=1MOVTL0,#00H ；定时初值为0 MOVTH0,#00H WAIT1: JBP3.3,WAIT1 ；等待变低电平,开始启动TR1 SETBTR1 ；启动定时器WAIT2: JNB P3.3,WAIT2 ；等待=1，开始计数WAIT3: JB P3.3,WAIT3 ；等待P3.3变低电平CLR TR1 ；结束计数 MOVA,TL1 MOVB,TH1 ；存放计数值习题与思考题1、如何利用PIC单片机的内部定时器测量外部脉冲宽度？2、通用51系统指令集和RISC指令集各有几类指令？3、设计测控仪器的专用微机系统包括那些内容？4、由8031单片机构成的仪表将数据存储区分为间隔2K的若干区域，问怎样用最少的译码器芯片生成各存储区的片选信号？5、用PIC单片机实现本章附录频率的测量，要求画出原理图和写出程序。6、用ARM实现本章附录频率的测量，要求画出原理图和写出程序。7、比较51、PIC、ARM7的指令运行时间，并举例（如MOV等）。8、画出单片机的最小系统原理图。第3章智能测控仪器的输入输出接口很多仪表（传感器）传送的电信号是模拟信号，反映了待测信号随时间连续变化的关系，为了将这个电信号输入到微机中进行实时处理，需要对输入信号进行分析处理，单通道测量数据采集系统的框图如下。图3.1单通道测量数据采集系统的框图3.1数据采集系统的信号调理电路-放大电路在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（SignalConditioning），相应的执行电路统称为信号调理电路。*（1）运用前置放大器的依据：首先分析输入、输出电压的区别。图3.2单通道测量数据采集系统的前置放大（2-1）下面比较放大器放在滤波器前后的区别。图3.3两种调理电路的对比（2-2）（2-3）由于K＞1,所以，，这就是说，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。（2）常用放大电路A．三运放高共模抑制比放大电路图3.4三运放高共模抑制比放大电路IR=(uo2–ui2)/R2=(ui1–uo1)/R1=(ui2–ui1)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)–ui2R1/Rp，uo2=ui2(1+R2/Rp)–ui1R2/Rpuo=(uo2–uo1)R5/R3（2-4）由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。B．隔离放大器的组成隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输过程中，例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大对信号的传递精度要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。由以下几部分组成：输入部分、输出部分、信号耦合变压器、隔离电源。图3.5GF289集成隔离放大器C．量程自动转换与程控放大器作用：由于输入量有较大的输入范围，必须根据输入电平的大小，改变测量放大器的增益，使各输入通道均用最佳的增益放大，以保证测量范围和测量精度的要求。原理：程控放大器由运算放大器和用模拟开关控制的电阻网络组成，模拟开关用数字编码控制。当输入不同的数字编码，就接通不同的模拟开关，选择了不同的反馈电阻，由反相比例运算公式知，这时放大器有不同的放大倍数。程控增益放大器：用一个通用运算放大器，一片8路模拟开关（MUX）CD4051和电阻网络可以组成程控放大器.程控增益放大器。使用时要注意模拟开关本身也有一定的电阻，约为100多欧姆，如果对放大倍数精度要求比较高，RF1可串联一个可调电阻来调整放大倍数。图3.6程控增益放大器图3.6量程自动切换的过程示意图3.2数据采集系统的A/D转换A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。（1）将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足fs≥2fmax，y(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。图3.7A（2）由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。图3.8采样―保持电路及输出波形（3）量化与编码数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位△。将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△的整数倍的过程叫做量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。3.1.1(一)双积分型ADC图3.9双积分ADC工作过程双积分DAC分为两个阶段，第一阶段为定时对输入信号积分，待积分时间到后，进入第二阶段，即反向恒速率积分，此时的积分电压为输入的参考电压。在第二阶段，用一计数器计时间脉冲，到积分电压过零即停止计数，并输出计时值，此值与输入电压成正比。图3.10双积分ADC电压工作波形第一阶段（2-5）第二阶段回积阶段参考电压输入的回积阶段，使Vo从前电压回积到零：（2-6）自动校零阶段：高精度AD，防止失调的措施(二)比较型ADC比较型ADC可分为反馈比较型及无反馈（直接）比较型两种。高速的并行比较型ADC是无反馈的，仪器中常用到的中速中精度的逐次逼近型ADC是反馈型图3.101逐次逼近型ADC跟踪比较型：可逆计数器通过D/A转换到输入端。当电压输入端电压相等时，输出的并行数字电压。图3.112跟踪比较型ADC（三）无反馈比较型并行比较型：模拟电压量化与基准电压比较，将比较结果进行编码，从而给出相应的数字量输出。串行比较型：将分压电阻连接到开关编码阵列中，寄存器输出的信号控制模拟开关，控制比较电压，相等时寄存器输出的编码即为输出。串并行比较型A/D转换器图3.123并行比较型ADC串并行比较型A/D转换器：图3.134串行比较型ADC(四)Δ-Σ型ADC过采样Σ-ΔA/D变换器由于采用了过采样技术和Σ-Δ调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实现高精度的A/D变换器，适应了VLSI技术发展的要求。图3.145Σ-ΔA/D变换器Δ-Σ调制器，其量化对象是相邻的两个采样点的幅值差，并将其编码为1位的数字信号输出。如果要用X1(t)表示X(t),t轴等间隔，Y轴等间距Δ，要求采样频率高。Δ的正负由差值信号确定De(t)/dt表示量化噪声，可用低通滤波器消除。E(t)可用量化编码来实现。图3.156Σ-ΔA/D变换器3.2任何型号的A/D转换器芯片都可以与CPU相连接，但要根据A/D转换器和CPU的功能特点设计选择接口方式。图3.167A图3.178A/D例：AD574A与MCS-51的数据采集完成一次模/数转换的程序如下，执行后把读到的12位转换结果的高8位储存在R2寄存器中，低4位储存在R3寄存器中，供后面程序处理。TRANS: MOVR0,#7EHMOVX@R0,A;启动12位模/数转换LOOP:JBP1.0,LOOP;查询转换是否结束MOVR0,#7DH;

控制命令高8位数据读出MOVXA，@R0;MOVR2，A；高8位数据存在R2中MOVR0，#7FH；控制低4位数据读出 MOVXA，@R0;MOVR3，A；低4位数据存在R3中，注意R3中D4-D7位为有效数据，即格式为：****0000，*为有效数据。3.2智能仪器往往具有多种测量功能，需要对工业控制现场的多种待测量进行监控，因此就有可能需要如图3.19的自动巡回测量或选择性测量，这种功能一般是通过多路模拟开关实现的。多路模拟开关又称多路模拟信号转换器（Multiplex(er),简称MUX）多用于A/D或D/A；如图3.20用用时分法传输多路信号。信号从多路模拟开关的公共端输出时，可以作为多路信号的传输器，以实现从多路到一线的传输功能。当信号从多路模拟开关的公共输入时，又变成信号分离器，实现一路到多路的传输。图3.189巡回检测传输电路图3.1920用时分法传输多路信号3.2.4数据采集系统实际中智能仪器的测量对象差别很大，且一台智能仪器仪表通常要对多路信号进行实时测量，这里对多路数据采集系统的结构进行讨论。图3.20多通道数据采集系统框图共享放大器的数据采集系统:硬件开销最小，但软件处理比较复杂，所以相应地数据采集速度也比较慢。3.3测控仪器的输出通道测控仪器的输出信号包括：模拟输出信号开关量输出信号数字量的输出信号A、模拟输出信号直流电流:0-10mA负载[R250---750]4-20mA负载[R0----3000]直流电压:1-5V开关量输出信号：开关量控制;越限报警;反映仪器的工作状态数字量的输出信号：串行;并行3.3.1数模转换器数模转换器常简写成D/A转换器或DAC（DigitalAnalogConverter）,主要用于将n位二进制的数字信号转换为模拟信号，它是数字电子计算机、数字通信及其它一些数字系统重要的接口电路。D/A转换器的工作原理:由R和2R两种阻值的电阻组成译码网络，称为T型电阻网络，用输入数字量来控制各个开关，从网络（电路）的任一节点的三个分支的等效电阻都是2R。图3.21D/A转换器的系统框图D/A转换器的工作原理:假定数字量输入是D=0001,则基准U经开关S流入支路所产生的电流是I=U/3R,此电流经过四个节点后,四次平分,有1/16的电流流入运算电路中。3.3.2数模转换器的接口技术各种D/A转换器的结构不同，它们与单片机接口方法也有差异，但就其基本引脚连接上，仍有共同之处：（1）数字量输入方式（2）模拟量输出方式（3）外部控制信号的连接方式。数字量输入端有3种情况：因为数模转换需要一定的时间，所以输入的数字量有时需要数据寄存器来储存不含数据锁存器；含单个数据锁存器；含两个数据锁存器。（维持数据的稳定，控制同步转换等）模拟量输出方式：单极性输出双极性输出带偏置的输出D/A转换器的模拟量输出也可以分为两种，即电流输出或电压输出，如果是电流输出则不含运算放大器，电压输出则在集成芯片中内含了运算放大器图3.22D/A转换器的模拟量输出显示了三种DAC的结构模块，显然在使用这三种不同结构的DAC时接口方式是不同的。图3.23D/A转换器的单极性输出单极性输出图3.23D/A转换器的双极性输出双极性输出：图3.24D/A转换器的带偏置的输出带偏置的输出：如图3.24D/A转换器输出调整图3.25D/A转换器的输出调整电路包括：单极性输出调整、双极性输出调整、带偏置的输出调整包括零点、满量程、偏置调整单极性、偏置：零点—输入0x00，调节相应电阻满量程---输入0xff,调节相应电阻双极性：零点—输入0x00，调节相应电阻满量程---输入0x80,调节相应电阻DAC与单片机的接口输出模拟电流与输入二进制数B之间的关系：IOUT1=B×（UREF/（256R））IOUT2=UREF/R—IOUT1图3.26D/A转换器的内部结构图3.27D/A转换器的工作电路这时DAC0832相当于8031外部的一个扩展I/O口，当地址线A14(P2.6)=1时，即可选通DAC0832，设口地址为0FFFFH，CPU对该口地址进行一次写操作，就把一个数字量直接写入到DAC寄存器，通过D/A转换，输出一个模拟量。通过程序设计，该电路可以产生各种不同的输出波形。MOVDPTR，#0X0FFFFHMOVA，#DATAMOVX@DPTR,ADAC1208单缓冲方式接口及应用图3.28D/A1208转换器的工作电路MOVDPTR，#0X0FDFFHMOVA，DATAMOVX@DPTR,ADECDPHMOVA,DATA+1MOVX@DPTR,AMOVDPTR，#0X7FFFHMOVX@DPTR,A产生锯齿波的程序：START：MOV DPTR,#0FFFFH ；选中DAC0832 MOV A,#00HLP： MOVX @DPTR,A ；转换数据送DAC0832 INC A ；数据加1MOVR0,#DATALOOP2:DJNZR0,LOOP2 SJMP LPEND产生正旋波（硬件采用双极性输出）MOVR5，#00HSIN：MOVA，R5MOVDPTR，#TABHMOVCA，@A+DPTRMOVDPTR,#7FFFH