《智能仪器设计 》课件-11（自检量程自动转换）

测控技术与仪器专业必修课*智能仪器设计授课人：宋凯单位：电气学院11

用状态矩阵法设计监控程序的设计步骤 1）绘制状态图 2）编制状态表 3）编码按键 4）设计程序流程图

状态矩阵法思考:用状态矩阵法设计监控程序的优点?2内容回顾状态矩阵法设计监控程序的优点只应用一张状态表，统一处理任何的按键组合。使按键序列的编译过程简洁、直观，设计的程序容易阅读；翻译、解释按键序列与执行子程序分隔开来，因此键盘监控程序的设计不受其它程序的影响；若仪器键盘功能改变，监控程序无需重写，只需修改状态表；当键盘功能愈强，按键复用次数愈多时，此法的效率愈高。3内容回顾4状态矩阵法以一8回路温控仪为例说明用状态矩阵法设计键盘监控程序的设计过程。请用状态矩阵法设计监控程序，给出完整的设计步骤（状态图、状态表、按键编码表、程序流程图），并说明用状态矩阵法设计监控程序与直接分析法相比的优点。作业:8回路温控仪面板5状态矩阵法作业:6状态矩阵法作业:7（1）根据仪器功能画出键盘状态图状态矩阵法8状态矩阵法（2）根据状态图编制状态表9状态矩阵法（3）对按键进行编码10状态矩阵法（4）设计程序流程图Y当前按键键码=存储键吗？无效键吗？PREST=0？当前按键键码=存储键吗？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？PREST=0？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？PREST=0？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？出口PREST=0？PRESTNEXST，调用SUB执行本次按键动作表查完？当前按键键码=存储键吗？从状态表取出键码由PREST求现态首地址中断入口YNNNY从状态表取出NEXST及SUB读取键码11智能仪器基本组成结构内容回顾智能仪器：带有微处理器兼有检测和信息处理功能的仪器典型功能及实现包括三方面内容：

智能仪器的自检技术

智能仪器的自校准技术

仪器零位误差和增益误差的校正

系统非线性校正标度变换智能仪器的自动测量技术

量程自动转换技术12第8章自检、自校准和自动测量技术8.1自检技术8.2自校准技术（第7章误差校准）8.3自动测量技术（量程自动转换）1314主要知识点梳理1、仪器自检方式、自检内容2、ROM、RAM、总线等自检方法3、量程自动转换技术的一般要求（测量速度、确定性、安全性）4、看懂量程自动转换电路举例（重点）（重点是：流程图）第8章自检与量程自动转换技术※158.1智能仪器的自检技术自检方式自检内容ROM/RAM/总线等自检方法硬件原因：内部因素：仪器使用环境因素外部因素：元器件及电路板的老化软件原因智能仪器特有的原因故障原因

思考：测量仪器产生故障的原因有哪些？1617故障测试原理

思考：智能仪器对待故障的策略是什么？（1）冗余技术：故障产生时，设法避开故障的作用，屏蔽它的影响。（2）测试故障：在故障产生时，及时发现，及时排除，从而使仪器可靠地工作。

思考：智能仪器测试故障的原理是什么？电路有无故障，其检测的响应信号是不同的，因此，被测对象施加一定的检测信号，根据其输出信号的正常与否，判断仪器是否出现故障。自检：利用事先编制好的检测程序对仪器的主要部件进行自动检测，并对故障进行定位。8.1智能仪器故障的自检技术思考问题

：智能仪器的自检方式有哪些？（1）开机自检（2）周期性自检（3）键盘自检（4）连续监控自检方式1819（1）开机自检：在仪器电源接通或复位之后进行。（2）周期性自检：在仪器运行过程中间断插入的自检操作。（3）键盘自检：通过按动仪器面板上的“自检”按键实现。（4）连续监控：在仪器内部设有专门电路或者检错码实现故障监控。自检方式

自检过程中，如果检测仪器出现某些故障，可以文字或数字的形式显示“出错代码”，出错代码通常以“ErrorX”字样表示，其中“X”为故障代号，操作人员根据“出错代码”，查阅仪器手册便可确定故障内容。

仪器除了给出故障代号之外，还给出指示灯的闪烁或者声光报警信号，以提醒操作人员注意。

包括ROM、RAM、总线、显示器、键盘以及传感器及测量电路等部件的检测。自检内容20自检内容自检结果显示ROM故障的测量算法常采用“校验和”方法：在将程序机器码写入ROM的时候，保留一个单元（一般是最后一个单元），此单元不写程序机器码而是写“校验字”，“校验字”应能满足ROM中所有单元的每一列都具有奇数个１。自检程序的内容是：对每一列数进行异或运算，如果ROM无故障，各列的运算结果应都为“１”，即校验和等于FFH。一、ROM或EPROM的检测自检内容21

一、ROM或EPROM的检测自检内容22二、RAM的检测

数据存储器RAM的测量算法是通过检验其“读/写功能”的有效性来体现的。只需要一个存储单元写入一个数据，再从该单元读出数据进行比较就可以判断RAM的故障。读写功能有效性检测常用于开机自检23自检内容总线*的自检是指对经过缓冲器的总线进行的检测：

由于总线没有记忆能力，因此需要设置了两组锁存触发器，分别记忆地址总线和数据总线上的信息。只要执行一条对存储器或I/O设备的写操作指令，地址线和数据线上的信息便能分别锁存到这两组触发器中，通过对这两组锁存触发器分别进行读操作，便可判知总线是否存在故障。

具体做法是：使被检测的每根总线依次为1态，其余总线为0态。如果某总线停留在0态或1态，说明有故障存在。三、总线的自检自检内容24自检内容25四、显示与键盘的检测

键盘的检测方法：

CPU每取得一个按键闭合的信号，就反馈一个信息。如果按下某单个按键后无反馈信息，往往是该键接触不良。如果按某一排键均无反馈信号，则一定与对应的电路或扫描信号有关。

显示器的检测方法：

第一种方式：让显示器全部发亮或全部熄灭。第二种方式：让显示器显示某些特征字，几秒钟后自动进入其他操作。自检内容26四、显示与键盘的检测检测算法：

智能仪器显示器、键盘的检测常采用与操作者合作的方式进行。检测程序的内容为：先进行一系列预定的操作，然后操作者对操作的结果进行验收，如果结果与预先的设定一致，就认为功能正常，否则，应对有关通道进行检修。如：让显示器全部发亮，即显示出888……，当显示表明显示器各发光段均能正常发光时，操作人员只要按任意键，显示器应全部熄灭片刻，然后脱离自检方式进入其他操作。自检内容27

对自检项目一般应分别编成子程序，以便需要时调用。设各段子程序的入口地址为TSTi（I=0，1，2…），对应的故障代号为TNUM（0，1，2…）。编程时由序号通过表所示的测试指针表（TSTPT）来寻找某一项自检子程序入口，若检测有故障发生，便显示其故障代号TNUM。自检的软件设计28自检的软件设计典型智能仪器自检程序流程图自检的软件设计29自检实例30网络化可燃性气体检测报警装置自检实例31多功能自确认传感器自检实例32多功能自确认传感器33斩波动态稳零运算放大器ICL7650ICL7650采用CMOS工艺和开关电容的斩波方案，用单片工艺实现了性能价格比很高的运算放大器。ICL7650利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移。自校准技术331234567141312111098CEXTBCEXTANC(GUARD)NC(GUARD)-IN+INV-V+INT/EXTEXTCLKININTCLKOUTOUTPUTOUTPUTCLAMPCRETN8.2自校准技术内部调制补偿电路箝位电路外时钟输入GSaSb时钟输出UiSb1Sb2Sa2C1C2Sa1A1A2UoUo2∞+-+A1∞+-+A2+-ICL7650的电路结构ICL7650主要由以下六部分组成。（1）内部时钟发生器控制电子开关SA和SB的通断。（2）主放大器A1（3）调零放大器A2降低A1的直流失调。（4）输出钳位电路在出现输入过载时能有效地防止阻塞。（5）内调制补偿电路在负反馈工作时会有较好的相位裕度和较宽的频响特性，使工作不受调制开关频率的限制。（6）模拟量开关电路用于ICL7650的动态校零（稳零）工作过程的切换。自校准技术33ICL7650的工作原理图中开关S2和电容C1以及S3、C2、A3分别构成两个采样—保持电路。第一个采样—保持电路用来对放大器Al进行动态校零；第二个采样—保持电路用来维持输出电压的连续性。内部时钟CP由振荡器(OSC)提供，若在时钟。0~T1时间内，开关S1、S2、S3，停在①端位置，即S2接通、S1、S3断开，相应电路状态如下图。电路的工作分两个阶段，由时钟控制开关完成。第一阶段为误差检测与寄存第二阶段为动态校零和放大自校准技术34在此时间内电容Cl记存了Al的失调电压Uos1，此段时间是放大器误差检测和寄存阶段。由于此时A3与A1之间被切断(S3断开)，所以A3的输出电压UO为

U0=Uc2

C2上记有的电压Uc2，是前一时刻放大器A1的输出电压。自校准技术35在时钟T1～T2时间内，开关S1、S2、S3停留在②端位置上，即S1、S3接通、S2断开，相应的电路状态如图状态之二。自校准技术36放大器工作状态之二这时，Al同相端与输入信号Ui接通，由于A1的反相端还保存着前一时刻的失调电压Uc1＝Uos1，所以这时A1的输出电压Uol为上式表明，A1的输出电压不受放大器失调电压的影响，只与输入信号电压有关。因此，此段工作时间称为“动态校零和放大输入信号”的工作阶段。这时总输出电压Uo为自校准技术37当时钟控制开关再回到①端位置时，Uc2保持不变，放大器A3(接成跟随器工作)继续以A1vUi的幅值向外输出，保证了输出电压的连续性。开关的反复通断，Al的漂移不断被校正，这就是动态校零的工作原理。开关S1、S2、S3一般用MOSFET完成。自校准技术388.3量程自动转换40自动测量技术8.3量程自动转换智能仪器的输入信号动态范围都很大，为了保证系统的测量精度及量程范围，常常需要设计量程的自动转换功能。

实现方式：（1）微处理器控制程控增益放大器放大倍数（2）通过控制模拟开关的切换41自动测量技术（1）量程自动转换技术的一般要求测量速度

根据被测量的大小自动选择合适量程并完成一次测量的速度。一旦选定合适的量程，应该在该量程继续测量下去，直到发现过载或被测量低于降量程阈值。42自动测量技术确定性在升、降量程时，不应该发生在两个相邻量程间反复选择的现象。这种情况的出现是由于分档差的存在所造成。

量程选择的不确定性可以通过给定升降阈值回差的方法来解决，通常可采用减小降量程阈值的方法。43自动测量技术安全性由于每次测量并不都从最高量程开始，而是在选定量程上进行，因此不可避免地会发生被测量超过选定量程的最大测量范围。

因此，量程输入电路必须具有过载保护能力。当过载发生时，至少在一次测量过程中仍应能正常工作，并且不会损坏。44自动测量技术自动测量技术（2）量程自动转换电路举例由衰减器、放大器、开关和驱动器四部分组成4546K1切向A端，衰减系数为100；切向B端，衰减系数为1K2开关切向C端，放大器增益为1；反之为10K3切换放大器输出，当其切向F端，放大器输出电压衰减10倍；

否则，直接输出使用这三个开关的不同组合，该电路具有200mV、2V、20V、200V和2000V五个量程，无论哪个量程均输出±2V满度电压自动测量技术

K1K2K3200mVBDE2VBCE20VADE200VACE2000VACF开关开关状态量程（3）量程自动转换电路的控制若后续A／D转换电路具有4位半十进制有效读数，且各相邻量程分档误差的绝对值之和小于0.5%，各量程升降阈值表。升降阈值回差*：本档降量程阈值要小于下一档升量程阈值。47自动测量技术n

量程升量程阈值ULn/V降量程阈值DLn/V52000V2000.0195.004200V200.0019.500320V20.0001.950022V2.00000.19501200mV0.20000.0000问题：本档降量程阈值能否高于下一档升量程阈值？48自动测量技术量程自动转换程序流程逐档降量程升到最高量程维持现有量程-显示读数（4）量程自动转换电路的保护输入过压保护当输入电压过载超过保护电压时，二极管D1或D2导通，输入电压经降压电阻R1后被限制在±VS之内。49自动测量技术利用叠加原理可得放大器输出电压Vo为50自动测量技术若输入电压为1000V时．可限制在±12V左右的范围内。此时，流经电阻R1的电流约为10mA。当电阻R1功率大于10W时，可保证在最大输入为1000V情况下，电路可长期承受过载电压。51自动测量技术过载电压的快速