智能儀器與虛擬儀器儀表復(fù)習(xí)題

1、傳感器溫度傳感器常采用了熱敏電阻，一般用半導(dǎo)體材料做成，可以分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC和正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC，臨界溫度系數(shù)熱敏電阻三種。NTC和PTC的特征曲線如圖 熱敏電阻全橋電路分析 R2用作加熱電阻，R3為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC，用來(lái)檢測(cè)加熱溫度的變化，R3、R4、R5、R6組成全橋電路，當(dāng)J1的1-2端、J2的1-2端斷開時(shí)，則橋路后面的精密儀器放大器的輸入電壓為0，此時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RW對(duì)放大電路進(jìn)行調(diào)0；當(dāng)J1的1-2端、J2的1-2端接通時(shí)，則橋路的輸出電壓信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理電路放大，從而在Uo的輸出端得到隨加熱溫度變化而變化的電壓信號(hào)。D2hed3是穩(wěn)定0漂。區(qū)分三種電

2、橋的特點(diǎn) 全橋好單臂電橋半橋全橋性能實(shí)驗(yàn)霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器和模擬量霍爾傳感器，開關(guān)型霍爾傳感器當(dāng)磁鋼（磁鐵）轉(zhuǎn)到傳感器正下方時(shí)，傳感器輸出低電平，反之輸出高電平。原件為三個(gè)引腳：小瓷片靠近霍爾元件的正面，霍爾元件傳感器輸出低電平。 光電傳感器 光電式傳感器傳感器有反射型和透射型兩種，透射型的傳感器端部有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光源通過(guò)轉(zhuǎn)盤上開的孔透射后由光電二極管接受轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在轉(zhuǎn)盤上有孔，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將獲得與轉(zhuǎn)速及孔數(shù)有關(guān)的脈沖，將電脈沖計(jì)數(shù)處理即可得到轉(zhuǎn)速值。反射型的發(fā)光管和光電管是做在一起的。模擬多路開關(guān)如圖功能MPC508（U1）為8通道多路開關(guān)：INn(n=18)為8通道模

3、擬量輸入端，A0、A1、A2為通道選擇控制端，EN為使能端，它們之間的關(guān)系見真值表8-1所示。要訪問(wèn)MPC508多路開關(guān)， 可編程增益放大器AD526（U2）為可編程增益放大器 A2、A1、A0、B四端為控制增益的代碼輸入端，、為使能端，VIN端為信號(hào)輸入端，VOUT端為信號(hào)輸出端，它們之間的關(guān)系見真值表9-1，通過(guò)編程可以很方便的設(shè)置1、2、4、8、16不同的增益。 表9-1A/D轉(zhuǎn)換AD774B（U5）為12位逐次逼近型快速A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度最大為8S，其引腳圖10-1及主要功能說(shuō)明如下：數(shù)字邏輯部分電源+5V12/：數(shù)據(jù)輸出格式選擇信號(hào)引腳。當(dāng)12/=1（+5V）時(shí)，雙字節(jié)輸出，即

4、12位數(shù)據(jù)同時(shí)有效輸出，當(dāng)12/=0（0V）時(shí)，為單字節(jié)輸出，即只有高8位或低4位有效。：片選信號(hào)端，低電平有效。：字節(jié)選擇控制線。R/：讀數(shù)據(jù)/轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，當(dāng)R/=1，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)允許被讀出；當(dāng)R/=0時(shí)，則允許啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。CE：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，高電平有效。、：模擬部分供電的正電源和負(fù)電源，為或。REF OUT：10V內(nèi)部參考電壓輸出端REF IN：內(nèi)部解碼網(wǎng)絡(luò)所需參考電壓輸入端REF OFF：補(bǔ)償調(diào)整。接至正負(fù)可調(diào)的分壓網(wǎng)絡(luò)，以調(diào)整ADC輸出的零點(diǎn)。10、10：模擬量10V，20V量程的輸入端口，信號(hào)的一端接至AG引腳。DGND：數(shù)字公共端（數(shù)字地）AGND：模擬公共端（模擬地

5、）：數(shù)字量輸出STS： 輸出狀態(tài)信號(hào)引腳。轉(zhuǎn)換開始時(shí)，STS達(dá)到高電平，轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持高電平。轉(zhuǎn)換完成時(shí)返回到低電平。STS可以作為狀態(tài)信息被CPU查詢，也可以用它的下降沿向CPU發(fā)中斷申請(qǐng)，通知A/D轉(zhuǎn)換已完成，CPU可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。2、當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，先能讀入A/D轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)中的低8位；后讀入A/D轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)中的高4位。D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)?zāi)M量的輸入端：13、14腳DB0DB11連接單片機(jī)。例題AD7541A（U4）為12位D/A轉(zhuǎn)換器，主要功能說(shuō)明如下：BIT1BIT12：12位數(shù)字量輸入端OUT1：D/A轉(zhuǎn)換電流輸出1。當(dāng)DAC的BIT1BIT12全為1時(shí)，輸出電流最

6、大，全為0時(shí)輸出0；OUT2：D/A轉(zhuǎn)換電流輸出2。OUT1與OUT2輸出端電流之和為一常數(shù)。 IN：參考電壓輸入端：反饋電阻輸入 表11-1 圖11-1 數(shù)碼管靜態(tài)動(dòng)態(tài)顯示液晶顯示器的種類：字符屏、漢字屏（帶字庫(kù)與不帶字庫(kù)）、單色、多色鍵盤鍵查詢子程序流程框圖RS232通信單片機(jī)串行口經(jīng)MAX232器件進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，與PC機(jī)串行口相連。PC機(jī)使用串口調(diào)試應(yīng)用軟件：串口調(diào)試.exe,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信。MAX232 PC機(jī)PS232電平轉(zhuǎn)為UARS485通信單片機(jī)串行口經(jīng)MAX485器件進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)“RS485到RS232轉(zhuǎn)換器”與PC機(jī)串行口相連。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速直流電機(jī)在應(yīng)用

7、中有多種控制方式，對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制主要采用電樞控制驅(qū)動(dòng)：即控制加在電樞兩端電壓的大小變化,以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。由PWM 信號(hào)形成器與晶體管功率放大器電路；由霍耳傳感器將電機(jī)的速度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。 Pwm脈沖電信號(hào) 直流數(shù)字電壓表實(shí)驗(yàn)主程序流程框圖 T1定時(shí)中斷子程序流程框圖溫度測(cè)量（傳感器為熱敏電阻） 主程序流程框圖 T0定時(shí)中斷子程序流程框圖數(shù)據(jù)采集卡1數(shù)據(jù)采集卡的組成（1）多路開關(guān)多路開關(guān)將各路被測(cè)信號(hào)輪流切換到放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。（2）放大器放大器將前一級(jí)多路開關(guān)切換進(jìn)入待采集信號(hào)放大（或衰減）至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常，實(shí)際系統(tǒng)中放大器做成增

8、益可調(diào)的放大器，設(shè)計(jì)者可根據(jù)輸入信號(hào)幅值的不同，選擇不同的增益倍數(shù)。（3）采樣/保持器采樣/保持器取出被測(cè)信號(hào)在某一瞬時(shí)的值（即信號(hào)的時(shí)間離散化）并在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持信號(hào)不變。（4）A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號(hào)幅值的量化。一般來(lái)講，通常將采樣/保持器同A/D轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。（5）D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量輸出。（6）I/O口 一般數(shù)據(jù)采集卡都集成了數(shù)字量輸入端和數(shù)字量輸出端。2數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)（1）模擬信號(hào)輸入部分模擬輸入通道數(shù)該參數(shù)表明數(shù)據(jù)采集卡所能采集的最多的信號(hào)路數(shù)。信號(hào)的輸入方式被測(cè)信號(hào)的輸入方式有：&

9、#183;單端輸入：即信號(hào)的其中一個(gè)端子接地。·差動(dòng)輸入：即信號(hào)兩端均浮地。·單極性：信號(hào)幅值范圍為0A，A為信號(hào)最大幅值。·雙極性：信號(hào)幅值范圍為AA。一般的數(shù)據(jù)采集卡都設(shè)有信號(hào)輸入方式參數(shù)的選擇和設(shè)置，設(shè)計(jì)者可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。模擬信號(hào)的輸入范圍根據(jù)信號(hào)輸入方式的不同（單極性輸入或雙極性輸入），有不同的輸入范圍。如對(duì)單極性輸入，典型值為010V；對(duì)雙極性輸入，典型值為5V+5V。放大器增益放大器增益是采集卡固有參數(shù)，可以由設(shè)計(jì)者設(shè)置。模擬輸入阻抗模擬輸入阻抗是采集卡固有參數(shù)，一般步由設(shè)計(jì)者設(shè)置。2A/D轉(zhuǎn)換部分（1）采樣速率采樣速率是指在單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)采集

10、卡對(duì)模擬信號(hào)的采集次數(shù)，是數(shù)據(jù)采集卡的重要技術(shù)指標(biāo)。由采樣定理，為了使采樣后輸出的離散時(shí)間序列信號(hào)能無(wú)失真地復(fù)原輸入信號(hào)，必須使采樣頻率fs至少為輸入信號(hào)最高有效頻率fmax的兩倍，否則會(huì)出現(xiàn)頻率混亂誤差。實(shí)際系統(tǒng)中，為了保證數(shù)據(jù)采集精度，一般由下列關(guān)系：=（710）×N式中：N為多通道數(shù)采系統(tǒng)的通道數(shù)；fs為采樣頻率；fmax為信號(hào)最高有效頻率。（2）位數(shù)位數(shù)是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出二進(jìn)制的位數(shù)。當(dāng)輸入電壓由0V增至滿量程U=UH時(shí)，一個(gè)12位(b=12)A/D的數(shù)字輸出由12個(gè)“0”變?yōu)?2個(gè)“1”，共計(jì)變化2個(gè)狀態(tài)，故A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)最低有效位數(shù)字量的輸出改變值，相應(yīng)的輸入量U

11、min=1/LSB=q可由下式計(jì)算：1LSB=q=式中：q為量化值；UHA，為滿量程輸入電壓，通常等于A/D轉(zhuǎn)換器的電源電壓。（3）分辨率和分辨力這兩項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)采集卡可分辨的輸入信號(hào)最小變化量。分辨率一般以A/D轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制或BCD碼位數(shù)表示，分辨力為1LSB（最低有效位數(shù)）。（4）精度精度一般用量化誤差表示。量化誤差e為L(zhǎng)SB：|e|=LSB=q=3D/A轉(zhuǎn)換部分（1）分辨率分辨率是指當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化即1LSB時(shí)，所對(duì)應(yīng)輸出模擬量的變化量，通常用D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)b表示。（2）標(biāo)稱滿量程標(biāo)稱滿量程相當(dāng)于數(shù)字量標(biāo)稱值2的模擬量。（3）響應(yīng)時(shí)間數(shù)字量化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應(yīng)

12、數(shù)值范圍內(nèi)（0.5LSB）所經(jīng)歷的時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。虛擬儀器虛擬儀器由三大功能塊組成：信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的處理、結(jié)果的輸出，所以可以按照“信號(hào)的調(diào)理與采集數(shù)據(jù)的分析和處理結(jié)果的輸出及顯示”的結(jié)構(gòu)模式來(lái)建立。1信號(hào)的調(diào)理和采集功能對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和采集是虛擬儀器的基本功能，此項(xiàng)功能主要是由虛擬儀器的硬件平臺(tái)完成，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供三個(gè)工業(yè)上使用的高精度傳感器。名稱精度等級(jí)輸入標(biāo)稱值輸出標(biāo)稱值響應(yīng)時(shí)間直流電壓傳感器0.250V5V15S交流電壓傳感器0.1500V3.5V15S交流電流傳感器0.15A1V15S為了使所有傳感器輸出一致，交流電壓傳感器和交流電流傳感器在電路上增加了一級(jí)運(yùn)放電路，使輸出為5

13、V（在出廠前已調(diào)好）。2數(shù)據(jù)分析和處理功能虛擬儀器通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的分析處理，如數(shù)字濾波、統(tǒng)計(jì)處理、數(shù)值計(jì)算、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)壓縮等數(shù)字信號(hào)處理。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供數(shù)據(jù)采集卡支持LabVIEW、VB、VC等虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。3結(jié)果的輸出及顯示此項(xiàng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮界面友好美觀，操作方便。4虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程虛擬儀器程序設(shè)計(jì)主要包括前面板的設(shè)計(jì)、軟件源程序的設(shè)計(jì)以及程序的調(diào)試。（1） 前面板設(shè)計(jì)：因?yàn)橛脩羰褂锰摂M儀器時(shí)所觀察到的就是前面板，并在前面板中執(zhí)行對(duì)儀器的操作，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際中的儀器面板以及該虛擬儀器所要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)設(shè)計(jì)前面板。（2） 軟件源程序的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)好前面板后，虛擬儀器還不能正常工

14、作，只有在創(chuàng)建了軟件源程序以后程序才能真正運(yùn)行。（3） 程序的調(diào)試：當(dāng)前面板和源程序設(shè)計(jì)好以后，程序執(zhí)行過(guò)程中可能會(huì)遇到很多方面的錯(cuò)誤，因此要對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。5虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)思路一般的虛擬儀器設(shè)計(jì)流程為：開始 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)顯示 結(jié)束。（1） 數(shù)據(jù)采集當(dāng)用數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量模擬信號(hào)時(shí)，必須考慮下列因素：輸入模式（單端輸入）、分辨率、輸入范圍、采樣速率、精度等。輸入范圍是指ADC能夠量化處理的最大、最小輸入電壓值。數(shù)據(jù)采集卡提供了可選擇的輸入范圍，它與分辨率、增益等配合，以獲得最佳的測(cè)量精度。采樣速率取決于模/數(shù)變換的速率，采樣速率的選擇還需考慮輸入信號(hào)頻率。（2） 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理包

15、括直流信號(hào)、交流信號(hào)的處理兩部分，直流信號(hào)處理比較簡(jiǎn)單，可以用多次采集后用求平均值的方法，交流信號(hào)處理比較復(fù)雜，方法也比較多。（3）數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)顯示主要通過(guò)前面板的顯示窗口來(lái)體現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理后測(cè)量值。用VB編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)虛擬儀表的思路：（1）前面板設(shè)計(jì)用VB開發(fā)軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)交流電壓表和交流電流表的前面板，在這面板上設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)顯示窗口，此窗口由指針式顯示和數(shù)碼管式顯示兩個(gè)功能，儀表的量程選擇框，通道選擇框，采樣頻率、采樣點(diǎn)和輸入范圍選擇框。通道選擇框選擇輸入數(shù)據(jù)采集卡上模擬信號(hào)的輸入通道。采樣頻率選擇框?qū)斎肽M信號(hào)的采樣頻率，采樣點(diǎn)選擇框在采樣頻率確定后決定了對(duì)信號(hào)采樣的周期數(shù)（對(duì)周期信

16、號(hào)而言）。數(shù)據(jù)顯示窗口控件為我公司自主開發(fā)的用于虛擬儀表顯示的控件，可用于VB、VC、C+、Delphi等編程語(yǔ)言，提供12種表的顯示類型。（2）軟件源程序設(shè)計(jì)在本實(shí)驗(yàn)上提供兩個(gè)用VB編寫的虛擬儀表程序范例，一個(gè)是直流電壓表設(shè)計(jì)范例，另一個(gè)為交流表設(shè)計(jì)范例。LabVIEW開發(fā)軟件設(shè)計(jì)虛擬儀表的思路LabVIEW的編程方法式一種面向?qū)ο蟮木幊趟枷?。用LabVIEW編制的程序由許多相互聯(lián)系的對(duì)象組成，這些對(duì)象按照程序流程的需要連接。程序運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)流向就依照對(duì)象間的連接關(guān)系以及對(duì)象的各個(gè)端子起作用的順序進(jìn)行，因此用LabVIEW編制的框圖程序，同時(shí)也就是一張數(shù)據(jù)流程圖。針對(duì)LabVIEW圖形化編程

17、語(yǔ)言的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)虛擬儀表的框圖可以按以下步驟進(jìn)行： 描述任務(wù)，設(shè)計(jì)程序流程； 作程序分析，為了讓主程序易讀，考慮將程序中的某些部分作成子VI，然后在主程序中調(diào)用； 針對(duì)具體需要，對(duì)相應(yīng)對(duì)象的特性進(jìn)一步設(shè)計(jì)或修改； 按程序流程用連線連接各對(duì)象； 用LabVIEW提供的各種程序調(diào)試工具調(diào)試源程序，直到達(dá)到預(yù)期要求。虛擬示波器實(shí)驗(yàn)1虛擬示波器的組成及功能圖301所示的框圖說(shuō)明了具有實(shí)測(cè)功能的虛擬示波器的原理框圖。圖301 具有實(shí)測(cè)功能的虛擬示波器的原理框圖在圖301所示的框圖中，計(jì)算機(jī)對(duì)采集卡發(fā)出指令，啟動(dòng)采集卡，計(jì)算機(jī)將采集的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和顯示，從而實(shí)現(xiàn)虛擬示波器。采集卡將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為

18、離散的數(shù)字信號(hào)，并保存在計(jì)算機(jī)的數(shù)組中。計(jì)算機(jī)通過(guò)虛擬儀器開發(fā)軟件將保存在數(shù)組中的離散數(shù)字信號(hào)顯示在圖形控件中。虛擬示波器既可以顯示隨時(shí)間變化的函數(shù)波形，又可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡顯示實(shí)際被測(cè)信號(hào)的波形。2顯示隨時(shí)間變化的函數(shù)虛擬示波器在顯示隨時(shí)間變化的函數(shù)波形時(shí)，首先將其離散化，得到離散的函數(shù)值序列，下面以隨時(shí)間變化的正弦函數(shù)為例，說(shuō)明虛擬示波器顯示隨時(shí)間變化函數(shù)的方法。設(shè)有正弦函數(shù) =Sin(wt)，將其離散化，有=Sin(2×3.1415×i×) i=0,1,2,3,其中： T為相鄰兩個(gè)離散值之間的時(shí)間間隔；T為函數(shù)周期。 將在示波器上逐點(diǎn)顯示連接，就得到正弦函數(shù)

19、的波形。被測(cè)電信號(hào)實(shí)時(shí)顯示時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡采集被測(cè)信號(hào)，得到一組離散的信號(hào)值，存放在一個(gè)數(shù)組中（例如數(shù)字y1000中），在圖形控件上逐點(diǎn)連線顯示。3數(shù)據(jù)采集卡的編程框圖對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的編程主要包括數(shù)據(jù)采集卡的通道設(shè)置、查詢方式和采集點(diǎn)設(shè)置的編程。二、了解實(shí)驗(yàn)單元及虛擬儀器儀表的構(gòu)成所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備：信號(hào)接口掛箱、傳感器掛箱，數(shù)據(jù)采集卡。必考數(shù)據(jù)采集卡是構(gòu)成虛擬儀器的關(guān)鍵硬件。在測(cè)量一個(gè)實(shí)際的物理信號(hào)時(shí)，必須用一個(gè)傳感器或轉(zhuǎn)換器把物理信號(hào)（如溫度、壓力等非電量信號(hào)）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（如電壓、電流信號(hào)），再通過(guò)一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)這些電信號(hào)進(jìn)行處理（如濾波、放大等），然后經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)信號(hào)，由虛擬儀器軟件進(jìn)行計(jì)算、分析、顯示，并儲(chǔ)存結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的DAQ硬件是臺(tái)灣凌華（ADLINK）公司生產(chǎn)的PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-9111DG，能夠?qū)崿F(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換（DAC）、數(shù)字式輸出/輸入（I/O）等功能。一、PCI_9111數(shù)據(jù)采集卡主要性能1 模擬輸入模擬通道數(shù)：