智能儀器復(fù)習(xí)提綱

第一章緒論什么是智能儀器：智能儀器是計(jì)算機(jī)與測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量儀器。由于它擁有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷和自動(dòng)化操作等功能，具有一定的智能作用，因而被稱為智能儀器。智能儀器已開始從數(shù)據(jù)處理向知識(shí)處理發(fā)展。智能儀器發(fā)展概況各個(gè)時(shí)期的發(fā)展：50年代：模擬式（指針式）儀器；60年代：數(shù)字式儀器；70年代：獨(dú)立式智能儀器（簡稱稱智能儀器）；80年代初：個(gè)人儀器（PC儀器）；80年代后期：虛擬儀器。智能儀器發(fā)展趨勢(shì)1、微型化2、多功能化3、人工智能化4、網(wǎng)絡(luò)化智能儀器的分類、組成和特點(diǎn)從發(fā)展應(yīng)用的角度看，智能儀器分為微機(jī)內(nèi)嵌式和微機(jī)擴(kuò)展式兩大類。微機(jī)內(nèi)嵌式：將微機(jī)作為核心部件嵌入到智能儀器中，儀器包含一個(gè)或多個(gè)微機(jī)，屬于嵌入式系統(tǒng)。智能儀器由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括微處理器、存儲(chǔ)器、輸入通道.、輸出通道.、人機(jī)接口電路、通信接口電路等部分。微處理器是儀器的核心；存儲(chǔ)器包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)；輸入通道主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器等，完成信號(hào)的濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等；輸出通道主要包括D/A轉(zhuǎn)換器、放大驅(qū)動(dòng)電路和模擬執(zhí)行器等，將處理器處理后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；人機(jī)接口電路主要包括鍵盤和顯示器，是操作者和儀器的通信橋梁，操作者可通過鍵盤儀器發(fā)出控制指令，儀器可通過顯示器將處理結(jié)果顯示出來；通信接口電路實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)或其它儀器的通信。智能儀器的特點(diǎn)：1、操作自動(dòng)化2、自測(cè)功能3、數(shù)據(jù)分析和處理功能4、友好的人機(jī)對(duì)話功能5、可程控操作能力智能儀器設(shè)計(jì)要求、原則及步驟智能儀器設(shè)計(jì)的基本要求：功能及技術(shù)指標(biāo)要求、可靠性要求、便于操作和維護(hù)、儀器工藝結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計(jì)要求智能儀器的設(shè)計(jì)原則：1、從整體到局部（自頂向下）的原則2、較高的性能價(jià)格比原則3、開放式設(shè)計(jì)原則智能儀器的設(shè)計(jì)步驟：1、確定設(shè)計(jì)任務(wù)2、擬定總體設(shè)計(jì)方案3、方案實(shí)施：（1）根據(jù)儀器總體方案，確定儀器的核心部件：單片機(jī)、信號(hào)處理器9$「）、可編程控制器（PLC）或微計(jì)算機(jī)（MPC）等（2）設(shè)計(jì)和調(diào)試儀器。第二章智能儀器輸入/輸出通道及接口技術(shù)2.1模擬量輸入通道概述模擬量輸入通道:將實(shí)際存在的電壓、電流、聲音、圖像、溫度、壓力等連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理，將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的邏輯信號(hào)的電路稱為模擬量輸入通道。從被轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的數(shù)量及要求看模擬量輸入道有單通道結(jié)構(gòu)和多通道結(jié)構(gòu)。單通道結(jié)構(gòu)（特點(diǎn)）：當(dāng)被測(cè)信號(hào)只有一路時(shí)采用單通道結(jié)構(gòu)。使用場(chǎng)合：帶采樣保持器（S/H）的單通道結(jié)構(gòu)常用于頻率較高的模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。多通道結(jié)構(gòu)（特點(diǎn)）：當(dāng)被測(cè)信號(hào)有多路時(shí)采用多通道結(jié)構(gòu)，分為并行結(jié)構(gòu)和共享結(jié)構(gòu)。使用場(chǎng)合:（1）多通道并行結(jié)構(gòu)：常用于模擬信號(hào)頻率很高且各路必須同步采樣的高轉(zhuǎn)換速率系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)速度快；缺點(diǎn)成本高，體積、功耗大。（2）多通道共享結(jié)構(gòu)：當(dāng)各路模擬輸入信號(hào)不需要同時(shí)獲取時(shí)，可選用共享S/H和A/D的多通道結(jié)構(gòu)。這種形式的通道速度慢，但硬件開銷少，適合對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高的系統(tǒng)。傳感器傳感器是指能把物理化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用和輸出的電信號(hào)，用于獲取被測(cè)信息，完成信號(hào)的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換的器件。其性能直接影響整個(gè)儀器的性能。傳感器的分類：按轉(zhuǎn)換原理分類：物理傳感器和化學(xué)傳感器:按用途分類：壓力敏、力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅鳌⑺俣葌鞲衅?、熱敏傳感器、射線輻射傳感器、振動(dòng)傳感器、濕敏傳感器、氣敏傳感器、生物傳感器等。按輸出信號(hào)分類：模擬傳感器、數(shù)字傳感器和開關(guān)傳感器。傳感器的性能指標(biāo)：1、線性范圍2、精度3、靈敏度4、穩(wěn)定性5、頻率響應(yīng)特性放大器放大器是信號(hào)調(diào)理電路中的重要元件，合理選擇使用放大器是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。程控放大器、儀用放大器、隔離放大器等是智能儀器中常用的放大器。程控放大器：作用：在通用測(cè)量儀器中，為了適應(yīng)不同的工作條件，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)獲得合適的分辨率，提高測(cè)量精度。特點(diǎn)：智能儀器含有微處理器，用儀器內(nèi)置的程序控制放大器的增益稱為程控增益放大器簡稱程控放大器。分類：程控反相放大器、程控同相放大器等1、程控反相放大器：反相放大器

反相程控放大電路反相程控放大電路如圖所示，虛線框?yàn)槟M開關(guān)，模擬開關(guān)的閉合位置受控制信號(hào)C1、C2的控制，反饋電阻又隨開關(guān)位置而變，從而實(shí)現(xiàn)放大器的增益由程序控制。當(dāng)放大倍數(shù)小于1時(shí)，程控反相放大器構(gòu)成程控衰減器。儀用放大器：作用：用來放大傳感器輸出的微弱電壓或電流信號(hào)的放大電路稱為儀用放大電路（測(cè)量放大電路）。特點(diǎn)：尺寸小，精度高，價(jià)格低隔離放大器：作用：可保護(hù)電子儀器設(shè)備和人身安全，提高共模抑制比，獲得較精確的測(cè)量結(jié)果。按耦合器件的不同，可分為光電耦合、變壓器耦合和電容耦合（直流）.三種。光電耦合隔離放大器：光越強(qiáng)導(dǎo)通程度越高，光很強(qiáng)飽和狀態(tài)，低電平。模擬多路開關(guān)模擬多路開關(guān)也稱多路轉(zhuǎn)換器，主要用于信號(hào)的切換，是輸入通道的重要元件之一。當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)變化較為緩慢的模擬量輸入時(shí)，常常利用模擬多路開關(guān)將各路模擬量分時(shí)與放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等接通，利用一片A/D轉(zhuǎn)換器可完成多個(gè)模擬輸入信號(hào)的依次轉(zhuǎn)換，提高硬件電路的利用率，節(jié)省成本。分類：機(jī)械觸點(diǎn)式開關(guān)和集成模擬電子開關(guān)模擬多路開關(guān)的性能指標(biāo)：1、通道數(shù)量2、泄漏電流3、導(dǎo)通電阻4、開關(guān)速度集成模擬多路開關(guān)：目前已有多種型號(hào)的集成模擬多路開關(guān)，如CD4051（雙向、8路）、CD4052（單向、差動(dòng)4路）、AD7501（單向、8路）、AD7506（單向、16路）等。它們功能相似，僅在某些參數(shù)和性能指標(biāo)上有所差異。八通道雙向模擬多路開關(guān)CD4051、雙四路模擬開關(guān)CD4052模擬開關(guān)的通道擴(kuò)展：實(shí)際使用中，有時(shí)輸入模擬信號(hào)數(shù)量較多，一片模擬開關(guān)不夠用，需要使用多個(gè)集成模擬開關(guān)進(jìn)行通道擴(kuò)展，以滿足使用要求。利用兩片CD4051將8路開關(guān)擴(kuò)展成16路開關(guān)的原理圖。（實(shí)現(xiàn)16路擴(kuò)展ROM/RAM）采樣保持器采樣定義：采樣是對(duì)模擬信號(hào)周期性的抽取樣值，使模擬信號(hào)變成時(shí)間上離散的脈沖串，A為理想運(yùn)算放大器，CH為保持電容，T為場(chǎng)效應(yīng)管（保持：使輸出電壓不隨時(shí)間變化而變化）當(dāng)S為高電平（S=1）時(shí)：場(chǎng)效應(yīng)管T導(dǎo)通，輸入模擬信號(hào)Vi對(duì)保持電容CH充電，當(dāng)S=1的持續(xù)時(shí)間tw遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容CH的充電時(shí)間常數(shù)時(shí)，在tw時(shí)間內(nèi)，CH上的電壓Vc跟隨輸入電壓Vi的變化，使輸出電壓Vo=Vc=Vi，這段時(shí)間為采樣時(shí)間。當(dāng)S為低電平（S=0）時(shí)：場(chǎng)效應(yīng)管T截止，由于電壓跟隨器的輸入阻抗很高，存儲(chǔ)在上CH的電荷不會(huì)泄露，CH上的電壓Vc保持不變，使輸出電壓Vo能保持采樣結(jié)束瞬時(shí)的電壓值，這段時(shí)間為保持時(shí)間。采樣脈沖的頻率即采樣頻率fs（1/Ts）越高，采樣越密，采樣值越多，采樣信號(hào)的包絡(luò)線越接近輸入信號(hào)的波形集成采樣保持器：將采樣保持電路的元器件集成在一片芯片上可構(gòu)成集成采樣保持器。集成采樣保持器種類很多，常用的集成芯片有LF198/298/398、AD582等。其中IN（+）為“1”時(shí)S閉合，輸出跟隨輸入變化，處于采樣狀態(tài)；當(dāng)IN（+）為“0”時(shí)，S斷開，輸出不隨輸入而變化，呈保持狀態(tài)。

2腳接1kQ電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓；7腳接地，8腳接控制信號(hào)。當(dāng)控制信號(hào)大于1.4V時(shí)，LF398處于采樣狀態(tài)；當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，處于保持狀態(tài)。6腳外接保持電容，保持電容可選用漏電流小的聚苯乙烯電容、云母電容或聚四氟乙烯電容，其數(shù)值直接影響采樣時(shí)間及保持精度。增加保持電容CH的容量可提高精度，但會(huì)使采樣時(shí)間加長。因此，當(dāng)精度要求不高（±1%）而速度要求較高時(shí)，CH可小至100pF。當(dāng)精度要求高（±0.01%）,如與12位A/D相配合時(shí)，為減小下降誤差和干擾，應(yīng)取CH=1000pFo（重點(diǎn)）采樣保持器主要性能指標(biāo)（在設(shè)計(jì)智能儀器選擇采樣/保持時(shí)，主要考慮哪些因素）：捕捉時(shí)間、孔徑時(shí)間、孔徑不定時(shí)間：孔徑變化范圍、孔徑誤差、保持電壓的下降速度A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器過程：采樣----＞量化----＞編碼1.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器：并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器組成：分壓電阻鏈、電壓比較器、寄存器和優(yōu)先編碼器（性能最好、速度最快）3位并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖由圖可見，分壓電阻鏈由一個(gè)R/2和7個(gè)R電阻組成，它們依次對(duì)參考電壓VREF分壓。R/2電阻分得的電壓為V（R/2）=-VREFR/2+7R15REF3y同理可得到其他各R上分得的電壓15“REF當(dāng)輸入電壓比相應(yīng)的參考電壓高時(shí)，相應(yīng)的比較器輸出高電平，否則輸出低電平。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快。缺點(diǎn)：隨著輸出位數(shù)的增加，所需器件數(shù)增加很快.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器：是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中使用較為普遍的一種。常用的集成.芯片AD0808/0809系列（8位）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器：由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速度較慢。.S-AADC基本原理>-△模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部主要構(gòu)成：抗混疊濾波器、模擬、△調(diào)制器、數(shù)字低通濾波器過采樣技術(shù)：這種采樣頻率遠(yuǎn)高于輸入信號(hào)頻率的技術(shù)稱為過采樣技術(shù)，過采樣技術(shù)可提高ADC的分辨率。/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換精度常采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。分辨率和量化誤差：位數(shù)越多，能夠區(qū)分模擬輸入電壓的最小值越小，分辨能力越高，量化誤差越小。所以，分辨率常以ADC輸出的二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示。如輸出為12位1/212=1/4096二進(jìn)制數(shù)，分辨率為轉(zhuǎn)換誤差：偏移誤差、滿刻度誤差、非線性誤差A(yù)/D轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口A/D轉(zhuǎn)換器的控制方式：程序查詢方式、延時(shí)等待方式、中斷方式AD作用把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量（電壓）開關(guān)量輸入通道指只有開和關(guān)、通和斷、高和低兩種狀態(tài)的信號(hào)，可以用二進(jìn)制數(shù)0和1表示。模擬量輸出通道模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算處理后，將處理結(jié)果回送給被測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)通路。輸出數(shù)字信號(hào)的形式主要有開關(guān)量、數(shù)字量和頻率量。模擬量輸出通道是將微機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成適合于執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的模擬量的環(huán)節(jié)。D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)：1、轉(zhuǎn)換精度：指在整個(gè)工作區(qū)間實(shí)際的輸出電壓與理想輸出電壓之間的偏差。通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差描述。（1）分辨率指當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出模擬量的變化量。DAC的位數(shù)（輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)）越多，輸出電壓的取值個(gè)數(shù)越多，越能反映輸出電壓的細(xì)微變化，分辨率越高，一般可用DAC的位數(shù)衡量分辨率的高低。另外，DAC的分辨率也可用DAC能夠分辨出的最小電壓（對(duì)應(yīng)輸入二進(jìn)制代碼中只有最低有效位為1,其余為零）與最大輸出電壓（對(duì)應(yīng)輸入二進(jìn)制代碼中各位全為1）的比值表征。例如8位的D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率為:1對(duì)于n位D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率為2"1 。分辨率是D/A轉(zhuǎn)換器在理論上能達(dá)到的精度。不考慮轉(zhuǎn)換誤差時(shí)，轉(zhuǎn)換精度即為分辨率的大小。（2）轉(zhuǎn)換誤差實(shí)際D/A轉(zhuǎn)換器由于各元件參數(shù)值存在誤差、基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定以及運(yùn)算放大器的漂移等，使D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際轉(zhuǎn)換精度受轉(zhuǎn)換誤差的影響，低于理論轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差指實(shí)際輸出的模擬電壓與理想值之間的最大偏差，常用這個(gè)最大偏差與輸出電壓滿刻度（FSR）的百分比或最低有效位（LSB）的倍數(shù)表示。一般是增益誤差、漂移誤差和非線形誤差的綜合指標(biāo)。增益誤差（比例1系數(shù)誤差）、漂移誤差（平移誤差）、非線性誤差（非線性度）P56頁例如某8位DAC的非線性誤差為土0.05%，最大正、負(fù)誤差為：±0.05%xFSR=±0.05%乂(2*-1)xLSB=±0.1275x1,58?±1LSB因此，非線性誤差也常用若干個(gè)LSB表示（如上例的X ），一般要求dac的非線±-LSB形誤差小于2 。2.10開關(guān)量輸出通道固態(tài)繼電器輸出接口電路:是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點(diǎn)功率型電子開關(guān)?？蛇_(dá)到無觸點(diǎn)、無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為無觸點(diǎn)開關(guān)〃。具有開關(guān)速度快、體積小、質(zhì)量輕、壽命長、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，特別適合控制大功率設(shè)備場(chǎng)合。固態(tài)繼電器又分為：直流型固態(tài)繼電器（DC-SSR）和交流型固態(tài)繼電器（AC-SSR）。直流型主要用于直流大功率控制場(chǎng)合；交流型主要用于交流大功率控制場(chǎng)合。又分為：過零型和非過零型。SSR應(yīng)用中應(yīng)注意的問題：（1）直流型和交流型用途不同，不能互換。（2）交流型有過零型和非過零型兩種，要求射頻干擾小的場(chǎng)合應(yīng)使用過零型。（3）SSR的輸入均為發(fā)光二極管，可直接由TTL驅(qū)動(dòng)，也可以用CMOS電路再加一級(jí)跟隨器驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電流約5?10mA時(shí)輸出端導(dǎo)通，1mA以下輸出端斷開。（4）切忌負(fù)載短路第三章常見模擬量信號(hào)的檢測(cè)方法概述智能儀器中起控制作用的微處理器所處理的信號(hào)是二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，但物理世界中大量的信號(hào)都是連續(xù)變化的模擬量，智能儀器能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行處理的前提，先要能把模擬信號(hào)變電壓類信號(hào)的檢測(cè)電壓測(cè)量是其它許多電參量，也包括非電參量的基礎(chǔ)。.對(duì)電壓測(cè)量的基本要求：頻率范圍寬：被測(cè)電壓的頻率可以是超低頻、低頻、高頻或超高頻，其頻率范圍為0HZ到幾百M(fèi)HZ，甚至達(dá)到GHZ量級(jí)。電壓測(cè)量范圍廣、輸入阻抗高、測(cè)量準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng).交流電壓的測(cè)量一個(gè)交流電壓的大小，可以用它的峰值，平均值，有效值v及波形因數(shù)、波峰因數(shù)來表征。電流信號(hào)的檢測(cè).傳統(tǒng)的手動(dòng)分檔測(cè)量方法測(cè)量電流的基本原理是將被測(cè)電流通過已知電阻（取樣電阻），在其兩端產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓與被測(cè)電流成正比。圖3.3為一種用數(shù)字電壓表分檔測(cè)量直流電流的基本電路，該電路將輸入電流分為20A、200mA、20mA、2mA四個(gè)量程，轉(zhuǎn)換電阻用0.01Q、0.99Q、9Q、900四個(gè)電阻串連，將四種量程的電流接入電路的不同點(diǎn)，使得每種量程的電流在滿量程時(shí)得到的電壓都是0.2V（盡量選取數(shù)字電壓表電壓量程的最低檔，以便做到盡可能小的電流測(cè)量的內(nèi)阻），從而用0.2V的數(shù)字電壓表配合不同的顯示單位及小數(shù)點(diǎn)位置指示被測(cè)電流的大小。這種方法是數(shù)字多用表常用的測(cè)量方法。.自動(dòng)分檔測(cè)量方法在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中一般以電流信號(hào)的最大值確定所需電阻，如最大值為100mA，A/D的輸入最大值為10V，可選電阻為0.1K0，如果將自動(dòng)量程分為四個(gè)檔位，可用4個(gè)25歐的電阻串聯(lián)，通過模擬開關(guān)引出不同的信號(hào)，電路如圖3.4所示，圖中運(yùn)算放大器起輸入緩沖作用。這種方法對(duì)于直流電流和交流電流的測(cè)量都適用。國3HT自動(dòng)惻星電流的輸入螭相位型信號(hào)的檢測(cè)相位測(cè)量方法的原理，已知未知被測(cè)量量，如何提高精度?在檢測(cè)系統(tǒng)中相位定義為同頻的兩路信號(hào)之間的相位之差，嚴(yán)格來講是指兩路正弦信號(hào)的相位差.軟件分析法如圖3.5a所示，假如被測(cè)信號(hào)是不含直流分量的標(biāo)準(zhǔn)的正弦波X1和X2,用同步采樣的方法將兩路信號(hào)量化，對(duì)其進(jìn)行分析，求得X1的兩個(gè)同類過零點(diǎn)、求得X2的一個(gè)同類過零點(diǎn)（這里同類過零點(diǎn)是指都是由正到負(fù)或都是由負(fù)到正的過零點(diǎn)），由采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)通過X1的兩個(gè)同類過零點(diǎn)求得信號(hào)的周期T，通過X1的過零點(diǎn)與X2的過零點(diǎn)之間的時(shí)間差A(yù)To這種方法是借助數(shù)據(jù)采集來完成的，其精度受采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率的限制,但在需要同步采樣的場(chǎng)合可以兼而求得，如圖3.5b為一種對(duì)相位信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的采集電路，圖中SHA為采樣保持放大器，AD為A/D轉(zhuǎn)換器，"為微處理器。

.過零比較器法設(shè)XI、X2為不含直流分量得正弦波或三角波，將XI、X2分別經(jīng)過兩個(gè)過零比較器變?yōu)榉讲?，利用兩個(gè)方波的上升沿或下降沿的時(shí)間差和其中一個(gè)方波的周期可求得相位，算法如上。圖3.6a為用中斷法通過過零比較器輸出的下降沿求相位的電路，所采用運(yùn)算放大器無特殊要求.過零比較器的整形過程見圖3.6b。這里要求單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率與被測(cè)信號(hào)頻率相比足夠高，例如相位測(cè)試分辨率為0.1°，定時(shí)器的時(shí)鐘頻率應(yīng)為被測(cè)信號(hào)頻率的3600倍。匿）3.6a圖匿）3.6a圖3.6b過零比較器整形過程過叁比較器法求相位的電路時(shí)間型信號(hào)的檢測(cè)P75時(shí)間型信號(hào)測(cè)量方法的原理，已知未知被測(cè)量量，如何提高精度?頻率及周期型信號(hào)的檢測(cè)簡述頻率測(cè)量的幾種基本方法并比較各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍并說明適用的原因。高頻采用測(cè)頻法低頻采用測(cè)周法頻率及周期型信號(hào)的特點(diǎn)由于頻率和周期互成倒數(shù)關(guān)系，對(duì)于智能檢測(cè)系統(tǒng)來說，計(jì)算倒數(shù)之類問題不需要作為主要問題考慮，主要考慮測(cè)量精度要高，電路盡可能要簡單。使用電子計(jì)數(shù)器可以直接按照f=N/T所表達(dá)的頻率的定義進(jìn)行測(cè)量，考慮到電子計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)時(shí)必然存在的±1誤差，測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)不宜采用直接測(cè)頻的方法，否則±1誤差帶來的影響比較顯著甚至?xí)荏@人。此時(shí)可以改為先測(cè)量信號(hào)的周期，然后計(jì)算其倒數(shù)得到頻率值，稱之為測(cè)周的方法。測(cè)周的方法同樣不具有普遍的適用性，它可以用在測(cè)量較低頻率的信號(hào)，而不適用在測(cè)量較高頻率信號(hào)的場(chǎng)合。此外被測(cè)型號(hào)也可能帶有一定的干擾信號(hào)，因此加適當(dāng)?shù)牡屯V波也是必需的。優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí)我們應(yīng)該反過來測(cè)信號(hào)的周期。這樣才能提高測(cè)量精度和刷新頻率。電阻型信號(hào)的檢測(cè)1.恒流法測(cè)電阻測(cè)量電阻的最簡單的方法是根據(jù)歐姆定理利用一個(gè)恒定電流通過電阻先變成電壓再求之。2.恒壓法測(cè)電阻如圖3.17電路所示，設(shè)Vref為恒定的電壓，R0為標(biāo)準(zhǔn)電阻，則：用恒壓法測(cè)電阻時(shí)，參考電壓、標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差會(huì)直接反映在測(cè)量值中。.恒阻法測(cè)電阻非常適用于同時(shí)檢測(cè)多個(gè)電阻。.積分法測(cè)電阻測(cè)量較大的電阻。第5章智能儀器的典型數(shù)據(jù)處理功能重點(diǎn)：1.隨機(jī)誤差的處理和數(shù)字濾波方法2.系統(tǒng)誤差的處理和傳感器的非線性校正3.測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換5.1概述與常規(guī)的模擬電路相比，智能儀器的數(shù)據(jù)處理具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）可用程序代替硬件電路，完成多種運(yùn)算。（2）能自動(dòng)修正誤差。（3）能對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行較復(fù)雜的計(jì)算和處理。（4）能進(jìn)行邏輯判斷。（5）智能儀器不但精度高，而且穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)。5.2測(cè)量結(jié)果的非數(shù)值處理一、查表所謂查表法就是把事先計(jì)算或測(cè)得的數(shù)據(jù)按照一定順序編制成表格，根據(jù)被測(cè)參數(shù)的值或者中間結(jié)果，查出最終所需要的結(jié)果。.順序查表法：順序查表法就是從頭開始，按照順序把表中元素的關(guān)鍵項(xiàng)逐一地與給定的關(guān)鍵字進(jìn)行比較。若比較結(jié)果相同，所比較的元素就是要查找的元素；若表中所有元素的比較結(jié)果都不相同，則該元素在表中查找不到。順序查表查找速度相對(duì)較慢。對(duì)于無序表，特別是在表中記錄不多的情況下，用順序查找法是適宜的。.對(duì)半查表法基本思想：設(shè)置兩個(gè)指針L0和Hi,分別保存表的下限值和上限值的序號(hào)，開始查表時(shí)設(shè)置Lo=0,Hi=N-1。設(shè)N個(gè)元素按照從小到大的順序排列，則中心元素的序號(hào)為：Mi=[（L0+Hi）/2]由此將表分為前半部分和后半部分。然后計(jì)算中心元素的地址：Addm二表首地址+MiXi根據(jù)中心元素的位置找出中心元素，并和查表的元素進(jìn)行比較，若中心元素大于查表的元素，則選取表的前半部分，修改上限指針Hi：（下限指針Lo不變）Hi=Mi若中心元素小于查表的元素，則選取表的后半部分，修改下限指針Lo：（上限指針Hi不變）Lo=Mi若中心元素等于查表的元素，則查表成功。.計(jì)算查表法這是智能儀器中經(jīng)常使用的快速查表方法，僅適宜于有序表格。這種方法不需要像上述兩種方法那樣逐個(gè)比較表中的關(guān)鍵項(xiàng)，查出表中關(guān)鍵項(xiàng)的記錄，而是直接由關(guān)鍵項(xiàng)或經(jīng)過簡單計(jì)算，即可直接找到所需數(shù)據(jù)。二、排序.冒泡排序法在有N個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)列中依次比較兩個(gè)相鄰的一對(duì)數(shù)據(jù)，如果不符合規(guī)定的遞增（或遞減）順序，則交換兩個(gè)數(shù)據(jù)的位置，接著比較第二對(duì)（第二個(gè)和第三個(gè)數(shù)據(jù)），直到數(shù)列所有的數(shù)據(jù)依次比較完畢后，第一輪比較結(jié)束，這時(shí)最大或最?。┑臄?shù)據(jù)降到數(shù)列中最后的位置。第一輪排序需要進(jìn)行（N—1）次比較同理，第二輪比較需要進(jìn)行^一2）次比較，第二輪結(jié)束后，次最大或最?。┑臄?shù)據(jù)排在底部往上第二位置上。重復(fù)上述過程，直至全部排完，從而實(shí)現(xiàn)這組數(shù)據(jù)由大到?。ɑ蛴尚〉酱螅┑捻樞蚺帕?。.希爾排序法先取一個(gè)正整數(shù)d1(d1Vn,n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù))，把全部記錄分成d1個(gè)組，所有相距為dl的數(shù)據(jù)看成是一組，然后在各組內(nèi)分別進(jìn)行插入排序，也就是在每組中將一個(gè)待排序的數(shù)據(jù)按其大小插到這組已經(jīng)排序的序列中的適當(dāng)位置，直到這組數(shù)據(jù)全部插入完畢為止；接著取d2(d2Vdi)，重復(fù)上述分組和排序操作；直到d.=1(i>=1),即所有記錄成為一個(gè)組為止。希爾排序?qū).的選擇沒有嚴(yán)格規(guī)定，一般選d1約為n/2,d2為d1/2,d3為d2/2,…，d.=1。這樣大大減少了數(shù)據(jù)移動(dòng)次數(shù)，提高了排序效率。.3測(cè)量結(jié)果的數(shù)值處理一、隨機(jī)誤差處理及數(shù)字濾波隨機(jī)誤差(randomerror)由竄入儀器的隨機(jī)干擾所引起。它是指在相同條件下多次測(cè)量同一物理量時(shí)，其大小和符號(hào)作無規(guī)則的變化，且無法進(jìn)行預(yù)測(cè)，但在多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，其總體服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的誤差。與硬件濾波相比，數(shù)字濾波具有以下優(yōu)點(diǎn)：①因?yàn)橛贸绦驗(yàn)V波，無需增加硬件設(shè)備，且可多通道共享一個(gè)濾波器(多通道共同調(diào)用一個(gè)濾波子程序)，從而降低了成本。②由于不用硬設(shè)備，各回路間不存在阻抗匹配等問題，故可靠性高，穩(wěn)定性好。③可以對(duì)頻率很低的信號(hào)(如0.01Hz以下)進(jìn)行濾波，這是模擬濾波器做不到的。④可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法或改變?yōu)V波器的參數(shù)，使用方便、靈活。.程序判斷濾波限幅濾波限幅濾波的基本算法是把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量(以絕對(duì)值表示)，然后與兩次采樣允許的最大差值(由被控對(duì)象的實(shí)際情況決定)△￥進(jìn)行比較，若小于或等于Ay,則取本次采樣值；若大于△￥，則仍取上次采樣值作為本次采樣值，即：|Y(k)—Y(k—1)|W^y,則Y(k)=Y(k),取本次采樣值;|Y(k)—Y(k—1)|>^y,則Y(k)=Y(k—1),取上次采樣值。式中丫(k)——第k次采樣值；Y(k—1) 第(k—1)次采樣值；△y——相鄰兩次采樣值所允許的最大偏差，取決于采樣周期T及采樣值Y的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。限幅濾波程序流程|Ylk|-4k1]|>Ay?返回￥|k|^Y|k-1]|Ylk|-4k1]|>Ay?返回￥|k|^Y|k-1]這種濾波方法主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、物位等測(cè)量系統(tǒng)。門限值4的選取是非常重要的，通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，必要時(shí)也可由實(shí)驗(yàn)得出。限速濾波限速濾波是用3次采樣值決定采樣結(jié)果，設(shè)采樣時(shí)刻tl、t2、t3所采集的參數(shù)分別為Y(1),Y(2),Y(3),則|Y(2)—Y(1)|W^y,則Y(2)作為本次采樣值；

|Y(2)-Y(1)|>^y,則Y(2)不被采用，但仍保留，繼續(xù)采樣取得Y(3)；|Y(3)-Y(2)|W^y,則丫(3)作為本次采樣值；|Y(3)-Y(2)|>^y,則取[丫(3)+Y(2)]/2作為本次采樣值。限速濾波是一種折中的方法，既照顧了采樣的實(shí)時(shí)性，又兼顧了采樣值變化的連續(xù)性。這種方法的缺點(diǎn)是：①△￥的確定不夠靈活，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況不斷更換新值；②不能反映采樣點(diǎn)數(shù)N>3時(shí)各采樣數(shù)值受干擾的情況。因此，它的應(yīng)用受到一定的限制。在實(shí)際使用中，可用[|Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)|]/2取代Ay,這樣也可以基本保持限速濾波的特性，雖然運(yùn)算量增加，但靈活性大為提高。.中值濾波中值濾波是對(duì)某一參數(shù)連續(xù)采樣N次(N取奇數(shù))，然后把N次采樣值順序排列，再取中間值作為本次采樣值。中值濾波對(duì)于去掉由于偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定所引起的脈動(dòng)干擾十分有效。對(duì)緩慢變化的過程變量采用此法有良好的效果，但不宜用于快速變化的過程參數(shù)(如流量)。.算術(shù)平均值濾波算術(shù)平均值濾波就是連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：1N尸NEy，i=1式中，N為采樣次數(shù)，》為第i次采樣值。顯然N越大，結(jié)果越準(zhǔn)確，但計(jì)算時(shí)間也越長。這種濾波方法適用于對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)的采樣值進(jìn)行平滑加工，但對(duì)脈沖性干擾的平滑作用不理想，不宜用于脈沖性干擾較嚴(yán)重的場(chǎng)合。.遞推平均值濾波把N個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)y1.y2...、yN看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長度固定為N,每進(jìn)行一次新的測(cè)量，把測(cè)量結(jié)果作為隊(duì)尾的yN，而扔掉隊(duì)首的yj這樣在隊(duì)列中始終有N個(gè)“最新〃數(shù)據(jù)。計(jì)算濾波值時(shí)，只要把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，就可以得到新的濾波值，這樣，每進(jìn)行一次測(cè)量，就可以計(jì)算得到一個(gè)新的平均濾波值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式― 1N-1y=?yn N n-i——第n次采樣值經(jīng)濾波后的輸出i——第n次采樣值經(jīng)濾波后的輸出——未經(jīng)濾波的第n-i次采樣值；N——遞推平均項(xiàng)數(shù)。遞推平均濾波法對(duì)周期性干擾有