智能仪器原理及其应用复习题

1、智 能 仪 器 原 理 复 习 提 纲1、 智能仪器的定义内部带有微型计算机并带有GP-IP等通信接口，具有对数据的存储、运算、逻辑判断，自动化操作与外界通信等智能作用的仪器，称为智能仪器.2、 智能仪器的优点使用键盘代替传统仪器中旋转式获琴键式切换开关来实施对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。微处理器的运用极大的提高了仪器的性能。 智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便的实现量程自动切换，自动调零，触发电平自动调整，自动校准，自诊断等功能，有力的改善了仪器的自动化测量水平。智能仪器具有友好的人机对话的能力，使用人员只通过键盘打入命令。智能仪器一般都

2、配有GP-IB或RS-232等通信接口，使智能仪器具有可程控操作的能力。1、 A/D转换的技术指标分辨率与量化误差：分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化量的技术指标，记数字量变化一个字所对应模拟信号的变化量。量化误差是由于A/D转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样二引起的误差，其大小在理论上为一个单位。转化精度：反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值。用绝对误差或相对误差来表示。转换速率：指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。也可表示为转换时间，即转换从启动到结束所需时间。满刻度范围：又称满量程输入电压范围，指A/D转换器所允许最大的输入电压范

3、围。2、 逐次比较式A/D，积分式A/D的原理及各自优缺点逐次比较式：当启动信号作用后，时钟信号先通过逻辑控制电路是N位寄存器的最高位D(N-1)位1，以下各位为0，这个二进制代码经A/D转换器转换成电压U0，送到比较器与输入的模拟电压Ux比较。若Ux.>Uo，则保留这一位，；若Ux<Uo，则D(N-1)位置0. D(N-1)位比较完毕后，在对下一位即D(N-2)位进行比较，控制电路使寄存器D(N-2)为1，其以下各位仍为0，然后再与上一次D(N-1)结果一起经过D/A转换后再次送到比较器与Ux相比较。如此一位一位地比较下去，直至最后一位Do比较完毕为止，最后，发出EOC信号表示转

4、换结束。这样经过N次比较后，N位寄存器保留的状态就是转换后的数字量数据。积分式：先用积分器把输入模拟电压转换成中间量，再把中间量转换成数字。优缺点：逐次比较式A/D转换器的转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在us级，转换精度一般在0.1%左右，适用于一般场合。积分式A/D转换器的核心部件是积分器，因此速度较慢，其转换时间一般在ms级或更长。但抗干扰性能强，转换精度可达0.01%，适用于在数字电压表类仪器中。3、 并行比较式A/D原理及优缺点并行比较式A/D原理，以一个三位并行比较式A/D转换器为例，采用（23-1）=7个比较器，每个比较器的急转电压分别为，而输入电压则是并行加到7个比较器

5、的输入端。工作时输入电压将与七个基准电压同时进行比较。通过译码和锁存电路对7个比较器的输出状态进行译码和锁存，输出三位二进制数码，从而完成A/D转换。优缺点：并行比较式A/D转换器的转换时间极短，但是需要大量的低漂移比较器和高精度电阻，成本太高，价格昂贵。4、 高速数据采集与传输的方式（DMA、双口RAM、FIFO）？及其实现原理DMA方式：在DMA控制器控制下的直接存储器存取方式，在这种作用下外设不经过CPU控制直接读取内存数据。实现原理：用指令对DMA控制器初始化，预置地址寄存器初值。预置状态或控制寄存器来决定读或写操作等。启动外设并向DMA发送DMA请求。DMA接受申请后向CPU发出总线

6、请求信号。CPU接受申请，释放总线控制权。DMA接管总线控制权并控制外设读取和写入信号DMA控制器内的地址寄存器加1，计数器减1，进入下一循环。双口RAM即双端口存储器，它具有两套完全独立的数据线，地址线，读写控制线，允许两个独立的系统或模块同时对双口RAM进行读/写操作。FIFO是先进先出传输方式，同一存储器配备两个数据端口，一个是输入端口，只负责写入数据；一个是输出端口，只负责数据输出。这种存储器不需要地址线参与寻址，数据读取遵循先进先出的规则，每个数据只能被读取一次。1、 D/A转换的原理、由电阻网络，开关及基准电源等部分组成。为便于接口，有些还含有锁存器。目前采用最多的是R-2R梯形网

7、络D/A转换器，D/A转换器电阻网络中电阻规格仅为R和2R两种。为基准电压，它可由内电子开关在二进制代码的控制下分别控制4个支路，并使电流个自己进入A3A2A1A04个节点。这种网络的特点是：任何一个结点的三个分支的等效电阻都是2R，因此由任意分支流入结点的电流都为,并且I将在结点处被平分为相等的两个部分，由另外两个分支输出。经计算后当UR为正时，D/A转换器输出U0为负，反之为正。2、 D/A转换器主要技术指标分辨率:输入数字发生单位数码变化时所对应的模拟量输出的变化量。转换精度:在整个工作区间实际的输出电压与理想电压之间的偏差，可用绝对值或相对值来表示。转换时间:又称稳定时间，是输入的二进

8、制代码，从最小值突跳到最大值时，其模拟量电压达到其稳定值之差小于所需的时间。尖峰误差：输入代码发生变化时而使输出模拟量产生的剑锋所造成的误差。3、 模拟信号采样/保持电路及技术指标采样保持电路如图所示，由一个电容C做保持电容，运放接成跟随器，其运行状态由控制开关决定，闭合时为采样电路，断开为保持电路。主要技术指标：孔径时间：从发出保持指令到开关真正打开所需时间、捕捉时间：从开始采样到保持器输出达到当前输入信号值所需时间、保持电压下降：在保持状态下，由于保持电容的漏点引起的电压下降、馈通（送）：在保持时间内由于输入信号电压变化而引起的输出电压变化的程度、电压增益精度：是指当环境和电源变化时，电压

9、增益可以保持的精度。1、 独立式键盘、矩阵式键盘、交互式键盘原理独立式键盘：每一个按键单独占用一根检测线与主机相连，上拉电阻保证按键断开时检测线上有稳定的高电平，当某一按键按下时，对应的检测线就呈现低电平。矩阵式键盘：把检测线分成两组，一组为行线，一组为列线，按键放在行列交点上，每个按键通过不同的行列线与主机相连。只需检测对应行列线的电平变化即可知按键情况。交互式键盘：任意两检测线直接均可防止一个键，这种键盘所使用的检测线必须是有位控功能的双向I/O端口线。2、 键盘抖动的原因及消除方法原因：当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生一种抖动现象，即当按下按键时不会迅速可靠的接通，当按键释放时

10、不会立即断开，这当中就产生了5ms到10ms之间的抖动。消除方法：硬件方法：利用RS触发器来吸收按键的抖动。软件方法：当判断有按键按下时，用软件延时10ms到20ms，等待按键稳定后在重新判断一次，以躲过触点抖动期。3、 无锁键、自锁键、互锁键的定义无锁键：常态为开路的按键开关，按键被按下时触点接通，松开时又恢复断开。自锁键：第一次按下时触点接通，第二次按下时触点断开，电路开路。互锁键：当这一组开关之一被选择时，与该键有互锁关系的其他键都将断开。4、 行扫描法、线路反转法原理，及程序流程行扫描法：首先判断是否有键按下，即先进行全扫描，将所有行线置成0电平，然后读入全部列值，如果读入的列值全是1

11、，则说明没有键 按下；如果读入的列值不全是1，则说明有键按下。第二步确定哪一个键按下：一旦发现有健按下，转入逐行扫描的办法来确定是哪一个键按下。先扫描第一行，即使它接0电平，然后读入列值。哪一列出现0值，则说明与那一列跨接的键被按下了。如果读入的列值全是1，说明该行没有键 按下，接扫描第二行。以此类推，逐行扫描，直至发现非全1的列值，就能找出被按下的键。线路反转法：第一步：先从P1的高四位输出“0”电平，从P1的第四位读取键盘状态，若某按键被按下，此时从P1的第四位输出的代码中对于该键的列位为0，其余为1。第二步：线路反转，从P1的低四位开始输出“0”电平，从高四位读取键盘状态，同样此时“0”

12、所对应的为键盘的行所在位置，再将两次读入数据组成一个行列代码，即为按键准确位置。5、 键盘分析程序实现原理：直接分析法 状态分析法直接分析法：根据当前按键的键值，把控制直接分支到相应处理程序的入口，而无须知道在此之前的按键情况。状态分析法：将键盘分析程序作为时序系统，在一定的条件下系统可以处于某种状态，当条件改变后，它的状态可以发生变迁，即从一个状态变到另一个状态。6、 CRT显示原理（包括光栅扫描式和随机扫描式）光栅扫描包括行（水平）扫描和帧（垂直）扫描两部分，由视频信号控制的电子束，在行扫描偏转信号和帧扫描偏转信号的共同作用下，从左上角开住做横屏扫描，到达最右端时被消隐，并开始下一行。当从

13、上到下扫过整个屏幕后，当电子束扫到右下角时又被消隐，并返回左上角起始端，开始下一帧的扫描。1、 GP-IB标准运行原理GP-IB标准包括接口与总线两部分，其中接口部分是由各种逻辑电路构成，与仪器装置安装在一起，用于对传输的信息进行发送，接受，编码，和译码；总线部分是一条无源的多芯电缆，用作传输各种消息。GP-IB系统中分为讲者、听者、控者三个角色，一个系统中可以有多个讲者，但同一时间只能有一个在工作，一个系统可以有多个听着，并允许多个听者同时工作。控者常由计算机担任，不允许两个或两个以上控者同时起作用。2、 三线挂钩原理：在GP-IB系统中，每传递一个数据字节信息，不管是仪器消息还是接口消息，

14、源方与受方之间都要进行一次三线挂钩过程。听者使NRFD呈高电平，表示做好接受准备。三条数据挂钩联络线（DAV数据有效线，NRFD数据未就绪线,NDAC数据未收到线），其作用是控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有节奏的传输信息。5条借口管理控制线，其作用是控制BP-IP总线接口。3、 GP-IB协议基本特性可以用一条总线互相连接若干台装置,以组成一个自动测试系统.系统中 装置的数目最多不超过15台,互连总线的长度不超过20m。数据传输采用并行比特，串行字节双向异步传输方式，其最大传输速率不超过1兆字节每秒。总线上传输的消息采用负逻辑。低电平（小于等于+0.8V）为逻辑“1”，高电平（大于

15、等于+2.0V）为逻辑“0”。地址容量。单字节地址：31个讲地址，31个听地址；双字节地址：961个讲地址，961个听地址，一般适用于电气干扰轻微的实验室和生产现场。4、 串行通信原理、基本方式分为同步通信和异步通信，在同步通信中，为了使发送和接受保持一致，串行数据在发送和接收两端使用的时钟应同步。在异步通信中，只要求发送和接受两端的时钟频率在短期内保持同步。同步和异步通信比较，有点是传输速度快，不足之处是同步通信的实用性将取决于发送器于某种原因漏掉一位，则余下的接收数据都不正确。异步通信传输速度慢，若在若在一次的串行数据的传输过程中出现错误仅影响一个字节的数据，在微机测量和控制系统中，串行数

16、据的传输大多使用异步通方式。5、 RS-232概述 RS-232标准使用正负15V电源，并采用负逻辑。逻辑1电平在-5到15V范围内，逻辑0电平在+5到+15V范围内。将计算机输出的信号先经过调制解调器把逻辑信号变成音频信号，然后在电话网中进行传输。接收时再由调制解调器将音频信号还原成逻辑信号。该标准定义了数据终端设备和数据通信设备之间的接口信号特征。1、 硬件故障自检内容及算法利用事先编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。自检过程：ROM,RAM.,总线，显示器，键盘以及测量电路等部件的检测。仪器能够进行自检的项目越多，使用和维修就越方便，但相应的硬件和软件也越复杂。

17、自检方式：开机自检：在仪器电源接通或复位之后进行。若没发现问题，则自动进入测量程序，在以后的测量中不再进行自检；若发现问题，则及时报警，以免仪器带病工作。开机自检是对仪器正式投入运行之前所进行的全面检查。周期性自检。指在仪器运行过程中，间断插入的自检操作，这种自检方式可以保证仪器在使用过程中一直处于正常过程中，周期性自检不影响仪器的正常工作，只有当出现故障给予报警时，用户才会觉察。键控自检。有些仪器在面板上设有“自检”按键，当用户对仪器的可信度发出 怀疑时，便通过该键来启动一次自检过程。2、 自动测量、自动校准 的内容及具体实现方法 自动量程转换：最佳量程Ux应落在Um>=Ux>=

18、Um/10之间，若测量值Ux<Um/10,则判断为欠量程，应作降量程处理（例如原量程为40V档量程，应降到4V档量程）；反之，应做升量程处理。自动零点调整：仪器零点飘移的大小以及零点是否稳定是造成零点误差的主要来源之一，消除这种影响最直接的方法是选择优质输入放大器和A/D转换器。自动校准：传统仪器的校准一般采用两种方式：一种方式是通过与更高精度的同类仪器进行比较测量来实现另一种方式是采用输出值可步进调节的标准信号源。3、 测量误差的分类测量误差按其性质和特性可分为随机误差，系统误差、粗大误差4、 测量误差消除的方法随机误差：最常用的方法是多次测量取算数平均值的方法。系统误差：利用误差模型

19、修正系统误差、利用校正数据表修正系统误差、通过曲线拟合修正系统误差。粗大误差：剔除明显错误的结果、测量结果中的粗大误差用莱特准则来判断。5、 数字滤波的定义，及数字滤波方法所谓数字滤波，即通过一定的计算程序，对采集的的数据惊醒某种处理，从而消除或减弱干扰和噪声的影响，提高测量的可靠性和精度。数字滤波具有硬件滤波器的功效，却不需要硬件开销，从而降低了成本。方法：中值滤波、平均滤波程序、低通数字滤波。1、 DVM原理、主要技术指标、主要功能原理：智能DVM是指以微处理器为核心的数字电压表。其中专用微型计算机部分包括微处理器芯片，存放仪器监控程序的存储器ROM和存放测量及运算数据的存储器RAM等。智

20、能DVM的测量过程大致分为三个主要阶段：首先在微处理器的控制下，被测电压通过输入电路，A/D转换器的处理转变为相应的数字量，存入到数据存储器中；接着微处理器对采集的测量数据进行必要的处理，最后，显示处理结束，上述整个工作过程都是由存放在ROM中监控程序的控制下进行。技术指标：量程、位数、测量准确度、分辨率、输入阻抗、输出电流、测量速率。主要功能：不仅具有测量功能，还具有很强的数据处理能力。2、 三斜积分式A/D原理三斜积分式AD转换器由基准电压-VREF、 、积分器、比较器和由单片机构成的计数控制电路组成。斜积分式AD转换器的转换波形是将双积分式A/D的反向积分阶段T2分为图4所示的T21、T

21、22两部分。在T21期间，积分器对基准电压-VREF进行积分，放电速度较快；在T22期间积分器改为对较小的基准电压 进行积分,放电速度较慢。在计数时,把计数器也分为两段进行计数。5、RLC测量仪原理RLC参数的测量方法主要有电桥法、谐振法、伏安法三种、电桥法具有较高的测量精度范围，因而被广泛采用，目前电桥已派生出许多类型。但是电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间，因而很难实现快速的自动测量。谐振法要求有较高的激励信号，一般不容易满足高精度测量要求。由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。伏安法是最经典的方法，它的测量原理直接源于阻抗的定义，即若已知流经被测阻抗的矢量电流并测得被测阻抗两端的

22、电压，则通过比率便可得到被测阻抗的矢量。1、 数字存储示波器的组成原理及主要技术指标组成原理：当处于存储工作模式的时候，它的工作过程一般可以分存储和显示两个阶段。在存储阶段，模拟输入信号先经过适当放大或衰减，再进行数字化处理。数字化包括“取样”和“量化”两个过程，取样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是使得每个取样的离散直径 A/D转换器转变换成数字，最后，数字化的信号在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM中。在写入工作阶段，采用了较低的读时钟脉冲频率从存储器中依次把数字信号读出，并经过D/A转换器转换成模拟信号，得到一个扫描电压，经CRT偏转在CRT上显示出信号点。技术指标：最大取样速率、存储带宽、分辨率、存储容量、读取速度2、 数字存储示波器的特点数字存储滤波器对波形的取样和存储与波形的显示是可以分离