智能儀器原理及應(yīng)用第二版課后習(xí)題部分答案

1、1-1. 內(nèi)含微型計(jì)算機(jī)并帶有GP-IB等通信接口的電子儀器成為智能儀器。特點(diǎn)：1智能儀器使用鍵盤(pán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的旋轉(zhuǎn)式或琴鍵式切換開(kāi)關(guān)開(kāi)實(shí)施對(duì)儀器的控制從而使儀器面板的布置和儀器內(nèi)部有關(guān)部件的安排不再相互限制和牽連。 2微處理器的運(yùn)用極大的提高了儀器的性能。 3智能儀器運(yùn)用微處理器的控制功能，可以方便的實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)調(diào)零、觸發(fā)電平自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)診斷等功能，有力的改善了儀器的自動(dòng)化測(cè)量水平。 4智能儀器具有友好的人機(jī)對(duì)話(huà)能力。 5智能儀器一般都配有GP-IB或RS-232等通信接口，是智能儀器具有可程控操作的能力1-2. 主機(jī)電路用來(lái)存儲(chǔ)程序數(shù)據(jù)并進(jìn)展一系列的運(yùn)算和處理；模擬

2、量輸入/輸出通道用來(lái)輸入/輸出模擬信號(hào)；人機(jī)接口電路的作用是溝通操作者和儀器之間的聯(lián)系；通信接口電路用于實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)的聯(lián)系，以便使儀器可以接收計(jì)算機(jī)的程序命令。1-3. 監(jiān)控程序是面向儀器面板鍵盤(pán)和顯示器的管理程序，其內(nèi)容包括：通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令和數(shù)據(jù)，以對(duì)儀器的功能、操作方式與工作參數(shù)進(jìn)展設(shè)置；根據(jù)儀器設(shè)置的功能和工作方式，控制I/O接口電路進(jìn)展數(shù)字采集、存儲(chǔ)；按照儀器設(shè)置的參數(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展相關(guān)的處理；以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示測(cè)量結(jié)果、數(shù)據(jù)處理的結(jié)果及儀器的狀態(tài)信息。1-4. 智能儀器廣泛使用鍵盤(pán)，使面板的布置與儀器功能部件的安排可以完全獨(dú)立的進(jìn)展，明顯改善了儀器面板及有關(guān)功能部

3、件構(gòu)造的設(shè)計(jì)，這樣即有利于提高儀器技術(shù)指標(biāo)，又方便了儀器的操作。1-5. 智能儀器組成的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)分布式多微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的各智能儀器在任務(wù)一級(jí)并行工作，它們個(gè)子具備的硬件和軟件，能相對(duì)獨(dú)立的工作，相互間也可通信，它們之間通過(guò)外部總線松散耦合。特點(diǎn)：自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有極強(qiáng)的通用性和多功能性。1-6. 個(gè)人儀器和個(gè)人儀器系統(tǒng)充分的利用PC機(jī)軟件資源，相對(duì)于智能儀器來(lái)說(shuō)，極大的降低了本錢(qián)，大幅縮短了研制周期，顯示出廣闊的開(kāi)展前景。1-7. 個(gè)人儀器系統(tǒng)是由不同功能的個(gè)人儀器和PC機(jī)有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。1-8. VXI總線系統(tǒng)即采用VXI總線標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)人儀器系統(tǒng)，一般由計(jì)算機(jī)、V

4、XI儀器模塊和VXI總線機(jī)箱構(gòu)成。1-9. 1.確定設(shè)計(jì)任務(wù)：首先根據(jù)儀器最終要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，編寫(xiě)設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明書(shū)，明確儀器應(yīng)具備的功能和應(yīng)到達(dá)的技術(shù)指標(biāo)。2.擬制總體設(shè)計(jì)方案：設(shè)計(jì)者應(yīng)首先一句設(shè)計(jì)的要求和一些約束條件，提出幾種可能的方案。3.確定儀器工作總框圖：當(dāng)儀器總體方案和選用的微處理器的種類(lèi)確定后，就應(yīng)采用自上而下的方法，把儀器劃分成假設(shè)干個(gè)便于實(shí)現(xiàn)的功能模塊，并分別繪制出相應(yīng)的硬件和軟件工作框圖。4.硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試：一旦儀器工作總框圖確定后，硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)工作就可以齊頭并進(jìn)。5.整機(jī)聯(lián)調(diào)：硬件、軟件分別裝配調(diào)試合格后，就要對(duì)硬件、軟件進(jìn)展聯(lián)合調(diào)試。1-10.單片機(jī)性

5、能增強(qiáng)、表達(dá)在指令指令執(zhí)行速度有很大提升；單片機(jī)集成了大容量片上flash存儲(chǔ)器，并實(shí)現(xiàn)了ISP和IAP，單片機(jī)在低電壓、低功耗、低價(jià)位、LPC方面有很大進(jìn)步；單片機(jī)采用了數(shù)字模擬混合集成技術(shù)，將A/D、D/A、鎖相環(huán)以及USB、CAN總線接口等都集成到單片機(jī)中，大大地減少片外附加器件的數(shù)目，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性能。 單片機(jī)的選擇要從價(jià)格、字長(zhǎng)、輸入/輸出的執(zhí)行速度、編程的靈活性、尋址能力、中斷功能、直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)DMA能力、配套的外圍電路芯片是否豐富以及相應(yīng)的并發(fā)系統(tǒng)是否具備等多方面進(jìn)展綜合考慮。2-1. A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)指標(biāo)：1.分辨率與量化誤差；2.轉(zhuǎn)換精度；3.轉(zhuǎn)換速度；4.滿(mǎn)刻度范

6、圍。D/A轉(zhuǎn)換器技術(shù)指標(biāo)：1.分辨；2.轉(zhuǎn)換精度；3.轉(zhuǎn)換時(shí)間；4尖峰誤差。 分辨率是衡量A/D轉(zhuǎn)換器分辨輸入模擬量最小變化程度的技術(shù)指標(biāo)，轉(zhuǎn)換精度反映了一個(gè)實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器與一個(gè)理想A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值，用絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差來(lái)表示。2-2. 逐次比擬式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換精度比擬適中，適用與一般場(chǎng)合。 積分式A/D轉(zhuǎn)換器的核心部件是積分器，速度較慢，但抗干擾性能力強(qiáng)，適用于在數(shù)字電壓表類(lèi)儀器中采用。 并行比擬式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率可以到達(dá)很高，但抗干擾能力差，由于工藝限制，其分辨率一般不高于8位。適用于數(shù)字示波器等要求轉(zhuǎn)換速度較快的儀器。2-9. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把多路開(kāi)關(guān)、模擬

7、放大器、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯以及微處理器系統(tǒng)的接口電路等都集成在一塊芯片中，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集集成電路。3-1. 獨(dú)立式鍵盤(pán)構(gòu)造特點(diǎn)是一線一鍵；矩陣式鍵盤(pán)構(gòu)造特點(diǎn)是把檢測(cè)線分成兩組，一組為行線，另一組為列線，按鍵行線和列線的穿插點(diǎn)上；交互式鍵盤(pán)構(gòu)造特點(diǎn)是任意兩檢測(cè)線之間均可以放置一個(gè)按鍵。3-4. 鍵盤(pán)分析程序的任務(wù)是對(duì)鍵盤(pán)的操作做出識(shí)別并調(diào)用相應(yīng)的功能程序模塊完成預(yù)訂的任務(wù)。 直接分析法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)明直觀，缺點(diǎn)是命令和識(shí)別和處理程序的執(zhí)行交織在一起，相互牽制。層次不清楚，當(dāng)采用多用鍵，復(fù)用次數(shù)較多時(shí)，這一矛盾尤其突出，用狀態(tài)分析法可以克制這些缺點(diǎn)。 狀態(tài)分析法步驟：1.用狀態(tài)圖準(zhǔn)確表

8、述按鍵操作序列的定義；2.狀態(tài)表；3.固化狀態(tài)表；4.鍵盤(pán)分析程序的設(shè)計(jì)。3-11. 字符發(fā)生器字符ROM存儲(chǔ)字符點(diǎn)陣信息。各種字符的ASCII代碼從顯示RAM中讀出送到字符ROM作為選擇對(duì)應(yīng)這個(gè)字符點(diǎn)陣碼的字符ROM的地址。4-1. 講者是通過(guò)總線發(fā)送儀器消息的儀器裝置；聽(tīng)者是通過(guò)總線接收由講者發(fā)出消息的裝置；控者是數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的組織者和控制者。在一個(gè)GP-IB系統(tǒng)中可設(shè)置多個(gè)講者，但在某一時(shí)刻只能有一個(gè)講者在起作用，聽(tīng)者可以設(shè)置多個(gè)，并且允許多個(gè)聽(tīng)者同時(shí)工作?？卣咄ǔＳ捎?jì)算機(jī)擔(dān)任，GP-IB系統(tǒng)不允許有兩個(gè)或兩個(gè)以上的控者同時(shí)起作用。4-2. 1.可以用一條總線相互連接，假設(shè)干臺(tái)裝置，以

9、組成一個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；2.數(shù)據(jù)傳輸采用并行比特位，串行字節(jié)位組雙向異步傳輸方式，其最大傳輸速率不超過(guò)1兆字節(jié)每秒；3.總線上傳輸?shù)南⒉捎秘?fù)邏輯；4.地址容量；5.一般適用于電氣干擾輕微的實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。4-3. 接口消息是指專(zhuān)用于管理接口局部完成各種接口功能的信息，它由控者發(fā)出而只被接口局部所接收和使用。儀器消息是與儀器自身密切相關(guān)的信息，它只被儀器局部所接收和使用，雖然儀器消息通過(guò)接口功能進(jìn)展傳遞，但它不改變接口功能的狀態(tài)。4-4. 總線是一條24芯電纜，其中16條為信號(hào)線，其余為地線及屏蔽線。16條信號(hào)線分為：1.8條雙向數(shù)據(jù)總線DIO1DIO8,其作用是傳遞儀器消息和大局部接口消息，

10、包括數(shù)據(jù)、命令和地址；2.3條數(shù)據(jù)掛鉤聯(lián)絡(luò)線DAV、 NRFD和NDAC，其作用是控制數(shù)據(jù)總線的時(shí)序，以保證數(shù)據(jù)總線能正確、有節(jié)奏的傳遞信息；3.5條接口管理控制線ATN、IFC、REN、EOI和SRQ其作用是控制GP-IB總線接口的狀態(tài)。4-6. GP-IB的十種接口功能：控者功能C、講者功能T、聽(tīng)者功能L、源掛鉤功能SH、受者掛鉤功能AH、效勞請(qǐng)求功能SR、并行點(diǎn)名功能PP、遠(yuǎn)控本控功能R/L、裝置觸發(fā)功能DT和裝置清楚功能DC。4-9. RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的接口信號(hào)線分為1.根本數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)線，主要信號(hào)線有TxD發(fā)送信號(hào)線、RxD接收信號(hào)線、GND為地信號(hào)線；2.調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)線，主

11、要信號(hào)線分從計(jì)算機(jī)到moden DTR數(shù)據(jù)終端就緒信號(hào)線和RTS請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)線和moden到計(jì)算機(jī)DSR數(shù)據(jù)裝置就緒信號(hào)線、CTS允許發(fā)送信號(hào)線、DCD數(shù)據(jù)載波檢測(cè)信號(hào)線、RI振鈴指令信號(hào)線。4-10. 為了使發(fā)送和接收保持一致，串行數(shù)據(jù)在發(fā)送和接收兩端使用的時(shí)鐘因同步，異步通信中，只要求發(fā)送和接收兩端的時(shí)鐘頻率在短時(shí)間內(nèi)保持同步。 同步通信與異步通信相比擬，優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，缺乏之處是同步通信的實(shí)用性見(jiàn)取決于發(fā)送器和接收器保持同步的能力，假設(shè)在一次串行數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中，接收器接收數(shù)據(jù)時(shí)，假設(shè)由于某種原因漏掉1位，那么余下接收的數(shù)據(jù)都是不正確的。異步通信傳輸數(shù)據(jù)慢，但假設(shè)在一次串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)

12、程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，僅影響一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。4-11. 異步通信協(xié)議規(guī)定每個(gè)數(shù)據(jù)以一樣的位串形式傳輸，每個(gè)串行數(shù)據(jù)由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停頓位組成。起始位的作用是協(xié)調(diào)同步，接收設(shè)備檢測(cè)到這個(gè)邏輯低電平后，就開(kāi)場(chǎng)準(zhǔn)備后續(xù)數(shù)據(jù)位信號(hào)。停頓位用于標(biāo)志一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸完畢。4-12. RS-232C標(biāo)準(zhǔn)邏輯1電平在5v15v范圍內(nèi) 邏輯0電平在 +5v15v范圍內(nèi) TTL電平邏輯1 在+2v+5v 邏輯0在0v+0.8v。5-1. 算法即計(jì)算方法，是為了使計(jì)算機(jī)獲得某種特定的計(jì)算結(jié)果而制定的一套詳細(xì)的計(jì)算方法和步驟，一般表現(xiàn)為數(shù)學(xué)公式或操作流程。測(cè)量算法那么是指直接與測(cè)量技術(shù)有關(guān)的算法。測(cè)量算法包括自檢、

13、自動(dòng)檢測(cè)、克制系統(tǒng)誤差的校正和克制隨機(jī)誤差的濾波處理。5-2. 自檢就是利用事先編好的檢測(cè)程序?qū)x器的主要部件進(jìn)展自動(dòng)檢測(cè)，并對(duì)故障進(jìn)展定位。自檢方式有：1.開(kāi)機(jī)自檢；2.周期性自檢；3.鍵盤(pán)自檢。自檢內(nèi)容包括ROM、RAM、總線、顯示器、鍵盤(pán)以及測(cè)量電路等部件的檢測(cè)。5-4. 自助量程轉(zhuǎn)換可以使儀器在很短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)選定在最合理的量程下，從而使儀器獲得高精度的測(cè)量，并簡(jiǎn)化了操作。自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換由最大量程開(kāi)場(chǎng)逐級(jí)比擬，直至選出最適宜的量程為止。5-5. 自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整的原理，首先微處理器通過(guò)粗陋控制繼電器吸合使儀器輸入端接地，啟動(dòng)一次測(cè)量并將測(cè)量值存入RAM的某一確定單元中，接著微處理器通過(guò)輸出口

14、又控制繼電器釋放，使儀器輸入端接被測(cè)信號(hào)，最后微處理器再做一次減法運(yùn)算，并將此差值作為本次測(cè)量結(jié)果加以顯示。5-7. 系統(tǒng)誤差是指在一樣條件下屢次測(cè)量同一量時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)保持恒定或在條件改變時(shí)按某種確定的規(guī)律而變化的誤差。修正方法：1.利用誤差模型修正系統(tǒng)誤差；2.利用校正數(shù)據(jù)表修正系統(tǒng)誤差；3.通過(guò)曲線擬合來(lái)修正系統(tǒng)誤差。5-8. 利用誤差模型：首先通過(guò)分析來(lái)建立系統(tǒng)的誤差模型，再由誤差模型求出誤差修正公式。誤差修正公式一般含有假設(shè)干誤差因子，修正時(shí)，先通過(guò)校正技術(shù)把這些誤差因子求出來(lái)，然后利用修正公式來(lái)修正測(cè)量結(jié)果，從而削弱了系統(tǒng)誤差的影響。采用曲線擬合對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)展修正的方法是，

15、首先定出f(x)的具體形式，然后再通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)展選定函數(shù)的數(shù)值計(jì)算，求出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。5-9. 數(shù)字濾波具有硬件濾波器的成效，卻不需要硬件開(kāi)銷(xiāo)，從而降低了本錢(qián)，由于軟件的靈活性，還能產(chǎn)生硬件濾波器達(dá)不到的成效。缺乏之處就是需要占用機(jī)時(shí)。5-10. 常用的數(shù)字濾波方法有：1.中值濾波；2.平均濾波程序；3.低通數(shù)字濾波。中值濾波對(duì)去掉脈沖性質(zhì)的干擾比擬有效，并且采樣次數(shù)N越大，濾波效果愈強(qiáng)，對(duì)于變化較為劇烈的參數(shù)，不宜采用；平均濾波對(duì)濾除混雜在被測(cè)信號(hào)上的隨機(jī)干擾非常有效；低通數(shù)字濾波對(duì)濾除變化非常緩慢的被測(cè)信號(hào)中的干擾是很有效的。6-1. DVM是指以微處理器為核心的數(shù)值電壓表，專(zhuān)用微型計(jì)

16、算機(jī)局部包括微處理器芯片、存放儀器監(jiān)控程序的的存儲(chǔ)器ROM和存放測(cè)量及運(yùn)算數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器RAM；用于測(cè)量的輸入/輸出設(shè)備有：輸入電路、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)、顯示器及標(biāo)準(zhǔn)儀用接口電路等等。DMM是指除能測(cè)量直流電壓外，還同時(shí)能測(cè)量交流電壓、電流和電阻等參數(shù)的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。交流電壓、電流和電阻的測(cè)量是通過(guò)交直流AC-DC轉(zhuǎn)換器、電流轉(zhuǎn)換器和歐姆轉(zhuǎn)換器先轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直流電壓，然后再由DVM進(jìn)展電壓測(cè)量而實(shí)現(xiàn)的。主要的技術(shù)指標(biāo)：1.量程；2.位數(shù)；3測(cè)量準(zhǔn)確度；4.分辨率；5.輸入阻抗；6.輸入電流；7.測(cè)量速率。6-5. 采用平均值A(chǔ)C-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)交流電壓進(jìn)展有效值測(cè)量的方法是先測(cè)出交流信號(hào)的平均值，然后再根據(jù)波形因數(shù)換算出對(duì)應(yīng)