智能儀器原理及應用(第二版)課后習題部分答案

1、 內(nèi)含微型計算機并帶有GP-IB等通信接口的電子儀器成為智能儀器。特點：（1）智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的旋轉(zhuǎn)式或琴鍵式切換開關開實施對儀器的控制從而使儀器面板的布置和儀器內(nèi)部有關部件的安排不再相互限制和牽連。 （2）微處理器的運用極大的提高了儀器的性能。 （3）智能儀器運用微處理器的控制功能，可以方便的實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換、自動調(diào)零、觸發(fā)電平自動調(diào)整、自動校準、自動診斷等功能，有力的改善了儀器的自動化測量水平。 （4）智能儀器具有友好的人機對話能力。 （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 主機電路用來存儲程序數(shù)據(jù)并進行一系列的運算和處理；

2、模擬量輸入/輸出通道用來輸入/輸出模擬信號；人機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現(xiàn)儀器與計算機的聯(lián)系，以便使儀器可以接收計算機的程序命令。監(jiān)控程序是面向儀器面板鍵盤和顯示器的管理程序，其內(nèi)容包括：通過鍵盤輸入命令和數(shù)據(jù)，以對儀器的功能、操作方式與工作參數(shù)進行設置；根據(jù)儀器設置的功能和工作方式，控制I/O接口電路進行數(shù)字采集、存儲；按照儀器設置的參數(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進行相關的處理；以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示測量結(jié)果、數(shù)據(jù)處理的結(jié)果及儀器的狀態(tài)信息。智能儀器廣泛使用鍵盤，使面板的布置與儀器功能部件的安排可以完全獨立的進行，明顯改善了儀器面板及有關功能部件結(jié)構(gòu)的設計，這

3、樣即有利于提高儀器技術(shù)指標，又方便了儀器的操作。智能儀器組成的自動測試系統(tǒng)是一個分布式多微型計算機系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的各智能儀器在任務一級并行工作，它們個子具備的硬件和軟件，能相對獨立的工作，相互間也可通信，它們之間通過外部總線松散耦合。特點：自動測試系統(tǒng)具有極強的通用性和多功能性。個人儀器和個人儀器系統(tǒng)充分的利用PC機軟件資源，相對于智能儀器來說，極大的降低了成本，大幅縮短了研制周期，顯示出廣闊的發(fā)展前景。個人儀器系統(tǒng)是由不同功能的個人儀器和PC機有機結(jié)合而構(gòu)成的自動測試系統(tǒng)。VXI總線系統(tǒng)即采用VXI總線標準的個人儀器系統(tǒng)，一般由計算機、VXI儀器模塊和VXI總線機箱構(gòu)成。1.確定設計任務：首先

4、根據(jù)儀器最終要實現(xiàn)的設計目標，編寫設計任務說明書，明確儀器應具備的功能和應達到的技術(shù)指標。2.擬制總體設計方案：設計者應首先一句設計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：當儀器總體方案和選用的微處理器的種類確定后，就應采用自上而下的方法，把儀器劃分成若干個便于實現(xiàn)的功能模塊，并分別繪制出相應的硬件和軟件工作框圖。4.硬件電路和軟件的設計與調(diào)試：一旦儀器工作總框圖確定后，硬件電路和軟件的設計工作就可以齊頭并進。5.整機聯(lián)調(diào)：硬件、軟件分別裝配調(diào)試合格后，就要對硬件、軟件進行聯(lián)合調(diào)試。1-10.單片機性能增強、體現(xiàn)在指令指令執(zhí)行速度有很大提升；單片機集成了大容量片上fl

5、ash存儲器，并實現(xiàn)了ISP和IAP，單片機在低電壓、低功耗、低價位、LPC方面有很大進步；單片機采用了數(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中，大大地減少片外附加器件的數(shù)目，進一步提高了系統(tǒng)可靠性能。 單片機的選擇要從價格、字長、輸入/輸出的執(zhí)行速度、編程的靈活性、尋址能力、中斷功能、直接存儲器訪問（DMA）能力、配套的外圍電路芯片是否豐富以及相應的并發(fā)系統(tǒng)是否具備等多方面進行綜合考慮。2-1. A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)指標：1.分辨率與量化誤差；2.轉(zhuǎn)換精度；3.轉(zhuǎn)換速度；4.滿刻度范圍。D/A轉(zhuǎn)換器技術(shù)指標：1.分辨；2.轉(zhuǎn)換精度；3.轉(zhuǎn)換時間；

6、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，轉(zhuǎn)換精度反映了一個實際A/D轉(zhuǎn)換器與一個理想A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值，用絕對誤差或相對誤差來表示。2-2. 逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換精度比較適中，適用與一般場合。 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，適用于在數(shù)字電壓表類儀器中采用。 并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率可以達到很高，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)把多路開關、模擬放大器、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

7、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. 獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)特點是一線一鍵；矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)特點是把檢測線分成兩組，一組為行線，另一組為列線，按鍵行線和列線的交叉點上；交互式鍵盤結(jié)構(gòu)特點是任意兩檢測線之間均可以放置一個按鍵。3-4. 鍵盤分析程序的任務是對鍵盤的操作做出識別并調(diào)用相應的功能程序模塊完成預訂的任務。 直接分析法的優(yōu)點是簡明直觀，缺點是命令和識別和處理程序的執(zhí)行交錯在一起，相互牽制。層次不清楚，當采用多用鍵，復用次數(shù)較多時，這一矛盾尤其突出，用狀態(tài)分析法可以克服這些缺點。 狀態(tài)分析法步驟：1.用狀態(tài)圖準確表述按鍵操作序列的定義；2.狀態(tài)表；3.固化狀態(tài)表；4.鍵盤分析程

8、序的設計。3-11. 字符發(fā)生器（字符ROM）存儲字符點陣信息。各種字符的ASCII代碼從顯示RAM中讀出送到字符ROM作為選擇對應這個字符點陣碼的字符ROM的地址。4-1. 講者是通過總線發(fā)送儀器消息的儀器裝置；聽者是通過總線接收由講者發(fā)出消息的裝置；控者是數(shù)據(jù)傳輸過程中的組織者和控制者。在一個GP-IB系統(tǒng)中可設置多個講者，但在某一時刻只能有一個講者在起作用，聽者可以設置多個，并且允許多個聽者同時工作?？卣咄ǔＳ捎嬎銠C擔任，GP-IB系統(tǒng)不允許有兩個或兩個以上的控者同時起作用。4-2. 1.可以用一條總線相互連接，若干臺裝置，以組成一個自動測試系統(tǒng)；2.數(shù)據(jù)傳輸采用并行比特（位），串行字節(jié)

9、（位組）雙向異步傳輸方式，其最大傳輸速率不超過1兆字節(jié)每秒；3.總線上傳輸?shù)南⒉捎秘撨壿嫞?.地址容量；5.一般適用于電氣干擾輕微的實驗室和生產(chǎn)現(xiàn)場。4-3. 接口消息是指專用于管理接口部分完成各種接口功能的信息，它由控者發(fā)出而只被接口部分所接收和使用。儀器消息是與儀器自身密切相關的信息，它只被儀器部分所接收和使用，雖然儀器消息通過接口功能進行傳遞，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條為信號線，其余為地線及屏蔽線。16條信號線分為：1.8條雙向數(shù)據(jù)總線（DIO1DIO8）,其作用是傳遞儀器消息和大部分接口消息，包括數(shù)據(jù)、命令和地址；2.3條數(shù)據(jù)掛鉤聯(lián)絡線（DA

10、V、 NRFD和NDAC），其作用是控制數(shù)據(jù)總線的時序，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）、聽者功能（L）、源掛鉤功能（SH）、受者掛鉤功能（AH）、服務請求功能（SR）、并行點名功能（PP）、遠控本控功能（R/L）、裝置觸發(fā)功能（DT）和裝置清楚功能（DC）。4-9. RS-232C標準的接口信號線分為1.基本數(shù)據(jù)傳輸信號線，主要信號線有TxD發(fā)送信號線、RxD接收信號線、GND為地信號線；2.調(diào)制解調(diào)器控制信號線，主要

11、信號線分從計算機到moden （DTR數(shù)據(jù)終端就緒信號線和RTS請求發(fā)送信號線）和moden到計算機（DSR數(shù)據(jù)裝置就緒信號線、CTS允許發(fā)送信號線、DCD數(shù)據(jù)載波檢測信號線、RI振鈴指令信號線）。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鐘因同步，異步通信中，只要求發(fā)送和接收兩端的時鐘頻率在短時間內(nèi)保持同步。 同步通信與異步通信相比較，優(yōu)點是傳輸速度快，不足之處是同步通信的實用性見取決于發(fā)送器和接收器保持同步的能力，若在一次串行數(shù)據(jù)的傳輸過程中，接收器接收數(shù)據(jù)時，若由于某種原因漏掉1位，則余下接收的數(shù)據(jù)都是不正確的。異步通信傳輸數(shù)據(jù)慢，但若在一次串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程

12、中出現(xiàn)錯誤，僅影響一個字節(jié)數(shù)據(jù)。4-11. 異步通信協(xié)議規(guī)定每個數(shù)據(jù)以相同的位串形式傳輸，每個串行數(shù)據(jù)由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位組成。起始位的作用是協(xié)調(diào)同步，接收設備檢測到這個邏輯低電平后，就開始準備后續(xù)數(shù)據(jù)位信號。停止位用于標志一個數(shù)據(jù)的傳輸完畢。4-12. RS-232C標準邏輯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. 算法即計算方法，是為了使計算機獲得某種特定的計算結(jié)果而制定的一套詳細的計算方法和步驟，一般表現(xiàn)為數(shù)學公式或操作流程。測量算法則是指直接與測量技術(shù)有關的算法。測量算法包括自檢、自動

13、檢測、克服系統(tǒng)誤差的校正和克服隨機誤差的濾波處理。5-2. 自檢就是利用事先編好的檢測程序?qū)x器的主要部件進行自動檢測，并對故障進行定位。自檢方式有：1.開機自檢；2.周期性自檢；3.鍵盤自檢。自檢內(nèi)容包括ROM、RAM、總線、顯示器、鍵盤以及測量電路等部件的檢測。5-4. 自助量程轉(zhuǎn)換可以使儀器在很短的時間內(nèi)自動選定在最合理的量程下，從而使儀器獲得高精度的測量，并簡化了操作。自動量程轉(zhuǎn)換由最大量程開始逐級比較，直至選出最合適的量程為止。5-5. 自動零點調(diào)整的原理，首先微處理器通過粗陋控制繼電器吸合使儀器輸入端接地，啟動一次測量并將測量值存入RAM的某一確定單元中，接著微處理器通過輸出口又控

14、制繼電器釋放，使儀器輸入端接被測信號，最后微處理器再做一次減法運算，并將此差值作為本次測量結(jié)果加以顯示。5-7. 系統(tǒng)誤差是指在相同條件下多次測量同一量時，誤差的絕對值和符號保持恒定或在條件改變時按某種確定的規(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.通過曲線擬合來修正系統(tǒng)誤差。5-8. 利用誤差模型：首先通過分析來建立系統(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若干誤差因子，修正時，先通過校正技術(shù)把這些誤差因子求出來，然后利用修正公式來修正測量結(jié)果，從而削弱了系統(tǒng)誤差的影響。采用曲線擬合對測量結(jié)果進行修正的方法是，首先定

15、出f(x)的具體形式，然后再通過對實測值進行選定函數(shù)的數(shù)值計算，求出精確的測量結(jié)果。5-9. 數(shù)字濾波具有硬件濾波器的功效，卻不需要硬件開銷，從而降低了成本，由于軟件的靈活性，還能產(chǎn)生硬件濾波器達不到的功效。不足之處就是需要占用機時。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。中值濾波對去掉脈沖性質(zhì)的干擾比較有效，并且采樣次數(shù)N越大，濾波效果愈強，對于變化較為劇烈的參數(shù)，不宜采用；平均濾波對濾除混雜在被測信號上的隨機干擾非常有效；低通數(shù)字濾波對濾除變化非常緩慢的被測信號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，專用微型計算機部

16、分包括微處理器芯片、存放儀器監(jiān)控程序的的存儲器ROM和存放測量及運算數(shù)據(jù)的存儲器RAM；用于測量的輸入/輸出設備有：輸入電路、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤、顯示器及標準儀用接口電路等等。DMM是指除能測量直流電壓外，還同時能測量交流電壓、電流和電阻等參數(shù)的數(shù)字測量儀器。交流電壓、電流和電阻的測量是通過交直流（AC-DC）轉(zhuǎn)換器、電流轉(zhuǎn)換器和歐姆轉(zhuǎn)換器先轉(zhuǎn)換成相應的直流電壓，然后再由DVM進行電壓測量而實現(xiàn)的。主要的技術(shù)指標：1.量程；2.位數(shù)；3測量準確度；4.分辨率；5.輸入阻抗；6.輸入電流；7.測量速率。6-5. 采用平均值AC-DC轉(zhuǎn)換器對交流電壓進行有效值測量的方法是先測出交流信號的平均值，然

17、后再根據(jù)波形因數(shù)換算出對應的有效值。真有效值AC-DC轉(zhuǎn)換器輸出直流電壓，線性的比于被測各種波形交流信號的有效值，基本上不受輸入波形失真度的影響。6-8. 恒流源法主要測量阻值較大的電阻，四線法主要用于阻值較小的情況，電壓源法用于高阻測量。7-1. 具有測頻和測周兩種以上功能的電子計數(shù)器都歸類為通用計數(shù)器。7-4. 測頻和測周兩條量化誤差曲線焦點所對應的被測信號頻率成為中界頻率。8-1. 數(shù)字存儲示波器有的取樣方式有實時取樣和等效時間取樣兩種。等效時間取樣不能觀察單次信號，因為等效時間取樣緊限于處理重復性的周期信號。 附錄資料：不需要的可以自行刪除 鑄鐵管安裝工藝鑄鐵管安裝工藝球墨鑄鐵管安裝（

18、1）吊裝時，鋼絲繩與鑄鐵管接觸處用廢舊橡膠墊隔（見附圖）以保護鑄鐵管和防腐層。吊裝鋼繩應拴牢固，起吊和放下時的速度不宜太快，做到小心輕放，避免摔跌、碰撞管道。（2）管道安裝施工前，應用鋼絲刷、綿紗布等仔細將承口內(nèi)腔和插口端外表面的泥沙及其它異物清理干凈，不得含有泥沙、油污及其它異物。（3）管道接口清理干凈后，將隨管配套的膠圈清理干凈并捏 成心臟形或“8”字形安放在承口內(nèi)。見附圖：（4）仔細檢查膠圈安放位置是否正確，準確無誤后用木錘沿管口內(nèi)周圍輕敲打，使膠圈完全安放在承口凹槽內(nèi)。見附圖：（5）膠圈安放完畢后用肥皂水作潤滑劑，將承口內(nèi)膠圈和插口端充分濕潤，起到潤滑作用，管道承插安裝時節(jié)約勞動力和減輕施工難度。（6）插口與