文档介绍：测控03《测控仪器设计》教案
第一章绪论
、仪器发展过程
仪器:是对物质世界信息进行测量与控制的设备。
1、按所采用的电子器件:
真空管 —→ 晶体管 —→集成电路(三个时代)
2、按组成结构、工作原理和功能特点:
模拟式 —→ 数字式 —→智能化(三个发展阶段)
第一代:模拟式仪器。
如指针式的电压表、电流表、功率表。机械式
特点:功能简单、精度低、响应速度慢。
第二代:数字式仪器。
如数字万用表、数字频率计。数电
基本特点:是将待测的模拟信号转换成数字信号进行测量,测量结果以数字形式输出显示并向外传送。精度高,响应速度快,读数清晰、直观。
第三代:智能仪器。
概念:是计算机技术与测量仪器相结合的产物,是含有微型计算机或微处理器的测量仪器,由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能,具有一定智能的作用(表现为智能的延伸或加强等),因而被称之为智能仪器。
(1)是在数字化的基础上发展起来的,是计算机技术与测量仪器相结合的产物。微处理器在智能仪器中的作用主要体现在以下两方面:
①对测试过程的控制:接受来自键盘或通信接口的命令,解释并执行这些命令,控制各部分的工作过程,同时对工作状态进行监测。
②对测试数据的处理:表现为硬件电路只需具备最基本的测试能力,能向微型计算机提供原始数据即可。对数据的进一步处理如滤波、运算等可由软件完成。
(2)智能仪器基本技术指标
测量的准确度和可靠性是智能仪器的两项基本技术指标。对仪器的误差进行校准可以保证仪器具有规定睥准确度。而对仪器的故障进行检测和诊断则可及进发现错误、排除故障,使仪器可靠的工作。
保证仪器准确度(精度)措施:温度补偿、非线性校正、滤波;保证仪器可靠性措施:冗余设计、故障诊断。故障诊断方法:给被测对象施加一定的检测信号,根据其输出响应信号来判断是否存在故障。
由于具有数字存储、运算、逻辑判断能力,可根据被测参数的变化自动选择量程,具有自动校正、自动补偿、自寻故障等功能,可以完成需要人类的智慧才能胜任的工作,即具备了一定的“智能”,故称之为智能仪器。
智能仪器的出现,极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势,迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。
3、智能仪器的硬件发展
(1)单片机
以8位的8031等51系列单片机为仪器硬件主流。
(2)DSP芯片(数字信号处理)
利用硬件处理一些数学运算的芯片:AMD29500 16位双极型DSP完成1024点FFT运算仅需2ms。
(3)ASIC芯片(专用集成电路)
与传统仪器仪表相比,智能仪器具有以下特点:
一、测量过程的软件控制
在测量软件出现以前,是采用数字电路的时序控制。由于硬件的体积和成本的原因,现已采用CPU控制下的软件指令替代硬件时序,使仪器测量变得灵活方便,误差补偿、诊断等。
二、数据处理
对测量数据进行存储和运算。它主要表现为:1,改善测量的精确度;2,对测量结果进行再加工。
测量精确度:对随机误差(软件滤波:限幅、中值、平均值)和系统误差(温度补偿、非线性补偿、零点补偿、增益补偿)进行处理。
测量结果分析:时域的波形分析、频域分析等。使智能仪器提供更多高质量的信息量。
三、多功能化
智能仪器的测量过程、软件控制及数据处理功能使一机多用的多功能化易于实现。
例如:可以显示实时数值、历史趋势、存储打印、报警联网等。
两种结构:微机内置式、微机扩展式
微机内置式(嵌入式)智能仪器
微机内置式:主要是单片机加调理电路
2、微机扩展式智能仪器
微机扩展式为个人计算机为核心加上测量板卡(内置)或插件箱(外置)。
虚拟仪器
测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟现实系统中,数据分析和显示完全用PC机的软件来完成。因此,只要额外提供一定的数据采集硬件,就可以与PC机组成测量仪器。这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器。
虚拟仪器=传统测量板卡+PC+LV软件。
在虚拟仪器中,使用同一个硬件系统,只要应用不同的软件编程,就可得到功能完全不同的测量仪器。可见,软件系统是虚拟仪器的核心,“软件就是仪器”。因此,有人提出未来仪器的一种可能模式。(参阅教材P8 图1-4)
图1 虚拟仪器实验平台的硬件组成
图
U12采集器
AD-JS20测控箱
电脑
传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术,而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性,能为用户带来极大的利益,因此,具有传