智能仪器重点与参考答案

智能仪器期末复习

第一章

一、智能仪器：是计算机技术与测试技术相结合的产物，含有微计算机或微处理器的测量仪器。

二、虚拟仪器：通常由计算机、仪器模块、软件模块3部分组成。

三、智能仪器发展趋势：1、微型化2、多功能化3、人工智能化4、网络化

四、智能仪器的分类：1、微机内嵌（内藏）式2、微机扩展式

五、智能仪器由两大部分组成：硬件部分、软件部分。

六、智能仪器的特点：

1)操作自动化

2)自测功能

3)数据分析和处理功能

4)友好的人机对话功能

5)可程控操作能力

第二章

一、单通道结构: 当被测信号只有一路时采用。传感器—信号调理电路—S/H—A/D—CPU 多通道结构：P10

二、传感器的分类：

按转换原理分类：物理传感器和化学传感器

按输出信号分类：模拟传感器、数字传感器和开关传感器

三、传感器性能指标：线性范围、精度、灵敏度、稳定性、频率响应特性

四、放大器：

1、程控放大器(PGA)：程控反相放大器、程控同相放大器、集成程控放大器

2、隔离放大器：

1)光电耦合隔离放大器

2)变压器耦合隔离放大器

3)电容耦合隔离放大器

五、模拟多路开关：机械触点式开关和集成模拟电子开关

六、A/D转换器过程：采样→量化→编码

七、并联A/D由分压电阻链、电压比较器、寄存器、优先编码器组合成

八、A/D技术指标有转换精度（采用分辨率和转换误差来描述）和转换速度

九、A/D转换器与微处理器相连应考虑的问题：

（1）数据输出线的连接，按数据线的输出方式主要分为并行和串行两种。

（2）A/D转换的启动信号的连接；

（3）转换结束信号的处理方式；

（4）时钟的提供；

（5）参考电压的接法；

开关量输入通道结构P48

第三章

一、模拟量输出通道是将微机输出的数字量转换成适合与执行机构所要求的模拟量的环节

二、单路模拟量输出通道的结构：微型计算机—寄存器—D/A—放大/变换电路—执行机构

三、（重）D/A转换原理（分类）：权电阻网络D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器等。

四、D/A转换器的主要技术指标：

1、转换精度（1）分辨率（2）转换误差：增益误差、漂移误差、非线性误差

2、转换速度

第四章

一、键盘接口涉及的问题：

（1）识键：确定是否有键按下。

（2）译键：识别按键并确定键值。

（3）键值分析：根据键值找出相应处理程序的入口并执行。

在键盘输入中还需要解决抖动、单次键入与连击等问题。P70 线反转法二、LED显示器常分为段码式显示器和点阵式显示器。

LED显示器的显示方式有静态显示和动态显示。

三、触摸屏的发展：红外屏→四线电阻屏→电容屏→表面声波触摸屏→五线电阻触摸屏。（分类）

触摸屏的技术要求：（1）工作稳定性（2）手写文字和图像识别（3）价格（4）功耗

第五章

一、（重）与常规的模拟电路相比，智能仪器的数据处理具有如下优点：

（1）可用程序代替硬件电路，完成多种运算。

（2）能自动修正误差。

（3）能对被测参数进行较复杂的计算和处理。

（4）能进行逻辑判断。

（5）智能仪器不但精度高，而且稳定可靠，抗干扰能力强。

二、对半查表法：每次截取表的一半，确定查表元素在哪一个部分，逐步细分，缩小检索范围，从而大大加快查表速度。（了解）

三、随机误差的处理：滤波器

四、（重）与硬件滤波相比，数字滤波具有以下优点：

①因为用程序滤波，无需增加硬件设备，且可多通道共享一个滤波器(多通道共同调用一个滤波子程序)，从而降低了成本。

②由于不用硬设备，各回路间不存在阻抗匹配等问题，故可靠性高，稳定性好。

③可以对频率很低的信号(如0．01Hz以下)进行滤波，这是模拟滤波器做不到的。

④可根据需要选择不同的滤波方法或改变滤波器的参数，使用方便、灵活。

五、数字滤波算法：限幅滤波、中值、算术平均值、递推平均值、加权递推平均值滤波。

六、系统误差是指在相同条件下多次测量同一物理量，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化。

七、（重）产生误差的主要因素有以下几个：

1、测量装置方面：如标尺的刻度偏差，天平的臂长不等，仪器内部基准、放大器的零点漂移、增益漂移等。

2、环境方面：测量时的实际温度对标准温度的偏差，以及测量过程中的温度、湿度等按一定规律变化的误差。

3、测量方法方面：采用近似的测量方法或近似的计算公式等引起的误差。

4、测量人员方面：由于测量者个人的特点，在刻度上估计读书时，习惯偏于某一方面；动态测量时，记录某一信号有滞后的倾向等。

八、（重）系统误差矫正方法

（1）利用误差模型校正系统误差

（2）利用离散数据建立模型校正系统误差

（3）利用标准数据校正系统误差

（4）传感器的非线性校正

传感器的非线性校正 P125

九、判断粗大误差的准则：拉依达准则、格拉布斯准则

十、（重）线性标度变换公式：

某压力测量系统中，压力测量仪表的量程为400～1200Pa ，采用8位A ／D 转换器，经计算机采样及数字滤波后的数字量为ABH ，求此时的压力值。

解：根据题意，已知A0=400 Pa ，Am=1200 Pa ，Nx=ABH=171 D ，选Nm =FFH=255 D ，N0=0，则

第六章

一、仪器的自动校准：内部自动校准、外部自动校准

二、量程自动转换 ：采用程控放大器、选用不同量程的传感器

三、常见的故障自检有开机自检、周期性自检和键控自检3种方式。

硬件故障检测：RAM 的自检、ROM 的自检、键盘与显示器的自检、输入通道的自检输出 四、（重） 通道的自检、总线的自检

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输入通道自检输出通道自检

第七章

一、来自信号外部、可以用屏蔽或接地的方法加以减弱或消除的影响称为“干扰”；由于材料或器件内部的原因而产生的污染称为“噪声”。

二、干扰窜入仪器的渠道主要有三个：

（1）空间电磁场。

（2）传输通道。

（3）配电系统。

三、干扰的分类

按干扰产生的原因分类：(1)放电干扰(2)高频振荡干扰(3)浪涌干扰

按干扰传导模式分类：串模干扰（常模干扰）和共模干扰。

按干扰波形及性质分类：(1)持续正弦波(2)偶发脉冲电压波形(3)脉冲列

四、干扰源、耦合通道、接收载体是形成干扰的三个要素。

五、（重）干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合；直接、辐射、漏电耦合。

六、抑制干扰的主要技术：隔离、滤波、屏蔽与双绞线传输、接地

七、隔离技术：光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、布线隔离。

八、滤波器分为下面四种：

（1）低通滤波器：允许低频信号通过，但阻止高频信号通过。

（2）高通滤波器：允许高频信号通过，但阻止低频信号通过。

（3）带通滤波器：允许规定的某频段信号通过，但阻止高于或低于该频段的信号通过。

（4）带阻滤波器：只阻止规定的某频段信号通过，但允许高于或低于该频段的信号通过。

九、根据干扰的耦合通道的性质，屏蔽可分为静电屏蔽、电磁场屏蔽和磁场屏蔽三类。

十、电源系统干扰：交流电源系统绝决（选用供电品质好的电源、抑制尖峰干扰、采用交流稳压器稳定电网电压、利用UPS保证不中断供电）

可靠度：可靠度是指产品或系统在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的成功概率。元器件的选择是根本，合理安装调试是基础，系统设计是手段，外部环境是保证，这是可靠

性设计遵循的基本准则

冗余技术P167

第八章

智能仪器中的公共数字传输通道称为总线。

总线按连接范围划分：片内总线（局部总线）、内部总线（系统总线）、外部总线（通信总线）。USB特点：

（1）使用方便。

（2）速度快。

（3）连接灵活。

（4）供电方式灵活。可以采用自供电，也可以由总线供电，并具有电源保护功能。

（5）支持的最大电缆长度为5m，USB2.0标准下通过USB-Hub级连可达30m。

（6）成本低廉，易于扩展。

（7）容错性能好。

（8）支持多种传输类型，以满足不同设备的需求。

蓝牙技术有如下特点：

（1）使用2.4GHz公用频段，无须向各国的无线电资源管理部门申请许可证。

（2）业务分配灵活，可以支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步话音的通道，同时可传输语音和数据。

（3）采用快频段，短分组和前向纠错技术，可有效降低干扰，提高通信的安全性。

（4）具有很好的抗干扰能力。

（5）低功耗。

（6）开放的接口标准。

第九章

智能仪器设计的基本要求：

1) 功能及技术指标要求

2) 可靠性要求

3) 便于操作和维护

4) 仪器工艺结构与造型设计要求

智能仪器的设计原则：

1．从整体到局部(自顶向下)的原则:

2．较高的性能价格比原则

3．开放式设计原则

智能仪器的设计步骤：1．确定设计任务2．拟定总体设计方案3．方案实施

简答题

1-1.什么是智能仪器？智能仪器的主要特点是什么？

答：内含微型计算机并带有GP-IB等通信接口的电子仪器成为智能仪器。

特点：（1）智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关开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。（2）微处理器的运用极大的提高了仪器的性能。（3）智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方

便的实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自动诊断等功能，有力的改善了仪器的自动化测量水平。（4）智能仪器具有友好的人机对话能力。（5）智能仪器一般都配有GP-IB或RS-232等通信接口，是智能仪器具有可程控操作的能力

1-9.研制智能仪器大致需要经历哪些阶段？试对各阶段的工作内容做一简要的叙述。

答：1.确定设计任务：首先根据仪器最终要实现的设计目标，编写设计任务说明书，明确仪器应具备的功能和应达到的技术指标。2.拟制总体设计方案：设计者应首先一句设计的要求和一些约束条件，提出几种可能的方案。3.确定仪器工作总框图：当仪器总体方案和选用的微处理器的种类确定后，就应采用自上而下的方法，把仪器划分成若干个便于实现的功能模块，并分别绘制出相应的硬件和软件工作框图。4.硬件电路和软件的设计与调试：一旦仪器工作总框图确定后，硬件电路和软件的设计工作就可以齐头并进。5.整机联调：硬件、软件分别装配调试合格后，就要对硬件、软件进行联合调试。

1-10为什么目前智能仪器主机电路大多数采用单片机？选择单片机时应主要.考虑哪些因素？

答：单片机性能增强、体现在指令指令执行速度有很大提升；单片机集成了大容量片上flash 存储器，并实现了ISP和IAP，单片机在低电压、低功耗、低价位、LPC方面有很大进步；单片机采用了数字模拟混合集成技术，将A/D、D/A、锁相环以及USB、CAN总线接口等都集成到单片机中，大大地减少片外附加器件的数目，进一步提高了系统可靠性能。单片机的选择要从价格、字长、输入/输出的执行速度、编程的灵活性、寻址能力、中断功能、直接存储器访问（DMA）能力、配套的外围电路芯片是否丰富以及相应的并发系统是否具备等多方面进行综合考虑

2-1. A/D转换器与D/A转换器分别有哪些主要技术指标？分辨率和转换精度这两个技术指标有什么区别和联系。

答：A/D转换器技术指标：1.分辨率与量化误差；2.转换精度；3.转换速度；4.满刻度范围。D/A转换器技术指标：1.分辨；2.转换精度；3.转换时间；4尖峰误差。

分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标，转换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。2-2.逐次比较式、并联比较式和积分式A/D转换器各有什么特点？

答：逐次比较式A/D转换器转换时间与转换精度比较适中，适用与一般场合。

积分式A/D转换器的核心部件是积分器，速度较慢，但抗干扰性能力强，适用于在数字电压表类仪器中采用。并行比较式A/D转换器，转换速率可以达到很高，但抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位。适用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器2-9数据采集系统主要由哪几部分组成，每部分主要功能是什么？

答：数据采集系统把多路开关、模拟放大器、采样/保持器、A/D转换器、控制逻辑以及微处理器系统的接口电路等都集成在一块芯片中，构成数据采集集成电路

3-1. 独立式键盘、矩阵式键盘和交互式键盘各有特点？分别适合于什么场合？

答：独立式键盘：一键一线，即每一按键单独占用一根检测线与主机相连。优点是键盘结构简单，各测试线相互独立，按键识别容易。缺点是占用较多的检测经，不便于组成大型键盘。

矩阵式键盘：把检测线分别分成两组，一组为行线，另一组为列线，按键放大行线和列线的交叉点上。当需要的按键数大于8 时,一般采用矩阵式键盘。

交互式键盘：任意两检测线之间均可以放置一个按键。其所占用的检测线比矩阵式还要少，但是这种键盘所使用的检测线必须具有位控功能的双向I/O 端口线。

3-4. 分析法设计键值分析程序有什么优点？简述其设计步骤。

答：键盘分析程序的任务是对键盘的操作做出识别并调用相应的功能程序模块完成预订的

任务。

直接分析法的优点是简明直观，缺点是命令和识别和处理程序的执行交错在一起，相互牵制。层次不清楚，当采用多用键，复用次数较多时，这一矛盾尤其突出，用状态分析法可以克服这些缺点。

状态分析法步骤：1.用状态图准确表述按键操作序列的定义； 2.状态表；3.固化状态表；4.键盘分析程序的设计

3-6 试比较七段LED显示器静态与动态多位数字显示系统的特点。

答：静态显示：每位显示都应有各自的锁存器、译码器（若采用软件译码，译码器可省去）与驱动器锁存器，用以锁存各自待显示数字的BCD码或段码。每一次显示输出后保持显示不变，仅在待显示数字需要改变时，才更新其数字显示器中锁存的内容。其优点是占用机时少，显示稳定可靠。缺点是当显示的位数较多时，占用的I/O 口较多。

动态显示：微处理器或控制器应定时地对各个显示器进行扫描，显示器件分时轮流工作，每次只以使用一个器件显示，但由于人的视觉暂留现象，仍感觉所有的器件都在同时显示。优点是使用硬件少，占用I/O 口少。缺点是占用机时长，只要不执行显示程序，就立刻停止显示

4-1. 试述在GP—IB接口系统中控者、讲者和听者三类装置之间的相互关系。它们各自的功能是什么？

答：讲者是通过总线发送仪器消息的仪器装置；听者是通过总线接收由讲者发出消息的装置；控者是数据传输过程中的组织者和控制者。在一个GP-IB系统中可设置多个讲者，但在某一时刻只能有一个讲者在起作用，听者可以设置多个，并且允许多个听者同时工作。控者通常由计算机担任，GP-IB系统不允许有两个或两个以上的控者同时起作用。4-2.GP-IB 接口系统的基本特性有哪些？

答： 1.可以用一条总线相互连接，若干台装置，以组成一个自动测试系统；2.数据传输采用并行比特（位），串行字节（位组）双向异步传输方式，其最大传输速率不超过1兆字节每秒；3.总线上传输的消息采用负逻辑；4.地址容量；5.一般适用于电气干扰轻微的实验室和生产现场

4-4 GP-IB接口总线共有哪几条信号线？它们各自的作用是什么？

答：总线是一条24芯电缆，其中16条为信号线，其余为地线及屏蔽线。16条信号线分为：1.8条双向数据总线（DIO1~DIO8）,其作用是传递仪器消息和大部分接口消息，包括数据、命令和地址；2.3条数据挂钩联络线（DAV、NRFD和NDAC），其作用是控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有节奏的传递信息；3.5条接口管理控制线（ATN、IFC、REN、EOI和SRQ）其作用是控制GP-IB总线接口的状态

4-6. GP-IB标准规定应有哪几种功能？一台智能仪器是否必须同时具备这些功能？

答：GP-IB的十种接口功能：控者功能（C）、讲者功能（T）、听者功能（L）、源挂钩功能（SH）、受者挂钩功能（AH）、服务请求功能（SR）、并行点名功能（PP）、远控本控功能（R/L）、装置触发功能（DT）和装置清楚功能（DC）。

5-1.什么是算法？什么是测量算法？测量算法应包括哪些主要内容？

答：算法即计算方法，是为了使计算机获得某种特定的计算结果而制定的一套详细的计算方法和步骤，一般表现为数学公式或操作流程。测量算法则是指直接与测量技术有关的算法。测量算法包括自检、自动检测、克服系统误差的校正和克服随机误差的滤波处理5-4. 为什么要进行量程转换？智能仪器怎样实现量程转换？

答：自动量程转换可以使仪器在很短的时间内自动选定在最合理的量程下，从而使仪器获得高精度的测量，并简化了操作。自动量程转换由最大量程开始，逐级比较，直至选出最合适的量程为止。量程的设定由CPU 通过特定的输出端口送了量程控制代码实现，这些代

码就是控制量程转换开关的控制信号，送出不同的控制代码就可以决定开关的不同组态，使电压表处于某一量程上

5-6 采用数字滤波算法克服随机误差具有哪些优点？

答：采用数字滤波算法克服随机误差的优点：（1）数字滤波只是一个计算过程，无需硬件，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等问题。模拟滤波器在频率很低时较难实现的问题，不会出现在数字滤波器的实现过程中。（2）只要适当改变数字滤波程序有关参数，就能方便的改变滤波特性，因此数字滤波使用时方便灵活。

5-7什么是仪器的系统误差？智能仪器如何克服仪器的系统误差？

答：系统误差是指在相同条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定或在条件改变时按某种确定的规律而变化的误差。修正方法：1.利用误差模型修正系统误差；2.利用校正数据表修正系统误差；3.通过曲线拟合来修正系统误差。

5-8.简述智能仪器利用误差模型修正系统误差的方法和利用曲线拟合修正系统误差的方法。答：利用误差模型：首先通过分析来建立系统的误差模型，再由误差模型求出误差修正公式。误差修正公式一般含有若干误差因子，修正时，先通过校正技术把这些误差因子求出来，然后利用修正公式来修正测量结果，从而削弱了系统误差的影响。采用曲线拟合对测量结果进行修正的方法是，首先定出f(x)的具体形式，然后再通过对实测值进行选定函数的数值计算，求出精确的测量结果。

5-9. 与硬件滤波器相比，数字滤波器具有哪些优点？

答：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，由于软件的灵活性，还能产生硬件滤波器达不到的功效。不足之处就是需要占用机时。

5-10. 常用数字滤波方法有哪些？说明各种滤波算法的特点和使用场合。

答：常用的数字滤波方法有：中值滤波、平均滤波程序、低通数字滤波。中值滤波对去掉脉冲性质的干扰比较有效，并且采样次数N越大，滤波效果愈强，对于变化较为剧烈的参数，不宜采用；平均滤波对滤除混杂在被测信号上的随机干扰非常有效；低通数字滤波对滤除变化非常缓慢的被测信号中的干扰是很有效的。

5-11 平均滤波算法、中值滤波算法和去极值平均滤波算法的基本思想是什么？

答：平均值滤算法：对被测参数连续采样N 次，取其平均值。中值滤波算法：对被测参数连续采样N（N 一般是奇数），然后将这些采样值进行排序并选中间值。

去极值平均滤波算法：对被测测数连续采样N 次，去掉一个最大值，去掉一个最小值，再求余下N-2 个采样值的平均值

10-1个人仪器系统的发展分哪几个阶段？每个阶段各有什么特点？

答：分三个阶段。内插件式个人仪器及系统。优点是结构简单、使用方便，成本低。缺点是难以满足重载仪器对电流和散热的要求；机内干扰较严重；各仪器卡之间不能直接通信，模拟信号也无法经总线传递

模块式个人仪器及系统。特点是独立的机箱和独立的电源系统，使仪器避开了微型计算机的噪声环境；设计了专门的仪器总线PC—IB，组成仪器系统很方便；更换系统中与微型计算机配合的接口卡，可适应多种个人计算机；系统中的仪器模块和接口电路也使用了微处理器，因而HO6000系统是一种功能强大的多CPU的分布系统。

VXI总线仪器系统。特点是为模块电子仪器提供了一个开放结构，从而使所有仪器厂家提供的各种仪器可以在同一主机箱内运行。