智能仪器模拟量输入输出通道.
仪表输入输出信号
AI ：模拟量信号输入，通常为4—-20mA；1—5V；等连续变化的信号AO：模拟量信号输出，通常为4-—20mA；1—5V;等连续变化的信号DI：开关量信号输入DO:开关量信号输出前一个字母A:就是ANALOG D:忘了，后面的I:INPUT ；O:OUTPUT模拟量不止是电信号，还有气动信号（或许还有液压信号）如气动单元组合仪表使用的信号同样数字量也有气动信号.此处的有源信号是指使用电源作为供给形式的模拟量或数字量。
无源信号是指不使用电源的模拟量或数字量。
可对比有源干接点和无源干接点.模拟信号英文名称：analogue signal；analog signal定义1：信息参数在给定范围内表现为连续的信号。
模拟信号的采集这里的模拟信号是指电压和电流信号，对模拟信号的处理技术主要包括模拟量的选通、模拟量的放大、信号滤波、电流电压的转换、V/F转换、A/D 转换等。
1．模拟通道选通单片机测控系统有时需要进行多路和多参数的采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、滤波、采样/保持,A/D 等环节，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难;并且对于多路巡检如128路信号采集情况,每路单独采用一个回路几乎是不可能的。
因此，除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D外，通常采用公共的采样／保持及A／D转换电路(有时甚至可将某些放大电路共用)，利用多路模拟开关，可以方便实现共用。
在选择多路模拟开关时，需要考虑以下几点：（1）通道数量通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响,因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大.平常使用的模拟开关，在选通其中一路时,其它各路并没有真正断开，只是处于高阻状态，仍存在漏电流，对导通的信号产生影响;通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。
(2）泄漏电流在设计电路时，泄漏电流越小越好。
第三章开关量输入输出通道1
单片集成程控放大器LH0084
3 隔离放大器
3.4.4 采样/保持器
1 作用：保持快速变化信号的指定时刻的大小
2 原理：
3.4.5 ADC
1 选择时主要考虑的因素：
• MCU内置，还是外置 • 精度 • 速度
2 常用ADC的种类：
• 双积分型 • 逐次比较型 • ∑−∆型 10-14位 8-12位 14-24位
P1.3
P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
3.2.3 中断控制式DI
89C51
P1.0 P1.1
DI信号经过隔
隔离保 护、电 平变换 电路
P1.2
P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
INT1
离保护、电平变换
电路后送到MCU的
外设
某个I/O端口，外部 设备通过一条信号
线通知MCU外部信
3.1.3 输入/输出的控制方式
一、无条件传送方式
直接进行数据传送（接口电路十分简单）
数据
MCU I/O
数据
外设
二、条件（查询式）传送方式
先查询I/O设备当前状态，若准备就绪，则交换数据，否则循环查询状 态。下图为输入端口的条件传送示意图。 优点：可协调外设和CPU的时间差别，接口电路较简单。
DB
补偿，恒温发热，限流，过流保护，液面，气 流测量，电机启动，彩电彩显消磁，延时控制， 非线性振荡等方面。
四、隔离保护
当信号源和仪表之间距离较大时，两地间地电位差会比较大，形成
很大的共模电压。所以应在信号源和仪表之间采取隔离措施以保护仪表
电路的安全。
如图，当两地之间的地电位相差ΔV时，信号源的12V电压对于仪表来 说就成为12V+ ΔV了。而Δ V可能很大。
19280智能仪器原理及应用
课程名称：智能仪器原理及应用课程代码： 09280第一部分课程性质与特点一、课程性质与特点1．课程性质《智能仪器》是高等教育自学考试电子工程本科专业必修的专业基础课程之一。
智能仪器在通信、家电、自动控制、仪器仪表中得到了广泛的应用。
通过本课程的学习，使学生掌握利用微处理器系统使电子仪器实现智能化的具体方法，包括硬件和软件两个方面。
2．课程特点智能仪器课程侧重讨论智能仪器实际设计过程中所涉及的具体方法与技巧。
旨在使学生运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代电子仪器开发过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的电子系统的能力。
本课程中既有硬件的原理和组成，又有针对硬件的软件编程，软件与硬件必须同时兼顾。
因此本课程具有实用性强、理论和实践结合、软硬件结合等特点二、课程目标与基本要求1．课程目标使学生运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代电子仪器开发过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的电子系统的能力。
2．基本要求掌握智能仪器的结构、设计要点，模拟量输入输出通道，人机接口，通信接口，以及典型处理功能，掌握电压测量为主的智能仪器、智能电子计数器和数字存储示波器的工作原理和结构组成，还要掌握个人仪器和虚拟仪器的基本概念、组成原理和设计方法，了解VXI和LabVIEW仪器系统的组成原理。
三、与本专业其他课程的联系1．学习本课程主要涉及模拟电子技术、数字电子技术以及微机原理课程中有关接口和汇编程序、微机控制方法等方面的有关知识。
因此，应当尽可能地在先修《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《微机原理》和《微机接口技术》，《单片机原理与应用》等课程或者学过“电路基础”、“数字电路”、“单片机原理与应用”等课程的基础上进行自学.2．本课程将为有关智能仪器系统设计方面的课题打下必要的基础。
第二部分考核内容与考核目标第一章导论一、学习目的与要求通过本章学习，学生应重点掌握智能仪器的组成及特点、智能仪器及测试系统的发展以及智能仪器设计的要点。
智能仪器-思考题刚要
思考题1.中值滤波对去除脉冲性质的干扰比较有效，而算术平均滤波对滤除随机干扰非常有效。
2.DAC1208与16位微处理器一起使用时，12位数据线可以直接与微处理器的数据总线接口，而与8位微处理器一起使用时，则需分步传输。
3.移动平均滤波的算法是：先在RAM中建立一个数据缓冲区，依顺序存放N次采样数据，然后每采进一个新数据，就将最早采集的数据去掉，最后再求出当前RAM缓冲区中的N 个数据的算术平均值或加权平均值。
4.基准电压Vr 的精度和稳定性影响零位误差、增益误差的校正效果。
5.测量获得一组离散数据建立近似校正模型，非线性校正精度与离散数据精度无关，仅与建模方法有关。
6.GP-IB系统中的计算机一般同时兼有讲者、听者和控者的功能，系统中有几台计算机就有几个控者，他们同时起作用，这样可以增强系统的控制能力。
7.实际A/D转换器转换精度所对应的误差指标包括量化误差在内。
8.RS232 通信采用的是TTL电平，因此它的传输距离比485 短。
B协议为设备定义了2种供电模式:自供电和总线供电。
在自供电模式下，USB设备不需要任何外接电源设备。
10.双口RAM具有两套完全独立的数据线、地址线、读写控制线和存储器阵列，允许两个独立的系统或模块同时对双口RAM进行读/写操作。
11.在异步通讯中，只要求发送和接收两端的时钟频率在短期内保持同步。
12.LCD显示器有静态驱动和叠加驱动两种驱动方式，这两种驱动方式可在使用时随时改变。
13.智能仪器中的噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果。
14.仪器消息通过接口功能进行传递，因而会改变接口功能的状态。
15.智能DVM的基本测量水平主要有微处理器性能来决定。
16.软件开发过程的三个典型阶段是定义、开发和测试。
17.RAM 测试方法中，谷值检测法无法检测“ 粘连” 及“ 连桥” 故障。
18.并行比较式A/D转换器是现行电子式A/D转换器中转换速度最快的一种。
智能仪器及其特点
智能仪器及其特点1、智能仪器概述随着微电子技术的不断发展，以及超大规模集成电路芯片(即单片机)的出现，智能仪器得到了迅速发展。
智能仪器以微处理器或单片机为核心，具有信息采集、显示、处理、传输以及优化检测与控制等多种功能：有些甚至还具有专家推断、逻辑分析与决策的能力。
智能仪器的出现，极大地扩充了常规仪器的应用范围。
由于智能仪器一开始就显示它强大的生命力，目前已成为仪器仪表发展的一个主导方向。
并对自动控制、电子技术、国防工程、航天技术与科学试验等产生了极其深远的影响。
2、智能仪器的组成智能仪器主要由硬件和软件两部分组成。
(1)硬件硬件主要包括主机电路、模拟量输入输出通道、人机接口和标准通信接口电路等，如图1所示。
主机电路通常由微处理器、程序存储器以及输入输出I/O接口电路等组成，有时，主机电路本身就是个单片机。
主机电路主要用于存储程序与数据，进行系列的运算和处理，并参与各种功能控制。
模拟量输入输出通道主要由A/D转换器，D/A转换器和有关的模拟信号处理电路等组成。
主要用于输入和输出模拟信号，实现模数与数模转换。
人机接口主要由仪器而板上的键盘和显示器等组成,用来建立操作者与仪器之间的联系。
标准通信接口使仪器可以接受计算机的程控命令，用来实现仪器与计算机的联系。
一般情况下，智能仪器都配有GPIB等标准通信接口。
此外，智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机—PC机，由PC机进行全局管理。
(2)软件软件即程序，主要包括监控程序、接口管理程序和数据处理程序三大部分。
监控程序而向仪器而板和显示器，负责完成如下工作:通过键盘操作，输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数：通过控制I/O接口电路进行数据采集，对仪器进行预定的设置：对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理：以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果。
接口管理程序主要而向通信接口，负责接收并分析来自通信接口总线的各种有关功能、操作方式与工作参数的程控操作码，并根据通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果以及向应计算机远程控制命令。
智能仪器原理与设计教学大纲
智能仪器原理与设计教学大纲《智能仪器原理与设计》教学大纲课程代码：31040180学位课程/非学位课程：非学位课程学时/学分：46/3（其中实验8学时）先修课程：《电子技术基础》、《传感器原理与应用》、《微机原理与接口技术》适用专业：电子信息工程专业课程简介：本课程是电子信息工程专业的主干专业课。
本课程介绍智能仪器的特点、技术标准、发展概况、基本构成和先进控制技术。
本课程还着重介绍了智能仪器的设计思想和设计方法。
一、教学目标1、知识水平教学目标掌握智能仪器的输入输出通道及接口技术、常用组件的原理及性能指标；理解智能控制系统误差的形成原理及自动校准和自诊断技术、基本抗干扰技术；2、能力培养目标在学习电子技术基础，传感器原理及微机原理等技术基础课程的基础上，了解智能仪器的概念及其设计内容，学会利用单片机设计智能仪器的各种功能模块，了解每个环节上的抗干扰措施。
以便今后能从事智能仪器的设计、研发工作。
3、素质培养目标（1）求实精神：通过本课程教学，培养学生追求真理的勇气、严谨求实的科学态度和刻苦钻研的作风。
（2）创新意识：通过学习，引导学生树立科学的世界观，激发学生的求知热情、探索精神、创新欲望，以及敢于向旧观念挑战的精神。
二、教学重点与难点1、教学重点：掌握智能仪器的输入输出通道及接口技术、常用组件的原理及性能指标；理解智能控制系统误差的形成原理及自动校准和自诊断技术、基本抗干扰技术；了解智能仪器设计的基本原则、步骤；了解智能控制系统的控制软件的基本结构及设计方法、硬件的基本构成及设计方法以及系统的调试方法。
2、教学难点：智能仪器中的抗干扰技术以及智能仪器系统的设计思想。
三、教学方法与手段四、教学内容、学习目标与学时分配教学内容教学目标课时分配（38学时）1导论了解22智能仪器模拟量输入/输出通道82.1模拟量输入通道掌握22.2高速模拟量输入通道掌握22.3模拟量输出通道掌握22.4数据采集系统掌握23智能仪器人机接口83.1键盘与接口掌握23.2LED显示及接口掌握23.3键盘/LED显示器接口设计掌握23.4CRT显示及接口了解13.5微型打印机及接口掌握14智能仪器通信接口84.1GPIB通用接口总线掌握24.2GPIB接口电路的设计掌握24.3串行通信总线掌握24.4串行通信接口电路的设计掌握25智能仪器典型处理功能65.1硬件故障的自检掌握25.2自动测量功能掌握25.3仪器测量精度的提高掌握15.4干扰与数字滤波掌握16电压测量为主的智能仪器66.1智能化DVM原理掌握26.2智能化DMM原理掌握26.3智能化RLC测量仪原理掌握2实验项目与学时分配表注：实验类型代码为1—演示性；2—验证性；3—综合性；4—设计研究；5—其它五、作业要求1、课外作业：布置与授课知识点相关课后习题2、阅读与自学：自学各种智能仪器的实用电路六、考核方式与考试范围1、考核方式：考试2、考试范围：全部教学内容1、教材。
广州科力智能仪器 模拟量采集卡 说明书
模拟量采集卡说明书一、技术指标（一）输入信号：标准电流：4~20mA标准电压：1~5V 、0~5V、0~10V热电偶：K:-100~1370 ℃T:-100~400 ℃S: 400~1750 ℃热电阻: Pt100:-200~600 ℃Cu50:-50~150 ℃Rt:0~10k开关量: 空接点、0～5V、0～12V、0～24V电平信号（二）输入通道：16通道（三）模拟量基本误差：0.2%（四）数据采集周期：1 秒（五）通信方式：RS232、RS485（六）通信模式：串行，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验（七）通信速率：4800 、9600、19200 、38400（八）通信协议：MODBUS(I)通信协议（九）通信站址：0~63（十）报警功能：上限报警、下限报警二、参数设置(一) 信号模式: 选择各种输入信号方式, ( K、T 、S 等)(二) 量程上限: 被测信号最大值, 电流、电压由用户修改, 热电偶、热电阻根据信号方式固定.(三) 量程下限: 被测信号最小值, 电流、电压由用户修改, 热电偶、热电阻根据信号方式固定.(四) 补偿方式:IC补偿: 热电偶冷端补偿方式, 由系统提供内部温度补偿参数补偿: 提供系数补偿和差值补偿方式, 由用户设定系数值和差值(五) 补偿系数: 由用户设定补偿系数值(六) 补偿值: 由用户设定补偿差值(七) 报警上限: 由用户设定报警上限值(八) 报警下限: 由用户设定报警下限值(九) 报警回差: 由用户设定报警回差值(十) 报警延时: 由用户设定报警延时值, 单位为秒(十一) 报警屏闭: 由用户设定报警屏闭状态(十二) 线制: 热电阻测量方式,分3线制和2线制. 3线制自动补偿线路电阻, 2线制由用户设定补偿差值进行线路电阻补偿.三、MODBUS(I)通信协议MODBUS（I）发送数据为整型数的块传送MODBUS协议，其数据小数位由用户在组态软件或应用程序中自行定义。
模拟量输入、输出通道
医疗设备
在医疗设备中，模拟量输入/输出通道用于监测患者 的生理参数和实现设备的控制，如监护仪、呼吸机 等。
模拟量输入/输出通道的重要性
80%
提高设备的控制精度
模拟量输入/输出通道能够实时、 准确地反映输入信号的变化，从 而提高设备的控制精度和稳定性 。
模拟量输入通道的参数与性能指标
01
02
03
04
分辨率
分辨率是指模拟量输入通道能 够识别的最小电压或电流值， 通常以位数或比特数表示。高 分辨率的模拟量输入通道能够 提供更精确的测量结果。
线性度
线性度是指模拟量输入通道的 输入与输出之间的线性关系。 理想的线性度应该是100%，但 实际中的线性度可能会受到多 种因素的影响而有所偏差。
根据接口类型，正确连接信号线，避免信号干扰或数据传输不稳定。
接地处理
为了减少电磁干扰和保护设备，应确保良好的接地措施。
接口保护
在接口电路中加入适当的保护元件，如瞬态抑制二极管、滤波电容等， 以防止过压、过流等异常情况对接口造成损坏。
05
模拟量输入/输出通道的调试与校准
调试步骤与注意事项
检查硬件连接
采样速率
精度
采样速率是指模拟量输入通道 每秒钟能够采样的次数，通常 以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz） 表示。高采样速率的模拟量输 入通道能够提供更准确的实时 响应。
精度是指模拟量输入通道的实 际输出值与理论输出值之间的 最大偏差。精度越高，表示模 拟量输入通道的误差越小，测 量结果越准确。
03
模拟量输出通道
精度
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2.1 模拟量输入通道
2.1.1 A／D转换器概述 2.1.2 逐次比较式A／D转换器与微型计算机接口 2.1.3 积分式A／D转换器与微型计算机接口
2.2 高速模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数据采集系统
第2章 智能仪器模拟量输入/输出通道
智能仪器所处理的对象大部分是模拟量。而智能仪器的 核心——微处理器能接受并处理的是数字量，因此被测模拟 量必须先通过A／D转换器转换成数字量，并通过适当的接口 送入微处理器。在这里，我们把A／D转换器及其接口称为模 拟量输入通道。
同样，微处理器处理后的数据往往又需要使用D／A转换 器及相应的接口将其变换成模拟量送出。在这里，我们把D／ A转换器及相应的接口称为模拟量输出通道。
2.1 模拟量输入通道
2.1.1 A／D转换器概述
一、A／D转换器的定义 A／D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这
个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在
③ 非线性误差：是指实际转移函数与理想直线的最大偏移。 非线性误差不包括量化误差，偏移误差和满刻度误差。
④ 微分非线性误差：是指转换器实际阶梯电压与理想阶梯 电压(1LSB)之间的差值。为保证A/D转换器的单调性能，A/D转 换器的微分非线性误差一般不大于LSB。非线性误差和微分非 线性误差在使用中很难进行调整。
量化误差是由A/D 转换器有限字长数字量对输入模拟量进 行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上为一个单位 （1LSB ）。将实际转移曲线在零刻度处偏移1/2单位，可使得 量化误差为±1/2LSB。
A/D转换器的量化误差
2.1.1 A／D转换器概述
二、A／D转换器的技术指标
1. 分辨率与量化误差
逐次比较式A／D转 换器大都做成单片集成 电路形式，使用时只需 发出A／D转换启动信 号，然后在EOC端查知 A／D转换过程结束后， 取出数据即可（实际A ／D转换过程已不是非 常重要）。
二、 ADC0809芯片及其接口
二、 ADC0809芯片及其接口
ADC0809 1、8路输入模拟量选择电路：8路输入模拟量信号分别接到
二、A／D转换器的技术指标
4、满刻度范围
满刻度范围是指A／D转换器所允许最大的输入电压范围。 如(0～5)V，(0～10)V，(－5～＋5)V等
满刻度值只是个名义值，实际的A／D转换器的最大输入 电压值总比满刻度值小1／2n（n为转换器的位数）。这是因 为0值也是2n个转换器状态中的一个。
例如12位的A／D转换器，其满刻度值为10V，而实际允 4095
许的最大输入电压值为 4096 ×10＝9.9976V。
三、A／D转换器的分类
① 逐次比较式A／D转换器：转换时间一般在μs级，转换精 度一般在0.1％上下，适用于一般场合。
② 积分式A／D转换器：其核心部件是积分器，因此转换时 间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达0.01％
③ 并行比较式又称闪烁式：采用并行比较，其转换时间可 达ns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限制，其分辨率一般不高 于8位。可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。
2.1.1 A／D转换器概述
二、A／D转换器的技术指标
2、转换精度
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。由于理想 A/D转换器也存在着量化误差，因此， 实际A/D转换器转换精 度所对应的误差指标不包括量化误差在内。
转换精度指标通常由以下分项误差有组成： ① 偏移误差 ② 满刻度误差 ③ 非线性误差 ④ 微分非线性误差
若用百分比表示，其分辨率为（1/212)×100％ =0.025％， 若允许最大输入电压为10V，则它能分辨输入模拟电压的最小 变化量为10V×1/212 = 2.4mV。
A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上 也以BCD 码数的位数直接表示。
二、A／D转换器的技术指标
1. 分辨率与量化误差
二、A／D转换器的技术指标 1. 分辨率与量化误差 2. 转换精度 3. 转换速率 4. 满刻度范围
二、A／D转换器的技术指标
1. 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程度的技 术指标。例如：某A/D转换器为12位，若用百分比表示，即表 示该转换器可以用212个二进制数对输入模拟量进行量化，其分 辨力为1LSB。
转换精度
转换精度指标通常由以下分项误差有组成： ① 偏移误差：是指输出为零时，输入不为零的值，所以有 时又称零点误差。偏移误差可以通过在A/D转换器的外部加接调
② 满刻度误差：又称增益误差，它是指A/D转换器满刻度 时输出的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压值之差， 满刻度误差一般是由参考电压、放大器放大倍数、电阻网络误差 等引起。满刻度误差可以通过外部电路来修正。
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。A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所 以习惯上以输出二进制数或BCD 码数的位数来表示。
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（量化）引起的误差，其大小在理论上也为一个 单位（1LSB
量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化误差。
2.1.1 A／D转换器概述
二、A／D转换器的技术指标
3、转换速率
转换速率是指A／D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。 转换速率也可表述为转换时间，即A／D转换从启动到结束 所需的时间，转换速率与转换时间互为倒数。 例如，某A／D转换器的转换速率为5MHz，则其转换时间 是200ns
2.1.1 A／D转换器概述
④ 改进型是在上述某种形式A／D转换器的基础上，为满足 某项高性能指标而改进或复合而成的。例如余数比较式即是在逐 次比较式的基础上加以改进，使其在保持原有较高转换速率的前 提下精度可达0.01％以上。
2.1.2 逐次比较式A／D转换器与计算机接口
一、 逐次比较式A／D转换器原理
它由N位寄存器、N位D／A转换器、比较器、逻辑控制电路、 输出缓冲器 五部分组成，