4_测量数据处理

4.2.2 量程切换的方法
自动量程转换电路随其用途有多种 的形式，但就其组成来说可以分为衰减 器、放大器、接口及开关驱动三部分。
图4-2-2 程控放大器和程控衰减器
量程（上限）值
x max E SK
一、改变量程值方法 1、改变E 2、改变S 3、改变K――最常用
二、改变K的常用电路 数控放大器――由多路开关MUX和放大器构 成，如图4-2-2（a）所示。 程控衰减器――由多路开关MUX和电阻分压 网络构成，如图4-2-2(b)所示。 MUX――用作“量程切换开关”。
许多传感器都设置了专门的调零电路，当被
测非电量为零而传感器的输出不为零，可调 整调零电路中的调零电位器实现调零。
2、电桥调零电路
Rp1为调零电位器，调整它可使温度为0℃时，电桥输出电压为零。
3、放大器输入偏移调零电路
放大器输入电压
U
x
U
a
xS
x
（4－1－9）
式中，Ua为前级测量电路的零位输出。Ux为使输出电压U0 在x=0时为零。 在图(a)中，须调整Ub，使Ub=Ua
图4-2-1 量程自动切换原理框图
Dx
U q
x

xSK E / D FS
一、量程判别条件：
“超量程”条件 “欠量程”条件 “最佳量程”条件
D x D FS
1
1
数字判别
Dx
0
0
D x D FS
模拟判别
U
x
E
E
0 D FS
U
E
x
0 D FS
U
x
E
二、模拟判别的方法――窗口比较器
图4-3-2锅炉报警电路原理图
二、锅炉报警系统程序设计
1、报警参数和标志存放地址的分配： ①设一个报警标志单元如20H单元，无报警时 20H清0，有报警时20H置“1”； ②水位、温度、压力三个参数采样值分别存放在 SAMP为首地址的内存单元中； ③5个报警点分别存放在30H~34H内部RAM中。 水位上、下限用MAX1、MIN1表示；温度上、下 限用MAX2、MIN2表示，蒸汽压力用MIN3表示， 依次存于30H~34H单元。 2、报警程序框图――如图4-3-3所示。 子程序清单详见教材。
第四章 测量数据处理
测控技术与仪器系
测量数据处理 数据处理能力是测控系统（仪器）水平
的标志，不能充分发挥软件优势作用， 则测控系统（仪器）等同于硬件化的数 字式仪器. 测量精度和可靠性是仪器的重要指标， 引入数据处理算法后，使许多原来靠硬 件电路难以实现的信号处理问题得以解 决，从而克服和弥补了包括传感器在内 的各个测量环节中硬件本身的缺陷或弱 点，提高了仪器的综合性能。
已知集成温度传感器AD590的输出电流－温度系数为1μA/°K ， 试分析AD590数字温度计电路中两电位器的作用，计算100℃ 时ICL7106差动输入电压。
图4－1－4 AD590数字温度计电路
解：电位器RP1用于调整灵敏度误差，电位器RP2用 于调整零位误差。
调整电位器RP1，使其与电阻R1的并联电阻值正好
2．确定性

自动量程转换的确定性是指在升、降量程时，不应该 发生两个相邻量程间反复选择的现象。这种情况的出 现是由于分档差的存在所造成的。 量程选择的不确定性可以通过给定升降阈值回差的方 法来解决。通常可采用减小降量程阈值的方法。例如， 降量程阈值选择满度值的9.5%而不是10%，升量程阈 值为100%。这样，只要两个相邻量程的测量误差绝对 值之和不超过0.5%，就不会造成被选量程的不确定性。


窗口比较电平：
通常取： 若
U x U
H
U
H
E
U
，
L
U
L

E
0 N FS
。
U
H
0 . 95 E
，
U
H
/ 10
（4－2－7）
，则窗口比较器发出“过量程”信号；
L

若
U
x
U
，则窗口比较器发出“欠量程”信号。
三、数字判别的方法
1、高位检测法――读取A/D转换数据的高两位 或高三位： 若都为“1”，则“过量程”， 若都为“0”，则“欠量程”。 2、A/D自检测法――A/D自身提供“过量程” 和“欠量程”指示信号。
在图(b)中，须调整Ub和R2，使Ua/R1=-Ub/R2
在图(c)中，须调整Ub使Ub=Ua。
4、A/D转换器调零电路
若A/D的输入高端和低端分别加被测电压和偏移电压,则有
N U
x
Ub q

U
x
Ua q

(U a S x ) U a q

S x q
（4-1-10）
式中S－传感器和A/D转换之前模拟电路的总灵敏度， q－A/D转换器的量化单位，即N=1所对应的模拟电压。
达10kΩ,就可使
U
x
1 A 10 k ( 273 t ) ( 2730 10 t ) mV
由上式可见，t=0℃时， U
x
U
a
2730 mV
。ICL7106
输入低端电压为
U
b
1 . 235 V (1
R3 RP2 R2
)
U
x
U b 10 t ( mV )
四、误差ห้องสมุดไป่ตู้正的软件实现
按照公式（4－1－7）或（4－1－8）编写专
门的计算子程序 将最近执行“误差校准”操作获得的最新的 校准数据（x1、y1）、(x2、y2)存入内存 ； 每次测量后调用计算子程序，从输出读数x计 算出被测量y
4.1.2 硬件校正方法
一、零位调整电路
1、传感器调零电路
对不包含任何非线性环节的数字化测量 通道，图中(b)和(d)中A/D转换结果Di与 被测量xi＝x0Ni，存在如下线性关系：
Di KU E /N
本章主要内容
4.1 零位和灵敏度的误差校正
4.2 量程自动切换
4.3 超限自动报警
4.4 标度变换
4.5 非线性校正算法
4.6 数字滤波
4.1 零位和灵敏度的误差校正
测控系统（仪器）与常规仪器一样，由于传
感器、测量电路、信号放大器等不可避免的
存在温度和时间漂移，给整个仪器引入零位
误差和增益误差。这类误差属于系统误差。
调整电位器RP2，使 U
b
U
a
2730 mV
，即
可使ICL7106差动输入电压为
U
x
U b 10 t ( mV )
由上式可见， ICL7106差动输入电压0℃ 时正好为0mV ，100℃时正好为1000mV。
二、灵敏度调整的硬件实现
1、调整传感器本身的灵敏度，如图4－1－4 中电位器RP1 2、调整传感器电桥电源电压

1．尽可能高的测量速度 自动量程切换的测量速度，是指根据被测量的大小自动选
择合适量程并完成一次测量的速度。一般来说，当读数的 十进制位数大于等于量程档数时，应该只需经过一次中间 测量就可以找到正确的量程。因而，在发生超量程时，只 需经过一次高量程的测量，即可找到正确的量程。而在降 量程的时候，只需将读数直接同较小量程的降量程阈值进 行比较，就可以找到正确的量程，而无需逐个量程进行测 量。此外，在大多数情况下，被测量并不一定会经常发生 大幅度变化，所以，一旦选定合适的量程应该在该量程继 续测量下去，直到发现过载或被测量低于降量程阈值。
4.1.1 软件校正方法
一、理想的线性测试系统 完全可以由输出读数y按下式确定被测量的真 值x ：
x y k0
(4-1-1)
式中k0为该通道的标称灵敏度或增益。
二、实际的线性测试系统――存在“零 位误差”和“灵敏度误差”
y x k y0 (4-1-2)
“零位误差”y0――输入x为零时的输出 “灵敏度误差”――指实际灵敏度k与标称 灵敏度k0的偏差.
将不正常标志位置0
二、超限处理流程
若是连续n次不正常，则进行报警并转手动 操作， 若不是连续n次不正常，则不进行报警并转手 动操作。 超上限（Xi>Xmax）处理流程――TEST1 超下限（ Xi<Xmin ）处理流程――TEST2

4.3.2越限报警系统设计实例
一、锅炉报警系统及P1口各位功能分配 1、报警参数：水位(X1)、炉温(X2)、蒸汽压力下限 (X3)； 2、报警点：水位上、下限、温度上、下限和蒸汽 下限。 3、报警方式： 当各参数均正常、无报警时绿灯亮， 当某参数过限发出报警信号，鸣笛并使相应指 示灯亮。
三、量程切换的程序
1、编程原则：

若判别结果是“欠量程”，则切换到较小的量程即降一 个量程；

若判别结果是“超量程”，则切换到较大的量程即升一 个量程；
若判别结果是既不“欠量程”也不“超量程”，则不进 行量程切换； 若已经达到最小量程或最大量程，也不再进行量程切换。 通常一开始应先选用最大量程进行测量，以避免仪器过 载或损坏。 2、量程切换的程序流程实例
测量误差
x y
图4-1-1 线性系统误差校正
x
'
y k0

x(k0 k ) y0 k0
（4－1－3）
x x x
'
k k0

y0 k0
（4—1—4）
三、误差校正算法
y a1 x a 0
(4-1-5)
x 2 y1 x1 y 2 x 2 x1
式中
a1
y 2 y1 x 2 x1