智能仪器试题及答案解析

《智能仪器设计基础》试题一、判断题（每题2 分，共20 分）1. 因中值滤波满足比例不变性，所以是线性的滤波器。

（）2. 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。

（）3. 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。

（）4. RS232 通信采用的是TTL电平，因此它的传输距离比485 短。

（）5. USB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。

（）6. 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。

（）7. 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。

( )8. 软件开发过程的三个典型阶段是定义、开发和测试。

（）9. RAM 测试方法中，谷值检测法无法检测“粘连”及“连桥”故障。

（）10.曲线拟合要求y=f（x ）的曲线通过所有离散点（x i ，y i ）。

（）二、选择题（每题2 分，共20 分）1. 多通道数据采集系统的框图如下图所示。

其中（1 ）~（4 ）各部分的组成为:( )A. 放大器、A/D 转换器、D/A 转换器、计算机B. 多路开关、放大器、A/D 转换器、计算机C. 多路开关、放大器、D/A 转换器、计算机D. 放大器、多路开关、A/D 转换器、D/A 转换器2. 仪器采集数据中存在随机误差和系统误差，基本数据处理顺序是:( )A. 系统误差消除→数字滤波→标度变换B. 数字滤波→系统误差消除→标度变换C. 标度变换→系统误差消除→数字滤波D. 数字滤波→标度变换→系统误差消除3. 设采集数据由信号加噪声构成，应根据( )确定滤波算法？A. 噪声统计规律B. 信号特征和噪声统计规律C. 信号特征D. 只能用多种滤波算法试验，由处理效果确定。

4. 采样保持器的作用是( )A. 提高系统的采样速率B. 保持系统的数据稳定C. 保证在A/D转换期间ADC前的模拟信号保持不变D. 使A/D 转换器前信号能跟上模拟信号的变化5. 采集数据中含有脉冲性干扰，信号为直流，则应选择( )滤波算法。

A. 算数平均法B. 加权平均法C. 限幅滤波法D. 去极值平均法6. 在开发USB系统的时候，首要的任务是利用( )实现设备的枚举过程，提供各种设备信息。

A. 中断传输B. 控制传输C. 同步传输D. 批量传输7．若非编码矩阵键盘的列线外接下拉电阻，该矩阵的扫描码应是( )。

A．行线输出高电平B．列线输出高电平C．行线输出低电平D．列线输出低电平8．在智能仪智中，A/D 转换的抗干扰技术包括( )。

A. 对差模干扰的抑制B. 对共模干扰的抑制C. 采用软件方法提高A/D抗干扰能力D. 以上三种都包括9．在进行数字电路的可测试性设计时，下面说法错误的是( )。

A．设计上应避免“线或”逻辑B．所有不同相位和频率的时钟都应来自单一主时钟C．数字电路应设计成主要以异步逻辑电路为基础的电路D．电路应初始化到一明确的状态，以便确定测试的方法10．下面( )调试方式在目标机不存在的情况下也可以进行代码的调试。

A．ROM 仿真器B．在线仿真器C．片上调试D．JTAG三、填空（每空2分，共20分）1．假设一12 位的A/D 转换器，其满量程电压为10V ，则它的分辨率是_____ 。

2．某仪器的非线性采用分段线性插值法进行校正，设段数为4，最少需要_____对（X i ，Y i ）已知实验数据。

3．利用8 片模拟多路开关CD4051 设计64 路的输入通道。

已知CD4051 的漏电流为20nA ，开关导通电阻300Ω，设信号源内阻1000 Ω。

则多路开关漏电流和导通电阻产生的误差大小为_____ 。

如果采用级连方式连接，则需要多路开关_____片。

用级连方式连接电路产生的误差大小为_____ 。

4．某智能温度测量仪采用8 位ADC ，测量范围为10 ～100 ℃，仪器采样数据经滤波和非线性校正后的数字量为0028H 。

A0=10 ℃，Am=100 ℃，Nm=FFH=255 ，Nx=28H=40 。

则对应的实测温度是_____ 。

5. 设在某数据采集系统中，对正弦信号U=（U msin ωt ）/2 采样。

采/保的孔径时间t AP=20ns ，A/D 转换器的位数为12 位，求采样精度达到1LSB 的最高信号频率是_____ 。

若S/H 的捕捉时间t AC=3 μs ，稳定时间t s=2 μs ，A/D 转换时间t CONV=40 μs ，输出时间t OUT=4 μs 则通道的吞吐率是_____ 。

6．检测直流电压信号由于50Hz 工频干扰使测量数据呈现周期性波动。

设采样周期Ts=1ms ，采用算数平均滤波算法，消除工频干扰。

选择平均点数_____。

7．某种仪器100 台，工作1000h ，假设有2 台发生故障，则这种仪器的千小时的可靠率为_____ 。

四、简要回答下列问题（25 分）1. 简述推动智能仪器发展的主要技术。

2. 简述智能仪器设计的基本原则。

3. 简述USB 既插既用机制实现的原理。

4. 可靠性是智能仪器中一个重要的技术指标。

请写出智能仪器中常用的提高硬件和软件可靠性的方法。

5. 什么是可测试性？智能仪器设计中引入可测试性设计有什么优缺点？五、设计题（15分）试设计一温度检测系统。

要求系统能检测8 路温度信号（假设温度传感器的输出信号幅度0~25mV ），测试的温度范围为0~500 ℃，温度分辨率为0.5 ℃。

测试的最终结果用LCD 显示器或LED 显示器显示出来。

对多通道的测量信号要有自动巡回检测的功能和选择某一通道进行单一测量的功能。

若采用自动巡回检测方式，要求每一通道每秒钟检测100 次。

仪器要具有与其它仪器或微机进行通讯的能力。

画出仪器的硬件框图，并说明每部分的参数及其选择原则。

（1）根据设计要求，放大器的放大倍数至少应为多少？（2）A/D 转换器至少应选择多少位的？（3）A/D 转换器的速率至少为多少？（4）根据设计要求，如果选用LED 显示器，至少应用几位LED 显示？（5）测试系统与外界的通讯如选用串行通信，你准备选择哪种总线？它的最远传输距离是多少？（6）如果系统用89C51 单片机做控制器，用字符式LCD 显示模块做显示器，请画出图2 中单片机与显示模块的三根控制线RS 、R/W 和E 的接口电路。

这三根控制信号的时序图如图1 ，它们的功能为：RS ：寄存器选择输入线。

当其为低电平时，选通指令寄存器；高电平时选通数据寄存器。

R/W ：读/ 写信号输入线。

低电平为写入，高电平为读出。

E ：使能信号输入线。

读状态下，高电平有效；写状态下，下降沿有效。

图1图2答案：答案：一、否、是、否、否、否、否、是、否、否、否二、B 、B 、B 、C 、D 、B 、A 、D 、C、B 三、1．2.4mv2. 53. 1.6mv，9，0.36mv；4. 245．3.888KHz，20.4KHz；6. 207. 0.98四、1．传感器技术：信号检测是通过传感器实现的，为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断涌现。

A/D 等新器件的发展显著增强了仪器的功能与测量范围。

DSP 的广泛应用：由于DSP 芯片是通过硬件来完成上述乘法和加法运算，因此，采用DSP 芯片可大大简化具有此类数字信号处理功能的智能仪器的结构并提高其相应的性能，极大地增强了智能仪器的信号处理能力。

ASIC 、FPGA ／CPLD 技术在智能仪器中的广泛使用：使仪器的可靠性、成本、速度等方面有提高。

LabVlEW 等图形化软件技术。

网络与通信技术：智能仪器要上网，完成数据传输、远程控制与故障诊断等；构建网络化测试系统，将分散的各种不同测试设备挂接在网络上，通过网络实现资源、信息共享，协调工作，共同完成大型复杂系统的测试任务。

2．从整体到局部（自顶向下）的设计原则：这种设计原则的含义是，把复杂的、难处理的问题分为若干个较简单、容易处理的问题，然后在一个个地加以解决。

较高的性能价格比原则：在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，因为方案简单意味着元器件少，开发、调试、方便，可靠性高。

组合化与开放式设计原则：开放系统是指向未来的VLSI 开放，在技术上兼顾今天和明天，既从当前实际可能出发，又留下容纳未来新技术机会的余地；向系统的不同配套档次开放，为发挥各方面厂商的积极性创造条件；向用户不断变化的特殊要求开放，在服务上兼顾通用的基本设计和用户的专用要求等等。

3．即插即用技术包含2 个技术层面，既热插拔和自动识别配置。

热插拔的关键技术在于电路接插件插、拔期间强电流的处理。

USB 在电缆以及接插件的设计上充分考虑了这一点，使得这个瞬时的强电流被安全地吸收，从而使USB 设备实现了热插拔。

系统设备的自动识别是通过在USB 主机或Hub 的下行端口信号线上接有下拉电阻和在设备端的信号线上连接上拉电阻来实现的。

既当USB 主机或Hub 的下行端口处于断开状态时，信号线电平将恒为0 。

当USB 设备连接上的瞬间，会造成USB 主机或Hub 端信号线的上冲，这样当USB 主机或Hub 检测到这个上冲过程，USB 主机可认定有一设备接入。

4．提高硬件可靠性：元器件的选择；筛选；降额使用；可靠电路的设计；冗余设计；环境设计；人为因素设计；仪器可靠性实验；提高软件可靠性：认真地进行规范设计；可靠的程序设计方法；程序验证技术；提高软件设计人员的素质；消除干扰；增加试运行时间。

5．可测试性（Testability ）是指产品能够及时准确地确定其自身状态（如可工作，不可工作，性能下降等）和隔离其内部故障的设计特性。

智能仪器设计中引入可测试性设计的优点1．提高故障检测的覆盖率；2．缩短仪器的测试时间；3．可以对仪器进行层次化的逐级测试：芯片级、板级、系统级；4．降低仪器的维护费用；缺点：1．额外的软/硬件成本；2．系统设计时间增加。

五、放大器的增益200 ；ADC 的分辨率12 位；12.5ms ；4 位。