第一章 绪论什么是智能仪器：智能仪器是计算机与测试技术相结合的产物，是含有微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、逻辑判断和自动化操作等功能，具有一定的智能作用，因而被称为智能仪器。智能仪器已开始从数据处理向知识处理发展。1.1 智能仪器发展概况各个时期的发展：50年代：模拟式（指针式）仪器；60年代：数字式仪器；70年代：独立式智能仪器（简称称智能仪器）；80年代初：个人仪器（PC仪器）；80年代后期：虚拟仪器。1.2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1.3 智能仪器的分类、组成和特点 从发展应用的角度看，智能仪器分为微机内嵌式和微机扩展式两大类。 微机内嵌式：将微机作为核心部件嵌入到智能仪器中，仪器包含一个或多个微机，属于嵌入式系统。 智能仪器由硬件和软件两大部分组成。硬件包括微处理器、存储器、输入通道、输出通道、人机接口电路、通信接口电路等部分。微处理器是仪器的核心；存储器包括程序存储器和数据存储器用来存储程序和数据；输入通道主要包括传感器、信号调理电路和A/D转换器等， 完成信号的滤波、放大、模数转换等；输出通道主要包括D/A转换器、放大驱动电路和模拟执行器等，将处理器处理后的数字信号转换为模拟信号；人机接口电路主要包括键盘和显示器，是操作者和仪器的通信桥梁，操作者可通过键盘仪器发出控制指令，仪器可通过显示器将处理结果显示出来；通信接口电路实现仪器与计算机或其它仪器的通信。 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 1.4智能仪器设计要求、原则及步骤智能仪器设计的基本要求：功能及技术指标要求、可靠性要求、便于操作和维护、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：（1）根据仪器总体方案，确定仪器的核心部件：单片机、信号处理器（DSP）、可编程控制器（PLC）或微计算机（MPC）等（2）设计和调试仪器。第二章 智能仪器输入/输出通道及接口技术 2.1 模拟量输入通道概述模拟量输入通道:将实际存在的电压、电流、声音、图像、温度、压力等连续变化的模拟信号进行放大、滤波、隔离等处理，将其转换成计算机能接收的逻辑信号的电路称为模拟量输入通道。从被转换模拟信号的数量及要求看模拟量输入道有单通道结构和多通道结构。单通道结构（特点）：当被测信号只有一路时采用单通道结构。使用场合：带采样/保持器（S/H）的单通道结构常用于频率较高的模拟信号的A/D转换。多通道结构（特点）：当被测信号有多路时采用多通道结构，分为并行结构和共享结构。使用场合：( 1 ) 多通道并行结构：常用于模拟信号频率很高且各路必须同步采样的高转换速率系统。该结构的优点速度快；缺点成本高，体积、功耗大。( 2 ) 多通道共享结构：当各路模拟输入信号不需要同时获取时，可选用共享S/H和A/D的多通道结构。这种形式的通道速度慢，但硬件开销少，适合对转换速度要求不高的系统。2.2 传感器传感器是指能把物理化学量转变成便于利用和输出的电信号，用于获取被测信息，完成信号的检测和转换的器件。其性能直接影响整个仪器的性能。传感器的分类：按转换原理分类：物理传感器和化学传感器； 按用途分类：压力敏、力敏传感器、位置传感器、液面传感器、速度传感器、热敏传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、气敏传感器、生物传感器等。按输出信号分类：模拟传感器、数字传感器和开关传感器。传感器的性能指标：1、线性范围 2、 精度3 、灵敏度4、稳定性5、频率响应特性2.3 放大器放大器是信号调理电路中的重要元件，合理选择使用放大器是系统设计的关键。程控放大器、仪用放大器、隔离放大器等是智能仪器中常用的放大器。 程控放大器:作用：在通用测量仪器中，为了适应不同的工作条件，在整个测量范围内获得合适的分辨率，提高测量精度。特点：智能仪器含有微处理器，用仪器内置的程序控制放大器的增益称为程控增益放大器简称程控放大器。分类：程控反相放大器、程控同相放大器等1、程控反相放大器：由理想运放条件，有 反相放大器反相程控放大电路如图所示，虚线框为模拟开关，模拟开关的闭合位置受控制信号C1、C2的控制，反馈电阻又随开关位置而变，从而实现放大器的增益由程序控制。当放大倍数小于1时，程控反相放大器构成程控衰减器。 2、程控同相放大器：同相放大电路图为一般同相放大器的基本原理，类似的可导出同相放大器的增益改变Rf或R1，同样可改变放大器的增益，但同相放大器只能构成增益放大器，不能构成衰减放大器。（可构成射极跟随器）。仪用放大器： 作用：用来放大传感器输出的微弱电压或电流信号的放大电路称为仪用放大电路（测量放大电路）。特点：尺寸小，精度高，价格低隔离放大器：作用：可保护电子仪器设备和人身安全，提高共模抑制比，获得较精确的测量结果。按耦合器件的不同，可分为光电耦合、变压器耦合和电容耦合（直流）三种。光电耦合隔离放大器：光越强导通程度越高，光很强饱和状态，低电平。2.4 模拟多路开关模拟多路开关也称多路转换器，主要用于信号的切换，是输入通道的重要元件之一。当系统中有多个变化较为缓慢的模拟量输入时，常常利用模拟多路开关将各路模拟量分时与放大器、AD转换器等接通，利用一片AD转换器可完成多个模拟输入信号的依次转换，提高硬件电路的利用率，节省成本。 分类：机械触点式开关和集成模拟电子开关模拟多路开关的性能指标：1、通道数量2、泄漏电流3、导通电阻4、开关速度集成模拟多路开关：目前已有多种型号的集成模拟多路开关，如CD4051（双向、8路）、CD4052（单向、差动4路）、AD7501（单向、8路）、AD7506（单向、16路）等。它们功能 相似，仅在某些参数和性能指标上有所差异。八通道双向模拟多路开关CD4051、双四路模拟开关CD4052模拟开关的通道扩展：实际使用中，有时输入模拟信号数量较多，一片模拟开关不够用，需要使用多个集成模拟开关进行通道扩展，以满足使用要求。利用两片CD4051将8路开关扩展成16路开关的原理图。（实现16路扩展ROM/RAM）2.5 采 样 保 持 器采样定义：采样是对模拟信号周期性的抽取样值，使模拟信号变成时间上离散的脉冲串，采样值的大小取决于采样时间内输入模拟信号的大小。常见的采样-保持电路A为理想运算放大器，CH为保持电容，T为场效应管（保持：使输出电压不随时间变化而变化）当S为高电平（S=1）时：场效应管T导通，输入模拟信号Vi对保持电容CH充电， 当S=1的持续时间tw远远大于电容CH的充电时间常数时，在tw时间内， CH上的电压Vc跟随输入电压Vi的变化，使输出电压Vo=Vc=Vi，这段时间为采样时间。当S为低电平（S=0）时：场效应管T截止，由于电压跟随器的输入阻抗很高，存储在上CH的电荷不会泄露，CH上的电压Vc保持不变， 使输出电压Vo能保持采样结束瞬时的电压值，这段时间为保持时间。采样脉冲的频率即采样频率fs（1/Ts）越高，采样越密，采样值越多，采样信号的包络线越接近输入信号的波形集成采样保持器：将采样保持电路的元器件集成在一片芯片上可构成集成采样保持器。集成采样保持器种类很多，常用的集成芯片有LF198/298/398、AD582等。其中LF198/298/398这三种芯片工作原理相同，仅参数有所差异。LF398内部结构两个运算放大器，接成单位增益的电压跟随器，S是模拟开关，是比较器，当逻辑控制端IN（+）为“1”时S闭合，输出跟随输入变化，处于采样状态；当IN（+）为“0”时，S断开，输出不随输入而变化，呈保持状态。LF398的典型连接方法2脚接1k电阻，用于调节漂移电压；7脚接地，8脚接控制信号。当控制信号大于1.4V时，LF398处于采样状态；当控制信号为低电平时，处于保持状态。6脚外接保持电容，保持电容可选用漏电流小的聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容，其数值直接影响采样时间及保持精度。增加保持电容CH的容量可提高精度，但会使采样时间加长。因此，当精度要求不高（1%）而速度要求较高时，CH可小至100pF。当精度要求高（0.01%），如与12位A/D相配合时，为减小下降误差和干扰，应取CH1000pF。（重点）采样保持器主要性能指标（在设计智能仪器选择采样/保持时，主要考虑哪些因素）：捕捉时间、孔径时间、孔径不定时间：孔径变化范围、孔径误差、保持电压的下降速度2.6 A/D 转 换 器A/D转换器过程：采样-量化-编码1.并联比较型A/D转换器：并联比较型A/D转换器组成：分压电阻链、电压比较器、寄存器和优先编码器（性能最好、速度最快） 3位并联比较型A/D转换器原理图 由图可见，分压电阻链由一个R/2和7个R电阻组成，它们依次对参考电压VREF分压。R/2电阻分得的电压为同理可得到其他各R上分得的电压当输入电压比相应的参考电压高时，相应的比较器输出高电平，否则输出低电平。优点：转换速度快。缺点：随着输出位数的增加，所需器件数增加很快2.逐次逼近型A/D转换器：是目前集成A/D转换器产品中使用较为普遍的一种。常用的集成3.芯片AD0808/0809系列（8位）双积分式A/D转换器：由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速度较慢。4.- ADC基本原理-模数转换器内部主要构成：抗混叠滤波器、模拟-调制器、数字低通滤波器过采样技术：这种采样频率远高于输入信号频率的技术称为过采样技术，过采样技术可提高ADC的分辨率。5.A/D转换器的主要技术指标转换精度常采用分辨率和转换误差来描述。分辨率和量化误差：位数越多，能够区分模拟输入电压的最小值越小，分辨能力越高，量化误差越小。所以，分辨率常以ADC输出的二进制或十进制数的位数表示。如输出为12位二进制数，分辨率为转换误差：偏移误差、满刻度误差、非线性误差2.7 A/D转换器与微处理器的接口A/D转换器的控制方式：程序查询方式、延时等待方式、中断方式 AD作用把模拟量转化成数字量（电压）2.8 开关量输入通道指只有开和关、通和断、高和低两种状态的信号，可以用二进制数0和1表示。2.9 模拟量输出通道 模拟量输出通道是计算机对采样数据实现某种运算处理后，将处理结果回送给被测对象的数据通路。输出数字信号的形式主要有开关量、数字量和频率量。模拟量输出通道是将微机输出的数字量转换成适合于执行机构所要求的模拟量的环节。D/A转换器的主要技术指标：1、转换精度：指在整个工作区间实际的输出电压与理想输出电压之间的偏差。通常用分辨率和转换误差描述。 （1）分辨率指当输入数字发生单位数码变化时所对应的输出模拟量的变化量。DAC的位数（输入二进制数码的位数）越多，输出电压的取值个数越多，越能反映输出电压的细微变化，分辨率越高，一般可用DAC的位数衡量分辨率的高低。 另外，DAC的分辨率也可用DAC能够分辨出的最小电压（对应输入二进制代码中只有最低有效位为1，其余为零）与最大输出电压（对应输入二进制代码中各位全为1）的比值表征。 例如8位的D/A转换器，分辨率为:对于n位D/A转换器，分辨率为 。分辨率是D/A转换器在理论上能达到的精度。不考虑转换误差时，转换精度即为分辨率的大小。