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微机测控技术

微机测控技术. 侯敬巍. 第一章 绪论. 1.1 微机测试系统概况 1.1.1 测试技术作用及其发展 1.1.2 测试系统的分类及特点 1. 测试系统的分类测试系统从不同的角度出发可以分为不同的类型。从所用程控设备来分，可分为程控器控制型和微机控制型两类．从系统的结构形式分，可分为专门接口型和通用接口型。从系统用途的适应程度分，可分为专用系统和通用系统。 2. 微机测试系统的特点 1 ）通道多 2 ）精度高 3 ）速度快 4 ）功能强. 典型的功能归结为以下几个方面：

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  1. 微机测控技术 侯敬巍

  2. 第一章 绪论 1.1 微机测试系统概况 1.1.1 测试技术作用及其发展 1.1.2 测试系统的分类及特点 • 1. 测试系统的分类测试系统从不同的角度出发可以分为不同的类型。从所用程控设备来分，可分为程控器控制型和微机控制型两类．从系统的结构形式分，可分为专门接口型和通用接口型。从系统用途的适应程度分，可分为专用系统和通用系统。 • 2. 微机测试系统的特点 • 1）通道多 • 2）精度高 • 3）速度快 • 4）功能强

  3. 典型的功能归结为以下几个方面： • 选择功能——量程选择、信号通道选择、通道扫描方式选择、采样频率选择等。 • 信号分析与处理——FFT、相关分析、统计分析、平滑滤波。 • 波形显示——实时显示多个被测信号的时域波形，即具有存储示波器功能。 • 自诊断——系统越复杂，自身故障的诊断越显得重要。目前计算机都具有自诊断能力，一般可诊断到插件板一级。一些通用性较强的测试系统，可以诊断到关键部位。自校准一—高精度的自动测试系统都配有标准信号源。测试时，对标准信号和被测信号

  4. 1.1.3 现代测试系统的基本结构 1. 非电量的特征 • 1)从时域特性来看，非电信号有模拟信号和离散信号之别。 • 2)从频域特性来看，国防试验和机械工艺中信号的频率有高有低，但大多数属低频范围，有的近于直流量。 • 3)非电信号并非独立存在，它们都处于环境的干扰和噪音的包围之中。 • 4)非电信号能量强弱悬殊，其中强信号的测试指标容易达到，而弱信号的测试较之要难得多。 • 5) 理论和实践证明，大多数非电信号通过一定形式的变换，可变成相应的电量。

  5. 多 路 开 关 信号调理电路 微 机 传感器 接 口 数字传感器 绘图仪 信号调理电路 传感器 采样/ 保持器 A/D 显示器 信号调理电路 传感器 打印机 图1.1 微机测试系统基本结构图 微机测试系统 1）典型的微机测试系统

  6. 微机测试系统在系统中作用： • (1)使测试自动化 • (2)提高测试精度 • (3)通过数据变换实现多功能(4)降低了测试系统成本 • (5)提高了系统的可靠性

  7. 微 机 多 路 开 关 绘图仪 传感器 信号调理电路 采样/保持器 A/D 传感器 信号调理电路 采样/保持器 A/D 显示器 传感器 信号调理电路 打印机 采样/保持器 A/D 图1.2 独立式微机测试系统结构图 独立式微机测试系统

  8. 1.2 微机控制系统概况 1.2.1 微机控制系统的分类 • 1.按控制方式分按照控制方式的不同，计算机控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。

  9. 微 机 接 口 执行机构 被控对象 微 机 接 口 执行机构 被控对象 信号调理电路 传感器 (a) (b) 图1.3微机控制的闭环与开环系统框图 (a)微机控制的闭环系统框图(b)微机控制的系统框图

  10. 微机控制系统，从本质上来看，它的控制过程可以归结为以下三个步骤： • ①实时数据检测:对被控参数的瞬时值进行检测，并输入。 • ②实时决策:对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定进一步的控制过程。 • ③实时控制:根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。

  11. 采样保持器 传感器 工 业 对 象 微 机 A/D CRT 人工调节器 打印机 图1.4 操作指导微机控制系统 2.按照功能分 • 1)操作指导控制系统:

  12. 传感器 工 业 对 象 采样 保持器 微 机 A/D 报警 执行机构 人机 接口 D/A 调理电路 图1.5 直接数字控制系统 • 2)直接数字控制系统：

  13. 传感器 传感器 多路开关 工 业 对 象 多路开关 工 业 对 象 监 督 计 算 机 采样器 监 督 计 算 机 A/D 采样器 A/D DDC用微机 模拟调节器 信号调节器 执行机构 执行机构 D/A D/A (a) (b) 图1.6 监督控制系统 (a)SCC+模拟调节器(b)SCC+DDC控制系统 • 3)监督控制系统

  14. 信息网络 企业级管理计算机 工厂级集中监督计算机 车间监督级计算机SCC 车间监督级计算机 组级计算机DDC 组级计算机 检测 输入通道 输出通道 检测 输入通道 输出通道 工 业 对 象 工 业 对 象 图1.7分级计算机控制系统 • 4)分级计算机控制系统：

  15. 3.按控制规律分 • 1）程序和顺序控制 • 2）比例积分微分控制 • 3) 最小拍控制 • 4）复杂规律的控制 • 5）智能控制

  16. 1.2.2 微机控制系统的发展概况 目前，微机控制系统的发展趋势有如下几个方面： • 1.工业用可编程序控制器(Programmable Logic Controller——PLC)的应用： • 2.提高控制性能、采用新型的控制系统： • 3.用微机实现最优控制和自适应控制： • 4.智能机器人：

  17. 人机 对话 设备 采样 设备 传感 元件 接 口 系 统 总 线 接 口 A/D 转换 工 业 对 象 D/A 转换 多路 开关 开关量输出 主 机 开关量输入 图1.8 微机测控系统基本硬件组成 1.3 微机测控系统概况

  18. 1.3.1 测控系统硬件组成 • 1.主机 • 2.输入输出通道 • 3.外部设备 • 4.接口电路 • 5.运行操作台 • 6.系统总线

  19. 1.3.2 测控系统软件组成 • 1. 系统软件 • 2. 应用软件

  20. 第二章 微机测控系统接口电路设计 • 2.1 概述 • 1.人机对话接口： • 2.过程通道接口： • 3．通用外设接口：

  21. 微 机 并 行 接 口 图2.5线性键盘接口 2.2 人机接口设计 • 2.2.1 输入接口设计 • 1. 拨盘输入接口设计 • 2. 键盘接口设计 • 1）线性键盘接口

  22. 图2.7 矩阵键盘接口 • 2）矩阵键盘接口

  23. 2.2.2 七段LED显示器及其驱动

  24. 2.2.3 点阵式LED显示器驱动接口 • 点阵式LED显示器通常由7行5列共35个LED组成。单个点阵式LED显示器能够显示各种字母，数字和常用的符号。用多个点阵式LED显示器可以组成大屏幕LED显示屏，用于显示汉字，图形及表格，因此在大屏幕显示牌，智能化仪器及家用电器中有着较广泛的应用。

  25. 2.2.4 液晶显示器 • 2.2.4.1 LCD的机构及工作原理 • LCD的结构液晶材料上偏振片上电极基板上电极基板下偏振片反射板封接剂电极液晶显示器的结构如图2.12所示。在上、下玻璃电极之间封入行列型液晶材料，液光通过平行排列的液晶材料被旋转90，再通过与上偏振片面相垂直的下偏振片，被反射板反射回来，呈透明状态；当上，下电极加上—定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排列，失去旋光性，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光无法通过下偏振片返回，因而呈黑色．根据需要，将电极做成各种文字、数字、图形，就可以获得各种状态显示。

  26. 2.2.4.2 YM12864X图形点阵液晶显示器 • 1. 是一种图形点阵液晶显示器 • 2. 特性 • 3. 管脚介绍 • 4. 原理简图 • 5. 软件说明 • 6. 写显示数据

  27. 图2.18 ADC0809的管脚图 2.3 A/D转换器与微机接口设计 • 2.3.1 8位A/D转换器与微机接口设计 • 2.3.1.1 ADC0809管脚

  28. 2.3.1.2 ADC0809转换器与微机接口硬件电路设计 • ADC0809带有三态锁存器，可以与8031单片机的总线直接连接。图2.20给出了ADC0809的接口电路。从图2.20和结合图2.19的时序图可以看出，当P2.3和信号均为低电平时，使启动脉冲START及地址锁存允许脉冲ALE信号有效，将地址送到地址总线，模拟量经C、B、A选择开关所指定的通道送到A/D转换器。在START下降沿的作用下，一位一位的逼近，此时，转换结束信号EOC变低电平。由于逐次逼近需要一定的过程，所以在此期间，模拟量输入不变，比较器也一直在工作，直到转换结束，发出一个转换结束信号EOC（高电平有效）经反向器后可向CPU申请中断，使P3.3=0，表示已结束。此时，单片机发出一个输出允许信号，即P2.3与均为低电平，使OE高电平有效，允许从A/D转换器锁存器读取数字量.

  29. 2.3.1.3 8位A/D转换程序设计方法 • 目前常用的控制方式： • 1) 程序查询方式 • 2）定时采样方式 • 3）中断方式 2.3.2 12位A/D转换器接口设计 • 1.AD574的管脚 • 2.AD574的技术指标 • 3.AD574的应用 • 4.AD574与单片机的接口及程序设计

  30. 2.4 D/A转换器和微机的接口设计 2.4.1 不带输入数据寄存器的D/A转换器接口 图2.29 12位D/A转换器与CPU的接口

  31. 图2.30 微机总线兼容型D/A转换器基本结构 2.4.2 微机总线兼容型D/A转换器接口

  32. 2.4.3 双极性模拟量输出的实现 I1 Σ VOUT2 I2 VOUT1 图2.32 DAC0832双极性输出电路

  33. 2.5 通用电路及功率接口 2.5.1 波形整形电路波形整形电路 • 通常作为波形的转换与信号调理，其组成方式可以通过比较器组成的电路实现或通过光电耦合器实现，但比较器可实现微信号的转换。电压比较器通常用来判断输入信号的相对大小，对信号幅度进行控制或根据输入信号的幅度决定输出信号的极性。

  34. 2.5.2 V/F电路设计 采用V／F转换器与计算机接口有下列优点： • (1)接口简单、占用计算机资源少。对于一路模拟信号只要占用一个输入通道。 • (2)频率信号输入灵活。可以输入单片机或微处理器的任何一根I／O口线或作为中断源输入计数输入等。 • (3)抗干扰性能好。频率测量本身是一个计数过程。V／F转换过程是对输入信号的不断积分，因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑。另外，V／F转换与计算机接口很容易采用光电隔离。 • (4)便于远距离传输。它还可以调制在射频信号上，进行无线传播,实现遥测。调制成光脉冲，可用光纤传送，不受电磁干扰。

  35. 图2.39 直流继电器接口 2.5.3 继电器，接触器的功率接口 • 1. 直流电磁式继电器，接触器功率接口

  36. 图2.40 交流接触器接口 • 2. 交流电磁式接触器的功率接口

  37. 2.5.4 光电器件功率接口电光型功率接口 • 主要用于各类照明以及闪光指示器等的驱动。电热型功率接口主要用于各种电炉和加热器等的驱动。电光型功率接口采用连续方式控制，电热型功率接口采用连续或断续方式控制。 2.5.4.1 电光，电热型器件 • 1. 电光型器件 • 2. 电热型器件常用的电热器件有：电阻丝电热器件；多孔玻璃态碳电热器件；电热膜；硅钼棒电热器件和PTC半导体电热器件。

  38. 2.5.4.2 电光型功率接口

  39. 2.5.4.3 电热型功率接口 图2.42 采用双向晶闸管控制的电热型功率接口

  40. 第三章 微机测控系统设计 • 3.1 概述 3.1.1 微机测试系统的性能指标 微机测试系统的性能指标，主要包括分辨率、采集精度、采集速度、采集信号的数量和种类， • 1.分辨率及信号放大倍数的确定 • 2.精度分配 • 3.采样频率fs的选择

  41. 首先要确定工程实际需要的采样频率fS，通常有两条依据，首先要确定工程实际需要的采样频率fS，通常有两条依据， • 一是根据信号最高频率fimax进行计算的经验公式 • 其中n为采集点数。 • 二是根据工业参数的采样时间Ts的经验值。

  42. 控制增益 备 用 信 号 地 址 码 副帧开关 主帧开关 次帧开关 D6 D8 D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D7 D5 D4 D3 D2 D1 D0 图 3.2 采集字编码图例 3.1.2 采集测量方案的设计 • 1.采集信号桢格式的编排 • 2.采集字的编码

  43. 3.1.3 系统的连接与匹配 • 这里讲的系统的联接与匹配是指： • ①系统的输入电路与系统外部电路的联接与匹配； • ②系统的输出电路与系统外部电路的联接与匹配； • ③系统内部各级电路之间的联接与匹配。

  44. 3.2 微机测试系统的信号 • 3.2.1 信号的形式 • 1.模拟信号 • 2.开关量或脉冲频率信号 • 3.2.2 模拟信号的幅值，精度与分辨率3.2.2.1 信号的幅值按照信号的幅值可以分为大信号（伏级）、小信号（毫伏级）、弱信号（微伏级） • 3.2.2.2 精度与分辨率

  45. 3.2.3 信号的传输 • 1. 模拟信号的传输 电压和电流传输关系分别由（3-11）式和(3-12)式表示 （3-11） （3-12）

  46. 2. 数字信号的传输 1）电平匹配 2）驱动能力 3）传输线传输线的分布电容将使数字信号失真，见图3.12。 图3.12 分布电容造成数字信号失真波形图

  47. 3.3 多路切换开关 3.3.1 切换开关器件及其选择 • 1. 不同类型的切换开关通常选用的器件主要有干簧继电器、干触点电继电器、水银触点继电器和CMOS模拟开关。 • 2. CMOS模拟开关

  48. 10K 10K Rf Rf V1 V1 10K V1 _ _ + V2 V2 V2 K Rif _ + + ... ... ... Ron Ron Vn Vn Vn ( a ) ( b ) ( c ) 图3.13 模拟开关在信号选择中的应用 3.3.2 切换开关在信号选择和量程变换中的应用 1. 信号选择

  49. Vi + _ Vi + _ ( a ) ( b ) 图3.14 模拟开关在量程切换中的应用 • 2. 量程变换

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