智能仪器课后习题答案解析

智能仪器课后习题答案

1—１你在学习和生活中,接触、使用或了解了哪些仪器仪表?它们分别属于哪种类型?指出他们的共同之处与主要区别．选择一种仪器,针对其存在的问题或不足，提出改进设想

参考：就测量仪器而言,按测量各种物理量不同可划分为八种：几何量计量仪器、热工量计量仪器、机械量计量仪器、时间频率计量仪器、电磁计量仪器、无线电参数测量仪器、光学与声学测量仪器、电离辐射计量仪器。

1-2 结合你对智能仪器概念的理解，讨论“智能化＂的层次。

P２智能仪器是计算机技术和测量仪器相结合的产物,是含有微型计算机或微处理器的测量(或检测）仪器.由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能,具有一定智能的作用(表现为智能的延伸或加强等),因而被称为智能仪器。

P5—Ｐ６智能仪器的四个层次：聪敏仪器、初级智能仪器、模型化仪器和高级智能仪器。

聪敏仪器类是以电子、传感、测量技术为基础(也可能计算机技术和信号处理技术).特点是通过巧妙的设计而获得某一有特色的功能。初级智能仪器除了应用电子、传感、测量技术外,主要特点是应用了计算机及信号处理技术,这类仪器已具有了拟人的记忆、存储、运算、判断、简单决策等功能．模型化仪器是在初级智能仪器的基础上应用了建模技术和方法,这类仪器可对被测对象状态或行为作出评估,可以建立对环境、干扰、仪器参数变化作出自适应反映的数学模型，并对测量误差(静态或动态误差)进行补偿。高级智能仪器是智能仪器的最高级别，这类仪器多运用模糊判断、容错技术、传感融合、人工智能、专家系统等技术。有较强的自适应、自学习、自组织、自决策、自推理能力．

１-３仪器仪表的重要性体现在哪些方面？P３-5

（１)仪器及检测技术已经成为促进当代生产的主流环节,仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一(2)先进的科学仪器设备既是知识创新和技术创新的前提，也是创新研究的主题内容之一和创新成就得重要体现形式，科学仪器的创新是知识创新和及时创新的组成部分。(3)仪器是信息的源头技术

总之,科学仪器作为认识世界的工具,是国民经济的“倍增器”、科学研究的“先行官”、现代战争的“战斗力”、法庭审判的“物化法官”,其应用遍及“农轻重、陆海空、吃穿用”.

1-４简述推动智能仪器发展的主要技术。P8

(１）传感器技术（2)A／D等新器件的发展将显著增强仪器的功能与测量范围(3)单片机与ＤSP的广泛应用（4)嵌入式系统和片上系统(SOC）将使智能仪器的设计提升到一个新阶段（５)ＡSIC、FPGA/CＰLD即使在智能仪器中广泛使用(6)LabVIEW等图形化软件技术(７)网络与通信技术

1-5 学过的哪些课程为智能仪器设计奠定基础,回顾其主要内容。

1-6 智能仪器有哪几种结构形式？对其做简要描述。P6

从智能仪器的发展状况看来,其结构有两种基本类型,即微机内嵌式和微机扩展式。

微机内嵌式智能仪器是将单片或多片的微处理器与仪器有机的结合在一起形成的单机。（微处理器在其中起控制和数据处理作用。其特点主要是：专用或多功能;采用小型化、便携或手持式结构；干电池供电;易于密封,适应恶劣环境,成本较低.）微机扩展式智能仪器是以个人计算机(PC）为核心的应用扩展型测量仪器。（PCI

的优点是使用灵活、应用范围广,可以方便的利用PC已有的磁盘、打印机及绘图仪器等获取硬拷贝。ＰC数据处理功能强、内存容量大，因而PCI可以用于复杂的、高性能的信息处理。)

1-7智能仪器设计是采用ＦPGA/ＣＰLＤ有哪些优点？ P1２

ＦＰGA／CPＬD芯片都是特殊的ASIC芯片，他们除了AＳIC的特点之外，还有以下优点：(1)随着VＬＳI工艺的不断提高，ＦＰＧA/ＣPLD的规模也越来越大，所能实现的功能越来越强可以实现系统集成;(2）FPGA/ＣPLD的资金投入小，研制开发费用低；（3)ＦPGＡ/CPＬＤ可反复的编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的EPROM就可实现不同的功能;(４)ＦＰGA/ＣPLＤ芯片电路的实际周期短；（５)ＦPGＡ／CPＬD软件易学易用,可以使设计人员更能集中精力进行电路设计.FPGA/CPLD 适合于正向设计，对知识产权保护有利。

1-8为什么说嵌入式系统与片上系统(SOC)将使智能仪器的设计提升到一个新阶段？P11

（１)嵌入式系统的深入发展将是智能仪器的设计提升到一个新的阶段,尤其是能运行操作系统的嵌入式系统平台，由于它具备多任务、网络支持、图形窗口、文件和目标管理等功能,并具有大量的应用程序接口（ＡPI）,将会使研制复杂智能仪器变得容易;

（２)在片上系统设计中，设计者面对的不再是电路芯片而是根据所设计系统的固件特性和功能要求,选择相应得单片机CPＵ内核和成熟化的ＩP内核模块,消除了器件信息故障,加快了设计速度，片上系统将使系统设计发生革命性的变化。

2-1 数据采集系统主要实现哪些基本功能?P15

智能仪器的数据采集系统简称ＤAS，是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。2—2 简述数据采集系统的基本结构形式,并比较其特点.P１5－16

(1）集中采集式:

ａ分时采集型特点：多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，简化了电路结构,降低了成本。(但对信号的采集式由模拟多路切换器即多路转换开关分时切换、轮流选通的,因而相邻两路信号在时间上是依次被采集的,不能获得同一时刻的数据,这样就产生了时间偏斜误差。)

b同步采集型特点：在多路转换开关之前给每路信号通路各加一个采样保持器,使多路信号的采样在同一时刻进行,即同步采样.(然后由各自的保持器保持着采样信号的幅值，等待多路转换开关分时切换进入公用的A／Ｄ电路将保持的采样幅值转换成数据输入主机。这样可以消除分时采集型结构的时间偏斜误差,这种结构既能满足同步采集的要求,又比较简单。不足之处：在被测信号路数较多的情况下,同步采得的信号在保持器中保持的时间会加长,而保持器会有一些泄露，是信号有所衰减。) （2）分散采集式：每一路信号一般都有一个Ｓ/H和A／Ｄ，不再需要模拟多路转换器MNＸ.(每一个S/H和A/D之对本路信号进行模数转换即数据采集，采集的数据按一定的顺序或随机地输入计算机,根据采集系统中计算机控制结构的差异可以分为分布式单机采集系统和网络式采集系统。）

2—3 采样周期与那些因素有关,如何选择采样周期？

２—4 为什么要在数据采集系统中使用测量放大器?P19

由于电路内有这样或那样的噪声源存在,是的电路在没有信号输入时,输出端仍存

V 在一定幅度的波动电压,这就是电路的输出噪声。把电路输出端测得的噪声有效值

ON

折算到改电路的输入端即除以该电路的增益K ,得到的电平值称为该电路的等效输入噪声IN V ,即/IN ON V V K =.如果在高电路输入端的信号幅度IS V 小到比该电路的IN V 还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。为了不使小信号被淹没,就必须在该电路前面加一级放大器.

2-６ 在设计数据采集系统式,选择模拟多路开关要考虑的主要因素是什么?

2-7 能否说一个带有采样保持器的数据采集系统的采样频率可以不受限制?为什么?Ｐ４6不能说带有采样保持器的数据采集系统的采样频率可以不受限制.

因为在A ／D 转换器在进行转换时需要一定的时间，在这个转换时间内,被转换的模拟量应基本保持不变，否则转换精度没有保证,甚至根本失去看转换的意义.所以转换时间c t 制约着转换信号的最高频率。max 11

2m c f t π+=(式１),进而影响数据采集系统的

采样频率max 2s f f ≥。在A/D 之前加上采样/保持器后max 11

2m AP f t π+=

(式2),AP t 为孔径时间。由于AP c t t ，所以由式2限定的信号频率远远高于式1限定的频率,采样/保持器扩展了被转换信号的范围，进而扩展了采样频率,但仍受AP t 的限制,不能无限增大． 2—８在为一个数据采集系统选择微机时，主要考虑哪些因素?

（1） 系统的通过速率，即系统速率、传输速率、采样速率或吞吐速率(单位时间

内系统对模拟信号的采集次数)

(2）系统的分辨率,即数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量

（3)系统的精度，当系统工作在额定速率下，系统采集的数值和实际值的差尽量要小

2-1０ 如果一个数据采集系统，要求有１%级精度性能指标,在设计该数据采集系统时,怎样选择系统的各个元器件?P5５

通常传感器和信号放大电路所占的误差比例最大，其他各环节如采样/保持器和A/D 转换器等误差,可以按选择元器件精度的一般规则和具体情况而定，选择元器件精度的一般规则是：每一个元器件的精度指标应该优于系统规定的某一最严格的性能指标的１０倍左右。

所以此题中传感器和信号放大电路的总误差可分配成0.９％,Ａ／D 转换器和Ｓ/Ｈ器和多路模拟开关分配0。1％,且每个组件的误差应不大于0。01%．

2-11 一个带有采样/保持器的数据采集系统,其采样频率100s f kHZ =,10FSR V =， 3AP t ns ?=,8n =，试问系统的采样频率是否太高?P ４7

13max 19911 2.071022310

m AP f HZ t ππ+-===???? max s f f <，故系统的采样频率不高

2—１2 数据采集系统的组成P15