测控系统习题解答.docx
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测控系统习题解答
第一章绪论
1.为什么说仪器技术是信息的源头技术？
仪器是一种信息的工具，起着不可或缺的信息源的作用。
仪器是信息时代的信息获取→处理→传输的链条中的源头技术。
如果没有仪器，就不能获取生产、科学、环境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的。
钱学森院士对新技术革命的论述中说：
“新技术革命的关键技术是信息技术”。
信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。
测量技术则是关键和基础。
现在提到信息技术通常想到的只是计算机技术和通讯技术，而关键的基础性的测量技术却往往被人们忽视了。
从上所述可以看出仪器技术是信息的源头技术。
仪器工业是信息工业的重要组成部分。
2.为什么现代测控系统一般都要微机化？
随着计算机技术的迅速发展，使得传统的测控系统发生了根本性变革，即采用微型计算机作为测控系统的主体和核心，代替传统测控系统的常规电子线路，从而成为新一代的微机化测控系统。
将微型计算机技术引入测控系统中，不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本，易于升级换代等。
因此，现代测控系统设计，特别是高精度、高性能、多功能的测控系统，目前已很少有不采用计算机技术的了。
3.微机化测控系统有哪几种类型？
画出它们的组成框图。
三种类型：
微机化检测系统、微机化控制系统、微机化测控系统。
1
第2章习题解答
1、模拟输入通道有哪几种类型?
各有何特点?
答：
按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输入通道可分为集中采集式（简称集中式）和分散采集式（简称分布式）两大类型。
集中式的特点是多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，模拟多路切换器MUX对多路信号分时切换、轮流选通到S/H和A/D进行数据采集。
分布式的特点是每一路信号都有一个S/H和A/D，因而也不再需要模拟多路切换器MUX。
每一个S/H和A/D只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机。
2、什么情况下需要设置低噪声前置放大器?
为什么?
答：
由于电路内部有这样或那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍输出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折算到该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。
如果加在该电路输入端的信号幅度小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。
为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在该电路前面加一级放大器——“前置放大器”。
只要前置放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低，加入前置放大器后，整个电路的等效输入噪声就会降低，因而，输入信号就不会再被电路噪声所淹没。
3、图2-1-13（a）所示采集电路结构只适合于什么情况?
为什么?
答：
图2-1-13（a）所示采集电路仅由A/D转换器和前面的模拟多路切换器MUX构成，只适合于测量恒定的各点基本相同的信号。
因为恒定信号不随时间变化，无须设置S/H,各点基本相同的信号无需设置PGA。
4、DFS-V数字地震仪属于集中采集式数据采集系统。
2ms采样48道时去混淆滤波器截止频为125Hz。
为提高勘探分辨率欲将采样周期改为1ms。
试问：
地震仪的信号道数和去混淆滤波器截止频率要不要改变?
怎样改变?
为什么?
答：
据题知，
，
，代入公式（2－1－34）计算得该地震仪的A/D转换器的转换周期为
，为提高勘探分辨率欲将采样周期改为1ms，则信号道数应减小为
，否则A/D转换器就转换不过来。
据题知，
，
，代入公式（2－1－17）计算得C=5，将C=5和TS=1ms代入公式（2-1-17）计算得，去混淆滤波器截止频率应减小为
，将
代入公式（2－1－18）计算得
，这将使地震仪可记录的最高地震信号频率达到250Hz，因而，可使地震仪的勘探分辨率提高一倍。
如果只是减少采样周期而不改变去混淆滤波器截止频率，将
代入公式（2－1－18）计算得
，使地震仪可记录的最高地震信号频率仍然被限制在125Hz，因而地震仪的勘探分辨率仍然不能提高，这就使减少采样周期的优越性发挥不出来。
5、多路测试系统什么情况下会出现串音干扰?
怎样减少和消除?
答：
多路测试系统由于模拟开关的断开电阻Roff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故，每当某一道开关接通时，其它被关断的各路信号也出现在负载上，对本来是唯一被接通的信号形成干扰，这种干扰称为道间串音干扰，简称串音。
为减小串音干扰，应采取如下措施：
①减小Ri,为此模拟多路切换器MUX前级应采用电压跟随器；
②MUX选用Ron极小、Roff极大的开关管；
③选用寄生电容小的MUX。
④据公式（2-1-47），减少MUX输入端并联的开关数N，可减小串音。
若采用分布式数据采集，则可从根本上消除串音干扰。
因N=1代入公式（2-1-47）计算得
。
6、主放大器与前置放大器有什么区别?
设置不设置主放大器、设置哪种主放大器依据是什么?
答：
测控系统的模拟输入通道一般包括模拟调理电路和数据采集电路两部分。
前置放大器设置在模拟调理电路前端，它是为减小模拟输入通道的等效输入噪声提高系统接收弱信号的能力而设置的，放大的是连续电信号。
主放大器设置在数据采集电路的MUX与S/H之间，放大的是经模拟多路切换器采样或选通的离散信号，它是为了提高数据采集电路的数据转换精度和数据转换范围而设置的。
如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，而且多路信号的幅度也相差不大，也就是Vij随i和j变化不大，那就没有必要在采集电路中设置主放大器，只要使各路信号调理电路中的前置放大器增益满足（2-1-50）式即可。
如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，但是各路信号的幅度相差很大，也就是说Vij不随j变化，但随i变化很大，那就应在采集电路中设置程控增益放大器作为主放大器。
程控增益放大器的特点是每当多路开关MUX在对第i道信号采样时，放大器就采用预先按（2-1-50）式选定的第i道的增益Ki进行放大。
如果被测量的多路模拟信号是随时间变化的信号，而且各路信号的幅度也不一样。
也就是说，Vij既随i变化，也随j变化，那就应在采集电路中设置瞬时浮点放大器作为主放大器。
7、模拟输出通道有哪几种基本结构?
各有何特点?
答：
微机化测控系统的模拟信号输出通路的基本结构按信号输出路数来分，有单通道输出和多通道输出两大类，多通道的输出结构主要有以下三种：
一、数据分配分时转换结构。
它的特点是每个通道配置一套输入寄存器和D/A转换器，经微型计算机处理后的数据通过数据总线分时地选通至各通道输入寄存器，当数据Dij选通至第i路输入寄存器的同时，第i路D/A即实现数字Dij到模拟信号幅值的转换。
二、数据分配同步转换结构。
它的特点是在各路数据寄存器R1与D/A转换器之间增设了一个缓冲寄存器R2。
数据总线分时选通主机的输出数据先后被各路数据寄存器R1接收，然后在同一命令控制下将数据由R1传送到R2，并同时进行D/A转换输出模拟量。
三、模拟分配分时转换结构。
这种结构的特点是各通道共用一个D/A转换器和一个数据输入寄存器。
微型计算机处理后的数据通过数据总线依通道顺序分时传送至输入寄存器并进行D/A转换，产生相应通道的模拟输出值。
以上三种结构可归纳为两种分配方案。
前两种数据分配结构实质上也就是图2-2-2（a）所示的“数字保持”方案；模拟分配结构实质上也就是图2-2-2（b）所示的“模拟保持”方案。
8、为什么模拟输出通道中要有零阶保持?
怎样用电路实现?
答：
我们知道，模拟信号数字化得到的数据是模拟信号在各个采样时刻瞬时幅值的A/D转换结果。
很显然把这些A/D转换结果再经过D/A转换，也只能得到模拟信号波形上的一个个断续的采样点，而不能得到在时间上连续存在的波形。
为了得到在时间上连续存在的波形就要想办法填补相邻采样点之间的空白。
理论上讲，可以有两种简单的填补采样点之间空白的办法：
一是把相邻采样点之间用直线连接起来，这种方式称为“一阶保持”方式；另一种方式是把每个采样点的幅值保持到下一个采样点，这种方式称“零阶保持”。
“零阶保持”方式很容易用电路来实现，“一阶保持”则很难用电路来实现。
因此模拟输出通道中采用零阶保持器。
零阶保持器的实现有两种方式：
一种是数据保持方式，即在D/A之前加设一个寄存器，让每个采样点的数据在该寄存器中一直寄存到本路信号下个采样点数据到来时为止，这样D/A转换器输出波形就不是离散的脉冲电压而是连续的台阶电压。
另一种是模拟保持方式，即在公用的D/A之后每路加一个采样保持器，保持器将D/A转换器输出子样电压保持到本路信号下个子样电压产生时为止。
9、在控制系统中被控设备的驱动有哪两种方式?
有何异同?
答：
在控制系统中，对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和数字量（开关量）输出驱动两种方式，其中模拟量输出是指其输出信号（电压、电流）可变，根据控制算法，使设备在零到满负荷之间运行，在一定的时间T内输出所需的能量P；开关量输出则是利用控制设备处于“开”或“关”状态的时间来达到运行控制目的。
如根据控制算法，同样要在T时间内输出能量P，则可控制设备满负荷工作时间t，即采用脉宽调制的方法，同样可达到要求。
10、在信号以电压形式传输的模拟电路中，前后两级电路之间，什么情况下需插接电压跟随器?
什么情况下不需要?
为什么?
答：
在要求信号以电压形式传输（即要求前级馈送给后级的电压最大）的模拟电路中，当前级电路的输出阻抗不是远小于后级电路的输入阻抗时，两者之间需插接电压跟随器。
因为电压跟随器的输入阻抗极高而输出阻抗极低，它插在两者之间，既给前级提供极高的输入阻抗，又给后级提高极低的输出阻抗，这样就能使前级馈送给后级的电压最大。
如果前级电路的输出阻抗极低，或者后级的输入阻抗极高，也就是说，已经满足电压传输最大的条件，两者之间就无需再插接电压跟随器。
11、试述开关量输入输出通道的基本组成。
答：
开关量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成，如图2-3-1所示。
开关量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成，如图2-3-4所示。
图2-3-1图2-3-4
12、单元电路连接时要考虑哪些问题?
答：
组成测控系统的各单元电路选定以后，就要把它们相互连接起来，为了保证各单元电路连接起来后仍能正常工作，并彼此配合地实现预期的功能，就必须认真仔细地考虑各单元电路之间的级联问题，如：
电气特性的相互匹配、信号耦合方式、时序配合等。
第3章习题解答
1、为什么常见的中小型微机化测控系统大多采用单片机?
答：
单片机是指将计算机的基本部件集成在一块芯片上而构成的微型计算机，单片机的优点是可靠性高、控制功能强、易扩展、体积小。
用单片机开发各类微机化产品，周期短、成本低，在计算机和仪器仪表一体化设计中有着一般微机无法比拟的优势。
正因为如此，目前常见的微机化测控系统、特别是中型测控系统和便携式测控仪器大多采用单片机。
2、指出图3-1-6中存贮器和I/O接口寻址范围。
答：
P2.7
P2.6
P2.5
P2.4
P2.3
P2.2
P2.1
P2.0
寻址范围
2764
0
0
0
×
×
×
×
×
0000H~1FFFH
6116-1
1
×
×
×
0
×
×
×
8000H~87FFH
6116-2
1
×
×
×
1
×
×
×
8800H~8FFFH
8155RAM
0
×
×
×
×
×
×
0
0000H~00FFH
8155I/O
0
×
×
×
×
×
×
1
0100H~0105H
3、主机从A/D读取转换结果有哪些方式?
它们在硬件上和软件上有什么区别?
答：
主机从A/D转换器读取转换结果数据的联络方式，可以是中断、查询或等待延时三种方式。
以ADC0809为例，这三种方式的硬件连接电路如下图所示，开关K打到“1”端为查询方式，打到“2”端为等待延时方式，打到“3”端为中断方式，
查询方式的程序为：
等待延时方式的程序为：
中断方式的程序为：
4、图3-2-4所示VFC接口电路所能转换的模拟电压Ux的最大允许值是多少?
答：
由公式（3-2-1）可得
因
的最大计数值为FFH即
，故模拟电压Ux的最大允许值为
5、仿照图3-2-11设计一个三路同步输出的D/A转换接口电路并写出接口程序。
答：
6、说明图3-2-13的工作原理及其改进电路。
答：
图3-2-13的工作原理是，当单片机的P1.0为高电平时，继电器J通电，使开关S闭合，交流接触器CJ通电，进而使三相电机得电运行。
上述电路的缺点是易引起强烈的干扰。
一是继电器J的通断时触头产生电火花；二是接触器CJ通断时产生很强的电弧。
采用固体继电器代替通用型继电器J，可消除接触器线圈通断时J触点的电火花，但接触器CJ动作触点的电弧干扰依然存在。
彻底消除电火花和电弧的干扰，可以采用晶闸管组成的无触点开关。
7、LED显示接口与LCD显示接口有哪些相同点，有哪些不同点?
试举例说明。
答：
相同点是：
1、两种数字显示器都为7段（或8段）显示结构，因此也都有7个（或8个）段选端，并需接段驱动器；2、段驱动器所加段选码都要通过译码从要显示数字的BCD码转换得到，译码方式也有硬件译码和软件译码两种；3、多位显示的方式都有静态和动态两种方式。
不同点是：
LCD数字显示器的公共电极与要显示的笔画电极之间不能加直流电压，只能加频率为几十赫到数百赫的方波信号，因此，LCD显示器的驱动接口需要提供该低频方波信号，而且其显示接口的译码驱动电路与LED显示接口的译码驱动电路也不同，二者不能通用。
8、LED静态显示和动态显示在硬件和软件上有哪些主要区别?
答：
多位LED显示器有静态显示和动态显示两种形式。
静态显示就是各位同时显示。
为此，各位LED数码管的位选端应连在一起固定接地（共阴极时）或接+5V（共阳极时），每位数码管的段选端应分别接一个8位锁存器/驱动器。
动态显示就是逐位轮流显示。
为实现这种显示方式，各位LED数码管的段选端应并接在一起，由同一个8位I/O口或锁存器/驱动器控制，而各位数码管的位选端分别由相应的I/O口线或锁存器控制。
动态LED显示程序与静态LED显示程序设计有所不同，在动态显示方式中，各个位的内容是分时轮流输出的，要得到稳定的显示效果，必须不断重复执行显示程序。
而在静态显示方式中，各个位的内容是同时输出的，不需要不断重复执行同一内容的显示程序，仅仅在需要更新显示内容时,CPU才执行一次显示更新子程序。
9、试设计一个用8155构成4×4键盘和4位LED显示的键盘/显示器接口电路，并编出判键号程序。
答：
图3-3-13是6×3键盘和6位LED显示接口电路，图中8155的PA0~PA5作为键盘的6列扫输出和6个LED的位选信号，PC0~PC2查询键盘的3行输入，PB口提供显示器的段选码。
将图中的LED减少2个，去掉PA4和PA5，只由PA0~PA3作为键盘的4列扫输出和4个LED的位选信号，增加PC3，由PC0~PC3查询键盘的4行输入，PB口仍提供显示器的段选码，这样就改成4×4键盘和4位LED显示的键盘/显示器接口电路了。
判键号程序可参照图3-3-12的键盘扫描子程序做相应改动，程序清单略。
10、何谓RS-232C的电平转换？
答：
RS-232C的逻辑电平与一般微处理器的逻辑电平（TTL电平）是不一致的，因此在实际应用时，必须把微处理器的信号电平（TTL电平）转换为RS一232C电平，或者对两者进行逆转，这两种转换是用专用电平转换芯片实现的：
MC14488可将TTL电平转换为RS一232C电平，MC14489可将RS一232C电平转换TTL电平。
单片机的串行口通过电平转换芯片所形成的RS—232C标准接口电路如下图所示
11、RS-232C标准的接口信号有哪几类?
说明常用的几根信号线的作用。
答：
RS-232C标准接口上的信号线基本上可分为四类：
数据信号（4根）、控制信号（12根）、定时信号（3根）和地（2根）。
常用的几根信号线是：
TXD——“发送数据”、RXD——“接收数据”、RTS——“请求发送”、DSR——“数据装置就绪”和信号地
12、试将RS-232C与RS-422、RS-423连接方式和传输特性的主要差别。
答：
连接方式比较如下：
传输特性的主要差别：
RS-232C
RS-422
RS-423
最大电缆长度
15m
600m
1200m
最大数据率
20Kb/s
300Kb/s
10Mb/s
14、IEEE-488是什么总线？
何谓“讲者”、“听者”、“控者”？
答：
IEEE-488标准是为可程控仪器仪表设计的，由美国Hewlett-Packard公司拟制，因此又称为HP-IB或GP-IB总线。
1975年IEEE将其作为规范化的IEEE-488标准予以推荐。
1977年IEC予以认可，并将其作为国际标准。
“控者”是对系统进行控制的设备，它能发出接口消息，如各种命令、地址，也能接收仪器发来的请求和信息。
“讲者”是发出仪器仪表消息的设备；“听者”是接收讲者所发出的仪器仪表消息的设备。
一个系统中可以有一个或几个讲者，但在任一时刻只能有一个讲者工作。
一个系统中可以有几个听者，且可以有一个以上的听者同时工作。
第4章习题解答
1、试述零位误差和灵敏度误差的校正方法
答：
零位误差的硬件校正方法是设置调零电位器和调零电路，常见的调零电路有：
传感器调零电路、电桥调零电路、放大器输入偏移调零电路、A/D转换器调零电路；灵敏度误差的硬件校正方法是调整传感器灵敏度、放大器放大倍数、A/D转换器的基准电压等主要参数，但最常见的灵敏度调整方法还是调整决定放大器增益的电阻值。
线性测试系统零位误差和灵敏度误差的软件校正方法是按照误差校正公式
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，每次测量后就调用该计算子程序，从输出读数x计算出被测量y。
2、为什么要切换量程?
怎样实现量程切换?
答：
为了扩大测量范围并保持一定的测量精度，检测系统大多设置多个量程。
普通测量仪表是用手动换档开关来切换量程，微机化测控系统应能自动进行量程切换。
量程自动切换是实现自动测量的重要组成部分，它使测量过程自动迅速地选择在最佳量程上，这样既能防止数据溢出和系统过载，又能保证一定的测量精度。
根据量程（上限）值的计算公式
要改变量程值，可以有改变传感器灵敏度为S、从传感器到A/D间信号输入通道的总增益（即各放大器放大倍数及衰减器衰减系数的连乘积）为K、A/D转换器满度输入电压为E三种方法，其中改变总增益K的方法最常用。
3、在图4-4-1（d）中，什么情况下，A/D转换数据可以直接送去显示?
什么情况下不可以?
为什么?
。
答：
只要适当选择和调整放大器增益K使它满足以下条件：
就可使A/D转换结果Di与被测量xi的数值Ni相等，在这种情况下才可将A/D转换结果作为被测量的数值去显示或打印。
如果上述条件不满足，A/D转换结果Di与被测量xi的数值Ni不相等，不可以直接作为被测量xi的数值送去显示。
4、试采用应变电桥、放大器、BCD码A/D与LED显示器设计一个电子秤，使显示器上能直接显示公斤数。
答：
见【例4—1】。
5、图4-4-1（d）中采用线性传感器和采用非线性传感器两种情况下，从A/D转换数据计算出显示数据的方法一样吗?
为什么?
答：
不一样。
图4-4-1（d）中采用线性传感器的情况下，测量通道一般也是线性的，可以采用线性通道的标度变换方法，从A/D转换数据计算出显示数据。
图4-4-1（d）中采用非线性传感器的情况下，测量通道就不是线性的，在这种情况下测量通道的A/D转换结果Di与被测量xi也就不成线性关系，因此就不能再用上述线性通道的标度变换方法，应该采用非线性通道的标度变换方法。
6、与硬件滤波器相比较，采用数字滤波方法来克服随机误差有何优点?
答：
与硬件滤波器相比较，采用数字滤波克服干扰，具有如下优点：
节省硬件成本、可靠稳定、功能强、方便灵活，而且不会丢失原始数据。
在模拟信号输入通道中使用的频率滤波难免滤去频率与干扰相同的有用信号，使这部分有用信号不能被转换成数据而存储或记录下来，即在原始数据记录上永久消失。
由于数字滤波只是把已采集存储到存储器中的数据读出来进行数字滤波，只“读”不“写”就不会破坏采集得到的原始数据。
8.常用的数字滤波算法有哪些？
说明各种滤波算法的特点和使用场合。
答：
一、限幅滤波：
由于测控系统中存在随机脉冲干扰，或由于变声器不可靠而将尖脉冲干扰引入输入端，从而造成测控信号的严重失真。
二、中位值滤波：
是对某一被测参数连续采样n次（一般n取奇数），然后把n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。
中位值滤波能有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等脉冲干扰。
三、算术平均滤波：
适用于一般具有随机干扰的信号进行滤波。
四、去极值平均滤波
五、移动平均滤波（递推平均滤波）
6六、加权平均滤波
七、低通滤波
八、复合滤波
9.试绘出递推平均滤波算法的框图，并用汇编语言编写其程序。
答：
移动平均滤波的方法――每进行一次采样，就计算一次最近N个数据的平均值
Σ−−=101NiinnxNy
移动平均滤波程序流程（程序清单见教材）
7
第5章习题解答
1、试述P、PI、PD控制规律的特点以及连续PID算式离散化的方法。
答：
P控制规律的特点是根据给定值与实现输出值的偏差的比例确定对控制对象进行控制的控制量，即
PI控制规律的特点是根据给定值与实现输出值的偏差的比例和积分确定对控制对象进行控制的控制量，即
PD控制规律的特点是根据给定值与实现输出值的偏差的比例和微分确定对控制对象进行控制的控制量，即
连续PID算式离散化处理的方法是把r（t）,e（t）,u（t）,c（t）在第n次采样时刻的数据分别用r（n）,e（n）,u（n）,c（n）表示，偏差的数据用e（n）=r（n）-c（n）表示，采样周期T很小时，dt可用T近似代替，de（t）可用e（n）-e（n-1）近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似
这样，连续PID算式便可离散化为以下差分方程
2、位置型PID和增量型PID有什么区别和联系？
增量型PID有什么优点？
答：
位置型PID和增量型PID控制算法的两种表达式分别为：
位置型算法
增量型算法
利用增量型算法，可得出位置型算法的递推形式
增量型算法与位置型算法相比，具有以下优点：
（1）增量型算法下不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小。
而位置型算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。
（2）增量型算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。
（3）采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。
3、已知某模拟控制器的传递函数
，欲用数字PID实现之，设采样周期
，试分别写出相应的位置型和增量型PID算法表达式。
解：
由公式（5-1-3）可知，模拟PID的传递函数为
将本题给出的传
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