《现代检测技术及仪表》第2版习题解答(第14章)

1 1 2ms 。 Cf h 5 100
14-7 答：集中式采集电路的组成方案有以下四种：
MUX A/D
(a) (b)
MUX
PGA
A/D
MUX
S/H
A/D
(c) (d)
MUX
PGA
S/H
A/D
分别适用什么场合如下表所示。
被测信号随时间变化 否 否 是 是
被测信号随道间变化 否 是 否 是
K0
E X max SK 1
14-6 解：据题意可知，m=12，n=6 代入公式(14-2-12)计算得，
lg(C 1)
m lg 2 12 lg 2 lg 2 2 ，故 C 2 2 1 5 。 n 6
因被测信号的最高频率为 100Hz，故所需低通滤波器截止频率为 f h f max 100 Hz ， 代入公式（１４－２－６）计算得， Ts
适用的集中式采集电路方案 (a) (b) (c) (d)
14-8 答：为了使测量结果既保证有一定的测量精度，又不超出量程范围，通常要进行量程切 换。 模拟式仪表实现量程切换的方式可以有三种：切换电源供电电压, 切换放大器的增益, 切换表头量程电阻,其中以切换放大器的增益最常见。 数字式仪表实现量程切换的方式可以有三种： 切换 A/D 的基准电压 E， 切换不同灵敏度 S 的传感器、切换放大器的增益 K，其中以切换放大器的增益最常见。 数字式仪表的量程切换的原则对微机化检测系统仍然是适用的。 但是， 在微机化检测系 统中， 不是采用数字逻辑电路而是采用微机来控制量程切换开关动作， 微机依据模拟比较器Baidu Nhomakorabea的比较结果或 A/D 转换器的“过量程”和“欠量程”指示信号对量程切换开关进行程序控 制。如果 A/D 转换器没有量程判别功能，也可由微机将 A/D 转换器的数据 N x 与窗口值
《现代检测技术及仪表》第 2 版习题解答
孙传友 编
第 14 章
14-1 答：因为单片机一般具有以下优点：可靠性高、易扩展、控制功能强、体积小、开发周 期短、成本低。所以，目前常见的微机化检测系统、特别是中型检测系统和便携式测控仪器 大多采用单片机。 14-2 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。 采用硬件译码时， 微机输出的是显示数字的 BCD 码， 微机与 LED 段选端间接口电路包括 锁存器(锁存显示数字的 BCD 码)、译码器(将 BCD 码输入转换成段选码输出)、驱动器(驱动 发光二极管发光)。采用软件译码时，微机输出的是通过查表软件得到的段选码。因此接口 电路中无需译码器，只需要锁存器和驱动器。 14-3 答： 相同点: 两种键盘都是一组按键的集合。 按键是一种按压式或触摸式常开型按钮开 关。 平时(常态)按键的两个触点处于断开状态， 当按压或触摸按键时两个触点才处于闭合连 通状态。为了能让 CPU 监测按键是否闭合，通常将按键开关的一个触点通过一个电阻(称上 拉电阻)接+5V 电源(这个触点称为 “测试端” )， 另一个触点接地或接低电平(这个触点称 “接 零端”)，这样当按键开关未闭合时，其测试端为高电平，当按键开关闭合时，其测试端便 为低电平。 不同点：独立式键盘的特点是各按键相互独立，每个按键的“接零端”均接地，每个按 键的“测试端”各接一根输入线，如图 14-1-1(a)所示，一根输入线上的按键工作状态不会 影响其它输入线上的工作状态。 这样， 通过检测输入线的电平状态就可以很容易地判断哪个 按键被按下了，因此操作速度高而且软件结构很简单。但是，由于独立式键盘每个按键需占 用一根输入口线，在按键数量较多时，输入口浪费大，故此种键盘只适用于按键较少或操作 速度较高的场合。 独立式键盘的按键可以直接与 CPU 的 I/O 口相接， 也可以用扩展 I/O 口(如 8255 扩展 I/O 口或三态缓冲器扩展 I/O 口)来搭接独立式按键接口电路。 如图 14-1-1(b)所示,行列式键盘的特点是：行线、列线分别接输入线、输出线，按键设 置在行、列线的交叉点上，每一行线(水平线)和列线(垂直线)的交叉处不相通，而是通过按 键来联通，利用这种矩阵结构只需 m 根行线和 n 根列线就可组成 m×n 个按键的键盘，因 此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，所以必须 将行、 列线信号配合起来并作适当处理， 才能确定闭合键的位置， 因此， 软件结构较为复杂。 14-4 答： 键盘接口与键盘程序的根本任务就是要监测有没有键按下?按下的是哪个位置的键?
1 0
和 N FS 进行比较后，依据比较结果对量程切换开关进行程序控制。在微机化检测系统中， 量程切换通常是通过程序改变程控增益放大器 PGA 的增益来实现的。 程控增益放大器 PGA 的增益一般以１０的整数次幂变化，也有的以２的整数次幂变化。 14-9 答： 因为微机化仪表中的微机具有强大的运算处理功能， 微机化仪表的调零和调满度可 以用软件来实现。因此微机化仪表中可以不设置调零和调满度的硬件电路。 微机化仪表实现零点和灵敏度的自动校正，通常是执行一段“校准”操作程序，以获得 最新的校准数据（NH、DH） 、(NL、DL)并存入内存。每次测量后按（14-4-4） 、 （14-4-5） 、 （14-4-6）式从 Di 计算出 Ni 时，因为代入公式的（NH、DH） 、(NL、DL)是刚刚校准过的最新 数据，所以计算出的 Ni 就不会存在零点和灵敏度误差了。 14-10 答： 微机化仪表对被测量进行测量的过程中， 通常要用传感器将被测非电量转换成电量， 再用适当的测量电路和数字转换电路， 将模拟电量转换成数字量。 被测量在这一系列转换过 程中，量纲会发生多次变化，最后得到的数字 D 虽然与被测量 X 是唯一对应的，但往往不 是以被测量的量纲为单位的数字，即 D N 。在这种情况下，如果把数字转换电路输出的 数字 D 作为测量数字显示出来，显然是错误的。因此，必须把数字转换电路输出的数字 D 变换成真正的测量数字 N。这种变换便是标度变换。 １4-11 答： 相同点： 三类仪表非线性校正都是对非线性传感器输出的被测信号进行非线性处理， 使处理后的结果与被测量保持线性关系。 不同点： 模拟式仪表的非线性校正是采用模拟非线性校正电路实现的， 数字式仪表的非
线性校正既可采用模拟非线性校正电路， 也可采用数字非线性校正电路。 微机化仪表的非线 性校正既可采用硬件（模拟非线性校正或数字非线性校正电路）也可采用软件实现，其中软 件非线性校正最常见。 14-12 答：相同点：三代万用表的基本功能相同，都能测量直流、交流、电压、电流、电阻等 常见电量。 不同点：指针式万用表是将被测量转换成μA 级直流电流，流过表头线圈，驱动线圈带 动指针偏转， 以指针的转角表示被测量的大小； 数字式万用表是将被测量转换成 mV 级直流 电压， 加到由 A/D 转换器和 LCD(或 LED)显示器构成的数字表头进行 A/D 转换， 以 LCD(或 LED)显示器上显示的转换结果表示被测量的数值；智能式万用表测量结果的显示形式与数 字万用表相同， 但由于它配接了微处理器， 具有数据处理、 自动校准、 故障自检等多种功能。 就测量精度和速度而言，指针式万用表最低，而智能式万用表最高。就测量功能而言，指针 式万用表最少，而智能式万用表最多。
这个键的键值是多少?这个任务叫做键盘扫描。键盘扫描可以用硬件来实现，也可以用软件 来实现。 带有键盘扫描硬件电路的键盘称为编码键盘， 不带键盘扫描硬件电路的键盘称为非 编码键盘，非编码键盘的扫描靠软件实现。软件实现键盘扫描有三种工作方式：程控扫描方 式或查询方式，定时扫描方式，中断工作方式。 14-5 答： 我们知道， 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 VON 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 VIN。 如果加在该电路输入端的信号幅度 VIS 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 面加一级放大器即前置放大器。前置放大器的放大倍数必须大于１即 K0>1，而且必须是低 噪声的——即该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。 前置放大器的增益 K0 越高, 检测系统的等效输入噪声越低，接收弱信号的能力越强。 但是，前置放大器增益的增益不能过大，以致使 A/D 转换器发生溢出。设检测系统的量程上 限为 Xmax,传感器及其接口电路的灵敏度为 S， 前置放大器的增益为 K0， 前置放大器之后 A/D 转换器之前的通道增益为 K1，A/D 转换器的满度输入电压为 E，则前置放大器的增益 K0 应在 满足以下条件的前提下尽可能取高些。