智能仪器原理与设计-数字量的输入输出
实验四：标度变换(工程量变换)
西华大学实验报告（理工类）电气信息学院 专业实验中心 实验室：6A-222 实验时间 ： 2014年6月20日Nx ——实际测量值所对应的数字量。
式(1)为线性标度变换的通用公式，其中A 0，A m ，N 0，N m 对某一个具体的被测参数与输入通道来说都是常数，不同的参数有着不同的值。
为使程序设计简单，一般把一次测量仪表的下限A 0所对应的A/D 转换值置为0，即N 0=0。
这样式(1)可写成：（2）在多数测量系统中，仪表下限值A0=0，对应的N0=0，则式 （2）可进一步简化为：（3）式（1）、式（2）、式（3）即为在不同情况下的线性刻度仪表测量参数的标度变换公式。
例1：某加热炉温度测量仪表的量程为200 ~ 800℃，在某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为CDH ，求此时的温度值是多少？(设该仪表的量程是线性的)。
解：根据式(2)已知，A 0 = 200℃, A m = 800℃，N x = CDH = (205)D ，N m = FFH = (255)D 。
所以此时的温度为例2：某压力测量系统中, 压力测量仪表的量程为400～1200Pa,采用8位A/D,设某采样周期计算机中经采样及数字滤波后的数字量为ABH,求此时的压力值。
解：A0=400Pa, A ｍ＝1200Pa,Nx=ABH=171， Nm=FF=255D ，N0=0 则：三、非线性参数标度变换实际上许多智能仪器所使用的传感器是非线性的，则上面的三个线性变换式均不适用。
此时，一般先进行非线性校正，然后再进行标度变换。
但是，如果能将非线性关系表示为以被测量为因变量、传感器输出信号为自变量的解析式时，则一般可直接利用该解析式来进行标度变换。
通过具体实例介绍。
例如，在差压法测流量中，流量与压差之间的关系为（4）式中：Q —— 流体流量；∆P ——节流装置前后的差压；mx0m x )A N N A A A +-(=200255205)200+-(800== 682℃mx0m x )A N NA A A +-(=m xm x N N A A =936Pa400255171400)-(1200 )(00=+⨯=+-=A N N A A A mxm x PK Q ∆=K —— 刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸有关。
智能仪器实验指导书
智能仪器实验指导书Revised on November 25, 2020《智能仪器》实验报告实验项目实验时间同组同学班级学号姓名2014年4月实验一多路巡回数据数据采集系统一、实验目的1．学习模/数（A/D）转换的工作原理。
2．掌握芯片ADC0809与微控制器接口电路的设计方法。
3．掌握芯片ADC0809的程序设计方法。
二、实验设备1．实验用到的模块有“SMP-201 8051模块”、“SMP-204 译码模块”、“SMP-101 8位A/D模块”、“SMP-401 静态显示模块”。
2．短的20P、40P数据线各一根。
3．长的一号导线3根，转接线一根。
三、实验原理ADC0809芯片是一种8位采用逐次逼近式工作的转换器件。
它带有8路模拟开关，可进行8路模/数转换，通过内部3-8译码电路进行选通。
启动ADC0809的工作过程：先送信道号地址到A、B、C三端，由ALE信号锁存信道号地址，选中的信道的模拟量送到A/D转换器，执行语句 MOVX ＠DPTR，A产生写信号，启动A/D转换。
当A/D转换结束时，ADC0809的EOC端将上升为高电平，执行语句MOVX A，＠DPTR产生读信号，使OE有效，打开锁存器三态门，8位数据就读到CPU中，A/D转换结果送显示单元。
编程时可以把EOC信号作为中断请求信号，对它进行测试，用中断请求或查询法读取转换结果。
实验原理参考图1-1。
图1-1 多路巡回数据数据采集系统实验原理图本实验中ADC0809的8位模拟开关译码地址为：IN0= 8800H IN1= 8801HIN2= 8802H IN3= 8803HIN4= 8804H IN5= 8805HIN6= 8806H IN7= 8807H四、实验内容步骤1．将“SMP-201 8051模块”和“SMP-204 译码模块”分别插放到“SMP-2 主控制器单元”挂箱的CPU模块接口和译码模块接口上，将“SMP-101 8位并行AD模块”插放到“SMP-1 信号转换单元”挂箱的A/D转换模块接口上，将“SMP-401 静态显示模块”插放到“SMP-4键盘与显示单元”的显示模块接口上。
第5章 数字信号的输入与输出
第五章数字信号的输入与输出智能仪器的信息输入、输出，可以分为数字量与模拟量。
数字量的输入输出相对较简单，对于模拟量的输入，一般信号都比较微弱，需要放大，A/D转换等。
一、常见的数字信号数字量输入信号：开关、按钮，数字式传感器，方波信号，正弦波信号等。
数字量输出：LED显示、指示灯、液压阀、继电器控制、步进电机控制等。
二、数字量信号的输入特点：1、信号的放大与变换，对于许多数字信号，是信号很弱的周期性信号，如正弦信号，三角波信号。
而输入单片机或微机中的信号一般有一定的电压幅值要求。
如光栅输出的信号就很小的正弦波。
常用的方法，先放大，然后处理。
当电压较高时，也不能直接输入，需要进行分压。
如图所示：2、隔离，对于一些输入信号，由于波动等，很容易对系统产生影响，需要采取隔离输入，常见的是光电隔离。
下图为光耦合器的结构与特性图4-16光耦合器结构与特性a)耦合器结构b)输入特性c)输出特性3、缓冲驱动，为了提高信号的驱动能力，改善信号性能，经常在输入单片机或微机前加一级缓冲，常用的是74HC244等。
4、安全保护，当输入电压变大到一定量时，会对系统造成破坏，因此，对于输入信号变化较大的情况，需要考虑安全保护。
常用稳压二极管等。
5、开关信号输入单片机中的常见方法：按键信号TLP-521-4是4路光耦，光耦前要接限流电阻，不同的光耦由于允许电流不同，限流电阻也不同。
进入单片机前，一般加驱动器74LS244。
三、数字信号的输出1、输出信号的几个问题1）功率匹配问题，单片机或微机的输出信号功率较小，要驱动不同的负载，要求的功率不同，电压不同，所以在在输出驱动时，首先关心输出的电压与功率。
如驱动发光二极管，正向电压为2－2.5V，最大电流为2－20mA，对于AT89C51，I/O口的最大灌电流10mA，因此可以直接驱动发光二极管。
8mA，则：R＝（5－2.2）/0.008=350(Ω)因此R一般选取200Ω－500Ω。
智能仪器原理与设计教学大纲
智能仪器原理与设计教学大纲《智能仪器原理与设计》教学大纲课程代码：31040180学位课程/非学位课程：非学位课程学时/学分：46/3（其中实验8学时）先修课程：《电子技术基础》、《传感器原理与应用》、《微机原理与接口技术》适用专业：电子信息工程专业课程简介：本课程是电子信息工程专业的主干专业课。
本课程介绍智能仪器的特点、技术标准、发展概况、基本构成和先进控制技术。
本课程还着重介绍了智能仪器的设计思想和设计方法。
一、教学目标1、知识水平教学目标掌握智能仪器的输入输出通道及接口技术、常用组件的原理及性能指标；理解智能控制系统误差的形成原理及自动校准和自诊断技术、基本抗干扰技术；2、能力培养目标在学习电子技术基础，传感器原理及微机原理等技术基础课程的基础上，了解智能仪器的概念及其设计内容，学会利用单片机设计智能仪器的各种功能模块，了解每个环节上的抗干扰措施。
以便今后能从事智能仪器的设计、研发工作。
3、素质培养目标（1）求实精神：通过本课程教学，培养学生追求真理的勇气、严谨求实的科学态度和刻苦钻研的作风。
（2）创新意识：通过学习，引导学生树立科学的世界观，激发学生的求知热情、探索精神、创新欲望，以及敢于向旧观念挑战的精神。
二、教学重点与难点1、教学重点：掌握智能仪器的输入输出通道及接口技术、常用组件的原理及性能指标；理解智能控制系统误差的形成原理及自动校准和自诊断技术、基本抗干扰技术；了解智能仪器设计的基本原则、步骤；了解智能控制系统的控制软件的基本结构及设计方法、硬件的基本构成及设计方法以及系统的调试方法。
2、教学难点：智能仪器中的抗干扰技术以及智能仪器系统的设计思想。
三、教学方法与手段四、教学内容、学习目标与学时分配教学内容教学目标课时分配（38学时）1导论了解22智能仪器模拟量输入/输出通道82.1模拟量输入通道掌握22.2高速模拟量输入通道掌握22.3模拟量输出通道掌握22.4数据采集系统掌握23智能仪器人机接口83.1键盘与接口掌握23.2LED显示及接口掌握23.3键盘/LED显示器接口设计掌握23.4CRT显示及接口了解13.5微型打印机及接口掌握14智能仪器通信接口84.1GPIB通用接口总线掌握24.2GPIB接口电路的设计掌握24.3串行通信总线掌握24.4串行通信接口电路的设计掌握25智能仪器典型处理功能65.1硬件故障的自检掌握25.2自动测量功能掌握25.3仪器测量精度的提高掌握15.4干扰与数字滤波掌握16电压测量为主的智能仪器66.1智能化DVM原理掌握26.2智能化DMM原理掌握26.3智能化RLC测量仪原理掌握2实验项目与学时分配表注：实验类型代码为1—演示性；2—验证性；3—综合性；4—设计研究；5—其它五、作业要求1、课外作业：布置与授课知识点相关课后习题2、阅读与自学：自学各种智能仪器的实用电路六、考核方式与考试范围1、考核方式：考试2、考试范围：全部教学内容1、教材。
智能仪器原理实训报告
一、实训目的通过本次智能仪器原理实训，了解智能仪器的组成、工作原理以及在实际应用中的操作方法，掌握智能仪器的调试与维护技能，提高对智能仪器系统的理解和应用能力。
二、实训内容1. 智能仪器系统组成智能仪器系统主要由以下几部分组成：（1）传感器：用于检测被测量的物理量，并将其转换为电信号。
（2）信号调理电路：对传感器输出的信号进行放大、滤波、转换等处理，以满足后续处理的要求。
（3）微处理器：对信号进行处理、运算、存储等，实现对仪器的控制和显示。
（4）显示与输出设备：将处理后的结果以图形、数字等形式展示给用户。
（5）电源：为仪器提供稳定的工作电压。
2. 智能仪器工作原理智能仪器的工作原理如下：（1）传感器检测被测物理量，产生相应的电信号。
（2）信号调理电路对传感器输出的信号进行放大、滤波、转换等处理。
（3）微处理器对调理后的信号进行采集、处理、运算、存储等。
（4）处理后的结果显示在显示设备上，或输出到外部设备。
3. 智能仪器调试与维护（1）调试：在仪器安装完成后，对仪器进行调试，确保其正常运行。
（2）维护：定期对仪器进行清洁、检查、更换损坏的部件等，以保证仪器的稳定运行。
三、实训过程1. 实训环境（1）实训设备：智能仪器系统、传感器、信号调理电路、微处理器、显示与输出设备、电源等。
（2）实训软件：智能仪器控制系统软件。
2. 实训步骤（1）连接仪器各部件，检查连接是否正确。
（2）启动仪器控制系统软件，设置参数。
（3）进行传感器标定，确保传感器输出信号的准确性。
（4）进行信号调理电路调试，确保信号处理效果。
（5）进行微处理器调试，确保数据处理正确。
（6）进行显示与输出设备调试，确保数据显示正确。
（7）进行仪器整体调试，确保仪器正常运行。
（8）进行仪器维护，检查各部件是否正常。
四、实训结果与分析1. 实训结果本次实训，我们成功搭建了智能仪器系统，并对仪器进行了调试和维护。
仪器能够正常运行，满足实验要求。
2. 实训分析（1）传感器性能对仪器精度有重要影响，因此传感器标定是保证仪器精度的重要环节。
第3章 智能仪器输出通道
8
1 255
0.0039 0.39%
1
n
对于n位D/A转换器，分辨率为 2 1 。 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。
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（2）转换误差
实际D/A转换器由于各元件参数值存在 误差、基准电压不够稳定以及运算放大器的 漂移等，使D/A转换器实际转换精度受转换 误差的影响，低于理论转换精度。
•
I OUT 2
•
•
R fb
VREF
：数据写入DAC寄存器的控制信号，低电 平有效。 ：传送控制信号，低电平有效。 : 模拟电流输出，当输入数字为全为“1” 时，输出电流最大（255V / 256R ），当输 入数字为全为“0”时，输出电流为0。 ：模拟电流输出，模拟量为差动电流输出, 与的关系是：I I ＝常数 ：内部反馈电阻引脚，可外接输出增益调 整电位器。 ：参考电压输入端，可接正负电压，范 围为-10～+10V。
（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。
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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:
LSB
。
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2、转换速度 一般由建立时间决定。建立时间是指当 输入的数字量变化时，输出电压进入与稳态 值相差 1 LSB 范围以内的时间。
智能化仪器原理及应用(第三版)课件：智能型温度测量仪
智能型温度测量仪
在RAM区中还开辟了4个通用工作寄存区， 共有32个通 用寄存器， 可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。 在MCS-51系列单片机内部， 还有1个由直接可寻址位组 成的布尔处理机， 即位处理机。 指令系统中的位处理指 令专用于对布尔处理机的各位进行布尔处理， 特别适用 于位线控制和解决各种逻辑问题。
智能型温度测量仪
MCS-51 简化结构框图与逻辑符号如图4-3所示。
XTAL1、 XTAL2： 内部振荡电路的输入/ RESET：
EA ： 内外程序存储器选择端。 当 EA 为高电平时， 访问内部程序存储器； 当 EA 保持低电平时， 只访问外部 程序存储器， 不管是否有内部存储器。
智能型温度测量仪
P2.０相连。 存储器和8155的控制信号线分别与8031的相应端
相接， 从而可实现各种器件的读写操作。
智能型温度测量仪
4.2.2
温度是一个很重要的物理参数， 也是一个非电量， 自然界中任何物理化学过程都紧密地与温度相联系。 在 很多产品的生产过程中， 温度的测量与控制都直接和产 品质量、 生产效率、 节约能源以及安全生产等重要经济 技术指标相联系。 因此， 温度的测量是一个具有重要意 义的技术领域， 在国民经济各个领域中都受到相当的重 视。
智能型温度测量仪
与此同时， 将数据显示和打印出来； 也可将输出的开关 量经D/A 转换成模拟量输出， 或者利用串、 并行标准接 口实现数据通信。 整机工作过程是在系统软件控制下进 行的。 工作程序编制好后写入只读存储器中， 通过键盘 可将必要的参数和命令存入读/写存储器中。
智能型温度测量仪 图 4-2 智能型温度测量仪的工作流程
智能型温度测量仪
智能化仪器原理及应用
第12章_智能测量仪器与自动测试系统1
国际标准
§12-5 数据采集系统
一、数据采集系统的组成 传感器 ….. 传感器 多 路 开 关 放 大 隔 离 采 样 保 持 计 算 机
A/D
1. 模拟开关 通道数 泄漏电流——通道断路，电阻不为无穷大 通道断路， 泄漏电流 通道断路 导通电阻——通道短路电阻不为零 导通电阻 通道短路电阻不为零 切换速度 电压范围 光电隔离 2. 隔离运放 隔离运放 电磁隔离
§12-1 概述
一、智能仪器 智能仪器是计算机技术和测量仪器相结合的产物。 智能仪器是计算机技术和测量仪器相结合的产物。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， 拥有对数据的存储、运算、逻辑判断和自动化操作等功能，因 而称之为智能仪器 智能仪器。 而称之为智能仪器。 经典的 测量理论 现代的 测量理论 计算机 + 技术 测量 技术 测量的三要素 标准量，被测量， 标准量，被测量，比较仪器 • 提取被测量的信息特征； 提取被测量的信息特征； • 作为测控系统的一部分； 作为测控系统的一部分； 现代测量 理论与技术 智能仪器
二、智能仪器的特点 1. 测量过程的软件控制 自动量程切换； 自动量程切换； •用软件实现早期由硬件实现的功能 自动极性判断； 用软件实现早期由硬件实现的功能 自动极性判断； 自动巡回检测； 自动巡回检测；... • 人机对话；自检；自诊；显示及打印；... 人机对话；自检；自诊；显示及打印； 2. 数据处理 • 数据存储； 数据存储； • 数据处理——误差处理；数字滤波；时域/频域分析；... 误差处理； 数据处理 误差处理 数字滤波；时域/频域分析； 3. 多功能化 有功、 例：智能化电力分析仪——有功、无功、电压、电流、… 智能化电力分析仪 有功 无功、电压、电流、 峰谷记录、打印报警、 峰谷记录、打印报警、...
数字量输入输出与抗干扰设计技术-
可控硅型光耦还有一种光耦是可控硅型光耦。
例如：M0C3063. IL420；它们的主要指标是 负载能力;例如:M0C3063的负载能力是100mA ； IL420是300mA ；MOC3020、M0C302K M0C3023、M0C3030 可控硅驱动输出。
M0C3010、M0C304K M0C3061、M0C3081 过零触发可控硅输出 双向可控硅过零电压触发驱动电路（M0C3040应用电路）双向可控硅过零电压触发驱动电路（M0C3040应用电路）这种器件是一种单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件。
它III 输入 和输岀两部分组成，输入部分是一神化稼发光二极管。
该二极管在5〜15mA 正向 电流作用下发出足够强度的红外线，触发输出部分。
输出部分是一硅光敬双向可 控硅，在紫外线的作用下可双向导通。
该器件为六引脚双列直插式封装，其引脚 配置和内部结构见下图：有的型号的光耦合双向开关可控硅驱动器还带有过零检测器。
以保证电压为 零（接近于零）时才可触发可控硅导通。
如MOC3O3O/31/32（用于U5V 交流）， MOC3040/41 （用于 220V 交流）。
下图是过零电压触发双向可控硅驱动器M0C3040系列的典型应用电路。
logic diagram6MOC3020 - MOC3023 …PACKAGE (TOPVIEVCMAIN TERM TRIAC SUBt MAIN TERMt Do no< oonnect this tetmimaJ N€ - No int^rnaJ ccnneclionPARAMETER MEASUREMENT INFORMATIONV|n ■ 30 Vrms【例3】用过零触发可控硅控制直流灯泡【通过CAP11-双向可控硅一直流】【可以看出，开关按下时，灯亮；松开时.灯仍然亮，因为是直流电源，没有 过零。
］ TLP521-1单光耦、TLP521-2双光耦、TLP521-4四光耦、TLP621四光耦R1R4 QCC R10K <TEXI>U3：A7407 灯巴e4-12V【例2】用过零触发可控硅控制交流灯泡【CAP11-双向可控硅一交流】U2M0CO53 <TEXT>余12V_ <TEXT>1 : Anode2 : Cathode3 : Emitter4 : Collector1, 3 : Anode2, 4 : Cathode5, 7 : Emitter6, 8 : CollectorTIL113达林顿输出TIL117 TTL逻辑输出PC814单光耦PC817单光耦H11A2晶体管输出H11D1高压晶体管输出H11G2电阻达林顿输*过零触发含义是在零电压和零电流状态下导通可控硅，可以承受大的电流，同时触发完后免除了电流和电压的冲击，对可控硅的使用寿命有很好的保护作用2.2线性光耦的选取原则在设计光耦反馈式开关电源时，必须正确选择光耦的型号及参数，选取原则如下：（1）光耦的电流传输比（CTR）的允许的范围是50%〜200%,这是因为当CTRV50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流（IF>5.0mA）,才能正常控制单片机开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。
《智能仪器》实验指导书及报告
《智能仪器》实验指导书及实验报告班级：课程：姓名：学号：南京工程学院自动化学院测控技术与仪器教研室2012.3目录实验一多路巡回数据数据采集实验 (1)实验二温度测量实验 (7)实验三转速测量实验 (11)实验四自动量程切换实验 (13)实验一多路巡回数据数据采集实验一、实验目的1、了解AD774 A/D芯片转换性能。
2、了解AD774 A/D转换器等芯片与单片机的接口方法。
3、掌握用单片机、AD774以及多路模拟开关MPC508等芯片构建多路巡回数据采集系统方法及编程方法。
二、实验要求利用实验板上的AD774 A/D转换器、多路模拟开关MPC508和可编程增益放大器AD526搭建8路数据采集系统，并用实验板上的电位器提供多路模拟量输入，通过消化相关程序（“实验程序/C8051实验程序/多路开关”文件夹下SWITCH.wsp项目文件；实验程序/C8051实验程序/可编程增益放大器”文件夹下GAIN.wsp项目文件；实验程序/C8051实验程序/外部12位AD转换”文件夹下“Exte_ad.wsp”项目文件）编制采集程序，每路模拟量采集10个样点，并按顺序存放在以20H为首地址的表格中（若采用c语言编程，将数据放在ADdata[8][10]的二维数组中，8为采集路数，10为每路采集样点数）。
三、实验内容及说明放大器AD526A/D转换器AD774BC8051单片机输入电压1多路模拟开关MPC508输入电压8图1-1 多路巡回数据数据采集系统框图系统实验原理图如图1-2所示，图1-2（a）为多路模拟开关MPC508电路，图1-2（b）为可编程增益放大器AD526电路，图1-2（c）为AD774模数转换电路。
(a) 多路模拟开关MPC508电路（b）可编程增益放大器AD526电路（c）AD774模数转换电路。
图1-2 多路巡回数据采集系统实验原理图1．多路开关MPC508MPC508（U1）为8通道多路开关，其引脚图如图1-3。
《智能仪器仪表设计技术》
《智能仪器仪表设计技术》课程教学大纲开课单位：自动控制教研室课程负责人：柏俊杰适用于本科测控技术与仪器专业教学时数：48学时一、课程概况《智能仪器仪表设计技术》是测控技术与仪器专业本科生必修的一门专业课程。
本课程的任务是：通过本课程的学习，使学生建立仪器仪表整机系统的概念，掌握智能仪器仪表软硬件相结合的基本工作原理、主要技术和设计方法，培养学生综合运用所学知识与技术进行仪器设计的能力，提高学生的灵活性和创新意识，并为将来从事测控、仪器仪表、电气工程、自动化等领域的工作打下坚实的基础，初步具备研制智能仪器仪表的能力。
本课程的先修课程主要有《单片机原理及应用》、《数字信号处理》、《现代传感器技术》、《自动检测技术》等。
二、教学基本要求掌握智能仪器仪表的基本结构及工作原理。
全面掌握多种类型信号的数据采集方法和系统实现技术。
掌握智能仪器外设接口与通信技术的集成化应用。
掌握智能仪器的基本数据处理算法，能够灵活运用。
全面了解软件设计方法，学习并掌握典型智能仪器模块化软件设计方法。
建立仪器可靠性的概念，掌握智能仪器基本的抗干扰软硬件技术。
了解智能仪器可测试性原理。
对仪器的高级智能化、自动化、网络化等新发展有一定了解。
注重培养和提高学生的综合集成设计能力，课堂讲述与设计实例紧密结合，主要单元教学内容与实验相结合，单元实验与仪器系统综合设计实现相结合。
使学生完成本门课程的学习任务之后，能够提出仪器系统的设计思路、论证设计方案，具备技术实现能力，基本上能够处理实践过程中出现的问题，并提出解决办法。
三、教学内容及要求1．概述教学内容：智能仪器仪表概述；智能仪器仪表的分类、基本结构与特点；推动智能仪器仪表发展的主要技术。
基本要求：了解智能仪器仪表的分类、基本结构、特点及智能仪器仪表的主要技术。
2．智能仪器仪表的输入输出通道教学内容：数字量输入输出通道的作用、组成；模拟量输出通道的组成结构；D/A转换器的主要性能指标，常用D/A转换器与微处理器的接口；D/A转换器的输出方式；常用D/A芯片及生产厂商；模拟量输入通道组成结构；A/D转换器的主要技术指标，A/D转换器与微处理器的接口；常用A/D芯片及生产厂商；模拟多路开关、采样保持器、信号调理电路（信号放大、滤波、信号变换），数据采集系统的组成及工作原理；常用模拟多路开关芯片、采样保持器及生产厂商；数据采集系统设计及举例；数据采集系统的误差分析。
智能仪器
智能仪器定义：含微型计算机的电子仪器拥有对数据的存储、运算、逻辑判断、自动化操作及与外界通信的功能，具有一定的智能作用，因而被称为智能仪器。
智能仪器的典型结构：智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它由硬件和软件两大部分组成。
硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路、通信接口电路。
主机电路：用来存储程序、数据并进行一系列运算和处理。
通常由微处理器、程序存储器及输入/输出接口电路等组成，或者它本身是一个单片微型计算机。
模拟量输入/输出通道：主要由AD转换器、DA转换器和有关模拟信号处理电路等组成。
人机接口电路：作用是沟通操作者和仪器之间的联系主要由仪器面板中的键盘和显示器组成。
通信接口电路：用于实现仪器与计算机的联系以便是仪器可以接受计算机的程序命令。
智能仪器的软件分为监控程序和接口管理程序两部分。
监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序，其内容包括：通过键盘输入命令和数据，以对仪器的功能、操作方式与工作参数进行设置；根据仪器设置的功能和工作方式，控制IO接口电路进行数据采集、存储；按照仪器设置的参数，对采集的数据进行相关处理；以数字、字符、图形等形式显示测量结果、数据处理的结果及仪器的状态信息。
接口管理程序是面向通信接口的管理程序，其内容是接收并分析来自通信接口总线中的远控命令，包括描述有关功能、操作方式与工作参数的代码；进行有关数据采集与数据处理；通过通信接口送出仪器的测量结果、数据处理结果及仪器现行工作状态信息。
智能器的主要特点：1智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋钮或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，从而是仪器面板的布置和仪器内部的有关部件的安排不再互相限制和牵连。
2微处理器的运用极大地提高了仪器的性能。
3智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自诊断等功能，有力地改善了仪器的自动化测量水平。
4智能仪器具有友好的人机对话的能力，使用人员只需要通过键盘打入命令，仪器就能实现某种测量和处理功能。
智能仪器中数字量的输入、输出
开关量输出
中功率开关量输出驱动接口
功率场效应管也称功率MOSFET（Metal-Oxide Silicon Field Effect Transistor），它是一种常用的中等功率的 开关控制驱动器件。与双极性晶体管比，它的工作原 理不同，驱动方式也不同，一般有TTL集成电路和 CMOS集成电路两种驱动方式驱动场效应管。它有几 个优点。 MOSFET有较高的开关速度。 有较宽的安全工作区而不会产生热点，同时他是一种 具有正的电阻温度系数的器件，所以，容易进行并联 使用。可靠性好。 过载能力强。阀值电压高，可达2-6V。 由于是电压控制器件，对驱动电路要求低。
为测量频率时的相对误差 为计数值的相对误差 为与门开启时间的相对误差
当与门开闭时间t与被测量脉冲周期的整数倍接近或相 等时候，测频法测量频率的最大误差可能为 。
分析 分析 得到结果
的误差来源。即分析 。
。
这样，在测量时间t一定的情况下，测量误差随着被测 信号频率的降低而增大。当f较低时，应采用别的测量 方法。
由MCS-51单片机内部定时器T0和口P3。4送出，T0工作方式1， 则PWM输出信号中的高电平和低电平持续时间Th和Tl分别为
Th=(216-x)*12/fosc Tl=(216-y)*12/fosc
式中，x,y分别为Th和Tl相对应的定时常数。
作业：1。使用CPLD，VHDL语言表示PWM。占空比为0.656。 2。书22页，第4题。
开关量输出
数字逻辑电路的额定负载能力表 逻辑电 路类型 输出高电平/V 拉电流/mA 输出低电平/V 灌电流/mA -0.4 1.6 0.4 0.01 16 0.5
标准TTL 2.4 逻辑 4.99 标准 CMOS逻 辑 4.99 高速 COMOS 逻辑
ABB定位器说明书
产品信息用于过程自动化的智能阀门定位器TZID, TZIDC, TZIDC110, TZIDC120, TZIDC200系列仪器仪表——解决方案BA用于过程自动化的智能阀门定位器TZID, TZIDC, TZIDC110, TZIDC120, TZIDC200系列公司简介ABB公司是一家总部设在瑞士苏黎世的超大型著名跨国集团，系由瑞典的ASEA集团与位于瑞士巴登市的BBC集团公司于1988年合并而成。
ABB现有17万多雇员，5000多个分支机构遍布140多个国家，主要业务为工业自动化、发电、输配电以及金融服务等。
99年1月11日，年销售额逾20亿美元的ElsagBailey过程自动化集团正式加入ABB集团。
ElsagBailey拥有诸如BaiIey、Fischer&Porter、TBI、Hartmann&Braun等一批知名的自动化产品制造商和品牌。
通过ABB和EB的有力合并，ABB集团因此成为世界电气与自动化领域无可争辩的双料巨人。
其中在自动化领域已处于显著的全球领先地位，拥有85亿美元的年销额、45000多名员工，在45个国家共有1000多家分公司。
ABB在中国设有1个控股公司、1个独资公司、22个代表处和22个合资企业，共有员工5500多人。
ABB连续几年被有影响的杂志和咨询公司评为管理最佳公司，ABB的战略是集中全球优势满足当地客户的需求。
我们相信ABB能够为客户提供最好的“价值”。
而我们之所以能够提供“价值”完全基于 ABB在石油、化工、电力、冶金、造纸、建材等各种工业领域的详尽的过程自动化知识，项目管理技术及财政金融方面的力量，这些使得我们能够完成每一浩大繁杂的综合工程。
拥有世界领先的研发技术和优异性能，德同Hartmann&Braun（哈德曼.布朗，简称H&B公司）早在40年以前，就开始向中国提供其高效的电动执行机构和电气阀门定位器。
1999年H&B随Elsag Bailey过程自动化集团正式并入ABB集团，由于采用了最先进的微处理数字信号过程转换、控制和数字通讯技术，加上“德国造”的高精度(最高到0.1%)，高传动效率、和高可靠性(重庆电厂曾经连续无故障运行近20年)，使得ABB电动执行机构和智能电气阀门定位器在许多项目成套时，都在关键部位被广泛选用却并不被留意其是ABB的品牌产品。
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概述
无论是微处理器内嵌式智能仪器还是标准化模块仪器，输入/输出通道是其重要的组成部分。
仪器测控对象的各类参数、状态等信息通过输入通道进入仪器，这些信息经微处理器分析、处理后，根据需要将测量结果送显示或打印机接口等，或将控制命令等通过输出通道送至执行机构。
显然，智能仪器的测量和控制精度与输入/输出通道的性能密切相关。
智能仪器的输入/输出通道包括数字量输入/输出通道和模拟量输入/输出通道两部分。
本章主要内容——数字量输入/输出通道数字信号分为开关量和脉冲量。
2.1 开关量输入\输出
2.2 脉冲量输入\输出
2.1 开关量输入/
输出
开关量信号是智能仪器常需处理的一类基本的输入输出信号。
这类信号包括：开关的闭合和断开，指示灯的点亮和熄灭，继电器或接触器的吸合和释放等，这些信号的最大特点是：只有开和关或者高低电平两种状态（0或1）。
图2.1中的(a)和(b)是开关量输入/输出通道的结构原理。
开关电路：信号转换（转换成能被微处理器识别的数字信号）+保护隔离（反极性，瞬态尖峰，过压保护）。
驱动电路：驱动负载。
一般输入用缓冲器，输出用锁存器。
缓冲器和锁存器的构成？
缓冲器由门电路（三态门）构成，锁存器由触发器构成。
门电路不能存储信号，触发器能。
可以起到I/O口扩展的作用。
2.1.1 开关量输入
所谓开关量，就是只有两种状态
的数字量。
开关量输入通道输入的是
外部设备、装置或过程的状态信号，
信号的形式可能是电压、电流或开关
的触点等。
根据不同的输入信号形式，应采
用不同的信号转换电路。
Ø电压输入电路
Ø电流输入电路
Ø开关触点输入电路
2.1.1.1
信号转换电路
(1)电压输入电路
为什么要接电阻R？能不能不接？
当输入电压变化时，电阻上的压降变化，对稳压二极管起到保护作用。
(2)电流输入电路
（3）开关触点输入电路
开关闭合，输出高电平；
开关断开，输出低电平。
3种转换电路里又有反相器。
反相器有什么作用？
反相器实际上有整形的作用，使输出时标准的逻辑电平。
用两个反相器可以构成施密特触发器，施密特触发器可对脉冲信号整形。
用门电路组成的施密特触发器
通过调节R1和R2可以调节正负向阈值电压。
思考课后作业题：P41-2
请设计与图2.2电路形式不同但功能相同的能实现将电压、电流信号转换为开关量的电路。
2.1.1.2
保护和隔离电路
智能仪器用于工业现场时，应采用适当的保护措施，防止过电压、瞬态尖峰或反极性信号损坏智能仪器的接口电路。
（1）瞬态尖峰保护电路
瞬态尖峰：在电子系统的应用中，电压及电流的瞬态干扰会经常造成电子设备的损坏，瞬态干扰的显著特点是作用时间短，但电压幅度高，瞬态能量大，所以破坏性很大。
(a) 齐纳二极管保护
TVS 管(Transient Voltage Suppressor ，瞬态抑制二极管/瞬态电压抑制器)
TVS 是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，其电路符号和普通稳压二极管相同,外形也与普通二极管无异。
它具
有极快的响应时间(亚纳秒级，最高可达)和相当高的浪
涌吸收能力。
当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS 能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从而把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。
正因为如此，TVS 可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压，以及感应雷所产生的过电压。
和齐纳二极管比较：TVS 管的反应速度远比齐纳二极管快，吸收瞬变电流的能力强；但齐纳二极管稳压精度一般比较高，TVS 管强调的是瞬态响应，时间参数很重要。
1210s −
(b)压敏电阻保护
压敏电阻（在一定电流电压范围内电阻值随电压而变化）是一种限压型保护器件。
利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。
TVS管VS 压敏电阻
响应时间：压敏电阻的响应时间为ns级，比TVS 管稍慢一些；
通流能力：但TVS通流能力不如压敏电阻。
所以TVS适合做末级防护，在做直流电源防护时常与压敏电阻等高通流能力的器件配合使用。