智能仪器重点总结

第一章
1.电子仪器分类：从使用的器件来看：经历了从真空管时代---晶体管时代----集成电路时代三个阶段。

从仪器的工作原理来看，它经历了三代：第一代是模拟式电子仪器第二代是数字式电子仪器第三代就是智能仪器。

2.智能仪器定义：
在数字化的基础上用微机装备起来，是计算机技术与电子仪器相结合的产物；具有数据存储、运算、逻辑判断能力，能根据被测参数的变化自选量程，可自动校正、自动补偿、自寻故障等；可以做一些需要人类的智慧才能完成的工作，即具备了一定的智能，故称为智能仪器。

3.智能仪器的特点（1）测量过程程序控制（2）具有较强的数据处理能力（3）多功能化
4.智能仪器的基本结构两种基本类型：（1）微机内置式（2）微机扩展式
5. 智能仪器的结构图
6.嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。

具备以下特点：(1) 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；
(2) 功耗很低
7.测量电路的连接方式（1）插件式（2）插件箱式
8.虚拟仪器是真实的仪器；建立在计算机上；软件在很大程度上替代了硬件，软件的作用增强，软件就是仪器；使用户突破了传统仪器由厂家制造而用户自己无法改变仪器既定功能和面板的约束。

用户可以根据自己的需要去设计或组合自己的专用仪器(或系统)。

功能和面板可以根据需要再定义。

9.计算机测控系统智能仪器属于计算机测控系统的一种形式。

按照仪器或系统担负的任务不同，测控仪器或系统可分为三类：（1）单纯以测试为目的的“测试仪器或系统”（2）单纯以控制为目的的“控制系统”（3）测控一体的“测控系统”
10.执行机构驱动模式：电驱动、液压驱动、气压驱动、复合驱动等。

11. 计算机测控系统按照系统采用的控制规律可分为顺序控制、常规控制(如P1D控制)、高级控制(或称先进控制，如最优控制、自适应控制、预测控制等)、智能控制等若干类；根据系统的应用及结构特点可将计算机控制系统大致分成计算机巡回检测和操作指导系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等。

12.DCS一般分四级：（1）现场级（2）控制级（3）监控级（4）管理级
13.现场总线控制系统特点（1）现场设备自治性加强,控制功能彻底下放到现场，分散在现场的各种智能测控设备能直接执行多种控制、报警等；（2）传输数字化、标准化，连线简单，抗干扰能力增强。

第二章
1.模拟输入通道组成结构
2.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。

3.各部分作用：输入通道的前一道环节是感受被测对象，把被测非电量转换为可用电信号的传感器，后一道环节是将模拟电信号转换为数字电信号的数据采集电路。

中间是信号调理电路，完成信号的放大和噪声的滤除。

4. 传感器设计：（1）满足技术要求；（a）转换范围与被测量实际变化范围相一致。

（b）转换精度符合整个测试系统根据总精度要求
而分配给传感器的精度指标(一般应优于系统精度的十倍左右)，转换速度应符合整机要求。

（c）能满足被测介质和使用环境的特殊要求（d）能满足用户对可靠性和可维护性的要求。

（2）性价比高。

5. 大信号输出传感器的使用
6. 数字式传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。

7. 典型调理电路的组成框图
8. 在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理，相应的执行电路统称为信号调理电路。

9. 调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。

由于电路的等效输入噪声决定了电路所能输入的最小信号电平。

因此减少电路的等效输入噪声实质上就是提高了电路接收弱信号
的能力。

10.折叠失真定义，产生原因，消除：由采样信号恢复出的信号与原来的被采样信号在频谱上存在差别的现象。

原因是由于被采样频谱中含有高于折叠频率的频率分量。

消除：（1）必须使被采样信号为带限信号；（2）必须使采样频率大于被采样信号最高频率的2倍
11.去混淆滤波器的作用：（1）抗混跌；（2）避免假频现象的出现
12.去混淆滤波器截止频率f h 应该与采样周期保持固定的关系：
，其次由于去混淆滤波器是低通滤波器，所以其假频f h 等于被测试信号的最高频率f max
13. 模拟多路开关包括机械式、电磁式和电子式三大类。

14. 常用的模拟电子开关有4种：晶体管开关、光电耦合开关、结型场效应管开关、绝缘栅场效应管开关
15. 多路开关的选用考虑下列参数(1)通道数量(2)泄漏电流(3)切换速度(4)开关电阻(5)多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需作考虑
16. A／D转换器设计1．A／D转换位数的确定应根据对采集电路转换范围与转换精度两
方面要求选择A／D转换器的位数。

2．A／D转换速度的确定，A／D 转换器的转换速率由转换时间tc和休止时间to二者共同决定转换速率＝1/（to +tc）转换周期TA/D＝tc+to 3. 根据环境条件选择A／D 4. 选择A／D转换器的输出状态
17. 对fmax大的高频(或高速)测试系统，应该采取以下措施：①减少
通道数N，最好采用分布式采集方式，即N=1。

②减少截频系数C，增大去混淆低通滤波器陡度。

③选用转换时间tc短的A／D转换器芯片。

④将由CPU读取数据改为直接存储器存取(DMA)技术，以缩短休止时间to。

18. 采样保持器的主要参数捕捉时间tAC包括开关的导通延迟时间和建立跟踪输入信号的稳定过程时间最大孔径误差等于tAP时间内输
入信号的最大时间变化率与tAP的乘积
19. 由于孔径时间的存在，采样时间被额外地延迟了。

当被采样的信号是时变信号时，孔径时间tap的存在使保持指令来到后，S／H的输出仍跟踪输入信号的变化。

当这一时间结束后，电路的稳定输出已不代表保持指令到达时刻输入信号的瞬时值，而是代表tAP结束时刻输入信号的瞬时值。

两者之差称孔径误差。

20. 孔径抖动是指多次采样中孔径时间的最大变化量，其值等于最大孔径时间与最小孔径时间之差
21. 当采样／保持器处在保持状态时，输出电压跌落速率为：
，Id为流过保持电容CH的所有漏电流的代数和
22. 设置采样保持器的必要性A／D转换器把模拟量转换成数字量需要一定的转换时间，在这个转换时间内，被转换的模拟量应基本维持不变，否则转换精度没有保证，甚至根本失去了转换的意义。

23. 通道间串音干扰的产生主要是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
24. 为减小串音干扰，应采取如下措施：①减小Ri，为此前级应采用电压跟随器；②选用Ron小、Roff大的开关；③减少输出端并联的开关数N④为减小串音应选用寄生电容小的MUX
25.在计算机测控系统中，可变增益放大器的增益由计算机的程序控制，这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。

程控放大器—般由放大器、可变反馈电阻网络和控制接口三个部分组成。

程控放大器与普通放大器的差别在于反馈电阻网络可变且受控于控制接口的输出信号。

可变反馈电阻网络有许多不同的形式，如权电阻网络、T 型网络、反T型网络等
26. 模拟输出通道主要由输出数据寄存器（保持作用）、D/A转换器、调理电路（有保持、滤波、电压/电流转换和功率/电压放大电路等几种形式，但并不是不可少的，这取决于通道负载要求。

）三部分组成；
27. ※计算机输出量为离散点，通过保持转换成连续信号。

※可以通过寄存器或采样/保持器来完成保持功能，将离散信号转换成模拟信号。

零阶保持：※相邻采样点间的水平直线的方程阶次为零。

※采用的较多，易于实现。

28.多通道结构：数据分配分时转换结构、数据分配同步转换结构、模拟分配分时转换结构
29. 比较和选择数字方案：通道输出稳定，输出电压的精度和平滑程度仅由DAC的线性误差和分辨力决定。

但电路较复杂，成本高（多个DAC），而且通道输出存在突跳现象（数字信号受干扰时）。

模拟方案：（1）因受存储电容漏电因素的影响，通道输出的稳定性
不易做得很好。

但由于存储电容的积分平滑作用，通道的输出不会出现大幅度突跳现象。

（2）由于只用一个高质量的DAC，因此成本低。

30. D/A位数的选定（1）如果输出通道是为了不失真再现模拟输入信号，那么输出通道所用D/A的位数应与输入通道所用A/D位数相同；（2）如果输出通道只是为了形成动态范围在20db左右的监视波形，那么选4位以上D/A就够了；（3）如果输出通道只是驱动指针式仪表，那么仪表精度应与D/A位数n相匹配。

即：δ=1/2的n次方（4）如果负载并没有明确要求，通常选取DAC位数等于系统输出数字的位数。

（和总线位数一致，便于连接）
31. 常见的V/I转换器可以分为两种，一种是负载共电源式，一种是负载共地式
32. 开关量输入通道组成结构：输入调理电路、输入缓冲器、输入地址译码器。

33. 在测控系统中，对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和数字量输出驱动
34. 开关量输出通道组成和结构包括输出锁存器，输出驱动器，地址译码器电路。

35. 输出驱动电路：（1）直流负载驱动（2）交流负载驱动3、继电器（负载）驱动电路（4）固态继电器驱动电路
第三章
1. 大多数系统被测量与A/D之间都是非线性的，原因：（1）传感器转换原理是非线性的（2）测量电路是非线性的
2.非线性校正方法：（1）插值法（2）拟合法（3）查表法
3.数字滤波方法（1）限幅滤波（滤除脉冲性干扰）和中位值滤波（能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）（2）平均值滤波（算术平均滤波、去极值平均滤波、莱特准则法、移动平均滤波法、加权移动平均滤波）（3）低通滤波（4）复合滤波
4. 数据处理的顺序：（1）先数字滤波，消除随机干扰引入的误差；（2）再进行非线性校正和标度变换，获得被测值；（3）最后才送去显示器或用于控制算法中的实测值。

第四章
1.滞后分为传递滞后和容量滞后。

2.自动控制系统按调节器的控制规律分为比例控制系统、比例积分控制系统、比例微分控制系统、比例积分微分控制系统。

按给定值分为定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

3.控制系统的过度过程分为：发散振荡过程、等幅振荡过程、衰减振荡过程、非振荡的单调过程
4.P、I、D各自作用：比例作用是减小误差（不能消除误差，误差太小时不起作用），具有
控制及时、克服偏差有力的特点。

积分的作用是消除静差，提高系统的无差度。

微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化，所以适当的微分作用有利于抑制振荡的效果，适当的微分作用有利于系统稳定性的提高。

5. 增量式控制的优点是：
(1) 只输出增量，误差动作影响小；(2) 故障时或手动到自动切换时冲击小。

6. 标准PID算法的改进：（1）完全微分型PID控制算法（2）微分先行（3）积分分离（4）变速积分（5）积分限幅
7. PID调节器参数的整定方法：（1）经验试凑法（2）扩充临界比例度法（3）归一化参数整定法（4）扩充响应曲线整定法（5）变参数的PID控制
8. 模糊逻辑控制简称模糊控制，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。

9. 模糊控制器的设计：（1）确定模糊控制器的结构（2）确定控制规则（3）确定变量论域和比例因子（4）定义各模糊状态的隶属函数（5）确定模糊推理关系（6）判决
10. 模糊控制的改进：1模糊复合控制2适应和自学习模糊控制3. 三维模糊控制器
11. 采样周期T的选择：（1）给定值的变化频率（2）被控对象的特性（3）使用的算式和执行机构的类型（4）控制的回路数
第五章
1. 干扰与噪声的区别：
（1）噪声是干扰之因，干扰是噪声之果；
（2）在线性电路中，噪声可以看作干扰，而在数字电路中，噪声不一定成为干扰；
（3）干扰存在是相对的，而噪声存在是绝对的。

在一定的条件下，
干扰可以消除，而噪声一般情况下只能降低。

2. 形成干扰的要素：噪声源；对噪声敏感的接收电路；噪声到接收电路之间的耦合通道。

3. 电子器件的固有噪声热噪声、散粒噪声、1／f噪声、接触噪声
4. 屏蔽的种类主要有电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽、放大电路的屏蔽。

其中电场屏蔽适用于抑制电容性耦合的干扰。

电场屏蔽又称静电屏蔽
5. 电场屏蔽有以下两种方法：(1)屏蔽体接测量电路：(2)屏蔽体接大地
6. 共阻抗耦合干扰(1) 电源内阻抗耦合（1）减小电源的内阻（2）对每—部分电路(A和B)分别加入电源滤波环节(2) 共地线耦合(3) 输出阻抗耦合4．漏电流耦合干扰
7.接地的目的有两个：一是为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰，常称为工作接地；二是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，这称为保护接地。

8. 测控系统中的地线种类：信号地、模拟地、数字地、负载地、系统地、交流地、保护地
9. 干扰对测量电路的影响，从叠加的方式来分，干扰有差模干扰和共模干扰两种。

10. 共模噪声产生的主要原因：在计算机控制系统中一般都用较长的导线把现场中的传感器或执行器引入至计算机系统的输入通道或输
出通道中，这类信号传输线通常长达几十米以至上百米，这样，现场信号的参考接地点与计算机系统输入或输出通道的参考接地点之间存在一个电位差Ucm。

这个Ucm是加在放大器输入端上共有的干扰电压。

由于电路不平衡，从而转换成差模，产生误差。

11. 共模干扰的抑制：1. 浮置目的是阻断干扰电流的通路2. 隔离在采用两点以上接地的检测或控制系统中，为了抑制共模信号所形成的干扰，运用隔离技术切断共模信号电流是十分有效的方法。

这种隔离包括信号隔离和电源隔离，二者缺一不可。

12. 隔离可以使用隔离变压器、隔离放大器、光电耦合器、纵向扼流圈
13. 差模干扰有电压源干扰形式和电流源干扰形式，抑制措施：1. 频率滤波法2.脉宽鉴别法3. 电平鉴别法
14 输中的干扰抑制（1）采用平衡传输法（2）采用信号变换法
15. 交流电源系统(1 )选用供电比较稳定的进线电源（2）利用干扰抑制器消除尖峰干扰（3）采用交流稳压器稳定电网电压（4）利用UPS保证不中断供电（5）掉电保护电路直流电源系统（1）交流电源变压器的屏蔽（2）采用直流开关电源（3）采用DC-DC变换器（4）每块电路板的直流电源
16. 软件抗干扰技术1 . 指令冗余技术2. 软件陷阱技术3. “看门狗”技术
17. 软件陷阱安排在以下四种地方：未使用的中断向量区，未使用的大片ROM空间，程序中的数据表格区以及程序区中一些指令中间的
断裂点处。

第六章
1. 总线的分类（1）按使用范围分：总线可分为内总线和外总线（2）按数据传送方式分：总线可分为并行总线和串行总线（3）按传送内容分：总线可分为数据总线、地址总线、控制总线
2. 并行总线：IEEE-488(GPIB总线标准)、PCI总线；串行总线：
RS-232C、RS-485，USB总线，CAN总线等
3. 总线选择（1）通信速度和通信距离；（2）抗干扰能力。

4. RS-232C串行通信存在的不足数据传输速率慢，一般低于20k bps。

• 传送距离短，一般局限于15m，即使采用较好的器件及优质同轴电缆，也不超过60m。

• 没有规定标准的连接器，因而产生了25插针及9插针等多种设计方案。

• 信号传输电路为单端电路，共模抑制比较小，抗干扰能力较差。

5. USB有同步、中断、批量三种数据传送模式，同步传送主要用于数码相机、扫描仪等中速外围设备。

中断传送用于键盘、鼠标等低速设备；而批量传送则供打印机、调制解调器、数字音响等不定期传送大量数据的中速设备使用。

6. 最常使用的多机通信网络形式有以下4种：串行总线形网络结构、星形网络结构、环形网络结构、树形结构。

7. 提高远程多机通信能力的方法
• PC机与单片机主从式多机通信，采用双绞线对地浮空的差分平衡信号传输是一种有效的方法，对共模干扰具有较强的抑制能力。

• 由MAX48x /49x系列收发器组成的差分平衡系统，抗干扰能力强。

接收器可检测低达200 mv的信号，传输数据可以从千米以外得到恢复，因此特别适用于远距离通信，可组成满足RS-485／RS-422标准的通信网络。

8. GPIB总线共有16条信号线，
• 数据总线8条用于双向数据(字节)传送或总线命令传送；
• 数据传输控制总线有3条：DAV(数据有效)、NRFD(未准备好接收数据)和NDAC(数据未收到)，用于握手功能以协调不同工作速度仪器之间的信息传输；
•管理总线有5条：IFC(接口清除)、ATN(注意)、SRQ(服务请求)、REN(远地工作)、EOI(结束或识别)，用于对总线上的仪器进行控制。

9. GPIB消息分类：设备消息、接口消息、远地消息、本地消息
10. VXI系统的总线VME计算机总线时钟和同步总线；模件识别总线；触发总线；相加总线；本地总线；星形总线；电源总线；
11. 根据自身性质、特点和它支持的通信规程，
VXI器件可分为四类：• 寄存器基器件• 存储器器件• 消息基器件• 扩展器件
12. 虚拟仪器最大特点是能够充分发挥计算机效能，打破了由厂商定义仪器功能的模式，使得用户能够根据自己的需要更改或重新定义仪器的功能。

13.虚拟仪器也由三大功能块构成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出
14. 现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点通信的通信网络。

15.现场总线系统在技术上有以下特点：全数字化、开放性、智能化、互换性、风险分散性
16. 现场总线主要优点简化了系统结构,降低了系统成本；• 现场设备自治性加强,系统性能全面提高；• 提高了信号传输可靠性和精度；• 由于现场总线的开放性和互操作性，使得
用户始终拥有系统集成权。

17. 目前比较流行的有：• CAN总线• Profibus总线• LonWorks总线• HART总线• FF总线。