智能儀器實驗指導(dǎo)（精）

1、智能儀器實驗指導(dǎo)（10）一、實驗教學(xué)目的智能儀器是測控技術(shù)與儀器專業(yè)木科生必修的專業(yè)課，是全國高等學(xué)校儀器儀表類專業(yè) 開設(shè)的主干課z-o隨著微型計算機及微電了技術(shù)在測試領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，儀器儀表在測 量原理、準(zhǔn)確度、靈敏度、町靠性、多種功能及自動化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，逐 步形成了完全突破傳統(tǒng)概念的新一代儀器智能儀器c儀器的智能化已是現(xiàn)代儀器儀表發(fā) 展的主流方向。在信息技術(shù)的高速發(fā)展和人工智能應(yīng)用的推動f,智能儀器必將有更大的進(jìn) 展。因此，學(xué)習(xí)智能儀器的工作原理、掌握新技術(shù)和設(shè)計方法無疑是十分重要的。通過智能儀器課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生建立儀器整機系統(tǒng)的概念，掌握智能儀粘軟硬件相結(jié) 合的基木

2、工作原理、主要技術(shù)和設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識與技術(shù)進(jìn)行儀器設(shè)計 的能力，提高學(xué)生靈活性和創(chuàng)新（創(chuàng)造）意識。為達(dá)到本課程教學(xué)基本要求，主耍單元教學(xué)內(nèi)容通過相應(yīng)的設(shè)計性或綜合性實驗，才能 加深理解并切實掌握所學(xué)的知識和技術(shù)，發(fā)現(xiàn)并解決實驗屮出現(xiàn)的問題，培養(yǎng)獨立開展設(shè)計 實驗的能力，積累實踐經(jīng)驗。綜介單元實驗成果，形成較完整的儀器系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合 集成設(shè)計能力和技術(shù)實現(xiàn)能力。二、實驗教學(xué)項目設(shè)置與任務(wù)根據(jù)課程教學(xué)要求，開設(shè)四個單元的設(shè)計性實驗和一個綜合性實驗共計16學(xué)時（另外 需要學(xué)生按排計劃外16學(xué)時），課內(nèi)外緊密結(jié)合，才能保證實驗項目實施。計劃安排見下表。智能儀器實驗教學(xué)項目設(shè)置一

3、覽表序號實驗項目名稱實驗 類型學(xué)時分配主要儀器 設(shè)備備注內(nèi)外1儀用放人器和 濾波電路設(shè)計 與實現(xiàn)設(shè)計性實驗33萬用表、示波器、 信號發(fā)生器等進(jìn)入實驗前自行 完成原理圖設(shè)計2電壓信號數(shù)據(jù) 采集了系統(tǒng)設(shè) 計與實現(xiàn)設(shè)計性33微機、單片機開發(fā) 系統(tǒng)、信號發(fā)生器、 示波器等先期完成原理圖 設(shè)計和編寫采集 程序3鍵盤及l(fā)cd顯 示設(shè)計性23微機、單片機開發(fā) 系統(tǒng)先期完成原理設(shè) 計、編寫程序4基本數(shù)據(jù)處理 算法設(shè)計性23微機先期編寫算法程 序,擬定實驗數(shù)據(jù)5微機內(nèi)嵌式智 能儀器綜合實 驗綜合性44微機、單片機開發(fā) 系統(tǒng)、信號發(fā)生器、 示波器、溫度計等完成前四個實驗 并保留其軟硬件 成果三、實驗教學(xué)基本要求以

4、微機內(nèi)嵌式的智能儀器或測控裝置的設(shè)計與實現(xiàn)為目標(biāo)，下圖表示了以單片機為核 心，包括鍵盤、顯示和數(shù)據(jù)采集通道的基本智能儀器方框圖。在完成硬件設(shè)計基礎(chǔ)上，設(shè)計 監(jiān)控程序和數(shù)據(jù)處理算法，構(gòu)成了完整的儀器系統(tǒng)。1. 儀用放大器和有源慮波電路設(shè)計與實現(xiàn)：能夠根據(jù)被測對象或傳感器輸出信號的特性, 選擇合適的運算放大器和阻容器件，設(shè)計儀用放大器和抗混疊濾波器，掌握電路調(diào)試方 法。2. 電壓信號數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)：能夠依據(jù)儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求， 選擇a/d轉(zhuǎn)換方式、芯片及接口電路，設(shè)計采集系統(tǒng)硬件及軟件，實現(xiàn)單路電壓信號的 數(shù)據(jù)采集。3. 鍵盤及l(fā)ed顯示：部分實驗內(nèi)容在單片機實驗中已有，本項

5、實驗重點是根據(jù)儀器整機 功能需要設(shè)計鍵盤和顯示，定義鍵盤功能，編寫鍵盤掃描和led顯示等子程序，掌握儀器 監(jiān)控程序設(shè)計和調(diào)試方法。4. 基本數(shù)據(jù)處理算法：在理解數(shù)據(jù)處理基木理論的基礎(chǔ)上，編寫基本數(shù)據(jù)處理算法的程序, 擬定被處理數(shù)據(jù)，驗證程序的正確性和處理的有效性及局限性；能夠根據(jù)信號和噪聲（干擾） 特征，選擇合適處理算法和流程。5. 微機內(nèi)嵌式智能儀器綜合實驗：本實驗以溫度為測量對象，將實驗一到實驗四的單 元內(nèi)容綜合，完成具有信號采集、處理、鍵盤控制、顯示等功能的智能儀器；掌握標(biāo)定 原理和工程量變換方法；能夠?qū)y量結(jié)果進(jìn)行分析。智能儀器實驗項目實驗項目一 儀用放大器和濾波電路設(shè)計與實現(xiàn)1. 實

6、驗?zāi)康姆糯笃骱蜑V波器是智能儀器數(shù)據(jù)采集通道非常重要的壞節(jié)，在某種意義下成為影響 儀器性能指標(biāo)的關(guān)鍵電路。通過本實驗，使學(xué)生能夠根據(jù)被測對象或傳感器輸出信號的 幅度大小、頻率范圍等特性，結(jié)合所設(shè)計儀器采集系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，運用模擬電子技術(shù)、 信號與系統(tǒng)等課程所學(xué)的有關(guān)知識，設(shè)計并實現(xiàn)儀用放大器和抗混疊濾波器。2. 設(shè)計原理與任務(wù)（1）儀川放大器是一種高性能的放大器，其對稱性結(jié)構(gòu)口j同時滿足對放大器的抗共模十 擾能力、輸入阻抗、閉環(huán)增益的時間和溫度穩(wěn)定性等不同的性能要求。儀用放大器內(nèi)部基本 結(jié)構(gòu)如圖卜圖所示，它由三個通川運算放大器構(gòu)成，第一級為兩個對稱的同相放人器，第二 級是一個差動放大器。儀用放大

7、器上下對稱，即圖中r|=r2, r嚴(yán)r6, rs=r7o可以推出儀 用放人器閉環(huán)增益為：af = -（1+2&/心）他/?4假設(shè)心二即笫二級運算放人器增益為1,則可以推出儀用放大器閉壞增益為：af=-q + 2rjr（j由上式町知，通過調(diào)節(jié)電阻rg，可以很方便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益。當(dāng)采用集 成儀用放大器時，rc-般為外接電陽，目前，市場上可供選擇的儀用放大器較多，在實際 的設(shè)計過程中，對根據(jù)模擬信號調(diào)理通道的設(shè)計耍求，并結(jié)合儀用放大器的主要性能指標(biāo)確 定具體的放人電路。（2）有源或無源rc濾波電路是常用的電路，木實驗要求在儀用放人器的輸出示，接 二階有源rc低通濾波器（壓控電壓源

8、二階濾波器），要求截上頻率為lkhhz,根據(jù)模擬電路 理論初步確定r、c的值，并通過multisim對設(shè)計的濾波器進(jìn)行仿真，確定各個元件的參數(shù)。若考慮消除50hz的工頻十?dāng)_，如何設(shè)計濾波器？（幅度特性如圖所示）。（3）選擇合適的運算放大器和阻容器件實現(xiàn)所設(shè)計的電路，掌握電路調(diào)試方法和主要 技術(shù)指標(biāo)的測試，比較理論計算和實際電路達(dá)到指標(biāo)的差界，分析其原因。ac analysis541100ikfrequency (hz)3 思考(1) 如何減少放大器和濾波器z間設(shè)計參數(shù)相互影響？(2) 增大放大器的放大倍數(shù)，對頻帶寬度是否冇影響，為什么？實驗項目二電壓信號數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1. 實驗?zāi)康臄?shù)

9、據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在測最、白動控制等各個領(lǐng)域?，F(xiàn)在雖然有各種數(shù)據(jù)采集卡、數(shù) 據(jù)采集芯片可供選用，但在許多悄況下，它們還不一定適合用戶的要求，往往需要按自己的 要求設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的知識的基礎(chǔ)上，能夠依據(jù)儀器數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)的性能指標(biāo)耍求，選擇a/d轉(zhuǎn)換方式、芯片及接口電路，設(shè)計釆集系統(tǒng)硬件及軟 件，實現(xiàn)單路電壓信號的數(shù)據(jù)采集。2. 設(shè)計要求與任務(wù)(1) 技術(shù)指標(biāo)要求：要求采集了系統(tǒng)的采樣率大于20khz,系統(tǒng)的分辨率小于lnw,輸 入信號范圍是+ 5v,滿量程誤差小于0.1%。(2) 以單片機為核心，選擇a/d芯片、接口方式，設(shè)計采集系統(tǒng)。（3）根據(jù)提供的器件，實現(xiàn)其硬件

10、，編寫采集程序。（4）輸入直流電壓、正弦波等信號，給出測試結(jié)果，分析誤差。3. 思考（1）采集系統(tǒng)的采樣率或采樣間隔與哪些因素有關(guān)系？如何確定和驗證。（2）技術(shù)指標(biāo)如何測試？實驗項目三 鍵盤及l(fā)ed顯示1. 實驗?zāi)康逆I盤和顯示是智能儀器或微機化測控裝置進(jìn)行人機交互必備的。智能儀器通過輸入 設(shè)備接受各種命令和數(shù)據(jù)，測量結(jié)果通過輸出設(shè)備顯示岀來。目前，在一般智能儀器屮，數(shù) 據(jù)或控制輸入大都采用鍵盤；信息輸出比較多的采用led顯示或lcd顯示器。通過設(shè)計鍵 盤和顯示實驗，進(jìn)一步掌握硬件接ii、定義鍵盤功能、設(shè)計監(jiān)控程序，通過led顯示儀器 工作狀態(tài)、測試結(jié)果等信息。2. 設(shè)計要求與任務(wù)（1）根據(jù)選用

11、單片機可利用的資源，綜合考慮采集通道等因素，確定鍵盤和led接口 設(shè)計方案。要求鍵盤具有09數(shù)字鍵、5個功能鍵、1個確認(rèn)鍵；led顯示器能夠顯示數(shù) 據(jù)（4位）。（2）設(shè)計鍵盤管理子程序、顯示子程序，設(shè)計儀器監(jiān)控程序。（3）進(jìn)行軟硬件結(jié)合調(diào)試。3 .思考（1）如何通過儀器監(jiān)控程序設(shè)計，避免儀器誤操作。（2）怎樣盡量減少鍵盤個數(shù)，又能保證所需功能？實驗項目四基本數(shù)據(jù)處理算法1. 實驗?zāi)康臏y量精度和可靠性是儀器的重要指標(biāo)，引入數(shù)據(jù)處理算法后，使許多原來靠硬件電路難 以實現(xiàn)的信號處理問題得以解決，從而克服和彌補了包括傳感器在內(nèi)的各個測量環(huán)節(jié)中硬件 木身的缺陷或弱點，提高了儀器的綜合性能。智能儀器的基木

12、數(shù)據(jù)處理算法包括：克服隨機 誤差的數(shù)字濾波算法、消除系統(tǒng)誤差的算法、工程量的標(biāo)度變換等。通過本實驗，使學(xué)生能 夠根據(jù)被測信號和干擾特征，選取合理的數(shù)據(jù)處理算法，設(shè)計恰當(dāng)?shù)膶嶒灁?shù)據(jù)，驗證算法的 有效性。2. 實驗要求與任務(wù)學(xué)習(xí)掌握數(shù)字濾波器設(shè)計方法，應(yīng)用頻譜知識和濾波器設(shè)計知識，對信號進(jìn)行濾波，直 流電壓數(shù)據(jù)中，迭加了脈沖干擾，采用不同的濾波算法進(jìn)行處理，觀察處理效果。（1）設(shè)檢測信號是幅度較小的直流電壓，經(jīng)過適當(dāng)放大和a/d轉(zhuǎn)換，由于50hz i頻干 擾使測量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)周期性波動。根據(jù)實際采樣率等參數(shù)，設(shè)計消除工頻干擾算法。（2）設(shè)計快速杳表程序，實現(xiàn)標(biāo)度變換。3 思考（1）數(shù)據(jù)處理是否存在誤差

13、問題？如何減少或避免？（2）怎樣才能夠確定采川的處理算法恰當(dāng)有效？實驗項目五微機內(nèi)嵌式智能儀器綜合實驗1. 實驗?zāi)康膶⑶八膫€單元設(shè)計性實驗綜合起來，實現(xiàn)在鍵盤參數(shù)輸入和設(shè)定功能控制下，采集、處 理、顯示被測電壓信號的人小。改變輸入信號的頻率，檢驗濾波和數(shù)據(jù)處理效果等。通過本 實驗，進(jìn)一步理解儀器整機系統(tǒng)的概念，掌握儀器軟硬件相互配合協(xié)調(diào)工作原理，提高模擬 電路、數(shù)字電路、電源等硬件技術(shù)綜合應(yīng)用能力，全面提高程序設(shè)計和調(diào)試能力。2. 實驗要求與任務(wù)（1）將放大器、濾波器、a/d等數(shù)據(jù)采集通道、單片機最小系統(tǒng)、鍵盤和顯示等硬件 集成起來，在仿真器下，分步運行監(jiān)控程序，檢驗各部分運行情況，解決町能存在的沖突;（2）針對不同的被測電壓特征，添加不同