《測控系統(tǒng)原理與設計》第3版習題解答

1、測控系統(tǒng)原理與設計（第3版）習題解答 本習題解答是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材測控系統(tǒng)原理與設計第3版（孫傳友、李濤編著，北京航空航天大學出版社2014年8月出版）全書各章習題的參考答案。第1章 1、為什么說儀器技術是信息的源頭技術?答：信息技術由測量技術、計算機技術、通訊技術三部分組成。測量技術則是關鍵和基礎。儀器是一種信息的工具。如果沒有儀器，就不能獲取生產、科學、環(huán)境、社會等領域中全方位的信息，進入信息時代將是不可能的。儀器是信息時代的信息獲取處理傳輸的鏈條中的源頭。因此說，儀器技術是信息的源頭技術。2、為什么現代測控系統(tǒng)一般都要微機化?答：將微型計算機技術引入測控系統(tǒng)中，不僅可

2、以解決傳統(tǒng)測控系統(tǒng)不能解決的問題，而且還能簡化電路、增加或增強功能、提高測控精度和可靠性，顯著增強測控系統(tǒng)的自化化、智能化程度，而且可以縮短系統(tǒng)研制周期、降低成本、易于升級換代等等。3、微機測控系統(tǒng)有哪幾種類型?畫出它們的組成框圖答：測控儀器或系統(tǒng)可分為三大類單純以測試或檢測為目的的“測試(檢測)儀器或系統(tǒng)”，單純以控制為目的的“控制系統(tǒng)”和測控一體的“測控系統(tǒng)”。 微機化檢測系統(tǒng)框圖 微機化控制系統(tǒng)框圖 微機化測控系統(tǒng)框圖第2章1、模擬輸入通道有哪幾種類型?各有何特點?答：按照系統(tǒng)中數據采集電路是各路共用一個還是每路各用一個，多路模擬輸入通道可分為集中采集式(簡稱集中式)和分散采集式(簡稱分

3、布式)兩大類型。集中式的特點是多路信號共同使用一個S/H和A/D電路，模擬多路切換器MUX對多路信號分時切換、輪流選通到S/H和A/D進行數據采集。分布式的特點是每一路信號都有一個S/H和A/D，因而也不再需要模擬多路切換器MUX。每一個S/H和A/D只對本路模擬信號進行數字轉換即數據采集，采集的數據按一定順序或隨機地輸入計算機。2、什么情況下需要設置低噪聲前置放大器?為什么?答：由于電路內部有這樣或那樣的噪聲源存在，使得電路在沒有信號輸入時，輸出端仍輸出一定幅度的波動電壓，這就是電路的輸出噪聲。把電路輸出端測得的噪聲有效值折算到該電路的輸入端即除以該電路的增益K，得到的電平值稱為該電路的等效

4、輸入噪聲。如果加在該電路輸入端的信號幅度小到比該電路的等效輸入噪聲還要低，那么這個信號就會被電路的噪聲所“淹沒”。為了不使小信號被電路噪聲所淹沒，就必須在該電路前面加一級放大器“前置放大器”。只要前置放大器本身的等效輸入噪聲比其后級電路的等效輸入噪聲低，加入前置放大器后，整個電路的等效輸入噪聲就會降低，因而，輸入信號就不會再被電路噪聲所淹沒。3、圖2-1-14(a)所示采集電路結構只適合于什么情況?為什么?答:圖2-1-14(a) 所示采集電路僅由A/D轉換器和前面的模擬多路切換器MUX構成，只適合于測量恒定的各點基本相同的信號。因為恒定信號不隨時間變化，無須設置S/H, 各點基本相同的信號無

5、需設置PGA。4、DFS-V數字地震儀屬于集中采集式數據采集系統(tǒng)。2ms采樣48道時去混淆濾波器截止頻為125Hz。為提高勘探分辨率欲將采樣周期改為1ms。試問：地震儀的信號道數和去混淆濾波器截止頻率要不要改變?怎樣改變?為什么?答：據題知，代入公式(2138)計算得該地震儀的A/D轉換器的轉換周期為，為提高勘探分辨率欲將采樣周期改為1ms，則信號道數應減小為，否則A/D轉換器就轉換不過來。據題知，代入公式(2117)計算得C=5，將C=5和TS=1ms代入公式(2-1-17)計算得，抗混疊濾波器截止頻率應減小為，將代入公式(2118)計算得，這將使地震儀可記錄的最高地震信號頻率達到250Hz

6、，因而，可使地震儀的勘探分辨率提高一倍。如果只是減少采樣周期而不改變抗混疊濾波器截止頻率，將代入公式(2118)計算得，使地震儀可記錄的最高地震信號頻率仍然被限制在125Hz，因而地震儀的勘探分辨率仍然不能提高，這就使減少采樣周期的優(yōu)越性發(fā)揮不出來。5、多路測試系統(tǒng)什么情況下會出現串音干擾?怎樣減少和消除?答：多路測試系統(tǒng)由于模擬開關的斷開電阻Roff不是無窮大和多路模擬開關中存在寄生電容的緣故，每當某一道開關接通時，其它被關斷的各路信號也出現在負載上，對本來是唯一被接通的信號形成干擾，這種干擾稱為道間串音干擾，簡稱串音。為減小串音干擾，應采取如下措施：減小Ri,為此模擬多路切換器MUX前級應

7、采用電壓跟隨器；MUX選用Ron極小、Roff極大的開關管；選用寄生電容小的MUX。據公式（2-1-51），減少MUX輸入端并聯的開關數N，可減小串音。若采用分布式數據采集，則可從根本上消除串音干擾。因N=1代入公式（2-1-51）計算得。6、主放大器與前置放大器有什么區(qū)別?設置不設置主放大器、設置哪種主放大器依據是什么?答：測控系統(tǒng)的模擬輸入通道一般包括模擬調理電路和數據采集電路兩部分。前置放大器設置在模擬調理電路前端，它是為減小模擬輸入通道的等效輸入噪聲提高系統(tǒng)接收弱信號的能力而設置的，放大的是連續(xù)電信號。主放大器設置在數據采集電路的MUX與S/H之間，放大的是經模擬多路切換器采樣或選通的

8、離散信號，它是為了提高數據采集電路的數據轉換精度和數據轉換范圍而設置的。如果被測量的多路模擬信號都是恒定或變化緩慢的信號，而且多路信號的幅度也相差不大，也就是Vij隨i和j變化不大，那就沒有必要在采集電路中設置主放大器，只要使各路信號調理電路中的前置放大器增益滿足(2-1-54)式即可。如果被測量的多路模擬信號都是恒定或變化緩慢的信號，但是各路信號的幅度相差很大，也就是說Vij不隨j變化，但隨i變化很大，那就應在采集電路中設置程控增益放大器作為主放大器。程控增益放大器的特點是每當多路開關MUX在對第i道信號采樣時，放大器就采用預先按(2-1-54)式選定的第i道的增益Ki進行放大。如果被測量的

9、多路模擬信號是隨時間變化的信號，而且各路信號的幅度也不一樣。也就是說，Vij既隨i變化，也隨j變化，那就應在采集電路中設置瞬時浮點放大器作為主放大器。7、模擬輸出通道有哪幾種基本結構?各有何特點?答：微機化測控系統(tǒng)的模擬信號輸出通路的基本結構按信號輸出路數來分，有單通道輸出和多通道輸出兩大類，多通道的輸出結構主要有以下三種：一、數據分配分時轉換結構。它的特點是每個通道配置一套輸入寄存器和D/A轉換器，經微型計算機處理后的數據通過數據總線分時地選通至各通道輸入寄存器，當數據Dij選通至第i路輸入寄存器的同時，第i路D/A即實現數字Dij到模擬信號幅值的轉換。二、數據分配同步轉換結構。它的特點是在

10、各路數據寄存器R1與D/A轉換器之間增設了一個緩沖寄存器R2。數據總線分時選通主機的輸出數據先后被各路數據寄存器R1接收，然后在同一命令控制下將數據由R1傳送到R2，并同時進行D/A轉換輸出模擬量。三、模擬分配分時轉換結構。這種結構的特點是各通道共用一個D/A轉換器和一個數據輸入寄存器。微型計算機處理后的數據通過數據總線依通道順序分時傳送至輸入寄存器并進行D/A轉換，產生相應通道的模擬輸出值。以上三種結構可歸納為兩種分配方案。前兩種數據分配結構實質上也就是圖2-2-2(a)所示的“數字保持”方案；模擬分配結構實質上也就是圖2-2-2(b)所示的“模擬保持”方案。8、為什么模擬輸出通道中要有零階

11、保持?怎樣用電路實現?答：我們知道，模擬信號數字化得到的數據是模擬信號在各個采樣時刻瞬時幅值的A/D轉換結果。很顯然把這些A/D轉換結果再經過D/A轉換，也只能得到模擬信號波形上的一個個斷續(xù)的采樣點，而不能得到在時間上連續(xù)存在的波形。為了得到在時間上連續(xù)存在的波形就要想辦法填補相鄰采樣點之間的空白。理論上講，可以有兩種簡單的填補采樣點之間空白的辦法：一是把相鄰采樣點之間用直線連接起來，這種方式稱為“一階保持”方式；另一種方式是把每個采樣點的幅值保持到下一個采樣點，這種方式稱“零階保持”。“零階保持”方式很容易用電路來實現，“一階保持”則很難用電路來實現。因此模擬輸出通道中采用零階保持器。零階保

12、持器的實現有兩種方式：一種是數字保持方式，即在D/A之前加設一個寄存器，讓每個采樣點的數據在該寄存器中一直寄存到本路信號下個采樣點數據到來時為止，這樣D/A轉換器輸出波形就不是離散的脈沖電壓而是連續(xù)的臺階電壓。另一種是模擬保持方式，即在公用的D/A之后每路加一個采樣保持器，保持器將D/A轉換器輸出子樣電壓保持到本路信號下個子樣電壓產生時為止。9、在控制系統(tǒng)中被控設備的驅動有哪兩種方式?有何異同?答：在控制系統(tǒng)中，對被控設備的驅動常采用模擬量輸出驅動和數字量(開關量)輸出驅動兩種方式，其中模擬量輸出是指其輸出信號(電壓、電流)可變，根據控制算法，使設備在零到滿負荷之間運行，在一定的時間T內輸出所

13、需的能量P；開關量輸出則是利用控制設備處于“開”或“關”狀態(tài)的時間來達到運行控制目的。如根據控制算法，同樣要在T時間內輸出能量P，則可控制設備滿負荷工作時間t，即采用脈寬調制的方法，同樣可達到要求。10、在信號以電壓形式傳輸的模擬電路中，前后兩級電路之間，什么情況下需插接電壓跟隨器?什么情況下不需要?為什么?答：在要求信號以電壓形式傳輸（即要求前級饋送給后級的電壓最大）的模擬電路中，當前級電路的輸出阻抗不是遠小于后級電路的輸入阻抗時，兩者之間需插接電壓跟隨器。因為電壓跟隨器的輸入阻抗極高而輸出阻抗極低，它插在兩者之間，既給前級提供極高的輸入阻抗，又給后級提高極低的輸出阻抗，這樣就能使前級饋送給

14、后級的電壓最大。如果前級電路的輸出阻抗極低，或者后級的輸入阻抗極高，也就是說，已經滿足電壓傳輸最大的條件，兩者之間就無需再插接電壓跟隨器。11、試述開關量輸入輸出通道的基本組成。答：開關量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調理電路、輸入地址譯碼電路等組成，如圖2-3-1所示。開關量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅動電路、輸出口地址譯碼電路等組成，如圖2-3-4所示。 圖2-3-1 圖2-3-412、單元電路連接時要考慮哪些問題?答：組成測控系統(tǒng)的各單元電路選定以后，就要把它們相互連接起來，為了保證各單元電路連接起來后仍能正常工作，并彼此配合地實現預期的功能，就必須認真仔細地考慮各單元電路之間的級聯

15、問題，如：電氣特性的相互匹配、信號耦合方式、時序配合等。第3章1、為什么常見的中小型微機化測控系統(tǒng)大多采用單片機?答：單片機是指將計算機的基本部件集成在一塊芯片上而構成的微型計算機，單片機的優(yōu)點是可靠性高、控制功能強、易擴展、體積小。用單片機開發(fā)各類微機化產品，周期短、成本低，在計算機和儀器儀表一體化設計中有著一般微機無法比擬的優(yōu)勢。正因為如此，目前常見的微機化測控系統(tǒng)、特別是中型測控系統(tǒng)和便攜式測控儀器大多采用單片機。2、指出圖3-1-6中存貯器和I/O接口尋址范圍。答：P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0尋址范圍2764000×××

16、××0000H1FFFH6116-11×××0×××8000H87FFH6116-21×××1×××8800H8FFFH8155RAM0××××××00000H00FFH8155I/O0××××××10100H0105H3、為什么803l單片機的引腳固定接低電平？答： 因為803l單片機片內無ROM，故應將引腳固定接低電平，以迫使系統(tǒng)全部

17、執(zhí)行片外程序存儲器程序。4、假設給圖3-2-2 ADC0809的模擬輸入端加2.5V直流電壓，試確定以下兩種情況下80C51單片機P0.0和P0.1讀取的A/D轉換結果分別是“0”還是“1”？（1）VREF(+)=+5V，VREF(-)=0V；（2）VREF(+)=+5V，VREF(-)=-5V。解：（1）由題知，UR(+)=5V,UR(-)=0V,UX=2.5V,代入公式（3-2-1）或（3-2-2）計算得D7D0=10000000。圖3-2-2中P0.0=D7=1 P0.1=D6=0 (2) 由題知，UR(+)=5V,UR(-)=-5V,UX=2.5V,代入公式（3-2-1）計算得D7D0

18、=11000000。 圖3-2-2中P0.0=D7=1 P0.1=D6=15、在一個由8031單片機與一片ADC0809組成的數據采集系統(tǒng)中，ADC0809的8個輸入通道的地址為7FF8H7FFFH,試畫出有關接口的電路圖，并寫出每隔1min輪流采集一次8個通道數據的程序，共采樣50次，其采樣值存入片外RAM中以2000H單元開始的存儲區(qū)中。答：接口電路可參見圖3-2-2。 參考程序如下： MAIN： MOV R0，#20H MOV R1，#00H MOV R2，#00H MOV R3，#50 MOV R7，#08H LOOP： MOV DPTR，#7FF8H LOOP1： MOVX DPTR

19、，A MOV R6，#0AH DELAY： NOP NOP NOPDJNZ R6，DELAY MOVX A，DPTR INC DPTR MOV R2，DPL MOV DPH，R0 MOV DPL，R1 MOVX DPTR，A INC DPTR MOV R0，DPH MOV R1，DPL MOV DPH，#7FH MOV DPL，R2 DJNZ R7，LOOP1 LCALL DELAY1M ；延時1分鐘（子程序另外編寫） DJNZ R3，LOOP 6、圖3-2-7所示VFC接口電路所能轉換的模擬電壓Ux的最大允許值是多少?解：由公式（3-2-1）可得 因的最大計數值為FFH即，故模擬電壓Ux的最

20、大允許值為 7、仿照圖3-3-4設計一個三路同步輸出的D/A轉換接口電路并寫出接口程序。答： 8、串行ADC與并行ADC有何異同？串行DAC與并行DAC有何異同？答： 串行ADC與并行ADC二者的模數轉換原理相同，通常串行ADC是在并行ADC之后加一個并-串轉換電路構成的。串行DAC與并行DAC二者的數模轉換原理相同，通常串行DAC是在并行DAC之前加一個串-并轉換電路構成的。9、說明圖3-3-8的工作原理及其改進電路。答：圖3-3-8的工作原理是，當單片機的P1.0為高電平時，繼電器J通電，使開關S閉合，交流接觸器CJ通電，進而使三相電機得電運行。上述電路的缺點是易引起強烈的干擾。一是繼電器

21、J的通斷時觸頭產生電火花；二是接觸器CJ通斷時產生很強的電弧。采用固體繼電器代替通用型繼電器J，可消除接觸器線圈通斷時J觸點的電火花，但接觸器CJ動作觸點的電弧干擾依然存在。徹底消除電火花和電弧的干擾，可以采用晶閘管組成的無觸點開關。10、LED顯示接口與LCD顯示接口有哪些相同點，有哪些不同點?答：相同點是：1、兩種數字顯示器都為7段(或8段)顯示結構，因此也都有7個(或8個)段選端，并需接段驅動器；2、段驅動器所加段選碼都要通過譯碼從要顯示數字的BCD碼轉換得到，譯碼方式也有硬件譯碼和軟件譯碼兩種；3、多位顯示的方式都有靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。不同點是：LCD數字顯示器的公共電極與要顯示的筆畫

22、電極之間不能加直流電壓，只能加頻率為幾十赫到數百赫的方波信號，因此，LCD顯示器的驅動接口需要提供該低頻方波信號，而且其顯示接口的譯碼驅動電路與LED顯示接口的譯碼驅動電路也不同，二者不能通用。11、LED靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示在硬件和軟件上有哪些主要區(qū)別?答：多位LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種形式。靜態(tài)顯示就是各位同時顯示。為此，各位LED數碼管的位選端應連在一起固定接地(共陰極時)或接+5V(共陽極時)，每位數碼管的段選端應分別接一個8位鎖存器/驅動器。動態(tài)顯示就是逐位輪流顯示。為實現這種顯示方式，各位LED數碼管的段選端應并接在一起，由同一個8位I/O口或鎖存器/驅動器控制，而各位數碼

23、管的位選端分別由相應的I/O口線或鎖存器控制。動態(tài)LED顯示程序與靜態(tài)LED顯示程序設計有所不同，在動態(tài)顯示方式中，各個位的內容是分時輪流輸出的，要得到穩(wěn)定的顯示效果，必須不斷重復執(zhí)行顯示程序。而在靜態(tài)顯示方式中，各個位的內容是同時輸出的，不需要不斷重復執(zhí)行同一內容的顯示程序，僅僅在需要更新顯示內容時,CPU才執(zhí)行一次顯示更新子程序。12、說明行列式（矩陣式）非編碼鍵盤按鍵按下的識別原理答：按鍵設置在行、列線交點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上，無按鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)，而當有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線的電平決定。列線的電平如果為低

24、，則行線電平為低；列線的電平如果為高，則行線的電平亦為高。將行、列線信號配合起來并做適當的處理，就能確定閉合鍵即按下鍵的位置。13、鍵盤有哪三種工作方式，它們各自的工作原理及特點是什么？答：（1）編程掃描方式：當單片機空閑時，才調用鍵盤掃描子程序，反復的掃描鍵盤，等待用戶從鍵盤上輸入命令或數據，來響應鍵盤的輸入請求。（2）定時掃描工作方式：單片機對鍵盤的掃描也可用定時掃描方式，即每隔一定的時間對鍵盤掃描一次。（3）中斷工作方式：只有在鍵盤有鍵按下時，才執(zhí)行鍵盤掃描程序并執(zhí)行該按鍵功能程序，如果無鍵按下，單片機將不理睬鍵盤。14、何謂RS-232C的電平轉換？答：RS-232C的邏輯電平與一般微

25、處理器的邏輯電平（TTL電平）是不一致的，因此在實際應用時，必須把微處理器的信號電平(TTL電平)轉換為RS一232C電平，或者將RS一232C電平轉換為微處理器的信號電平(TTL電平)。這兩種轉換是用專用電平轉換芯片實現的：MC14488可將TTL電平轉換為RS一232C電平，MC14489可將RS一232C電平轉換TTL電平。單片機的串行口通過電平轉換芯片所形成的RS232C標準接口電路如下圖所示 15、RS-232C標準的接口信號有哪幾類?說明常用的幾根信號線的作用。答：RS-232C標準接口上的信號線基本上可分為四類：數據信號(4根)、控制信號(12根)、定時信號(3根)和地(2根)。

26、常用的幾根信號線是： TXD “發(fā)送數據”、RXD “接收數據”、RTS “請求發(fā)送”、DSR “數據裝置就緒”和信號地16、試比較RS-232C與RS-422、RS-423連接方式和傳輸特性的主要差別。答：連接方式比較如下：傳輸特性的主要差別：RS-232CRS-422RS-423最大電纜長度15m600m1200m最大數據率20Kb/s300Kb/s10Mb/s第4章1、 何謂總線？在測控系統(tǒng)中應用總線技術有何好處？答：所謂總線，就是在模塊和模塊之間或設備與設備之間的一組進行互連和傳輸信息的信號線的集合。這個集合定義了各引線的信號、電氣、機械特性，可以組成系統(tǒng)的標準信息通道，把計算機和測控

27、系統(tǒng)的各組成部分連成一個整體以便彼此間進行信息交換。在現代測控系統(tǒng)中，各分系統(tǒng)或各單元模塊間必然存在著信息的交換，這種信息交換必須借助于總線及總線接口部件。利用總線技術能夠大大簡化測控系統(tǒng)結構，增加系統(tǒng)的兼容性、開放性、可靠性和可維護性，便于實行標準化及組織規(guī)模化的生產，從而顯著降低系統(tǒng)成本。2、 測控總線包括哪些類型？答：目前常用的測控總線是，與計算機相對獨立的測控機箱底板總線、測控機箱與計算機互連總線及連接現場測控設備的現場總線。3、 什么是VXI總線？答：VXI總線是VME總線在儀器領域的擴展，即VMEbus Extension for Instrumentation 的縮寫。VXI總線

28、是在VME計算機總線的基礎上擴展的測控系統(tǒng)總線，也是當前性能最先進的測控系統(tǒng)機箱內部總線之一。4、 什么是PXI總線？答：PXI總線是PCI總線在儀器領域的擴展，即PCI eXtensions for lnstrumentation的縮寫。是與VXI總線并行的另一種模塊式儀器總線標準。5、 測控機箱與計算機互連的常見串行總線有哪些？答：常見的串行總線有：RS-232C、USB總線、IEEE1394總線6、 測控機箱與計算機互連的常見并行總線有哪些？ 答：常見的并行總線有：GPIB（IEEE 488）總線、SCSI總線、MXI總線7、 GPIB是什么總線？何謂“講者”、“聽者”、“控者”？答：G

29、PIB(General Purpose Interface Bus) 是同時被IEC和IEEE組織正式承認的通用接口總線，又稱為IEEE 488總線。該標準總線在儀器、儀表及測控領域得到了最為廣泛的應用，至今還是儀器、儀表及測控系統(tǒng)與計算機互連的主流并行總線。控者是對系統(tǒng)進行控制的設備，它能發(fā)出接口消息，如各種命令、地址，也能接收儀器發(fā)來的請求和信息。講者是發(fā)出儀器儀表消息的設備。聽者是接收講者所發(fā)出的儀器儀表消息的設備。第5章1、微機測控系統(tǒng)中為什么要對A/D轉換得到的測量數據進行處理？答：如果只考慮微機測控系統(tǒng)的“測量通道”中對測量數據有影響的環(huán)節(jié)，則測量數據的產生過程可簡化為可見，A/D

30、轉換結果D與被測量X存在如下關系 在理想情況下，只要知道標準輸入X1產生的測量數據D1 ,我們就可從任一測量數據D準確地推算出其對應的被測非電量X: 然而，實際情況并沒有這樣簡單。系統(tǒng)本身的參數S、M、E可能會隨時間漂移，傳感器電壓轉換系數S還可能隨被測非電量變化也有微小變化即存在一定程度非線性，如果我們依然按照上式來簡單地從測量數據推算被測非電量就必然產生誤差。因此，我們必須對獲得的測量數據進行必要的處理，消除誤差因素，或者說進行誤差校正，其目的就是盡可能準確地計算出實際的被測非電量。2、試述零位誤差和靈敏度誤差的校正方法。答：零位誤差的硬件校正方法是設置調零電位器和調零電路，常見的調零電路

31、有：傳感器調零電路、電橋調零電路、放大器輸入偏移調零電路、A/D轉換器調零電路；靈敏度誤差的硬件校正方法是調整傳感器靈敏度、放大器放大倍數、A/D轉換器的基準電壓等主要參數，但最常見的靈敏度調整方法還是調整決定放大器增益的電阻值。 線性測試系統(tǒng)零位誤差和靈敏度誤差的軟件校正方法是按照誤差校正公式編寫專門的計算子程序，將最近執(zhí)行“誤差校準”操作獲得的最新的校準數據(X1、D1)、(X2、D2)存入內存，每次測量后就調用該計算子程序，從輸出讀數D計算出被測量X。3、為什么要切換量程?怎樣實現量程切換?答：為了擴大測量范圍并保持一定的測量精度，檢測系統(tǒng)大多設置多個量程。普通測量儀表是用手動換檔開關來

32、切換量程，微機化測控系統(tǒng)應能自動進行量程切換。量程自動切換是實現自動測量的重要組成部分，它使測量過程自動迅速地選擇在最佳量程上，這樣既能防止數據溢出和系統(tǒng)過載，又能保證一定的測量精度。 根據量程（上限）值的計算公式 要改變量程值，可以有改變傳感器靈敏度S、從傳感器到A/D間信號輸入通道的總增益(即各放大器放大倍數及衰減器衰減系數的連乘積)K、A/D轉換器基準（滿度輸入）電壓E三種方法，其中改變總增益K的方法最常用。4、在圖5-5-1(d)中，什么情況下，A/D轉換數據可以直接送去顯示?什么情況下不可以?為什么?答：只有適當選擇和調整放大器增益K使它滿足以下條件： 才可將A/D轉換結果直接送去顯

33、示。因為滿足該條件時，A/D轉換結果Di與被測量xi的數值Ni相等，A/D轉換結果就可作為被測量的數值直接送去顯示或打印。如果上述條件不滿足，A/D轉換結果Di與被測量xi的數值Ni不相等，不可以直接作為被測量xi的數值送去顯示。5、溫度傳感器量程范圍是200800，在某一時刻微處理器取樣并經數字濾波后的數字量為CDH，求此時的溫度。解：溫度傳感器輸出的是電壓信號，微處理器取樣并經數字濾波后的數字量是電壓信號經模數轉換后的數據，此數據與溫度值是對應的，但在數字上并不相同。要從模數轉換后的數據求得溫度的數字，需經過標度變換。由題意可知， ， ，將以上數據代入公式（4-5-10），計算得此時的溫度

34、為 微機調用按照公式（4-5-10）算法編制的軟件程序計算出溫度值，即可送顯示器顯示出來。6、圖5-5-1(d)中采用線性傳感器和采用非線性傳感器兩種情況下，從A/D轉換數據計算出顯示數據的方法一樣嗎?為什么?答：不一樣。圖5-5-1(d)中采用線性傳感器的情況下，測量通道一般也是線性的，可以采用線性通道的標度變換方法，從A/D轉換數據計算出顯示數據。圖4-5-1(d)中采用非線性傳感器的情況下，測量通道就不是線性的，在這種情況下測量通道的A/D轉換結果Di與被測量xi也就不成線性關系，因此就不能再用上述線性通道的標度變換方法，應該采用非線性通道的標度變換方法即非線性校正方法。7、與硬件濾波器

35、相比較，采用數字濾波方法來克服隨機誤差有何優(yōu)點?答：與硬件濾波器相比較，采用數字濾波克服干擾，具有如下優(yōu)點：節(jié)省硬件成本、可靠穩(wěn)定、功能強、方便靈活，而且不會丟失原始數據。在模擬信號輸入通道中使用的頻率濾波難免濾去頻率與干擾相同的有用信號，使這部分有用信號不能被轉換成數據而存儲或記錄下來，即在原始數據記錄上永久消失。由于數字濾波只是把已采集存儲到存儲器中的數據讀出來進行數字濾波，只“讀”不“寫”就不會破壞采集得到的原始數據。8、常用的數字濾波算法有哪些?它們各自對哪種干擾有效？答：常見的數字濾波方法有（1）算術平均濾波法：一般適用于具有隨機干擾的信號的濾波。（2）移動平均濾波法：對周期性干擾有

36、良好的抑制作用，平滑度高，靈敏度低；但對偶然出現的脈沖性干擾的抑制作用差。（3）中位值濾波法：能有效地克服因偶然因素引起的波動干擾。對溫度、液位等變化緩慢的被測參數能收到良好的濾波效果。但對流量、速度等快速變化的參數一般不宜采用此法。（4）去極值平均值濾波法：算術平均與滑動平均濾波法，在脈沖干擾比較嚴重的場合，干擾將會“平均”到結果中去，故上述兩種平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的誤差，這時可采用去極值平均值濾波法。第6章1、試述P、PI、PD控制規(guī)律的特點以及連續(xù)PID算式離散化的方法。答：P控制規(guī)律的特點是根據給定值與實現輸出值的偏差的比例確定對控制對象進行控制的控制量，即PI控制規(guī)律的

37、特點是根據給定值與實現輸出值的偏差的比例和積分確定對控制對象進行控制的控制量，即PD控制規(guī)律的特點是根據給定值與實現輸出值的偏差的比例和微分確定對控制對象進行控制的控制量，即連續(xù)PID算式離散化處理的方法是把r(t),e(t),u(t),c(t)在第n次采樣時刻的數據分別用r(n),e(n),u(n),c(n)表示，偏差的數據用 e(n)=r(n)-c(n)表示，采樣周期T很小時，dt可用T近似代替，de(t)可用e(n)-e(n-1)近似代替，“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似這樣，連續(xù)PID算式便可離散化為以下差分方程2、位置型PID和增量型PID有什么區(qū)別和聯系？增量型PID有什

38、么優(yōu)點？答：位置型PID和增量型PID控制算法的兩種表達式分別為： 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遞推形式增量型算法與位置型算法相比，具有以下優(yōu)點：(1)增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關，計算誤差或計算精度問題對控制量的計算影響較小。而位置型算法要用到過去的誤差的累加值，容易產生大的累加誤差。(2)增量型算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中，只輸出閥門開度的變化部分，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會嚴重影響系統(tǒng)的工作。(3)采用增量型算法，易于實現手動到自動的無沖擊切換。3、已知某模擬控制器的傳遞函數，欲

39、用數字PID實現之，設采樣周期，試分別寫出相應的位置型和增量型PID算法表達式。解：本題給出的傳遞函數為 將本題給出的傳遞函數與公式（5-1-3）對比可知，該模擬控制器的，又已知，將這些參數代入公式（5-1-7）得位置型PID算法表達式 將這些參數代入公式（5-1-18）得，再代入公式（5-1-17）得位置型PID算法表達式 4、完全微分型PID算式有何不足之處?為什么可采用不完全微分型算式來克服？答：由圖5-2-2（b）可見，完全微分型PID算式的不足之處是，在階躍輸入的作用下，微分項輸出急劇增加，接著又急劇下降為零，因此容易引起控制過程的振蕩，導致調節(jié)品質下降。為了克服這一缺點，可采用不完

40、全微分型算法。由圖5-2-2（d）可見，采用不完全微分算法控制時，微分作用產生的輸出是按指數規(guī)律逐漸下降的，最終衰減為零，因而系統(tǒng)輸出變化比較緩慢，不易引起振蕩。5、何謂積分飽和?其影響如何?具體說明防止積分飽和的方法。答：積分作用雖能消除控制系統(tǒng)的靜差，但它也有一個副作用，即會引起積分過量。這是由于在偏差始終存在的情況下，輸出u(n)將達到上、下極限值。此時雖然對u(n)進行了限幅，但積分項仍在累加，從而造成積分過量。當偏差方向改變后，因積分項的累積值很大，超過了輸出值的限幅范圍，故需經過一段時間后，輸出u(n)才脫離飽和區(qū)。這樣就造成調節(jié)滯后，使系統(tǒng)出現明顯的超調，惡化調節(jié)品質。這種由積分

41、項引起的過積分作用稱為積分飽和現象。防止積分飽和的方法有三種：1）積分限幅法 積分限幅法的基本思想是當積分項輸出達到輸出限幅值時，即停止積分項的計算，這時積分項的輸出取上一時刻的積分值。2）積分分離法 積分分離法的基本思想是在偏差大時不進行積分，僅當偏差的絕對值小于一預定的門限值時才進行積分累積。這樣既防止了偏差大時有過大的控制量，也避免了過積分現象。3）變速積分法 變速積分法的基本思想是在偏差較大時積分慢一些，作用相對弱一些；而在偏差較小時，積分快一些，作用強一些，以盡快消除靜差。6、在數字PID中，采樣周期是如何確定的？選擇采樣周期應考慮哪些因素？答：依據采樣定理，采樣周期的上限值，應為信

42、號頻率組分中最高頻率分量的周期的一半。若采樣周期T大于此上限值，便會丟失部分信息，從而使控制質量變差。一般來說，采樣周期的下限值應是微機執(zhí)行控制程序所需的時間。實際采樣周期T應在上下限之間選擇，選擇時應綜合考慮如下一些因素：1）給定值的變化頻率加到被控對象上的給定值變化頻率越高，采樣頻率應越高，即T應越小，以使給定值的改變通過采樣迅速得到反映，而不致在隨動控制中產生大的時延。2）被控對象的特性若對象是慢速的熱工或化工對象時，T一般取得較大。在對象變化較快的場合，T應取得較小。另外尚需考慮干擾的情況，從系統(tǒng)抗干擾的性能要求來看，要求采樣周期短，使擾動能迅速得到校正。3）使用的算式和執(zhí)行機構的類型

43、采樣周期太小，會使積分作用、微分作用不明顯。同時，因受微機計算精度的影響，當采樣周期小到一定程度時，前后兩次采樣的差別反映不出來，使調節(jié)作用因此而減弱。此外，執(zhí)行機構的動作慣性大，采樣周期的選擇要與之適應，否則執(zhí)行機構來不及反應數字控制器輸出值的變化。4）控制的回路數一般來講，考慮到計算機的工作量和各個調節(jié)回路的計算成本，要求控制的回路較多時，相應的采樣周期越長，以使每個回路的調節(jié)算法都有足夠的時間來完成。第7章1、監(jiān)控程序主要由哪些模塊組成？答：監(jiān)控程序的組成主要取決于測控系統(tǒng)的組成規(guī)模，以及系統(tǒng)的硬件配備與功能。通常由監(jiān)控主程序、初始化管理、鍵盤管理、顯示管理、中斷管理、時鐘管理、自診斷、

44、手-自動控制等模塊組成。2、試述一鍵一義鍵盤管理的實現方法。答：一鍵一義即一個按鍵代表一個確切的命令或一個數字，編程時只要根據當前按鍵的編碼把程序直接轉移到相應的處理模塊的入口，而無需知道在此以前的按鍵情況。鍵盤信號的獲得有三種方法：第一種是單純查詢法。主程序用掃描鍵盤等手段來獲取鍵盤信息。微處理器(機)周而復始地掃描鍵盤，當發(fā)現按鍵時，首先判別是命令鍵還是數字鍵，若是數字鍵，則把按鍵讀數讀入存儲器，通常還進行顯示；若是命令鍵，則根據按鍵讀數查閱轉移表，以獲得處理子程序的入口。處理子程序執(zhí)行完后繼續(xù)掃描鍵盤。第二種辦法是中斷方法，按下任何鍵都引起一個中斷請求，鍵碼分析過程放在中斷子程序中，這種

45、方法需獨自占用一個外部中斷源。第三種辦法是定時查詢方法，每隔一定時間查詢一次鍵盤，由于時間間隔通常很短，對于操作者來說鍵盤的響應是實時的，鍵盤的查詢過程安排在定時中斷程序中完成。3、何謂中斷？何謂中斷源？單片機測控系統(tǒng)中常見的中斷源有哪些?設置中斷優(yōu)先級的目的是什么答：所謂中斷是指CPU在正常運行程序時，由于出現了內部或外部事件或者是程序事先安排的事件，使得CPU中止正在運行的程序而轉去執(zhí)行事件服務的程序，待處理完畢后，返回到被暫時中斷的程序接著往下執(zhí)行，這個過程稱為中斷。能夠發(fā)出中斷請求信號的外設或事件稱為中斷源。微機化測控系統(tǒng)中常見的中斷源有：過程通道、實時時鐘、面板按鍵、通信接口、系統(tǒng)故

46、障。在實際系統(tǒng)中往往有兩個以上的中斷源，設計者要根據測控系統(tǒng)的功能特點，確定多個中斷源的優(yōu)先級，以便區(qū)別輕重緩急在軟件上作出相應處理。通常，當多個中斷源同時提出申請時，主機要識別出哪些中斷源在申請中斷，辨別和比較它們的優(yōu)先級，優(yōu)先響應級別高的中斷請求。另外，當CPU在處理中斷時，還要能響應更高級的中斷請求，而屏蔽掉同級或較低級的中斷請求。這就要求設計者精心安排多中斷源的級別及響應時間，使次要工作不致影響主要工作。4、在微機化測控系統(tǒng)中實現定時的方法有哪幾種？答：有三種。1）硬件方法，是采用可編程定時/計數器接口電路(如CTC 8253)以及單片機內的定時電路；2）軟件方法，是執(zhí)行一段預先編制好

47、的延時子程序；3）軟件與硬件相結合的方法。5、如何實現手動操作以及手自動之間的無擾動切換?答：微機化控制系統(tǒng)的基本工作方式是自動控制。但在系統(tǒng)調試、測試和系統(tǒng)投運時，往往要用手操方式來調整輸出控制值。在手操方式時，系統(tǒng)的自動控制功能暫停，改由面板上的輸出加、減兩鍵來調整輸出值。在進行手-自動切換時，必須保證無擾動。為了實現無擾動切換，軟件設計人員要在用戶RAM區(qū)中開辟一個輸出控制值單元，作為當前輸出控制量的映象，無論是手操還是自動控制，都是對這一輸出值的映象單元進行加或減，在輸出模塊程序作用下，輸出通道把此值送到執(zhí)行機構上去。這樣就用極其簡單的方法實現了無擾動切換。6、為什么微機化測控系統(tǒng)要具

48、備自檢功能?自檢方式有哪幾種?常見自檢內容有哪些?答： 自檢就是利用事先編制的程序對測控系統(tǒng)的主要部件進行自動檢測，以確定是否有故障以及故障的內容和位置。自檢是微機化測控系統(tǒng)應具備的基本功能之一，也是提高可靠性和可維護性的重要手段之一。一般地講，故障診斷的基本原理是對被測部件輸入一串數據試驗數據，然后觀察相應的輸出數據，并對觀察結果進行分析，確定故障的內容和位置。試驗數據、觀察到的結果數據和故障的對應關系應在故障診斷前準備好。微機化測控系統(tǒng)的自檢方式可分為三種類型：開機自檢（在電源接通或系統(tǒng)復位之后進行）、周期性自檢（運行過程中，間斷插入自檢操作）、鍵盤自檢（面板上設“自檢”按鍵，當用戶對系統(tǒng)

49、的可信度發(fā)出懷疑時，便通過該鍵來啟動一次自檢過程）。一般來說，常見自檢內容包括ROM、RAM、總線、顯示器、鍵盤以及測量電路等部件的檢測。測控系統(tǒng)能夠進行自檢的項目越多，使用和維修就越方便，但相應的硬件和軟件也越復雜。第8章1、電路輸入阻抗高，是否容易接收高頻噪聲干擾?為什么?答：電路輸入阻抗高，是容易接收高頻噪聲干擾。因為電路所接收的高頻噪聲干擾的電壓與噪聲干擾的頻率成正比，與電路的輸入阻抗成正比。2、接地方式有幾種?各適用于什么情況?答：接地方式有單點接地（串聯單點接地和并聯單點接地）和多點接地兩種方式。單點接地主要用于低頻系統(tǒng)，不能用于高頻信號系統(tǒng)。因為這種接地系統(tǒng)中地線一般都比較長，在

50、高頻情況下，地線的等效電感和各個地線之間雜散電容耦合的影響是不容忽視的。當地線的長度等于信號波長(光速與信號頻率之比)的奇數倍時，地線呈現極高阻抗，變成一個發(fā)射天線，將對鄰近電路產生嚴重的輻射干擾。多點接地方式多用于高頻系統(tǒng)。多點接地不能用在低頻系統(tǒng)中，因為各個電路的地電流流過地線匯流排的電阻會產生公共阻抗耦合噪聲。3、信號傳輸線屏蔽層接地點應怎樣選擇?答：當放大器接地而信號源浮地時，屏蔽層的接地點應選在放大器的低輸入端，此時出現在放大器輸入端之間的噪聲電壓幾乎為零。當信號源接地而放大器浮地時，信號傳輸線的屏蔽應接到信號源的低端，此時出現在放大器輸入端之間的噪聲電壓幾乎為零。4、何謂“接地環(huán)路

51、”?它有什么危害?應怎樣避免?答：當信號源和系統(tǒng)地都接大地時，兩者之間構成的環(huán)路稱為接地環(huán)路，如下圖所示, 通常信號源和系統(tǒng)之間的距離可達數米至數十米，由于大地電阻和地電流的影響，將 使這兩個接地點之間存在電位差地電壓。由等效電路下圖（b）可見，地電壓在系統(tǒng)的兩輸入端將形成干擾電壓，而且大小幾乎接近，因此其影響不可忽略。為了避免形成接地環(huán)路產生干擾，應改為一點接地，并保持信號源與地隔離，如上圖（a）所示。圖中Rsg為信號源對地的漏電阻，由等效電路上圖（b）可見，由于Rsg非常大，地電壓在系統(tǒng)的兩輸入端將形成干擾電壓將遠遠小于，比信號源接地時的干擾電壓大有改善。此外，也可采用隔離變壓器、縱向扼流

52、圈、光電耦合器來切斷接地環(huán)路。5、屏蔽有哪幾種類型?屏蔽結構有哪幾種形式?答：屏蔽有三種類型：靜電屏蔽、電磁屏蔽、磁屏蔽。靜電屏蔽是，用一個金屬屏蔽盒罩住被干擾的電路（或干擾源），且將金屬盒接地，以消除外部的靜電干擾（或抑制干擾源對外部的干擾）。電磁屏蔽是，用低內阻的金屬材料制成屏蔽罩罩住被干擾的電路，外部高頻電磁場在導電性能良好的金屬屏蔽罩內產生渦電流，該渦電流產生的反磁場可抵消高頻干擾磁場，從而達到電磁屏蔽的目的。磁屏蔽是，用高導磁材料(例如玻莫合金)制成屏蔽罩，使低頻磁場干擾的磁力線大部分在屏蔽罩內構成回路，泄漏到屏蔽罩外的干擾磁通就很少，從而達到抑制低頻磁場干擾的目的。屏蔽結構形式主要

53、有屏蔽罩、屏蔽柵網、屏蔽銅箔、隔離倉和導電涂料等。6、為什么長線傳輸大都采用雙絞線傳輸?答：在遠距離信號傳輸的情況下，如果采取單線傳輸單端對地輸入的方式，那么傳輸線上的感應干擾電壓Un和地電壓Um都會與被測信號Us相串聯，形成差模干擾。為了避免這種后果，通常遠距離信號傳輸采取雙線傳輸雙端差動輸入的方式，而且為了實現雙線平衡傳輸，通常采用雙絞線。由于雙線絞合較緊，各方面處于基本相同的條件，因此有很好的平衡特性。而且雙絞線對電感耦合噪聲有很好的抑制作用。7、為什么光電耦合器具有很強的抗干擾能力?采用光電耦合器時，輸入和輸出部分能否共用電源?為什么?答：光耦合器由一只發(fā)光二極管和一只光電晶體管裝在同

54、一密封管殼內構成。發(fā)光二極管把電信號轉換為光信號，光電晶體管把光信號再轉換為電信號，這種“電光電”轉換在完全密封條件下進行，不會受到外界光的影響。由于信號傳遞是靠光傳遞，切斷了兩個電路之間電的聯系，因此兩電路之間的地電位差就再不會形成干擾了。光電耦合器的數字電路光耦合器的輸入阻抗很低，一般在1001000之間，而干擾源的內阻一般很大，通常為。根據分壓原理可知，這時能饋送到光電耦合器輸入端的噪聲自然很小。即使有時干擾電壓的幅度較大，但所能提供的能量很小，只能形成微弱的電流。而光耦合器的發(fā)光二極管只有通過一定強度的電流才能發(fā)光，光電晶體管也只在一定光強下才能工作，因此，即使電壓幅值很高的干擾，由于

55、沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉。光耦合器的輸入端與輸出端的寄生電容極小，一般僅為0.52PF，而絕緣電阻又非常大，通常為，因此光耦合器一邊的各種干擾噪聲都很難通過光耦合器饋送到另一邊去。在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，如果兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。8、什么叫“共地”?什么叫“浮地”?各有何優(yōu)缺點?答：如果系統(tǒng)地與大地絕緣，則該系統(tǒng)稱為浮地系統(tǒng)。浮地系統(tǒng)的系統(tǒng)地不一定是零電位。如果把系統(tǒng)地與大地相連，則該系統(tǒng)稱為共地系統(tǒng)，共地系統(tǒng)的系統(tǒng)地與大地電位相同。這里所說的“大地”就是指地球。常用的工業(yè)電子控制裝置宜采用共地系統(tǒng)，它有利于信號線的屏蔽處理，機殼接地可以免除操作人員的觸電危險。浮地的優(yōu)點是明顯地加大系統(tǒng)的信號放大器公共線與地(或外殼)之間的阻抗，阻斷干擾電流的通路，減少了共模干擾電流。缺點是設備不與大地連接，容易出現靜電積累現象，增加操作人員的觸電危險。9、何謂“共模干擾”?何謂“差模干擾”?應如何克服?答： “共模干擾”是相對于公共的電位基準點，在系統(tǒng)的接收電路的兩個輸入端上同時出現的干擾?！安钅８蓴_”是指能夠使接收電路的一個輸入端相對于另一輸入端產生電位差的干擾。由于