智能儀器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)（精）

1、智能儀器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)（10）一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的智能儀器是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)木科生必修的專業(yè)課，是全國(guó)高等學(xué)校儀器儀表類專業(yè) 開(kāi)設(shè)的主干課z-o隨著微型計(jì)算機(jī)及微電了技術(shù)在測(cè)試領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，儀器儀表在測(cè) 量原理、準(zhǔn)確度、靈敏度、町靠性、多種功能及自動(dòng)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(dòng)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(jì)方法無(wú)疑是十分重要的。通過(guò)智能儀器課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生建立儀器整機(jī)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(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技術(shù)進(jìn)行儀器設(shè)計(jì) 的能力，提高學(xué)生靈活性和創(chuàng)新（創(chuàng)造）意識(shí)。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(guò)相應(yīng)的設(shè)計(jì)性或綜合性實(shí)驗(yàn)，才能 加深理解并切實(shí)掌握所學(xué)的知識(shí)和技術(shù)，發(fā)現(xiàn)并解決實(shí)驗(yàn)屮出現(xiàn)的問(wèn)題，培養(yǎng)獨(dú)立開(kāi)展設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)的能力，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。綜介單元實(shí)驗(yàn)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(jì)能力和技術(shù)實(shí)現(xiàn)能力。二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)置與任務(wù)根據(jù)課程教學(xué)要求，開(kāi)設(shè)四個(gè)單元的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)共計(jì)16學(xué)時(shí)（另外 需要學(xué)生按排計(jì)劃外16學(xué)時(shí)），課內(nèi)外緊密結(jié)合，才能保證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施。計(jì)劃安排見(jiàn)下表。智能儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)置一

3、覽表序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn) 類型學(xué)時(shí)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(jì) 與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)33萬(wàn)用表、示波器、 信號(hào)發(fā)生器等進(jìn)入實(shí)驗(yàn)前自行 完成原理圖設(shè)計(jì)2電壓信號(hào)數(shù)據(jù) 采集了系統(tǒng)設(shè) 計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)性33微機(jī)、單片機(jī)開(kāi)發(fā) 系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、 示波器等先期完成原理圖 設(shè)計(jì)和編寫(xiě)采集 程序3鍵盤(pán)及l(fā)cd顯 示設(shè)計(jì)性23微機(jī)、單片機(jī)開(kāi)發(fā) 系統(tǒng)先期完成原理設(shè) 計(jì)、編寫(xiě)程序4基本數(shù)據(jù)處理 算法設(shè)計(jì)性23微機(jī)先期編寫(xiě)算法程 序,擬定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)5微機(jī)內(nèi)嵌式智 能儀器綜合實(shí) 驗(yàn)綜合性44微機(jī)、單片機(jī)開(kāi)發(fā) 系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、 示波器、溫度計(jì)等完成前四個(gè)實(shí)驗(yàn) 并保留其軟硬件 成果三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本要求以

4、微機(jī)內(nèi)嵌式的智能儀器或測(cè)控裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，下圖表示了以單片機(jī)為核 心，包括鍵盤(pán)、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(jì)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì) 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(jì)與實(shí)現(xiàn)：能夠根據(jù)被測(cè)對(duì)象或傳感器輸出信號(hào)的特性, 選擇合適的運(yùn)算放大器和阻容器件，設(shè)計(jì)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(hào)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)采集系統(tǒng)硬件及軟件，實(shí)現(xiàn)單路電壓信號(hào)的 數(shù)據(jù)采集。3. 鍵盤(pán)及l(fā)ed顯示：部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中已有，本項(xiàng)

5、實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是根據(jù)儀器整機(jī) 功能需要設(shè)計(jì)鍵盤(pán)和顯示，定義鍵盤(pán)功能，編寫(xiě)鍵盤(pán)掃描和led顯示等子程序，掌握儀器 監(jiān)控程序設(shè)計(jì)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(xiě)基本數(shù)據(jù)處理算法的程序, 擬定被處理數(shù)據(jù)，驗(yàn)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(hào)和噪聲（干擾） 特征，選擇合適處理算法和流程。5. 微機(jī)內(nèi)嵌式智能儀器綜合實(shí)驗(yàn)：本實(shí)驗(yàn)以溫度為測(cè)量對(duì)象，將實(shí)驗(yàn)一到實(shí)驗(yàn)四的單 元內(nèi)容綜合，完成具有信號(hào)采集、處理、鍵盤(pán)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(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。智能儀器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一 儀用放大器和濾波電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1. 實(shí)

6、驗(yàn)?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(guò)本實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠根據(jù)被測(cè)對(duì)象或傳感器輸出信號(hào)的 幅度大小、頻率范圍等特性，結(jié)合所設(shè)計(jì)儀器采集系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，運(yùn)用模擬電子技術(shù)、 信號(hào)與系統(tǒng)等課程所學(xué)的有關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)儀用放大器和抗混疊濾波器。2. 設(shè)計(jì)原理與任務(wù)（1）儀川放大器是一種高性能的放大器，其對(duì)稱性結(jié)構(gòu)口j同時(shí)滿足對(duì)放大器的抗共模十 擾能力、輸入阻抗、閉環(huán)增益的時(shí)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(gè)通川運(yùn)算放大器構(gòu)成，第一級(jí)為兩個(gè)對(duì)稱的同相放人器，第二 級(jí)是一個(gè)差動(dòng)放大器。儀用放大

7、器上下對(duì)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(jí)運(yùn)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(guò)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(shí)，rc-般為外接電陽(yáng)，目前，市場(chǎng)上可供選擇的儀用放大器較多，在實(shí)際 的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)根據(jù)模擬信號(hào)調(diào)理通道的設(shè)計(jì)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(wú)源rc濾波電路是常用的電路，木實(shí)驗(yàn)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(guò)multisim對(duì)設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿真，確定各個(gè)元件的參數(shù)。若考慮消除50hz的工頻十?dāng)_，如何設(shè)計(jì)濾波器？（幅度特性如圖所示）。（3）選擇合適的運(yùn)算放大器和阻容器件實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的電路，掌握電路調(diào)試方法和主要 技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試，比較理論計(jì)算和實(shí)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(jì)參數(shù)相互影響？(2) 增大放大器的放大倍數(shù)，對(duì)頻帶寬度是否冇影響，為什么？實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目二電壓信號(hào)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康臄?shù)

9、據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在測(cè)最、白動(dòng)控制等各個(gè)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(jì)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(jì)的知識(shí)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(jì)釆集系統(tǒng)硬件及軟 件，實(shí)現(xiàn)單路電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。2. 設(shè)計(jì)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(hào)范圍是+ 5v,滿量程誤差小于0.1%。(2) 以單片機(jī)為核心，選擇a/d芯片、接口方式，設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)。（3）根據(jù)提供的器件，實(shí)現(xiàn)其硬件

10、，編寫(xiě)采集程序。（4）輸入直流電壓、正弦波等信號(hào)，給出測(cè)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(yàn)證。（2）技術(shù)指標(biāo)如何測(cè)試？實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三 鍵盤(pán)及l(fā)ed顯示1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康逆I盤(pán)和顯示是智能儀器或微機(jī)化測(cè)控裝置進(jìn)行人機(jī)交互必備的。智能儀器通過(guò)輸入 設(shè)備接受各種命令和數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果通過(guò)輸出設(shè)備顯示岀來(lái)。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(pán)；信息輸出比較多的采用led顯示或lcd顯示器。通過(guò)設(shè)計(jì)鍵 盤(pán)和顯示實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步掌握硬件接ii、定義鍵盤(pán)功能、設(shè)計(jì)監(jiān)控程序，通過(guò)led顯示儀器 工作狀態(tài)、測(cè)試結(jié)果等信息。2. 設(shè)計(jì)要求與任務(wù)（1）根據(jù)選用

11、單片機(jī)可利用的資源，綜合考慮采集通道等因素，確定鍵盤(pán)和led接口 設(shè)計(jì)方案。要求鍵盤(pán)具有09數(shù)字鍵、5個(gè)功能鍵、1個(gè)確認(rèn)鍵；led顯示器能夠顯示數(shù) 據(jù)（4位）。（2）設(shè)計(jì)鍵盤(pán)管理子程序、顯示子程序，設(shè)計(jì)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(guò)儀器監(jiān)控程序設(shè)計(jì)，避免儀器誤操作。（2）怎樣盡量減少鍵盤(pán)個(gè)數(shù)，又能保證所需功能？實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目四基本數(shù)據(jù)處理算法1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)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(lái)靠硬件電路難 以實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理問(wèn)題得以解決，從而克服和彌補(bǔ)了包括傳感器在內(nèi)的各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)中硬件 木身的缺陷或弱點(diǎn)，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(jī) 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(guò)本實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能 夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)和干擾特征，選取合理的數(shù)據(jù)處理算法，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證算法的 有效性。2. 實(shí)驗(yàn)要求與任務(wù)學(xué)習(xí)掌握數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用頻譜知識(shí)和濾波器設(shè)計(jì)知識(shí)，對(duì)信號(hào)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(cè)信號(hào)是幅度較小的直流電壓，經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大和a/d轉(zhuǎn)換，由于50hz i頻干 擾使測(cè)量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。根據(jù)實(shí)際采樣率等參數(shù)，設(shè)計(jì)消除工頻干擾算法。（2）設(shè)計(jì)快速杳表程序，實(shí)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(wèn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目五微機(jī)內(nèi)嵌式智能儀器綜合實(shí)驗(yàn)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶⑶八膫€(gè)單元設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)綜合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)在鍵盤(pán)參數(shù)輸入和設(shè)定功能控制下，采集、處 理、顯示被測(cè)電壓信號(hào)的人小。改變輸入信號(hào)的頻率，檢驗(yàn)濾波和數(shù)據(jù)處理效果等。通過(guò)本 實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步理解儀器整機(jī)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(jì)和調(diào)試能力。2. 實(shí)驗(yàn)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(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤(pán)和顯示等硬件 集成起來(lái)，在仿真器下，分步運(yùn)行監(jiān)控程序，檢驗(yàn)各部分運(yùn)行情況，解決町能存在的沖突;（2）針對(duì)不同的被測(cè)電壓特征，添加不同