智能仪器第二部分复习题

智能仪器设计复习题1.简述智能仪器的概念？智能仪器有哪几种结构形式？对其作简要描述。智能仪器是计算机技术、通信技术、传感器技术、电子集成技术等多学科技术与传统测量仪器相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量(或检测)仪器。两种结构形式：微机内嵌式和微机扩展式。微机内嵌式是将单片或多片的微处理器与传统仪器有机地结合在一起形成的单机，其形态是仪器。微机扩展式是以个人计算机(PC)为核心的应用扩展型测量仪器。个人计算机仪器(PCI)或称微机卡式仪器。其形态可以是计算机。2.结合你对智能仪器概念的理解，讨论“智能化”的层次。四个层次：聪敏仪器类、初级智能仪器类、模型化智能仪器类和高级智能仪器类。聪敏仪器类是以电子、传感、测量技术为基础；初级智能仪器除了应用电子、传感、测量技术外，主要特点是应用了计算机及信号处理技术；模型化仪器是在初级智能仪器的基础上应用了系统识别和模式识别方法；高级智能仪器类特点是具有人工智能。3.试述智能仪器的特点和典型功能。特点：汇集各种高新技术，测量过程软件控制，强大的数据处理功能，多功能化，操作自动化，对外开放性。典型功能：数据分析和处理功能，自测功能和友好人机对话功能。4.画出智能仪器的基本结构，并说明各部分的功能。5.智能仪器的微处理器主要有哪些系列？基于8051内核的单片机、PIC系列单片机、AVR系列单片机、MSP-430系列单片机、基于ARM内核的单片机、数字信号处理器DSP6.以8051为内核的单片机制造公司有哪些？它们各有什么特点？Intel公司：技术性能及开发手段都较成熟，价格低廉，可重复编程和方便功能扩展Atmel公司：采用CMOS工艺、ISP（在系统编程），对8051的接口功能作了必要的扩充Philips公司：可以通过关闭不用的ALE，改善单片机的EMI电磁兼容性能；特有双DPTR指针；UART串行口增加了从地址自动识别和帧错误检测功能SiliconLab公司：采用CIP-51内核大力提升CISC结构运行速度；I/O口从固定方式到交叉开关配置7.C8051系列单片机增加了哪些数字外设？在实际应用中有什么优势？数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。8.什么是ARM？它有什么特点？ARM是英国的著名半导体设计公司，也是一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM公司设计的基于精简指令集计算机（RISC）结构的微处理器核，具有耗电少、成本低、功能强、特有16/32位双指令集的特征。9.DSP芯片的主要用途是什么？简述DSP的特点。主要应用是能够实时快速地实现各种数字信号处理算法。特点：在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；片内具有快速RAM，可通过独立数据总线在2种RAM中同时访问；快速的中断处理和硬件I/O支持；具有在单周期内操内嵌式扩展式作的多个硬件地址产生器；可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。10.设计智能仪器时怎样选择微处理器？应考虑哪些因素？选择处理器时，应根据任务需求，考虑微处理器的性能、片内硬件资源、成本和实现是否方便来选择。考虑因素：速度、精度、字长和寻址空间。11.简述串行外设接口（SPI）和多通道缓冲串行口（McBSP）的基本原理。答案暂无12.数据采集系统主要实现哪些基本功能？信号采集、信号调理、模数转换、微机显示数据、处理数据、记录数据和传输数据。13.数据采集系统有哪几种组成结构？简要说明几种结构的特点和适用的场合。单通道数据采集系统：结构简单，成本低，只能采集一路信号。多通道一般型数据采集系统：多路信号共用一个S/H和ADC，电路结构简单、成本低；采集速度低，分时采集，不能获得多路信号同一时刻的数据，对于要求多路信号严格同步采集的系统是不适用的。多通道同步型数据采集系统：可以实现同步采集和分时A/D转换；多路信号的A/D转换是分时进行的，工作速度较低。多通道独立型数据采集系统：每一通道有独立的S/H、ADC电路，可以实现同步采集和高速采集；成本较高。网络式数据采集结构:采集通道数多，采集数据量大，便于横向扩展，数据易于存储、集中管理；设计复杂、成本高、重点要考虑站点间数据同步的准确性和效率14.数据采集系统中的前置放大器一般设置在调理电路的最前端，为什么（图，计算过程，比较，结论）15.为什么要在数据采集系统中使用测量放大器？如何选择？在测量时，来自传感器的信号一般都是比较弱的低电平信号，不适合直接进入A/D转换器。放大器的作用是将微弱信号进行放大，以便能充分地利用ADC的满刻度分辨率。测量放大器应高输入阻抗，反应时间快；频率响应范围宽；高抗共模干扰能力；低漂移、低噪声及低输出阻抗。放大器的增益K应满足两个条件：既不能使A/D溢出，又要满足转换精度的要求所需放大器增益K：16.通用运算放大器的主要参数有哪些？主要参数：输入失调电压、输入失调电压的温漂、共模抑制比输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温漂；差模开环直流电压增益、电源电压抑制比；输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压；开环带宽、单位增益带宽、全功率带宽；转换速率、建立时间；等效输入噪声电压；差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。17.在设计数据采集系统时，选择模拟多路开关要考虑的主要因素是什么？通道数量、泄漏电流、导通电阻、开关速度、芯片电源电压范围。18.采样周期与哪些因素有关？如何选择采样周期？（答案待定）采样周期与被转换信号周期有关，采样周期应小于被转换信号最大周期的1/2。19.当A/D转换器的满标度模拟输入电压为+5V时，8位、12位ADC的绝对量化误差和相对量化误差分别为多少？（计算）20.在设计一个测量仪器系统时，选用A/D转换器时，应考虑哪些问题？模拟输入电压的量程、能测量的最小信号、非线性误差、每完成一次转换需要时间、对输入信号的要求、是否需要预处理。21.简述ADC的主要技术指标。1）转换精度：a分辨率和量化误差；b转换误差；2）转换时间22.能否说一个带有采样/保持器的数据采集系统，其采样频率可以不受限制？为什么？答案暂无23.设计一个模拟量输入通道，输入为交变信号，f=200Hz，电压范围0~20V，转换时间小于50μs，分辨率为10mV，通道误差小于0.1%。（计算）课件《智能仪器设计基础-4（数据采集2）》36页24.简述∑-Δ型A/D转换器中，过采样、噪声整形及数字抽取滤波的原理。25.如果一个数据采集系统，要求有1%级精度性能指标，在设计该数据采集系统时，怎样选择系统的各个器件？26.一个数据采集系统的采样对象是粮库的温度和湿度，要求测量精度分别是±1℃和±3%RH，每10min采集一次数据，应选择何种类型的A/D转换器和通道方案？27.模拟量输出通道一般有哪几种形式？每种结构的特点是什么？28.D/A转换器与微处理器连接时一般有哪几种接口形式？试举例说明当DAC数据总线宽度与微处理器总线宽度相同或高于微处理器总线宽度时，微处理器对DAC的控制方式。29.微处理器的输出信号驱动执行机构时应考虑哪些问题？30.电路如下图所示，图中R＝10kΩ，RF＝30kΩ，d0、d1为输入的数字量。当数字量为“0”时，电子开关S0、S1接地；为“1”时，开关接+5V。要求写出输电压u0与输入的数字量d0、d1之间的表达式。31.说明DAC0832的特点。其输出信号是电流信号还是电压信号？其输出的信号还需要怎么处理？画出其处理的电路图。32.试设计一个用数字输出口控制光电耦合器的电路，分析其工作原理。33.设计一个由8位D/A转换器构成的任意波形发生器（电路中包括时钟、地址发生器、偏移地址累加器、数据存储器等），说明其工作原理，并给出改进设计的意见。34.量程自动转换技术的基本要求有哪些？为防止大幅值信号进入输入级造成电路的损害，量程转换电路中一般怎样进行保护？35.下图是一个由输入衰减器和放大器组成的量程转换的原理性电路（K5闭合时为自测试状态，本题中的问题是在K5断开时进行的）。S为继电器开关，控制100∶1衰减器是否接入。K5～K10是场效应管模拟开关，控制放大器不同的增益。继电器开关S、K5～K10在微机发出的控制信号的控制下，形成不同的通、断组合，构成0.1V、1V、10V、100V和1000V五个量程以及自动测试状态。请问：（1）若后续A/D转换电路的输入范围为0～3.2V，请分析各种组态（不同量程）时的开关状态，并给出当前状态下的电路放大倍数；（2）根据量程变换的基本要求设计五个量程时的电压输入范围（升、降量程的阈值）；（3）设计电路，用微机控制实现量程的自动转换，并编写转换的程序流程或编写程序。36.简述键抖动现象，说明软件去抖处理方法。37.如何消除键连击及串键现象；说明如何合理利用键连击现象实现“长按”和“短按”功能。38.触摸屏的种类主要有哪些？简述电阻式和电容式触摸屏的原理及特点。39.请叙述用状态矩阵法设计监控程序的步骤，并说明该方法的特点。40.以一8回路温控仪为例说明用状态矩阵法设计键盘监控程序的设计过程。要求根据仪器功能绘制状态图，根据状态图给出状态表，确定按键编码值，并给出程序设计流程图。S.2+-S.1100k9.9MHiLo100kK8K721.6k9kK6K51k147k+15VK10K9UoA8回路温控仪面板6个按键定义：C键：回路号1～8，第8路为环境温度补偿信号，其余为温控点的温度信号；P键：参数号，对应设定值、实测值、PID参数值、上下限报警值、输出控制值等8个参数；△键：加1；▽键：减1；R键：运行；S键：停止。温控仪按键序列定义按键序列功能[回路号]、[运行]启动1～7路中的一路运行[停止]停止当前回路的运行[回路号]回路号+1[回路号]、[参数号]参数号+1，执行CiPi对应的子程序[回路号]、[参数号]、[加1]当前回路的P参数+1[回路号]、[参数号]、[减1]当前回路的P参数-1按键状态表本次按键现行状态动作程序内容R（运行）C（回路号）为1～7启动运行某一回路S（停止）C（回路号）为1～7停止运行某一回路C（回路号）回路号+1P（参数号）C（回路号）参数号+1,执行CiPi对应的子程序△[加1]C[回路号]、P[参数号]当前回路的P参数+1▽[减1]C[回路号]、P[参数号]当前回路的P参数—1C△P▽RS复习资料：参看《课件》、《教材》以及《实验指导书》等相关资料。