智能仪器原理及应用(第二版)课后习题部分答案

1-1.什么是智能仪器？智能仪器的主要特点是什么？答：内含微型计算机并带有GP-IB等通信接口的电子仪器成为智能仪器。特点：（1）智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关开实施对仪器的控制从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。（2）微处理器的运用极大的提高了仪器的性能。（3）智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便的实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自动诊断等功能，有力的改善了仪器的自动化测量水平。（4）智能仪器具有友好的人机对话能力。（5）智能仪器一般都配有GP-IB或RS-232等通信接口，是智能仪器具有可程控操作的能力1-2.画出智能仪器通用结构框图，简述每一部分的作用。答：主机电路用来存储程序数据并进行一系列的运算和处理；模拟量输入/输出通道用来输入/输出模拟信号；人机接口电路的作用是沟通操作者和仪器之间的联系；通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系，以便使仪器可以接收计算机的程序命令。1-3.智能仪器监控程序的主要内容是什么？答：监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序，其内容包括：通过键盘输入命令和数据，以对仪器的功能、操作方式与工作参数进行设置；根据仪器设置的功能和工作方式，控制I/O接口电路进行数字采集、存储；按照仪器设置的参数，对采集的数据进行相关的处理；以数字、字符、图形等形式显示测量结果、数据处理的结果及仪器的状态信息。1-4.简述智能仪器面板广泛使用按键键盘的特点。答：智能仪器广泛使用键盘，使面板的布置与仪器功能部件的安排可以完全独立的进行，明显改善了仪器面板及有关功能部件结构的设计，这样即有利于提高仪器技术指标，又方便了仪器的操作。1-5.简述现代自动测试系统的结构与特点。答：智能仪器组成的自动测试系统是一个分布式多微型计算机系统，系统内的各智能仪器在任务一级并行工作，它们个子具备的硬件和软件，能相对独立的工作，相互间也可通信，它们之间通过外部总线松散耦合。特点：自动测试系统具有极强的通用性和多功能性。1-6.个人仪器系统相对智能仪器具有什么特点？答：个人仪器和个人仪器系统充分的利用PC机软件资源，相对于智能仪器来说，极大的降低了成本，大幅缩短了研制周期，显示出广阔的发展前景。1-7.简述智能仪器、自动测试系统、个人仪器系统的含义以及它们之间的关系。答：个人仪器系统是由不同功能的个人仪器和PC机有机结合而构成的自动测试系统。1-8.什么是VXI总线仪器系统？简述其特征与组成。答：VXI总线系统即采用VXI总线标准的个人仪器系统，一般由计算机、VXI仪器模块和VXI总线机箱构成。1-9.研制智能仪器大致需要经历哪些阶段？试对各阶段的工作内容做一简要的叙述。答：1.确定设计任务：首先根据仪器最终要实现的设计目标，编写设计任务说明书，明确仪器应具备的功能和应达到的技术指标。2.拟制总体设计方案：设计者应首先一句设计的要求和一些约束条件，提出几种可能的方案。3.确定仪器工作总框图：当仪器总体方案和选用的微处理器的种类确定后，就应采用自上而下的方法，把仪器划分成若干个便于实现的功能模块，并分别绘制出相应的硬件和软件工作框图。4.硬件电路和软件的设计与调试：一旦仪器工作总框图确定后，硬件电路和软件的设计工作就可以齐头并进。5.整机联调：硬件、软件分别装配调试合格后，就要对硬件、软件进行联合调试。1-10为什么目前智能仪器主机电路大多数采用单片机？选择单片机时应主要.考虑哪些因素？答：单片机性能增强、体现在指令指令执行速度有很大提升；单片机集成了大容量片上flash存储器，并实现了ISP和IAP，单片机在低电压、低功耗、低价位、LPC方面有很大进步；单片机采用了数字模拟混合集成技术，将A/D、D/A、锁相环以及USB、CAN总线接口等都集成到单片机中，大大地减少片外附加器件的数目，进一步提高了系统可靠性能。单片机的选择要从价格、字长、输入/输出的执行速度、编程的灵活性、寻址能力、中断功能、直接存储器访问（DMA）能力、配套的外围电路芯片是否丰富以及相应的并发系统是否具备等多方面进行综合考虑。2-1.A/D转换器与D/A转换器分别有哪些主要技术指标？分辨率和转换精度这两个技术指标有什么区别和联系。答：A/D转换器技术指标：1.分辨率与量化误差；2.转换精度；3.转换速度；4.满刻度范围。D/A转换器技术指标：1.分辨；2.转换精度；3.转换时间；4尖峰误差。分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标，转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。2-2.逐次比较式、并联比较式和积分式A/D转换器各有什么特点？答：逐次比较式A/D转换器转换时间与转换精度比较适中，适用与一般场合。积分式A/D转换器的核心部件是积分器，速度较慢，但抗干扰性能力强，适用于在数字电压表类仪器中采用。并行比较式A/D转换器，转换速率可以达到很高，但抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位。适用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器。2-3图2-10所示的双积分A/D转换器最大显示数为19999（BCD码），满刻度值为2V，时钟频率f0=100kHz(f0=1/T0),试求：（1）该双积分A/D转换器的基准电压+UR、-UR应该为多少？（2）该双积分A/D转换器的分辨率是多少？转换速率大约为多少？（3）积分时间T1为多少毫秒？时钟频率是否可选择80kHz？为什么？（4）当输入电压Ui=0.25V时，积分时间T2为多少毫秒？显示数的数码指示为多少？解：（1）基准电压UR2VUR2V（2）分辨率：2V量程显示最大值1.9999V,其可显示最小值是0.0001V，即分辨率0.0001V。转换时间：T2T12N1/fCLK2400ms转换次数为每秒2.5次（3）T1=N1/fCLK=20000/100=200ms,而当选择时钟频率为80kHz是T1=N/fCLK=20000/80=250ms，采样时间T1不是T的整数倍，顾不可选择80kHz为时钟频率（4）T22500*T025ms，显示值N2T2*fCLK2510025002-4参考图2-11所示的微处理机控制的双积分式A/D转换器系统。试分析，在软件控制双积分式A/D转换的过程中，(1)仪器软件如何判断输入电压Ui的极性？如何根据Ui的极性选择UR的极性？(2)什么是软件计数？不同制式（二进制或BCD码）的软件计数如何实现？等效的计数时钟频率如何计算？(3)仪器软件如何判断积分器输出的过零点？(4)如何体会软件程序代替硬件逻辑？以软件代硬件的优点是什么？局限性是什么？2-5.参考图2-18，设计一个MCS—51单片机与MC14433双积分A/D转换器的接口电路，要求采用查询方式控制A/D转换，画出接口电路图并编写相应的控制程序。2-6运用双口RAM或者FIFO存储器对图2-22所示的高速数据采集系统进行改造。画出该采集系统电路原理图，简述其工作过程。2-7参考图2-33所示的接口电路，编写能对产生连续三角波输出的控制程序。要求产生波形的起始电压为-2.5V，终止电压为-5V.2-8在一个MCS-51单片机与0832D/A转换器的（单缓冲）接口电路中，已知：单片机时钟频率为12MHz，D/A转换器的地址为7FFFH，当输入数字范围为00H~FFH时，其输出电压范围为0~-5V。（1）画出接口的电路原理图。（2）编写一段程序，使其运行后能在示波器上显示大约两个周期的锯齿波波形（设示波器显示器X轴刻度为10格，扫描速度为50us/s格）。解：1）由题分析可知该电路是单极性单缓冲电路，且该接口的电路原理图如下图所示：2）DAC0832地址为#7FFFH，则其P2.7与CS、XFER相连接。从00H开始传送数字，隔一段时间增加输出数的大小，从而获得周期性锯齿波信号。由题意，算出信号的周期为10x50/2。一个周期输出256个数据。每个数保持数据接近1us，即1个机器周期。MOVX：2、ADD：1、NOP：1、SJMP：2程序ORG0000HAJMPSTARTORG0030HSTART:MOVDPTR,#7FFFH;单缓冲输出MOVA,#00HLOOP:MOVX@DPTR,A;输出锯齿波ADDA,#8NOPNOPSJMPLOOPEND2-9数据采集系统主要由哪几部分组成，每部分主要功能是什么？答：数据采集系统把多路开关、模拟放大器、采样/保持器、A/D转换器、控制逻辑以及微处理器系统的接口电路等都集成在一块芯片中，构成数据采集集成电路。2-10在一个时钟频率为12MHz的8031系统中接有一片ADC0809A/D转换器（地址自定），以构成一个简单8通道自动巡回系统。要求该系统每隔100ms时间就对8个直流电压源（0~5V）自动巡回检测一次，测量结果对应在于60H~67H的8个存储单元中（定时采样可以采用单片机内定时器的定时中断方法）。试画出该系统的电路原理图，并编写相应的控制程序。1）12MHZ定时器最大定时时间65.536ms,超出这个时间要设置溢出寄存器。本程序设T0的定时时间为50ms，计数值为50X103us/1us,T0的初值为10000HC350H3CB0H。定时器工作方式；2）定时器溢出计数器7FH,初值为2；3)00H存放1S标志初值#00H,R1通道数初值#08H,R0放转换数据地址初值#60H；4）通道0地址#0FEF8HMAIN:ORG#0000HSJMPINI1ORG#000BHSJMPINTIN1:CLRTR0；MOVR1,#08HMOVTMOD,#01HMOVTH0,#3CHMOVTL0,#0B0HCLR00HMOV7FH，#02HMOVDPTR，#0FEF8HMOVRO,#60HSETBTR0WAIT1：JNB00H，WAIT1CLR00HCALLSAPDJNZR1，WAIT1RETINT：ORLTL0，#0B0HMOVTH0，#03CHDJNZ7FH，INTEMOV7FH，#02HSETB00HINTE：RETISAP：MOVA，00HMOVX@DPTR，AMOVR2，#48HWAIT2：DJNZR2，WAIT2MOVXA，@DPTRMOV@R0,AINCDPLINCR0RET3-1.独立式键盘、矩阵式键盘和交互式键盘各有特点？分别适合于什么场合？答：独立式键盘：一键一线，即每一按键单独占用一根检测线与主机相连。优点是键盘结构简单，各测试线相互独立，按键识别容易。缺点是占用较多的检测经，不便于组成大型键盘。矩阵式键盘：把检测线分别分成两组，一组为行线，另一组为列线，按键放大行线和列线的交叉点上。当需要的按键数大于8时,一般采用矩阵式键盘。交互式键盘：任意两检测线之间均可以放置一个按键。其所占用的检测线比矩阵式还要少，但是这种键盘所使用的检测线必须具有位控功能的双向I/O端口线。3-2参照图3-5所示的独立式键盘接口电路，编写相应的键盘分析程序段。3-3图3-42是一个能支持中断工作方式的矩阵键盘接口电路，键盘中的按键都是单义键，其中0~9为数字键，A~F为功能键。试运用直接分析法编写的键盘管理程序（功能键对应的动作程序自拟）；分析图中二极管有何作用。3-4.分析法设计键值分析程序有什么优点？简述其设计步骤。答：键盘分析程序的任务是对键盘的操作做出识别并调用相应的功能程序模块完成预订的任务。直接分析法的优点是简明直观，缺点是命令和识别和处理程序的执行交错在一起，相互牵制。层次不清楚，当采用多用键，复用次数较多时，这一矛盾尤其突出，用状态分析法可以克服这些缺点。状态分析法步骤：1.用状态图准确表述按键操作序列的定义；2.状态表；3.固化状态表；4.键盘分析程序的设计。3-5图3-43为一简化的智能电压/频率计面板示意图，各键定义如下：若顺序按动[功能][数字]键，表示选择仪器的功能，其中数字0,1,2……分别表示电压、频率