智能仪器实验指导.doc

智能仪器实验指导(1.0)
一、实验教学目的
智能仪器是测控技术与仪器专业本科生必修的专业课，是全国高等学校仪器仪表类专业开设的主干课之一。随着微型计算机及微电子技术在测试领域中的广泛应用，仪器仪表在测量原理、准确度、灵敏度、可靠性、多种功能及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，逐步形成了完全突破传统概念的新一代仪器——智能仪器。仪器的智能化已是现代仪器仪表发展的主流方向。在信息技术的高速发展和人工智能应用的推动下，智能仪器必将有更大的进展。因此，学习智能仪器的工作原理、掌握新技术和设计方法无疑是十分重要的。
通过智能仪器课程的学习，使学生建立仪器整机系统的概念，掌握智能仪器软硬件相结合的基本工作原理、主要技术和设计方法，培养学生综合运用所学知识与技术进行仪器设计的能力，提高学生灵活性和创新（创造）意识。
为达到本课程教学基本要求，主要单元教学内容通过相应的设计性或综合性实验，才能加深理解并切实掌握所学的知识和技术，发现并解决实验中出现的问题，培养独立开展设计实验的能力，积累实践经验。综合单元实验成果，形成较完整的仪器系统，培养学生的综合集成设计能力和技术实现能力。
二、实验教学项目设置与任务
根据课程教学要求，开设四个单元的设计性实验和一个综合性实验共计16学时（另外需要学生按排计划外16学时），课内外紧密结合，才能保证实验项目实施。计划安排见下表。
智能仪器实验教学项目设置一览表
序号
实验项目名称
实验
类型
学时分配
主要仪器
设 备
备注
内

外

1
仪用放大器和滤波电路设计与实现
设计性实验
3
3
万用表、示波器、信号发生器等
进入实验前自行完成原理图设计
2
电压信号数据采集子系统设计与实现
设计性
3
3
微机、单片机开发系统、信号发生器、示波器等
先期完成原理图设计和编写采集程序
3
键盘及LCD显示
设计性
2
3
微机、单片机开发系统
先期完成原理设计、编写程序
4
基本数据处理算法
设计性
2
3
微机
先期编写算法程序，拟定实验数据
5
微机内嵌式智能仪器综合实验
综合性
4
4
微机、单片机开发系统、信号发生器、示波器、温度计等
完成前四个实验并保留其软硬件成果

三、实验教学基本要求
以微机内嵌式的智能仪器或测控装置的设计与实现为目标，下图表示了以单片机为核心，包括键盘、显示和数据采集通道的基本智能仪器方框图。在完成硬件设计基础上，设计监控程序和数据处理算法，构成了完整的仪器系统。

传感器
放大滤 波

A/D
转换器

单
片
机
最
小
系
统
显 示
键 盘
控制逻辑

1．仪用放大器和有源虑波电路设计与实现：能够根据被测对象或传感器输出信号的特性，选择合适的运算放大器和阻容器件，设计仪用放大器和抗混叠滤波器，掌握电路调试方法。
2．电压信号数据采集子系统设计与实现：能够依据仪器数据采集系统的性能指标要求，选择A/D转换方式、芯片及接口电路，设计采集系统硬件及软件，实现单路电压信号的数据采集。
3．键盘及LED显示：部分实验内容在单片机实验中已有，本项实验重点是根据仪器整机功能需要设计键盘和显示，定义键盘功能，编写键盘扫描和LED显示等子程序，掌握仪器监控程序设计和调试方法。
4．基本数据处理算法：在理解数据处理基本理论的基础上，编写基本数据处理算法的程序，拟定被处理数据，验证程序的正确性和处理的有效性及局限性；能够根据信号和噪声（干扰）特征，选择合适处理算法和流程。
5．微机内嵌式智能仪器综合实验：本实验以温度为测量对象，将实验一到实验四的单元内容综合，完成具有信号采集、处理、键盘控制、显示等功能的智能仪器；掌握标定原理和工程量变换方法；能够对测量结果进行分析。

6

智能仪器实验项目
实验项目一 仪用放大器和滤波电路设计与实现
1．实验目的
放大器和滤波器是智能仪器数据采集通道非常重要的环节，在某种意义下成为影响仪器性能指标的关键电路。通过本实验，使学生能够根据被测对象或传感器输出信号的幅度大小、频率范围等特性，结合所设计仪器采集系统的技术指标，运用模拟电子技术、信号与系统等课程所学的有关知识，设计并实现仪用放大器和抗混叠滤波器。
2．设计原理与任务
（1）仪用放大器是一种高性能的放大器，其对称性结构可同时满足对放大器的抗共模干扰能力、输入阻抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。仪用放大器内部基本结构如图下图所示，它由三个通用运算放大器构成，第一级为两个对称的同相放大器，第二级是一个差动放大器。仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4＝R6，R5＝R7。可以推出仪用放大器闭环增益为：

假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：

由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。目前，市场上可供选择的仪用放大器较多，在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，并结合仪用放大器的主要性能指标确定具体的放大电路。
V1
V2
V3
V4
V5
V6
Vo
IG
A1
A2
A3
RG
R1
R2
R4
R6
R5
R7

（2）有源或无源RC滤波电路是常用的电路，本实验要求在仪用放大器的输出后，接二阶有源RC低通滤波器(压控电压源二阶滤波器)，要求截止频率为1kHHz，根据模拟电路理论初步确定R、C的值，并通过Multisim对设计的滤波器进行仿真，确定各个元件的参数。
若考虑消除50Hz的工频干扰，如何设计滤波器？(幅度特性如图所示)。
（3）选择合适的运算放大器和阻容器件实现所设计的电路，掌握电路调试方法和主要技术指标的测试，比较理论计算和实际电路达到指标的差异，分析其原因。

3．思考
（1）如何减少放大器和滤波器之间设计参数相互影响?
（2）增大放大器的放大倍数，对频带宽度是否有影响，为什么?
实验项目二 电压信号数据采集子系统设计与实现
1．实验目的
数据采集系统广泛应用在测量、自动控制等各个领域。现在虽然有各种数据采集卡、数据采集芯片可供选用，但在许多情况下，它们还不一定适合用户的要求，往往需要按自己的要求设计数据采集系统。在学习数据采集系统设计的知识的基础上，能够依据仪器数据采集系统的性能指标要求，选择A/D转换方式、芯片及接口电路，设计采集系统硬件及软件，实现单路电压信号的数据采集。
2．设计要求与任务
（1）技术指标要求：要求采集子系统的采样率大于20KHz，系统的分辨率小于1mv,输入信号范围是＋5V，满量程误差小于0.1％。
（2）以单片机为核心，选择A/D芯片、接口方式，设计采集系统。
（3）根据提供的器件，实现其硬件，编写采集程序。
（4）输入直流电压、正弦波等信号，给出测试结果，分析误差。
3．思考
（1）采集系统的采样率或采样间隔与哪些因素有关系? 如何确定和验证。
（2）技术指标如何测试?
实验项目三 键盘及LED显示
1．实验目的
键盘和显示是智能仪器或微机化测控装置进行人机交互必备的。智能仪器通过输入设备接受各种命令和数据，测量结果通过输出设备显示出来。目前，在一般智能仪器中，数据或控制输入大都采用键盘；信息输出比较多的采用LED显示或LCD显示器。通过设计键盘和显示实验，进一步掌握硬件接口、定义键盘功能、设计监控程序，通过LED显示仪器工作状态、测试结果等信息。
2．设计要求与任务
（1）根据选用单片机可利用的资源，综合考虑采集通道等因素，确定键盘和LED接口设计方案 。要求键盘具有0－9数字键、5个功能键、1个确认键；LED显示器能够显示数据（4位）。
（2）设计键盘管理子程序、显示子程序，设计仪器监控程序。
（3）进行软硬件结合调试。
3．思考
（1）如何通过仪器监控程序设计，避免仪器误操作。
（2）怎样尽量减少键盘个数，又能保证所需功能?
实验项目四 基本数据处理算法
1．实验目的
测量精度和可靠性是仪器的重要指标，引入数据处理算法后，使许多原来靠硬件电路难以实现的信号处理问题得以解决，从而克服和弥补了包括传感器在内的各个测量环节中硬件本身的缺陷或弱点，提高了仪器的综合性能。智能仪器的基本数据处理算法包括：克服随机误差的数字滤波算法、消除系统误差的算法、工程量的标度变换等。通过本实验，使学生能够根据被测信号和干扰特征，选取合理的数据处理算法，设计恰当的实验数据，验证算法的有效性。
2．实验要求与任务
学习掌握数字滤波器设计方法，应用频谱知识和滤波器设计知识，对信号进行滤波，直流电压数据中，迭加了脉冲干扰，采用不同的滤波算法进行处理，观察处理效果。
（1）设检测信号是幅度较小的直流电压，经过适当放大和A/D转换，由于50Hz工频干扰使测量数据呈现周期性波动。根据实际采样率等参数，设计消除工频干扰算法。
（2）设计快速查表程序，实现标度变换。
3．思考
（1）数据处理是否存在误差问题？如何减少或避免?
（2）怎样才能够确定采用的处理算法恰当有效？
实验项目五 微机内嵌式智能仪器综合实验
1．实验目的
将前四个单元设计性实验综合起来，实现在键盘参数输入和设定功能控制下，采集、处理、显示被测电压信号的大小。改变输入信号的频率，检验滤波和数据处理效果等。通过本实验，进一步理解仪器整机系统的概念，掌握仪器软硬件相互配合协调工作原理，提高模拟电路、数字电路、电源等硬件技术综合应用能力，全面提高程序设计和调试能力。
2．实验要求与任务
（1）将放大器、滤波器、A/D等数据采集通道、单片机最小系统、键盘和显示等硬件集成起来，在仿真器下，分步运行监控程序，检验各部分运行情况，解决可能存在的冲突；
（2）针对不同的被测电压特征，添加不同数据处理算法子程序，记录测试结果，改进性能；
（3）将调试无误的监控程序固化，实现脱离仿真机后独立运行，检验可靠性。
3．思考
（1）设计以单片机为核心的智能仪器，如何测试硬件正确性？在调试时怎样判断出现问题是程序问题还是硬件故障？
（2）在设计仪器监控程序（由主程序和若干子程序、数据表格等构成）为什么必须先设计程序组成框图，然后根据功能框图设计流程图，划分子程序模块。编写程序代码。如果直接编写程序代码行吗？