《测控系统原理与设计》第3版习题解答

《测控系统原理与设计》（第3版）习题解答本习题解答是普通高等教育“十一五”国家级规划教材《测控系统原理与设计》第3版（孙传友、李涛编著，北京航空航天大学出版社2014年8月出版）全书各章习题的参考答案。第1章1、为什么说仪器技术是信息的源头技术?答：信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术则是关键和基础。仪器是一种信息的工具。如果没有仪器，就不能获取生产、科学、环境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的。仪器是信息时代的信息获取——处理——传输的链条中的源头。因此说，仪器技术是信息的源头技术。2、为什么现代测控系统一般都要微机化?答：将微型计算机技术引入测控系统中，不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自化化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本、易于升级换代等等。3、微机测控系统有哪几种类型?画出它们的组成框图答：测控仪器或系统可分为三大类——单纯以测试或检测为目的的“测试(检测)仪器或系统”，单纯以控制为目的的“控制系统”和测控一体的“测控系统”。微机化检测系统框图微机化控制系统框图微机化测控系统框图第2章1、模拟输入通道有哪几种类型?各有何特点?答：按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输入通道可分为集中采集式(简称集中式)和分散采集式(简称分布式)两大类型。集中式的特点是多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，模拟多路切换器MUX对多路信号分时切换、轮流选通到S/H和A/D进行数据采集。分布式的特点是每一路信号都有一个S/H和A/D，因而也不再需要模拟多路切换器MUX。每一个S/H和A/D只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机。2、什么情况下需要设置低噪声前置放大器?为什么?答：由于电路内部有这样或那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍输出一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。把电路输出端测得的噪声有效值折算到该电路的输入端即除以该电路的增益K，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声。如果加在该电路输入端的信号幅度小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在该电路前面加一级放大器——“前置放大器”。只要前置放大器本身的等效输入噪声比其后级电路的等效输入噪声低，加入前置放大器后，整个电路的等效输入噪声就会降低，因而，输入信号就不会再被电路噪声所淹没。3、图2-1-14(a)所示采集电路结构只适合于什么情况?为什么?答:图2-1-14(a)所示采集电路仅由A/D转换器和前面的模拟多路切换器MUX构成，只适合于测量恒定的各点基本相同的信号。因为恒定信号不随时间变化，无须设置S/H,各点基本相同的信号无需设置PGA。4、DFS-V数字地震仪属于集中采集式数据采集系统。2ms采样48道时去混淆滤波器截止频为125Hz。为提高勘探分辨率欲将采样周期改为1ms。试问：地震仪的信号道数和去混淆滤波器截止频率要不要改变?怎样改变?为什么?答：据题知，msTS2，48N，代入公式(2－1－38)计算得该地震仪的A/D转换器的转换周期为482/msNTTSDA，为提高勘探分辨率欲将采样周期改为1ms，则信号道数应减小为2448/21/mSmSTTNDAS，否则A/D转换器就转换不过来。据题知，msTS2，Hzfh125，代入公式(2－1－17)计算得C=5，将C=5和TS=1ms代入公式(2-1-17)计算得，抗混叠滤波器截止频率应减小为Hzfh250，将Hzfh250代入公式(2－1－18)计算得Hzffh250max，这将使地震仪可记录的最高地震信号频率达到250Hz，因而，可使地震仪的勘探分辨率提高一倍。如果只是减少采样周期而不改变抗混叠滤波器截止频率，将Hzfh125代入公式(2－1－18)计算得Hzffh125max，使地震仪可记录的最高地震信号频率仍然被限制在125Hz，因而地震仪的勘探分辨率仍然不能提高，这就使减少采样周期的优越性发挥不出来。5、多路测试系统什么情况下会出现串音干扰?怎样减少和消除?答：多路测试系统由于模拟开关的断开电阻Roff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故，每当某一道开关接通时，其它被关断的各路信号也出现在负载上，对本来是唯一被接通的信号形成干扰，这种干扰称为道间串音干扰，简称串音。为减小串音干扰，应采取如下措施：①减小Ri,为此模拟多路切换器MUX前级应采用电压跟随器；②MUX选用Ron极小、Roff极大的开关管；③选用寄生电容小的MUX。④据公式（2-1-51），减少MUX输入端并联的开关数N，可减小串音。若采用分布式数据采集，则可从根本上消除串音干扰。因N=1代入公式（2-1-51）计算得0NV。6、主放大器与前置放大器有什么区别?设置不设置主放大器、设置哪种主放大器依据是什么?答：测控系统的模拟输入通道一般包括模拟调理电路和数据采集电路两部分。前置放大器设置在模拟调理电路前端，它是为减小模拟输入通道的等效输入噪声提高系统接收弱信号的能力而设置的，放大的是连续电信号。主放大器设置在数据采集电路的MUX与S/H之间，放大的是经模拟多路切换器采样或选通的离散信号，它是为了提高数据采集电路的数据转换精度和数据转换范围而设置的。如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，而且多路信号的幅度也相差不大，也就是Vij随i和j变化不大，那就没有必要在采集电路中设置主放大器，只要使各路信号调理电路中的前置放大器增益满足(2-1-54)式即可。如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，但是各路信号的幅度相差很大，也就是说Vij不随j变化，但随i变化很大，那就应在采集电路中设置程控增益放大器作为主放大器。程控增益放大器的特点是每当多路开关MUX在对第i道信号采样时，放大器就采用预先按(2-1-54)式选定的第i道的增益Ki进行放大。如果被测量的多路模拟信号是随时间变化的信号，而且各路信号的幅度也不一样。也就是说，Vij既随i变化，也随j变化，那就应在采集电路中设置瞬时浮点放大器作为主放大器。7、模拟输出通道有哪几种基本结构?各有何特点?答：微机化测控系统的模拟信号输出通路的基本结构按信号输出路数来分，有单通道输出和多通道输出两大类，多通道的输出结构主要有以下三种：一、数据分配分时转换结构。它的特点是每个通道配置一套输入寄存器和D/A转换器，经微型计算机处理后的数据通过数据总线分时地选通至各通道输入寄存器，当数据Dij选通至第i路输入寄存器的同时，第i路D/A即实现数字Dij到模拟信号幅值的转换。二、数据分配同步转换结构。它的特点是在各路数据寄存器R1与D/A转换器之间增设了一个缓冲寄存器R2。数据总线分时选通主机的输出数据先后被各路数据寄存器R1接收，然后在同一命令控制下将数据由R1传送到R2，并同时进行D/A转换输出模拟量。三、模拟分配分时转换结构。这种结构的特点是各通道共用一个D/A转换器和一个数据输入寄存器。微型计算机处理后的数据通过数据总线依通道顺序分时传送至输入寄存器并进行D/A转换，产生相应通道的模拟输出值。以上三种结构可归纳为两种分配方案。前两种数据分配结构实质上也就是图2-2-2(a)所示的“数字保持”方案；模拟分配结构实质上也就是图2-2-2(b)所示的“模拟保持”方案。8、为什么模拟输出通道中要有零阶保持?怎样用电路实现?答：我们知道，模拟信号数字化得到的数据是模拟信号在各个采样时刻瞬时幅值的A/D转换结果。很显然把这些A/D转换结果再经过D/A转换，也只能得到模拟信号波形上的一个个断续的采样点，而不能得到在时间上连续存在的波形。为了得到在时间上连续存在的波形就要想办法填补相邻采样点之间的空白。理论上讲，可以有两种简单的填补采样点之间空白的办法：一是把相邻采样点之间用直线连接起来，这种方式称为“一阶保持”方式；另一种方式是把每个采样点的幅值保持到下一个采样点，这种方式称“零阶保持”。“零阶保持”方式很容易用电路来实现，“一阶保持”则很难用电路来实现。因此模拟输出通道中采用零阶保持器。零阶保持器的实现有两种方式：一种是数字保持方式，即在D/A之前加设一个寄存器，让每个采样点的数据在该寄存器中一直寄存到本路信号下个采样点数据到来时为止，这样D/A转换器输出波形就不是离散的脉冲电压而是连续的台阶电压。另一种是模拟保持方式，即在公用的D/A之后每路加一个采样保持器，保持器将D/A转换器输出子样电压保持到本路信号下个子样电压产生时为止。9、在控制系统中被控设备的驱动有哪两种方式?有何异同?答：在控制系统中，对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和数字量(开关量)输出驱动两种方式，其中模拟量输出是指其输出信号(电压、电流)可变，根据控制算法，使设备在零到满负荷之间运行，在一定的时间T内输出所需的能量P；开关量输出则是利用控制设备处于“开”或“关”状态的时间来达到运行控制目的。如根据控制算法，同样要在T时间内输出能量P，则可控制设备满负荷工作时间t，即采用脉宽调制的方法，同样可达到要求。10、在信号以电压形式传输的模拟电路中，前后两级电路之间，什么情况下需插接电压跟随器?什么情况下不需要?为什么?答：在要求信号以电压形式传输（即要求前级馈送给后级的电压最大）的模拟电路中，当前级电路的输出阻抗不是远小于后级电路的输入阻抗时，两者之间需插接电压跟随器。因为电压跟随器的输入阻抗极高而输出阻抗极低，它插在两者之间，既给前级提供极高的输入阻抗，又给后级提高极低的输出阻抗，这样就能使前级馈送给后级的电压最大。如果前级电路的输出阻抗极低，或者后级的输入阻抗极高，也就是说，已经满足电压传输最大的条件，两者之间就无需再插接电压跟随器。11、试述开关量输入输出通道的基本组成。答：开关量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成，如图2-3-1所示。开关量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成，如图2-3-4所示。图2-3-1图2-3-412、单元电路连接时要考虑哪些问题?答：组成测控系统的各单元电路选定以后，就要把它们相互连接起来，为了保证各单元电路连接起来后仍能正常工作，并彼此配合地实现预期的功能，就必须认真仔细地考虑各单元电路之间的级联问题，如：电气特性的相互匹配、信号耦合方式、时序配合等。第3章1、为什么常见的中小型微机化测控系统大多采用单片机?答：单片机是指将计算机的基本部件集成在一块芯片上而构成的微型计算机，单片机的优点是可靠性高、控制功能强、易扩展、体积小。用单片机开发各类微机化产品，周期短、成本低，在计算机和仪器仪表一体化设计中有着一般微机无法比拟的优势。正因为如此，目前常见的微机化测控系统、特别是中型测控系统和便携式测控仪器大多采用单片机。2、指出图3-1-6中存贮器和I/O接口寻址范围。答：P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0寻址范围2764000×××××0000H~1FFFH6116-11×××0×××8000H~87FFH6116-21×××1×××8800H~8FFFH8155RAM0××××××00000H~00FFH8155I/O0××××××10100H~0105H3、为什么803l单片机的引脚EA固定接低电平？答：因为803l单片机片内无ROM，故应将EA引脚固定接低电平，以迫使系统全部执行片外程序存储器程序。4、假设给图3-2-2ADC0809的模拟输入端加2.5V直流电压，试确定以下两种情况下80C51单片机P0.0和P0.1读取的A/D转换结果分别是“0”还是“1”？（1）VREF(+)=+5V，VREF(-)=0V；（2）VREF(+)=+5V，VREF(-)=-5V。解：（1）由题知，UR(+)=5V,UR(-)=0V,UX=2.5V,代入公式（3-2-1）或（3-2-2）计算得