《测试系统原理与设计》(孙传友编著)——习题答案(个人整理)

《测试系统原理与设计》（孙传友编著）——习题答案（个人整理）（答案仅供参考，部分答案没有，由个人总结整理，若有错误或不当之处请见谅）第一章绪论1.为什么说仪器技术是信息的源头技术？仪器是一种信息的工具，起着不可或缺的信息源的作用。仪器是信息时代的信息获取→处理→传输的链条中的源头技术。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。钱学森院士对新技术革命的论述中说：“新技术革命的关键技术是信息技术”。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。现在提到信息技术通常想到的只是计算机技术和通讯技术，而关键的基础性的测量技术却往往被人们忽视了。从上所述可以看出仪器技术是信息的源头技术。仪器工业是信息工业的重要组成部分。2.为什么现代测控系统一般都要微机化？随着计算机技术的迅速发展，使得传统的测控系统发生了根本性变革，即采用微型计算机作为测控系统的主体和核心，代替传统测控系统的常规电子线路，从而成为新一代的微机化测控系统。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动化、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。因此，现代测控系统设计，特别是高精度、高性能、多功能的测控系统，目前已很少有不采用计算机技术的了。3.微机化测控系统有哪几种类型？画出它们的组成框图。三种类型：微机化检测系统、微机化控制系统、微机化测控系统。图1-3-1微机化检测系统框图图1-3-2微机化控制系统框图图1-3-3微机的测控系统典型结构1第二章测控通道（输入/输出通道）1.模拟量输入通道有哪几种类型？各有何特点？一般说来，模拟输入通道应由传感器、信号调理电路、数据采集电路三部分组成，如图2-1-1所示。图2-1-1模拟输入通道的基本组成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。集中采集式多路模拟输入通道的典型结构有分时采集型和同步采集型两种。分时采集型它的特点是多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，简化了电路结构，降低了成本，但是产生了时间偏斜误差，适用于不严格要求同步采集的场合。同步采集式的特点是在多路转换开关之前，给每路信号通路各加一个采样/保持器，使多路信号的采样在同一时刻进行，即同步采样，适用于严格要求同步采集的场合。分散采集式无MUX,N路各用一个S/H和A/D。2.什么情况下需要设置低噪声前置放大器？为什么？答：采用大信号输出传感器，可以省掉小信号放大器环节。多数传感器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。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，输出端仍存在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VON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，即KVVONIN=INV。如果加在某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”ISV3.图2-1-13（a）所示采集电路结构只适合于什么情况？为什么？答：若被测模拟信号为恒定或变化缓慢的信号，则可直接进行A/D转换，被测信号不随时间变化，被测信号不随通道间变化可以采用如图（a）的采集电路结构。5.多路测试系统在什么情况下会出现串音干扰？怎样减少和消除？答：在多通道数字测试系统中，MUX常被用作多选一开关或多路采样开关。每当某一道开关接通时，其它各道开关全都是关断的。理想情况下，负载上只应出现被接通的那一道信号，其它被关断的各路信号都不应出现在负载上。然而实际情况并非如此，其它被关断的信号也会出现在负载上，对本来是惟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,为此前级应采用电压跟随器；②选用Ron极小、Roff极大的开关管；③减少输出端并联的开关数N。若N=1，则VN=0④选用寄生电容小的MUX。26.主放大器与前置放大器有什么区别？设置不设置主放大器、设置哪种主放大器的依据是什么？1、主放大器的作用――将MUX输出的子样电压放大到接近A/D满量程，使数字转换精度提高K倍。2、“主放大器”与“前置放大器”的区别前置放大器主放大器设置的位置在每路调理电路的前端在采集电路的MUX之后，每路各用一个各路共用一个放大对象模拟电信号采样脉冲放大增益固定不变浮动可变3、主放大器增益K的确定――既不能使A/D溢出，又要满足转换精度δo的要求。⎪⎩⎪⎨⎧≤=≤0/δijijFSijijijijVKDEVKqEVKijijijFSVEKVDE≤≤0/δ即式中V――多路切换器输出的第i道信号的第j次采样电压。ij若Vij随i和j变化不大，则没有必要在采集电路中设置主放大器；若Vij不随j变化，只随i变化很大，则设置程控增益放大器Ki作为主放大器；若Vij既随i变化，又随j变化，则设置瞬时浮点放大器Kij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：模拟输出通道主要由输出数据寄存器、D/A转换器和调理电路三部分组成。微机化测控系统的模拟信号输出通道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。多通道输出有以下三种：一、数据保持分时转换结构特点：每个通道配置一个输入寄存器和一个D/A转换器，微机将数据Dij分时选通至第i路输入寄存器，第i路D/A立即对Dij进行数模转换。缺点：各通道输出的模拟信号存在时间偏斜，因此不适合于要求多参量同步控制执行机构的系统。二、数据保持同步转换结构特点：每个通道配置两个寄存器R1、R2和一个D/A转换器，微机将数据Dij分时选通至第i路寄存器R1，然后同时将各路数据Dij从R1传送到R2，各路D/A同时对Dij进行数模转换。优点：各通道输出的模拟信号不存在时间偏斜，因此适合于要求多参量同步控制执行机构的系统。三、模拟保持分时转换结构特点：各个通道共用一个寄存器和一个D/A转换器，各用一个S/H。微机在输出第i路数据给D/A进行D/A转换的同时，也控制第i路S/H进行采样，其他路S/H都处于保持状态。38.为什么模拟输出要有零阶保持？怎样用电路实现？答：零阶保持器就是把每个采样点的幅值保持到下一个采样点以填补采样点之间的空白。在零阶保持器后接平滑滤波器，基本上可以从子样脉冲串恢复出光滑的信号波形。零阶保持有数字保持和模拟保持两种方式，其实现电路如下图所示：图2－2－2零阶保持的两种实现电路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：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；开关量输出则是通过控制设备处于“开”或“关”状态的时间来达到运行控制目的。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？电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响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、输入调理电路和输入地址译码电路等组成。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。12.单元电路连接时要考虑哪些问题？答：（1）电气性能的相互匹配：阻抗匹配、负载能力匹配、电平匹配（2）信号耦合与时序配合（3）电平转换接口4第四章测量数据处理1.为什么要切换量程？怎样实现量程切换？答：量程自动切换是实现自动测量的重要组成部分，它使测量过程自动迅速地选择在昀佳量程上，这样既能防止数据溢出和系统过载，又能防止读书精度损失，保证一定的测量精度。针对不同的信号幅度，测试系统必须切换不同的放大器增益，以保证测量值有足够的分辨力和准确度。为了实现量程切换，除了在输入通道中采用数控放大器（程控增益放大器、瞬时浮点放大器）外，也可以在通道中串入数控衰减器。数控衰减器可由电阻分压网络和多路开关MUX构成。通过控制MUX可改变衰减器的衰减系数。微机根据窗口比较器的比较结果来控制数控增益放大器或数控衰减器中的MUX动作，以实现量程切换。2.试采用应变电桥、放大器、BCD码A/D与LED显示器设计一个电子称，使显示器上能直接显示公斤数。3.试述零位误差和灵敏度误差的校正方法。答：4.1.1软件校正方法一、理想的线性测试系统完全可以由输出读数x按下式确定被测量的真值y：0kxy=(4-1-1)式中k0为该通道的标称灵敏度或增益。二、实际的线性测试系统――存在“零位误差”和“灵敏度误差”0xkyx+×=(4-1-2)1、“零位误差”x0――输入y为零时的输出2、“灵敏度误差”――指实际灵敏度k与标称灵敏度k0的偏差，即0kkk−=Δ3、测量误差――如图4－1－1（a）所示0000)(kxkkykxy+Δ+==′（4－1－3）000kxkkyyy+Δ=−′(4-1-4)4、误差校正算法01axay+=(4-1-5)12121xxyya−−=1221120xxyxyxa−−=式中5(4-1-6)将上式代入(4-1-5)式得：21121()yyyyxx1xx−=+−−(4-1-7)若选取y1=0,x1=x0,则上式简化为：2020yxxxxy⋅−−=(4-1-8)实例――图4－1－1（b）电压测量系统的系统误差校正电路图4-1-1线性系统误差校正5、误差校正的软件实现按照公式（4－1－7）或（4－1－8）编写专门的计算子程序，将昀近执行“误差校准”操作获得的昀新的校准数据（x、y）、(x、y1122)存入内存，每次测量后就调用式（4－1－7）或（4－1－8）的计算子程序，从输出读数x计算出被测量y。因为零位和灵敏度的变化是非常缓慢的，在短时间内基本上不会变化，而代入公式计算的（x、y）、(x、y1122)正是刚不久才校准过的昀新数据，所以从输出读数x计算出的被测量y就不会存在零位误差和灵敏度误差了。在零点和灵敏度都发生漂移的情况下，通常是先调零，后调灵敏度。7.与硬件滤波器相比较，采用数字滤波器方法来克服随机误差有何优点？答：所谓数字滤波，即通过一定的计算程序，对采集的数据进行某种处理，从而消除或减弱干扰噪声的影响，提高测量的可靠性和精度。采用数字滤波具有如下优点：①节约硬件成本；②可靠稳定；③功能强；④方便灵活；⑤不会丢失原始数据。8.常用的数字滤波算法有哪些？说明各种滤波算法的特点和使用场合。答：一、限幅滤波：由于测控系统中存在随机脉冲干扰，或由于变声器不可靠而将尖脉冲干扰引入输入端，从而造成测控信号的严重失真。二、中位值滤波：是对某一被测参数连续采样n次（一般n取奇数），然后把n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。中位值滤波能有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等脉冲干扰。三、算术平均滤波：适用于一般具有随机干扰的信号进行滤波。四、去极值平均滤波五、移动平均滤波（递推平均滤波）6六、加权平均滤波七、低通滤波八、复合滤波9.试绘出递推平均滤波算法的框图，并用汇编语言编写其程序。答：移动平均滤波的方法――每进行一次采样，就计算一次昀近N个数据的平均值∑−=−=101NiinnxNy移动平均滤波程序流程（程序清单见教材）10.试导出一阶高通数字滤波的差分方程。7第五章PID控制算法1.试述P、PI、PD控制规律的特点以及连续PID算式离散化的方法。答：PID调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦