测控仪器设计(5).

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1、5 测控仪器的电路系统设计 n电路系统是测控仪器中的重要组成部分它担负着信息流 的传递和控制任务。 第一节 电路系统的组成、要求和设计准则 一、电路系统的作用及其组成 在整个测控仪器中，电路系统担负着信息流的传递和 控制的重要任务，是感知信息、处理信息、输出指令、操纵机 构和元器件的工具和载体。测控仪器的许多功能，都必须经过 电路系统的参与才能完成。 一个完整的测控仪器的电路系统出测量电路(信息输入通 道）中央处理系统(信息处理单元)、控制电路(信息输出通道) 三大部分组成 被测量传感器测量电路中央处理系统 显示器 控制电路驱动器被控量 电源 1测量电路 测量电路是信息流的输入通道，主要由信息

2、处理电路和电 源组成其作用是将传感器输出的测量信号进行放大、滤波、 细分、选通、变换和阻抗匹配等。只有经过测量电路系统的放 大、滤波、细分、选通、变换和阻抗匹配等处理，才能将传感 器输出的有用信号、无用信号以及代表不同信息的各种信号分 开。将微弱 2控制电路 控制电路一般是信息流的输出通道它主要由控制电路、 驱动电路、电源等组成其作用是根据中央处理系统发出的命 令，对被控参数实行控制。 3.中央处理系统 中央处理系统(亦称中央处理单元、主控单元等)是信息 处理单元，它同时连结着测量电路和控制电路，即连接着信 息流的输入通道和输出通道。因此它是整个电路系统的中心 同时也是整个测控仪器的核心。中央

3、处理系统的作用是对 测量电路系统送来的信号进行运算、处理、显示、存储、打 印等，然后依照仪器的功能要求，向控制电路系统发出控制 命令，并通过控制电路和执行器对被控参数实行控制。 目前随着计算机技术的普通应用，中央处理系统一般都 采用计算机。小型的测控仪器常采用单片机，配以相应的外围电 路，组成便携式测控仪和工业过程控制仪器。 在实际的测控仪器中，有的只有测量电路和中央处理系统 ，有的只有中央处理系统和控制电路，或者将测量电路和控制电 路合二为，组成测控一体化电路。 二、对测控电路的一般要求 1抗干扰能力 测量电路的抗干扰能力差将导致测量结果的失真和错 误从而降低测量准确性。 模拟式控制电路，抗

4、干扰能力差将导致控制准确性的降 低； 数字式控制电路抗干扰能力差将有可能产生误动作、 从而带来破坏性的后果。 2稳定性 稳定性不仅是对电路系统的要求，也是对整个测控仪器的 要求。 稳定性一般可分为短期稳定性和长期稳定性两种。 短期稳定性：主要包括测量值或控制值的重复性。 长期稳定性：表现为仪器特性在一个相对较长的时期内发生渐变。 3频率特性与响应速度 频率特性是指在动态测试情况下，输出信号幅度随输入 信号的频率变化而变化的特性。 仪器电路要求在很大一个频率范围内有选通一定频率范 围内的信号、抑制另一频率范围信号的完善性能。 4量程和分辨率 量程和分辨率是两个相互制约的指标。 在放大器的动态范围

5、相同的情况下，量程越大分辨率就越低 ；反之分辨率越高量程就越小。 测量电路系统：这两个指标无法同时满足时，通常采用量程自 动切换技术来解决这一矛盾。 控制电路系统：量程与分辨率主要取决于控制执行器，一般情 况下固定不变。 5. 输入与输出阻抗 电路系统对输入阻抗和输出阻抗的要求随采用传感器和控制器 的不同而有所不同。对于测量电路而言，输入阻抗与传感器的输出 阻抗相匹配。对于控制电路而言，输出阻抗与控制器的输入阻抗相 匹配。 三、电路系统的设计准则 电路系统的设计除遵守测控系统总体设计原则外， 还应考虑测控电路自身的特点、遵循以下限则； (一)总线化准则 总线是芯片与芯片模板与模板、系统与系统、

6、系统与 对象之间的信息传递的通道，是中央处理系统与测量电路 和控制电路的桥梁和纽带。采用标准化的通用总线，可大 大简化系统的软硬件设计使系统结构清晰明了易于扩 无和升级。兼容性强，可互换和通用。因此总线化原则是 测控电路系统设计的首选原则。 1内部总线 内部总线是用于系统内部连结芯片与芯片、芯片与微处理器 的元件级总线也称为本地总线或局部总线。内部总线从功能 上可分为数据总线、地址总线及控制总线三种。 以微处理器或单片机为核心的测控仪器设计过强中内部总 线是主要设计内容，但不涉及系统总线 2系统总线 系统总线是用于联接模板与模板的板级总线。 ISA总线 PCI总线 AGP总线 以微型计算机为核

7、心的测控仪器设计过程中，系统总线是主要设计 内容，但不涉及内部总线。 3.外部总线 外部总线是用于联接系统与系统之间交换信息与数据的通 信总线，亦称通信总线。外部总线根据传达数据的形式又 可分为并行总线的串行总线两种。 GPIB可程控测量仪器的接口系统 RS-232C，RS-485 VXI (二)模块化准则 采用模块化设计准则就是将整个电路系统分割成几个功 能相对独立，而又相互联系的模块。 （1）采用模块化设计后，可以将研制任务分解多人分工负责 分别独立设计、独立调试。从而加快设计和调试进度，缩短 周期。 （2）电路系统易于维护、修改和扩充。可移植性强。 (三)可靠性准则 可靠性具有较强的理论

8、性和实践性要提高系统的可 靠性有两个主要途径: 一是在工艺上提高电路系统元器件本身的可靠性，将 元器件失效的影响降低到最低程度； 二是在系统结构设计方面提高系统的可靠性和合理性 避免设计不当造成可靠性下降。 为了保证电路系统的可靠性，应当按照最坏的情况来进 行设计 第二节 电路系统的精度 精度是测控仪器设计的一个重要指标，也是电路系统设计 的主要依据之一。 1信噪比 信噪比的高低直接影响仪器测量和控制的稳定性和可靠性 。选用不同的传感器和电子元器件以及电路原理,对信噪比的 高低影响较大。为此，在电路设计初始阶段，必须对测量信号 和控制信号的信噪比予以足够的重视，并从系统工作的原理和 方法上采取

9、措施，尽可能提高信噪比以改善系统工作状况和 稳定性。 2.量化误差 当被测量的变化小于数字电路的一个最小数字所对应 的值时,数字系统将没有变化，这一误差称为量化误差. 减小量化误差的措施: (1)模拟电路系统: (2)数字电路: 提高放大倍数提高测量电路的分辨率 降低量程 增加细分电路提高分辨率 提高的位数增加成本 3.非线性误差 非线性的存在对测控仪器产生影响： 非线性标尺和刻度盘难以制作和读数 在系统换档时需要重新标定； 测试数据记录容易失真； 当进行模数、数模转换时不易保证精度； 当进行反馈控制时控制方法和算法不易实现等。 仪器系统的非线性主要是由于传感器、测量电路或控制电路 的非线性引

10、起的. 传感器和测量电路随着被测量值的大小不同。其非线性 的程度也大有不同。因此，选择适当的传感器和测量电 路形式,选取合适的测量区段。均可以显著减小非线性误 差。 合理选择静态工作点和动态工作范围，将有利于减小非线 性的影响。 软件校正. 4温度漂移 温度漂移是最为普遍又最难掌握的参数。温度漂移 将导致被测量和被控量的渐变、同时使电路元器件的特 性参数发生变化，使静态工作点偏离原始位置，从而使 得测量值和控制值产生偏差。 措施: 采用低温漂、经过老化处理的元器件; 合理安排仪器内部和周围附近的热源; 采用深度负反馈和补偿措施; 在仪器内部增加自动稳零、自动调零、自动定标和自动校 正; 对仪器

11、的使用环境提出要求。 5.频率特性和响应速度 电路系统的频率特性好坏关系到动态测量或控制 误差的大小 对于动态测控系统，则要求具有较高的采样速度 和反应速度,此时电路系统的频率响应成为至关重要的 制约因素. 第三节 中央处理系统的设计 一、以计算机为核心的中央处理系统 （一）特点与功能 对测量电路系统送来的信号进行运算、处理、显示 、存储、打印等然后按照仪器的功能要求，向控制 电路系统发出控制命令，并通过控制电路和执行器对 被控参数实行控制。 传统测控仪器常规电子线路 现代测控仪器 中央 处理 系统 计算机 自动对零功能 量程自动切换功能 多点快速测控 数字滤波功能 自动修正误差 数据处理功能

12、 复杂控制规律 多媒体功能 通信或网络功能 自我诊断功能 计算机技术的引入为测控仪器带来的一些 新特点和新功能： (二)中央系统组成 光电隔离 A/D转换 电平转换 程序 存储器 数据 存储器 并行 接口 串行 接口 开关量信号 模拟量信号 通信数据 光电隔离 A/D转换 电平转换 开关量信号 模拟量信号 通信数据 键盘显示器打印机 输入接口输出接口主机电路 二、基于微处理器的主机电路 （一）单片机的特点与功用 单片机是指在一块芯片上集成了计算机的基本部件包括中 央处理器(CPU)、存储器(RAMROM)、输入输出接口(I O)、计数器定时器以及其他有关部件。块芯片就构成台计 算机。 特点：

13、（1）可靠性高。 （2）易扩展。 （3）控制功能强 （4）存储器容量小 （5）体积小 单片机特别适用于小型测控仪器和便携式测控仪器 (二)由单片机构成的主机电路 单片机内部的存储器容量和IO端口能力十分有 限，因此基于单片机的主机电路系统的主要任务是对 单片机的存储器分类和端口进行扩展。 三、基于微型计算机的主机电路 （1）PC机数据处理能力强，内存容量大。 （2）软件的更新可以方便地进行仪器的升级换代。 基于PC机的测控仪器中央处理系统可分为内插式、外 接式和组合式三种： 1内插式 它是将输入或输出接口电路制成印制板的插板形式并 直接插入PC机主机箱内的扩展槽内通过计算机的各种系 统总线与C

14、PU交换信息。来自测量电路的测量信号通过插 板与计算机打交道。主机与控制电路系统之间也是通过插 板进行联系。 注意（1）根据可用扩展槽的总线形式来正确设计接口电路 的总线形式。 （2）设计内插式接口电路板时要考虑PC机电源的容量大小 2.外接式 将输入接口与输出接口安装于机箱外部一个独立的 专用电箱中，并通道外部总线与PC机通信和传递数据， 外接电箱可以独立供电且不受PC机总线的限制必要 时可以有自己的微处理器和总线结构。 适用于多通道、高速数据采集或一些特殊场合的测控 要求。 3组合式 组合式系统是将内插式和外接式两种方式有机结合 起来兼有两种方式的优点或特长。输入接口与输出接 口安装于机箱

15、外部一个独立的专用电箱中，同时PC机内 部扩展槽内也安装有接口电路板。 随着电路系统模块化的进一步发展，基于微型计算 机的测控仪器的中央处理系统将逐渐为软件系统所部分 取代，不同的测控仪器只是区别于不同的软件系统，仪 器的更新和升级也主要是软件的更新和升级。 第四节 电路系统的抗干扰技术 各种干扰对系统影响程度各有不同，对于测量电路干扰将 会降低测量精度；对于控制电路，干扰将可能产生误动作，造成 损失。 噪声和干扰没有本质上的区别，通常习惯上将系统的外部干 扰称为干扰，系统内部的干扰称为噪声。 一、干扰源 1来自信号通道的干扰 2来自电源的干扰 来自交流电源的干扰对测控系统的正常运行危害更大。

16、 3. 来自空间的辐射干扰 （1）空间的辐射对传输线的干扰（2）被测控仪器是强干扰源 二、干扰的耦合方式 形成干扰的三个要素是干扰源、对干扰敏感的接收电路和 干扰源到接收电路的耦合通道。 1静电耦合 由于两个电子器件或两个电路之间存在寄生电容。经寄生 电容使一个电路(器件)的电荷影响另一个电路(器件)。 （1）干扰电压正比于干扰源与接受电路之间的寄生电容； （2）干扰电压正比于接收电路的输入阻抗； （3）干扰电压正比于干扰源的角频率。 抑制 使其不敏感 抑制耦合或切断耦合通道 1电磁耦合 一个电路的电流变化通过电磁耦合干扰另一电路。 （1）干扰电压正比于噪声电流 （2）干扰电压正比于两个心路的互感系数 （3）干扰电压正比于噪声源的角频率 3、共阻抗耦合 一般发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗， 其中一个电路在该阻抗的压降会影响另一路。 尽可能减小 4 漏电流耦合 绝缘不良，由流经绝缘电阻的电流所引起的干扰。