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1、计算机测控技术计算机测控技术 第四单元第四单元 测量数据处理测量数据处理 杨杨 波波 检测与自动化工程系检测与自动化工程系 boyang 新主楼新主楼 E302 2011 4 11 内内 容容 提提 要要 在计算机测控系统中 经在计算机测控系统中 经A D转换得到的测量信号转换得到的测量信号 在送显示输出或进行控制算法计算前 往往要进行一在送显示输出或进行控制算法计算前 往往要进行一 定的处理定的处理 测量数据处理 测量数据处理 4 1 量程切换量程切换 4 2 标度变换标度变换 4 3 零位与灵敏度误差校正零位与灵敏度误差校正 4 4 非线性校正非线性校正 4 5 越限报警越限报警 4 6
2、数字滤波数字滤波 2011 4 12 4 1 量程切换量程切换 由于输入模拟信号的动态范围可能很大 要保证输入由于输入模拟信号的动态范围可能很大 要保证输入 采样信号不溢出 又要保证读数精度 采用自动量程采样信号不溢出 又要保证读数精度 采用自动量程 切换是常用的手段 切换是常用的手段 自动量程切换是大多数智能测控仪器的基本功能 自自动量程切换是大多数智能测控仪器的基本功能 自 动量程切换能根据被测量的大小自动选择合适的量程 动量程切换能根据被测量的大小自动选择合适的量程 以保证测量值有足够的分辨力和准确度 以保证测量值有足够的分辨力和准确度 除此之外 自动量程切换还应满足以下要求 除此之外
3、自动量程切换还应满足以下要求 2011 4 13 4 1 量程切换量程切换 1 尽可能高的测量速度 尽可能高的测量速度 自动量程切换的测量速度 是指根据被测量的大小自动选择合适量自动量程切换的测量速度 是指根据被测量的大小自动选择合适量 程并完成一次测量的速度 一般来说 当读数的十进制位数大于等程并完成一次测量的速度 一般来说 当读数的十进制位数大于等 于量程档数时 应该只需经过一次中间测量就可以找到正确的量程 于量程档数时 应该只需经过一次中间测量就可以找到正确的量程 因而 在发生超量程时 只需经过一次高量程的测量 即可找到正因而 在发生超量程时 只需经过一次高量程的测量 即可找到正 确的量
4、程 而在降量程的时候 只需将读数直接同较小量程的降量确的量程 而在降量程的时候 只需将读数直接同较小量程的降量 程阈值进行比较 就可以找到正确的量程 而无需逐个量程进行测程阈值进行比较 就可以找到正确的量程 而无需逐个量程进行测 量 此外 在大多数情况下 被测量量并不一定会经常发生大幅度量 此外 在大多数情况下 被测量量并不一定会经常发生大幅度 变化 所以 一旦选定合适的量程应该在该量程继续测量下去 直变化 所以 一旦选定合适的量程应该在该量程继续测量下去 直 到发现过载或被测量低于降量程阈值 到发现过载或被测量低于降量程阈值 2011 4 14 4 1 量程切换量程切换 2 确定性 确定性
5、自动量程转换的确定性是指在升 降量程时 不应该发生两个相邻自动量程转换的确定性是指在升 降量程时 不应该发生两个相邻 量程间反复选择的现象 这种情况的出现是由于分档差的存在所造量程间反复选择的现象 这种情况的出现是由于分档差的存在所造 成的 成的 量程选择的不确定性可以通过给定升降阈值回差的方法来解决 通量程选择的不确定性可以通过给定升降阈值回差的方法来解决 通 常可采用减小降量程阈值的方法 例如 降量程阈值选择满度值的常可采用减小降量程阈值的方法 例如 降量程阈值选择满度值的 9 5 而不是而不是10 升量程阈值为 升量程阈值为100 这样 只要两个相邻量程 这样 只要两个相邻量程 的测量误
6、差绝对值之和不超过的测量误差绝对值之和不超过0 5 就不会造成被选量程的不确 就不会造成被选量程的不确 定性 定性 2011 4 15 4 1 量程切换量程切换 3 安全性 安全性 由于每次测量并不都从最高量程开始 而是在选定量程上进由于每次测量并不都从最高量程开始 而是在选定量程上进 行 因此不可避免的会发生测量超过选定量程的最大测量范行 因此不可避免的会发生测量超过选定量程的最大测量范 围 甚至达到仪器的最大允许值 这种过载现象须经过一次围 甚至达到仪器的最大允许值 这种过载现象须经过一次 测量后才能发觉 因此 量程输入电路必须具有过载保护能测量后才能发觉 因此 量程输入电路必须具有过载保
7、护能 力 过载发生时 至少在一次测量过程中仍应能正常工作 力 过载发生时 至少在一次测量过程中仍应能正常工作 并且不会损坏 并且不会损坏 2011 4 16 4 1 量程切换量程切换 数字测量简化过程数字测量简化过程 略去增益为略去增益为1的环节的环节 传感器传感器放大器放大器A Dx SK 窗口比较器窗口比较器 VX VH VL E 量程切换的依据量程切换的依据 量程判别结果量程判别结果 2011 4 17 IN OUT E NFS Vx Nx 量程切换过程量程切换过程 被测量被测量x对应的数字输出对应的数字输出 相对误差或读数精度相对误差或读数精度 为不使数据溢出 须满足的条件为不使数据溢
8、出 须满足的条件 FS x x NE xSK q V N xSK NE NV q FS xx x 1 ExSK 4 1 量程切换量程切换 NFS 满度输出数字满度输出数字 E A D转换满度输入电压转换满度输入电压 q ADC最低有效位最低有效位LSB代表的量代表的量 化电平 量化最大误差化电平 量化最大误差 2011 4 18 若要求读数精度不低于若要求读数精度不低于即即 保证数据不溢出和读数精度的条件下 保证数据不溢出和读数精度的条件下 通道总增益通道总增益K必须满足以下条件 必须满足以下条件 0 0 x 0 1 x N xS E K xS NE FS 0 4 1 量程切换量程切换 则应满
9、足以下条件则应满足以下条件 满足此条件时 说明测试满足此条件时 说明测试 系统工作在 系统工作在 最佳量程最佳量程 2011 4 19 ExSK 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 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 才能保证数据不溢出 精度满足测试要求才能保证数据不溢出 精度满足测试要求 量程切换量程切换 EVH 0 FS L N E V 4 1 量程切换量程切换 设置一个窗口比较器 其窗口比设置一个窗口比较器 其窗口比 较电平分别为 较电平分别为 Hx VV Lx VV 过量程 应该改用小增益 即切换到较大量程 过量程 应该改用小增益 即切换到较大量程
10、欠量程 应该改用大增益 即切换到较小量程 欠量程 应该改用大增益 即切换到较小量程 2011 4 110 VH VxNx VL 如果测试结果用如果测试结果用m位十进制数显示 则可用显位十进制数显示 则可用显 示器上小数点的移动反映量程的变化 这时通示器上小数点的移动反映量程的变化 这时通 道总增益道总增益K可分可分m档并以十倍率变化 档并以十倍率变化 4 1 量程切换量程切换 10 H L V V EVH95 0 窗口上 下比较电平取为 窗口上 下比较电平取为 2011 4 111 例例1 被测对象为被测对象为5个电压值 个电压值 6 67V 33 3V 57 7V 100V 150V 要求测
11、量系统的相对误差小于 要求测量系统的相对误差小于0 05 试设定增益 衰减档数和换挡准则 已知测量系统试设定增益 衰减档数和换挡准则 已知测量系统 采用采用12位位A D转换器 满量程输入电压转换器 满量程输入电压VF S 5V 例例 2 欲测量温度上限值为欲测量温度上限值为160 要求分辨率为 要求分辨率为 0 1 采用 采用10位位A D转换器的测量系统 是否需要转换器的测量系统 是否需要 换档换档 思考题思考题 4 1 量程切换量程切换 2011 4 112 一 量程判别条件一 量程判别条件 FS x x NE xSK q V N 超量程超量程 条件条件 欠量程欠量程 条件条件 最佳量程
12、最佳量程 条件条件 数字判别数字判别 模拟判别模拟判别 FSx NN 0 1 x N FSx NN 0 1 EVx x FS V N E 0 EV N E x FS 0 4 1 量程切换量程切换 2011 4 113 窗口比较电平 窗口比较电平 通常取 通常取 若若 则窗口比较器发出 过量程 信号 则窗口比较器发出 过量程 信号 若若 则窗口比较器发出 欠量程 信号 则窗口比较器发出 欠量程 信号 EVH FS L N E V 0 EU H 95 0 10 HL UU Hx VV Lx VV 二 模拟判别的方法 窗口比较器二 模拟判别的方法 窗口比较器 4 1 量程切换量程切换 2011 4
13、114 三 数字判别的方法三 数字判别的方法 1 高位检测法 高位检测法 读取读取A D转换数据的高两位或高三位 转换数据的高两位或高三位 若都为 若都为 1 则 过量程 则 过量程 若都为 若都为 0 则 欠量程 则 欠量程 2 A D自检测法自检测法 A D自身提供 过量程 和 欠量程 指示自身提供 过量程 和 欠量程 指示 信号信号 4 1 量程切换量程切换 2011 4 115 自动量程转换电路随其用途有多种的形式 但就其组成自动量程转换电路随其用途有多种的形式 但就其组成 来说可以分为衰减器 放大器 接口及开关驱动三部分 来说可以分为衰减器 放大器 接口及开关驱动三部分 量程切换的方
14、法量程切换的方法 4 1 量程切换量程切换 程控放大器和程控衰减器程控放大器和程控衰减器 Vx Vx 2011 4 116 量程 上限 值量程 上限 值 一 改变量程值方法一 改变量程值方法 1 改变 改变E 2 改变 改变S 3 改变改变K 最常用最常用 SK E x max 4 1 量程切换量程切换 2011 4 117 二 改变二 改变K的常用电路的常用电路 数控放大器数控放大器 由多路开关由多路开关MUX和放大器构成 如课件和放大器构成 如课件P17 图图 a 所示 所示 程控衰减器程控衰减器 由多路开关由多路开关MUX和电阻分压网络构成 如课和电阻分压网络构成 如课 件件P17图图
15、b 所示 所示 MUX 用作 量程切换开关 用作 量程切换开关 4 1 量程切换量程切换 2011 4 118 三 量程切换的程序三 量程切换的程序 1 编程原则 编程原则 若判别结果是 欠量程 则切换到较小的量程即降一个量程 若判别结果是 欠量程 则切换到较小的量程即降一个量程 若判别结果是 超量程 则切换到较大的量程即升一个量程 若判别结果是 超量程 则切换到较大的量程即升一个量程 若判别结果是既不 欠量程 也不 超量程 则不进行量程若判别结果是既不 欠量程 也不 超量程 则不进行量程 切换 切换 若已经达到最小量程或最大量程 也不再进行量程切换 若已经达到最小量程或最大量程 也不再进行量
16、程切换 通常一开始应先选用最大量程进行测量 以避免仪器过载或损通常一开始应先选用最大量程进行测量 以避免仪器过载或损 坏 坏 2 量程切换的程序流程实例 量程切换的程序流程实例 4 1 量程切换量程切换 2011 4 119 微机控制量程自动切换微机控制量程自动切换 4 1 量程切换量程切换 2011 4 120 4 2 标度变换标度变换 生产中的各种参数都有着不同的生产中的各种参数都有着不同的量纲量纲和和数值数值 但在计算机测控系统的采集 但在计算机测控系统的采集 A D转换转换过程中已变过程中已变 为无量纲的数据 当系统在进行显示 记录 打印为无量纲的数据 当系统在进行显示 记录 打印 和报警等操作时 必须把这些测得的数据还原为相和报警等操作时 必须把这些测得的数据还原为相 应量纲的物理量 这就需要进行应量纲的物理量 这就需要进行标度变换标度变换 2011 4 121 4 2 标度变换标度变换 标度变换标度变换的任务是把计算机系统检测的对象参数的二的任务是把计算机系统检测的对象参数的二 进制数值还原变换为原物理量的工程实际值 下图为标度进制数值还原变换为原物理量的工程实际值 下图为
