微机测控技术ppt课件.ppt
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1、微机测控技术ppt课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 微机测试系统概况微机测试系统概况 1.1.1 1.1.1 测试技术作用及其发展测试技术作用及其发展 1.1.2 1.1.2 测试系统的分类及特点测试系统的分类及特点n n 1.1.测试系统的分类测试系统从不同的角度出发可以分为不测试系统的分类测试系统从不同的角度出发可以分为不同的类型。从所用程控设备来分,可分为程控器控制型和同的类型。从所用程控设备来分,可分
2、为程控器控制型和微机控制型两类从系统的结构形式分,可分为专门接口微机控制型两类从系统的结构形式分,可分为专门接口型和通用接口型。从系统用途的适应程度分,可分为专用型和通用接口型。从系统用途的适应程度分,可分为专用系统和通用系统。系统和通用系统。n n2.2.微机测试系统的特点微机测试系统的特点 n n 1 1)通道多)通道多 n n2 2)精度高)精度高 n n3 3)速度快)速度快 n n4 4)功能强)功能强 n n典型的功能归结为以下几个方面:典型的功能归结为以下几个方面:n n选择功能选择功能量程选择、信号通道选择、通道扫描方式选量程选择、信号通道选择、通道扫描方式选择、采样频率选择等
3、。择、采样频率选择等。n n信号分析与处理信号分析与处理FFTFFT、相关分析、统计分析、平滑滤、相关分析、统计分析、平滑滤波。波。n n波形显示波形显示实时显示多个被测信号的时域波形,即具有实时显示多个被测信号的时域波形,即具有存储示波器功能。存储示波器功能。n n自诊断自诊断系统越复杂,自身故障的诊断越显得重要。目系统越复杂,自身故障的诊断越显得重要。目前计算机都具有自诊断能力,一般可诊断到插件板一级。前计算机都具有自诊断能力,一般可诊断到插件板一级。一些通用性较强的测试系统,可以诊断到关键部位。自校一些通用性较强的测试系统,可以诊断到关键部位。自校准一准一高精度的自动测试系统都配有标准信
4、号源。测试时,高精度的自动测试系统都配有标准信号源。测试时,对标准信号和被测信号对标准信号和被测信号 1.1.3 1.1.3 现代测试系统的基本结构现代测试系统的基本结构 1.1.非电量的特征非电量的特征n n1)1)从时域特性来看,非电信号有模拟信号和离散信号之别。从时域特性来看,非电信号有模拟信号和离散信号之别。n n2)2)从频域特性来看,国防试验和机械工艺中信号的频率有从频域特性来看,国防试验和机械工艺中信号的频率有高有低,但大多数属低频范围,有的近于直流量。高有低,但大多数属低频范围,有的近于直流量。n n3)3)非电信号并非独立存在,它们都处于环境的干扰和噪音非电信号并非独立存在,
5、它们都处于环境的干扰和噪音的包围之中。的包围之中。n n4)4)非电信号能量强弱悬殊,其中强信号的测试指标容易达非电信号能量强弱悬殊,其中强信号的测试指标容易达到,而弱信号的测试较之要难得多。到,而弱信号的测试较之要难得多。n n5)5)理论和实践证明,大多数非电信号通过一定形式的变换,理论和实践证明,大多数非电信号通过一定形式的变换,可变成相应的电量。可变成相应的电量。微机测试系统微机测试系统1)典型的微机测试系统传感器传感器传感器 数字传感器信号调理电路信号调理电路信号调理电路多路开关采样/保持器A/D微机绘图仪 显示器 打印机接口图1.1 微机测试系统基本结构图微机测试系统在系统中作用:
6、n n(1)使测试自动化n n(2)提高测试精度n n(3)通过数据变换实现多功能(4)降低了测试系统成本n n(5)提高了系统的可靠性独立式微机测试系统独立式微机测试系统 传感器传感器传感器信号调理电路信号调理电路信号调理电路多路开关 采样/保持器微机绘图仪 显示器 打印机图1.2 独立式微机测试系统结构图A/D 采样/保持器 采样/保持器A/DA/D1.2 微机控制系统概况微机控制系统概况 1.2.1 微机控制系统的分类n n1.按控制方式分按照控制方式的不同,计算机控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。微机执行机构被控对象传感器信号调理电路接口微 机接口执行机构被控对象(a)(b)图
7、1.3微机控制的闭环与开环系统框图(a)微机控制的闭环系统框图(b)微机控制的系统框图微机控制系统,从本质上来看,它的控制过程可以归结为以下三个步骤:n n 实时数据检测:对被控参数的瞬时值进行检测,并输入。n n实时决策:对采集到的表征被控参数的状态量进行分析,并按已定的控制规律,决定进一步的控制过程。n n 实时控制:根据决策,适时地对控制机构发出控制信号。2.按照功能分n n1)操作指导控制系统:微机A/D打印机CRT采样保持器传感器工业对象人工调节器图1.4 操作指导微机控制系统n n2)直接数字控制系统:微机A/D报警采样保持器传感器工业对象图1.5 直接数字控制系统人机接口执行机构
8、D/A 调理电路n n3)监督控制系统图1.6 监督控制系统(a)SCC+模拟调节器(b)SCC+DDC控制系统监 督 计 算 机A/D采样器传感器工 业 对 象执行机构D/A 多路开关模拟调节器监 督 计 算 机A/D采样器传感器工 业 对 象执行机构D/A 多路开关信号调节器 DDC用微机(a)(b)n n4)分级计算机控制系统:工厂级集中监督计算机图1.7 分级计算机控制系统信息网络企业级管理计算机工 业 对 象车间监督级计算机SCC组级计算机DDC输出通道输入通道检测工 业 对 象车间监督级计算机组级计算机输出通道输入通道检测3.按控制规律分 n n1)程序和顺序控制 n n2)比例积
9、分微分控制 n n 3)最小拍控制 n n4)复杂规律的控制 n n 5)智能控制1.2.2 微机控制系统的发展概况目前,微机控制系统的发展趋势有如下几个方面:n n1.工业用可编程序控制器(Programmable Logic ControllerPLC)的应用:n n2.提高控制性能、采用新型的控制系统:n n3.用微机实现最优控制和自适应控制:n n4.智能机器人:1.3 微机测控系统概况微机测控系统概况工 业 对 象系 统 总 线 接 口人机对话设备主机A/D转换 接 口D/A转换采样设备开关量输入开关量输出多路开关传感元件图1.8 微机测控系统基本硬件组成1.3.1 测控系统硬件组成
10、n n1.主机n n2.输入输出通道n n3.外部设备n n4.接口电路n n5.运行操作台n n6.系统总线1.3.2 测控系统软件组成n n1.系统软件n n2.应用软件第二章第二章 微机测控系统接口电路设计微机测控系统接口电路设计n n2.1 概述n n1.人机对话接口:n n2.过程通道接口:n n3通用外设接口:2.2 人机接口设计人机接口设计n n2.2.1 输入接口设计n n1.拨盘输入接口设计n n2.键盘接口设计 n n 1)线性键盘接口图2.5线性键盘接口 微 机并 行 接 口n n 2)矩阵键盘接口图2.7 矩阵键盘接口n n2.2.2 七段LED显示器及其驱动2.2.3
11、 点阵式LED显示器驱动接口n n点阵式LED显示器通常由7行5列共35个LED组成。单个点阵式LED显示器能够显示各种字母,数字和常用的符号。用多个点阵式LED显示器可以组成大屏幕LED显示屏,用于显示汉字,图形及表格,因此在大屏幕显示牌,智能化仪器及家用电器中有着较广泛的应用。n n2.2.4 2.2.4 液晶显示器液晶显示器n n2.2.4.1 LCD2.2.4.1 LCD的机构及工作原理的机构及工作原理n nLCDLCD的结构液晶材料上偏振片上电极基板上电极基板下偏的结构液晶材料上偏振片上电极基板上电极基板下偏振片反射板封接剂电极液晶显示器的结构如图振片反射板封接剂电极液晶显示器的结构
12、如图2.122.12所示。所示。在上、下玻璃电极之间封入行列型液晶材料,液光通过平在上、下玻璃电极之间封入行列型液晶材料,液光通过平行排列的液晶材料被旋转行排列的液晶材料被旋转9090,再通过与上偏振片面相垂直,再通过与上偏振片面相垂直的下偏振片,被反射板反射回来,呈透明状态;当上,下的下偏振片,被反射板反射回来,呈透明状态;当上,下电极加上电极加上定的电压后,电极部分的液晶分子转成垂直排定的电压后,电极部分的液晶分子转成垂直排列,失去旋光性,从上偏振片入射的偏振光不被旋转,光列,失去旋光性,从上偏振片入射的偏振光不被旋转,光无法通过下偏振片返回,因而呈黑色根据需要,将电极无法通过下偏振片返回
13、,因而呈黑色根据需要,将电极做成各种文字、数字、图形,就可以获得各种状态显示。做成各种文字、数字、图形,就可以获得各种状态显示。2.2.4.2 YM12864X图形点阵液晶显示器 n n 1.是一种图形点阵液晶显示器 n n 2.特性 n n3.管脚介绍 n n 4.原理简图 n n5.软件说明 n n6.写显示数据2.3 A/D转换器与微机接口设计转换器与微机接口设计n n2.3.1 8位A/D转换器与微机接口设计n n2.3.1.1 ADC0809管脚图2.18 ADC0809的管脚图n n2.3.1.2 ADC08092.3.1.2 ADC0809转换器与微机接口硬件电路设计转换器与微机
14、接口硬件电路设计n nADC0809ADC0809带有三态锁存器,可以与带有三态锁存器,可以与80318031单片机的总线直接单片机的总线直接连接。图连接。图2.202.20给出了给出了ADC0809ADC0809的接口电路。从图的接口电路。从图2.202.20和结合和结合图图2.192.19的时序图可以看出,当的时序图可以看出,当P2.3P2.3和信号均为低电平时,和信号均为低电平时,使启动脉冲使启动脉冲STARTSTART及地址锁存允许脉冲及地址锁存允许脉冲ALEALE信号有效,将信号有效,将地址送到地址总线,模拟量经地址送到地址总线,模拟量经C C、B B、A A选择开关所指定的选择开关
15、所指定的通道送到通道送到A/DA/D转换器。在转换器。在STARTSTART下降沿的作用下,一位一下降沿的作用下,一位一位的逼近,此时,转换结束信号位的逼近,此时,转换结束信号EOCEOC变低电平。由于逐次变低电平。由于逐次逼近需要一定的过程,所以在此期间,模拟量输入不变,逼近需要一定的过程,所以在此期间,模拟量输入不变,比较器也一直在工作,直到转换结束,发出一个转换结束比较器也一直在工作,直到转换结束,发出一个转换结束信号信号EOCEOC(高电平有效)经反向器后可向(高电平有效)经反向器后可向CPUCPU申请中断,申请中断,使使P3.3=0P3.3=0,表示已结束。此时,单片机发出一个输出允
16、许,表示已结束。此时,单片机发出一个输出允许信号,即信号,即P2.3P2.3与均为低电平,使与均为低电平,使OEOE高电平有效,允许从高电平有效,允许从A/DA/D转换器锁存器读取数字量转换器锁存器读取数字量.2.3.1.3 82.3.1.3 8位位A/DA/D转换程序设计方法转换程序设计方法 n n目前常用的控制方式:目前常用的控制方式:n n1)1)程序查询方式程序查询方式 n n2 2)定时采样方式)定时采样方式 n n3 3)中断方式)中断方式2.3.2 122.3.2 12位位A/DA/D转换器接口设计转换器接口设计 n n1.AD5741.AD574的管脚的管脚 n n2.AD57
17、42.AD574的技术指标的技术指标 n n3.AD5743.AD574的应用的应用 n n4.AD5744.AD574与单片机的接口及程序设计与单片机的接口及程序设计 2.4 D/A转换器和微机的接口设转换器和微机的接口设计计2.4.1 不带输入数据寄存器的D/A转换器接口图2.29 12位D/A转换器与CPU的接口 2.4.2 微机总线兼容型D/A转换器接口图2.30 微机总线兼容型D/A转换器基本结构n n2.4.3 双极性模拟量输出的实现VOUT1I1I2VOUT2图2.32 DAC0832双极性输出电路2.5 通用电路及功率接口通用电路及功率接口2.5.1 波形整形电路波形整形电路n
18、 n通常作为波形的转换与信号调理,其组成方式可以通过比较器组成的电路实现或通过光电耦合器实现,但比较器可实现微信号的转换。电压比较器通常用来判断输入信号的相对大小,对信号幅度进行控制或根据输入信号的幅度决定输出信号的极性。2.5.2 V/F2.5.2 V/F电路设计电路设计采用采用V VF F转换器与计算机接口有下列优点:转换器与计算机接口有下列优点:n n(1)(1)接口简单、占用计算机资源少。对于一路模拟信号只要接口简单、占用计算机资源少。对于一路模拟信号只要占用一个输入通道。占用一个输入通道。n n(2)(2)频率信号输入灵活。可以输入单片机或微处理器的任频率信号输入灵活。可以输入单片机
19、或微处理器的任何一根何一根I IOO口线或作为中断源输入计数输入等。口线或作为中断源输入计数输入等。n n(3)(3)抗干扰性能好。频率测量本身是一个计数过程。抗干扰性能好。频率测量本身是一个计数过程。V VF F转换过程是对输入信号的不断积分,因而能对噪声或变化转换过程是对输入信号的不断积分,因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑。另外,的输入信号进行平滑。另外,V VF F转换与计算机接口很容转换与计算机接口很容易采用光电隔离。易采用光电隔离。n n(4)(4)便于远距离传输。它还可以调制在射频信号上,进行便于远距离传输。它还可以调制在射频信号上,进行无线传播无线传播,实现遥测。调制成光脉冲
20、,可用光纤传送,不实现遥测。调制成光脉冲,可用光纤传送,不受电磁干扰。受电磁干扰。2.5.3 继电器,接触器的功率接口n n1.直流电磁式继电器,接触器功率接口图2.39 直流继电器接口n n2.交流电磁式接触器的功率接口图2.40 交流接触器接口2.5.4 2.5.4 光电器件功率接口电光型功率接口光电器件功率接口电光型功率接口n n主要用于各类照明以及闪光指示器等的驱动。电主要用于各类照明以及闪光指示器等的驱动。电热型功率接口主要用于各种电炉和加热器等的驱热型功率接口主要用于各种电炉和加热器等的驱动。电光型功率接口采用连续方式控制,电热型动。电光型功率接口采用连续方式控制,电热型功率接口采
21、用连续或断续方式控制。功率接口采用连续或断续方式控制。2.5.4.1 2.5.4.1 电光,电热型器件电光,电热型器件 n n1.1.电光型器件电光型器件 n n 2.2.电热型器件常用的电热器件有:电阻丝电热器电热型器件常用的电热器件有:电阻丝电热器件;多孔玻璃态碳电热器件;电热膜;硅钼棒电件;多孔玻璃态碳电热器件;电热膜;硅钼棒电热器件和热器件和PTCPTC半导体电热器件。半导体电热器件。2.5.4.2 电光型功率接口2.5.4.3 电热型功率接口图2.42 采用双向晶闸管控制的电热型功率接口 第三章第三章 微机测控系统设计微机测控系统设计n n3.1 概述3.1.1 微机测试系统的性能指
22、标 微机测试系统的性能指标,主要包括分辨率、采集精度、采集速度、采集信号的数量和种类,n n1.分辨率及信号放大倍数的确定 n n2.精度分配 n n3.采样频率fs的选择n n首先要确定工程实际需要的采样频率fS,通常有两条依据,n n一是根据信号最高频率fimax进行计算的经验公式 n n其中n为采集点数。n n二是根据工业参数的采样时间Ts的经验值。3.1.2 采集测量方案的设计 n n1.采集信号桢格式的编排 n n2.采集字的编码 D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0控制增益 备 用 信 号 地 址 码 次帧开关
23、副帧开关 主帧开关图 3.2 采集字编码图例3.1.3 系统的连接与匹配n n这里讲的系统的联接与匹配是指:n n系统的输入电路与系统外部电路的联接与匹配;n n系统的输出电路与系统外部电路的联接与匹配;n n系统内部各级电路之间的联接与匹配。3.2 微机测试系统的信号微机测试系统的信号n n3.2.1 信号的形式n n1.模拟信号n n2.开关量或脉冲频率信号n n3.2.2 模拟信号的幅值,精度与分辨率3.2.2.1 信号的幅值按照信号的幅值可以分为大信号(伏级)、小信号(毫伏级)、弱信号(微伏级)n n3.2.2.2 精度与分辨率3.2.3 信号的传输 n n1.模拟信号的传输 电压和电
24、流传输关系分别由(3-11)式和(3-12)式表示 (3-113-11)(3-123-12)图3.12 分布电容造成数字信号失真波形图2.2.数字信号的传输数字信号的传输 1 1)电平匹配)电平匹配 2 2)驱动能力)驱动能力 3 3)传输线传输线的分布电容将使数字信号失真,见图)传输线传输线的分布电容将使数字信号失真,见图3.123.12。3.3 多路切换开关多路切换开关 3.3.1 切换开关器件及其选择 n n1.不同类型的切换开关通常选用的器件主要有干簧继电器、干触点电继电器、水银触点继电器和CMOS模拟开关。n n2.CMOS模拟开关 3.3.2 切换开关在信号选择和量程变换中的应用
25、1.信号选择_+KV1V2Vn.(a)_+V1V2Vn.(b)Ron10K10KRf_+V1V2Vn.(c)Ron10KRfRif图3.13 模拟开关在信号选择中的应用n n2.量程变换 Vi_+(a)Vi_+(b)图3.14 模拟开关在量程切换中的应用 3.3.3 泄漏电流的影响及其克服 n n1.单端单级切换n n2.单端两级切换3.3.4 CMOS模拟开关的保护与路数切换控制 n n1.输入端的过压保护 n n2.路数切换控制3.4 模拟信号调理电路模拟信号调理电路 模拟信号调理电路主要有以下几种功能:模拟信号调理电路主要有以下几种功能:n n(1)(1)将目前工业仪表通用的将目前工业仪
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