智能仪器原理及应用

2009-3  

赵茂泰 电子工业出版社 (2009-03出版)  

赵茂泰 编  

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随着大规模集成电路、计算机技术的迅速发展，以及人工智能在测试技术方面的广泛应用，传统电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，逐步形成了一种完全突破传统概念的新一代测试仪器——智能仪器。目前，不仅大多数传统电子仪器已有相应换代的智能化产品，而且还出现了一些全新的仪器类型和测试系统体系，仪器智能化已经成为现代电子仪器发展的主流方向。本书第1版自1999年出版以来，得到了广大读者的欢迎、支持和鼓励。同时，智能仪器技术及其设计方法在此期间又有新的发展，作者在教学实践和科研工作中也有一些新的体会，这些正是再次修订本书的主要动力。本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材。主要阐述如何运用微型计算机系统实现电子仪器智能化的相关问题，包括实现原理及其硬件和软件的设计思想、方法和技巧。全书共分10章。第1章扼要介绍智能仪器的结构体系、设计要点以及现状与发展。第2，3，4，5章较详细地论述智能仪器原理及实现技术中带有共性的部分，其内容包括智能仪器模拟量输入／输出通道、人机接口、通信接口以及典型处理功能。为使读者建立起智能仪器的整机概念，第6，7，8，9章分别对电压、时间-频率和示波器三类智能型测量仪器和合成信号发生器的原理及设计做了较详细的论述，编者认为，只要透彻掌握这几类最具代表性的智能仪器，其他类型的电子仪器以及电子设备的智能化设计便不会存在大的障碍。第10章简要阐述了智能仪器的几项新发展，内容包括个人仪器及系统、VXI总线仪器系统以及基于软件的虚拟仪器技术。本书每章皆有思考题与习题，以便复习。书中还含有许多具体的设计实例，以利于读者对智能仪器设计中最关键的部分深入理解、牢固掌握和灵活运用。本书编写注重理论联系实际，在讲清基本原理的基础上，侧重讨论在智能仪器实际设计过程中所涉及的具体方法与技巧。旨在使读者学会运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代电子仪器开发过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的电子系统的能力。使用本书教学时应配合一定数量的课程设计或综合实验，为此本书在第6，7.8，9章中，提供了几种智能仪器和个人仪器课程设计或综合实验的素材，供教学时选用，其中部分内容在作者教学中使用过。编者认为，若能独立完成这些较典型智能仪器的设计或实验，今后遇到实际的智能化仪器或设备设计课题时，只要再分析课题的特殊要求和某些专用电路，就能很快地进入设计状态。为符合微型计算机发展的趋势和目前我国高等院校计算机系列课程教学内容的现状，本书侧重论述以MCS-51单片机和Pc为背景的智能仪器与测试系统。

　　智能仪器原理及应用（第3版）》系统深入地论述以微型计算机为核心的智能电子仪器的结构体系，及其硬件与软件的设计原理和实现方法。全书共分10章，内容包括智能仪器的结构、设计要点以及现状与发展，智能仪器模拟量输入/输出通道，智能仪器人机接口，智能仪器通信接口，智能仪器典型处理功能，基于电压测量的智能仪器，信号发生器，智能电子计数器，数字示波器，智能仪器的新发展等。为使理论联系实际，书中含有许多设计实例，每章皆有思考题与习题。为了方便教学，《智能仪器原理及应用（第3版）》另配有电子教案，向采纳《智能仪器原理及应用（第3版）》作为教材的教师免费提供。　　《智能仪器原理及应用（第3版）》可作为高等院校电子类专业教材或专业培训教材，也可供从事电子仪器及测量技术应用与开发的科技人员学习参考。

第1章 导论1.1 智能仪器的组成及特点1.1.1 智能仪器的典型结构1.1.2 智能仪器的主要特点1.2 智能仪器及测试系统的发展1.2.1 独立式智能仪器及自动测试系统1.2.2 个人仪器系统及VXI总线仪器系统1.2.3 软件技术的高速发展及虚拟仪器1.3 智能仪器设计的要点1.3.1 设计、研制智能仪器的一般过程1.3.2 智能仪器主机电路的选择思考题与习题第2章 智能仪器模拟量输入/输出通道2.1 模拟量输入通道2.1.1 A／D转换器概述2.1.2 逐次比较式A／D转换器与微处理器的接口2.1.3 积分式A／D转换器与微处理器的接口2.2 高速模拟量输入通道2.2.1 并行比较式A／D转换器原理概述2.2.2 高速A／D转换器及其接口技术2.2.3 高速数据采集与数据传输2.3 模拟量输出通道2.3.1 D／A转换器概述2.3.2 D／A转换器与微处理器的接口2.3.3 D／A转换器应用举例2.4 数据采集系统2.4.1 数据采集系统的组成2.4.2 模拟多路开关及接口2.4.3 模拟信号的采样与保存2.4.4 数据采集系统设计举例思考题与习题[LM]第3章 智能仪器人机接口3.1 键盘与接口〖HT5SS〗3.1.1 键盘输入基础知识3.1.2 键盘接口电路及控制程序3.1.3 键盘分析程序3.2 LED显示及接口3.2.1 LED显示原理3.2.2 七段LED显示及接口3.2.3 点阵LED显示及接口3.3 键盘/LED显示器接口设计3．3．1 HD 7279A的功能及结构特点3.3.2 键盘/LED显示器接口设计举例3.4 CRT显示及接口3.4.1 光栅扫描字符显示系统3.4.2 光栅扫描图形显示系统3.4.3 随机扫描图形显示系统3.5 微型打印机及接口3.5.1 TPμP-40B／C 微型打印机及其接口3.5.2 汉字打印技术3.5.3 微型打印机接口管理程序思考题与习题第4章 智能仪器通信接口4.1 GPIB通用接口总线4.1.1 GP-IB标准接口系统概述4.1.2 接口功能与接口消息4.1.3 GP-IB标准接口系统的运行4.2 GPIB接口电路的设计4.2.1 GP-IB接口芯片简介4.2.2 智能仪器的GP-IB接口设计4.2.3 控制器的GP-IB接口设计4.3 串行通信总线4.3.1 串行通信基本方式4.3.2 串行通信协议4.3.3 RS232C标准4.4 串行通信接口电路的设计4.4.1 智能仪器串行通信接口的结构4.4.2 MCS51系统串行通信设计举例4.4.3 PC系统与MCS-51系统的通信思考题与习题第5章 智能仪器典型处理功能5.1 硬件故障的自检5.1.1 自检方式5.1.2 自检算法5.1.3 自检软件5.2 自动测量功能5.2.1 自动量程转换5.2.2 自动触发电平调节5.2.3 自动零点调整5.2.4 自动校准5.3 仪器测量精度的提高5.3.1 随机误差的处理方法5.3.2 系统误差的处理方法5.3.3 粗大误差的处理方法5.4 干扰与数字滤波5.4.1 中值滤波5.4.2 平均滤波程序5.4.3 低通数字滤波5.5 测量数据的标度变换5.5.1 线性标度变换5.5.2 非线性参数的标度变换思考题与习题第6章 基于电压测量的智能仪器6.1 智能DVM原理6.1.1 概述6.1.2 输入电路6.1.3 智能DVM中的A／D转换技术6.1.4 典型智能DVM介绍6.2 智能DMM原理6.2.1 概述6.2.2 交直流转换器6.2.3 其他模拟转换技术6.2.4 典型智能DMM介绍6.3 智能化RLC测量仪原理6.3.1 概述6.3.2 自由轴法测量原理6．3．3 RLC测量仪电路分析6.3.4 典型智能RLC测量仪介绍思考题与习题第7章 信号发生器7.1 信号发生器7.1.1 信号发生器的分类及性能7.1.2 通用信号发生器的组成7.1.3 合成信号发生器的组成7.2 锁相频率合成信号发生器7.2.1 锁相环的基本形式7.2.2 通用型集成锁相环频率合成器7.2.3 合成信号发生器频率合成单元的组成7.2.4 典型合成信号发生器分析7.3 直接数字频率合成信号发生器7.3.1 直接数字频率合成技术概述7.3.2 基于DDS芯片的频率合成信号发生器的设计7.3.3 典型DDS合成信号发生器简介思考题与习题第8章 智能电子计数器8.1 电子计数器测量原理8.1.1 概述8.1.2 多周期同步测量技术8.1.3 内插模拟扩展技术8.2 典型部件的分析8.2.1 输入通道8.2.2 计数器电路 8.2.3 单片通用计数器集成芯片8.3 智能电子计数器的设计 8.3.1 以ICM 7226为基础的智能频率计8.3.2 等精度频率计的设计实例8.4 典型智能计数器产品介绍8.4.1 仪器的原理与组成8.4.2 仪器键盘操作与分析8.4.3 仪器的软件系统思考题与习题第9章 数字示波器9.1 概述9.1.1 数字示波器的组成原理9.1.2 数字示波器的主要技术指标及分析9.1.3 数字示波器的特点9.2 数字示波器的采样方式9.2.1 实时采样方式原理及实现9.2.2 顺序采样方式原理及实现9.2.3 随机采样方式原理及实现9.3 数字示波器组成原理9.3.1 现代数字示波器的一般组成9.3.2 输入通道电路9.3.3 数据采集与存储电路9.3.4 触发电路系统9.3.5 显示系统9.3.6 波形参数的测量与处理9.4 数字示波器的设计9.4.1 简易数字示波器的设计9.4.2 顺序采样方式数字示波器的设计9.4.3 智能超声波测厚仪介绍思考题与习题第10章 智能仪器的新发展10.1 个人仪器及系统10.1.1 个人仪器及发展10.1.2 PC-DAQ形式个人仪器的组成原理10.1.3 DVM个人仪器的设计实例10.1.4 HP-PC 仪器系统介绍10.2 VXI 总线仪器系统 10.2.1 VXI 总线仪器系统概述10.2.2 VXI总线仪器系统软件10.2.3 VXI总线仪器系统的组建10.3 虚拟仪器及系统10.3.1 虚拟仪器及系统概述10.3.2 LabVIEW 虚拟仪器开发系统介绍10.3.3 虚拟仪器系统设计的实例10.3.4 虚拟仪器的发展思考题与习题参考文献

插图：第1章　导论1.1　智能仪器的组成及特点微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。微处理器在20世纪70年代初期问世不久，就被引进电子测量和仪器领域，所占比重在各项计算机应用领域中名列前茅。在这之后，随着微处理器在体积小、功能强、价格低等方面的进一步的发展，电子测量与仪器和计算机技术的结合就愈加紧密，形成了一种全新的微型计算机化仪器。由于这种含微型计算机的电子仪器拥有对数据的存储、运算、逻辑判断、自动化操作及与外界通信的功能，具有一定的智能作用，因而被称为智能仪器，以区别于传统的电子仪器。近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理方面发展，并具有模糊判断、故障判断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等功能，使智能仪器向更高的层次发展。1.1.1　智能仪器的典型结构智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入／输出通道、人机接口电路、通信接口电路，其通用结构框图如图1-1所示。其中主机电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理，它通常由微处理器、程序存储器、数据存储器及输入／输出(I／O)接口电路等组成，或者它本身就是一个单片微型计算机；模拟量输入／输出通道用来输入／输出模拟信号，主要由A／D转换器、D／A转换器和有关的模拟信号处理电路等组成；人机接口电路的作用是沟通操作者和仪器之间的联系，主要由仪器面板中的键盘和显示器组成；通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系，以便使仪器可以接受计算机的程控命令，目前生产的智能仪器一般都配有GP-IB等通信接口。智能仪器的软件分为监控程序和接口管理程序两部分。监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序，其内容包括：通过键盘输入命令和数据，以对仪器的功能、操作方式与工作参数进行设置；根据仪器设置的功能和工作方式，控制I／O接口电路进行数据采集、存储；按照仪器设置的参数，对采集的数据进行相关的处理；以数字、字符、图形等形式显示测量结果、数据处理的结果及仪器的状态信息。接口管理程序是面向通信接口的管理程序，其内容是接收并分析来自通信接口总线的远控命令，包括描述有关功能、操作方式与工作参数的代码；进行有关的数据采集与数据处理；通过通信接口送出仪器的测量结果、数据处理的结果及仪器的现行工作状态信息。

《智能仪器原理及应用(第3版)》编写注重理论联系实际，在讲清基本原理的基础上，侧重讨论在智能仪器实际设计过程中所涉及的具体方法与技巧。旨在使读者学会运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代电子仪器开发过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的电子系统的能力。 为符合微型计算机发展的趋势和目前我国高等院校计算机系列课程教学内容的现状，《智能仪器原理及应用(第3版)》侧重论述以MCS-51单片机和PC为背景的智能仪器与测试系统。

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