项目9 自动测量技术-电子测量技术与仪器辅导与练习（第二版）

项目九　 自动测量技术 学习目标 （１）了解智能仪器、虚拟仪器的概念； （２）了解智能仪器、虚拟仪器的组成与特点； （３）了解智能仪器、虚拟仪器的工作原理。 知识要点 １．智能仪器 （１）智能仪器的概念 智能仪器是指将人工智能的理论、方法和技术应用于仪器，使其具有类似于人的智能 特性或功能的仪器。 （２）智能仪器的功能特点 智能仪器借助于传感器和变送器采集信息，具有硬件软件化的优势，具有人机对话、 记忆信息、自动处理数据、自检、自诊断、自测试、自校准（校准零点、增益等）、自补偿、自 适应外界变化和对外接口等功能。 （３）智能仪器的组成 •智能仪器的硬件组成 智能仪器的组成结构类似于典型的计算机结构，主要包括：数据采集与调理单元、微 处理器单元、输入输出接口单元、键盘输入单元、通信单元等，如下图所示。 ３３１ •智能仪器的软件内容 智能仪器的软件包括系统软件、应用软件和书面文件。 ①系统软件是微机系统的语言加工程序和管理程序等。 ②应用软件是指解决用户实际问题的程序，包括测试程序、数据处理程序、键盘判别 程序和显示程序等。 ③书面文件是帮助用户使用仪器的文件，包括软件总框图、程序清单、使用说明能及 修改方法等。 （４）智能仪器的工作原理 传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关； 由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信 号经 Ａ ／ Ｄ 转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值 进行相应的数据运算和处理（如非线性校正等）；运算的结果被转换为相应的数据进行显 示和打印；同时单片机把运算结果与存储于芯片内的设定参数进行运算比较后，根据运算 结果和控制要求，输出相应的控制信号。 ２．虚拟仪器 （１）虚拟仪器的概念 虚拟仪器是基于计算机的仪器，即以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种 仪器功能，可通过鼠标和键盘交互式操作完成相应的测试任务。 （２）虚拟仪器的特点 ①尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 ②可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。 ③用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 传统仪器与虚拟仪器的比较见下表。 序号 比较项目 传统仪器 虚拟仪器 １ 仪器定义 仪器厂商 用户 ２ 中心环节 硬件是关键 软件是关键 ３ 功能设定 仪器的功能、规模均 已固定 系统功能和规模可通过软件修改和增减 ４ 开放性 封闭的系统，与其他 设备连接受限 基于计算机的开放系统，可方便地同外设、 网络及其他设备连接 ５ 性能 ／价格比 价格昂贵 价格低，可重复使用 ６ 技术更新 慢（５～１０ 年） 快（１～２ 年） ７ 开发维护费用 开发维护费用高 软件结构可大大节省开发和维护费用 ８ 应用情况 多为实验室拥有 个人可以拥有一个实验室 ４３１ （３）虚拟仪器的组成 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。 硬件是虚拟仪器的基础，软件是虚拟仪器的 核心。 虚拟仪器的硬件主体是计算机，计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚 拟仪器测试硬件平台的基础。 虚拟仪器的软件包括操作系统、仪器驱动器和应用软件 ３ 个层次。 硬件是虚拟仪器的基础，软件是虚拟仪器的核心。 （４）虚拟仪器的种类 按总线接口方式不同，虚拟仪器可分为以下几种类型： ①插卡式（ＤＡＱ）虚拟仪器。 ②并行口式虚拟仪器。 ③串行式（ＲＳ２３２ ／ ４２２）虚拟仪器。 ④ＵＳＢ 接口虚拟仪器。 ⑤ＩＥＥＥ１３９４ 虚拟仪器。 ⑥ＧＰＩＢ 总线方式的虚拟仪器。 ⑦ＶＸＩ 总线方式虚拟仪器。 ⑧ＰＸＩ 总线方式虚拟仪器。 （５）仿真软件 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １４ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 是美国国家仪器（ＮＩ）有限公司推出的以 Ｗｉｎｄｏｗｓ 为基础的仿真工具，适用 于板级的模拟 ／数字电路板的设计工作。 它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述 语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １４ 提供了很多虚拟仪器，如数字万用表、函数信号发生器、瓦特表、双踪示波 器、四踪示波器、波特图仪、频率计数器、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、ＩＶ 分析 仪、失真分析仪、频谱分析仪、网络分析仪、安捷伦函数信号发生器、安捷伦数字万用表、安 捷伦示波器、泰克示波器、测量探针、ＬａｂＶＩＥＷ 测试仪和电流探针等。 这些仪器的设置、 使用和数据读取和现实中的仪表一样，它们的外观也和我们在实验室所见到的仪器相同， 可以用它们来测量仿真电路的性能参数。 解题示例 例　 什么叫虚拟仪器？ 虚拟仪器相对于传统仪器有优势在哪里？ 答：虚拟仪器是基于计算机的仪器，简单说就是用户自定义的基于 ＰＣ 的测试和测量 解决方案，以实现各种仪器的功能。 相对于传统仪器，虚拟仪器有 ４ 大优势：性能高，扩展性强，开发时间少，并且具有出 色的集成功能。 ５３１ 课堂练习题 一、填空题 １．智能仪器具有对测量数据进行　 　 　 　 　 接口输出及自动化操作等功能。 ２．人们习惯将内含微型计算机和的仪器称为智能仪器。 ３．智能仪器主要由 　 　 　 　 　 两大部分组成。 　 　 　 　 　 是智能仪器的核心， 　 　 　 　 　 是智能仪器的灵魂。 ４．虚拟仪器是以计算机为核心硬件平台，配备信号采集、控制等接口模块，由用户设 计、定义虚拟面板，用软件编程来实现测试功能，通过　 　 　 　 　 交互式操作完成相应测 试任务的计算机仪器系统。 ５．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １４ 虚拟仪表的工具栏从左到右依次是　 　 　 　 　 、函数信号发生器、瓦特 表、双踪示波器、四踪示波器、波特图仪、频率计数器、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转 换器、ＩＶ 分析仪、失真分析仪、频谱分析仪、网络分析仪、安捷伦函数信号发生器、安捷伦 数字万用表、安捷伦示波器、泰克示波器、测量探针、ＬａｂＶＩＥＷ 测试仪和　 　 　 　 　 。 二、选择题 １．虚拟仪器一般不具有的功能特点是（　 　 ）。 Ａ．人机对的功能 Ｂ．自检、自诊断和自测试的功能 Ｃ．信息处理与发射的功能 Ｄ．记忆信息的功能 ２．如下图所示工具模板中，（　 　 ）字母对应于探针工具。 Ａ．Ｂ Ｂ．Ｄ Ｃ．Ａ Ｄ．Ｃ ３．在智能仪器中，模拟输入通道的抗干扰技术包括（　 　 ）。 Ａ．对差模干扰的抑制 Ｂ．对共模干扰的抑制 Ｃ．采用软件方法提高抗干扰能力 Ｄ．以上 ３ 种方法都包括 ４．智能仪器的自检是为了实现（　 　 ）功能 。 Ａ．排除仪器故障 Ｂ．减小零点漂移 Ｃ．故障的检测与诊断 Ｄ．减小仪器的测量误差 ６３１ 三、判断题 １．智能仪器的开机自检是为了减小仪器的测量误差。 （　 　 ） ２．智能温度测量仪中使用软件进行非线性校正，主要是为了校正传感器输出特性的 非线性。 （　 　 ） ３．虚拟数字万用表的外观与实际仪表基本相同，其连接方法与现实万用表完全一样， 都是通过“＋”“－”两个端子来连接仪表。 （　 　 ） ４．虚拟双踪示波器可以通过显示波形来测量信号的频率、幅度、周期、亮度等参数。 （　 　 ） 四、综合题 １．试用虚拟示波器 Ａ、Ｂ 通道同时测量某一正弦信号，扫描（时基）方式分别为 Ｙ ／ Ｔ、 Ａ ／ Ｂ，观察显示波形的差异，思考其原因。 ２．按总线接口方式不同，虚拟仪器可分为哪些类型？ ７３１ 7、聚焦 辅助聚焦 8、弹起 （PNP）按下 （题干更正为：晶体管特性图示仪阶梯信号 的极性开关，在测量 NPN 型晶体管时应处于 状态，在测量 PNP 型晶体管时应处于 状态。”） 9、粗调 细调 粗调 细调 10、串联 集电极 负载 11、 精确 万能 12、电感的 Q 值 电容的损耗正切值 13、快 中 慢 二、选择题 1.C 2.D 3.D 4.C 5.D 三、判断题 1.× 2.× 3.× 4.× 5.× 6.√ 7.√ 8.√ 9.√ 10.√ 四、简答题 略 五、作图题 略 项目九 课堂练习题 一、填空题 1．存储、运算、分析判断 2. 智能仪器 3. 硬件和软件 微处理器 程序 4. 鼠标 和键盘 5. 数字万用表 电流探针 二、选择题 1.C 2.C 3.D 4.C 三、判断题 1. √ 2. × 3. √ 4. × 四、综合题 略 综合练习 练习一 一、 填空题 1. 电压 电压 2.数值 单位 3. 1.96% 4.双踪 5. 主振级 电压放大器 6. 32.49 200.49 二、 选择题 1. B 2.A 3. A 4.C 5.C 6.B 7.D 8.C 9.B 10.B 三、判断题 1~5：√××√√ 6~10： ×××√×