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第五章 电路与软件系统设汁. 第一节 电路与软件系统概述 电路系统的作用及其组成 1. 测量电路 信息流的输入通道，由信息处理电路和电源组成 作用：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。. 2. 控制电路 信息流的输出通道，由控制电路、和电源组成。 作用：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 是信息处理单元，整个电路系统的中心，整个测控仪器的核心。
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第五章 电路与软件系统设汁 第一节 电路与软件系统概述 电路系统的作用及其组成 1.测量电路 信息流的输入通道，由信息处理电路和电源组成 作用：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。
2.控制电路 信息流的输出通道，由控制电路、和电源组成。 作用：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 是信息处理单元，整个电路系统的中心，整个测控仪器的核心。 作用：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 4.电源 电平基准。 5.软件系统 电路与软件系统的设计要求 1.精度要求
⑴.信噪比 ⑵.分辨力 ⑶.线性度 ⑷.灵敏度 ⑸.量化误差 ⑹.稳定性 ⑺.频率特性 ⑻.输入与输出阻抗 2.响应速度要求 3.可靠性要求 4.经济性要求
电路系统的设计准则 （一）总线化准则 1.内部总线：系统内部连接芯片与芯片、芯片与微处理器的元件级总线。Local Bus 从功能上分为：数据总线、地址总线、控制总线 2.系统总线：用于连接模板与模板的板级总线 ISA:工业标准总线，支持8位和16位数据并行传输 PCI：高性能系统总线，支持多个外围设备 AGP：为CPU与图形控制器之间提供一条高速数据通道。
3.外部总线：用于连接系统与系统之间交换信息与数据的通信总线。分为并行和串行3.外部总线：用于连接系统与系统之间交换信息与数据的通信总线。分为并行和串行 GP-IB: RS-232C: VXI总线：允许用户将不同厂家的模块用与同一个系统的机箱内，仪器的功能主要有软件决定。 （二）模块化准则 将整个电路系统分割成几个功能相互独立，而又相互联系的模块。 （三）电磁兼容准则 电器、电子产品能在规定的电磁环境中正常工作，并不对 该环境中其它产品产生过量的电磁干扰。
第二节 测控电路设计 一、测量电路的设计 1.测量电路的作用及组成 ⑴信号调理 ⑵信号转换 ⑶简单运算
2.信号调理电路 ⑴放大电路（噪声、稳定性、阻抗、增益、速度） 阻抗匹配问题，漂移问题，增益问题 ⑵滤波电路（特征频率与带宽、增益与衰耗 、 阻尼与品质因数 、群时延函数） ⑶调制解调电路 ⑷细分与辩向电路 3.信号转换电路 阻抗/电压转换、电流/电压转换、模拟/数字转换 4.运算电路 让模拟信号 按一定的数学规律进行计算
二、 中央处理系统的设计 1、以计算机为核心的中央处理系统 （一）特点与功能 （1）自动对零 （2）量程自动切换 （3）多点快速测控 （4）数字滤波 （5）自动修正误差 （6）数据处理 （7）复杂控制规律
（8）多媒体功能 （9）通信与网络功能 （10）自我诊断功能 （二）中央系统组成 主机电路、输入输出接口电路组成 输入接口电路作用： 输出接口作用： 主机电路作用： 二、基于微处理器的主机电路 （一）单片机特点与功能
单片机的选用 1. 对不同单片机的性能进行比较 2．必须具备配套的开发系统 3．选择市场上的主流产品
MCS-51单片机外部引脚 1.电源及时钟引脚 Vcc, Vss, XTAL1, XTAL2 2.控制引脚 REST, ,ALE, 3.输入输出引脚 P0,P1,P2,P3
LED显示器的控制方式 静态显示：就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。
动态显示，就是用扫描的方法一位一位轮流点亮显示器的各个位。动态显示，就是用扫描的方法一位一位轮流点亮显示器的各个位。 六位动态显示器接口
键盘接口 键盘工作原理 键闭合断开过程行线电压波形
单片机对非编码键盘的扫描方式 1．程序控制扫描方式 2．定时扫描方式 3．中断扫描方式
基于微型计算机的主机电路 1.内插式 特点：构成简便，结构紧凑、成本低但灵活性差 注意事项：总线形式和电源容量
2.外接式 特点：方便灵活，适用于多通道、高速数据采集
三、控制电路设计 • 1、控制电路的作用与组成 • 信号转换，放大驱动，信号隔离 • 2、信号转换电路
（一）A/D转换器的技术指标 1．分辨率 对DAC来说，分辨率反映了能够分辨出来的输出模拟电压的最小变化量。而对于ADC来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数据码所需输入模拟电压的变化量，反映了ADC此对输入模拟信号最小变化的分辨能力。 转换器的分辨率定义为满刻度电压与2n之间比值，其中n为ADC或DAC的位数。
2．量化误差： 量化误差是由ADC的有限分辨率而引起的误差。在不计其它误差的情况下，一个分辨率有限ADC的阶梯状转移持性曲线与具有无限分辨率的ADC转移特性曲线(直线)之间的最大偏差，称之为量化误差。
3.精度 绝对精度：在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟电压与其理想的电压值之差并非是一个常数，把这个差的最大值定义为绝对精度。对于ADC而言．可以在每一个阶梯的水平中心点进行测量，它包括所有的误差，也包括量化误差。对于DAC而言，绝对精度描述了整个工作区间实际输出电压与理想输出电压之间的最大偏差。 相对精度: 它与绝对精度相似，所不同的是把这个最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数，或者用二进制分数来表示相对应的数字量.它通常本包括能被用户消除的刻度误差。
4.转换时间 5.电源稳定度 （二）A/D转换器接口电路设计(ADC0809为例)
ADC0809引脚及功能 28脚双列直插式封装
1.程序查询法 2.定时采样法 3.中断法 五、数模转换电路 1.位数确定 2.输出接口设计 3.转换器的调整 4.时钟匹配 5.参考电压确定 6.输入接口设计
3、驱动电路 功率开关驱动电路，步进电机驱动电路 • 4、信号隔离电路 • 四、电源设计 • 1.对电源的要求（输入参数、输出参数、稳定度） • 2.常用电源（电池、线性直流稳压电源、开关性直流稳 压电源、集成稳压器）
五、 电路系统的抗干扰技术 一、干扰源 1.来自信号通道的干扰 2.来自电源的干扰 3.来自空间辐射干扰 二、干扰的耦合方式 1.静电耦合 原因：存在寄生电容
2.电磁耦合 原因：两个电路存在互感 3.共阻抗耦合 原因：两个电路的电路流经一个公共阻抗 4.漏电流耦合 原因：绝缘不良 三、干扰的形态 1.差模干扰 Us——差模干扰电压有效值 Uo——误差电压有效值
2.共模干扰 相对于公共的电位基 准点。在系统的接收 电路的两个输入端上 同时出现的干扰。 Uc——共模干扰电压有效值 Ue——误差电压有效值
四、常用抗干扰措施 1.信号通道干扰的抑制措施 在开关量信号通道中 采用光电耦合器件隔离 电路特点 当开关量用于控制大负荷设备时，采用继电器隔离输出
2.模拟量信号通道中干扰的抑制措施 3.电源系统的抗干扰措施 在低通滤波器与交流稳压器之间设置一个电源低通滤波器 4.空间干扰的抑制措施 采用屏蔽的方法：静电屏蔽、电磁屏蔽、磁屏蔽 屏蔽的结构形式 选取屏蔽材料注意事项 5.印刷电路板设计中的抗干扰技术 ①布局合理 ②元器件选用要正确 ③布线科学
五、接地技术 （一）测控仪器的接地系统 三条地线：低电平信号地线、高功率噪声地线、金属件地线，通过一点接地。 （二）测控仪器的浮地系统 仪器的地线系统和大地之间没有欧姆连接，以浮地作为电平基准，即参考电平。 优点：不受大地电流的影响 缺点：安全性差。 （三）测控仪器的接地方式 一点接地和多点接地 注意：所有导线有一定阻抗，两个分开的接地点难以做到等电位。
1.一点接地 串连式一点接地 特点：电路简单， 容易相互干扰。 并联式一点接地 特点：防止低频噪声， 不适何高频场合。 2.多点接地 高频场合 缩短地线长度
3.电路的单地原则 4.电缆屏蔽层的接地 位置不同，其效果也不一样
第三节 测控仪器的软件设计 • 一、软件系统的作用于特点 • 提高使用效率，扩大功能，界面友好，完成特定任务。 • 二、软件设计的原则 • 先进性，可扩展性，灵活性，规范性，系统性。 • 三、软件设计的方法与过程 • 结构化分析，结构化设计，结构化编程。 • 四、常用应用软件 • 开发工具软件，数据库管理软件，数据处理与分析软件， • 工程设计软件，办公自动化软件。
第四节 可靠性与故障诊断技术 一、电路系统的可靠性 1、影响硬件可靠性的因素 （一）元件失效 元件失效规律 结论： 元件的失效形式： （二）设计不当 1.注意元器件的电器性能：能承受的电压、电流、功率 2.考虑环节条件对硬件参数的影响：温度、干扰、空气 3.组装工艺
2、提高硬件可靠性的一般方法 1.注意元器件的电器性能 2.考虑环境条件对硬件参数的影响 3.考虑组装工艺 4.优化结构设计 5.冗余设计 二、软件系统的可靠性 1、软件可靠性的基本概念 2、软件的可靠性设计方法 三、故障诊断技术 故障诊断步骤 有效方法：自检
分析思考题 1. 简单介绍测控仪器电路系统的组成。 2. 简述测控电路抗干扰的常用方法。 3. 用51单片机设计一温控电路。要求：30秒循环检测一次，温度达到设定值就报警 并输出信号移走加热盘。
