课程设计指导书 测控技术课程设计 指导书 北京邮电大学自动化学院 2007年8月
课程设计指导书 1 测控技术课程设计 指 导 书 北京邮电大学自动化学院 2007 年 8 月
课程设计指导书 测控技术课程设计指导书 [课程设计的目的] 测控系统的设计涉及许多技术,其应用领域众多,在现代国防、现代工业、科研教育、机械医疗等领域 里有着广泛的应用。另一方面,它的理论性与实践性都很强,需要努力做到理论与实践相结合,为此我们安 排此课程设计,加深同学们对测试技术理论的理解,加强冋学们对实践操作能力的培养。重点是了解测控系 统设计的一般流程,掌握设计测控系统的一般方法,树立计算机测控系统的整体概念 [课程设计的任务] 在生产过程和科学研究中所接触到的被测量大多数是非电物理量,例如位移,力,转速,扭矩,温度 振动,流量,风速,等等。非电量种类繁多,特性千差万别,很多又是不便于直接测量的模拟信号。为了测 量与处理方便,需要把非电量转换为电量,这一步通常是通过各式传感器来转换,常称为一次转换;为适应 计算机的统计分析处理,又需要把模拟量转化为数字量,这一步是通过A/D转换来实现的,常称为二次转换。 这两方面是测试系统的两个重要环节(在测控领域里,有时还需要把处理好的数字量再转换成模拟量反馈回 来控制工作进程,常称为三次转换)。它们的关系如下: 一次转换 二次转换 非电量 电量(模拟量) 电量(数字量) 本次课程设计是设计一套完整的微机实时测控系统,具体内容包括: 1、了解测控系统设计相关知识和具体指标要求。 2、多功能A/①D采集板的编程使用和信号采集 3、信号的显示与处理 4、控制信号的输出。(选项) 5、测控系统软件设计与联调。 测控系统软件设计要经过老师的验收,测控系统要演示正确,功能完善,并且正确回答有关硬件和编程 的问题后才能通过 课程设计结束后同学们需交设计报告,其中包括: 1、计算机检测系统设计,主要和关键部分的程序如:A/D板采集数据的源程序,源程序中注释不少于 30%,源程序设计的流程图 2、正弦信号、矩形信号、三角波信号的采集数据和波形图、FFT频谱图的屏幕截图 系统主要界面的屏幕截图 4、系统设计时遇到的问题和心得体会 5、填写北京邮电大学课程设计报告表格。 6、相关程序打包存入指定计算机的目录下。文件名称班号序号和姓名
课程设计指导书 2 测控技术课程设计指导书 [课程设计的目的] 测控系统的设计涉及许多技术，其应用领域众多，在现代国防、现代工业、科研教育、机械医疗等领域 里有着广泛的应用。另一方面，它的理论性与实践性都很强，需要努力做到理论与实践相结合，为此我们安 排此课程设计，加深同学们对测试技术理论的理解，加强同学们对实践操作能力的培养。重点是了解测控系 统设计的一般流程，掌握设计测控系统的一般方法,树立计算机测控系统的整体概念。 [课程设计的任务] 在生产过程和科学研究中所接触到的被测量大多数是非电物理量，例如位移，力，转速，扭矩，温度， 振动，流量，风速，等等。非电量种类繁多，特性千差万别，很多又是不便于直接测量的模拟信号。为了测 量与处理方便,需要把非电量转换为电量，这一步通常是通过各式传感器来转换，常称为一次转换；为适应 计算机的统计分析处理，又需要把模拟量转化为数字量,这一步是通过 A/D 转换来实现的，常称为二次转换。 这两方面是测试系统的两个重要环节（在测控领域里，有时还需要把处理好的数字量再转换成模拟量反馈回 来控制工作进程，常称为三次转换）。它们的关系如下： 本次课程设计是设计一套完整的微机实时测控系统，具体内容包括： 1、了解测控系统设计相关知识和具体指标要求。 2、多功能 A/D 采集板的编程使用和信号采集。 3、信号的显示与处理。 4、控制信号的输出。（选项） 5、测控系统软件设计与联调。 测控系统软件设计要经过老师的验收，测控系统要演示正确，功能完善，并且正确回答有关硬件和编程 的问题后才能通过。 课程设计结束后同学们需交设计报告，其中包括： 1、计算机检测系统设计，主要和关键部分的程序如：A/D 板采集数据的源程序,源程序中注释不少于 30%，源程序设计的流程图。 2、正弦信号、矩形信号、三角波信号的采集数据和波形图、FFT 频谱图的屏幕截图。 3、系统主要界面的屏幕截图。 4、系统设计时遇到的问题和心得体会。 5、填写北京邮电大学课程设计报告表格。 6、相关程序打包存入指定计算机的目录下。文件名称班号序号和姓名。 非电量 电量(模拟量) 电量(数字量) 一次转换 二次转换
课程设计指导书 [先修课程] 《测试技术与测试信号处理》,《C语言程序设计》,《微机原理与接口技术》 《模拟电子技术》,《数字电子技术》 模/数与数/模转换的原理] 常用DA转换器有: 权电阻网络DA转换器 T型电阻网络DA转换器 开关树型DA转换器 权电流型DA转换器等等 常用AD转换器有 逐次逼近型A/D转换器 双积分型AD转换器 瞬现型AD转换器等等。 本实验所用的AD转换器为BB公司生产的ADS7818,是12位逐次逼近型。具体的工作原理请参看书 《数字电子技术基础》的“数-模和模-数转换”这一章(第四版)阎石主编。 采样定理 信号的采样 在微机的测控系统中,一台微机往往对工业现场的多个测点进行测试,这些测试不是同时进行的,而是 按照分时的方式逐个对多路测点进行测试。因此,需要把时间上连续的模拟信号,转变为时间上离散的信号 这一过程称之为信号的采样 如图1-2a所示,连续的模拟输入信号e(t)按一定的时间间隔T逐点地采集瞬时值,并保持一个时间τ 从而变成时间上的离散,幅值等于采样时刻的输入信号瞬时值的方波序列信号,简称采样信号e'(t)。两次 采样之间的时间间隔T称为采样周期,保持时间τ称为采样时间。从理论上讲不需要保持操作,但由于AD 变换需要时间,为了减少在变换过程中信号变化带来的影响,采样后的信号在τ中将保持幅值不变,直到完 成变换。相应的电路就称为采样保持电路,一般的,可取理想化的情况,即认为τ<<T,可忽略不记τ值,将 离散后的信号e(t)看成是理想脉冲序列。 e(t) e(t) T2T 3t t e(t) e(t) T2T (a) (b)
课程设计指导书 3 [先修课程] 《测试技术与测试信号处理》，《C 语言程序设计》，《微机原理与接口技术》 《模拟电子技术》，《数字电子技术》 [模／数与数／模转换 的原理] 常用 D/A 转换器有： 权电阻网络 D/A 转换器 T 型电阻网络 D/A 转换器 开关树型 D/A 转换器 权电流型 D/A 转换器 等等. 常用 A/D 转换器有： 逐次逼近型 A/D 转换器 双积分型 A/D 转换器 瞬现型 A/D 转换器 等等。 本实验所用的 A/D 转换器为 BB 公司生产的 ADS7818，是 12 位逐次逼近型。具体的工作原理请参看书 《数字电子技术基础》的“数-模和模-数转换”这一章 ((第四版) 阎石主编。 [采样定理] 一、信号的采样 在微机的测控系统中，一台微机往往对工业现场的多个测点进行测试，这些测试不是同时进行的，而是 按照分时的方式逐个对多路测点进行测试。因此，需要把时间上连续的模拟信号，转变为时间上离散的信号。 这一过程称之为信号的采样。 如图 1-2a 所示，连续的模拟输入信号 e(t)按一定的时间间隔 T 逐点地采集瞬时值，并保持一个时间τ, 从而变成时间上的离散，幅值等于采样时刻的输入信号瞬时值的方波序列信号，简称采样信号 e * (t)。两次 采样之间的时间间隔 T 称为采样周期，保持时间τ称为采样时间。从理论上讲不需要保持操作，但由于 A/D 变换需要时间，为了减少在变换过程中信号变化带来的影响，采样后的信号在τ中将保持幅值不变，直到完 成变换。相应的电路就称为采样保持电路，一般的，可取理想化的情况，即认为τ<<T,可忽略不记τ值，将 离散后的信号 e * (t)看成是理想脉冲序列。 τ 0 0 T 2T 3T t T 2T 3T e (t) e * (t) (a) T 2T e * (t) (b) t t T 2T t e (t)
图1-2正弦信号的采样 二、采样定理 采样信号只给出了采样时刻的数值e(0),e(T),e(2T)…-.。对连续信号来说,它在任何时刻的数值都 是已知的,但在采样后,除了能掌握e(T)在采样时刻的数值e(kT)以外,在各采样间隔内的信号就丢失了 如图1-點b所示。采样周期T越大,信号变化越快,则信息丢失越严重。采样频率应如何选择才能保证无失 真地恢复原信号呢?采样定理给出了选择采样频率的原则 采样定理指出:一个带宽有限(例如从0到f)的信号e(T,可用相隔时间为T≤1/2f的若干个采 样值来代表。反之,若想得到原来的信号e(T),只要将该信号的各采样值通过一个截止频率为f的理想低 通滤波器。即无失真频率应满足f≥2f。 采样定理虽然给出了选择采样周期的理论依据,但并未指出解决实际问题的条件与算公式。在实际中 常以经验的方法确定采样周期。显然,采样周期T越小,越接近连续系统,控制精度越高,但这时将加重计 算机的负担,从而使可控制的回路数目减少。另外,采样周期也不能小于执行程序所需要的时间。所以合理 选择采样周期非常重要。 在检测系统中,正弦波、矩形波、三角波的采样周期根据它们的频率决定,例如可定为100微秒。 三、采样保持电路 在微机测控系统中,由于微机是分时工作的,即在每一时刻只能有一个参数被采样,而且在采样完成后 微机还要花大量时间进行数据处理及控制计算,因此,在整个微机测试系统中,每个参数大部分时间都是在 脱机”的情况下工作的,特别是当被测参数比较多时更是如此。另一方面,由于AD转换器的转换过程需 要一定的时间,因而,在AD转换器的转换过程中必须保持参数值不变,否则将影响转换精度。尤其是当参 数的变化速度比较快时,更是如此。能够完成上述功能的电路叫采样保持( Sample/Hold)电路。最简单的 采样保持电路是由电容及开关组成的。此电容一般选用泄露量比较低的电容(如聚乙烯或聚四氟乙烯电容)。 为了提高采样保持器的精度,目前使用的采样保持电路一般均采用具有高输入阻抗的场效应管作为输入运算 放大器。典型的电路如图1-3所示。 图中采样保持电路由输入输出缓冲运算放大器A、A2及逻辑输入控制的开关电路组成。在采样期间, 开关S是闭合的。输入信号U经高增益的放大器A1输出,向电容C充电。在保持期间,开关S断开,由于 A运算放大器输入阻抗很高,所以,在理想情况下,电容C上的电压将保持充电时的最终值。 |4 本次课程设计的测控系统所用的AD转换器ADS7818中已内置采样保持器
课程设计指导书 4 图 1-2 正弦信号的采样 a—ωs<2ωmax; b—ωs>>2ωmax 二、采样定理 采样信号只给出了采样时刻的数值 e(0),e(T),e(2T) …… 。对连续信号来说，它在任何时刻的数值都 是已知的，但在采样后，除了能掌握 e(T)在采样时刻的数值 e(kT)以外，在各采样间隔内的信号就丢失了， 如图 1-2b 所示 。采样周期 T 越大，信号变化越快，则信息丢失越严重。采样频率应如何选择才能保证无失 真地恢复原信号呢？采样定理给出了选择采样频率的原则。 采样定理指出：一个带宽有限（例如从 0 到 fm）的信号 e(T)，可用相隔时间为 T≤1/2 fm 的若干个采 样值来代表。反之，若想得到原来的信号 e(T)，只要将该信号的各采样值通过一个截止频率为 fm 的理想低 通滤波器。即无失真频率应满足 fs≥2 fm 。 采样定理虽然给出了选择采样周期的理论依据，但并未指出解决实际问题的条件与算公式。在实际中 常以经验的方法确定采样周期。显然，采样周期 T 越小，越接近连续系统，控制精度越高，但这时将加重计 算机的负担，从而使可控制的回路数目减少。另外，采样周期也不能小于执行程序所需要的时间。所以合理 选择采样周期非常重要。 在检测系统中，正弦波、矩形波、三角波的采样周期根据它们的频率决定，例如可定为 100 微秒。 三、采样保持电路 在微机测控系统中，由于微机是分时工作的，即在每一时刻只能有一个参数被采样，而且在采样完成后， 微机还要花大量时间进行数据处理及控制计算，因此，在整个微机测试系统中，每个参数大部分时间都是在 “脱机”的情况下工作的，特别是当被测参数比较多时更是如此。另一方面，由于 A/D 转换器的转换过程需 要一定的时间，因而，在 A/D 转换器的转换过程中必须保持参数值不变，否则将影响转换精度。尤其是当参 数的变化速度比较快时，更是如此。能够完成上述功能的电路叫采样保持（Sample/Hold）电路。最简单的 采样保持电路是由电容及开关组成的。此电容一般选用泄露量比较低的电容（如聚乙烯或聚四氟乙烯电容）。 为了提高采样保持器的精度，目前使用的采样保持电路一般均采用具有高输入阻抗的场效应管作为输入运算 放大器 。典型的电路如图 1-3 所示。 图中采样保持电路由输入输出缓冲运算放大器 A1 、A2 及逻辑输入控制的开关电路组成。在采样期间， 开关 S 是闭合的。输入信号 UI 经高增益的放大器 A1 输出，向电容 C 充电。在保持期间，开关 S 断开，由于 A2 运算放大器输入阻抗很高，所以，在理想情况下，电容 C 上的电压将保持充电时的最终值。 本次课程设计的测控系统所用的 A/D 转换器 ADS7818 中已内置采样保持器。 ▷∞ — A1 + ┼ ▷∞ — A2 + ┼ C S Ui U0 图 1-3 典型的采样保持电路
课程设计指导书 [典型的数据采集/控制系统 传感器 信号 数字信 绘图仪 处理 多 号输入 传感器 路切换 S/H A/D 控小计算机 显示 2 处理 终端 模拟信 打印机 传感器 信号 号输出 D/A 处理 图1-4典型数据釆集/控制系统 图中被测信号由传感器转化成相应的电信号(最终是电压),这是任何非电检测必不可少的环节。不同 信号其传感器是不同的。例如,若第1路被测信号是温度,其传感器可以是热敏电阻、热电耦等。第2路是 力,传感器可以是各种应变片,等等 传感器输出的信号不能直接送到输出设备进行显示或记录,需要进一步处理。信号的处理由两部分完成, 即模拟信号处理和数字信号处理。后者由计算机承担。计算机以前的全部信号处理都是模拟信号处理。其中 A/D(模/数)转换是关键环节,它的作用是将模拟量转换为数字量以适应计算机工作。 模拟信号处理与调节的内容是相当丰富的。信号调节的主要作用是使传感器输出信号与AD转换器相匹 配,例如AD转换的输入电平是0一5V,而传感器的输出电平仅几毫伏(mV),这时必须采取放大措施以减 小量化误差,放大器输出电平愈接近AD输入的满标,相对误差也就越小,这时的信号调节器就是放大器。 当然,若传感器输出电平过大,则信号调节器应是衰减器。如果传感器输出信号过程中或在传输过程中,混 入了虚假部分,就需要进行滤波、压缩频带,用以降低采样率。另外,阻抗变换、屏蔽接地、调制与解调 信号线性化等等,皆属处理范围。一般说来,对弱信号测试,放大与滤波是最重要的环节。并非每个系统都 得包含上述全部内容,对不同的测试任务,系统应包含哪些环节是有所选择的。注意到被测信号有n个,相 应的n个通道共享一个A/转换器,这样做的目的是为了降低成本、减小体积。为了是各路信号互不混迭 系统中比须采用模拟多路切换开关。切换开关相当于一个单刀多掷开关(这里为n掷)开关,它的作用是把 各路信号按预定时序分时地与保持电路接通。保持电路的引入是因为AD转换需要一定时间,在转换期间模 拟信号应保持不变 带计算机的测控系统的性能是很高的。计算机在系统究竟起何作用,有何优点呢? (1)使测控自动化 由于计算机有信号存贮、判断和处理能力,所以能控制开关通断、量程自动切换、系统自动校准、自 动诊断故障、结果自动输出,等等。总之,计算机是测试系统的神经中枢,它使整个系统成为一个有机的整
课程设计指导书 5 [典型的数据采集/控制系统] 图 1-4 典型数据采集/控制系统 图中被测信号由传感器转化成相应的电信号（最终是电压），这是任何非电检测必不可少的环节。不同 信号其传感器是不同的。例如，若第１路被测信号是温度，其传感器可以是热敏电阻、热电耦等。第２路是 力，传感器可以是各种应变片，等等。 传感器输出的信号不能直接送到输出设备进行显示或记录，需要进一步处理。信号的处理由两部分完成， 即模拟信号处理和数字信号处理。后者由计算机承担。计算机以前的全部信号处理都是模拟信号处理。其中 A/D（模／数）转换是关键环节，它的作用是将模拟量转换为数字量以适应计算机工作。 模拟信号处理与调节的内容是相当丰富的。信号调节的主要作用是使传感器输出信号与 A/D 转换器相匹 配，例如 A/D 转换的输入电平是０－５V，而传感器的输出电平仅几毫伏（mV）,这时必须采取放大措施以减 小量化误差，放大器输出电平愈接近 A/D 输入的满标，相对误差也就越小，这时的信号调节器就是放大器。 当然，若传感器输出电平过大，则信号调节器应是衰减器。如果传感器输出信号过程中或在传输过程中，混 入了虚假部分，就需要进行滤波、压缩频带，用以降低采样率。另外，阻抗变换、屏蔽接地、调制与解调、 信号线性化等等，皆属处理范围。一般说来，对弱信号测试，放大与滤波是最重要的环节。并非每个系统都 得包含上述全部内容，对不同的测试任务，系统应包含哪些环节是有所选择的。注意到被测信号有 n 个，相 应的 n 个通道共享一个 A/D 转换器，这样做的目的是为了降低成本、减小体积。为了是各路信号互不混迭， 系统中比须采用模拟多路切换开关。切换开关相当于一个单刀多掷开关（这里为 n 掷）开关，它的作用是把 各路信号按预定时序分时地与保持电路接通。保持电路的引入是因为 A/D 转换需要一定时间，在转换期间模 拟信号应保持不变。 带计算机的测控系统的性能是很高的。计算机在系统究竟起何作用，有何优点呢？ （1）使测控自动化 由于计算机有信号存贮、判断和处理能力，所以能控制开关通断、量程自动切换、系统自动校准、自 动诊断故障、结果自动输出，等等。总之，计算机是测试系统的神经中枢，它使整个系统成为一个有机的整 传感器 1 传感器 2 传感器 n 信号 处理 信号 处理 信号 处理 多 路 切 换 开 关 S / H 测 控 接 口 计算机 绘图仪 显 示 终 端 打印机 A / D D / A 数字信 号输入 模拟信 号输出