第五章 测控仪器的电路系统设汁第一节 电路系统的组成、要求和设计准则一、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二、对测控电路的一般要求
1.抗干扰能力
2.稳定性
3.频率特性和响应速度
4.量程和分辨率
5.输入与输出阻抗三、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
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）可靠性准则两条途径：元器件本身可靠性，系统结构设计可靠性第二节 电路系统的精度
1.信噪比
2.量化误差减小量化误差方法
3.非线性误差非线性误差对仪器产生的影响
4.温度漂移减小温漂措施：
5.频率特性与响应速度第三节 中央处理系统的设计一、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
EA_____ PSEN____________
MCS-51单片机内部总体结构程序存储器 EPROM的扩展方法扩展一片 EPROM
扩展两片 EPROM
LED显示器结构
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。
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
MCS－ 51单片机与键盘 /显示器接口打印机接口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
3.组合式模数转化电路
（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
ADC0809与 MCS51接口
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
DAC0832与 8031接口六路振动设备状态监测与故障预警仪系统的主要技术指标及功能
(1)仪器处理精度：误差 <0.01％
(2)频率分辨率,20Hz
(3)频率范围,0.1— 5kHz
(4)温度范围,0— 50C
(5)动态工作范围,0.01— 80g
(6)预、报警限可自动生成
(7)有良好的人机界面并可有选择地输出某路信息
(8)系统与现场实现完全隔离，具有掉电保护功能。
方案论证
(1)通过对大量数据的频谱分析及频率点比较，给正“正常”、
“预警”、“报警”指示；应用 FFT算法以提高数据处理的速度。
(2)采用 6路信号的巡回检测。
(3)选用测试振动信号的典型器件 —— 压电加速度传感器，
完 成对弱振动信号的拾取，并用电荷放大器将振动信号转换为－ 10— ＋ 10v的电压信号，以备单片机采集。
(4)采用软硬件抗干扰技术，以保证整个系统的可靠运行。
(5)采用软面板技术，使人机界面友好，便于操作。
(6)系统软硬件采用模块化设计思想，以提高系统的可维护性。
系统结构图硬件设计
单片机最小系统采用 8031芯片，并根据程序量和数据量的大小分别扩展 32kB的程序存储器 EPROM27256
和 32KB的数据存储器 62256。由于系统的复杂性,9扩展的芯片较多、考虑列 8031的 P0口最多可负载 8个 TTL
电路,P2口可负载 4个 TTL电路，所以 8031的总线负载过重．因而在 Po口扩展双向数据总线驱动器 74LS245。
J4— 2所示。
另外，系统采用了 12MHz晶振作为时钟电路，以满足数据采集及处理周期的时间要求，并应用电平式开关复位电路。
数据采集接口电路设计本系统采用 CD4051芯片作多路模拟开关和 AD1674作模数转换器来进行数据采集。
键盘、显示接口电路设计键盘、显示器是单片机应用系统的重要组成部分，本系统中基线值的设定、路数的显示以及对相应路数据的打印都要通过键盘、显示器来实现，设计中利用专用键盘、显示器接用接口芯片 8279实现键盘、显示器与 8031接口电路。
选样 6位 8段数码管 LED和 3× 4键盘。
打印输出接口电路设计报警接口电路设计软件设计
(1)开机自检流程
( 2)系统设定软件流程
(3)数据采集存储流程
(4)数据处理流程
(5)显示打印流程可靠性设计本系统采用了抗干扰的可靠性设计,设置电源电压监视器和看门狗,Watch Dog电路；掉电保护电路与外部 RAM相连，当电源掉电时，可防止数据丢失； Watch
Dog使系统在外界干扰下保证正常复位，
避免程序跑飞。
第四节 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
0
lg20 UUS M R s?
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。
e
c
U
UC M R lg20?
四、不同干扰的抑制措施
（一）信号通道干扰的抑制措施
1.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
（二）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
（三）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，其效果也不一样六、其他抗干扰措施
1.平衡技术
2.隔离技术
3.取耦与滤波技术
4.电路的合理布置第五节 电路系统的可靠性与故障诊断一、电路系统的可靠性
（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.组装工艺二、提高硬件可靠性的一般方法
1.电路设计
2.元器件选择
3.抗干扰措施
4.结构设计
5.冗余设计三、故障诊断技术故障诊断步骤有效方法：自检
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二、对测控电路的一般要求
1.抗干扰能力
2.稳定性
3.频率特性和响应速度
4.量程和分辨率
5.输入与输出阻抗三、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
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）可靠性准则两条途径：元器件本身可靠性，系统结构设计可靠性第二节 电路系统的精度
1.信噪比
2.量化误差减小量化误差方法
3.非线性误差非线性误差对仪器产生的影响
4.温度漂移减小温漂措施：
5.频率特性与响应速度第三节 中央处理系统的设计一、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
EA_____ PSEN____________
MCS-51单片机内部总体结构程序存储器 EPROM的扩展方法扩展一片 EPROM
扩展两片 EPROM
LED显示器结构
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。
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
MCS－ 51单片机与键盘 /显示器接口打印机接口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
3.组合式模数转化电路
（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
ADC0809与 MCS51接口
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
DAC0832与 8031接口六路振动设备状态监测与故障预警仪系统的主要技术指标及功能
(1)仪器处理精度：误差 <0.01％
(2)频率分辨率,20Hz
(3)频率范围,0.1— 5kHz
(4)温度范围,0— 50C
(5)动态工作范围,0.01— 80g
(6)预、报警限可自动生成
(7)有良好的人机界面并可有选择地输出某路信息
(8)系统与现场实现完全隔离，具有掉电保护功能。
方案论证
(1)通过对大量数据的频谱分析及频率点比较，给正“正常”、
“预警”、“报警”指示；应用 FFT算法以提高数据处理的速度。
(2)采用 6路信号的巡回检测。
(3)选用测试振动信号的典型器件 —— 压电加速度传感器，
完 成对弱振动信号的拾取，并用电荷放大器将振动信号转换为－ 10— ＋ 10v的电压信号，以备单片机采集。
(4)采用软硬件抗干扰技术，以保证整个系统的可靠运行。
(5)采用软面板技术，使人机界面友好，便于操作。
(6)系统软硬件采用模块化设计思想，以提高系统的可维护性。
系统结构图硬件设计
单片机最小系统采用 8031芯片，并根据程序量和数据量的大小分别扩展 32kB的程序存储器 EPROM27256
和 32KB的数据存储器 62256。由于系统的复杂性,9扩展的芯片较多、考虑列 8031的 P0口最多可负载 8个 TTL
电路,P2口可负载 4个 TTL电路，所以 8031的总线负载过重．因而在 Po口扩展双向数据总线驱动器 74LS245。
J4— 2所示。
另外，系统采用了 12MHz晶振作为时钟电路，以满足数据采集及处理周期的时间要求，并应用电平式开关复位电路。
数据采集接口电路设计本系统采用 CD4051芯片作多路模拟开关和 AD1674作模数转换器来进行数据采集。
键盘、显示接口电路设计键盘、显示器是单片机应用系统的重要组成部分，本系统中基线值的设定、路数的显示以及对相应路数据的打印都要通过键盘、显示器来实现，设计中利用专用键盘、显示器接用接口芯片 8279实现键盘、显示器与 8031接口电路。
选样 6位 8段数码管 LED和 3× 4键盘。
打印输出接口电路设计报警接口电路设计软件设计
(1)开机自检流程
( 2)系统设定软件流程
(3)数据采集存储流程
(4)数据处理流程
(5)显示打印流程可靠性设计本系统采用了抗干扰的可靠性设计,设置电源电压监视器和看门狗,Watch Dog电路；掉电保护电路与外部 RAM相连，当电源掉电时，可防止数据丢失； Watch
Dog使系统在外界干扰下保证正常复位，
避免程序跑飞。
第四节 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
0
lg20 UUS M R s?
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。
e
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UC M R lg20?
四、不同干扰的抑制措施
（一）信号通道干扰的抑制措施
1.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
（二）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
（三）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，其效果也不一样六、其他抗干扰措施
1.平衡技术
2.隔离技术
3.取耦与滤波技术
4.电路的合理布置第五节 电路系统的可靠性与故障诊断一、电路系统的可靠性
（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.组装工艺二、提高硬件可靠性的一般方法
1.电路设计
2.元器件选择
3.抗干扰措施
4.结构设计
5.冗余设计三、故障诊断技术故障诊断步骤有效方法：自检
