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                  《測控系統原理與設計》全書各章習題解答

                  23頁
                1. 賣家[上傳人]:簡****9
                2. 文檔編號:115943054
                3. 上傳時間:2019-11-15
                4. 文檔格式:DOC
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                  • 1、測控系統原理與設計(第3版)習題解答 本習題解答是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材測控系統原理與設計第3版(孫傳友、李濤編著,北京航空航天大學出版社2014年8月出版)全書各章習題的參考答案。第1章 1、為什么說儀器技術是信息的源頭技術?答:信息技術由測量技術、計算機技術、通訊技術三部分組成。測量技術則是關鍵和基礎。儀器是一種信息的工具。如果沒有儀器,就不能獲取生產、科學、環境、社會等領域中全方位的信息,進入信息時代將是不可能的。儀器是信息時代的信息獲取處理傳輸的鏈條中的源頭。因此說,儀器技術是信息的源頭技術。2、為什么現代測控系統一般都要微機化?答:將微型計算機技術引入測控系統中,不僅可以解決傳統測控系統不能解決的問題,而且還能簡化電路、增加或增強功能、提高測控精度和可靠性,顯著增強測控系統的自化化、智能化程度,而且可以縮短系統研制周期、降低成本、易于升級換代等等。3、微機測控系統有哪幾種類型?畫出它們的組成框圖答:測控儀器或系統可分為三大類單純以測試或檢測為目的的“測試(檢測)儀器或系統”,單純以控制為目的的“控制系統”和測控一體的“測控系統”。 微機化檢測系統框圖 微機化控制

                    2、系統框圖 微機化測控系統框圖第2章1、模擬輸入通道有哪幾種類型?各有何特點?答:按照系統中數據采集電路是各路共用一個還是每路各用一個,多路模擬輸入通道可分為集中采集式(簡稱集中式)和分散采集式(簡稱分布式)兩大類型。集中式的特點是多路信號共同使用一個S/H和A/D電路,模擬多路切換器MUX對多路信號分時切換、輪流選通到S/H和A/D進行數據采集。分布式的特點是每一路信號都有一個S/H和A/D,因而也不再需要模擬多路切換器MUX。每一個S/H和A/D只對本路模擬信號進行數字轉換即數據采集,采集的數據按一定順序或隨機地輸入計算機。2、什么情況下需要設置低噪聲前置放大器?為什么?答:由于電路內部有這樣或那樣的噪聲源存在,使得電路在沒有信號輸入時,輸出端仍輸出一定幅度的波動電壓,這就是電路的輸出噪聲。把電路輸出端測得的噪聲有效值折算到該電路的輸入端即除以該電路的增益K,得到的電平值稱為該電路的等效輸入噪聲。如果加在該電路輸入端的信號幅度小到比該電路的等效輸入噪聲還要低,那么這個信號就會被電路的噪聲所“淹沒”。為了不使小信號被電路噪聲所淹沒,就必須在該電路前面加一級放大器“前置放大器”。只要前置

                    3、放大器本身的等效輸入噪聲比其后級電路的等效輸入噪聲低,加入前置放大器后,整個電路的等效輸入噪聲就會降低,因而,輸入信號就不會再被電路噪聲所淹沒。3、圖2-1-14(a)所示采集電路結構只適合于什么情況?為什么?答:圖2-1-14(a) 所示采集電路僅由A/D轉換器和前面的模擬多路切換器MUX構成,只適合于測量恒定的各點基本相同的信號。因為恒定信號不隨時間變化,無須設置S/H, 各點基本相同的信號無需設置PGA。4、DFS-V數字地震儀屬于集中采集式數據采集系統。2ms采樣48道時去混淆濾波器截止頻為125Hz。為提高勘探分辨率欲將采樣周期改為1ms。試問:地震儀的信號道數和去混淆濾波器截止頻率要不要改變?怎樣改變?為什么?答:據題知,代入公式(2138)計算得該地震儀的A/D轉換器的轉換周期為,為提高勘探分辨率欲將采樣周期改為1ms,則信號道數應減小為,否則A/D轉換器就轉換不過來。據題知,代入公式(2117)計算得C=5,將C=5和TS=1ms代入公式(2-1-17)計算得,抗混疊濾波器截止頻率應減小為,將代入公式(2118)計算得,這將使地震儀可記錄的最高地震信號頻率達到250Hz

                    4、,因而,可使地震儀的勘探分辨率提高一倍。如果只是減少采樣周期而不改變抗混疊濾波器截止頻率,將代入公式(2118)計算得,使地震儀可記錄的最高地震信號頻率仍然被限制在125Hz,因而地震儀的勘探分辨率仍然不能提高,這就使減少采樣周期的優越性發揮不出來。5、多路測試系統什么情況下會出現串音干擾?怎樣減少和消除?答:多路測試系統由于模擬開關的斷開電阻Roff不是無窮大和多路模擬開關中存在寄生電容的緣故,每當某一道開關接通時,其它被關斷的各路信號也出現在負載上,對本來是唯一被接通的信號形成干擾,這種干擾稱為道間串音干擾,簡稱串音。為減小串音干擾,應采取如下措施:減小Ri,為此模擬多路切換器MUX前級應采用電壓跟隨器;MUX選用Ron極小、Roff極大的開關管;選用寄生電容小的MUX。據公式(2-1-51),減少MUX輸入端并聯的開關數N,可減小串音。若采用分布式數據采集,則可從根本上消除串音干擾。因N=1代入公式(2-1-51)計算得。6、主放大器與前置放大器有什么區別?設置不設置主放大器、設置哪種主放大器依據是什么?答:測控系統的模擬輸入通道一般包括模擬調理電路和數據采集電路兩部分。前置放大

                    5、器設置在模擬調理電路前端,它是為減小模擬輸入通道的等效輸入噪聲提高系統接收弱信號的能力而設置的,放大的是連續電信號。主放大器設置在數據采集電路的MUX與S/H之間,放大的是經模擬多路切換器采樣或選通的離散信號,它是為了提高數據采集電路的數據轉換精度和數據轉換范圍而設置的。如果被測量的多路模擬信號都是恒定或變化緩慢的信號,而且多路信號的幅度也相差不大,也就是Vij隨i和j變化不大,那就沒有必要在采集電路中設置主放大器,只要使各路信號調理電路中的前置放大器增益滿足(2-1-54)式即可。如果被測量的多路模擬信號都是恒定或變化緩慢的信號,但是各路信號的幅度相差很大,也就是說Vij不隨j變化,但隨i變化很大,那就應在采集電路中設置程控增益放大器作為主放大器。程控增益放大器的特點是每當多路開關MUX在對第i道信號采樣時,放大器就采用預先按(2-1-54)式選定的第i道的增益Ki進行放大。如果被測量的多路模擬信號是隨時間變化的信號,而且各路信號的幅度也不一樣。也就是說,Vij既隨i變化,也隨j變化,那就應在采集電路中設置瞬時浮點放大器作為主放大器。7、模擬輸出通道有哪幾種基本結構?各有何特點?答:

                    6、微機化測控系統的模擬信號輸出通路的基本結構按信號輸出路數來分,有單通道輸出和多通道輸出兩大類,多通道的輸出結構主要有以下三種:一、數據分配分時轉換結構。它的特點是每個通道配置一套輸入寄存器和D/A轉換器,經微型計算機處理后的數據通過數據總線分時地選通至各通道輸入寄存器,當數據Dij選通至第i路輸入寄存器的同時,第i路D/A即實現數字Dij到模擬信號幅值的轉換。二、數據分配同步轉換結構。它的特點是在各路數據寄存器R1與D/A轉換器之間增設了一個緩沖寄存器R2。數據總線分時選通主機的輸出數據先后被各路數據寄存器R1接收,然后在同一命令控制下將數據由R1傳送到R2,并同時進行D/A轉換輸出模擬量。三、模擬分配分時轉換結構。這種結構的特點是各通道共用一個D/A轉換器和一個數據輸入寄存器。微型計算機處理后的數據通過數據總線依通道順序分時傳送至輸入寄存器并進行D/A轉換,產生相應通道的模擬輸出值。以上三種結構可歸納為兩種分配方案。前兩種數據分配結構實質上也就是圖2-2-2(a)所示的“數字保持”方案;模擬分配結構實質上也就是圖2-2-2(b)所示的“模擬保持”方案。8、為什么模擬輸出通道中要有零階

                    7、保持?怎樣用電路實現?答:我們知道,模擬信號數字化得到的數據是模擬信號在各個采樣時刻瞬時幅值的A/D轉換結果。很顯然把這些A/D轉換結果再經過D/A轉換,也只能得到模擬信號波形上的一個個斷續的采樣點,而不能得到在時間上連續存在的波形。為了得到在時間上連續存在的波形就要想辦法填補相鄰采樣點之間的空白。理論上講,可以有兩種簡單的填補采樣點之間空白的辦法:一是把相鄰采樣點之間用直線連接起來,這種方式稱為“一階保持”方式;另一種方式是把每個采樣點的幅值保持到下一個采樣點,這種方式稱“零階保持”?!傲汶A保持”方式很容易用電路來實現,“一階保持”則很難用電路來實現。因此模擬輸出通道中采用零階保持器。零階保持器的實現有兩種方式:一種是數字保持方式,即在D/A之前加設一個寄存器,讓每個采樣點的數據在該寄存器中一直寄存到本路信號下個采樣點數據到來時為止,這樣D/A轉換器輸出波形就不是離散的脈沖電壓而是連續的臺階電壓。另一種是模擬保持方式,即在公用的D/A之后每路加一個采樣保持器,保持器將D/A轉換器輸出子樣電壓保持到本路信號下個子樣電壓產生時為止。9、在控制系統中被控設備的驅動有哪兩種方式?有何異同?答

                    8、:在控制系統中,對被控設備的驅動常采用模擬量輸出驅動和數字量(開關量)輸出驅動兩種方式,其中模擬量輸出是指其輸出信號(電壓、電流)可變,根據控制算法,使設備在零到滿負荷之間運行,在一定的時間T內輸出所需的能量P;開關量輸出則是利用控制設備處于“開”或“關”狀態的時間來達到運行控制目的。如根據控制算法,同樣要在T時間內輸出能量P,則可控制設備滿負荷工作時間t,即采用脈寬調制的方法,同樣可達到要求。10、在信號以電壓形式傳輸的模擬電路中,前后兩級電路之間,什么情況下需插接電壓跟隨器?什么情況下不需要?為什么?答:在要求信號以電壓形式傳輸(即要求前級饋送給后級的電壓最大)的模擬電路中,當前級電路的輸出阻抗不是遠小于后級電路的輸入阻抗時,兩者之間需插接電壓跟隨器。因為電壓跟隨器的輸入阻抗極高而輸出阻抗極低,它插在兩者之間,既給前級提供極高的輸入阻抗,又給后級提高極低的輸出阻抗,這樣就能使前級饋送給后級的電壓最大。如果前級電路的輸出阻抗極低,或者后級的輸入阻抗極高,也就是說,已經滿足電壓傳輸最大的條件,兩者之間就無需再插接電壓跟隨器。11、試述開關量輸入輸出通道的基本組成。答:開關量輸入通道主要

                    9、由輸入緩沖器、輸入調理電路、輸入地址譯碼電路等組成,如圖2-3-1所示。開關量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅動電路、輸出口地址譯碼電路等組成,如圖2-3-4所示。 圖2-3-1 圖2-3-412、單元電路連接時要考慮哪些問題?答:組成測控系統的各單元電路選定以后,就要把它們相互連接起來,為了保證各單元電路連接起來后仍能正常工作,并彼此配合地實現預期的功能,就必須認真仔細地考慮各單元電路之間的級聯問題,如:電氣特性的相互匹配、信號耦合方式、時序配合等。第3章1、為什么常見的中小型微機化測控系統大多采用單片機?答:單片機是指將計算機的基本部件集成在一塊芯片上而構成的微型計算機,單片機的優點是可靠性高、控制功能強、易擴展、體積小。用單片機開發各類微機化產品,周期短、成本低,在計算機和儀器儀表一體化設計中有著一般微機無法比擬的優勢。正因為如此,目前常見的微機化測控系統、特別是中型測控系統和便攜式測控儀器大多采用單片機。2、指出圖3-1-6中存貯器和I/O接口尋址范圍。答:P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0尋址范圍27640000000H1FFFH6116-1108000H87FFH6116-2118800H8FFFH8155RAM000000H00FFH81

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