《测控仪器设计》(第5章)《测控仪器设计(第3版)》.pptx

第五章 电路与软件系统设计 第五章 电路与软件系统设计第一节 电路与软件系统概述第二节 测控仪器的电路设计第三节 测控仪器的软件设计第四节 可靠性与故障诊断技术 第一节 电路与软件系统概述一、电路与软件系统的作用传感器电路与软件执行器对传感器的输出信号进行采集和预处理数据进行相应的运算、显示、存储输出信号并使得执行机器执行相应的动作承上启下至关重要 第一节 电路与软件系统概述二、电路与软件系统的组成测量电路：输入通道，对信号进行调理、转换及简单运算；控制电路：输出通道，对被控参数实行控制；中央处理系统：同时连结测量电路和控制电路，“心脏”；电源：提供能量、电平基准（地）、参考电平等；软件：与硬件配合才能正常工作，否则系统将成为“裸机”。 第一节 电路与软件系统概述三、电路与软件系统的设计要求噪声比：有用信号强度与噪音信号强度之间的比率； 是衡量系统抗干扰能力的技术指标。分辨力：能够识别的信号的最小变化量（不是最小量）； 电路与软件的分辨力应该高于传感器的分辨力。非线性：输入输出关系偏离理想直线的程度； 电路与软件的非线性应该优于传感器的非线性。量化误差：数字电路的一个最小数字所对应的被测量值； 模拟传感器输出的模拟信号转化误差。稳定性：分为时间稳定性（时漂）和温度稳定性（温漂）； 受电路元器件特性、环境参数等因素的影响。1、精度要求： 第一节 电路与软件系统概述三、电路与软件系统的设计要求频率特性：输出信号随输入信号的频率变化而变化的特性； 幅频特性 - 幅值随频率变化的特性； 相频特性 - 相位随频率变化的特性；阶跃特性：输入信号为阶跃信号或脉冲信号； 时间常数 – 衡量输出信号的相应速度快慢； 衰减率 - 衡量输出信号趋稳的能力与速度；2、速度要求： 第一节 电路与软件系统概述三、电路与软件系统的设计要求在工艺上提高电路系统元器件本身的可靠性;是在系统结构设计方面提高系统的可靠性和合理性;在电路和软件中增加适当措施。3、可靠性要求：硬件选材应合理设计，考虑初期投入和日后维护费用；软件系统尽可能自主开发，便于长期维护和升级。4、经济性要求：优先选用高集成度芯片或SoC。5、体积要求： 第一节 电路与软件系统概述4、电路与软件系统的设计准则优先采用标准总线进行系统构架设计;优先采用标准接口进行信号传输;1、标准化准则：功能模块化 – 测量、处理、控制…；硬件模块化 – 便于维护、升级；软件模块化 – 便于移至、升级。2、模块化准则：对环境产生的电磁骚扰(Electromagnetic Disturbance)；对电磁骚扰电磁敏感性(Electromagnetic Susceptibility)。3、电磁兼容准则： 第二节 测控仪器的电路设计一、测量电路的设计信号调理：放大、检波、滤波、阻抗匹配、隔离、调制…； 以期改善信号质量、达到测量精度要求； 主要取决于传感器。信号转换：阻抗/电压、电压/电流、电压/频率、模拟/数字…； 以便满足后续电路处理和计算机系统的要求； 主要取决于传感器的输出以及后续环节的特性。简单运算：加减（差动）、微积分、特征值运算…， 以便直接获得某些测量结果; 对于后续环节不采用计算机的情形尤为重要。1、测量电路的作用 第二节 测控仪器的电路设计一、测量电路的设计2、测量电路的组成测量电路传 感 器放 大 器 解 调 器滤 波 器运算电路模数转换中央处理系统振荡器电 源图5-2 传感器输出模拟信号的测量电路组成 检 波 器 第二节 测控仪器的电路设计一、测量电路的设计2、测量电路的组成电阻应变片测量电桥 放 大 器图5-3 电阻应变式传感器测量电路组成电阻应变片测量电桥 放 大 器滤 波 器振荡器 相敏检波直流供电桥(b) 交流电桥 第二节 测控仪器的电路设计一、测量电路的设计2、测量电路的组成传 感 器放 大 器 整形电路辨向电路细分电路计 数 器中央处理系统电 源锁 存 器图5-4 传感器输出数字信号的测量电路检测电路电平转换 第二节 测控仪器的电路设计一、测量电路的设计2、测量电路的组成增量编码器信号调理细分电路辨向电路可逆计数器锁 存