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智能仪器
智能仪器典型特点,抗干扰措施以及原因,标度变换,随机等效采样与顺序等效采样,数字滤波,输入通道等。
智能仪器的定义:
含有微计算机或微处理器的测量仪器,拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能,具有一定的智能作用。
智能仪器综述:
智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、VLSI等新兴技术与传统仪器仪表技术的结合。
随着专用集成电路、个人仪器、网络技术等相关技术的发展,智能仪器将会得到更加广泛的应用。
作为智能仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能仪器向小型化、多功能化、更加灵活的方向发展的动力。
可以预料,各种功能的智能仪器将会广泛地使用在各个领域。
一.智能仪器的特点
1.操作自动化
仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关闭合、数据采集、传输与处理以及显示打印等功能用微控制器控制,实现了测量过程的自动化。
2)自测功能
自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换、触发电平自动调整、自补偿、自适应等,能适应外界的变化。
比如:
能自动补偿环境温度、压力等对被测量的影响,能补偿输入的非线性,并根据外部负载的变化自动输出与其匹配的信号等。
自校准自学习通过自校准(校准零点、增益等)来保证自身的准确度。
自诊断能检测出故障的部位甚至故障的原因。
自测试功能可以在仪器启动时运行,也可在仪器工作中运行,极大地方便了仪器的维护。
3)数据分析和处理功能
采用了单片机或微控制器,使得许多原来用硬件逻辑电路难以解决或根本无法解决的问题,可以用软件非常灵活地加以解决。
例如,传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等,而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量,而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能,使用户从繁重的数据处理中解放出来,而且有效提高了仪器的测量精度。
4)友好的人机对话功能
使用键盘代替传统仪器中的切换开关,操作人员通过键盘输入命令,用对话方式选择测量功能和设置参数。
同时,智能仪器能输出多种形式的数据,如通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及处理结果以数字或图形形式输出。
5)可程控操作能力
一般都配有GPIB、RS232C、RS485、USB等标准通信接口,可以接收计算机的命令,使其具有可程控操作的功能,方便与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统,完成更复杂的测试任务。
二.抗干扰措施以及原因
1.干扰的来源与特点
干扰的来源很多,性质也不一样。
干扰窜入仪器的渠道主要有三个:
(1)空间电磁场。
通过电磁波辐射窜入仪器,如雷电、无线电波等。
(2)传输通道。
各种干扰通过仪器的输入输出通道窜入,特别是长传输线受到的干扰更严重。
(3)配电系统。
如来自市电的工频干扰,它可以通过电源变压器分布电容和各种电磁路径对测试系统产生影响。
各种开关、可控硅的启闭,元器件的机械振动等都会对测试过程引起不同程度的干扰。
干扰的特点是来自测试系统外部,因此一般可以通过屏蔽、滤波或电路元器件的合理布局,通过电源线和地线的合理连接,引线的正确走向等措施加以减弱或消除。
2.干扰的类型通常按干扰产生的原因、干扰传导模式和干扰波形的性质的不同进行划分。
1)按干扰产生的原因分类
(1)放电干扰:
主要是雷电、静电、电动机的电刷跳动、大功率开关触点断开等放电产生的干扰。
(2)高频振荡干扰:
主要是中弧炉、感应电炉、开关电源、直流-交流变压器等产生高频振荡时形成的干扰。
(3)浪涌干扰:
主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电流、开关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等设备产生涌流引起的干扰。
这些干扰对智能仪器都有严重影响,必须认真对待,而其中尤其以各类开关分断电感性负载所产生的干扰最难以抑制或消除。
2)按干扰传导模式分类
对于传导干扰,按其传导模式分为常模干扰和共模干扰。
常模干扰是难以除掉的,共模干扰从本质上讲是可以除掉的。
但是由于线路的不平衡状态,共模干扰会转化成常模干扰。
当发现常模干扰时,首先考虑它是否由于线路不平衡状态而从共模干扰转换过来的。
通常,输入输出线与大地或机壳之间发生的干扰都是共模干扰,信号线受到静电感应产生的干扰也多为共模干扰。
抑制共模干扰的方法很多,如屏蔽、接地、隔离等。
抗干扰技术在很多方面都是围绕共模干扰来研究其有效的抑制措施。
3)按干扰波形及性质分类
这里最为典型的是将干扰划分为持续正弦波和各种形状的脉冲波。
(1)持续正弦波
持续正弦波多以频率、幅值等特征值表示。
(2)偶发脉冲电压波形
多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲宽度以及能量等特征值表示。
例如雷击波、接点分断电压负载、静电放电等波形。
(3)脉冲列
脉冲列多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲序列持续时间等特征值表示,如接点分断电感负载、接地反复重燃过电压等。
3.抑制干扰的主要技术与措施
应用硬件抗干扰措施是经常采用的一种有效方法。
实践表明,通过合理的硬件电路设计,可以消弱或抑制绝大部分干扰。
下面介绍在工程上广泛采用的一些硬件抗干扰电路的工作原理及参数设计,主要包括滤波技术(无源滤波和有源滤波)、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。
1.无源滤波器与有源滤波器
滤波是为了抑制噪声干扰,在数字电路中,当电路从一个状态转换到另一个状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电压。
当电路接通与断开电感负载时,产生的瞬变噪声干扰往往严重妨害系统的正常工作。
所以在电源变压器的进线端加入电源滤波器,消弱瞬变噪声的干扰。
与常规的模拟电路相比,智能仪器的数据处理具有如下优点:
(1)可用程序代替硬件电路,完成多种运算。
(2)能自动修正误差。
(3)能对被测参数进行较复杂的计算和处理。
(4)能进行逻辑判断。
(5)智能仪器不但精度高,而且稳定可靠,抗干扰能力强。
随机等效采样和顺序等效采样两种基本方式
随机等效采样和顺序等效采样的基本原则都是通过对多个信号周期进行慢速采样,再将多个慢速采样的样本通过重组构建一个快速等效周期。
不同之处在于每个周期采样点的时序控制。
顺序等效采样过程,其关键在于产生采样时钟之前,必须获得信号的准确周期,根据信号周期确定采样频率和拟纳入重组的信号周期数。
每个信号周期的采样频率相同,但是,每隔一个信号周期,采样点顺延一个等效采样周期。
顺序等效采样原理简单,难点在于准确获取高频信号的频率和产生可能为任意频率的数值上等于信号频率整数倍的采样时钟。
随机采样的采样时钟与信号周期无需也不能同步。
即采样时钟频率可以是不等于信号频率整数倍的任意频率。
随机采样连续采样多个信号周期,由于采样频率不等于信号频率的整数倍,每个信号周期的起点位置不同,只要测量出每个信号周期采样起点与参考点(如第一个信号周期的采样起始时刻及加上整数个信号周期时间的时刻)间隔△T,即可将多个信号周期内的采样样本重构。
所谓随机是指△T是随机的,△T越小,需要采样的信号周期数越多,等效采样频率越高。
等效采样可以大幅度降低实际采样速率和信息的存储速度及存储容量,在示波器及虚拟示波器中得到广泛的应用,是高速数字示波器的关键技术之一。
完成一次等效采样包括的信号周期数越多,实际采样速率越低,对周期信号的重复性要求也越高。
客观世界中不存在严格的周期信号,因此,等效采样会造成一定程度的信号失真,影响了测量的准确性和正确性。
一般来讲,在数字示波器中,当信号带宽较窄时,宜采用实时采样方式,而信号带宽较宽时,超过最高采样频率的1/2时,只能采用等效采样方式。
输入通道
将实际存在的电压、电流、声音、图像、温度、压力等连续变化的模拟信号进行放大、滤波、隔离等处理,将其转换成计算机能接收的逻辑信号的电路称为模拟量输入通道。
从被转换模拟信号的数量及要求看模拟量输入道有单通道结构和多通道结构
数字滤波
顺序等效采样
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