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习题解答北京航空航天大学出版社

《测控系统原理与设计》（第3版）习题解答

本习题解答是普通高等教育“十一五”国家级规划教材《测控系统原理与设计》第3版（孙传友、李涛编著，北京航空航天大学出版社2014年8月出版）全书各章习题的参考答案。

第1章

1、为什么说仪器技术是信息的源头技术?

答：

信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。

测量技术则是关键和基础。

仪器是一种信息的工具。

如果没有仪器，就不能获取生产、科学、环境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的。

仪器是信息时代的信息获取——处理——传输的链条中的源头。

因此说，仪器技术是信息的源头技术。

2、为什么现代测控系统一般都要微机化?

答：

将微型计算机技术引入测控系统中，不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自化化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本、易于升级换代等等。

3、微机测控系统有哪几种类型?

画出它们的组成框图

答：

测控仪器或系统可分为三大类——单纯以测试或检测为目的的“测试（检测）仪器或系统”，单纯以控制为目的的“控制系统”和测控一体的“测控系统”。

微机化检测系统框图

微机化控制系统框图

微机化测控系统框图

第2章

1、模拟输入通道有哪几种类型?

各有何特点?

答：

按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输入通道可分为集中采集式（简称集中式）和分散采集式（简称分布式）两大类型。

集中式的特点是多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，模拟多路切换器MUX对多路信号分时切换、轮流选通到S/H和A/D进行数据采集。

分布式的特点是每一路信号都有一个S/H和A/D，因而也不再需要模拟多路切换器MUX。

每一个S/H和A/D只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机。

2、什么情况下需要设置低噪声前置放大器?

为什么?

答：

由于电路内部有这样或那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍输出一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。

把电路输出端测得的噪声有效值折算到该电路的输入端即除以该电路的增益K，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声。

如果加在该电路输入端的信号幅度小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。

为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在该电路前面加一级放大器——“前置放大器”。

只要前置放大器本身的等效输入噪声比其后级电路的等效输入噪声低，加入前置放大器后，整个电路的等效输入噪声就会降低，因而，输入信号就不会再被电路噪声所淹没。

3、图2-1-14（a）所示采集电路结构只适合于什么情况?

为什么?

答:

图2-1-14（a）所示采集电路仅由A/D转换器和前面的模拟多路切换器MUX构成，只适合于测量恒定的各点基本相同的信号。

因为恒定信号不随时间变化，无须设置S/H,各点基本相同的信号无需设置PGA。

4、DFS-V数字地震仪属于集中采集式数据采集系统。

2ms采样48道时去混淆滤波器截止频为125Hz。

为提高勘探分辨率欲将采样周期改为1ms。

试问：

地震仪的信号道数和去混淆滤波器截止频率要不要改变?

怎样改变?

为什么?

答：

据题知，

，

，代入公式（2－1－38）计算得该地震仪的A/D转换器的转换周期为

，为提高勘探分辨率欲将采样周期改为1ms，则信号道数应减小为

，否则A/D转换器就转换不过来。

据题知，

，

，代入公式（2－1－17）计算得C=5，将C=5和TS=1ms代入公式（2-1-17）计算得，抗混叠滤波器截止频率应减小为

，将

代入公式（2－1－18）计算得

，这将使地震仪可记录的最高地震信号频率达到250Hz，因而，可使地震仪的勘探分辨率提高一倍。

如果只是减少采样周期而不改变抗混叠滤波器截止频率，将

代入公式（2－1－18）计算得

，使地震仪可记录的最高地震信号频率仍然被限制在125Hz，因而地震仪的勘探分辨率仍然不能提高，这就使减少采样周期的优越性发挥不出来。

5、多路测试系统什么情况下会出现串音干扰?

怎样减少和消除?

答：

多路测试系统由于模拟开关的断开电阻Roff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故，每当某一道开关接通时，其它被关断的各路信号也出现在负载上，对本来是唯一被接通的信号形成干扰，这种干扰称为道间串音干扰，简称串音。

为减小串音干扰，应采取如下措施：

①减小Ri,为此模拟多路切换器MUX前级应采用电压跟随器；

②MUX选用Ron极小、Roff极大的开关管；

③选用寄生电容小的MUX。

④据公式（2-1-51），减少MUX输入端并联的开关数N，可减小串音。

若采用分布式数据采集，则可从根本上消除串音干扰。

因N=1代入公式（2-1-51）计算得

。

6、主放大器与前置放大器有什么区别?

设置不设置主放大器、设置哪种主放大器依据是什么?

答：

测控系统的模拟输入通道一般包括模拟调理电路和数据采集电路两部分。

前置放大器设置在模拟调理电路前端，它是为减小模拟输入通道的等效输入噪声提高系统接收弱信号的能力而设置的，放大的是连续电信号。

主放大器设置在数据采集电路的MUX与S/H之间，放大的是经模拟多路切换器采样或选通的离散信号，它是为了提高数据采集电路的数据转换精度和数据转换范围而设置的。

如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，而且多路信号的幅度也相差不大，也就是Vij随i和j变化不大，那就没有必要在采集电路中设置主放大器，只要使各路信号调理电路中的前置放大器增益满足（2-1-54）式即可。

如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，但是各路信号的幅度相差很大，也就是说Vij不随j变化，但随i变化很大，那就应在采集电路中设置程控增益放大器作为主放大器。

程控增益放大器的特点是每当多路开关MUX在对第i道信号采样时，放大器就采用预先按（2-1-54）式选定的第i道的增益Ki进行放大。

如果被测量的多路模拟信号是随时间变化的信号，而且各路信号的幅度也不一样。

也就是说，Vij既随i变化，也随j变化，那就应在采集电路中设置瞬时浮点放大器作为主放大器。

7、模拟输出通道有哪几种基本结构?

各有何特点?

答：

微机化测控系统的模拟信号输出通路的基本结构按信号输出路数来分，有单通道输出和多通道输出两大类，多通道的输出结构主要有以下三种：

一、数据分配分时转换结构。

它的特点是每个通道配置一套输入寄存器和D/A转换器，经微型计算机处理后的数据通过数据总线分时地选通至各通道输入寄存器，当数据Dij选通至第i路输入寄存器的同时，第i路D/A即实现数字Dij到模拟信号幅值的转换。

二、数据分配同步转换结构。

它的特点是在各路数据寄存器R1与D/A转换器之间增设了一个缓冲寄存器R2。

数据总线分时选通主机的输出数据先后被各路数据寄存器R1接收，然后在同一命令控制下将数据由R1传送到R2，并同时进行D/A转换输出模拟量。

三、模拟分配分时转换结构。

这种结构的特点是各通道共用一个D/A转换器和一个数据输入寄存器。

微型计算机处理后的数据通过数据总线依通道顺序分时传送至输入寄存器并进行D/A转换，产生相应通道的模拟输出值。

以上三种结构可归纳为两种分配方案。

前两种数据分配结构实质上也就是图2-2-2（a）所示的“数字保持”方案；模拟分配结构实质上也就是图2-2-2（b）所示的“模拟保持”方案。

8、为什么模拟输出通道中要有零阶保持?

怎样用电路实现?

答：

我们知道，模拟信号数字化得到的数据是模拟信号在各个采样时刻瞬时幅值的A/D转换结果。

很显然把这些A/D转换结果再经过D/A转换，也只能得到模拟信号波形上的一个个断续的采样点，而不能得到在时间上连续存在的波形。

为了得到在时间上连续存在的波形就要想办法填补相邻采样点之间的空白。

理论上讲，可以有两种简单的填补采样点之间空白的办法：

一是把相邻采样点之间用直线连接起来，这种方式称为“一阶保持”方式；另一种方式是把每个采样点的幅值保持到下一个采样点，这种方式称“零阶保持”。

“零阶保持”方式很容易用电路来实现，“一阶保持”则很难用电路来实现。

因此模拟输出通道中采用零阶保持器。

零阶保持器的实现有两种方式：

一种是数字保持方式，即在D/A之前加设一个寄存器，让每个采样点的数据在该寄存器中一直寄存到本路信号下个采样点数据到来时为止，这样D/A转换器输出波形就不是离散的脉冲电压而是连续的台阶电压。

另一种是模拟保持方式，即在公用的D/A之后每路加一个采样保持器，保持器将D/A转换器输出子样电压保持到本路信号下个子样电压产生时为止。

9、在控制系统中被控设备的驱动有哪两种方式?

有何异同?

答：

在控制系统中，对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和数字量（开关量）输出驱动两种方式，其中模拟量输出是指其输出信号（电压、电流）可变，根据控制算法，使设备在零到满负荷之间运行，在一定的时间T内输出所需的能量P；开关量输出则是利用控制设备处于“开”或“关”状态的时间来达到运行控制目的。

如根据控制算法，同样要在T时间内输出能量P，则可控制设备满负荷工作时间t，即采用脉宽调制的方法，同样可达到要求。

10、在信号以电压形式传输的模拟电路中，前后两级电路之间，什么情况下需插接电压跟随器?

什么情况下不需要?

为什么?

答：

在要求信号以电压形式传输（即要求前级馈送给后级的电压最大）的模拟电路中，当前级电路的输出阻抗不是远小于后级电路的输入阻抗时，两者之间需插接电压跟随器。

因为电压跟随器的输入阻抗极高而输出阻抗极低，它插在两者之间，既给前级提供极高的输入阻抗，又给后级提高极低的输出阻抗，这样就能使前级馈送给后级的电压最大。

如果前级电路的输出阻抗极低，或者后级的输入阻抗极高，也就是说，已经满足电压传输最大的条件，两者之间就无需再插接电压跟随器。

11、试述开关量输入输出通道的基本组成。

答：

开关量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成，如图2-3-1所示。

开关量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成，如图2-3-4所示。

图2-3-1图2-3-4

12、单元电路连接时要考虑哪些问题?

答：

组成测控系统的各单元电路选定以后，就要把它们相互连接起来，为了保证各单元电路连接起来后仍能正常工作，并彼此配合地实现预期的功能，就必须认真仔细地考虑各单元电路之间的级联问题，如：

电气特性的相互匹配、信号耦合方式、时序配合等。

第3章

1、为什么常见的中小型微机化测控系统大多采用单片机?

答：

单片机是指将计算机的基本部件集成在一块芯片上而构成的微型计算机，单片机的优点是可靠性高、控制功能强、易扩展、体积小。

用单片机开发各类微机化产品，周期短、成本低，在计算机和仪器仪表一体化设计中有着一般微机无法比拟的优势。

正因为如此，目前常见的微机化测控系统、特别是中型测控系统和便携式测控仪器大多采用单片机。

2、指出图3-1-6中存贮器和I/O接口寻址范围。

答：

P2.7

P2.6

P2.5

P2.4

P2.3

P2.2

P2.1

P2.0

寻址范围

2764

0

0

0

×

×

×

×

×

0000H~1FFFH

6116-1

1

×

×

×

0

×

×

×

8000H~87FFH

6116-2

1

×

×

×

1

×

×

×

8800H~8FFFH

8155RAM

0

×

×

×

×

×

×

0

0000H~00FFH

8155I/O

0

×

×

×

×

×

×

1

0100H~0105H

3、为什么803l单片机的引脚

固定接低电平？

答：

因为803l单片机片内无ROM，故应将

引脚固定接低电平，以迫使系统全部执行片外程序存储器程序。

4、假设给图3-2-2ADC0809的模拟输入端加2.5V直流电压，试确定以下两种情况下80C51单片机P0.0和P0.1读取的A/D转换结果分别是“0”还是“1”？

（1）VREF（+）=+5V，VREF（-）=0V；

（2）VREF（+）=+5V，VREF（-）=-5V。

解：

（1）由题知，UR（+）=5V,UR（-）=0V,UX=2.5V,代入公式（3-2-1）或（3-2-2）计算得D7～D0=10000000。

图3-2-2中P0.0=D7=1P0.1=D6=0

（2）由题知，UR（+）=5V,UR（-）=-5V,UX=2.5V,代入公式（3-2-1）计算得D7～D0=11000000。

图3-2-2中P0.0=D7=1P0.1=D6=1

5、在一个由8031单片机与一片ADC0809组成的数据采集系统中，ADC0809的8个输入通道的地址为7FF8H～7FFFH,试画出有关接口的电路图，并写出每隔1min轮流采集一次8个通道数据的程序，共采样50次，其采样值存入片外RAM中以2000H单元开始的存储区中。

答：

接口电路可参见图3-2-2。

参考程序如下：

MAIN：

MOVR0，#20H

MOVR1，#00H

MOVR2，#00H

MOVR3，#50

MOVR7，#08H

LOOP：

MOVDPTR，#7FF8H

LOOP1：

MOVX@DPTR，A

MOVR6，#0AH

DELAY：

NOP

NOP

NOP

DJNZR6，DELAY

MOVXA，@DPTR

INCDPTR

MOVR2，DPL

MOVDPH，R0

MOVDPL，R1

MOVX@DPTR，A

INCDPTR

MOVR0，DPH

MOVR1，DPL

MOVDPH，#7FH

MOVDPL，R2

DJNZR7，LOOP1

LCALLDELAY1M；延时1分钟（子程序另外编写）

DJNZR3，LOOP

…………

6、图3-2-7所示VFC接口电路所能转换的模拟电压Ux的最大允许值是多少?

解：

由公式（3-2-1）可得

因

的最大计数值为FFH即

，故模拟电压Ux的最大允许值为

7、仿照图3-3-4设计一个三路同步输出的D/A转换接口电路并写出接口程序。

答：

8、串行ADC与并行ADC有何异同？

串行DAC与并行DAC有何异同？

答：

串行ADC与并行ADC二者的模数转换原理相同，通常串行ADC是在并行ADC之后加一个并-串转换电路构成的。

串行DAC与并行DAC二者的数模转换原理相同，通常串行DAC是在并行DAC之前加一个串-并转换电路构成的。

9、说明图3-3-8的工作原理及其改进电路。

答：

图3-3-8的工作原理是，当单片机的P1.0为高电平时，继电器J通电，使开关S闭合，交流接触器CJ通电，进而使三相电机得电运行。

上述电路的缺点是易引起强烈的干扰。

一是继电器J的通断时触头产生电火花；二是接触器CJ通断时产生很强的电弧。

采用固体继电器代替通用型继电器J，可消除接触器线圈通断时J触点的电火花，但接触器CJ动作触点的电弧干扰依然存在。

彻底消除电火花和电弧的干扰，可以采用晶闸管组成的无触点开关。

10、LED显示接口与LCD显示接口有哪些相同点，有哪些不同点?

答：

相同点是：

1、两种数字显示器都为7段（或8段）显示结构，因此也都有7个（或8个）段选端，并需接段驱动器；2、段驱动器所加段选码都要通过译码从要显示数字的BCD码转换得到，译码方式也有硬件译码和软件译码两种；3、多位显示的方式都有静态和动态两种方式。

不同点是：

LCD数字显示器的公共电极与要显示的笔画电极之间不能加直流电压，只能加频率为几十赫到数百赫的方波信号，因此，LCD显示器的驱动接口需要提供该低频方波信号，而且其显示接口的译码驱动电路与LED显示接口的译码驱动电路也不同，二者不能通用。

11、LED静态显示和动态显示在硬件和软件上有哪些主要区别?

答：

多位LED显示器有静态显示和动态显示两种形式。

静态显示就是各位同时显示。

为此，各位LED数码管的位选端应连在一起固定接地（共阴极时）或接+5V（共阳极时），每位数码管的段选端应分别接一个8位锁存器/驱动器。

动态显示就是逐位轮流显示。

为实现这种显示方式，各位LED数码管的段选端应并接在一起，由同一个8位I/O口或锁存器/驱动器控制，而各位数码管的位选端分别由相应的I/O口线或锁存器控制。

动态LED显示程序与静态LED显示程序设计有所不同，在动态显示方式中，各个位的内容是分时轮流输出的，要得到稳定的显示效果，必须不断重复执行显示程序。

而在静态显示方式中，各个位的内容是同时输出的，不需要不断重复执行同一内容的显示程序，仅仅在需要更新显示内容时,CPU才执行一次显示更新子程序。

12、说明行列式（矩阵式）非编码键盘按键按下的识别原理

答：

按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。

行线通过上拉电阻接到+5V上，无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。

列线的电平如果为低，则行线电平为低；列线的电平如果为高，则行线的电平亦为高。

将行、列线信号配合起来并做适当的处理，就能确定闭合键即按下键的位置。

13、键盘有哪三种工作方式，它们各自的工作原理及特点是什么？

答：

（1）编程扫描方式：

当单片机空闲时，才调用键盘扫描子程序，反复的扫描键盘，等待用户从键盘上输入命令或数据，来响应键盘的输入请求。

（2）定时扫描工作方式：

单片机对键盘的扫描也可用定时扫描方式，即每隔一定的时间对键盘扫描一次。

（3）中断工作方式：

只有在键盘有键按下时，才执行键盘扫描程序并执行该按键功能程序，如果无键按下，单片机将不理睬键盘。

14、何谓RS-232C的电平转换？

答：

RS-232C的逻辑电平与一般微处理器的逻辑电平（TTL电平）是不一致的，因此在实际应用时，必须把微处理器的信号电平（TTL电平）转换为RS一232C电平，或者将RS一232C电平转换为微处理器的信号电平（TTL电平）。

这两种转换是用专用电平转换芯片实现的：

MC14488可将TTL电平转换为RS一232C电平，MC14489可将RS一232C电平转换TTL电平。

单片机的串行口通过电平转换芯片所形成的RS—232C标准接口电路如下图所示

15、RS-232C标准的接口信号有哪几类?

说明常用的几根信号线的作用。

答：

RS-232C标准接口上的信号线基本上可分为四类：

数据信号（4根）、控制信号（12根）、定时信号（3根）和地（2根）。

常用的几根信号线是：

TXD——“发送数据”、RXD——“接收数据”、RTS——“请求发送”、DSR——“数据装置就绪”和信号地

16、试比较RS-232C与RS-422、RS-423连接方式和传输特性的主要差别。

答：

连接方式比较如下：

传输特性的主要差别：

RS-232C

RS-422

RS-423

最大电缆长度

15m

600m

1200m

最大数据率

20Kb/s

300Kb/s

10Mb/s

第4章

1、何谓总线？

在测控系统中应用总线技术有何好处？

答：

所谓总线，就是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线的集合。

这个集合定义了各引线的信号、电气、机械特性，可以组成系统的标准信息通道，把计算机和测控系统的各组成部分连成一个整体以便彼此间进行信息交换。

在现代测控系统中，各分系统或各单元模块间必然存在着信息的交换，这种信息交换必须借助于总线及总线接口部件。

利用总线技术能够大大简化测控系统结构，增加系统的兼容性、开放性、可靠性和可维护性，便于实行标准化及组织规模化的生产，从而显著降低系统成本。

2、测控总线包括哪些类型？

答：

目前常用的测控总线是，与计算机相对独立的测控机箱底板总线、测控机箱与计算机互连总线及连接现场测控设备的现场总线。

3、什么是VXI总线？

答：

VXI总线是VME总线在仪器领域的扩展，即VMEbusExtensionforInstrumentation的缩写。

VXI总线是在VME计算机总线的基础上扩展的测控系统总线，也是当前性能最先进的测控系统机箱内部总线之一。

4、什么是PXI总线？

答：

PXI总线是PCI总线在仪器领域的扩展，即PCIeXtensionsforlnstrumentation的缩写。

是与VXI总线并行的另一种模块式仪器总线标准。

5、测控机箱与计算机互连的常见串行总线有哪些？

答：

常见的串行总线有：

RS-232C、USB总线、IEEE1394总线

6、测控机箱与计算机互连的常见并行总线有哪些？

答：

常见的并行总线有：

GPIB（IEEE488）总线、SCSI总线、MXI总线

7、GPIB是什么总线？

何谓“讲者”、“听者”、“控者”？

答：

GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）是同时被IEC和IEEE组织正式承认的通用接口

总线，又称为IEEE488总线。

该标准总线在仪器、仪表及测控领域得到了最为广泛的应用，至今还是仪器、仪表及测控系统与计算机互连的主流并行总线。

控者是对系统进行控制的设备，它能发出接口消息，如各种命令、地址，也能接收仪器发来的请求和信息。

讲者是发出仪器仪表消息的设备。

听者是接收讲者所发出的仪器仪表消息的设备。

第5章

1、微机测控系统中为什么要对A/D转换得到的测量数据进行处理？

答：

如果只考虑微机测控系统的“测量通道”中对测量数据有影响的环节，则测量数据的产生过程可简化为

可见，A/D转换结果D与被测量X存在如下关系

在理想情况下，只要知道标准输入X1产生的测量数据D1,我们就可从任一测量数据D准确地推算出其对应的被测非电量X:

然而，实际情况并没有这样简单。

系统本身的参数S、M、E可能会随时间漂移，传感器电压转换系数S还可能随被测非电量变化也有微小变化即存在一定程度非线性，如果我们依然按照上式来简单地从测量数据推算被测非电量就必然产生误差。

因此，我们必须对获得的测量数据进行必要的处理，消除误差因素，或者说进行误差校正，其目的就是尽可能准确地计算出实际的被测非电量。

2、试述零位误差和灵敏度误差的校正方法。

答：

零位误差的硬件校正方法是设置调零电位器和调零电路，常见的调零电路有：

传感器调零电路、电桥调零电路、放大器输入偏移调零电路、A/D转换器调零电路；灵敏度误差的硬件校正方法是调整传感器灵敏度、放大器放大倍数、A/D转换器的基准电压等主要参数，但最常见的灵敏度调整方法还是调整决定放大器增益的电阻值。

线性测试系统零位误差和灵敏度误差的软件校正方法是按照误差校正公式

编写专门的计算子程序，将最近执行“误差校准”操作获得的最新的校准数据（X1、D1）、（X2、D2）存入内存，每次测量后就调用该计算子程序，从输出读数D计算出被测量X。

3、为什么要切换量程?

怎样实现量程切换?

答：

为了扩大测量范围并保持一定的测量精度，检测系统大多设置多个量程。

普通测量仪表是用手动换档开关来切换量程，微机化测控系统应能自动进行量程切换。

量程自动切换是实现自动测量的重要组成部分，它使测量过程自动迅速地选择在最佳量程上，这样既能防止数据溢出和系统过载，又能保证一定的测量精度。

根据量程（上限）值的计算公式

要改变量程值，可以有改变传感器灵敏度S、从传感器到A/D间信号输入通道的总增益（即各放大器放大