GPIB接口

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,9,章 智能测试仪器与系统,*,第,9,章 智能测试仪器与系统,9.1,智能仪器概述,9.2,智能仪器的典型处理功能,9.3,智能仪器实例,智能化,DVM,简介,9.4,自动测试系统、个人仪器与虚拟仪器,本章小结,1,第,9,章 波形测试与仪器,学习参考：,智能仪器是电子测量仪器与计算机技术的结合，发展十分迅速。通过学习要求明确智能仪器、自动测试系统、虚拟仪器、个人仪器的区别与联系，了解智能仪器的组成及各部分的原理与特点，了解智能仪器的典型处理功能。,本章要点：,智能仪器的组成、智能仪器实例、个人仪器与自动化测试仪器的概念。,2,9.1,智能仪器概述,凡是具有人工智能化的测量仪器均可统称为智能仪器，如无特别说明，书中的智能仪器特指为独立智能仪器（即传统智能仪器）。独立智能仪器又称为灵巧仪器（,Smart Instruments,），它是自身带有微处理器能够独立进行测试的电子仪器。除此之外，自动测试系统、个人仪器、虚拟仪器等也是具有人工智能化的测量仪器。本章主要介绍独立智能仪器。,9.1.1,智能仪器的组成,能仪器由硬件和软件两部分组成。,1.,硬件,硬件主要包括主机电路、模拟量输入输出通道、人机接口和标准通信接口电路等，如图,9.1,所示。,3,微处理器,MPU,内部总线,图,9.1,智能仪器硬件结构,程序存储器,ROM,数据存储器,ROM,I/O,接口,A/D,变换器,D/A,变换器,键盘显示接口,键盘,显示,输入,电路,模拟,执行器,标准仪用,通信接口,外部仪用,标准总线,主机电路,被测量,模拟量输入输出,人机接口,通信接口,4,（,1,）主机电路用来存储程序与数据，并进行一系列的运算和处理，参与各种功能控制。通常由微处理器、程序存储器、输入输出（,I/O,）接口电路等组成，或者本身就是一个单片微型计算机。,（,2,）模拟量输入输出通道用来输入输出模拟量信号，实现模拟量与数字量之间的变换。主要由,A/D,变换器、,D/A,变换器和有关的模拟信号处理电路等组成。,（,3,）人机接口用来沟通操作者与仪器之间的联系，主要由仪器面板上的键盘和显示器等组成。,（,4,）标准通信接口用来实现仪器与计算机的联系，使仪器可以接受计算机的程控命令，一般情况下，智能仪器都配有,GPIB,（或,RS232C,）等标准通信接口。,5,2.,软件,软件即程序，主要包括监控程序和接口管理程序两部分。,监控程序面向仪器面板和显示器，负责完成如下工作：通过键盘操作，输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数；通过控制,I/O,接口电路进行数据采集，对仪器进行预定的设置；对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理；以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果。,接口管理程序主要面向通信接口，负责接收并分析来自通信接口总线的各种有关功能、操作方式与工作参数的程控操作码，并根据通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果以响应计算机的远程控制命令。,6,9.1.2 GPIB,接口,GPIB,（,General Purpose Interface Bus,）即通用接口总线，是国际通用的仪器接口标准。一般情况下，智能仪器都配有,GPIB,标准接口。,1. GPIB,标准接口系统的概述,GPIB,标准接口包括接口与总线两部分。接口部分由各种逻辑电路组成，与各仪器装置安装在一起，用于对传送的信息进行发送、接收、编码和译码。总线部分是一条无源多芯电缆，用于传输各种消息，消息指的是总线上传递的各种信息。图,9.2(a),为具有,GPIB,接口的仪器通过,GPIB,总线连接起来的标准接口总线系统，,DUT,（,Device Under Test,）为被测器件。图,9.2(b),为,GPIB24,线总线插座外形结构。,7,在一个,GPIB,标准接口总线系统中，要进行有效的通信联络，至少有“讲者”、“听者”、“控者”三类仪器装置。讲者是通过总线发送仪器消息的仪器装置，如测量仪器、数据采集器、计算机等。听者是通过总线接收由讲者发出消息的装置，如打印机等。控者是数据传输过程中的组织者和控制者，通常由计算机担任。一个,GPIB,系统中，可以设置多个讲者、听者和控者，不允许有两个或两个以上的讲者或控者同时起作用，但允许多个听者同时工作。控者、听者、讲者被称为系统功能的三要素，系统中的某一个装置可以具有三要素中的一个、两个或全部功功能。例如，系统中的计算机可以兼顾实现“讲者”、“听者”与“控者”的功能 。,8,接口部分,控,/,讲,/,听者,（计算机）,接口部分,听,/,讲者,（测量仪器）,接口部分,听者,（信号源）,接口部分,听者,（记录仪）,用户编程,DUT,硬拷贝,IFC,ATN,EQI,REN,SRQ,DAV,NRFD,NDAC,DIO,1,DIO,8,接口管理控制线,数据挂钩联络线,数据总线,通用接口总线,(a,）,1,12,13,24,(b,）,图,9.2 GPIB,标准接口总线系统及,GPIB24,线总线插座,仪器装置接口,仪器装置本身,9,2. GPIB,标准接口的总线结构,总线是一条,24,芯电缆，其中,16,条被用作信号线，其余则被用作逻辑地线及屏蔽线。电缆两端是与图,9.2(b),相似的双列,24,芯叠式结构插头。,GPIB,标准接口总线中的,16,条信号线按功能可分为以下三组：,8,条双向数据总线（,DIO,1,DIO,8,），用于传递包括数据、命令和地址等的仪器或接口消息，所传递消息的类型由其余两组信号线加以区分。,3,条数据挂钩联络线（,DAV,、,NRFD,和,NDAC,），用于控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有节奏地传输信息，这种传输技术称为三线挂钩技术。三线挂钩指的是,10,讲者、控者、听者之间的逻辑联接与接续关系。定义如下：,DAV(Dada,Valid),数据有效线：当数据线上出现有效数据时，讲者置该线为低（负逻辑），示意听者从数据线上接收数据。,NRFD(Not,Ready For Data),数据未就绪线：只要听者中有一个尚未准备好接收数据，该线就为低，示意讲者暂不要发出信息。,NDAC(Not,Data Accepted),数据未收到线：只要听者中有一个尚未从数据总线上接收完数据，该线就为低，示意讲者暂不要撤掉数据总线上的信息。,5,条接口管理控制线（,ATN,、,IFC,、,REN,、,EOI,和,SRQ,），用于控制,GPIB,总线接口的状态。定义如下：,11,ATN(Attention,),注意线：该线由控者使用，用来指明数据线上数据的类型。当它为,1,时，数据总线上的信息是由控者发出的、用于管理接口部分工作的消息（命令、设备地址等），这时，一切设备均要接收这些信息。当它为,0,时，数据总线上的信息是由讲者发出的、用于完成仪器自身工作的仪器消息（数据、设备的控制命令等），所有听者都必须听。,IFC(Interface,Clear),接口清除线：该线由控者使用，当它为,1,时，整个接口系统恢复到初始状态。,REN(Remote,Enable),远程控制线：该线由控者使用，当它为,1,时，仪器可能处于远程控制状态，从而封锁设备面板上的手工操作。当它为,0,时，仪器处于本地工作方式。,SRQ(Service,Request),服务请求线：所有设备都与这条,12,线“线或”在一起，任意设备将此线变为低态（,SRQ,为,1,）时，就表示向控者提出服务请求，然后控者通过依次查询确定提出请求的设备。,EQI(End,Or Identify),结束或识别线：此线与,ATN,配合使用，当,EOI,为,1,、,ATN,为,0,时，表示讲者已传递完一组数据；当,EOI,为,1,、,ATN,为,1,时，表示控者要进行识别操作，要求设备把它们的状态放在数据线上。,3. GPIB,标准接口的功能,智能化测量仪器中每一个仪器装置都具有仪器功能和接口功能。仪器功能的任务是把收到的控制信息变成仪器设备的实际动作，如调节频率、调节信号电平、改变仪器工作方式等，这与常规仪器设备的功能基本相同，为完成仪器功能,13,而传递的消息称为仪器消息。接口功能是指完成各仪器设备之间正确通讯，确保系统正常工作的能力，即通过,GPIB,标准接口实现自动测量与控制所必须的逻辑功能。为完成接口功能而传递的消息称为接口消息。,接口功能包括：遇到故障等情况时，向系统控者提出服务请求的服务请求功能；系统控者为快速查询请求服务装置而设置的并行点名功能；用来选择远地工作状态或本地工作状态的远控本控能力；使装置从总线接收到触发信息，以便进行触发操作的装置触发功能；能使仪器装置接收清除信息并返回到初始状态的装置清除功能等。,9.1.3,智能仪器的特点,与传统测量仪器相比较，智能仪器具有以下几个特点：,14,（,1,）具有较完善的可程控能力,智能仪器内部有微处理器，一般配有,GPIB,或,RS-232,等接口，并且采用,ASC,码进行信息传递，使智能仪器具有可程控操作的能力。,（,2,）面板控制（本地控制）简单灵活,智能仪器使用键盘代替传统仪器中旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，这样既有利于提高仪器技术指标，又方便了仪器的操作。,（,3,）输入输出方式灵活多样,智能仪器可通过键盘输入任何数据或文字信息，或者用磁带、软盘等输入程序。能以数字、字符、图形显示等方式输出。输入输出方式灵活多样。,15,（,4,）电路结构简单，测量精确度高，测量功能多样化,微处理器具有强大的数据运算、数据处理和逻辑判断功能，这使得智能仪器能够有效地消除由于漂移、增益变化和干扰等因素所引起的误差，从而提高仪器的测量精度，电路结构进一步简化，测量功能更加多样化。,（,5,）自动控制、自动调整能力增强,智能仪器运用微处理器进行控制，可以方便地协调控制仪器的工作，实现测量仪器的自动控制，并具有一定的可编程能力及自动调零、自检、自校等功能，操作简单、维修方便。,16,9.2,智能仪器的典型处理功能,智能仪器是以微处理器为核心进行工作的，它具有强大的数据处理和控制功能，与传统测量仪器相比具有许多典型的处理功能，例如自检、自动测量等功能。,9.2.1,硬件故障的自检功能,自检功能是指利用事先编制好的检测程序对仪器主要部件进行自动检测，并对故障进行定位。自检方式有三种类型：,（,1,）开机自检,开机自检是在仪器正式投入运行之前，即仪器接通电源或复位之后所进行的全面检查。自检中如果没有发现问题，就进入测量程序；如果发现问题，则及时报警，以避免仪器,17,带病工作。,（,2,）周期性自检,周期性自检是指在仪器运行过程中间断进行的自检操作，这种操作可以保证仪器在使用过程中一直处于正常状态。周期性自检不影响仪器的正常工作，因而只有当出现故障给予报警时，用户才会觉察。,（,3,）键盘自检,具有键盘自检功能的仪器面板上设有“自检”按键，当用户对仪器的可信度产生怀疑时，便通过该按键来启动一次自检过程。自检过程中，如果检测到仪器出现某些故障，智能仪器一般都以文字或数字的形式显示“出错代码”。另外，往往还以指示灯的闪烁或声音等方式进行报警，以引起操作人员的注意。,18,9.2.2,自动测量功能,智能仪器通常具有自动量程变换、自动零点调整、自动校准以及自动触发电平调节等自动测量功能。,（,1,）自动量程变换,自动量程变换是指仪器在很短时间内自动选定最合理的量程。这样可以使仪器获得高精度的测量，并简化操作。自动量程变换一般由初设量程开始，逐级比较，直至选出最合适的量程为止。假设某电压表共有,0.1V,、,1V,、,10V,、,100V,四个量程，它的自动量程变换流程如图,9.3,所示。,（,2,）自动触发电平调节,能仪器自动触发电平调节原理如图,9.4,所示，其中，输入信号经过可程控衰减器传送到比较器，比较器的比较电平,19,（即触发电平）则由,D/A,变换器设定的。当经过衰减器的输入信号的幅度达到某一比较电平时，比较器输出将改变状态。触发探测器将检测到的比较器的输出状态送到微处理器，由此测出触发电平来。,自动量程变换,延时程序,测量程序,结束,过载显示,降量程处理,升量程处理,0.1V,量程？,100V,量程？,欠量程？,超量程？,Y,Y,Y,N,N,N,N,Y,图,9.3,电压表自动量程变换流程图,20,（,3,）自动零点调整,仪器零点漂移的大小及零点是否稳定是产生测量误差的主要来源之一，智能仪器能够在微处理器的控制下，自动产生一个与零点偏移量相等的校正量与零点偏移量进行抵消，从而有效地消除零点偏移等对测量结果的影响，这就是智能仪器的自动零点调整功能。,可程控,衰减器,微处理器控制系统,D/A,变换器, +,+,比较器,触发探测器,输出,图,9.4,自动触发电平调节原理图,21,（,4,）自动校准,智能仪器自动校准时，操作者按下“自动校准”按键，仪器显示屏便提示操作者应输入的标准电压，操作者按提示要求将相应标准电压加到输入端后，再按一次“自动校准”键，仪器进行一次测量并将标准量存入到校准存储器，然后显示器提示下一个要求输入的标准电压值，再重复上述测量存储过程。当对预定的校正测量完成之后，校准程序还能自动计算每两个校准点之间的修正公式系数，并把这些系数存入校准存储器，于是在仪器内部固存了一张校准表和一张修正公式系数表。在正式测量时，它们将与测量结果一起形成经过修正的准确测量值，该方法称为校准存储器法。为防止丢失数据，存储器采用,EEPROM,（电擦除只读存储器）或采用锂电池供电的非易失性存储器,RAM,。,22,除上述功能外，智能仪器还利用微处理器对测量过程中产生的随机误差、系统误差、粗大误差自动进行处理，以减小测量误差对测量结果的影响。另外，在不增加任何硬件设备的情况下，还利用微处理器采用数字滤波方法消除或削弱测量中的干扰和噪声的影响，提高测量的可靠性和精确度。,9.3,智能仪器实例,智能化,DVM,简介,9.3.1,概述,1.,组成,智能,DVM,是以微处理器为核心的数字电压表，典型结构如图,9.5,所示。包括微处理器芯片、程序存储器,ROM,和数据存储器,RAM,、输入电路、,A/D,变换器、键盘、显示器及标准仪用接口电路等。仪器内部采用总线结构，外部设备与总线相连。,23,（,1,）输入电路,输入电路的主要作用是提高输入阻抗、实现量程变换。图,9.6,为,1071,型智能,DVM,输入电路，主要由输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路及自举电源等部分组成。,有源滤波器是否接入由微处理器通过,I/O,接口电路实施控,微处理器,I/O,输入电路,数据存储器,程序存储器,I/O,I/O,I/O,标准仪用接口,A/D,变换器,键盘,显示,外部仪用标准总线,被测,电压,图,9.5,智能,DVM,的典型结构,内部总线,24,制，该滤波器对,50Hz,的干扰有,54dB,的衰减。,输入电流补偿电路的作用是减小输入电流的影响，其补偿原理如图,9.7,所示。自动补偿时，在输入端接入一个,10M,的电阻，输入电流,+,I,b,在该电阻上产生的压降经,A/D,变换后存入非易失性存储器,RAM,内，作为输入电流的校正量，如图,9.7(a),所示。在正常测量时，微处理器根据校正量送出适当的数字,接口电路,输入,衰减器,有源,滤波器,输入,电流补偿,输入,放大器,增益网络,自举,电源,HI,LO,12V,至,ADC,图,9.6 DATRON 1071,型智能,DVM,输入电路,25,到,D/A,变换器并经输入电流补偿电路产生一个与原来输入电流,+,I,b,大小相等方向相反的,I,b,，使两者在放大器的输入端相互抵消，如图,9.7(b),所示。,自举电源产生浮动,的,12V,电压作为输入,放大器的电源电压，使,得输入放大器工作点基,本不随输入信号的变化,而变化，提高放大器的稳定性及抗共模干扰能力。,输入衰减器和输入放大器构成智能,DVM,的量程标定电路，如图,9.8,所示。,S,1,为继电器开关，控制,100:1,衰减器是否接,输入放大器,A/D,变换器,微处理器系统,10M,+,I,b,(a),输入放大器,A/D,变换器,微处理器系统,+,I,b,(b),输入电流,补偿电路,D/A,变换器,I,b,图,9.7,输入电流补偿电路原理图,26,入。,S,2,S,8,为模拟开关，通断状态不同，输入放大器的电压增益不同，,S,1,S,8,在微机发出的控制信号的控制下，形成不同的通、断组态，构成,0.1V,、,1V,、,10V,、,100V,、,1000V,五个量程及自测试状态，五个量程时的电压输出范围均为,0,3.16V,，自测试状态时输出电压为,3.12V,，输入放大器的输出电压被送入,A/D,变换器。,S,1,S,8,与量程的关系如下：,+ +, 运放,+15V,147k,1k,9k,21.6k,S,6,S,7,S,4,S,3,S,5,S,2,S,1.1,S,1.2,100k,9.9M,100k,HI,LO,图,9.8,量程标定电路原理,U,o,100:1,衰减器,27,0.1V,量程 当,S,3,、,S,5,闭合时，放大电路接成电压负反馈放大器，其放大倍数,A,f,及最大输出电压,U,omax,分别为：,A,f,=,（,21.6+9+1,）,/1=31.6,U,omax,=0.1V31.6=3.16V,1V,量程 当,S,5,、,S,7,闭合时，放大电路被接成串联负反馈放大器，其放大倍数,A,f,及最大输出电压,U,omax,分别为：,A,f,=,（,21.6+9+1,）,/,（,9+1,）,=3.16,U,omax,=1V3.16=3.16V,10V,量程 当,S,4,、,S,6,闭合时，放大电路被接成跟随器，放大倍数为,1,，然后输出又经分压，此时,U,omax,=10V,（,9+1,）,/,（,21.6+9+1,）,=3.16V,28,100V,量程 当,S,5,、,S,7,闭合时，放大电路仍为串联负反馈放大器。同时继电器开关,S1,闭合，使,100:1,衰减器接入，此时,U,omax,=100V1/100,（,21.6+9+1,）,/,（,9+1,）,=3.16V,1000V,量程,S,1,吸合，使,100:1,衰减器接入，同时,S,4,、,S,6,闭合时，放大电路被接成跟随器，并使输出再经分压后输出，此时,U,omax,=1000V1/100,（,21.6+9+1,）,/,（,9+1,）,=3.16V,当,S,2,、,S,3,、,S,5,闭合，,S,1,吸合时，电路处于自测试状态，电路输出电压为,3.12V,。仪器在自诊断时测量该电压，并与存储的数值相比较；若两者之差在,6%,内，即认为放大器工作正常。,29,（,2,）,A/D,变换器,智能仪器,A/D,变换器是在一般,A/D,变换器的基础上，借助软件来形成的高精度,A/D,变换器，如脉冲调宽式、三次积分式,A/D,变换器等。,（,3,）键盘、显示器、打印机,键盘、显示器、打印机是人机对话的部件。键盘实现对智能仪器进行人工状态干预和数据输入。显示器和打印机实现智能仪器运行状态与处理结果的报告。,智能,DVM,的测量过程是：首先在微处理器的控制下，被测电压经过输入电路、,A/D,变换器的处理转变为相应的数字量，存入到数据存储器中。然后微处理器对采集的测量数据进行必要的处理，例如计算平均值、减去零点漂移等。最后,30,利用显示器等显示处理结果。上述整个工作过程都是在监控程序的控制下进行的。,2.,智能,DVM,的功能及主要技术指标,智能,DVM,除了具有普通,DVM,的各项技术指标外，还有以下几项性能指标：,（,1,）标定（,Ax+B,）,R,=,Ax,+,B,式中，,R,为最后显示结果，,x,为实际测量值，,A,、,B,是由键盘输入的常数。,利用这一性能，可将实际测量值,x,换算成显示结果,R,，例如将传感器输出的测量值直接用实际单位进行显示，实现标度变换。,2.,相对误差（,%,）,31,式中，,R,为相对误差；,n,是由键盘输入的标称值。,利用这一性能，可将测量结果与标称值的差值以百分率偏差的形式显示出来，适用于元件容许误差的校验。,（,3,）极限（,LMT,）,即上下限报警功能。利用这一性能可以了解被测量是否超越预置极限的情况。使用前，应先通过面板键盘输入上限值,H,和下限值,L,。测量时，在显示测量值,x,的同时，还将显示标志,H,、,L,或,P,（,pass,），三者分别表示测量结果超上限、超下限或通过。,32,（,4,）最大,最小,利用这一性能可以对一组测量值进行比较，求出其中的最大值和最小值并存储起来，在程序运行过程中一般只显示现行值，在设定的一组测量进行完毕之后，再显示这组数据中的最大值和最小值。,（,5,）比例,R,=,x/r,（,9-1,）,r=,20lg(,x/r,),（,9-2,）,r=x,2,/r,（,9-3,）,式中，,r,为由面板输入的参考量。,比例是指一个量与另一个量之间的相互关系，有三种形,33,式：式（,9-1,）为简单比例；式（,9-2,）为对数比，单位为,dB,；式（,9-3,）可以用瓦或毫瓦为单位直接显示负载电阻,r,上的功率。,（,6,）统计,利用此项功能，可以直接显示多次测量值的统计运算结果，一般有平均值、方差值、标准差值、均方值等。,智能,DVM,一般还具有自动量程变换、自动零点调整、自动校准、自动诊断等功能，并配有标准接口。,9.3.2,典型智能,DVM,介绍,本节以国产,HG-1850,微处理器,DVM,为例介绍智能,DVM,的组成原理及特点。,34,1.,组成原理,HG-1850,微处理器,DVM,采用,Intel8080ACPU,，多斜积分式,A/D,变换器，量程可以自动变换，最大显示数为,112200,，可用于测量,10,V,1000V,的直流电压，有,1V,、,10V,、,100V,、,1000V,四个量程。,图,9.9,为,HG-1850,微处理器,DVM,原理框图，主要有模拟部分、数字部分组成。输入放大器和,A/D,变换器是保证仪器精度等技术指标的关键部分，为了免受干扰，仪器的模拟部分和数字部分在电气上采取相互隔离的措施，两部分单独供电，其间的信息经光电耦合器进行传递。,35,输入放大电路,积分器,比较器,基准电压,U,R,浮置控,制逻辑,量程控制,光电耦合器,CPU,8080A,ROM,RAM,键盘接口,显示器接口,打印输出,时钟,键盘,显示器,模拟部分,数字部分,数据总线,地址总线,控制总线,屏蔽,保护,模拟部分电源,数字部分电源,图,9.9 HG-1850,微处理器,DVM,原理框图,A/D,变换器,36,2.,工作模式,（,1,）工作模式,HG-1850,微处理器,DVM,具有五种工作模式，即测量模式、自检模式、用户程序模式、编程模式和自校准模式。,1,）测量模式,测量模式是最基本的工作方式，在测量模式下用户可通过键盘选择适当的测量方式和量程，微处理器根据键盘选定的量程送出相应的开关量（控制字），使输入放大器组成相应的组态。测量时，被测电压首先经过输入放大器进入,A/D,变换器，然后,A/D,变换器把放大器输出的电压变成数字量存入到相应的内存单元。接着，微处理器将根据不同量程的校准参数并按相应的数学模型、计算出正确的测量结果。若进行数据处理，还,37,要调用有关的数据处理程序，否则直接显示测量结果。一次测量结束后，程序自动返回进行下一次测量，如此不断地循环测量。,2,）自检模式,按下“自检”键时，仪器进入自检模式。在自检模式下，微处理器将按预定程序检查模拟单元各部分的工作状态。如果一切正常，显示器显示“,pass”,字样，然后返回到测量模式。若某一部分有故障，显示器将显示此故障的代码，然后等待,10s,，再次检查模拟单元是否正常，直至故障被排除为止。,3,）编程模式,按下“编程”键时，仪器进入编程模式。在编程模式下，用户可以利用仪器面板的键盘编制所需要的计算程序。编程结,38,束后，程序又返回到测量模式下继续进行测量。,4,）用户程序模式,按下“用户”键时，仪器进入用户程序模式。用户程序是按使用者需要而事先编制并固化在,ROM,中的测量、控制或数据处理程序。如果要结束用户程序模式而进入测量模式，需要按下“返回”键。,5,）自校准模式,自校准模式是由程序控制自动进入的。仪器内部设立了一个,9bit,二进制自校计数器,M,。每一次测量之后,M,的内容加,1,，当计数器计满,512,次（约,3min,）后，调用一次自校准程序，如此循环往复。,39,（,2,）整机工作流程,HG-1850,微处理器,DVM,整机工作流程图如图,9.10,所示。仪器通电后程序首先进行初始设置：设置仪器为测量模式、自动量程状态、显示位为 、,9bit,自校计数器,M,初值为全,1,（即十进制数,511,或,1FFH,）。初始设置完成后，程序使,M,的内容增加,1,，直至,M,产生溢出并成为全零，程序在,M,为零后转入自校准程序，使仪器按顺序测得各个量程的校准参数并存入相应存储单元，为修正每次测量结果做好准备。全部校准参数测完后程序返回 点，,M,再次增加,1,，其内容不再为零，接着程序转入扫描键盘。然后再根据键盘的输入信息来确定程序如何分支。,A,40,3.,键盘与编程模式,图,9.11,是,HG-1850,微处理器,DVM,面板的键盘图，图中“”为按键。键盘分为上下两排，每排有,12,只按键，每个按键上方都设有一只,LED,键灯作为该按键是否有效的指示灯。,当仪器在测量模式下时，每个按键下方的标号表示该键的意义，现说明如下：,Y,设置初值,M1FFH,MM+1,M=0?,访问键盘,编程,?,用户,?,自检,?,决定功能程序,选开关量,模拟变换,修正误差,数据处理,?,数据处理,显示程序,测校准参数,编计算程序,用户程序,检查模拟单元,正常,?,显示故障位置,等待,10s,显示,pass,Y,Y,Y,Y,N,N,N,N,N,N,Y,图,9.10 HG-1850,整机工作流程图,A,41,“,手动”、“连续”两键为互锁键。当“连续”键被按下而有效时，测量自动连续进行，即每测量一次显示读数就自动更新一次。当“手动”键有效时，显示器的内容将随每次按动“手动”键而更新，若不按动该键，显示器的内容将不予更新。,量程选择键“,1”,（,1V,量程）、“,10”,（,10V,量程）、“,100”,（,100V,量程）、“,1000”,（,1000V,量程）以及“自动”（自动量程,图,9.11 HG-1850,型微处理器,DVM,面板键盘图,遥测,自动,1000,100,10,1,0.1,连续,手动,9,8,7,6,5,4,3,2,1,0,+/,用户,返回,计算,自检,编程,统计,log,+,SF,F,R,清除,检查,42,变换）五键为互锁键。用于选择测量量程。,“,遥测”键为自锁键。该键按下时，前面板上的其他键均失去作用，这时从后面板接入键盘将能实现遥测。若再按一次“遥测”键，该键释放，按键指示灯熄灭，前面板键盘各键重新生效。,显示位数键“ ”和“ ”为互锁键。当按下其中一键时，显示位数分别为位、位，按下前者时的测量速度快。,“,自检”键按下后，仪器将暂时脱离测量模式而进行自检。,“,计算”键为自锁键。当用户编制了计算程序后，按动此键就能按照所编程序对测量结果进行处理并显示处理结果，此时该键指示灯点亮。如果再按一次该键，则指示灯熄,43,灭，显示器仅显示测得的电压值。,“,用户”键也为自锁键。如果按下该键，仪器进入用户程序。用户程序已固化在仪器内部。,每个按键上方的标号表示仪器在编程模式下各键的功能。当按下“编程”键时，仪器进入编程模式。此时，各键意义如下：,“,检查”键用于检查或修改程序。连续按动该键时，显示器将依次显示所编程序每一步的内容。,“,清除”键用于清除刚从键盘送入的数据。,“R”,键用于仪器直接显示测量结果。,“F”,键用于仪器显示在,RAM,区开辟的中间寄存器内的内容。,44,“SF”,键代表向寄存器,F,存数。,“+”,，“,”,，“,”,，“ ”，“,log”,五键分别表示加法、乘法、除法、开方和常用对数运算。,“0”,，“,1”,，,，“,9”,，“,+/,”，“, ”,等键用于供编程时设置各种数据、正负号和小数点。,“编程”键除了在进入编程模式时需要按动该键之外，在每次编程之后也需要按动该键。此时，显示器显示“,HI”,，询问用户对测量结果有无上限要求。如果有上限要求可通过键盘送入上限值。这时再按“编程”键，显示器显示“,LO”,，用户可送入下限值。如无上下限要求只要不送数据即可。上下限值设置完毕之后再按一次“编程”键，显示器显示“,END”,，表示编程全部结束，随即返回测量模式。编程方法举例如下：,45,例,9-1,设某热电偶的待测温度,T,与传感器输入电压,U,之间存在的关系为,T,=4.4+7.6,U,+3.8,U,2,+0.2,U,3,，试用,HG-1850,型,DVM,进行测量处理，实现对温度的直接读数。,解：,为了方便,编程，将上式变换,为,T,=0.2(,U,+19),U,+38,U,+22,，然后通,过键盘编制计算程序，,编程键的操作顺序如,表,9-1,。,表,9-1,例,9-1,编程键的操作顺序,顺序,编程,显示器的响应,顺序,编程,显示器的响应,1,编程,PRO,12,R,RES,2,R,RES,13,+,Add,3,+,Add,14,2,2,4,1,1,15,2,22,5,9,19,16,HUL,6,HUL,17,0.,7,R,RES,18,2,0.2,8,+,Add,19,统计,St0,9,3,3,20,编程,HI,10,8,38,21,编程,LO,11,HUL,22,编程,END,46,4.,智能,DVM,的操作使用,智能数字电压表种类繁多，操作方法也不尽相同。但不管哪种型号的仪表，除了正确选用仪表外，均应熟悉其面板结构，按照仪表说明书正确操作使用，否则有可能造成操作错误甚至损坏仪表。在此重点介绍它的调整方式和使用。,（,1,）智能,DVM,的调整方式,1,）全自动调整,仪表的调零及校准都由仪表内部自动进行，外部没有调整机构。,2,）只需调零，校准用外校,使用仪表时，首先要在所用的量程上调零。校准时，一般要在仪表的基本量程上外加标准电池或电压源进行。,47,3,）先调正、负平衡，再校准,先将仪表校准开关置于“正、负平衡”位置，调节平衡电位器，使,DVM,正、负显示值相等或在允许范围内。然后将校准开关拨到校准位置。这时，正、负显示值也应保持平衡，如果不相等，要反复调节并使之达到规定的要求。,4,）先调零平衡，再自校准,先将仪表校准开关放在零平衡位置，调节零平衡电位器，使显示值在,0,之间变化，再把开关拨至校准位置。调节“校准”电位器，使之显示规定的校准电压。此时，相反极性也应显示这一电压，否则需反复调节。,5,）调零、正负校准分别进行,将仪表选择开关先后置于“零调整”、“正校准”、“负校准”,48,位置，调节相应的电位器，使之显示相应的零电压、正校准电压、负校准电压。有的表没有调零挡，其调零是在测量时短路输入端进行的。,6,）开盖调整,如果以上各种外部调整程序都进行完毕后仍达不到理想的显示值时，则需打开机盖，调节内部的“调零”、“校准”、“量程满度”等电位器，使仪表符合技术指标要求。,7,）调节零电流,为了减小零电流的影响，有的,DVM,有零电流调节器。这种,DVM,在测量前也应按规定调节零电流的大小，使显示接近规定值为止。,49,（,2,）智能,DVM,的使用,国产,PZ115A,型数字电压表的前、后面板结构如图,9.12(a),和图,9.12(b),所示。,1,）开机状态,PZ115A,型数字电压表接通电源并经初始化后，自动处于、中速、自动量程、自动校零、本地（即前面板）控制状态，“自动量程”灯和“自动校零”灯亮。,2,）测量信号输入端子,前面板有三个输入端子，“信号高端”通过继电器接到测量电路高端；“信号低端”接测量电路信号低端；“保护端”接仪表保护屏蔽层。一般测量场合，保护端子可以不用，如有明显共模干扰电压时，此端子接共模电压的高端，可以改善共模干扰,50,电源,指示灯,按键,显示器,高端,低端,信号输入,保护端,(a,),校准孔,保险丝座,GPIB,接口,GPIB,地址开关,电源输入,CENTRONIC,接口,(b),图,9.12 PZ115A,型数字电压表面板结构图,51,抑制效果。,3,）键盘功能选择,仪器前面板共有,16,个按键，绝大多数的按键都有两挡功能，按键的左边文字或符号表示该键的第一挡功能，上边文字或符号表示该键的第二挡功能。选择某键第二挡功能时，必须先按红色“换挡”键，再按该键。,4,）自动校零和手动校零,PZ115A,型数字电压表有自动校零功能，在自动校零时“自动校零”灯亮，此时每间隔,5min,自动校零一次。退出自动校零时“自动校零”灯熄灭。当需要人为校零时，可以连续按两次“自动校零”键，该,DVM,便执行两次校零操作，且保持原来的校零模式。校零操作可随时进行，不影响测量。,52,5,）连续取样和单次取样,该,DVM,具有连续取样和单次取样功能。按“单次”键，,DVM,进入单次取样状态，“单次”指示灯亮，此时显示的是按“单次”键后测得的数值，并保持不变，每按一次“单次”键就显示一个新的测量值。按“换挡”键再按“连续”键，,DVM,便进入连续取样状态，“单次”指示灯熄灭。在“只讲”方式不能进入单次测量方式。,（,6,）测量最大值,/,最小值,该,DVM,具有显示最大值,/,最小值功能。按“换挡”键后按“最大,/,最小”键，,DVM,进入显示最大值方式，“最大值”指示灯亮；如果再按“换挡”键后按“最大,/,最小”键，进入显示最小值方式，“最小值”指示灯亮。在显示最大值或最小值状态，显示,53,器始终显示测量过程中出现的最大值或最小值。,在,DVM,处于自动量程方式、“只讲”方式时，不能进入最大值、最小值测量状态。,（,7,）极限判别,该,DVM,具有极限判别功能。在进入极限判别测量之前，用户需要设置被测量的上限和下限值。在极限判别测量状态下，显示器显示出上下限之间的值。如果测量值大于上限值，显示器显示“,H”,，测量值小于下限值，显示器显示“,L”,。当,DVM,工作于“只讲”方式并连接一个“只听”打印机时，大于上限或小于下限的值被打印机打印输出。,进入极限判别态的操作过程：按“极限”键，显示器显示“,H”,，提示用户输入上限值，用户按“换挡”键和数字键输入上,54,限值，再按“置数”键把送入显示器的上限值置入。随后，显示器显示“,L”,，提示用户输入下限值，用户按数字键输入下限值，再按“置数”键把送入显示器的下限值置入。一旦上下限值置入，该,DVM,就进入极限判别测量态。在极限判别态时，再按“极限”键则退出极限判别态。,9.4,自动测试系统、个人仪器与虚拟仪器,9.4.1,自动测试系统,自动测试系统（,ATS,，,Automatic Testing,）是计算机技术和测试技术相结合的产物，是以通用计算机为核心，以标准接口总线为基础，由可程控电子仪器（智能仪器）等构成的现代测试系统。典型自动测试系统如图,9.13,所示。,一个自动测试系统由计算机、多台可程控仪器及,GPIB,三,55,者组成。计算机是系统的控制者，通过执行测试软件，实现对测量全过程的控制及处理；各可程控仪器设备是测试系统的执行单元，完成采集、测量、处理等任务；,GPIB,由计算机及各可程控仪器中的标准接口和标准总线两部分组成，它把各种仪器设备有机地联接起来，完成系统内的各种信息的变换和传输任务。,标准接口,计算机,标准接口,可程控电子仪器,标准接口,可程控电子仪器,标准接口,可程控电子仪器,标准接口,打印机,待测件,标准总线,图,9.13,典型自动测试系统组成,56,自动测试系统具有极强的通用性和多功能性，对于不同的测试任务，只需增减或更换“挂”在它上面的仪器设备，编制相应的测试软件，而系统本身不变。该系统适用于要求测量时间短而数据处理量极大的测试任务中。,9.4.2,个人仪器及系统,个人仪器,PI,（,Personal Instrument,）即,PC,仪器或仪器卡，是在智能仪器的基础上，伴随个人计算机（,PC,）在电子测量领域中的应用而诞生的。它将传统智能仪器中的测量部分配以相应的接口电路制成各种仪器卡，插入到,PC,的总线插槽或扩展箱内，而传统智能仪器所需的控制、存储、显示和操作等任务均移交给,PC,机来承担。个人仪器系统则是由不同功能的仪器卡、插卡箱和一台,PC,机有机结合而构成的自动测试系统。,57,1.,结构形式,个人仪器及系统分为内插件式、模块式两种结构形式，,F,分别如图,9.14(a),和图,9.14(b),所示。,内插件式将仪器插卡直接插入到,PC,机内部的总线扩展槽内，是一种最简单的形式。内插件式结构具有结构简单、使用方便、成本低廉的优点，但难以满足仪器对电流和散热的要求，机内干扰较严重；在组成个人仪器系统时，因无专门,仪器卡,PC,总线,主板,(a),PC,总线,主板,仪器卡,外部机架（插件箱）,个人计算机,个人计算机,(b),图,9.14,个人仪器及系统结构形式,58,为仪器定义的总线，各仪器之间不能直接通信，模拟信号也无法经总线进行传递，故内插件式个人仪器及系统性能较差。,模块式结构具有独立的机箱和独立的电源，可以使仪器免受机内噪声干扰；由于设有专门的仪器总线（,PC-IB,），可以方便地组成仪器系统；因为更换了与微机配合的接口卡，可适应多种个人计算机；而且系统中的仪器模块和接口电路也采用了微型计算机，故模块式个人仪器系统是一种功能强大的分布系统。,内插件式和模块式个人仪器及系统由于未采用统一的标准而不能兼容，因此出现了,VXI,仪器系统。,VXI,仪器系统采用了,VXI,总线。由于,VXI,总线采用了用于仪器模块式插卡的新型,59,互联标准，使得,VXI,总线可以为模块电子仪器提供一个开放的结构，所以不同厂家提供的,VXI,仪器系统的各种仪器模块均可以在同一主机箱内运行。,VXI,仪器系统的有关内容不再作详细分析。,2.,组成,内插件式和模块式个人仪器及系统由硬件、软面板及系统软件等三部分组成。,（,1,）硬件组成,个人仪器及系统硬件是由仪器插件通过总线与微机融合在一起构成的，仪器插件具有接口和测量两大部分电路，如图,9.15,所示。,60,接口部分由接口芯片、地址译码电路、控制电路等部分组成，这与,PC,机的一般功能接口卡的接口电路基本一致。测量部分电路一般包括输入电路、采样保持与,A/D,变换、数据传送、时基与时钟等部分。,地址译,码电路,控制,电路,接口芯片,接口部分,A/D,芯片,S/H,A/D,输入电路,基准,时钟,控制,数据,地址,微机内总线,测量部分,图,9.15,个人仪器硬件电路结构图,61,（,2,）软面板,软面板是显示在微机屏幕上由高分辨率作图生成的仪器面板图形。用户通过操作键盘、移动鼠标器光标或触屏等方式来选择软面板上的按键（软键），实现对个人仪器及系统的操作。,（,3,）系统软件,个人仪器系统一,般有人工控制和程序,控制两种控制方式，,软件系统的一般结构,如图,9.16,所示。,PC,操作系统,软面板控制,用户程序,状,态表,仪器驱动程序,GPIB,命令库,仪器模块,1,仪器模块,2,仪器模块,n,GPIB,仪器,个人仪器,模块,图,9.16,个人仪器控制系统示意图,62,在人工控制方式下，系统软件在微机屏幕上产生一个软面板，用户如同操作传统仪器一样，通过软面板选择功能、量程以及输入有关参数，建立起相应的状态标志提供给仪器驱动程序。软面板的键盘操作一般是以中断方式实现的，当用户按下一个键时，软面板就终止当前执行的功能，判断所按的键。如果按下错误的键就发出声响，以提醒用户；如果按下正确的键，或显示所选参数，或与仪器驱动程序模块进行通信来执行某项操作并实时显示测量结果。,在程序控制方式下，为了方便用户编制测试程序进行自动测试，系统软件提供易记好学的高级命令。用户只需按照语句格式进行编程即可。,仪器驱动程序是最底层的软件，是与,PC,仪器硬件直接联,63,系的软件模块，无论人工操作方式或程序操作方式都要调用仪器驱动程序去执行输入,/,输出操作。仪器驱动程序是直接面向硬件的，实时性强，程序执行速度要求快，一般采用汇编语言编写。,9.4.3,虚拟仪器,虚拟仪器又称为集成仪器，是指在通用计算机上添加几种带共性的基本仪器硬件模块，通过软件组合成各种功能的仪器或系统仪器。其中激励信号是由微机产生的数字信号经,D/A,变换器产生的模拟信号。许多测试功能可以通过对被测信号的采样，经,A/D,变换后实现。数据分析与处理显示等功能还可以完全由软件来实现，从而摆脱由硬件构成一件件仪器再连成系统的传统模式。故从某种意义说，计算机就是仪器，软件就是,64,仪器。,虚拟仪器是由计算机、,A/D,及,D/A,等带共性的硬件资源和应用软件共同组成的。,1.,硬件结构,传统智能仪器由数据采集、数据分析与处理及存储、显示或输出等三部分组成，它们的作用分别是：将输入的模拟信号波形进行整理，并经,A/D,变换成数字信号以待处理；由微处理器按照功能要求，对采集的数据作必要的分析和处理；将处理后的数据存储、显示或经,D/A,变换成模拟信号输出。传统智能仪器一般只有一种功能或数种功能。而虚拟仪器是将具有上述一种或多种功能的通用模块组合起来，通过编制不同的测试软件来构成任何一种仪器而不是某几种仪器。如一,65,块数据采集（,DAQ,，,Data Acquisition,）卡可以完成,A/D,、,D/A,变换、数字输入输出、计数器,/,定时器等多种功能，再配以相应的信号处理电路组件，即可组成能构成各种虚拟仪器的硬件平台。,由于受器件和工艺水平等方面的限制，现阶段虚拟仪器的硬件系统还使用原有的能与计算机通信的各类仪器，例如,GPIB,仪器以及带有,RS-232,接口的仪器或仪器卡等。现阶段虚拟仪器硬件系统结构基本框图如图,9.17,所示。,图像采集（,DSP,）信号调理数据采集卡,GPIB,仪器,GPIB,接口卡,VXI,总线仪器串行口仪器现场总线设备测试软件测控对象,PC,机,/,工作站图,9.17,虚拟仪器硬件结构框图,66,图像采集（,DSP,）,信号调理,数据采集卡,GPIB,仪器,GPIB,接口卡,VXI,总线仪器,串行口仪器,现场总线设备,测试软件,测控对象,PC,机,/,工作站,图,9.17,虚拟仪器硬件结构框图,2.,软件体系结构,典型的虚拟仪器软件产品有,NI,公司的,LabVIEW,和,LabWindows,、,HP,公司的,HP VEE,和,HP TIG,、,Tektronix,公司的,Ez,-Test,和,Tek,-TNS,等。,67,LabVIEW,（,Laboratory,Vitual,Instrument Engineering Workbench,）是美国,NI,公司研制的一个具有直观界面，便于开发，易于学习且具有,多种仪器驱动程序和,工具功能强大的大型,仪器系统开发工具。,其软件体系结构如图,9.18,所示。,仪器驱动程序主,要完成仪器硬件接口,功能的控制。有了仪,仪器驱动程序,消息,寄存器,消息,消息,寄存器,NI-488.2,NI-VXI,NI-DAQ,NI-DSP,系列命令,采集,分析,表示,LabWindows,LabView,驱动,程序,GPIB,VXI,或,MXI,计算,机总,线,RS-,232,Port,图,9.18,LabVIEW,和,LabWindows,软件体系结构,IEEE488.2,68,器驱动程序，用户就不必精通这些仪器的硬件接口，而只要把仪器的用户接口代码及数据处理与分析软件组合在一起，即可迅速而方便地构建一台新的虚拟仪器。,LabVIEW,采用工程人员所熟悉的术语、图标等图形化符号来代替常规的基于文字的程序语言，具有简单、直观、易学的图形编程特点。它的基本程序单元是,VI,（,Virtual Instrument,）。,LabVIEW,可通过图形编程的方法建立一系列的,VI,（虚拟仪器）来完成用户指定的测试任务。例如，简单的测试任务可由一个,VI,完成。对于一项复杂的测试任务，可以分解为一系列的子任务或多项小任务，分解后的任务则由一个相当于常规程序中的一个程序模块的,VI,完成。,69,每个,VI,有两个工作界面，即前面板（,Front Panel,）和框图程序（,Block Diagram,）。前面板是用户进行测试工作时的输入输出界面，如仪器面板等。用户可以通过控制（,Control,）模板选择多种输入控制部件来构成前面板，其中控制部件是用于接收用户的输入数据到程序，指示部件是用来显示程序产生各种类型的输出。框图程序是用户用图形编程语言编写程序的界面，用户可根据预定的测试方案通过功能（,Functions,）模板的选项，选择不同的图形化节点（,Node,），然后用连线的方法把这些连接起来，即可构成所需要的框图程序。,70,本章小结,本章简要介绍了智能仪器的组成、工作原理及有关使用方面的知识,（,1,）具有人工智能的现代测试仪器和系统主要有：独立智能仪器、个人仪器、自动测试系统和虚拟仪器等。,（,2,）独立智能仪器是自身带有微处理器，能独立进行测试的电子测量仪器。,（,3,）自动测试系统是以通用计算机为核心，以标准接口总线为基础，由可程控电子仪器等构成的现代测试系统。自动测试系统具有极强的通用性和多功能性，对于不同的测试任务，只需增减或更换“挂”在它上面的仪器设备，编制相应的测试软件，而系统本身不变。,（,4,）个人仪器系统属于第二代自动测试系统，是由不同功能的仪器卡、查卡箱和一台,PC,机有机结合而构成的自动测试系统。它分为内插件式、模块式两种结构形式，二者的兼容性较差。兼容性好的是,VXI,仪器系统。内插件式和模块式个人仪器及系统由硬件、软面板及系统软件等三部分组成。,71,（,5,）虚拟仪器属于第三代自动测试系统，是指在通用计算机上添加几种带共性的基本仪器硬件模块，通过软件来组合成各种功能的仪器或系统，它由计算机、,A/D,及,D/A,等带共性的硬件资源和应用软件共同