智能仪器实验指导(精)

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1、智能仪器实验指导(1・0)一、实验教学目的智能仪器是测控技术与仪器专业木科生必修的专业课,是全国高等学校仪器仪表类专业开设的主干课Z-O随着微型计算机及微电了技术在测试领域中的广泛应用,仪器仪表在测量原理、准确度、灵敏度、町靠性、多种功能及自动化水平等方面都发生了巨大的变化,逐步形成了完全突破传统概念的新一代仪器——智能仪器C仪器的智能化已是现代仪器仪表发展的主流方向。在信息技术的高速发展和人工智能应用的推动F,智能仪器必将有更大的进展。因此,学习智能仪器的工作原理、掌握新技术和设计方法无疑是十分重要的。通过智

2、能仪器课程的学习,使学生建立仪器整机系统的概念,掌握智能仪粘软硬件相结合的基木工作原理、主要技术和设计方法,培养学生综合运用所学知识与技术进行仪器设计的能力,提高学生灵活性和创新(创造)意识。为达到本课程教学基本要求,主耍单元教学内容通过相应的设计性或综合性实验,才能加深理解并切实掌握所学的知识和技术,发现并解决实验屮出现的问题,培养独立开展设计实验的能力,积累实践经验。综介单元实验成果,形成较完整的仪器系统,培养学生的综合集成设计能力和技术实现能力。二、实验教学项目设置与任务根据课程教学要求,开设四个单元的设

3、计性实验和一个综合性实验共计16学时(另外需要学生按排计划外16学时),课内外紧密结合,才能保证实验项目实施。计划安排见下表。智能仪器实验教学项目设置一览表序号实验项目名称实验类型学时分配主要仪器设备备注内外1仪用放人器和滤波电路设计与实现设计性实验33万用表、示波器、信号发生器等进入实验前自行完成原理图设计2电压信号数据采集了系统设计与实现设计性33微机、单片机开发系统、信号发生器、示波器等先期完成原理图设计和编写采集程序3键盘及LCD显示设计性23微机、单片机开发系统先期完成原理设计、编写程序4基本数据处理

4、算法设计性23微机先期编写算法程序,拟定实验数据5微机内嵌式智能仪器综合实验综合性44微机、单片机开发系统、信号发生器、示波器、温度计等完成前四个实验并保留其软硬件成果三、实验教学基本要求以微机内嵌式的智能仪器或测控装置的设计与实现为目标,下图表示了以单片机为核心,包括键盘、显示和数据采集通道的基本智能仪器方框图。在完成硬件设计基础上,设计监控程序和数据处理算法,构成了完整的仪器系统。1.仪用放大器和有源虑波电路设计与实现:能够根据被测对象或传感器输出信号的特性,选择合适的运算放大器和阻容器件,设计仪用放大器和

5、抗混叠滤波器,掌握电路调试方法。2.电压信号数据采集子系统设计与实现:能够依据仪器数据采集系统的性能指标要求,选择A/D转换方式、芯片及接口电路,设计采集系统硬件及软件,实现单路电压信号的数据采集。3.键盘及LED显示:部分实验内容在单片机实验中已有,本项实验重点是根据仪器整机功能需要设计键盘和显示,定义键盘功能,编写键盘扫描和LED显示等子程序,掌握仪器监控程序设计和调试方法。4.基本数据处理算法:在理解数据处理基木理论的基础上,编写基本数据处理算法的程序,拟定被处理数据,验证程序的正确性和处理的有效性及局限

6、性;能够根据信号和噪声(干扰)特征,选择合适处理算法和流程。5.微机内嵌式智能仪器综合实验:本实验以温度为测量对象,将实验一到实验四的单元内容综合,完成具有信号采集、处理、键盘控制、显示等功能的智能仪器;掌握标定原理和工程量变换方法;能够对测量结果进行分析。智能仪器实验项目实验项目一仪用放大器和滤波电路设计与实现1.实验目的放大器和滤波器是智能仪器数据采集通道非常重要的坏节,在某种意义下成为影响仪器性能指标的关键电路。通过本实验,使学生能够根据被测对象或传感器输出信号的幅度大小、频率范围等特性,结合所设计仪器采

7、集系统的技术指标,运用模拟电子技术、信号与系统等课程所学的有关知识,设计并实现仪用放大器和抗混叠滤波器。2.设计原理与任务(1)仪川放大器是一种高性能的放大器,其对称性结构口J同时满足对放大器的抗共模十扰能力、输入阻抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。仪用放大器内部基本结构如图卜•图所示,它由三个通川运算放大器构成,第一级为两个对称的同相放人器,第二级是一个差动放大器。仪用放大器上下对称,即图中R

8、=R2,R严R6,Rs=R7o可以推出仪用放人器闭环增益为:Af=-(1+2&/心)他//?4假设心二

9、即笫二级运算放人器增益为1,则可以推出仪用放大器闭坏增益为:Af=-Q+2RJR(J由上式町知,通过调节电阻Rg,可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时,Rc-般为外接电阳,目前,市场上可供选择的仪用放大器较多,在实际的设计过程中,对根据模拟信号调理通道的设计耍求,并结合仪用放大器的主要性能指标确定具体的放人电路。(2)有源或无源RC滤波电路是常用的电路,木实验要

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