1、,第 五 章测量算法与系统优化设计,目录,5.1 测量算法,5.2 测量精确度的提高,5.3 智能仪器的低功耗设计,5.4 智能仪器的抗干扰设计,习题与思考题,5.1 测量算法,测量算法为仪器实现测量功能所编制的各种程序。 本节介绍智能仪器中常用的几种较典型的算法。,一、量程选择,二、极限判断与越限报警,三、自检算法,四、标度变换,五、智能仪器的软件主流程实例,一、量程选择,1、手动选择量程： 通过键盘输入量程命令，仪器内部的CPU据此输出相应的开关量而设置仪器的量程。,一、量程选择,2、自动选择量程： CPU可根据被测量的大小自动选择适当量程。下图是自动选择量程的流程图。,一、量程选择,3、
2、由系统控制器选择量程：当仪器工作在此方式时，系统控制器通过GP-IB总线向仪器发布量程命令，仪器内部的CPU据此命令送出开关量选择相应的量程。,二、极限判断与越限报警,智能仪器在自动检测参数时，往往要判断被测参数是否超出某个界限，自动检测程序就是将每个被测参数与事先规定的上、下限进行比较，根据比较结果，做出相应的判断，并给出分类操作和报警。下图是自动检测程序流程图。,二、极限判断与越限报警,三、自检算法,智能仪器可进行自测试和自诊断，即自检操作。仪器自检通常是检测电路中的一些测试点，这些测试点在电路正常时的测试值设计时就存在ROM中，在自检过程中CPU把当时测试值与正常值进行比较，如果两者相等
3、或在允许误差的范围之内，则显示PASS（通过），否则显示错误（用代码显示故障部位）。,三、自检算法,自检分三种类型,1、开机自检每当电源接通（或仪器复位）就进行一次，在以后的测量过程中不再进行。主要检查显示器、仪器的接插件、RAM、ROM等，如果正常，使面板显示器全亮，即888或显示仪器的某些特征字符；如不正常，则显示故障代号提醒用户。,三、自检算法,2、周期性自检为了使仪器一直处于最佳的工作状态，大部分自检操作需要在测量过程中周期性地、重复地进行。通常是在每次测量间歇插入一项自检操作，多次测量之后便可完成仪器的全部自检项目，周而复始。,三、自检算法,该算法的核心是将自检例程TSTi按自检序号
4、TNUM的顺序排列成自检项目表，如图所示。自检例程实际就是该项自检的子程序入口地址，在表中占两个字节。自检开始时，根据自检序号和自检项目表的首址TPT找到自检例程，控制便转向该项自检操作。程序中设置故障标志TFi，检测有故障则置1，否则清0。,三、自检算法,图5-3 进行一项自检操作流程图,三、自检算法,图5-4 包括自检的系统操作流程图,三、自检算法,3、键控自检即在仪器面板上设置自检按键，用来启动自检程序，微处理器根据按键译码后转到相应的自检程序执行自检操作。,四、标度变换,智能仪器中各种非电检测量一般均通过传感器转换为电量，再经过A/D转换得到与检测量相对应的数字量。在人机界面中，这些检
5、测量必须以有单位的十进制数显示或打印出来。标度变换完成从数字量到有单位的十进制数据转换过程标度变换有线性变换和非线性变换两种。,四、标度变换,1. 线性变换传感器在额定范围内的输出信号与被测量具有较好的线性关系采用线性标度变换算法。被测量的变换范围为A0Am 物理量的实际测量值为Ax A0对应的数字量为N0， Am对应的数字量为Nm， Ax对应的数字量为Nx，则标度变换公式为：Ax=(AmA0)(NxN0)/(NmN0)+A0,四、标度变换,一般通过一定的处理可以使被测参量的起点A0对应A/D转换值N0为0，这样上式就变为Ax= (AmA0) (Nx/Nm) + A0,四、标度变换,2. 非线
6、性变换传感器在额定范围内的输出信号与被测物理量不成线性关系采用非线性标度变换。如果这种非线性关系可以用数学表达式描述，则可以用数学运算来完成非线性标度变换。描述非线性关系的数学表达式可能是二次以上的多项式，也可能包含开方或其他超越函数的表达式。为了保证运算精度，非线性标度变换算法多采用浮点算法。如果传感器的非线性不能用数学表达式描述，则只好用表格来描述。表格中的数据通过定标来获得，这时非线性标度变换通过查表和插值运算来完成。,BYl951A型数字多用表可测量直流电压、交流电压、电阻和频率。测量直流电压的精度为0.005，最高分辨率达 。它带有GP-IB接口，具备除控制功能之外的其他9种接口功能
7、，仪器具有包括开方、乘法、偏差、比例、统计等在内的12种运算功能，具有自校和自诊断功能，能诊断A/D转换器、数字逻辑电路及显示器等部件的功能，最高采样速率接近300次/秒。,五、智能仪器的软件主流程实例,五、智能仪器的软件主流程实例,该仪器采用电压反馈V/F式的A/D转换器。原理框图见图5-5。V/F转换器把电压转换为与其成比例的频率，而F/V转换器则相反，把频率转换为与其成比例的电压。反馈环的输出为频率f，输入为被测电压Ui，两者的关系为,五、智能仪器的软件主流程实例,K1K4为电路开环增益。若选择电路参数使其满足K1 K2 K3 K41，则上式简化为,若K3、K4保持恒定，则Uif保持线性
8、关系。因为这种转换器把电压直接转换为频率，因而称为V/F式A/D转换器。,五、智能仪器的软件主流程实例,实际上，由于元器件的老化和环境条件的变化，K3、K4的数值会变化，使Uif的定量关系受到破坏，产生误差。为此，仪器每隔2分钟自校准一次。校准原理如下： 在图5-6中，直线是准确的Uf关系曲线， 其方程为 选择常数a100000，fo为已知常数。,当K3、K4变化时，实际的Uf关系如曲线所示，表示为,自校准时，仪器对2V高稳定直流电压进行测量，结果为,五、智能仪器的软件主流程实例,得,在校准期，微处理器根据测量值 、 求出A和B，并存在RAM中。在测量期，根据实际测量值 ，利用 求出较为准确的
9、f值。,五、智能仪器的软件主流程实例,由上式可求得最后所要求的结果为式中 ，,五、智能仪器的软件主流程实例,BY1951A数字多用表的总流程图,5.2 测量精确度的提高,一、随机误差与数字滤波,1. 随机误差及其处理方法,2. 数字滤波程序,二、系统误差的处理,1. 非线性特性的校正,2. 偏移和增益误差的自动校准,3. 归一化技术及频率响应误差的校准,4. 最佳测量方法的自动选择,5.2 测量精确度的提高,一、随机误差与数字滤波智能仪器可利用内部的CPU对测量数据进行加工处理，减少测量过程中产生的随机误差和系统误差，从而大大提高测量精确度。1.随机误差及其处理方法随机误差由一系列互不相干的独
10、立因素，如外界电磁场的微小变化，热状态的起伏、空气的扰动、大地的微震、随机干扰信号对测定值的综合影响所造成的。在相同的条件下多次测量同一被测量时，随机误差的绝对值和符号的变化没有确定的规律，也不可预见。但在多次重复测量时，随机误差服从统计规律。,一、随机误差与数字滤波,1. 随机误差及其处理方法处理方法： 1)、时间平均：对一个不规则的波形，在充分长的时间内进行平均。2)、总体平均：在相同的条件下多次重复测量，然后求出各次测量在同一时间的算术平均。,1. 随机误差及其处理方法3)、滑动平均：对测量数据边平均边移动窗口，每次只需测量一次，平均的次数总是N。,一、随机误差与数字滤波,一、随机误差与
11、数字滤波,2. 数字滤波程序数字滤波程序，就是通过一定的计算或判断来提高信噪比，它与硬件RC滤波器相比有以下优点：,1)、成本低、可靠性高、稳定性好、不存在阻抗匹配问题、通用性好。,2)、可对很低的频率滤波。,3)、灵活性好，可用不同的滤波程序实现不同的滤波方法或改变滤波器的参数适应不同的滤波要求。,常用的数字滤波方法：1)、程序判断滤波：程序判断滤波是根据经验，确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差x，若超过此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉，用上次采样值作为本次采样值；若小于或等于x，表明没有受到干扰，本次采样值有效。当采样信号受到随机干扰和传感器不稳定而引起严重失真时，可以
12、采用此方法进行滤波。,一、随机误差与数字滤波,常用的数字滤波方法：为了加快判断速度，可将经验值取反后以立即数的身份编入程序中，然后用与采样值相加运算来取代比较（减法）运算。例如相邻两次采样值最大不超过2，2取反后为FDH，当两次采样值为3时，（FDH+03H）产生进位说明超限（是干扰）。流程图如图5-9所示。,一、随机误差与数字滤波,一、随机误差与数字滤波,1、程序判断滤波设当前有效采样值放在31H单元，上次采样值存在30H单元中，超限量02H的反码FDH编入程序中。程序清单如下： FILT1: MOV 30H,31H ；采样系列迭代ACALL LOAD ；采样新值（调子程序）在AMOV 31
13、H, A ；暂存新值CLR CSUBB A, 30H ；求上次采样值差JNC FILT11 ；大于0，转CPL A ；小于0则求绝对值，即求补INC A FILT11: ADD A,#0FDH ；新采样差值与超限量相加；(比较)超限否？JNC FILT12 ；不超限，本次有效MOV 31H,30H ；超限，以上次为准 FILT12: RET,一、随机误差与数字滤波,2、中值滤波,中值滤波是对某一参数连续采样n次（n一般取奇数），然后把n次的采样值从小到大排列，再取中间值作为本次采样值。该算法的采样次数常用3次或5次。对于变化很慢的参数，有时也可增加次数。对于变化较为剧烈的参数，此法不宜采用。,
14、一、随机误差与数字滤波,FILT2: MOV A,R2 ；R2R3时，交换R2、R3XCH A,R3MOV R2,A FILT21: MOV A,R3 ；R3R4否？CLR CSUBB A,R4,程序清单如下：,以采样3次为例，三次采样值分别存放在R2、R3、R4中，程序运行之后，将三个数据从小到大顺序排队，仍然存放在R2、R3、R4中，中值在R3中。,2、中值滤波,一、随机误差与数字滤波,JC FILT22 ；R3R4时交换R3、R4XCH A,R3XCH A,R4 ；R3R2否？CLR CSUBB A,R2JNC FILT22 ；R3R2排序结束MOV A,R2 ；R3R2以R2为中值MO
15、V R3,A FILT22: RET ；中值在R3中,2、中值滤波,一、随机误差与数字滤波,3、算术平均值滤波算术平均值滤波法是按输入的N个采样数据xi（i1N），取其平均值作为输入信号Y，即该算法适用于抑制随机干扰。采样次数N越大，平滑效果越好，但系统的灵敏度要下降。为便于求平均值，N一般取4、8、16等2的整数次幕，以便用移位来代替除法。,一、随机误差与数字滤波,设8次采样值依次存放在30H37H的连续单元中，平均值求出后，保留在累加器A中。程序如下：,FILT3: CLR A ；清累加器MOV R2,AMOV R3,AMOV R0,#30H ；指向第一个采样值 FILT30: MOV A
16、,R0 ；取采样值ADD A,R3 ；累加到R2、R3中MOV R3,ACLR AADDC A,R2 ；进位位加到AMOV R2,A ；R2为进位位累加和INC R0CJNE R0,#38H,FILT30,3、算术平均值滤波,一、随机误差与数字滤波,FILT31: MOV R4,#03H ；将（R2、R3）/8，用右移3位实现 LOOP: CLR CRRC AXCH A,R3RRC AXCH A,R3DJNZ R4,LOOPMOV A,R3ADDC A,#00H ；四舍五入，结果在A中RET,3、算术平均值滤波,一、随机误差与数字滤波,4、滑动平均值滤波滑动平均值法采用队列作为测量数据存储器，
17、队列的队长固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果放入队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个最新的数据。计算平均值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均，就可以得到新的算术平均值。这样每进行一次测量，就可计算得到一个新的算术平均值。,一、随机误差与数字滤波,例： 调用子程序RDXP，输入一个x值（三字节浮点数），放入MCS-51的现行工作寄存器区的R6（阶）R2R3中，然后把它放入外部RAM 2000H202FH的队列中（队长为16，队尾指针为内RAM的7FH），最后计算队列中16个数据的算术平均值，结果放到（R1）指向的三字节内部RAM中。,4、滑动平均值滤波,一、随机误差与
18、数字滤波,FSAV: LCALL RDXP ；读入输入值xMOV A,7FH ；队尾指针MOV B,#3 ；一个数据为3字节浮点数MUL ABMOV DPTR,#2000H ；队首地址ADD A,DPL ；计算队尾地址MOV DPL,AMOV A,R6 ；存放x值MOVX DPTR,AINC DPTRMOV A,R2MOVX DPTR,AINC DPTRMOV A,R3MOVX DPTR,AMOV A,7FH ；调整队尾指针INC A,4、滑动平均值滤波,一、随机误差与数字滤波,CJNE A,#16,FSA1 ；循环队列CLR A FSA1: MOV 7FH,AMOV R0,#15 ；累加15
19、次INC DPTR FSA2: MOV A,DPLCJNE A,#30H,FSA3 ；循环对列在外RAM2000H202FHMOV DPL,#0 ；循环 FSA3: MOVX A,DPTRMOV R7,AINC DPTRMOVX A,DPTRMOV R4,A INC DPTRMOVX A,DPTRMOV R5,A,4、滑动平均值滤波,一、随机误差与数字滤波,INC DPTRCLR 3AH ；执行加法子程序的需要LCALL FABP ；R6（阶）R2R3R7（阶）；R4R5 R4（阶）R2R3MOV A,R4MOV R6,A ；准备下一次累加DJNZ R0,FSA2MOV C,ACC.7 ；暂存
20、累加和的符号位DEC A ；阶码减4，相当于除以16DEC ADEC ADEC AMOV ACC.7,C ；恢复y的符号位MOV R4,ALCALL FSTR ；存放yRET,4、滑动平均值滤波,一、随机误差与数字滤波,5、去极值平均滤波去极值平均滤波采用的方法是：连续采样n次后累加求和，同时找出其中的最大值和最小值，再从累加和减去最大值和最小值，按N2个采样值求平均，即得有效采样值。该方法可以将明显的脉冲干扰消除，从而使平均滤波的输出值更接近真实值。,例： 连续进行4次数据采样，去掉其中最大值和最小值，然后求剩下的两个数据的平均值。R2R3存放最大值，R4R5存放最小值，R6R7存放累加和及
21、最后结果。连续采样不限于4次，可以进行任意次，这时，只需改变R0中的数值，程序框图如图3-11所示。,一、随机误差与数字滤波,5、去极值平均滤波,一、随机误差与数字滤波,CLR AMOV R2,A ；0最大值寄存器R2R3MOV R3,AMOV R6,A ；0累加和寄存器R6R7MOV R7,AMOV R4,#3FH ；3FFFH最小值寄存器R4R5MOV R5,#0FFHMOV R0,#4H DAV1: LCALL RDXP ；读A/D B、A（调采样子程序）MOV R1,A ；采样值低位暂存R1，高位在BADD A,R7 MOV R7,A ；低位加到R7 MOV A,BADDC A,R6M
22、OV R6,A ；高位加到R6，（R6、R7）+（BA）R6R7CLR C ；输入值（R2R3） ？MOV A,R3,5、去极值平均滤波,一、随机误差与数字滤波,SUBB A,R1 MOV A,R2SUBB A,BJNC DAV2 ；否，转MOV A,R1 ；是MOV R3,AMOV R2,B ；输入值R2R3 DAV2: CLR C ；输入值（R4R5） ？MOV A,R1SUBB A,R5MOV A,BSUBB A,R4JNC DAV3 ；否，转MOV A,R1 ；是MOV R5,A ；输入值R4R5MOV R4,B,5、去极值平均滤波,一、随机误差与数字滤波,DAV3: DJNZ R0,
23、DAV1 ；N10 ？CLR CMOV A,R7SUBB A,R3XCH A,R6SUBB A,R2XCH A,R7SUBB A,R5XCH A,R6SUBB A,R4CLR CRRC AXCH A,R7RRC AXCH R7,ARET,；N个采样值的累加和减去最大值和最小值，N4,；剩下的数据求平均值（除2）,5、去极值平均滤波,一、随机误差与数字滤波,二、系统误差的处理,系统误差是由测量系统本身缺陷引起的，它随系统不同或条件不同而改变，对系统误差无通用的处理方法。下面介绍几种智能仪器中常用的系统误差处理方法。,1. 非线性特性的校正由于许多传感器、检波器及其他器件的输出信号与被测参数存在明
24、显的非线性，为使智能仪器直接显示各种被测参数并提高测量精度，必须对非线性特性进行校正，使之线性化。,1)、校正函数假设器件的输出x与输入y的特性 xf（y）存在非线性，现计算下列函数Rg（x）g f（y） 使量R与y间保持线性关系，则函数 g（x）便是校正函数。,1. 非线性特性的校正,1. 非线性特性的校正,1)、校正函数例如：半导体二极管检波器的输出电压U0与输入电压Ui成指数关系，即为了得到线性结果，计算机必须对数字化后的输出电压进行一次对数运算：使R与Ui之间存在线性关系。,1. 非线性特性的校正,2)、连续函数拟合用连续函数进行拟拟合，首先要确定拟合函数的类型，通常根据人们对所研究对
25、象的了解来进行选择。若事先缺乏了解，则可根据曲线的外形来估计函数形式。常用的拟合函数有解析函数（如1/x，xm和logx）和多项式。,1. 非线性特性的校正,2、连续函数拟合例如：一热电耦的线性范围至400 ，线性输出为54uV/ ，要求用连续函数进行拟合，使线性范围扩大一倍，如图中直线所示。,1. 非线性特性的校正,2)、连续函数拟合热电耦的特性可用2次多项式进行拟合：y=Ax+Bx2拟合函数曲线如图中虚线所示，在曲线上取两点： M(13.5，250)，N(42.3，750)于是有,解得 A=18.85（/mV），B=-0.026（/mV2）所以,1. 非线性特性的校正,3)、分段函数拟合分
26、段拟合是将器件非线性函数的整个区间划分成若干段，每段用一个多项式来拟合，通常是用直线或抛物线来拟合。 分段直线拟合分段直线拟合是用一条折线来拟合器件的非线性曲线，如图3-13所示。图中y是被测量，x是测量数据，用三段直线来逼近器件的非线性曲线。,1. 非线性特性的校正,3)、分段函数拟合, 分段直线拟合直线表达式y=ax+b，在直线段上找出两点坐标，得两个方程。联立求解，获得参数a、b。,1. 非线性特性的校正, 分段抛物线拟合分段抛物线拟合是用多段抛物线来拟合器件的非线性曲线。抛物线表达式y=ax2+bx+c，可在抛物线上找出三点坐标，获得三个三元一次方程组，联立求解，获得a、b、c参数。,
27、3)、分段函数拟合,1. 非线性特性的校正,4)、查表和插值法这种方法先将校准数据点( x0 ，y0)，( x1 ，y1)， （yn，xn）存于存储器内。 设有测量数据x，xi-1xxi，校准时先根据x值查表得（xi-1,yi-1），（xi，yi）点，再用插值法求较精确的y值。常用的线性插值公式如下：,2. 偏移和增益误差的自动校准,自动校准的基本思想是仪器在开机后或每隔一定时间自动测量基准参数，如数字电压表中的基准电压或地电位等，然后计算误差模型，获得并存储误差因子。 在正式测量时，根据测量结果和误差因子计算校准方程，从而消除误差。,2. 偏移和增益误差的自动校准,自动校准的典型例子有：,1
28、）、数字电压表输入单元的自动校准,（1）普通数字电压表的输入单元,数字电压表的输入单元主要由输入衰减器和输入放大器组成。输入单元的衰减系数或放大系数的误差，以及输入放大器的零点漂移都将使整机测量产生误差。,图5-15 普通数字电压表输入单元,2. 偏移和增益误差的自动校准,1）、数字电压表输入单元的自动校准,（2）自动校准的输入单元,在微处理器控制下，智能数字电压表随时测出零点偏移值和增益误差值。每当测量待测电压时，从读数中自动修正误差以获得正确的读数，从而降低对绝大多数元器件长期稳定性的要求，输入放大器失调电压的影响也可以消除，甚至可以不需调节零点电位器。,2. 偏移和增益误差的自动校准,1
29、）、数字电压表输入单元的自动校准,（2）自动校准的输入单元,图5-16 自动校准的数字电压表输入单元,2. 偏移和增益误差的自动校准,1）、数字电压表输入单元的自动校准,（2）自动校准的输入单元,A1是输入放大器。放大器A2与R、R1和R2组成有源衰减器。R1和R2构成 10：1基准衰减器。R3、R4组成分压器，分压比M为：,2. 偏移和增益误差的自动校准,1）、数字电压表输入单元的自动校准,（2）自动校准的输入单元,放大器A1和A2的失调电压分别等于Uos1和Uos2，它们一般不等于零。A1和A2的开环放大倍数分别为K1和K2。这些放大器都具有高阻抗的场效应管输入级，所以失调电流可忽略。Er
30、是一个正的基准电压，要求有很好的长期稳定性。各开关(绝大多数是场效应管)的激励状态不同，输入单元就完成不同量程的测量和校准。下面仅以1V量程为例进行讨论。,2. 偏移和增益误差的自动校准,1）、数字电压表输入单元的自动校准,（3）1V量程测量方式,在1V量程，S1和S9接通，其余断开，等效电路为图5-17。 A1同相输入端上的电压为 Ui+Uos1，反相输入端上的电压为,图5-17 1V量程等效电路之一,图5-17 1V量程等效电路之一,2. 偏移和增益误差的自动校准,1）、数字电压表输入单元的自动校准,（3）1V量程测量方式,于是可写出：,经A/D转换后得数字量,2. 偏移和增益误差的自动校
31、准,1）、数字电压表输入单元的自动校准,（4）1V量程零点偏移校准参数B,这时开关S6、S9闭合，其余开关均断开，得：,U0进入模数转换器，得到数字量B,图5-17 1V量程等效电路之一,2. 偏移和增益误差的自动校准,1）、数字电压表输入单元的自动校准,（5）1V量程增益误差校准参数H,这时S9、S10、S13、S15开关接通，其余开关均断开。等效电路如图5-18：,图5-18 1V量程等效电路之二,2. 偏移和增益误差的自动校准,1）、数字电压表输入单元的自动校准,（5）1V量程增益误差校准参数H,对于放大器A2应有,根据叠加原理得到：,而UR与U0的关系是,经A/D转换后得参数H,得,2
32、. 偏移和增益误差的自动校准,1）、数字电压表输入单元的自动校准,（6）1V增益零点偏移误差校准参数K,这时S9、S10、S13、S16开关接通，其余开关均断开。这时的输出电压U0：,经模数转换后得到“1V增益零点偏移误差校准系数K”,2. 偏移和增益误差的自动校准,1）、数字电压表输入单元的自动校准,（7）校准方程,这就是01V量程的校准方程，只要测出D0、B、H和K，就可以根据上式算出准确的Ui 。,上两式相除得校准方程：,2. 偏移和增益误差的自动校准,2）、校准存储器方式例如在诸如Flucke 8502A数字万用表内采用的校准存储器方式，它的工作原理是：如果把精度很高的10.0000V
33、电压加到仪器输入端，显示为10.0004V，则得校准系数为0.0004，存入校准存储器。以后每测量一次，就把这一校准系数计入被测参数，从而消除误差。,3. 归一化技术及频率响应误差的校准,归一化的测量过程是：先不接入被测器件，测出系统本身的传输频响或反射频响等特性，经对数运算后存储起来，作为标量校准系数。然后接入被测器件，再测得相应的频响特性，经对数运算后，减去（相当与除以）相应的标量校准系数，经过正确的定标，所得的结果就是被测器件的真正频响。这里所讲的归一化技术，就是用一已知函数（归一化函数用于补偿器件的某种失真）去除所测得的函数。,3. 归一化技术及频率响应误差的校准,如图5-19中，曲线
34、a代表测试系统本身的频响；曲线b代表接入被测器件后的总的频响；曲线c表示测试系统归一化的频响，即理想化的测试系统频响；曲线d表示被测件的真正频响，即归一化后的频响，它不包含系统本身的频响。,图5-19 频响的归一化,4. 最佳测量方法的自动选择,由于对一个物理量的测量方法通常有多种算法。各种测量算法在不同的条件下会得到不同的测量精度。所以可以在一个仪器内设置多种测量方法测量某一参数，当测量条件改变时微处理器会自动选择一种最佳的测量方法进行测量，使仪器在各种条件下都能获得较高的测量精度。例如：若用直接计数测量频率的方法，对于低频率的测量误差较大，可改用测周期求倒数获得频率，能得到较高的测量精度。
35、,4. 最佳测量方法的自动选择,又如测相位差，HP5335A通用计数器测量相位时，是测量两信号的时间间隔T1及它们的周期T，相位差:,如果T1很小，则 的精度就下降，这时可以用倒相法，即将其中一个信号反相后进行测量，最后在从结果中扣除180o。,图5-20 小相位的测量,5.3 智能仪器的低功耗设计,现在设计智能仪器时一般都有下列要求：（1）首先要求仪器体积小、重量轻、便于携带。 （2）能用于没有交流供电的场合，各种电池(瓶)就成为它主要的供电手段。 （3）采用低功耗电路设计方法，以低功耗为主要技术指标。 （4）具有存储数据的能力，数据通信的能力。,一、低功耗设计概述,进行智能仪器的低功耗设计
36、具有如下重要的意义：（1）实现“绿色”电子，节省能源。 （2）提高了电磁兼容性和工作可靠性。 （3）促进便携化发展。,5.3 智能仪器的低功耗设计,一、低功耗设计概述,Intel公司的MCS-51系列单片机中有HMOS和CHMOS两种工艺制作的芯片。其中80C3l80C5187C5l/89C51单片机是由HCMOS工艺制造而成，因而它的功耗低、抗干扰能力强，并具有掉电及待机运行模式。在5V供电12MHz时钟条件下，耗电仅为16mA。若采用了待机运行模式，功耗将会更小。而HMOS的同类单片机功耗为150mA。,二、51系列单片机的低功耗运行,5.3 智能仪器的低功耗设计,1. 80C51单片机的
37、两种节电方式80C51的节电运行模式： 待机运行模式 （标准节电运行工作方式） 掉电运行模式,二、51系列单片机的低功耗运行,5.3 智能仪器的低功耗设计,1. 80C51单片机的两种节电方式,1）、待机运行模式将80C51单片机特殊功能寄存器中的功耗控制寄存器PCON的D0位（IDL）置位后，80C51即进入待机运行模式。进入待机模式后，片内振荡器继续振荡，RAM的状态被完整地保留下来，如堆栈指针、程序计数器、程序状态字、累加器及其他所有的寄存器均保存为待机前的状态，各口的片脚也都保存着待机前的逻辑状态，ALE和PSEN均进入无效状态，中断系统、定时/计数器及串行口可以照常工作。,1. 80
38、C51单片机的两种节电方式,结束待机的两种方法：,中断：任何已开放的中断提出中断申请都会终止待机运行状态。单片机响应中断，在中断服务程序的RETI指令执行后，单片机返回执行刚才申请待机指令的下一条指令。,硬件复位：由于时钟振荡器还在振荡，只需RESET复位信号持续两个机器周期就可以完成复位，结束待机模式。,1）、待机运行模式,1. 80C51单片机的两种节电方式,PCON寄存器是功耗控制寄存器，其各位功能如下表所示,SMOD： 波特率控制位，该位置1时，波特率加倍。 GF1、GF0：供用户使用的通用标志位。 PD： 掉电位，该位置1时单片机进入掉电运行模式。 IDL： 待机位，该位置1时单片机
39、进入待机运行模式。,1）、待机运行模式,1. 80C51单片机的两种节电方式,标志位GF0和GF1可用于区分正常状态与休息状态所发生的中断。在执行进入待机运行的指令之前，先设置这一个或两个标志，在以中断方式终止待机运行模式时，由中断服务检查这些标志来判断本次中断是在何种运行模式下发生。,1）、待机运行模式,1. 80C51单片机的两种节电方式,2）、掉电运行模式,将80C51单片机中的PCON寄存器中PD位置1，80C51即进入掉电运行模式。该模式主要用于掉电时片内RAM中的数据保存。这时单片机的电源电压可降至2V，单片机的功耗也降至最小。,1. 80C51单片机的两种节电方式,结束掉电运行模
40、式的唯一方法是复位，复位将使振荡器解冻并使得单片机从0000H地址开始执行程序。复位信号应保持足够长的时间，以保证振荡器的起振和稳定（一般为10ms）,2）、掉电运行模式,1. 80C51单片机的两种节电方式,3）、待机与掉电模式下I/O端口的状态和处理,在低功耗单片机应用系统中，应根据使用的要求和降低功耗的要求，在进入待机与掉电模式前，对80C31的P0、P1、P2、P3寄存器写入一些特定的数据。,2. 单片机与外围芯片的逻辑电平及驱动能力,在设计最小功耗应用系统时，不仅要求选用低功耗单片机，在外围电路中也应选择低功耗的芯片及器件。于是必须了解不同类型的逻辑电平及其I/O口。,CMOS与TT
41、L逻辑电平不同点：,1、CMOS的逻辑1电平比TTL逻辑1的电平高,2、CMOS的逻辑电平与Vcc有关，而TTL逻辑电平在Vcc给定时，它的逻辑电平符合标准规范。,下表为当Vcc=+5V时74HC、74HCT、LSTTL、HMOS型8051 、 HCMOS型80C51的逻辑电平,2. 单片机与外围芯片的逻辑电平及驱动能力,三、存储器的低功耗运行,在一般的单片机应用系统中，存储器的功耗都较大，所以在低功耗单片机应用系统的设计中要注意：1、选用HCMOS工艺的存储器 这种存储器的功耗比NMOS工艺的存储器的功耗低得多，见表5-6,三、存储器的低功耗运行,2、采用维持工作方式 EPROM的维持方式当
42、存储器片选脚CE为0时，存储器处于工作方式，可以读写。当存储器片选脚CE为1时，存储器处于维持工作方式，不能读写，这时功耗较低。,三、存储器的低功耗运行,对会进入待机工作方式的80C31可采用此连接方式,对会进入掉电工作方式且EPROM容量小于32K字节的80C31可采用此连接方式,对会进入掉电工作方式且EPROM容量大于32K字节的80C31可采用此连接方式, RAM和EEPROM的维持工作方式当存储器片选脚CE为0时，存储器处于耗电的工作方式。 当存储器片选脚CE为1时，存储器处于节电的维持工作方式。,三、存储器的低功耗运行,为了使RAM存储器在不读写时处于节电的维持工作方式可采用左图所示
43、电路,三、存储器的低功耗运行,对于会进入掉电或待机工作方式的80C51低功耗系统，也可采用此电路。为复位时，P3口已为FFH，同时由于采用了外RAM和E2PROM，P3口不会另作它用，口锁存器内容始终为“1”，进入掉电或待机工作方式后，RD、WR输出为“1”，保证RAM/E2PROM处于节电的维持工作方式。,对于6264有两个片选端CE1，CE2，只要将CE2接高电平，CE1按下图接即可。,四、低功耗单片机应用系统设计方案,一个单片机系统的功耗是由很多方面的原因来决定的，它主要取决于系统的技术指标、芯片和器件的选择，以及系统的工作方式。,四、低功耗单片机应用系统设计方案,要设计好一个低功耗单片
44、机应用系统，通常需要采用以下方法：,1、选用CMOS集成电路。,2、选择低电压供电。,3、尽量选用高速低频工作方式，因为CMOS电路的静态功耗几乎为零。,4、选用低功耗的外围器件。,5、选用低功耗高效率的电路。,6、采用低功耗的工作方式。,7、合理地选择系统技术指标。,8、采用分区分时供电方式。,9、在软件设计上采取相应措施。,9、在软件设计上采取相应措施。,四、低功耗单片机应用系统设计方案,尽量压短CPU的运行时间，尽可能地采用待机和掉电运行方式 ，尽量用软件来代替硬件。,采用以下软件措施 ：,（1）尽量不采用软件循环延时的工作方式，而应采用定时中断的工作方式。,（2）尽量充分地利用待机时单
45、片机内定时/计数器的功能来计时和计数。这样既节省了功耗，又完成了测量工作。,（3）在RS-232通信模块的软件设计中，应尽量提高传送的波特率。发送和接收时不要循环等待，而应采用串行中断。,（4）在无谓等待时，可先进入等待或掉电状态，以降低功耗。,（5）对于可外部关断的外围器件，可以通过单片机的I/O脚直接用软件来控制其关断和合上。,5.4 智能仪器的抗干扰设计,一、主要干扰源及相应的抗干扰措施现场干扰一般都是以脉冲的形式进入智能仪器，干扰窜入的主要渠道有三条：供电系统干扰过程通道干扰空间辐射干扰。,5.4 智能仪器的抗干扰设计,一、主要干扰源及相应的抗干扰措施1. 供电系统干扰及抗干扰措施电源
46、干扰有过压、欠压、浪涌、下陷、尖峰电压和射频干扰等。为防止从电源系统引入干扰，智能仪器可采用下图所示供电配置。,一、应用系统的主要干扰源及相应的抗干扰措施,2. 过程通道干扰及抗干扰措施过程通道是前向接口、后向接口与主机或主机相互进行信息传输的路径，在过程通道中长线传输的干扰是主要因素。当计算机主振频率为1MHz时，传输线大于0.5m或主振为4MHz时，传输线大于0.3m，即作为长线传输处理。为了保证长线传输的可靠性，主要措施有：光电耦合隔离措施光电耦合的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。双绞线传输双绞线虽然频带较差，但波阻抗较高，抗共模噪声能力强
47、。双绞线能使各个小环路的电磁感应干扰相互抵消，故对电磁场有一定抑制效果。,一、应用系统的主要干扰源及相应的抗干扰措施,2. 过程通道干扰及抗干扰措施长线传输的阻抗匹配阻抗不匹配的传输线会产生反射，使信号失真。传输线的阻抗匹配有四种形式：,终端并联阻抗匹配,始端串联匹配,终端并联隔直流匹配,终端接钳位二极管匹配,一、应用系统的主要干扰源及相应的抗干扰措施,3. 空间干扰和抗干扰措施空间干扰主要是通过电磁波辐射窜入应用系统的。空间干扰可能来自系统内部或外部。一般情况下，空间干扰的抗干扰设计主要是地线设计、系统的屏蔽和布局设计。,二、印制电路板及电路的抗干扰设计,1. 地线设计,(1)、单点接地与多
48、点接地选择当工作频率小于1MHz时，采用单点接地。当工作频率大于10MHz时，采用多点接地。当工作频率在110MHz之间时，如果用单点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则宜采用多点接地法。,(2)、数字、模拟电路分开，分别与电源端地线相连，尽量加大线性电路的接地面积。,(3)、接地线应尽量加粗。,(4)、接地线构成闭环路。,二、印制电路板及电路的抗干扰设计,2. 电源线布置,(1)、根据电流的大小，尽量加粗导体宽度。,(2) 、电源线、地线的走向尽量要与数据传递的方向一致。,二、印制电路板及电路的抗干扰设计,3. 去耦电容配置一般在印制电路板的各个关键部位配置去耦电容。,(1)、电源输入端跨接10100uF的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。,(2)、每个集成电路芯片都应安置一个0.01uF的陶瓷电容器。,
