第五章 电路与软件系统设汁第五章 电路与软件系统设汁第一节 电路与软件系统概述第一节 电路与软件系统概述 电路系统的作用及其组成电路系统的作用及其组成

1.1. 测量电路 测量电路 信息流的输入通道，由信息处理电路和电源组成信息流的输入通道，由信息处理电路和电源组成作用：将传感器输出的测量信号进行放大、滤波、细分、作用：将传感器输出的测量信号进行放大、滤波、细分、

选通、变换和阻抗匹配等。选通、变换和阻抗匹配等。

2.2. 控制电路控制电路信息流的输出通道，由控制电路、和电源组成。信息流的输出通道，由控制电路、和电源组成。作用：根据中央处理系统发出的命令，对被控参数实行控制。作用：根据中央处理系统发出的命令，对被控参数实行控制。3.3. 中央处理系统中央处理系统是信息处理单元，整个电路系统的中心，整个测控仪器的核心。是信息处理单元，整个电路系统的中心，整个测控仪器的核心。作用：对测量电路系统送来的信号进行运算、处理、显示、存作用：对测量电路系统送来的信号进行运算、处理、显示、存

储、打印等，然后按照仪器的功能要求，向控制电路系统发储、打印等，然后按照仪器的功能要求，向控制电路系统发出控制命令，并通过控制电路和执行器对被控参数实行控制出控制命令，并通过控制电路和执行器对被控参数实行控制

4.4. 电源电源 电平基准。电平基准。5.5. 软件系统软件系统 电路与软件系统的设计要求电路与软件系统的设计要求1.1. 精度要求精度要求

⑴⑴.. 信噪比信噪比

⑵⑵.. 分辨力分辨力

⑶⑶.. 线性度线性度

⑷⑷.. 灵敏度灵敏度

⑸⑸.. 量化误差量化误差

⑹⑹.. 稳定性稳定性

⑺⑺.. 频率特性频率特性

⑻⑻.. 输入与输出阻抗输入与输出阻抗2.2. 响应速度要求响应速度要求3.3. 可靠性要求可靠性要求4.4. 经济性要求经济性要求

电路系统的设计准则电路系统的设计准则（一）总线化准则（一）总线化准则1.1. 内部总线：系统内部连接芯片与芯片、芯片与微处理器的内部总线：系统内部连接芯片与芯片、芯片与微处理器的

元件级总线。元件级总线。 Local BusLocal Bus

从功能上分为：数据总线、地址总线、控制总线从功能上分为：数据总线、地址总线、控制总线2.2. 系统总线：用于连接模板与模板的板级总线系统总线：用于连接模板与模板的板级总线ISA:ISA: 工业标准总线，支持工业标准总线，支持 88 位和位和 1616 位数据并行传输位数据并行传输PCIPCI ：高性能系统总线，支持多个外围设备 ：高性能系统总线，支持多个外围设备 AGPAGP ：为：为 CPUCPU 与图形控制器之间提供一条高速数据通道。与图形控制器之间提供一条高速数据通道。

3.3. 外部总线：用于连接系统与系统之间交换信息与数据的通信外部总线：用于连接系统与系统之间交换信息与数据的通信总线。分为并行和串行总线。分为并行和串行

GP-IB:GP-IB:

RS-232C:RS-232C:

VXIVXI 总线：允许用户将不同厂家的模块用与同一个系统的机箱总线：允许用户将不同厂家的模块用与同一个系统的机箱内，仪器的功能主要有软件决定。内，仪器的功能主要有软件决定。

（二）模块化准则（二）模块化准则将整个电路系统分割成几个功能相互独立，而又相互联系的模将整个电路系统分割成几个功能相互独立，而又相互联系的模

块。块。（三）电磁兼容准则（三）电磁兼容准则

电器电器、、电子产品能在规定的电磁环境中正常工作，并不对电子产品能在规定的电磁环境中正常工作，并不对该环境中其它产品产生过量的电磁干扰。该环境中其它产品产生过量的电磁干扰。

第二节 测控电路设计第二节 测控电路设计一一、测量电路的设计、测量电路的设计1.1. 测量电路的作用及组成测量电路的作用及组成 ⑴ ⑴ 信号调理信号调理 ⑵ ⑵ 信号转换信号转换 ⑶ ⑶ 简单运算简单运算

2.2. 信号调理电路信号调理电路 ⑴ ⑴ 放大电路放大电路（噪声、稳定性、阻抗、增益、速度）（噪声、稳定性、阻抗、增益、速度） 阻抗匹配问题，漂移问题，增益问题阻抗匹配问题，漂移问题，增益问题

⑵⑵ 滤波电路滤波电路（特征频率与带宽、增益与衰耗 、（特征频率与带宽、增益与衰耗 、 阻尼与品质因数 、群时延函数）阻尼与品质因数 、群时延函数）

⑶⑶ 调制解调电路调制解调电路 ⑷⑷ 细分与辩向电路细分与辩向电路3.3. 信号转换电路信号转换电路 阻抗阻抗 // 电压转换电压转换、、电流电流 // 电压转换、模拟电压转换、模拟 // 数字转数字转

换换4.4. 运算电路运算电路 让模拟信号 按一定的数学规律进行计算让模拟信号 按一定的数学规律进行计算

二二、、 中央处理系统的设计 中央处理系统的设计

11 、以计算机为核心的中央处理系统、以计算机为核心的中央处理系统（一）特点与功能（一）特点与功能（（ 11 ）自动对零）自动对零（（ 22 ）量程自动切换）量程自动切换（（ 33 ）多点快速测控）多点快速测控（（ 44 ）数字滤波）数字滤波（（ 55 ）自动修正误差）自动修正误差（（ 66 ）数据处理）数据处理（（ 77 ）复杂控制规律）复杂控制规律

（（ 88 ）多媒体功能）多媒体功能（（ 99 ）通信与网络功能）通信与网络功能（（ 1010 ）自我诊断功能）自我诊断功能（二）中央系统组成（二）中央系统组成主机电路、输入输出接口电路组成主机电路、输入输出接口电路组成输入接口电路作用：输入接口电路作用：输出接口作用：输出接口作用：主机电路作用：主机电路作用：二、基于微处理器的主机电路二、基于微处理器的主机电路（一）单片机特点与功能（一）单片机特点与功能

单片机的选用单片机的选用

1. 1. 对不同单片机的性能进行比较对不同单片机的性能进行比较22 ．必须具备配套的开发系统．必须具备配套的开发系统33 ．选择市场上的主流产品．选择市场上的主流产品

MCS-51MCS-51 单片机外部引脚单片机外部引脚

1.1. 电源及时钟引脚电源及时钟引脚 Vcc, Vss, XTAL1, XTAL2Vcc, Vss, XTAL1, XTAL2

2.2. 控制引脚控制引脚 REST, ,ALE,REST, ,ALE,

3.3. 输入输出引脚输入输出引脚 P0,P1,P2,P3P0,P1,P2,P3

EA_____

PSEN____________

MCS-51MCS-51 单片机内部总体结构单片机内部总体结构

程序存储器程序存储器 EPROMEPROM 的扩展方法的扩展方法扩展一片扩展一片 EPROMEPROM

扩展两片扩展两片 EPROMEPROM

LEDLED 显示器结构显示器结构

LEDLED 显示器的控制方式显示器的控制方式静态显示静态显示：就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二：就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。极管恒定的导通或截止。

动态显示动态显示，就是用扫描的方法一位一位轮流点亮显示器的各，就是用扫描的方法一位一位轮流点亮显示器的各个位。个位。

六位动态显示器接口六位动态显示器接口

键盘接口键盘接口键盘工作原理键盘工作原理

键闭合断开过程行线电压波形键闭合断开过程行线电压波形

单片机对非编码键盘的扫描方式单片机对非编码键盘的扫描方式

11 ．程序控制扫描方式．程序控制扫描方式22 ．定时扫描方式．定时扫描方式33 ．中断扫描方式．中断扫描方式

MCSMCS－－ 5151单片机与键盘单片机与键盘 //显示器接口显示器接口

打印机接口打印机接口

基于微型计算机的主机电路基于微型计算机的主机电路1.1. 内插式内插式特点：构成简便，结构紧凑、成本低但灵活性差特点：构成简便，结构紧凑、成本低但灵活性差注意事项：总线形式和电源容量注意事项：总线形式和电源容量

2.2. 外接式外接式特点：方便灵活，适用于多通道、高速数据采集特点：方便灵活，适用于多通道、高速数据采集

3.3. 组合式组合式

三、控制电路设计三、控制电路设计 11 、控制电路的作用与组成、控制电路的作用与组成 信号转换，放大驱动，信号隔离信号转换，放大驱动，信号隔离

22 、信号转换电路、信号转换电路

模数转换电路模数转换电路

（一）（一） A/DA/D 转换器的技术指标转换器的技术指标11．分辨率．分辨率 对对 DACDAC 来说，分辨率反映了能够分辨出来的输出来说，分辨率反映了能够分辨出来的输出

模拟电压的最小变化量。而对于模拟电压的最小变化量。而对于 ADCADC 来说，分辨来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数据码所需输入率表示输出数字量变化一个相邻数据码所需输入模拟电压的变化量，反映了模拟电压的变化量，反映了 ADCADC此对输入模拟信此对输入模拟信号最小变化的分辨能力。号最小变化的分辨能力。

转换器的分辨率定义为满刻度电压与转换器的分辨率定义为满刻度电压与 22nn 之间比值，之间比值，其中其中 nn 为为 ADCADC或或 DACDAC 的位数。的位数。

22．量化误差：．量化误差： 量化误差是由量化误差是由 ADCADC 的有限分辨率而引起的误差。在不计的有限分辨率而引起的误差。在不计

其它误差的情况下，一个分辨率有限其它误差的情况下，一个分辨率有限 ADCADC 的阶梯状转移的阶梯状转移持性曲线与具有无限分辨率的持性曲线与具有无限分辨率的 ADCADC 转移特性曲线转移特性曲线 ((直线直线 ))

之间的最大偏差，称之为之间的最大偏差，称之为量化误差量化误差。。

3.3. 精度精度绝对精度：在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟电绝对精度：在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟电

压与其理想的电压值之差并非是一个常数，把这个差的最压与其理想的电压值之差并非是一个常数，把这个差的最大值定义为绝对精度。对于大值定义为绝对精度。对于 ADCADC 而言．可以在每一个阶而言．可以在每一个阶梯的水平中心点进行测量，它包括所有的误差，也包括量梯的水平中心点进行测量，它包括所有的误差，也包括量化误差。对于化误差。对于 DACDAC 而言，绝对精度描述了整个工作区间而言，绝对精度描述了整个工作区间实际输出电压与理想输出电压之间的最大偏差。实际输出电压与理想输出电压之间的最大偏差。

相对精度相对精度 : : 它与绝对精度相似，所不同的是把这它与绝对精度相似，所不同的是把这个最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数，或个最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数，或者用二进制分数来表示相对应的数字量者用二进制分数来表示相对应的数字量 .. 它通常它通常本包括能被用户消除的刻度误差。本包括能被用户消除的刻度误差。

4.4. 转换时间转换时间

5.5. 电源稳定度电源稳定度

（二）（二） A/DA/D 转换器接口电路设计转换器接口电路设计 (ADC0809(ADC0809 为例为例 ))

ADC0809ADC0809 引脚及功能引脚及功能2828脚双列直插式封装脚双列直插式封装

ADC0809ADC0809 与与 MCS51MCS51 接口接口

1.1. 程序查询法程序查询法2.2. 定时采样法定时采样法3.3. 中断法中断法五、数模转换电路五、数模转换电路1.1. 位数确定位数确定2.2. 输出接口设计输出接口设计3.3. 转换器的调整转换器的调整4.4. 时钟匹配时钟匹配5.5. 参考电压确定参考电压确定6.6. 输入接口设计输入接口设计

DAC0832DAC0832 与与 80318031 接口接口

33 、驱动电路、驱动电路 功率开关驱动电路，步进电机驱动电路功率开关驱动电路，步进电机驱动电路

44 、信号隔离电路、信号隔离电路

四、电源设计四、电源设计 1.1. 对电源的要求对电源的要求（输入参数、输出参数、稳定度）（输入参数、输出参数、稳定度） 2.2. 常用电源常用电源（电池、线性直流稳压电源、开关性直流稳 （电池、线性直流稳压电源、开关性直流稳

压电源、集成稳压器） 压电源、集成稳压器）

五、 电路系统的抗干扰技术五、 电路系统的抗干扰技术

一、干扰源一、干扰源1.1. 来自信号通道的干扰来自信号通道的干扰2.2. 来自电源的干扰来自电源的干扰3.3. 来自空间辐射干扰来自空间辐射干扰二、干扰的耦合方式二、干扰的耦合方式1.1.静电耦合静电耦合原因：存在寄生电容原因：存在寄生电容

2.2. 电磁耦合电磁耦合原因：两个电路存在互感原因：两个电路存在互感

3.3.共阻抗耦合共阻抗耦合原因：两个电路的电路流经一个公共阻抗原因：两个电路的电路流经一个公共阻抗4.4.漏电流耦合漏电流耦合原因：绝缘不良原因：绝缘不良三、干扰的形态三、干扰的形态1.1. 差模干扰差模干扰

Us——Us—— 差模干扰电压有效值 差模干扰电压有效值 Uo——Uo—— 误差电压有效值 误差电压有效值 0

lg20U

USMRR s

2.2.共模干扰共模干扰相对于公共的电位基相对于公共的电位基准点。在系统的接收准点。在系统的接收电路的两个输入端上电路的两个输入端上同时出现的干扰。同时出现的干扰。

Uc——Uc——共模干扰电压有效值 共模干扰电压有效值 Ue——Ue—— 误差电压有效值误差电压有效值

e

c

U

UCMRR lg20

四、常用抗干扰措施四、常用抗干扰措施1.1. 信号通道干扰的抑制措施信号通道干扰的抑制措施 在开关量信号通道中在开关量信号通道中采用光电耦合器件隔离采用光电耦合器件隔离电路特点电路特点

当开关量用于控制大负荷设备时，采用继电器隔离输出当开关量用于控制大负荷设备时，采用继电器隔离输出

2.2. 模拟量信号通道中干扰的抑制措施模拟量信号通道中干扰的抑制措施

3.3. 电源系统的抗干扰措施电源系统的抗干扰措施在低通滤波器与交流稳压器之间设置一个电源低通滤波器在低通滤波器与交流稳压器之间设置一个电源低通滤波器4.4.空间干扰的抑制措施空间干扰的抑制措施采用屏蔽的方法：静电屏蔽、电磁屏蔽、磁屏蔽采用屏蔽的方法：静电屏蔽、电磁屏蔽、磁屏蔽屏蔽的结构形式屏蔽的结构形式选取屏蔽材料注意事项选取屏蔽材料注意事项5.5. 印刷电路板设计中的抗干扰技术印刷电路板设计中的抗干扰技术①①布局合理 ②元器件选用要正确 ③布线科学布局合理 ②元器件选用要正确 ③布线科学

五、接地技术五、接地技术（一）测控仪器的接地系统（一）测控仪器的接地系统三条地线：低电平信号地线、高功率噪声地线、金属件地线，三条地线：低电平信号地线、高功率噪声地线、金属件地线，

通过一点接地。通过一点接地。（二）测控仪器的浮地系统（二）测控仪器的浮地系统仪器的地线系统和大地之间没有欧姆连接，以浮地作为电平仪器的地线系统和大地之间没有欧姆连接，以浮地作为电平

基准，即参考电平。基准，即参考电平。优点：不受大地电流的影响优点：不受大地电流的影响缺点：安全性差。缺点：安全性差。（三）测控仪器的接地方式（三）测控仪器的接地方式一点接地和多点接地一点接地和多点接地注意：所有导线有一定阻抗，两个分开的接地点难以做到等注意：所有导线有一定阻抗，两个分开的接地点难以做到等

电位。电位。

1.1. 一点接地一点接地串连式一点接地串连式一点接地特点：电路简单，特点：电路简单，容易相互干扰。容易相互干扰。并联式一点接地并联式一点接地特点：防止低频噪声，特点：防止低频噪声，不适何高频场合。不适何高频场合。

2.2. 多点接地多点接地高频场合高频场合缩短地线长度缩短地线长度

3.3. 电路的单地原则电路的单地原则4.4. 电缆屏蔽层的接地电缆屏蔽层的接地位置不同，其效果也不一样位置不同，其效果也不一样

第三节 测控仪器的软件设计第三节 测控仪器的软件设计 一、软件系统的作用于特点一、软件系统的作用于特点 提高使用效率，扩大功能，界面友好，完成特定任务。提高使用效率，扩大功能，界面友好，完成特定任务。 二、软件设计的原则二、软件设计的原则 先进性，可扩展性，灵活性，规范性，系统性。先进性，可扩展性，灵活性，规范性，系统性。 三、软件设计的方法与过程三、软件设计的方法与过程 结构化分析，结构化设计，结构化编程。结构化分析，结构化设计，结构化编程。 四、常用应用软件四、常用应用软件 开发工具软件，数据库管理软件，数据处理与分析软件，开发工具软件，数据库管理软件，数据处理与分析软件， 工程设计软件，办公自动化软件。工程设计软件，办公自动化软件。

第四节 可靠性与故障诊断技术第四节 可靠性与故障诊断技术

一、电路系统的可靠性一、电路系统的可靠性11 、影响硬件可靠性的因素、影响硬件可靠性的因素（一）元件失效（一）元件失效元件失效规律元件失效规律结论：结论：元件的失效形式：元件的失效形式：（二）设计不当（二）设计不当1.1.注意元器件的电器性能：能承受的电压、电流、功率注意元器件的电器性能：能承受的电压、电流、功率2.2.考虑环节条件对硬件参数的影响：温度、干扰、空气考虑环节条件对硬件参数的影响：温度、干扰、空气3.3. 组装工艺组装工艺

22 、提高硬件可靠性的一般方法、提高硬件可靠性的一般方法1.1.注意元器件的电器性能注意元器件的电器性能2.2.考虑环境条件对硬件参数的影响考虑环境条件对硬件参数的影响3.3.考虑组装工艺考虑组装工艺4.4.优化结构设计优化结构设计5.5.冗余设计冗余设计二二、软件系统的可靠性、软件系统的可靠性11 、、软件可靠性的基本概念软件可靠性的基本概念

22 、、软件的可靠性设计方法软件的可靠性设计方法三、故障诊断技术三、故障诊断技术故障诊断步骤故障诊断步骤有效方法：自检有效方法：自检

分析思考题 分析思考题 1. 1. 简单介绍测控仪器电路系统的组成。简单介绍测控仪器电路系统的组成。

2. 2. 简述测控电路抗干扰的常用方法。简述测控电路抗干扰的常用方法。

3. 3. 用用 5151 单片机设计一温控电路。要求：单片机设计一温控电路。要求： 3030秒循环检测一次，温度达到设定值就报警秒循环检测一次，温度达到设定值就报警

并输出信号移走加热盘。并输出信号移走加热盘。