CN1794316A - 计算机自动测量实验仪及实验方法 - Google Patents

Abstract

计算机自动测量技术的应用已非常广泛，做相关实验是在较短时间内学习其最基本和核心知识的一种有效方式。本发明涉及一种实验教学仪器和实验方法。计算机自动测量仪包括数据采集卡组、输入通道基线调节电路、输入通道超限报警与保护电路、输出通道电流放大电路和输出通道过载报警与保护电路。实验仪的报警和保护电路极大地减小了由于误操作而损坏仪器的几率，有效增大了学生的动手范围；实验仪具备多个模/数转换输入通道和数/模转换输出通道，可同时对多个电压信号和对象分别进行测量和控制。实验方法原理直观、内容丰富，特别适用于理、工、农、医等专业大学生进行计算机自动测量的实验教学。也可用于科学研究和工业生产中大批量数据的测量工作。

Description

计算机自动测量实验仪及实验方法

1.技术领域

本发明涉及一种学习计算机自动测量技术的实验仪和实验方法。属于自动测量和自动控制的教学仪器领域。本发明适用于理、工、农、医等专业大学生进行计算机自动测量的实验教学。也可用于科学研究和工业生产中大批量数据的测量工作。

2.技术背景

计算机自动测量技术已经深入地应用到科学研究、仪器制造、工业控制等多个领域。因此，使理、工、农、医各专业的学生掌握基本的计算机自动测量技术是当务之急。但计算机自动测量技术涉及计算机接口，自动控制等多方面内容，学生不大可能对其进行完整系统的学习。通过做实验学习其最基本和核心的知识就成为一种很有用的方式。目前用于微机原理和计算机接口的实验仪器已有不少[中国专利97236574.5和00220170.4]，但专门用于计算机自动测量的实验仪器或系统尚未见报导。

3.发明内容

本发明的目的是针对这种状况提供一种计算机自动测量实验仪和相应的实验方法，使一般理、工、农、医等专业的学生通过做实验在较短的时间内掌握计算机自动测量技术最基本、最核心的知识。本实验仪对学生误操作可能引起的输入电压超限和输出电流过载均有保护措施，能有效地保护计算机主机和数据采集板组的正常工作不受学生误操作的影响。本实验系统结构简单，原理直观，适用于针对一般理工农医等专业的学生的进行的计算机自动测量实验教学。

图1是计算机自动测量实验仪组成框图及其与计算机的连接图。

图2是二端器件IV特性测量接线图。

图3是三极管输出特性测量接线图。

本发明的目的由以下一些措施实现：

(1)自动测量实验仪由数据采集卡组、输入通道基线调节电路、输入通道超限报警与保护电路、输出通道电流放大电路和输出通道过载报警与保护电路组成。实验仪以并行方式与计算机联接。

(2)自动测量实验仪具有N(8-32)个模/数转换输入通道(ACH通道)和M(2-16)个数/模转换输出通道(DA通道)。可同时对多个电压信号进行测量并同时对多个控制对象进行控制。

(3)每个输入ACH通道具备超限报警电路与保护电路。超限报警电路由差分放大电路、比较电压和两个发光二极管(分别为红色和绿色)组成。当输入电压超过电压上限(如5.0V)时，对应的红色指示灯亮。当输入电压低于电压下限(如0V)时，对应的绿色指示灯亮。保护电路由一个上钳位和一个下钳位电路组成，使得无论输入信号如何变化，加载到数据采集板组输入端上的电压始终保持在一定的范围之内，如0-5V。从而保护数据采集板组以及计算机主板不会因为电压过高而被烧坏。

另外，输入通道ACH₀和ACH₁还具备基线(即输入电压为0时，计算机指示的电平)调节功能。基线可以在一定范围内，如-2V～+2V，调节，以利于某些含有直流电压成份的周期性信号的测量。

(4)自动测量实验仪的每个输出通道具备电流放大电路和过载报警与保护电路。通过电流放大，使得输出信号可以驱动较大的负载，如直流电动机等。当其输出电流超过额定电流时，报警指示灯亮，同时输出电路将被自动切断，从而保护数据采集板组以及计算机主板不会因为过载而被烧坏。将负载调节到合适大小后，按一下复位按钮，即可恢复正常工作(报警指示灯灭)。

(5)实验仪上还有一个电压表头和多路选择开关，通过调节多路选择开关，可以检测某一ACH通道上电压信号的大小。

(6)实验系统在操作软件AutoMeas的控制下运行。它具有A/D转换，D/A转换、二端器件测量、RC电路充放电测量和三端器件测量等功能。

计算机自动测量实验仪的使用方法：

(1)用A/D转换功能测量A/D转换芯片的转换曲线

A/D转换器的转换曲线是指A/D转换器输出的数字量与输入的模拟电压之间的关系曲线。对于一个L位的A/D转换器，其输出的数字量Q和输入模拟电压V之间的关系由下式决定：

$Q=\frac{V_x}{V_r}(2^L-1)---\left(1\right)$

其中V_r是参考电压。这一实验内容的目的，就是要通过测量实际A/D转换器的转换曲线，实验验证上面的公式。具体操作步骤如下：

1>将可调直流电压源的输出端与实验仪的某个ACH通道以及电压表相联。

2>运行AutoMeas，点击“A/D转换”，从0V至5V调节直流电源输出电压，从电压表和计算机中分别读出输入模拟电压V_x和对应数字量Q。

(2)用A/D转换功能测量周期性交变信号

将低频信号发生器产生的正弦波(或三角波，锯齿波)接至实验仪的一个输入端和一个示波器上。先通过示波器观察这一信号，记录下其周期、峰—峰值。然后运行软件AutoMeas中的“A/D转换”功能，设定采集频率和文件名后进行测量。如果采集频率、数字量极大值和数字量极小值分别用f_s，Q_max和Q_max表示，则待测信号的频率f_x和信号峰峰值V_pp可按如公式计算：

$f_x=\frac{C}{n}{f}_s---\left(3\right)$

$V_{\mathrm{pp}}=V_r\frac{Q_{\max }-Q_{\min }}{2^L-1}---\left(4\right)$

表1交变信号测量数据通道：ACH0，校准系系数C：1.30采集频率：fs＝50Hz
			参数	计算机	示波器
n	17
			Qmax，Vmax	173	3.41V
Qmin，Vmin	55	1.11V
			fx	2.2Hz	2.0Hz
Vpp	2.27V	2.30V

这里C是校准常数，需要通过测量一个已知周期的周期性脉冲信号来确定。n为一个周期内数字量的个数。它和Q_max以及Q_min都可以从数据文件中得到。具体方法是，打开数据文件，找到一个极大值或极小值，则它与下一个最近的极大值之间的数是一个周期。这个周期里数字量的个数即为n，而这个周期里最大(小)的数字量则为Q_max(Q_min)。表1给出了对一个频率为2Hz、峰—峰值为2.3V的交变信号的测量结果。

(3)用D/A转换功能输出自定义周期性脉冲信号

1>先用文本编辑软件，如写字板等，编写输出波型一个周期的电压值的文本文件；

2>点击D/A转换；

3>选择输出DA通道号和频率；

4>在选择输出波型选择框中选中自定义输出，并选择输出文本文件；

5>输入循环次数；

6>点击输出电压，用示波器观察输出波形。

(4)用二端器件测量功能测量发光二极管的电流电压(IV)特性

1>按图2联接电路；

2>运行AutoMeas，点击“二端器件测量”；

3>点击“File”，输入待写IV数据的文件名；

4>输入限流电阻R₀的值；

5>选择U_cc的DA通道号和U_d的ACH通道号；

6>输入测量频率，U_cc扫描范围和U_cc扫描点数；

7>点击“开始测量”，并观察屏幕上的实时IV曲线。

(5)用三端器件测量功能测量三极管的输出特性曲线

1>按图3联接电路；

2>点击“三端器件测量；

3>选择U_cc和U_bb的DA通道号以及U_c、U_b和U_e的ACH通道号；

4>输入R_b、R_c和R_e的电阻值，以及I_b的电流值；

5>选择U_cc的扫描范围、三极管类型和测量频率；

6>点击“File”，输入用于存放测量数据的文件的文件名；

7>点击“初始化坐标”，对显示曲线的坐标进行初始化；

8>点击“开始测量”，运行程序，并观察屏幕上的实时IV曲线。

Claims (8)

1.一种适用与理工农医等专业大学生进行计算机自动测量与控制实验的自动测量实验仪。它包括数据采集卡组、输入通道基线调节电路、输入通道超限报警与保护电路、输出通道电流放大电路和输出通道过载报警与保护电路(图1)。

2.权利要求1所述的自动测量实验仪，其特征在于它有N个模拟电压输入通道ACH₀-ACH_N-1和M个用于控制的模拟电压输出通道DA₀-DA_M-1。

3.权利要求1所述的自动测量实验仪，其特征在于它的数据采集板组由1个或多个基于PCI或PC总线的数据采集板组成，数据采集板组直接插在计算机主板上的PCI或ESA插槽上而使实验仪与计算机行成并行联接。

4.权利要求1所述的自动测量实验仪，其特征在于，输入通道ACH0和ACH1具备基线(即输入电压为0时，计算机的测量值)移动功能，以利于测量一些含有直流分量的周期性脉冲信号。

5.权利要求1所述的自动测量实验仪，其特征在于，对于输入通道ACH₀-ACH_N-1上的模拟电压具有电压显示、超限电压(上限和下限)报警指示和保护的功能，从而不论ACH₀-ACH_N-1上的输入电压如何，输入至数据采集板组上的电压始终保持在一定范围之内，以保护数据采集板以及计算机主板不会因为电压过高而被烧坏。

6.权利要求1所述的自动测量实验仪，其特征在于，控制输出端DA₀-DA_M-1具有过载报警和自动保护功能。当输出电流超过额定电流时，会自动切断输出线路，以保护数据采集板组以及计算机主板不会因为过载而被烧坏。将负载调至额定范围之内后，按一下复位按钮即可恢复正常工作。

7.权利要求1所述的自动测量实验仪，具备多个模/数转换输入通道和数/模转换输出通道，可同时对多个电压信号进行测量并同时对多个对象进行控制。

8.一种以权利要求1所述的自动测量实验仪为基础的计算机自动测量实验方法。该方法的特征在于，在相关操作软件的控制下，借助常规直流电压源和信号发生器可以完成AD转换、DA转换、二端器件电流电压特性测量、三端器件特性测量和RC电路充放电测量等项实验内容，并具备开发更多其它实验内容的潜力。