專利名稱：計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀及實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的實(shí)驗(yàn)儀和實(shí)驗(yàn)方法。屬于自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制的教學(xué)儀器領(lǐng)域。本發(fā)明適用于理、工、農(nóng)、醫(yī)等專業(yè)大學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。也可用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中大批量數(shù)據(jù)的測(cè)量工作。
2.技術(shù)背景計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)深入地應(yīng)用到科學(xué)研究、儀器制造、工業(yè)控制等多個(gè)領(lǐng)域。因此，使理、工、農(nóng)、醫(yī)各專業(yè)的學(xué)生掌握基本的計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。但計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)接口，自動(dòng)控制等多方面內(nèi)容，學(xué)生不大可能對(duì)其進(jìn)行完整系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。通過做實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)其最基本和核心的知識(shí)就成為一種很有用的方式。目前用于微機(jī)原理和計(jì)算機(jī)接口的實(shí)驗(yàn)儀器已有不少[中國(guó)專利97236574.5和00220170.4]，但專門用于計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)儀器或系統(tǒng)尚未見報(bào)導(dǎo)。
3.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)這種狀況提供一種計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，使一般理、工、農(nóng)、醫(yī)等專業(yè)的學(xué)生通過做實(shí)驗(yàn)在較短的時(shí)間內(nèi)掌握計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)最基本、最核心的知識(shí)。本實(shí)驗(yàn)儀對(duì)學(xué)生誤操作可能引起的輸入電壓超限和輸出電流過載均有保護(hù)措施，能有效地保護(hù)計(jì)算機(jī)主機(jī)和數(shù)據(jù)采集板組的正常工作不受學(xué)生誤操作的影響。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理直觀，適用于針對(duì)一般理工農(nóng)醫(yī)等專業(yè)的學(xué)生的進(jìn)行的計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)。


圖1是計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀組成框圖及其與計(jì)算機(jī)的連接圖。
圖2是二端器件IV特性測(cè)量接線圖。
圖3是三極管輸出特性測(cè)量接線圖。
本發(fā)明的目的由以下一些措施實(shí)現(xiàn)(1)自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀由數(shù)據(jù)采集卡組、輸入通道基線調(diào)節(jié)電路、輸入通道超限報(bào)警與保護(hù)電路、輸出通道電流放大電路和輸出通道過載報(bào)警與保護(hù)電路組成。實(shí)驗(yàn)儀以并行方式與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。
(2)自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀具有N(8-32)個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入通道(ACH通道)和M(2-16)個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出通道(DA通道)。可同時(shí)對(duì)多個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量并同時(shí)對(duì)多個(gè)控制對(duì)象進(jìn)行控制。
(3)每個(gè)輸入ACH通道具備超限報(bào)警電路與保護(hù)電路。超限報(bào)警電路由差分放大電路、比較電壓和兩個(gè)發(fā)光二極管(分別為紅色和綠色)組成。當(dāng)輸入電壓超過電壓上限(如5.0V)時(shí)，對(duì)應(yīng)的紅色指示燈亮。當(dāng)輸入電壓低于電壓下限(如0V)時(shí)，對(duì)應(yīng)的綠色指示燈亮。保護(hù)電路由一個(gè)上鉗位和一個(gè)下鉗位電路組成，使得無論輸入信號(hào)如何變化，加載到數(shù)據(jù)采集板組輸入端上的電壓始終保持在一定的范圍之內(nèi)，如0-5V。從而保護(hù)數(shù)據(jù)采集板組以及計(jì)算機(jī)主板不會(huì)因?yàn)殡妷哼^高而被燒壞。
另外，輸入通道ACH0和ACH1還具備基線(即輸入電壓為0時(shí)，計(jì)算機(jī)指示的電平)調(diào)節(jié)功能?；€可以在一定范圍內(nèi)，如-2V～+2V，調(diào)節(jié)，以利于某些含有直流電壓成份的周期性信號(hào)的測(cè)量。
(4)自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀的每個(gè)輸出通道具備電流放大電路和過載報(bào)警與保護(hù)電路。通過電流放大，使得輸出信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載，如直流電動(dòng)機(jī)等。當(dāng)其輸出電流超過額定電流時(shí)，報(bào)警指示燈亮，同時(shí)輸出電路將被自動(dòng)切斷，從而保護(hù)數(shù)據(jù)采集板組以及計(jì)算機(jī)主板不會(huì)因?yàn)檫^載而被燒壞。將負(fù)載調(diào)節(jié)到合適大小后，按一下復(fù)位按鈕，即可恢復(fù)正常工作(報(bào)警指示燈滅)。
(5)實(shí)驗(yàn)儀上還有一個(gè)電壓表頭和多路選擇開關(guān)，通過調(diào)節(jié)多路選擇開關(guān)，可以檢測(cè)某一ACH通道上電壓信號(hào)的大小。
(6)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在操作軟件AutoMeas的控制下運(yùn)行。它具有A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換、二端器件測(cè)量、RC電路充放電測(cè)量和三端器件測(cè)量等功能。
計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀的使用方法(1)用A/D轉(zhuǎn)換功能測(cè)量A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換曲線A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換曲線是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電壓之間的關(guān)系曲線。對(duì)于一個(gè)L位的A/D轉(zhuǎn)換器，其輸出的數(shù)字量Q和輸入模擬電壓V之間的關(guān)系由下式?jīng)Q定
Q=VxVr(2L-1)---(1)]]>其中Vr是參考電壓。這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的目的，就是要通過測(cè)量實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換曲線，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上面的公式。具體操作步驟如下1>將可調(diào)直流電壓源的輸出端與實(shí)驗(yàn)儀的某個(gè)ACH通道以及電壓表相聯(lián)。
2>運(yùn)行AutoMeas，點(diǎn)擊“A/D轉(zhuǎn)換”，從0V至5V調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓，從電壓表和計(jì)算機(jī)中分別讀出輸入模擬電壓Vx和對(duì)應(yīng)數(shù)字量Q。
(2)用A/D轉(zhuǎn)換功能測(cè)量周期性交變信號(hào)將低頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波(或三角波，鋸齒波)接至實(shí)驗(yàn)儀的一個(gè)輸入端和一個(gè)示波器上。先通過示波器觀察這一信號(hào)，記錄下其周期、峰—峰值。然后運(yùn)行軟件AutoMeas中的“A/D轉(zhuǎn)換”功能，設(shè)定采集頻率和文件名后進(jìn)行測(cè)量。如果采集頻率、數(shù)字量極大值和數(shù)字量極小值分別用fs，Qmax和Qmax表示，則待測(cè)信號(hào)的頻率fx和信號(hào)峰峰值Vpp可按如公式計(jì)算fx=Cnfs---(3)]]>Vpp=VrQmax-Qmin2L-1---(4)]]>
這里C是校準(zhǔn)常數(shù)，需要通過測(cè)量一個(gè)已知周期的周期性脈沖信號(hào)來確定。n為一個(gè)周期內(nèi)數(shù)字量的個(gè)數(shù)。它和Qmax以及Qmin都可以從數(shù)據(jù)文件中得到。具體方法是，打開數(shù)據(jù)文件，找到一個(gè)極大值或極小值，則它與下一個(gè)最近的極大值之間的數(shù)是一個(gè)周期。這個(gè)周期里數(shù)字量的個(gè)數(shù)即為n，而這個(gè)周期里最大(小)的數(shù)字量則為Qmax(Qmin)。表1給出了對(duì)一個(gè)頻率為2Hz、峰—峰值為2.3V的交變信號(hào)的測(cè)量結(jié)果。
(3)用D/A轉(zhuǎn)換功能輸出自定義周期性脈沖信號(hào)1>先用文本編輯軟件，如寫字板等，編寫輸出波型一個(gè)周期的電壓值的文本文件；2>點(diǎn)擊D/A轉(zhuǎn)換；3>選擇輸出DA通道號(hào)和頻率；4>在選擇輸出波型選擇框中選中自定義輸出，并選擇輸出文本文件；5>輸入循環(huán)次數(shù)；6>點(diǎn)擊輸出電壓，用示波器觀察輸出波形。
(4)用二端器件測(cè)量功能測(cè)量發(fā)光二極管的電流電壓(IV)特性1>按圖2聯(lián)接電路；2>運(yùn)行AutoMeas，點(diǎn)擊“二端器件測(cè)量”；3>點(diǎn)擊“File”，輸入待寫IV數(shù)據(jù)的文件名；4>輸入限流電阻R0的值；
5>選擇Ucc的DA通道號(hào)和Ud的ACH通道號(hào)；6>輸入測(cè)量頻率，Ucc掃描范圍和Ucc掃描點(diǎn)數(shù)；7>點(diǎn)擊“開始測(cè)量”，并觀察屏幕上的實(shí)時(shí)IV曲線。
(5)用三端器件測(cè)量功能測(cè)量三極管的輸出特性曲線1>按圖3聯(lián)接電路；2>點(diǎn)擊“三端器件測(cè)量；3>選擇Ucc和Ubb的DA通道號(hào)以及Uc、Ub和Ue的ACH通道號(hào)；4>輸入Rb、Rc和Re的電阻值，以及Ib的電流值；5>選擇Ucc的掃描范圍、三極管類型和測(cè)量頻率；6>點(diǎn)擊“File”，輸入用于存放測(cè)量數(shù)據(jù)的文件的文件名；7>點(diǎn)擊“初始化坐標(biāo)”，對(duì)顯示曲線的坐標(biāo)進(jìn)行初始化；8>點(diǎn)擊“開始測(cè)量”，運(yùn)行程序，并觀察屏幕上的實(shí)時(shí)IV曲線。
權(quán)利要求
1.一種適用與理工農(nóng)醫(yī)等專業(yè)大學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀。它包括數(shù)據(jù)采集卡組、輸入通道基線調(diào)節(jié)電路、輸入通道超限報(bào)警與保護(hù)電路、輸出通道電流放大電路和輸出通道過載報(bào)警與保護(hù)電路(圖1)。
2.權(quán)利要求1所述的自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于它有N個(gè)模擬電壓輸入通道ACH0-ACHN-1和M個(gè)用于控制的模擬電壓輸出通道DA0-DAM-1。
3.權(quán)利要求1所述的自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于它的數(shù)據(jù)采集板組由1個(gè)或多個(gè)基于PCI或PC總線的數(shù)據(jù)采集板組成，數(shù)據(jù)采集板組直接插在計(jì)算機(jī)主板上的PCI或ESA插槽上而使實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)行成并行聯(lián)接。
4.權(quán)利要求1所述的自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，輸入通道ACH0和ACH1具備基線(即輸入電壓為0時(shí)，計(jì)算機(jī)的測(cè)量值)移動(dòng)功能，以利于測(cè)量一些含有直流分量的周期性脈沖信號(hào)。
5.權(quán)利要求1所述的自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，對(duì)于輸入通道ACH0-ACHN-1上的模擬電壓具有電壓顯示、超限電壓(上限和下限)報(bào)警指示和保護(hù)的功能，從而不論ACH0-ACHN-1上的輸入電壓如何，輸入至數(shù)據(jù)采集板組上的電壓始終保持在一定范圍之內(nèi)，以保護(hù)數(shù)據(jù)采集板以及計(jì)算機(jī)主板不會(huì)因?yàn)殡妷哼^高而被燒壞。
6.權(quán)利要求1所述的自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，控制輸出端DA0-DAM-1具有過載報(bào)警和自動(dòng)保護(hù)功能。當(dāng)輸出電流超過額定電流時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷輸出線路，以保護(hù)數(shù)據(jù)采集板組以及計(jì)算機(jī)主板不會(huì)因?yàn)檫^載而被燒壞。將負(fù)載調(diào)至額定范圍之內(nèi)后，按一下復(fù)位按鈕即可恢復(fù)正常工作。
7.權(quán)利要求1所述的自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀，具備多個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入通道和數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出通道，可同時(shí)對(duì)多個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量并同時(shí)對(duì)多個(gè)對(duì)象進(jìn)行控制。
8.一種以權(quán)利要求1所述的自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法。該方法的特征在于，在相關(guān)操作軟件的控制下，借助常規(guī)直流電壓源和信號(hào)發(fā)生器可以完成AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、二端器件電流電壓特性測(cè)量、三端器件特性測(cè)量和RC電路充放電測(cè)量等項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并具備開發(fā)更多其它實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的潛力。
全文摘要
計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用已非常廣泛，做相關(guān)實(shí)驗(yàn)是在較短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)其最基本和核心知識(shí)的一種有效方式。本發(fā)明涉及一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)方法。計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量?jī)x包括數(shù)據(jù)采集卡組、輸入通道基線調(diào)節(jié)電路、輸入通道超限報(bào)警與保護(hù)電路、輸出通道電流放大電路和輸出通道過載報(bào)警與保護(hù)電路。實(shí)驗(yàn)儀的報(bào)警和保護(hù)電路極大地減小了由于誤操作而損壞儀器的幾率，有效增大了學(xué)生的動(dòng)手范圍；實(shí)驗(yàn)儀具備多個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入通道和數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出通道，可同時(shí)對(duì)多個(gè)電壓信號(hào)和對(duì)象分別進(jìn)行測(cè)量和控制。實(shí)驗(yàn)方法原理直觀、內(nèi)容豐富，特別適用于理、工、農(nóng)、醫(yī)等專業(yè)大學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。也可用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中大批量數(shù)據(jù)的測(cè)量工作。
文檔編號(hào)G09B25/00GK1794316SQ200510052030
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月20日
發(fā)明者彭應(yīng)全 申請(qǐng)人:蘭州大學(xué)