第四章 测量数据处理

万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流 表（微安表）做表头。当微小电流通过表头，就会有 电流指示。但表头不能通过大电流，所以，必须在表 头上并联与串联一些电阻进行分流或降压，从而测出 电路中的电流、电压和电阻。测电阻原理: 如图1d所示， 在表头上并联和串联适当的电阻，同时串接一节电池， 使电流通过被测电阻，根据电流的大小，就可测量出 电阻值。改变分流电阻的阻值，就能改变电阻的量程。
微机根据窗口比较器的比较结果来控制数控增 益放大器或数控衰减器中的MUX动作，以实 现量程的切换，微机控制量程自动切换的程序 流程如图4-1-3所示。
4．2 标度变换
被测信号在由测控系统的测量探头探测接收后， 要经历很多道环节的处理，才能在系统面板上显 示出来，这些环节连成的通道就是被测信号从接 收到显示所经历的通道，我们称之为测量通道。
S
x
传感器
K
VX
放大器
VH
VL
图1
E
Fra Baidu bibliotek
A/D
Nx
窗口比较器
通过分析得程控增益放大器的增益应满足下式：
s x E
N FS
0
xi
s i
≤
K
i≤
E
ii
（式1）
注意：1.对于多路集中采集式测试系统，各路的被测量 和传感器灵敏度都不相同，为满足各路信号对通道总 增益的要求，还应在多路开关之后设置程控增益放大 器（PGA）。
一、线性通道的标度变换 对于那些不包含任何非线性环节的数字化测量通道，图4—2—1(b)，(d) A/D转换结果Di与被测量Xi=X0Ni存在如下线性关系
式中：S为传感器灵敏度(即被测量转换成电压的转换系数)； E为A/D转换器满量程输入电压； NFS为A/D转换器满量程输出数字。
只要适当选择和调整放大器增益K使它满足以下条件
当多路开关接通第i通道时，程控增益放大器的增益 K i
须满足式（1）
2.即使是单路信号测试系统，如果被测信号幅度随时 间延续而增大或减小，放大器的增益也要相应的减小 或增大，所以也要设置程控增益放大器或瞬时浮点放 大器，以便在不同时段，使用不同的增益来满足上式 （1）。
量程切换的实质：针对不同的信号幅度，测试 系统必须切换不同的放大增益。当放大器增益 满足了式（1），就意味着测试系统工作在 “最佳量程”。
为了在传感器存在非线性情况下，刻度盘仍采用线性 刻度，就必须增设非线性校正电路。 课本
4．2．2数字显示的标度变换
图4—2—1(b)和(d)所示数字测量通道中，通常要求数字显示器能显 示被测量X的数值Ni，即:
式中，X0为被测对象的测量单位(如温度的单位℃，质 量的单位为kg等)。但是A/D转换结果Di与被测量的数 值Ni并不一定相等。例如被测温度为200℃，经热电偶 转换成热电势，再经放大和A/D转换得到的数字为15， 这个A/D转换结果15虽然与200℃温度是对应的但数字 上并不是相等的。因此，不能当作温度值去显示或打 印，必须把A/D转换结果15变换成供显示或打印的温 度值200，这个变换就是数字显示的标度变换。
无论是模拟显示还是数字显示，在测量通道中 被测量都经历了多次转换即多次量纲变化。因此， 为了使操作人员能从显示器上直接读取带有被测量 量纲单位的数值，就必须进行必要的变换，这个变 换称为标度变换。
4．2．1模拟显示的标度变换
最常见的模拟显示器是模拟表头(例如mA表、mV表 等)，表头指针的偏转角θ与被测量x对应关系。只要将 表头的刻度改换成按被测量刻度就可实现标度变换。 通常的做法是在规定条件下依次给仪器施加标准输入 量X1,X2,…，Xn在表头指针偏转θ1，θ2，…，θn 所指 度盘处各刻一刻线，并在刻线处依次标出X1,X2,…， Xn的值。这样，当指针偏转到θi处或其附近时，操作 员便可从指针所指处读到被测量的值为xi。普通万用 表上电阻、电流和电压刻度就是这种标度变换的典型 实例。
三.窗口比较器
在图（1）中设置了一个窗口比较器，窗口比较电平分别 为
V
=
H
E
VL =
E
N 0 FS
若 V X< V L
则意味着“欠量程”，应该改用大的增益，即切换到较小 的量程。
若V X > V H
则意味着“过量程”，应该改用小的增益，V L即切换到较大 的量程。
四.量程切换的实现
为了实现量程切换，除了在输入通道中采用数 控放大器（程控增益放大器，瞬时浮点放大器） 外，也可以在通道中串入数控衰减器。数控衰 减器可由电阻分压网络和多路开关MUX构成 （图4-1-2）。通过控制MUX可以改变衰减器 的衰减系数。
第四章 测量数据处理
主要介绍微机化测试系 统或测控系统中，微机 对原始数据进行处理的 常规内容及相应算法。
4.1 量程切换
一.量程切换的作用 量程自动切换是实现自动测量的重要主成部分， 它可以使测量过程自动迅速地选择在最佳量程 上，这样既能防止数据溢出和系统过载，又能 防止读数精度损失。
二.量程切换的实质
如果图4—2—1(a)所示模拟测量通道中不包含任何非线 性环节，那么表头指针的偏转角θ也就与被测量x成线 性关系，刻度盘的刻度也就可采用线性均匀刻度，这 样不仅读数很方便而且读数误差也比较小。
但是很多传感器的输入输出特性都不是线性的，如果 测量通道中不采取相应的非线性校正措施，那么指针 的偏转角与被测量x也就不成线性关系。在这种情况下， 表头的刻度也就必须采用相应的非线性刻度。这样读 数既不习惯也不方便，还容易产生较大的读数误差。
4.3 零位和灵敏度的误差校正
一、对于一个理想的线性测试系统来说，有如下的关系
式
y x
k0
（4-3-1）
式中， y—系统的输入，可视为被测量的真值；
x —系统的输出，可视为的转换结果；
k0 —系统的增益，可视为测试通道的标称灵敏度。
就可使A/D转换结果Di与被测量xi的数值Ni相等，在这种情况下才可将A/D转 换结果作为被测量的数值去显示或打印。 课本
二、非线性通道的标度变换 如前所述，很多传感器的输入/输出特性都是非线
性的，在这种情况下测量通道的A/D转换结果Di与被测 量Xi也就不成线性关系，因此就不能再用上述线性通道 的标度变换方法。 一种解决方案是在非线性测量通道 中增设线性校正电路，将非线性通道改造为线性通道。 课本