專利名稱：計算機自動測量實驗儀及實驗方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種學習計算機自動測量技術的實驗儀和實驗方法。屬于自動測量和自動控制的教學儀器領域。本發(fā)明適用于理、工、農、醫(yī)等專業(yè)大學生進行計算機自動測量的實驗教學。也可用于科學研究和工業(yè)生產中大批量數(shù)據(jù)的測量工作。
2.技術背景計算機自動測量技術已經深入地應用到科學研究、儀器制造、工業(yè)控制等多個領域。因此，使理、工、農、醫(yī)各專業(yè)的學生掌握基本的計算機自動測量技術是當務之急。但計算機自動測量技術涉及計算機接口，自動控制等多方面內容，學生不大可能對其進行完整系統(tǒng)的學習。通過做實驗學習其最基本和核心的知識就成為一種很有用的方式。目前用于微機原理和計算機接口的實驗儀器已有不少[中國專利97236574.5和00220170.4]，但專門用于計算機自動測量的實驗儀器或系統(tǒng)尚未見報導。
3.發(fā)明內容本發(fā)明的目的是針對這種狀況提供一種計算機自動測量實驗儀和相應的實驗方法，使一般理、工、農、醫(yī)等專業(yè)的學生通過做實驗在較短的時間內掌握計算機自動測量技術最基本、最核心的知識。本實驗儀對學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措施，能有效地保護計算機主機和數(shù)據(jù)采集板組的正常工作不受學生誤操作的影響。本實驗系統(tǒng)結構簡單，原理直觀，適用于針對一般理工農醫(yī)等專業(yè)的學生的進行的計算機自動測量實驗教學。


圖1是計算機自動測量實驗儀組成框圖及其與計算機的連接圖。
圖2是二端器件IV特性測量接線圖。
圖3是三極管輸出特性測量接線圖。
本發(fā)明的目的由以下一些措施實現(xiàn)(1)自動測量實驗儀由數(shù)據(jù)采集卡組、輸入通道基線調節(jié)電路、輸入通道超限報警與保護電路、輸出通道電流放大電路和輸出通道過載報警與保護電路組成。實驗儀以并行方式與計算機聯(lián)接。
(2)自動測量實驗儀具有N(8-32)個模/數(shù)轉換輸入通道(ACH通道)和M(2-16)個數(shù)/模轉換輸出通道(DA通道)。可同時對多個電壓信號進行測量并同時對多個控制對象進行控制。
(3)每個輸入ACH通道具備超限報警電路與保護電路。超限報警電路由差分放大電路、比較電壓和兩個發(fā)光二極管(分別為紅色和綠色)組成。當輸入電壓超過電壓上限(如5.0V)時，對應的紅色指示燈亮。當輸入電壓低于電壓下限(如0V)時，對應的綠色指示燈亮。保護電路由一個上鉗位和一個下鉗位電路組成，使得無論輸入信號如何變化，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，如0-5V。從而保護數(shù)據(jù)采集板組以及計算機主板不會因為電壓過高而被燒壞。
另外，輸入通道ACH0和ACH1還具備基線(即輸入電壓為0時，計算機指示的電平)調節(jié)功能。基線可以在一定范圍內，如-2V～+2V，調節(jié)，以利于某些含有直流電壓成份的周期性信號的測量。
(4)自動測量實驗儀的每個輸出通道具備電流放大電路和過載報警與保護電路。通過電流放大，使得輸出信號可以驅動較大的負載，如直流電動機等。當其輸出電流超過額定電流時，報警指示燈亮，同時輸出電路將被自動切斷，從而保護數(shù)據(jù)采集板組以及計算機主板不會因為過載而被燒壞。將負載調節(jié)到合適大小后，按一下復位按鈕，即可恢復正常工作(報警指示燈滅)。
(5)實驗儀上還有一個電壓表頭和多路選擇開關，通過調節(jié)多路選擇開關，可以檢測某一ACH通道上電壓信號的大小。
(6)實驗系統(tǒng)在操作軟件AutoMeas的控制下運行。它具有A/D轉換，D/A轉換、二端器件測量、RC電路充放電測量和三端器件測量等功能。
計算機自動測量實驗儀的使用方法(1)用A/D轉換功能測量A/D轉換芯片的轉換曲線A/D轉換器的轉換曲線是指A/D轉換器輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電壓之間的關系曲線。對于一個L位的A/D轉換器，其輸出的數(shù)字量Q和輸入模擬電壓V之間的關系由下式決定
Q=VxVr(2L-1)---(1)]]>其中Vr是參考電壓。這一實驗內容的目的，就是要通過測量實際A/D轉換器的轉換曲線，實驗驗證上面的公式。具體操作步驟如下1>將可調直流電壓源的輸出端與實驗儀的某個ACH通道以及電壓表相聯(lián)。
2>運行AutoMeas，點擊“A/D轉換”，從0V至5V調節(jié)直流電源輸出電壓，從電壓表和計算機中分別讀出輸入模擬電壓Vx和對應數(shù)字量Q。
(2)用A/D轉換功能測量周期性交變信號將低頻信號發(fā)生器產生的正弦波(或三角波，鋸齒波)接至實驗儀的一個輸入端和一個示波器上。先通過示波器觀察這一信號，記錄下其周期、峰—峰值。然后運行軟件AutoMeas中的“A/D轉換”功能，設定采集頻率和文件名后進行測量。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，則待測信號的頻率fx和信號峰峰值Vpp可按如公式計算fx=Cnfs---(3)]]>Vpp=VrQmax-Qmin2L-1---(4)]]>
這里C是校準常數(shù)，需要通過測量一個已知周期的周期性脈沖信號來確定。n為一個周期內數(shù)字量的個數(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，找到一個極大值或極小值，則它與下一個最近的極大值之間的數(shù)是一個周期。這個周期里數(shù)字量的個數(shù)即為n，而這個周期里最大(小)的數(shù)字量則為Qmax(Qmin)。表1給出了對一個頻率為2Hz、峰—峰值為2.3V的交變信號的測量結果。
(3)用D/A轉換功能輸出自定義周期性脈沖信號1>先用文本編輯軟件，如寫字板等，編寫輸出波型一個周期的電壓值的文本文件；2>點擊D/A轉換；3>選擇輸出DA通道號和頻率；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>點擊輸出電壓，用示波器觀察輸出波形。
(4)用二端器件測量功能測量發(fā)光二極管的電流電壓(IV)特性1>按圖2聯(lián)接電路；2>運行AutoMeas，點擊“二端器件測量”；3>點擊“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通道號和Ud的ACH通道號；6>輸入測量頻率，Ucc掃描范圍和Ucc掃描點數(shù)；7>點擊“開始測量”，并觀察屏幕上的實時IV曲線。
(5)用三端器件測量功能測量三極管的輸出特性曲線1>按圖3聯(lián)接電路；2>點擊“三端器件測量；3>選擇Ucc和Ubb的DA通道號以及Uc、Ub和Ue的ACH通道號；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、三極管類型和測量頻率；6>點擊“File”，輸入用于存放測量數(shù)據(jù)的文件的文件名；7>點擊“初始化坐標”，對顯示曲線的坐標進行初始化；8>點擊“開始測量”，運行程序，并觀察屏幕上的實時IV曲線。
權利要求
1.一種適用與理工農醫(yī)等專業(yè)大學生進行計算機自動測量與控制實驗的自動測量實驗儀。它包括數(shù)據(jù)采集卡組、輸入通道基線調節(jié)電路、輸入通道超限報警與保護電路、輸出通道電流放大電路和輸出通道過載報警與保護電路(圖1)。
2.權利要求1所述的自動測量實驗儀，其特征在于它有N個模擬電壓輸入通道ACH0-ACHN-1和M個用于控制的模擬電壓輸出通道DA0-DAM-1。
3.權利要求1所述的自動測量實驗儀，其特征在于它的數(shù)據(jù)采集板組由1個或多個基于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算機主板上的PCI或ESA插槽上而使實驗儀與計算機行成并行聯(lián)接。
4.權利要求1所述的自動測量實驗儀，其特征在于，輸入通道ACH0和ACH1具備基線(即輸入電壓為0時，計算機的測量值)移動功能，以利于測量一些含有直流分量的周期性脈沖信號。
5.權利要求1所述的自動測量實驗儀，其特征在于，對于輸入通道ACH0-ACHN-1上的模擬電壓具有電壓顯示、超限電壓(上限和下限)報警指示和保護的功能，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，以保護數(shù)據(jù)采集板以及計算機主板不會因為電壓過高而被燒壞。
6.權利要求1所述的自動測量實驗儀，其特征在于，控制輸出端DA0-DAM-1具有過載報警和自動保護功能。當輸出電流超過額定電流時，會自動切斷輸出線路，以保護數(shù)據(jù)采集板組以及計算機主板不會因為過載而被燒壞。將負載調至額定范圍之內后，按一下復位按鈕即可恢復正常工作。
7.權利要求1所述的自動測量實驗儀，具備多個模/數(shù)轉換輸入通道和數(shù)/模轉換輸出通道，可同時對多個電壓信號進行測量并同時對多個對象進行控制。
8.一種以權利要求1所述的自動測量實驗儀為基礎的計算機自動測量實驗方法。該方法的特征在于，在相關操作軟件的控制下，借助常規(guī)直流電壓源和信號發(fā)生器可以完成AD轉換、DA轉換、二端器件電流電壓特性測量、三端器件特性測量和RC電路充放電測量等項實驗內容，并具備開發(fā)更多其它實驗內容的潛力。
全文摘要
計算機自動測量技術的應用已非常廣泛，做相關實驗是在較短時間內學習其最基本和核心知識的一種有效方式。本發(fā)明涉及一種實驗教學儀器和實驗方法。計算機自動測量儀包括數(shù)據(jù)采集卡組、輸入通道基線調節(jié)電路、輸入通道超限報警與保護電路、輸出通道電流放大電路和輸出通道過載報警與保護電路。實驗儀的報警和保護電路極大地減小了由于誤操作而損壞儀器的幾率，有效增大了學生的動手范圍；實驗儀具備多個模/數(shù)轉換輸入通道和數(shù)/模轉換輸出通道，可同時對多個電壓信號和對象分別進行測量和控制。實驗方法原理直觀、內容豐富，特別適用于理、工、農、醫(yī)等專業(yè)大學生進行計算機自動測量的實驗教學。也可用于科學研究和工業(yè)生產中大批量數(shù)據(jù)的測量工作。
文檔編號G09B25/00GK1794316SQ200510052030
公開日2006年6月28日 申請日期2005年2月28日 優(yōu)先權日2004年12月20日
發(fā)明者彭應全 申請人:蘭州大學