8计算机测试技术

测试技术——计算机测试技术(5)第八章内容1.概述2.数据采集技术3.智能仪表系统4.虚拟仪器8.1概述1.定义：计算机测试技术以计算机为核心、完成测试任务的技术基于计算机的测试：测量、分析与处理核心：处理器、编程•利用计算机的可编程快速处理和大容量数据管理功能•适用：测点多、数据量大、监测任务重、分析要求高（在线、远程、诊断、推理）•数据采集•数据处理•数据表达基本功能8.1概述2.组成结构传感器信号调理数据采集计算机软件对象特点o成本优势：PC资源o功能优势：数据处理量大、快速，分析手段丰富、灵活o发展优势：具有通用性和发展前景8.1概述软件采集/监测软件分析软件数据库管理软件组成硬件信号调理：隔离、放大、滤波数据采集：采集板/卡/器模拟开关、采样保持、AD转换计算机：PC、IPC、CPCI、VXI3.典型框图放大器DC/DC模拟开关FIFO缓存A/D采保通道逻辑定时计数数据缓冲地址逻辑控制、状态逻辑晶振计算机/软件信号调理ch1ch2ch3ch32传感器组数据采集时序控制——硬件•采样间隔/频率；通道切换•S/H、A/D控制；触发参数设定——软件•通道数；采样间隔/频率•采样长度N；采集方式数据读取——编程8.1概述多路模拟开关及采样/保持器是数据采集系统中常用元器件8.2数据采集技术5.2.1.模拟信号的数字化处理1)模拟信号的数字化：将连续模拟信号转换为离散数字信号的过程L-1L-2L-3210-1-2-L+2-L+1-L量化阶qx(t)t采样间隔▽t0▽t2▽t3▽t4▽t……n▽t连续无限长度离散有限点数8.2数据采集技术qΔtn.Δt)(.)()(0txktnxNk采样：将模拟信号按一定的时间间隔逐点取其瞬时值即:基本问题：采样间隔/频率、采样长度三个步骤8.2数据采集技术采样x(t)δ(t-k)t▽t2▽t3▽t4▽t……n▽t对象——时间采样间隔⊿t时间序列•⊿t•2⊿t•…8.2数据采集技术量化L-1L-2L-3210-1-2-L+2-L+1-L量化阶qx(t)t采样间隔▽t▽t2▽t3▽t4▽t……n▽t对象——幅值|x(t)|≤M量程[-M，M]均分为2L区间量化阶q=M/L如M＝5V，L＝211则q＝2.44mV最大误差为±1/2q8.2数据采集技术数字化结果取决于：q、⊿tL-1L-2L-3210-1-2-L+2-L+1-L量化阶qx(t)t采样间隔▽t▽t2▽t3▽t4▽t……n▽t量化序列0(L-2).q(L-2).q(L-4).q2.qq3.q(L-4).qq-(L-3).q-(L-3).q-2.q-4q-2.q01.⊿t2.⊿t3.⊿t4.⊿t......n.⊿t编码：二进制编码a1－最高有效位MSB，取值0、1an－最低有效位LSB，取值0、1n－A/D转换器有效输出数字量的位数1212222nnDaaa11111111bLSBMSB8.2数据采集技术2）采样定理及频率混淆采样定理意义：解决原始信号不失真采集的采样频率或采样间隔选择问题几个重要采集参数样本：采集到的一段时域信号样本长度：T=N⊿t，其中N为采样点数（长度）、⊿t为采样间隔最高分析频率fx：模拟信号中所要分析的最高分量的频率•被采集的信号是频率为fr的单频，则最高分析频率fx=fr•一般情况下，被采集的往往是一复频信号，则需要定fx•由主频（对应系统工作转速）的几倍频来定fx，如fx=5fr采样频率fs：模拟信号离散的速度—每秒采集的点数对于等间隔(⊿t)采集，采集频率fs为：fs=1/⊿tHz8.2数据采集技术8.2数据采集技术采样定理为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高分析频率的2倍——每周期至少采集2点12(3~5)xsxtfff一般情况：香农(Shannon)采样定理xsff2遵循采样定理的意义8.2数据采集技术原始信号复原信号原始信号复原信号采样脉冲序列离散过程采样脉冲序列离散过程每周期采集8个点（最高分析频率的8倍）每周期采集2个点（最高分析频率的2倍）频率混淆：fs2fx，造成频率混叠8.2数据采集技术0tx(t)X(f)f00tx.wX(f)*W(f)f00tx.wa、原始信号及谱图f0X(f)*W(f)b、采集信号及谱图（fs2fx）——正确采样c、采集信号及谱图（fs2fx）——欠采样——频率混叠fsfsfsfsfxfx折叠频率fd折叠频率fd=fs/2•大于fd的频率混叠•混叠无法事后消除抗混叠措施1）采集前滤去大于fd的频率——抗混叠滤波，低通滤波频率2）加大采样频率8.2数据采集技术8.2.2数据的采集与保持数据采集具有N个采样区间为⊿t的量化过程采集样本：T=N⊿t⊿t内的量化过程：启动转换→转换结束→输出数字量A/D转换开始到结束时保持输入信号的电平不变•保证转换精度•保持电路A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化•采样电路采样间隔▽t采样间隔▽t数据采集——基本单元多路开关程控放大采样保持AD转换放大器DC/DC模拟开关A/D采保ch1ch2ch3ch32••8.2数据采集技术1）多路开关功能将多路被测信号分别传送到所共用的一路A/D转换器进行转换——以低成本实现多通道参数的采集类型Δ多路开关（多到一）：多路输入到一路ADΔ反多路开关（一到多）：一路DA到多路输出放大器DC/DC模拟开关A/D采保ch1ch2ch3ch32••UiUoTT’Uc+4V--20VR1R2onS1译码驱动S2S3Sn电平转换Ui1Ui2Ui3Ui16UoUc1Uc2Uc3Uc1623222120onUc低电平，T导通高电平，T截止S1译码驱动S2S3Sn电平转换U01U02U03U016UiUc1Uc2Uc3Uc16232221208.2数据采集技术多路开关指标Δ导通与断开电阻接通电阻为零（实际100）断开电阻无穷大（实际109）Δ切换速度：一般1us~1nsΔ隔离：各通过之间的串扰，80db放大器DC/DC模拟开关A/D采保ch1ch2ch3ch32••8.2数据采集技术结构形式：干簧继电器（机械触点式）：优点：结构简单、导通电阻小而断开时阻抗高、不受环境温度影响缺点：切换速率慢且有抖动集成电路模拟开关：优点：体积小、耗电少、转换速度快且无抖动、寿命长，工作可靠，有通过选择译码器、容易控制等缺点：导通电阻较大，输入电压电流容量有限，动态范围小8.2数据采集技术2）采样保持功能：对被测信号的实时跟踪、精确取值目的：解决在采样过程中，信号值随时间变化对采样精度的影响作用：将被测信号在一个给定时刻的值保留下来并保持不变原理：通过采样保持电路中的电容实现电压在转换期间不变8.2数据采集技术放大器DC/DC模拟开关A/D采保ch1ch2ch3ch32••电容的大小与采样频率及要求的采样精度有关如何减小衰减率？-+-+A2A1输入Vin保持电容CHSVC输出Vout控制信号采样保持采样保持8.2数据采集技术采样保持t1t2t3t4采样间隔▽t量化阶q模拟信号数字信号S/H输出采样保持S/H模数转换A/D时刻采集状态t1跟踪/采样期——S/H闭合t2+t3保持期——S/H断开t3数摸转换，输出数字信号t4下一采样周期跟踪/采样期——S/H闭合采集周期：t1+t2+t3、受限于S/H数据采集与保持0+VFS-VFS被测信号VinVout原先保持信号tAC捕获时间采样保持孔径抖动tAJtAPtHS保持建立时间传导误差采样/保持器输出信号孔径时间=衰减率Vt保持误差带捕获误差带采样/保持器性能8.2数据采集技术其中，孔径时间是最重要的技术参数，它必须远小于A/D转换时间。性能指标：捕捉时间tAC（充电时间常数、放大器响应时间、保持电压的变化幅度）。该时间限制了采样频率的提高，而对转换精度无影响孔径时间tAP，会产生误差。（通过保持指令提前下达得以消除）孔径抖动tAJ，孔径时间变化范围引起误差（无法消除）保持建立时间tHS，稳定时间引起误差（转换时间早于tHS会产生误差）衰减率：CH漏电引起下降误差传导误差：输入信号通过寄生电容耦合到输出端的比例采样间隔▽t采样间隔▽t8.2.3数—模换技术A/D转换器（简称ADC）定义：将模拟量转换为一定码制的数字量的器件或装置分类：逐次逼近式：转换时间一般在s级，转换精度一般在0.1%上下，转换时间与精度均比较适中，适用于一般场合。积分式：利用积分器，转换时间一般在ms级或更长，但抗干扰性强，转换精度可达0.01%或更高，适用于在数字电压表类的仪器中采用。并行式：并行比较，转换时间可达ns级，但抗干扰性能较差。这类A/D转换器可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。放大器DC/DC模拟开关A/D采保ch1ch2ch3ch32••8.2数据采集技术ADC性能参数△AD位数：二进制的位数，如12位、16位、24位△分辨率:最低有效位数LSB，也称量化阶如：12位A/D转换器、量程±5V，则分辨率为：△量化误差：最大为±1/2LSB，误差分布为均匀分布△转换时间：完成一次A/D转换的时间，倒数为转换速度/通过率△转换精度：实际ADC与理想ADC量化值上的差值△满刻度范围：ADC所允许输入电压范围，如±5V△其他参数：零点和增益温度系数、输入电阻11150.00244()22LMqV12eq1convstf8.2数据采集技术示例△采用铁—康铜热电偶进行温度测量，在0-450℃的温度范围内输出的电压值是0-25mV，若要求设计的测量装置达到0.1℃的测温分辨率，如何选A/D转换器的位数？1lg1132lg2MqLMqL8.2数据采集技术分析0-450℃的温度范围对应测量范围0-25mV，即M=25mV要求最小分辨率为0.1℃，需要先确定对应的电压分辨率：450℃25mV0.1℃5.5mV即：0.1℃温度分辨率对应电压分辨率为q＝5.5μV解题：M=25000μV、q＝5.5μV，所以，A/D转换器的位数应该大于13位16位q＝0.76μV8.2.4数据采集系统设计需考虑问题：多个模拟信号•性质：快变、慢变；静态、动态采集效率、成本不同的采集要求分别采集：信号之间没有严格关系并行采集：信号之间存在相位等关系放大器DC/DC模拟开关A/D采保ch1ch2ch3ch32••8.2数据采集技术数据采集系统设计依据：多路开关、放大器、采保（S/H)、AD等四个硬件的组合方法不同8.2数据采集技术1）无多路开关、无采保的A/D通道应用：直流/低频单路信号允许输入信号最大变化速率取决于A/D转换器的转换时间tcovn：示例：FSR＝10V、n＝12、tcovn＝0.1s变化率小于0.05V/s的输入信号，采集前可不用加采保。Δt放大器DC/DCA/D输入ViSVtFSRtUn/05.02ddcovnmaxcovnmax2ddtFSRtUn2）无多路开关、带采保的A/D转换应用：各种单路信号允许输入信号的最大变化率取决于采样/保持器的孔径时间tAP，即：如果将保持命令提前发出，提前的时间与孔径时间相等时，则模拟输入信号的最大变化率取决于孔径时间的不稳定性，即孔径不定tAJ，即：APmax2ddtFSRtUnAJmax2ddtFSRtUn8.2数据采集技术放大器FIFO缓存A/D采保ADC输入Vi为了保证转换误差不大于量化误差，AD可以直接转换的信号频率很低，因此，通常都要加采样保持器。3）多通道共享采保与A/D转换器应用：适合于多路信号。每路信号的吞吐时间为：tTH=tAC+tHS+tCONV+tOUT则每路信号相邻两次采样时间间隔至少为NtTH,故每个通道的吞吐率为：由采样定理可知，信号带宽应满足：因此,吞吐时间限制了信号上限频率。)]([1OUTCONVHSACTHttttNfTHmax21ff8.2数据采集技术放大器模拟开关FIFO缓存A/D采保ch1ch2c