計算機輔助測試技術

第8章計算機輔助測試技術第8章計算機輔助測試技術學習目標學習重點

掌握計算機輔助測試的特點及計算機輔助測試系統(tǒng)的組成原理，重點掌握以A/D轉換器、D/A轉換器為核心的計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬信號轉換輸出系統(tǒng)的工作原理及主要技術性能指標。對數(shù)字信號的處理與分析、計算機輔助測試系統(tǒng)設計、虛擬儀器及其開發(fā)平臺LabVIEW有一定的了解。1.計算機輔助測試系統(tǒng)的組成原理。2.計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的類型及特點。3.A/D、D/A轉換器的工作原理及主要性能指標。4．數(shù)字信號處理的基本內容與方法。第8章計算機輔助測試技術幾個術語:■計算機輔助設計（CAD，ComputerAidedDesign）■計算機輔助制造（CAM，ComputerAidedManufacture）■計算機輔助測試（CAT，ComputerAidedTest）8.1.1計算機輔助測試的工作內容

8.1概述■組成智能儀器■組成自動測控系統(tǒng)■組成虛擬儀器■測控系統(tǒng)的網絡化第8章計算機輔助測試技術8.1.2計算機測控、測試系統(tǒng)的組成第8章計算機輔助測試技術8.2數(shù)據(jù)采集（DAQ）

8.2.1數(shù)據(jù)采集過程

數(shù)據(jù)采集過程就是把連續(xù)的模擬電壓信號轉換成離散的數(shù)字信號的過程，這些數(shù)字信號把原始模擬信號中所載有的有用信息保留下來。數(shù)據(jù)采集過程一般包括三個階段：采樣、保持、量化。第8章計算機輔助測試技術1.采樣

把隨時間連續(xù)變化的模擬電壓信號轉換成時間上離散（只在一系列離散的時刻有值）的模擬量的過程。采樣實際上是把一個周期性脈沖序列與被采信號相乘，采樣開關相當于一個乘法器。第8章計算機輔助測試技術采樣后得到的時間離散信號

采樣定理：對一個具有有限頻帶寬度（）的連續(xù)信號進行采樣時，采樣頻率至少應為被采信號中最高頻率成分頻率的兩倍，即

實際常取為第8章計算機輔助測試技術

2.保持

在量化期間，使其輸出“定格”在采樣開始瞬間采樣器的輸入電壓值上

，以減小量化誤差。3.量化

以一定的電壓為基準電平，將采樣、保持后的離散模擬電壓轉換成表示為基準電平整數(shù)倍的數(shù)字量。第8章計算機輔助測試技術8.2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的類型1.單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

第8章計算機輔助測試技術2.多通道獨立型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

第8章計算機輔助測試技術3.多通道一般型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

第8章計算機輔助測試技術4.多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

第8章計算機輔助測試技術8.2.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要組成環(huán)節(jié)1.前置放大器

將輸入模擬電壓信號放大（或衰減）到A/D轉換器可接受的范圍內，并實現(xiàn)阻抗的匹配等預處理功能。

2.多路選擇開關

“多選一”模擬電子開關，有多個輸入端和一個輸出端，由計算機來控制將其輸出端與某一輸入端接通。第8章計算機輔助測試技術3.采樣保持器保證模擬輸入信號的采樣并保持A/D轉換器的輸入信號在一次A/D轉換過程中保持不變。

第8章計算機輔助測試技術4.A/D轉換器

A/D（模-數(shù)）轉換器（ADC），是把模擬電壓量轉換成對應數(shù)字量的裝置，是計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。

■

A/D轉換器的分類

第8章計算機輔助測試技術■

A/D轉換器的工作原理

第8章計算機輔助測試技術■

A/D轉換器的主要技術指標

●分辨率

●量程

輸出數(shù)字量變化一個字所對應的輸入模擬電壓的變化。例：對于8位ADC，若量程為0~5V，則分辨率可表示成

5V/28=5000mV/256≈20mV或8位或1/28=1/256ADC所能轉換的模擬輸入電壓的范圍。單極性量程（如0~5V）

雙極性量程（如-10V~+10V）第8章計算機輔助測試技術●轉換精度

●線性誤差

●轉換速率

實際轉換結果相對于理想轉換結果的偏差。

絕對精度：用最低有效位（LSB）的倍數(shù)來表示。例如：±1LSB、±0.5LSB等。相對精度：用絕對精度除以量程所對應的最大輸出數(shù)字量的百分數(shù)來表示。例如：0.1%、0.4%等。ADC的實際轉換特性對理想線性轉換特性的最大偏差。

ADC在單位時間內可以完成的極限轉換次數(shù)。例如：10000次/s（或10kHz）。也可用轉換時間表示，例如：25μs（40kHz、40000次/s）。第8章計算機輔助測試技術8.3數(shù)字信號的處理與分析

8.3.1數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理的主要目的是為了使處理后的數(shù)字信號能真實地反映被測對象的相應狀態(tài)，最大限度地減小各種測量轉換誤差；數(shù)字信號分析的主要目的則在于合理地從數(shù)字信號中提取關于被測對象的有關信息。1.數(shù)字濾波

●用軟件實現(xiàn)，結果可靠性高、穩(wěn)定性好?！窨梢詫崿F(xiàn)截止頻率極低（例如0.01Hz）的低通濾波。●數(shù)字濾波的方法多，使用靈活。特點第8章計算機輔助測試技術■

算術平均值濾波

對數(shù)字序列中的N個相鄰的采樣值取算術平均值，以該算術平均值（即濾波后的輸出）作為信號在這N個采樣點處的采樣結果。

適用于混有一般隨機干擾的數(shù)字信號的濾波.注意：與實際采樣間隔相比應充分地??！第8章計算機輔助測試技術■

滑動（遞推）平均值濾波

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加權平均值濾波

■

防脈沖干擾平均值濾波

首先對前N個采樣值取平均得到第1個算術平均值，然后將這N個采樣值最前面的一個去掉，再加上下一個新的采樣值取平均得到第2個算術平均值，…，依此類推。

與滑動平均值濾波原理相同，但為取平均的每個采樣值賦以不同的權。降低了對A/D轉換器轉換時間的要求。

將N個采樣值中的最大值、最小值剔除，對余N-2個采樣值取平均，可在一定程度上消除脈沖干擾的影響。該方法簡單，較為常用。

第8章計算機輔助測試技術■

低通數(shù)字濾波

使用低通數(shù)字濾波的遞推算法

——第n個未濾波的輸入采樣值；——第n個濾波后的輸出值；a——濾波器常數(shù)，0<a<1。數(shù)字低通濾波器的上截止頻率由a和共同決定：——第n-1個濾波后的輸出值；

實現(xiàn)程序比較簡單，運算速度快，實用有效，可實現(xiàn)模擬濾波器所不能實現(xiàn)的上截止頻率極低的低通濾波。第8章計算機輔助測試技術2.標度變換

將數(shù)字量轉換成以特定單位表示的被測量的實際值。

線性標度變換——要進行標度變換的數(shù)字量；——標度變換后所得到的以特定單位表示的被測量大?。弧砍虄缺粶y量的最大值、最小值；——量程內被測量的最大值、最小值時所對應的數(shù)字量輸出。第8章計算機輔助測試技術3.非線性校正

測試系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)（包括ADC）所存在的非線性因素，使系統(tǒng)的輸出與輸入之間呈某種非線性關系，應通過適當?shù)募夹g措施予以校正。常用的方法有：■硬件校正：使用某些非線性電路（如二極管電路），一般設置在信號調理電路的最后?！鲕浖Ｕ豪糜嬎銠C，通過對數(shù)字信號進行函數(shù)計算來實現(xiàn)。第8章計算機輔助測試技術若使應使■

利用校正函數(shù)的軟件非線性校正第8章計算機輔助測試技術8.3.2數(shù)字信號分析簡介■

模擬分析法

使用模擬信號分析設備直接對模擬信號進行分析處理——模擬頻譜分析儀、模擬相關分析儀等。■

數(shù)字分析法

先把待分析的連續(xù)模擬信號通過A/D轉換成離散的數(shù)字信號，然后由計算機對數(shù)字信號進行分析——數(shù)字信號處理機以及MATLAB、LabVIEW等軟件。頻譜分析儀第8章計算機輔助測試技術1.數(shù)字信號分析的理論基礎傅里葉變換、概率論及數(shù)理統(tǒng)計

2.數(shù)字信號分析的基本原理

首先對模擬信號進行采樣、截斷（有時還要人為地做加權、數(shù)字濾波等處理），將持續(xù)時間無限長的連續(xù)時間信號轉換成有限長樣本的離散時間序列，最后在計算機上按一定的算法進行各種信號分析。

（傅里葉變換→離散傅里葉變換DFT→快速傅里葉變換FFT）

第8章計算機輔助測試技術第8章計算機輔助測試技術3.數(shù)字信號分析方法

■譜分析

譜分析指的是把時域動態(tài)信號通過傅里葉變換變換到頻域進行分析，其數(shù)學基礎是傅里葉變換。具體分析方法有：

●頻譜分析（諧波分析）●功率譜分析●頻率響應函數(shù)分析●相干函數(shù)分析●倒頻譜分析第8章計算機輔助測試技術■相關分析

●直接法

直接利用相關函數(shù)的定義進行計算分析。自相關函數(shù)

互相關函數(shù)

第8章計算機輔助測試技術●間接法

自相關函數(shù)

互相關函數(shù)

■小波分析第8章計算機輔助測試技術8.4模擬信號輸出

D/A（數(shù)-模）轉換：將數(shù)字量轉換成模擬信號。實現(xiàn)D/A轉換的裝置稱為D/A轉換器（DAC）。通過計算機將數(shù)字信號轉換成模擬信號輸出，目的是實現(xiàn)對某些執(zhí)行元件（如電液比例閥、電機等）的控制。

D/A轉換器所輸出的模擬量大多為電流輸出形式，有些D/A轉換器內部設有運算放大器用來實現(xiàn)電流-電壓轉換（I/V轉換），因此可以直接輸出電壓（單極性輸出、雙極性輸出）。第8章計算機輔助測試技術1.D/A轉換器的工作原理

n位二進制數(shù)D可以表示成

輸入數(shù)字量D與輸出模擬量A之間的關系為——轉換時的參考電平（為量化當量）第8章計算機輔助測試技術2.D/A轉換器的種類

■權電阻網絡D/A轉換器

第8章計算機輔助測試技術■

T型網絡D/A轉換器

第8章計算機輔助測試技術3.D/A轉換器的主要技術指標

輸入數(shù)字量變化最小量（一個字）時所對應的輸出模擬量變化與滿量程輸出之比（常用DAC的位數(shù)表示）。實際輸入輸出特性曲線偏離理想特性直線的程度?！穹直媛省褶D換時間（建立時間）●轉換精度●線性誤差輸入數(shù)字量從最小值跳變至最大值（滿量程變化）時其輸出模擬量從初始值達到穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。實際模擬量輸出與理論模擬量輸出之間的差異。第8章計算機輔助測試技術8.5計算機輔助測試系統(tǒng)的設計

計算機輔助測試系統(tǒng)的設計通常分為設計準備、硬件設計和軟件設計三個階段。8.5.1設計準備1.調研與設計資料準備

2.可行性論證

3.系統(tǒng)設計的總體規(guī)劃

第8章計算機輔助測試技術8.5.2硬件設計1.計算機的選用

2.A/D、D/A轉換器的選擇

3.基本測量電路的設計

4.執(zhí)行元件的驅動電路設計

8.5.3軟件設計1.軟件和軟件生命期

2.結構化與模塊化程序設計

第8章計算機輔助測試技術8.6虛擬儀器8.6.1虛擬儀器的概念在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義、具有虛擬前面板、測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。

虛擬儀器是一個開放式的結構，它以通用計算機為核心，由數(shù)據(jù)采集卡、GPIB或VXI總線接口板實現(xiàn)信號的采集與控制，還可以用數(shù)字信號處理器DSP實現(xiàn)信號的處理，加上必要的軟件，從而實現(xiàn)儀器的功能?！败浖褪莾x器——TheSoftwareistheInstruments”

■

虛擬儀器（VI）第8章計算機輔助測試技術■虛擬儀器的特點●可由用戶定義虛擬儀器的功能、性能、指標。●可以將多種儀器的功能、性能、指標等以軟件的形式集成在虛擬儀器庫內?！癫僮骱唵沃庇^，數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)處理、結果與圖形曲線顯示的功能強大?！窨梢栽谕豢偩€系統(tǒng)的儀器之間或通過網絡進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)資源共享?！駵y量精度高、測量范圍寬且性能穩(wěn)定、可靠性高?！裰悄艹潭雀?，具有自學習和決策能力?！耖_發(fā)周期短、成本低、維護方便。第8章計算機輔助測試技術虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)和維護費用低開發(fā)和維護費用高技術更新周期短（05～1年）技術更新周期長（5～10年）軟件是關鍵硬件是關鍵價格低價格昂貴開放、靈活與計算機同步,可重復使用和重新配置固定可用網絡聯(lián)絡周邊各種儀器只可連有限的設備自動化、智能化、多功能、遠距離功能單一、操作不便■虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較第8章計算機輔助測試技術8.6.2虛擬儀器的組成

虛擬儀器主要由計算機、測量硬件接口模塊和虛擬儀器軟件三部分組成。第8章計算機輔助測試技術1.硬件系統(tǒng)

■基于PXI總線的虛擬儀器系統(tǒng)

■基于串口儀器的虛擬儀器系統(tǒng)

■基于VXI總線的虛擬儀器系統(tǒng)

■基于通用接口總線GPIB的虛擬儀器系統(tǒng)

■基于DAQ設備——數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集卡第8章計算機輔助測試技術2.軟件系統(tǒng)

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VISA庫

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儀器驅動程序

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虛擬儀器開發(fā)平臺軟件

虛擬儀器軟件的三個層次：

●文本編程語言:LabWindows/CVI、VC、VB等。

●圖形化編程語言：LabVIEW、HP-VEE、Ez-Text、TEK-TNS等。

第8章計算機輔助測試技術8.6.3虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW簡介1.LabVIEW的主要功能與特性

LabVIEW（LaboratoryofVirtualInstrumentsEngineeringWorkbench）是NI（美國國家儀器公司）推出的32位、為VXI即插即用聯(lián)盟認可、基于圖形化編程語言G的虛擬儀器開發(fā)平臺。

第8章計算機輔助測試技術

●帶有多種I/O函數(shù)庫，可對幾千種設備（GPIB、VXI、PXI、RS-232、RS-485、數(shù)據(jù)采集卡等）進行操作?！耖_放式環(huán)境，提供了與ActiveX、DLLs及其它開發(fā)工具的共享庫之間的開放式連接?！裰С侄嗥脚_且獨立于平臺、操作系統(tǒng)?！駨姶蟮臄?shù)據(jù)分析與處理功能，提供了多種工具包?！駨姶蟮目梢暬δ??！駨V泛的通訊及數(shù)據(jù)存儲方式。●分布式開發(fā)環(huán)境?！裾嬲?2位編譯器?！窬哂性O置斷點、單步運行等多種調試功能。