测试技术-思考题(答案)

机械电子工程测试技术一、采集及传输部分思考题第2节1.信号调理的内容和目的？答：信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。

内容：(1)把传感器输出的微弱电压或电流信号放大，以便于信噪分离、传送或驱动其他测量显示电路；(2)多数传感器的输出是电阻、电感或电容等不便于直接记录的电参量，需要用电桥电路等把这些电参量转换为电压或电流的变化；(3)抑制传感器输出信号中噪声成分的滤波处理；其他内容：如阻抗变换、屏蔽接地、调制与解调、信号线性化等。

2.信号调制与解调的种类？答：根据载波受调制的参数不同，使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的过程分别称为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。

调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。

在实际的调幅信号的解调中一般不用乘法器而采用二极管整流检波器和相敏检波器；调频是利用信号电压的幅值控制载波的频率，调频波是等幅波，但频率偏移量与信号电压成正比。

调频波的解调又称为鉴频，调制波的解调电路又叫鉴频器。

调相：载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化的调制方式，称为相位调制，或称调相。

3.隔离放大器有何特征和特点，主要用在哪些场合？它分哪几类？答：隔离放大器是带隔离的放大器，其输入电路、输出电路和电源之间没有直接的电路耦合，信号的传递和电源的传递均通过变压器耦合或光电耦合（多用变压器耦合，因光电耦合线性度较差）实现。

隔离放大器不仅具有通用运放的性能，而且输入公共地与输出公共地之间具有良好的绝缘性能。

变压器耦合隔离放大器有两种结构：一种为双隔离式结构，另一种为三隔离式结构。

光隔离放大器，最简单的光隔离放大器可用光电耦合器件组成。

但是，光电耦合器的电流传输系数是非线性的，直接用来传输模拟量时，会造成非线性失真较大和精度差等问题。

4.信号滤波器的种类？答：滤波器按其阶次可分为一阶滤波器、二阶滤波器、三阶滤波器……等；根据滤波器的电路是数字的还是模拟的，可将滤波器分为数字滤波器和模拟滤波器两类；根据构成滤波器的元件类型，可分为RC、LC或晶体谐振滤波器；根据构成滤波器的电路性质，可分为无源滤波器和有元滤波器；最常用的是根据滤波器的通频带可将滤波器分为低通、高通、带通和带阻类型。

第3节1.A/D，D/A转换器的主要技术指标有那些？答：①分辨率：A/D对输入模拟信号的分辨能力；D／A转换器的分辨力可用输入的二进制数码的位数来表示。

位数越多，则分辨力也就越高。

常用的有8位、10位、12位、16位等。

12D/A转换器的分辨力为1/212=0.024% 。

②转换误差：通常以输出误差的最大值形式给出，它表示A/D实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示；③转换精度定义为实际输出与期望输出之比。

以全程的百分比或最大输出电压的百分比表示。

理论上D/A转换器的最大误差为最低位的1/2，10位D/A转换器的分辨力为1/1024，约为0.1%，它的精度为0.05%。

如果10位D/A转换器的满程输出为10V，则它的最大输出误差为10V*0.0005=5mV 。

具有某种分辨力的转换器在量化过程中由于采用了四舍五入的方法，因此最大量化误差应为分辨力数值的一半。

如上例8位转换器最大量化误差应为40mV （80mV ×O.5 = 40mV ），全量程的相对误差则为0.4％（40mV ／10V ×100％）。

可见，A ／D 转换器数字转换的精度由最大量化误差决定。

实际上，许多转换器末位数字并不可靠，实际精度还要低一些。

④转换时间(转换速度)。

转换速度是指完成一次转换所用的时间，即从发出转换控制信号开始，直到输出端得到稳定的数字输出为止所用的时间。

转换时间越长，转换速度就越低。

转换速度与转换原理有关，如逐位逼近式A ／D 转换器的转换速度要比双积分式A ／D 转换器高许多。

除此以外，转换速度还与转换器的位数有关，一般位数少的（转换精度差）转换器转换速度高。

目前常用的A ／D 转换器转换位数有8位、10位、12位、14位、16位等，其转换速度依转换原理和转换位数不同，一般在几微秒至几百毫秒之间。

其他还有满量程,非线性,相对精度 ,绝对精度,温度系数 (A/D: 1.分辨力与分辨率；2.量化误差；3.转换时间；4.转换速率；5.其他参数：对电源电压变化的抑制比，零点和增益温度系数、输入电压D/A ：1. 分辨率；2.标称满量程；3.精度；4.响应时间；5.温度系数)2. 信号量化误差与A/D ，D/A 转换器位数的关系？答：量化误差的大小取决于计算机采样板的位数，其位数越高，量化增量越小，量化误差也越小。

比如，若用8位采样板，8位二进制数为25628=，则量化增量为所测信号最大幅值的256/1，最大量化误差为所测信号最大幅值的512/1±。

3. 采样定理的含义？答：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频率成分的2倍。

这是采样的基本法则，称为采样定理。

Fs ＞2Fmax 或s m 2ωω≥ 离散采样把连续信号()()T t t x ≤≤0变为离散序列()() 2,1,0=∆n t n x ，那么，如何选择采样间隔t ∆就是一个十分重要的问题。

也就是说，采样的基本问题是如何确定合理的采样间隔t ∆以及采样长度T ，以保证采样所得的数字信号能真实地代表原来的连续信号()t x 。

一般来说，采样频率s f 越高，采样点越密，所获得的数字信号越逼近原信号。

当采样长度T 一定时，s f 越高，数据量T T N ∆=/越大，所需的计算机存储量和计算量就越大；反之，当采样频率降低到一定程度，就会丢失或歪曲原来信号的信息。

()t n x ∆能否复原到连续信号()t x 与()t x 波形的幅值变化剧烈程度和采样间隔t ∆的大小有关。

而()t x 波形的幅值变化剧烈程度又取决于()t x 的频率分量。

香农采样定理给出了带限信号不丢失信息的最低采样频率为：m s m s f f ωω22≥≥或，其中m m f ω,为原信号中最高频率成分的频率，若不满足此采样定理，将会产生频率混叠现象。

4. 当不满足采样定理时如何计算混迭频率？答：为了使计算的频率在],0[f 范围内与原始信号的频谱一样，采样频率必须满足采样定理。

但在实际中，m f 可能很大，多数情况下人们并不需要分析到这么高的频率，由于噪声的干扰，使得m f 不能确定，故通常首先对信号进行低通滤波，低通滤波器的上限频率由分析的要求确定，采样频率由低通滤波器而定。

由于不存在理想的低通滤波器，而实际计算中总是使用有限序列，所以在实际应用时选择的采样频率为：()c s f tf 531-≥∆=，式中c f 低通滤波器的上限频率。

5. A/D 采样为何要加抗混迭滤波器？其作用是什麽？答：用低通滤波器滤掉不必要的高频成分以防止频率混叠的产生，此时的低通滤波器也称为抗混叠滤波器。

6. 采样信号的频谱为何一定会产生能量泄漏答：数字信号处理只能对有限长的信号进行分析运算，因此需要取合理的采样长度对信号进行截断。

截断是在时域将该信号函数与一个窗函数相乘。

相应地，在频域中则是两函数的傅立叶变换相卷积。

因为窗函数的带宽是有限的，所以卷积后将使原带限频谱扩展开来而占据无限带宽，这种由于截断而造成的谱峰下降、频谱扩展的现象称为频谱泄露。

当截断后的信号再被采样，由于有泄露就会造成频谱混叠，因此泄露是影响频谱分析精度的重要原因之一。

如上所述，截断是必然的，频谱泄露是不可避免的。

7.如何计算高速巡回采集的最小采样间隔？答：如果在⊿t /10时间内A/DC可完成一次采集，则在⊿t内可巡回采集10个通道，而且保证均每一通道有相同的采样频率fs=1/ ⊿t，A/DC (最小)采样间隔：⊿t /10 ；A/DC 采样频率10 /⊿t，每一通道（信号）采样间隔：⊿t；信号采样频率1 /⊿t。

8.如何根据采样通道数、采样模式、最高分析频率来选择采集板？答：采样通道数表明了采集卡所能采集的最多信号的路数，在选择时要根据实际要测信号的路数考虑，以保证所有通道数满足待测信号的要求。

采样模式的选择要根据被测物理量变化的快慢程度，对于快变信号，要选择转换时间小的采样模式，反之，则可以选择转换时间大的采样模式。

最高分析频率则要根据采样定理来选择，以防止信号发生混叠而产生失真。

9.什么是同步采集？同步采集有什么好处？答：同步采集就是采集频率与回转件的频率相同。

同步采集保证了基频及其倍频分量的精确/无损采集。

10.什么是异步采集？答：异步采集就是采样频率与分析频率不等。

通常取采样频率=分析频率X2.56.第4节1.减少能量泄漏方法W主瓣将变窄，主瓣以外的频率答：1）增大截断长度T，即矩形窗口加宽，则窗谱()ω成分衰减较快，因而泄露误差将减小。

2）采用泄漏小的窗函数，进行时域加窗处理。

3）进行整周期采集(此法只能用于周期信号)2.窗函数的作用是什麽？答：减少泄漏,抑制噪音,提高频率分辨能力3.什么FIR滤波器？其作用是什么？答：数字滤波器的功能是将一组输入的数字信号通过一定的运算后变换成一组具有（或接近）规定特性的数字信号输出。

数字滤波器按其单位冲激响应的长度分成无限长单位冲激响应（IIR）滤波器和有限长单位冲激响应（FIR）滤波器。

不论哪种滤波器，其设计过程大致包括三个步骤：1、根据需求制定滤波器的技术指标；2、用一个因果稳定的系统函数去逼近这个技术指标；3、用一个有限精度的运算去实现这个系统。

第5节1.数据传输的目的答：在机械量测试过程中，由传感器检测出的微弱信号经中间转换电路将信号放大处理后，还必须经有线或无线装置传输到信号分析处理中心进行分析；或者用示波器或记录仪显示或记录下来，以供测试人员直接观察和分析，或日后供给后续处理仪器对所测量信号作进一步的分析和处理。

2.如何准备数据答：在数据传输之前要对数据进行组织，使其传输效率高，结构和尺寸应尽可能合理及紧凑，使得在组织、传输、存储和使用时快捷方便。

组织后得到数据信息包，数据包全面反映被测设备在某一特定的时间段内的各种实时信号以及运行、采集参数等。

接收到数据包的网上任何客户机在不需更多帮助的情况下就可进行一般的处理和分析。

3.数据传输的几种主要方式答：电话线传输、工业级GPRS传输、现场总线技术、专用网的传输、在互联网上的传输4.什么是现场总线？答：现场总线：用于现场仪表与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。

主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。