第4章测试系统设计方法及特性分析
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这三种情况下的测试系统的设计，有一定的共性，但 因为设计的目的不同，也存在一些区别。
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4.1 测试系统设计的前期准备
1.使用要求 （1）了解被测参数的特点，持续时间、幅值范围等； （2）测试要求的精度； （3）安装条件、安装方法及要求； （4）测试环境，包括温度、湿度、气压等； （5）了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平和特点； （6）了解国内有关方面的加工工艺水平及关键元器件的销售 情况。
第四章 测试系统设计方法及特性分析
测试系统设计的前期准备
1
测试系统的设计原则
2
测试系统各环节设计
3
测试系统的状态设计方法
4
测试系统的基本特性
54
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4.1 测试系统设计的前期准备
系统设计任务一般有三种情况：
（1）设计者根据专门用户的需要，针对特定的测控对象、 被测参数及工作特性来设计专用的系统。 （2）设计者根据市场需求，设计通用产品和系列产品。 （3）根据技术的发展和社会需求的预测，推出性能好、 功能全、技术先进的新型产品，进行开发性设计。
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4.2 测试系统的设计原则
1.总体设计原则 （1）转换被测参数，并采用最小限度影响被测对象的传
感器或信号接口模块； （2）快速数据采集与存储记忆器； （3）长时间信息保持单元； （4）与计算机交换信息的接口电路； （5）保证电路系统正常工作的环境保护器； （6）方便回收的位置指示器。
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从以上两种情况可看出，将大的增益放前级和后级对 信噪比的影响很大，为获取较好的放大效果，级联的放大 器所设计的放大倍数设置要满足增益分配原则，即级联放 大器的增益分配，原则上应当使第一级放大器的增益最大， 后级的增益小。 在选用放大器时还应注意以下几点。
（1）放大器的频率特性应满足所需要的工作频率范围。 （2）放大器的电流、电压是否适合设计要求。 （3）放大器的输出是否满足要求（是否需要轨到轨）。
S
n＝
si × 1000× 1× 1＝1000si n（x 1× 1＋1＋1） 3nx
＝333.33
si
nx
第二种情况： G1＝G2＝1 ，G3＝1000
S
n＝
si n（x 1×
× 1× 1× 1000 ＝ 1000si 1000＋1000＋1） 2001nx
＝0.5
si
nx
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4.3 测试系统各环节设计
采样频率由被测信号的频带范围决定，并满足香农采样定 理的要求。
在某些情况下，由于被测物体在不同运动阶段的变化过 程不同，可导致其最高频率变化范围相差几十甚至上百倍。
输出信号信噪比S/n为
S
n＝
si × G1 n（ x G2 ×
× G2 ×Biblioteka BaiduG3 ＝ G3＋G3＋1）
si n（ x 1＋G12
× G1 ＋1
G2 ×
G3
）
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4.3 测试系统各环节设计
为研究增益的分配对信噪比的影响，设两种极端情况 进行讨论：
第一种情况： G1＝1000 ，G2＝G3＝1
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4.3 测试系统各环节设计
1.传感器选用原则 灵敏度 响应特性 线性范围 稳定性 精确度 测量方式 其他
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4.3 测试系统各环节设计 2.放大及滤波环节设计 放大环节的设计经常需要多级放大才能满足对传感器 输出信号的处理要求。若传感器输出信号需要放大1000 倍才能满足后级的转换要求，如何进行增益分配呢？
软件设计的基本原则主要包括：结构合理，操作性 好，具有一定的保护措施，提高程序的执行速度，给出必 要的程序说明，等等。
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4.2 测试系统的设计原则
2.灵敏度分配和误差分配原则
由于测试系统的各个环节属串联形式，因此，各环节 的灵敏度对系统总的灵敏度影响都是一样的。在设计时一 般都在满足总的灵敏度要求下，使其中一些环节的灵敏度 尽量高一些，而适当地降低另一些环节灵敏度。这样就可 以对灵敏度难以提高的环节降低要求，而对易于提高灵敏 度、易于制造的环节可以适当提高灵敏度。
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4.3 测试系统各环节设计
3.采样策略（主要针对存储测试） 存储测试的特征在于对数据的无失真实时存储记录，
采样频率和存储容量是其关键工作参数，也是影响测试仪 应用范围的重要指标。
存储测试系统的存储容量M与系统的采样频率 fs、记 录时间T密切相关。
M＝T × fs
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4.3 测试系统各环节设计
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4.3 测试系统各环节设计
采用三级放大的方式将输出信号放大1000倍，每一级 选用相同的放大器芯片。设第一级放大器的增益为，噪声 为，第二级放大器的增益为，噪声为，第三级放大器的增 益为，噪声为。输入信号为，输出信号为，则有
so＝si × G1× G2 × G3＋n1× G2 × G3＋n2 × G3＋n3
4.2 测试系统的设计原则
宏观设计原则 （1）技术原理可实现性原则 （2）测试数据可回收性原则 （3）匹配及协调性原则 （4）兼容性原则
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4.2 测试系统的设计原则
硬件设计原则 （1）经济合理，具有较高的性价比，这是硬件设计中优
先考虑的一个主要因素； （2）安全可靠。选购器材、元器件等要考虑环境的温度、
湿度、压力等要求，以保证在规定的工作环境下系统性能 稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护的考虑，保证输 入、输出通道正常工作。
（3）有足够的抗干扰能力。
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4.2 测试系统的设计原则
软件设计原则 软件设计也是测试系统设计的重要任务。不同的系统，
由于其任务不同，程序语言各异，因此没有标准的设计格 式或统一的流程图，以下只是软件设计的一般过程。首先， 明确软件设计任务；其次，按功能划分程序模块并绘出流 程图；再次，选择程序设计语言并编程；最后调试程序。
对于开环系统的误差分配问题，每个环节的误差都将 会影响总的输出，总输出端引起的误差，一般常以方和根 误差方法处理，即
＝±
y
y12＋ y2 2＋…＋ yn 2
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4.2 测试系统的设计原则
3.系统总体设计的一般步骤 分析问题和确定任务 系统总体设计
（1）进行硬件和软件的功能分配 （2）系统A/D通道方案的确定 （3）利用状态图等方法确定系统的采样策略，以及系统 工作的主要信号时序图 （4）系统抗干扰设计
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4.1 测试系统设计的前期准备
1.使用要求 （1）了解被测参数的特点，持续时间、幅值范围等； （2）测试要求的精度； （3）安装条件、安装方法及要求； （4）测试环境，包括温度、湿度、气压等； （5）了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平和特点； （6）了解国内有关方面的加工工艺水平及关键元器件的销售 情况。
第四章 测试系统设计方法及特性分析
测试系统设计的前期准备
1
测试系统的设计原则
2
测试系统各环节设计
3
测试系统的状态设计方法
4
测试系统的基本特性
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4.1 测试系统设计的前期准备
系统设计任务一般有三种情况：
（1）设计者根据专门用户的需要，针对特定的测控对象、 被测参数及工作特性来设计专用的系统。 （2）设计者根据市场需求，设计通用产品和系列产品。 （3）根据技术的发展和社会需求的预测，推出性能好、 功能全、技术先进的新型产品，进行开发性设计。
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4.2 测试系统的设计原则
1.总体设计原则 （1）转换被测参数，并采用最小限度影响被测对象的传
感器或信号接口模块； （2）快速数据采集与存储记忆器； （3）长时间信息保持单元； （4）与计算机交换信息的接口电路； （5）保证电路系统正常工作的环境保护器； （6）方便回收的位置指示器。
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从以上两种情况可看出，将大的增益放前级和后级对 信噪比的影响很大，为获取较好的放大效果，级联的放大 器所设计的放大倍数设置要满足增益分配原则，即级联放 大器的增益分配，原则上应当使第一级放大器的增益最大， 后级的增益小。 在选用放大器时还应注意以下几点。
（1）放大器的频率特性应满足所需要的工作频率范围。 （2）放大器的电流、电压是否适合设计要求。 （3）放大器的输出是否满足要求（是否需要轨到轨）。
S
n＝
si × 1000× 1× 1＝1000si n（x 1× 1＋1＋1） 3nx
＝333.33
si
nx
第二种情况： G1＝G2＝1 ，G3＝1000
S
n＝
si n（x 1×
× 1× 1× 1000 ＝ 1000si 1000＋1000＋1） 2001nx
＝0.5
si
nx
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4.3 测试系统各环节设计
采样频率由被测信号的频带范围决定，并满足香农采样定 理的要求。
在某些情况下，由于被测物体在不同运动阶段的变化过 程不同，可导致其最高频率变化范围相差几十甚至上百倍。
输出信号信噪比S/n为
S
n＝
si × G1 n（ x G2 ×
× G2 ×Biblioteka BaiduG3 ＝ G3＋G3＋1）
si n（ x 1＋G12
× G1 ＋1
G2 ×
G3
）
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4.3 测试系统各环节设计
为研究增益的分配对信噪比的影响，设两种极端情况 进行讨论：
第一种情况： G1＝1000 ，G2＝G3＝1
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4.3 测试系统各环节设计
1.传感器选用原则 灵敏度 响应特性 线性范围 稳定性 精确度 测量方式 其他
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4.3 测试系统各环节设计 2.放大及滤波环节设计 放大环节的设计经常需要多级放大才能满足对传感器 输出信号的处理要求。若传感器输出信号需要放大1000 倍才能满足后级的转换要求，如何进行增益分配呢？
软件设计的基本原则主要包括：结构合理，操作性 好，具有一定的保护措施，提高程序的执行速度，给出必 要的程序说明，等等。
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4.2 测试系统的设计原则
2.灵敏度分配和误差分配原则
由于测试系统的各个环节属串联形式，因此，各环节 的灵敏度对系统总的灵敏度影响都是一样的。在设计时一 般都在满足总的灵敏度要求下，使其中一些环节的灵敏度 尽量高一些，而适当地降低另一些环节灵敏度。这样就可 以对灵敏度难以提高的环节降低要求，而对易于提高灵敏 度、易于制造的环节可以适当提高灵敏度。
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4.3 测试系统各环节设计
3.采样策略（主要针对存储测试） 存储测试的特征在于对数据的无失真实时存储记录，
采样频率和存储容量是其关键工作参数，也是影响测试仪 应用范围的重要指标。
存储测试系统的存储容量M与系统的采样频率 fs、记 录时间T密切相关。
M＝T × fs
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4.3 测试系统各环节设计
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4.3 测试系统各环节设计
采用三级放大的方式将输出信号放大1000倍，每一级 选用相同的放大器芯片。设第一级放大器的增益为，噪声 为，第二级放大器的增益为，噪声为，第三级放大器的增 益为，噪声为。输入信号为，输出信号为，则有
so＝si × G1× G2 × G3＋n1× G2 × G3＋n2 × G3＋n3
4.2 测试系统的设计原则
宏观设计原则 （1）技术原理可实现性原则 （2）测试数据可回收性原则 （3）匹配及协调性原则 （4）兼容性原则
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4.2 测试系统的设计原则
硬件设计原则 （1）经济合理，具有较高的性价比，这是硬件设计中优
先考虑的一个主要因素； （2）安全可靠。选购器材、元器件等要考虑环境的温度、
湿度、压力等要求，以保证在规定的工作环境下系统性能 稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护的考虑，保证输 入、输出通道正常工作。
（3）有足够的抗干扰能力。
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4.2 测试系统的设计原则
软件设计原则 软件设计也是测试系统设计的重要任务。不同的系统，
由于其任务不同，程序语言各异，因此没有标准的设计格 式或统一的流程图，以下只是软件设计的一般过程。首先， 明确软件设计任务；其次，按功能划分程序模块并绘出流 程图；再次，选择程序设计语言并编程；最后调试程序。
对于开环系统的误差分配问题，每个环节的误差都将 会影响总的输出，总输出端引起的误差，一般常以方和根 误差方法处理，即
＝±
y
y12＋ y2 2＋…＋ yn 2
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4.2 测试系统的设计原则
3.系统总体设计的一般步骤 分析问题和确定任务 系统总体设计
（1）进行硬件和软件的功能分配 （2）系统A/D通道方案的确定 （3）利用状态图等方法确定系统的采样策略，以及系统 工作的主要信号时序图 （4）系统抗干扰设计