计算机辅助测试技术

重点与难点
重点 计算机辅助测试系统的组成及采样定理 。 难点 采样定理、混叠、截断、泄漏、加窗等概念。
第6章 计算机辅助测试技术
学习内容 6.1 概述 6.2 数据采集
6.3 数字信号处理与分析
6.4 模拟信号输出 6.5 虚拟仪器
第6章 计算机辅助测试技术
6.1 概述 Introduction
w(t )
1/T
W( f )
1
T
o
T
t
1 T
o
1 2 3 T T T
f
t 1 1 w ( t ) T T 0
t T t T
2
W ( f ) sin c(fT )
第6章 计算机辅助测试技术
● 汉宁（Hanning）窗
w(t )
1/T
W( f )
◆ 双极性量程（如-10V~+10V）
第6章 计算机辅助测试技术
● 转换精度 实际转换结果相对于理想转换结果的偏差。
◆ 绝对精度 用最低有效位（LSB）的倍数来表示。 例如：±1LSB、±0.5LSB等。 ◆ 相对精度 用绝对精度除以量程所对应的最大输 出数字量的百分数来表示。例如：0.1%、0.4%等。
D7~D0
0
00000000
~
5V
最低有效位LSB≈19.5mV
~
11111111
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■ A/D转换器的分类
类型 双积分型 特点 主要应用
转换精度很高，抗干扰性 数 字 仪 表 （ 数 字 万 用 很强，速度很慢（转换时 表 、 高 精 度 电 压 表 ） 间 几百s ~几ms） 和低速数据采集系统 转换速度中等（转换时间 中高速数据采集系统、 几 s ~几百s） ，精度较 在 线 自 动 检 测 系 统 、 高，成本较低 动态测控系统 转换速度最高（转换时间 数字 通信技术和 高速 几ns ~几s） ，成本较高， 数据采集技术 精度不太高
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此间隔内信号的值不恒定！
x( t ) g( t )
xs (k )
xs (k )
o
1 2 3
k
k
采样开关起到乘法器的作用。用周期性脉冲序列 g(t)
使其脉冲性接通，从而使被采信号在脉冲发生时刻的瞬时 值传递到后面的环节。 注意：实际采样脉冲有一定的宽度，因此所采到的信 号也有一定的宽度，因此采样后通常还需对信号进行保持。
输入模 拟电压
前置放大 器 A
输入模 拟电压
前置放大 器 A
多 路 选 择 开 关
MUX
…
采样保持 器 S/H
A/D转换器 ADC
数据缓冲 器 BUF
…
内 部 总 线
控制逻辑电路
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4. 多通道同步型数据采集系统
输入模 拟电压
前置放大 器 A
采样保持 器 S/H
输入模 拟电压
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1. 采样
把随时间连续变化的模拟电压信号转换成时间上离
散（只在一系列离散的时刻有值）的模拟量的过程。
x( t )
o
t
Ts
采样实际上 是把一个周期性 脉冲序列与被采
g( t )
o
信号相乘的过程。
t
xs (k )
o
Ts —— 采样周期
1 2 3
k
k
1 fs —— 采样频率 Ts
对于窗函数的选择，应考虑被分析信号的性质与
处理要求。如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑 幅值精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩 形窗，例如测量物体的自振频率等；如果分析窄带信 号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗 函数，如汉宁窗、三角窗等；对于随时间按指数衰减 的函数，可采用指数窗来提高信噪比。
6.1.1 计算机辅助测试及其主要工作内容
■ 计算机辅助测试（CAT，Computer Aided
Measurement and Test） 一般指的是用微处理器、单 片机、个人计算机等组成测试系统。通过充分利用计算 机系统的软、硬件资源及网络资源，达到扩展测试系统 的功能、提高测试系统的性能等目的。主要工作内容：
3 2 1
目前，许多A/D转换器都把多路选 择开关、采样保持器集成在其芯片中。
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4. A/D转换器 ■ A/D转换器的作用 A/D（模/数）转换器（ADC），是
把模拟电压量转换成对应数字量的装置， 是计算机数据采集系统的核心。
输入模拟电压
Vx
ADC
输出数字量
（8位）
分辨率:5V/256≈0.0195V
前置放大 器 A
多 路 选 择 开 关
MUX
…
采样保持 器 S/H
A/D转换器 ADC
数据缓冲 器 BUF
…
内 部 总 线
控制逻辑电路Biblioteka 第6章 计算机辅助测试技术
Y
输出端
使能端
G
0 7
MUX
7 6 5 4
EN
2
1 0
3
2
1
0
数据输入端
EN
控制端
A B C
D 7 D 6 D5 D 4 D D D D0
保持电容
控制信号为高电平期间，K合上，C充电——采样 控制信号为低电平期间，K打开，C上电压不变——保持
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3. 多路选择开关（MUX）
“多选一”模拟电子开关，有多个输入端和一个输出端， 由计算机或逻辑电路控制将其输出端与某一输入端接通。
输入模 拟电压 前置放大 器 A
输入模 拟电压
x(0) x(1) x( 2) x( 3) x(4)
x(4) 0 1 1 1 0 1 0 1
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6.2.2 数据采集系统的类型
1. 单通道数据采集系统
输入模 拟电压
前置放大 器 A
采样保持 器 S/H
A/D转换器 ADC
数据缓冲 器 BUF 内 部 总 线
控制逻辑电路
第6章 计算机辅助测试技术
第6章 计算机辅助测试技术
Computer Aided Measurement and Test
第6章 计算机辅助测试技术
学习目标
掌握计算机辅助测试的特点及计算机辅助测试系统 的组成原理，重点掌握以A/D转换器、D/A转换器为核心 的计算机数据采集系统、模拟信号转换输出系统的工作原 理及主要技术性能指标。对数字信号处理与分析、虚拟仪 器及其开发平台LabVIEW有一定的了解。
2. 多通道独立型数据采集系统
输入模 拟电压
前置放大 器 A
采样保持 器 S/H
A/D转换器 ADC
数据缓冲 器 BUF
…
…
…
…
…
数据缓冲 器 BUF
输入模 拟电压
前置放大 器 A
采样保持 器 S/H
A/D转换器 ADC
内 部 总 线
控制逻辑电路
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3. 多通道一般型数据采集系统
● 抗混叠滤波 为避免混叠，通常是在采样装置之前设
置一抗混叠滤波器（低通），滤掉高频成分使信号成为 限带信号。
X( f )
抗混叠滤波器 （截止频率为fc的 低通滤波器）
X '( f )
o
f
fc
o
fc
f
● 保证足够高的采样频率，一般取
f s ( 3 ~ 4) f c
第6章 计算机辅助测试技术
第6章 计算机辅助测试技术
■ 采样定理 对一个具有有限频带宽度（0 ~ f c ）的连续信号进行采 样时，采样频率 f s 至少应为被采信号中最高频率成分频率 f c 的两倍，即
f s 2 fc
x( t )
o
f n 2 f c ——奈魁斯特频率
x( t )
o
t
t
采样频率正确 f s 8 fc
数字信号处理的主要目的是为了使处理后的数 字信号能真实地反映被测对象的相应状态，最大限
度地减小各种测量转换误差；数字信号分析的主要 目的则在于合理地从数字信号中提取关于被测对象 的有关信息。
■ 泄漏
x( t )
o
wR (t )
cos 2f 0 t
t
f0
X( f )
o
f0
f
WR ( f )
o
采样时间 T
t
o
X ( f ) * WR ( f )
f
x( t )w R ( t )
o
t
f0
o
f
f0
信号的截断与能量泄漏
第6章 计算机辅助测试技术
时域截断会引起频域的能量发生泄漏，使信号的频
● 线性误差 ADC的实际转换特性对理想线性转换特性的最大偏差。
● 转换速率 ADC在单位时间内可以完成的极限转换次数。例如： 10000次/s（或10kHz）。也可用转换时间表示，例如： 25μs（40kHz、40000次/s）。
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6.3 数字信号处理与分析 Processing and Analysis for Digital Signals
● 组成智能仪器 ● 组成虚拟仪器 ● 组成自动测控系统 ● 实现测控系统的网络化
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6.2 数据采集 Data Acquisition
6.2.1 数据采集（DAQ）过程
数据采集过程就是把连续的模拟电压信号转换成离 散的数字信号的过程，这些数字信号把原始模拟信号中 所载有的有用信息保留下来。 数据采集过程一般包括三个阶段：采样、保持、量 化与编码。