测试技术第六章

1、现代机电工程测试技术现代机电工程测试技术辛淑华第六章n第一节 概述n第二节 数据采集系统的结构n第三节 模拟多路开关n第四节 数据的采样及保持n第五节 A/D、D/A转换器第一节 概述n计算机测试系统和数字测试系统的优越性：（1）高精度、高分辨率、高灵敏度；（2）高速采集数据；（3）读数准确、方便、操作简便；（4）数据处理功能；（5）先进的显示方式；（6）随意存取测试结果；（7）有自检测或自诊断功能。n测试系统通常由传感器、中间变化器、数据采集系统、微型计算机和测试软件五大部分组成。 第二节 数据采集系统的结构n功能：把模拟参数与数字处理和数字控制连接起来，实现数据转换与传送。n数据采集系统包

2、括：模拟信号的输入输出和数字信号的输入输出。q数据采集的目的：将来自各种各样传感器的模拟量实时地、准确地测 量出来，送到后续的计算机进行实时处理，并输出 以实现对物理系统的控制，或记录存储起来供以后 进行分析。n数据采集系统的分类：q（1）功能分类：1、数据收集；2、数据分配q（2）输入信号的性质分类：q1模拟信号：单端输入信号与差动输入信号；单极性与双极性信号q2数字信号q（3）信号通道结构方式分类：单通道数据采集系统；多通道数据 采集系统：分时切换多通道输入输出；同步转换多通道输入 输出。q（4）控制功能分类：智能化数据采集系统；非智能化数据 采集系统：程序控制输入输出方式； 直接存储器存

3、（DMA）方式q（5）抗环境干扰措施分类：隔离型与非隔离型；集中式与 分布式。数据采集系统的典型结构n单端输入分时多通道数据采集结构：n如图，其特点是模拟信号首先进入信号调理电路进行调理。信号调理的内容取决于传感器的点特性和信号的用途。典型的调理包括：电的隔离、阻抗变换、放大、滤波、线性化等。经过调理的模拟信号达到数据收集系统的标准信号范围，再送到多路模拟开关。n 差动输入分时多通道数据采集结构n如图，其特点是在每个输入通道中的信号调理电路要加入差分放大器，而且多路模拟开关必须采用双通道结构，并且在采样保持器之前要加入差动放大器将差动信号转换为单端信号。这种系统结构对共模干扰电压有良好的抗干扰

4、性能，但成本高。n伪同步输入分时多通道数据采集机构n其主要特点是每个通道加了采样保持放大器，控制作用可使输入信号进行同时采样，这有利于个通道信号进行瞬时比较，消除了前述分时采样带来的时间歪斜误差。同时采样后，仍有多路选通开关进行分时选通和转换。单端输入分时多通道数据采集结构差动输入分时多通道数据采集结构伪同步输入分时多通道数据采集结构同步故输入多通道数据采集结构n同步输入多通道数据采集结构（并行转换）n其主要特点是完全与实际自然时间同步的多通道收集结构。不但消除了分时采集的歪斜误差，而且实现了同步转换，因此各通道转换值完全瞬时对应。第三节 模拟多路开关n多路开关的主要用途是把多个参数逐个、分时

5、接通送入A/D转换器，即完成多到一的转换，或者把计算机的输出按一定顺序输出到不同的控制回路或外设，即完成一到多的转换。前者称为多路开关，后者称为反多路开关。n多路开关范围单项多路开关和双向多路开关。选择多路开关是，要考虑：n通道数量：即模拟输入的路数，他对传输精度和切换速度有直接影响，通道数越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。标准的有4路、8路、16路。n导通电阻 3。泄漏电流 4。切换速度n常用的多路开关有机械触点式多路开关和模拟电子多路开关n机械触点式多路开关q干簧继电器式多路模拟开关q主要是指簧管、水银继电器和机械振子是继电器等，其中以干簧继电器体积小、切换速度快、噪声小、寿命长，最适

6、合模拟量输入通道中使用。q如图，干簧继电器的工作频率一般可达 次/s，断开电阻大于100M，导通电阻小于50m，寿命可达 次，西和和释放时间约1ms，不受环境的温度影响，而且输入电压、电路容量大，动态范围宽；缺点是体积大、工作频率低，在通断时存在抖动现象。一般用于低速高精度和低电平的多路检测装置中。 q干簧继电器多路模拟开关常用与温度多路巡回检测装置中，如图。 n飞渡电容式继电器多路模拟开关q飞渡电容器式多路模拟开关常采用汞继电器组成，汞继电器也称湿簧继电器。其结构如图。汞继电器吸合时间小于3.5ms，切换寿命大于 次，切换速度低于200次/s。由于水银的存在，使用和安装时，必须保证继电器处于

7、垂直状态。 10408101210第三节 模拟多路开关n模拟多路开关常用半导体（JFET或CMOS）开关，通常还包括一个译码器，仅允许少数控制线接通某以信号通道。nCMOS多路模拟开关的导通电阻 与模拟信号电平之间的关系曲线较为平直，且功耗小、速度快、导通电阻受电源电压和环境温度变化的影响很小。导通电阻 一般小于200，这样能克服单通道场效应管开启电阻随输入电压变化而变化的特点。 ONRONR第四节 数据的采样及保持n数据采集系统是实现连续系统与离散系统转换的接口系统。它与计算机一起组成一个数模混合系统，即采样数据系统。n采样过程和采样定理q采样就是周期性地测量一种连续信号或连续过程信号，其中

8、测量时间与周期间隔相比是很小的。把连续信号变换为脉冲序列的装置称为采样器，又称采样开关。q如图，采样频率越高，离散模拟信号 越接近连续输入函数X(t)。 n香农定理：如果X(t)式有限带宽信号，即 ( )Xtmax2ff，X(f)=0，而 ( )Xt是X(t)的理想采样信号，若采样频率 max2sff，那么，一定可以由采样信号 唯一地决定出原始信号X(t) ( )Xtn香农定理只是给出了实现采样信号完全回复模拟信号的最小频率为。 由于所有的信号并非都是“有限带宽”，往往所取的实际采样频率 比 大，一般情况下，实际采样频率 minmax2ffsfmax2fsf必须至少取 max4fn 孔径时间：

9、当输入信号经采样开关S1直接与A/D连接时，在采样开关闭合时间里，如果A/D完成了模拟量变为数字量的转换，则采样时间就是转换时间；而当输入信号经采样保持器与A/D连接时，采样保持电路由于逻辑控制开关有一定动作时间，在保持命令发出后直到逻辑控制开关完全断开所需要的时间称为孔径时间。使转换命令滞后于采样保持命令发出，可避开孔径时间里输入信号变化对A/D转换结果的影响。注意，S1断开后，还必须经过一个“稳定时间”后，采样保持（S/H）电路输出才能稳定到一个稳态值，并用于转换。然而，即使是在稳定时，它也不是保持恒定不变的，而是随时间作倾斜式衰减。再有，杂散电容能将输入信号中的变化经一定的衰减，馈送到S

10、/H的输出端去，这种现象称作保持的“泄漏”。n采样信号的恢复：q采集数据的目的最终式恢复原来的信号。q目前工程应用中普遍采用的方法有两种：1、利用数字计算机软件；2、利用数/模转换器讲离散的数字信息转换成模拟信息。n采样保持电路（S/H）：q作用： 1、当输入变化比A/D转换器的转换时间还快时，可以减小转换输出的不确定性误差； 2、在多通道系统中，当系统对某一通道采样时，要保持下一通道的采样值以备变换； 3、捕获瞬变的输入信号火两个以上信号在严格相同时刻采样。q如图，又图可知，其内部由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。控制电路中A3主要起比较器的作用：其中7脚为参考电压，当输入控制逻

11、辑电平高于参考端电压时，A3输出一个低电平信号驱动开关K闭合，此时输入信号经A1后跟随输出到A2再由A2的输出端跟随输出，同时向保持电容（接6端）充电；当控制端逻辑电平低于参考电压时，A3输出一个正电平信号使开关断开，以达到非。q采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。因此，A1、A2使跟随器，器作用主要使对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持器的性能。q图B为典型应用图n低数值电容可减少孔径时间，但增加了斜坡衰减；大容量的电容可减小倾斜，却导致不能接收的大孔径时间。第五节 A/D、D/A转换器n模/数转换器作用：将输入的模拟量转换为微机所能接受的数字信号n数/模转换器作用：将数字

12、量转换为相应的模拟量信号。nD/A转换器：q数/模转换器作用：将数字量转换为相应的模拟量信号。其输出有模拟电压和模拟电流两种，电压输出形式有单极性和双极性输出两种。nD/A转换器的基本原理：q如图，其包括一组n个锁存器，用来保持待转换成模拟电压电平的二进制数字。每个锁存器的输出控制一个晶体管开关，该开关与电阻网络中特定的电阻相联。连接到电阻网络上精密电压基准控制输出电压的范围。输出运算放大器具有求和作用，它将同时启动的多个开关的结果相加。nD/A转换器的分类：q按输入端的结构分：1、输入端带有数据锁存器，该D/A转换器的数据线可以直接合计算机的数据总线相接；2、D/A转换器的数据输入端不带数据

13、锁存器，这时需要另外配接数据锁存器。q按工作原理分：直接D/A转换器和间接D/A转换器D/A转换器的主要技术指标 n（1）分辨率：最小输出电压与最大输出电压之比。分辨率越高，对 应数字输入信号最低位的模拟信号电压数值越小，也就越灵敏。n（2）线性度：用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。把满刻 度范围内偏离理想的转换特性的最大值与满刻度输出之比的百分 数，定义为非线性误差。n（3）转换精度：以最大的静态转换误差的形势给出，这个转换误 差包含非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等 综合误差。n（4）建立时间：数模转换器中的数据变化量使满刻度值时，其输 出模拟信号电压（或电流）达到终值 时

14、所需的时间。D/A转换器的主要建立时间是其输出 运算放大器所需的响应时间。n（5）电源抑制比：把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的 百分数之比称为电源抑制比。n（6）输入代码：一般采用自然二进制码、偏置二进制码、带符号 的二进制码、2的补码和BCD码。n（7）工作温度范围12LSBnA/D转换器：qA/D转换器（ADC）是模拟电路与数字电路的接口，它的功能是把输入的模拟信号成正比例地转换位二进制数字信号。q数模转换过程包括采样、量化和编码，其实质是对时间和幅值的离散化。q量化就是用数字量去逼近连续量。量化不能避免产生量化误差，量化误差取决于最小量化单位。nA/D转换器的基本原理与分类：q分

15、类：直接型A/D转换器和间接A/D转换器。目前应用较广泛的主要有跟踪计数器型A/D转化器、逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器和V/F变换式A/D转换器等几种类型。 n（1）跟踪计数器型A/D转化器原理：q如图，它用一个计数器逐步增加内部的D/A输出，转换开始时，计数器复位，以后，每个时钟周期都增加一个数。缺点是A/D的转换时间随着输入信号的电平变化而改变。n（2）逐次逼近式A/D转换器原理:q在逐次逼近法是中、高速转换器中实现A/D转换功能最常用的技术。q逐次逼近式A/D转换器对于每个n位A/D来说，仅在n个时钟周期内就可将电压增加到输入电平，转换时间大大缩短，而且与输入信号电平无关

16、。q逐次逼近式A/D具有高的转换速度，转换程序固定，精度高，适用于快速自动检测系统与多回路的快速数据采集系统。n（3）双积分式A/D转换器原理：q如图，其原理如下：电路先对位置的输入模拟电压Vi进行固定时间T的积分，然后转为对标准电压进行反向积分，知道积分器输出返回起始值。则对标准电压积分的时间t正比于模拟输入电压Vi，如图b，输入电压大，则反向积分时间长。用高频率标准始终脉冲来测量时间t，则可以得到响应模拟电压的数字量。q双积分式A/D精度和线性度高，但转换速度满，通常用于毫秒级低速转换场合。n（4）电压频率（V/F）变换器实现A/D转换：q这时一种将模拟量转换成数字式脉冲量的功能器件，其输

17、出脉冲的频率正比于模拟电压。如图。单稳态定时器是一种定时准确的单稳态触发器，每次出发可产生以宽度t0十分准确的方形脉冲。 恒流源与模拟开关S提供积分器一反充电回路。每当单稳态定时器受出发而产生一t0脉冲是，模拟开关S接通积分器的反充电回路，使积分电容C冲入一定量的电荷： RI0CRQItq该电路使个振荡频率受输入电压控制的多谐振荡器。q工作原理：当积分器的输出电压下降到零伏时，零电压比较器就发生跳变，触发单稳态定时器产生一t0宽度的脉冲，使S导通t0时间。由于设计上选取了 ，因此在t0其间积分器一定以反充电为主，使 线性上升到某一正电压。t0结束后，由于只有正的输入电压的作用，使积分器充电。输

18、出电压 沿斜线下降。当 下降到零伏时，比较器翻转，又使单稳态定时器产生以t0脉冲，再次反充电。如此反复。 max/RiIVRINTVINTVINTV根据反充电电荷量与充电电荷量相等的电荷平衡原理，可以得出： 0INTRVItTR故输出振荡频率为： 011iRfVTI Rt即输出振荡频率与输入电压成正比。q特点：具有较高的线性度和精度，而且它在抑制噪声、信号的隔离和传输方面有其特点，适用于高噪声、高共模电压和远距离的检测系统，价格低廉，缺点是转换速度低。n（5）并行转换实现A/D转换：q用于非常高速转换的地方。q如图，转换器的偏置是用基准信号与一个精密电阻网络实现的。由于所有的比较器同时改变状态，所以整个量化过程是在一个单步中完成。A/D转换器的主要技术指标 n（1）分辨率：对A/D来说，分辨率表示输