第7章 计算机辅助测试技术

ComputerAidedTestandMeasurement第7章计算机辅助测试技术计算机辅助测试系统的组成及采样定理。重点难点采样定理、混叠、截断、泄漏、加窗等概念。

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。学习目标学习重点与难点7.1概述7.2数据采集7.3数字信号处理与分析7.4模拟信号输出7.5虚拟仪器主要学习内容■计算机辅助测试（CAT，ComputerAidedTestandMeasurement）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：●组成智能仪器●组成自动测控系统●组成虚拟仪器●实现测控系统的网络化7.1概述Introduction7.1.1计算机辅助测试及其主要工作内容7.1.2计算机测控、测试系统的组成

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。7.2数据采集DataAcquisition7.2.1数据采集（DAQ）过程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。

采样实际上是把一个周期性脉冲序列与被采信号相乘的过程。——采样频率——采样周期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。■采样定理

对一个具有有限频带宽度（）的连续信号进行采样时，采样频率至少应为被采信号中最高频率成分频率的两倍，即——奈魁斯特频率采样频率正确采样频率为临界值■混叠

不满足采样定理的要求时将会发生频率混叠，使信号的频谱发生变化而产生失真。避免混叠的技术措施：●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。●保证足够高的采样频率，一般取■泄漏信号的截断与能量泄漏

时域截断会引起频域的能量发生泄漏，使信号的频谱发生畸变而产生失真。

对采集到的数据采用适当的加窗处理（加权处理）可以减小因时域截断而产生的泄漏误差（使主瓣的宽度尽可能地小、能量尽可能地大），常用的窗函数主要有：◆矩形窗◆三角窗◆汉宁（Hanning）窗◆海明（Hamming）窗◆高斯（Gauss）窗◆平顶窗、帕仁窗、布拉克曼窗、凯塞窗…●矩形窗●三角窗●汉宁（Hanning）窗

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。

2.保持

在量化期间，使其输出“定格”在采样开始瞬间采样器的输入电压值上，以减小量化误差。tA/D转换命令高电平期间u2跟随u1低电平期间u2保持不变，同时A/D进行转换u1

输入模拟信号u2采样/保持器输出信号3.量化与编码

以一定的电压为基准电平，将采样、保持后的离散模拟电压转换成表示为基准电平整数倍的数字量。1.单通道数据采集系统7.2.2数据采集系统的类型2.多通道独立型数据采集系统3.多通道一般型数据采集系统

4.多通道同步型数据采集系统1.前置放大器

7.2.3数据采集系统的主要组成环节

将输入模拟电压信号放大（或衰减）到A/D转换器可接受的范围内，并实现阻抗的匹配等预处理功能。2.采样保持器（S/H）

保证模拟输入信号的采样并保持A/D转换器的输入信号在一次A/D转换过程中保持不变。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。

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。MUXG012301ENY4567702ENCBA7D6D5D4D3D2D1D0D数据输入端输出端使能端控制端4.A/D转换器

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环节。ADC（8位）Vx输入模拟电压D7~D0输出数字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/256≈0.0195V最低有效位LSB≈19.5mV■A/D转换器的作用

类型特点主要应用双积分型转换精度很高，抗干扰性很强，速度很慢（转换时间几百s~几ms）数字仪表（数字万用表、高精度电压表）和低速数据采集系统逐次逼近型转换速度中等（转换时间几s~几百s），精度较高，成本较低中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统并行比较型转换速度最高（转换时间几ns~几s），成本较高，精度不太高数字通信技术和高速数据采集技术■A/D转换器的分类

■逐次逼近型A/D转换器的工作原理

有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：8位ADC工作原理——转换后得到的数字量——参考（精密基准）电压——待转换的模拟电压移位寄存器清零；①10000000→D/A输出2.56V→Vref<Vx→D7为1→使D6置1；②11000000→D/A输出3.84V→Vref>Vx→D6清0，D5置1；③10100000→D/A输出3.20V→

Vref<Vx

→D5为1→使D4置1；④10110000→D/A输出3.52V→Vref<Vx→D4为1→使D3置1；⑤10111000→D/A输出3.68V→Vref<Vx→D3为1→使D2置1；⑥10111100→D/A输出3.76V→Vref>Vx→D2清0→使D1置1；⑦10111010→D/A输出3.72V→Vref<Vx→D1为1→使D0置1；⑧10111011→D/A输出3.74V→Vref>Vx→D0清0；

A/D转换结束，转换结果为：10111010（对应于模拟电压3.72V）设，则量化电平若，则转换过程如下：■A/D转换器的主要技术指标●分辨率●量程输出数字量变化一个字所对应的输入模拟电压的变化。例：对于8位ADC，若量程为0~5V，则分辨率可表示成

◆

5V/28=5000mV/256≈20mV

◆

8位

◆

1/28=1/256ADC所能转换的模拟输入电压的范围。◆单极性量程（如0~5V）◆双极性量程（如-10V~+10V）●转换精度●线性误差

●转换速率

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。ADC的实际转换特性对理想线性转换特性的最大偏差。

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）。

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。7.3数字信号处理与分析ProcessingandAnalysisforDigitalSignal1.数字滤波●用软件实现，结果可靠性高、稳定性好。●可以实现截止频率极低（例如0.01Hz）的低通滤波。●数字滤波的方法多，使用灵活。特点：7.3.1数字信号处理■算术平均值滤波

对数字序列中的N个相邻的采样值取算术平均值，以该算术平均值（即滤波后的输出）作为信号在这N个采样点处的采样结果。适用于混有一般随机干扰的数字信号的滤波.注意：与实际采样间隔相比应充分地小！■滑动（递推）平均值滤波■加权平均值滤波

■防脉冲干扰平均值滤波

首先对前N个采样值取平均得到第1个算术平均值，然后将这N个采样值最前面的一个去掉，再加上下一个新的采样值取平均得到第2个算术平均值，…，依此类推。

与滑动平均值滤波原理相同，但为取平均的每个采样值赋以不同的权。降低了对A/D转换器转换时间的要求。

将N个采样值中的最大值、最小值剔除，对余N-2个采样值取平均，可在一定程度上消除脉冲干扰的影响。该方法简单，较为常用。■低通数字滤波

使用低通数字滤波的递推算法——第n个未滤波的输入采样值；——第n个滤波后的输出值；a

——滤波器常数，0<a<1。——第n-1个滤波后的输出值；数字低通滤波器的上截止频率由a和共同决定：实现程序比较简单，运算速度快，实用有效，可实现模拟滤波器所不能实现的上截止频率极低的低通滤波。2.标度变换

将数字量转换成以特定单位表示的被测量的实际值。线性标度变换——要进行标度变换的数字量；——标度变换后所得到的以特定单位表示的被测量大小；——量程内被测量的最大值、最小值；——量程内被测量的最大值、最小值时所对应的数字量输出。3.非线性校正

测试系统中的各个环节（包括ADC）所存在的非线性因素，使系统的输出与输入之间呈某种非线性关系，应通过适当的技术措施予以校正。常用的方法有：●硬件校正：使用某些非线性电路（如二极管电路），一般设置在信号调理电路的最后。●软件校正：利用计算机，通过对数字信号进行函数计算来实现。若使利用校正函数的软件非线性校正应使●模拟分析法

使用模拟信号分析设备直接对模拟信号进行分析处理——模拟频谱分析仪、模拟相关分析仪等。●数字分析法

先把待分析的连续模拟信号通过A/D转换成离散的数字信号，然后由计算机对数字信号进行分析——数字信号处理机以及MATLAB、LabVIEW等软件。频谱分析仪7.3.2数字信号分析1.数字信号分析的理论基础●

概率论与数理统计

2.数字信号分析的基本原理

首先对模拟信号进行采样、截断（有时还要人为地做加权（窗）、数字滤波等处理），将持续时间无限长的连续时间信号转换成有限长样本的离散时间序列，最后在计算机上按一定的算法进行各种信号分析。●

傅里叶变换FT离散傅里叶变换DFT快速傅里叶变换FFT

数字信号分析前的准备3.数字信号分析方法

■谱分析

谱分析指的是把时域动态信号通过离散傅里叶变换转到频域进行分析，其数学基础是傅里叶变换。具体分析方法有：●频谱分析（谐波分析）●功率谱分析●频率响应函数分析●相干函数分析●倒频谱分析离散傅立叶变换的公式：■相关分析（时延域分析）

●直接法直接利用相关函数的定义进行计算分析。◆自相关函数◆互相关函数●间接法◆自相关函数◆互相关函数■小波分析（略）

D/A（数/模）转换：将数字量转换成模拟信号。实现D/A转换的装置称为D/A（数/模）转换器（DAC）。

通过计算机等将数字信号转换成模拟信号输出，目的是实现对某些执行元件（如电液比例阀、电机、继电器等）的控制。

D/A转换器所输出的模拟量大多为电流输出形式，有些D/A转换器内部设有运算放大器用来实现电流/电压转换（I/V转换），因此可以直接输出电压（单极性输出、双极性输出）。7.4模拟信号输出OutputforAnalogSignaln位二进制数D可以表示成

输入数字量D与输出模拟量Eo之间的关系为——转换时的参考电平（为量化当量）7.4.1D/A转换原理1.权电阻网络D/A转换器7.4.2D/A转换器的种类2.T型网络D/A转换器

输入数字量变化最小量（一个字）时所对应的输出模拟量变化与满量程输出之比（常用DAC的位数表示）。

实际输入输出特性曲线偏离理想特性直线的程度。●分辨率●转换时间（建立时间）●转换精度●线性误差

输入数字量从最小值跳变至最大值（满量程变化）时其输出模拟量从初始值达到稳态值所需要的时间。实际模拟量输出与理论模拟量输出之间的差异。7.4.3D/A转换器的主要技术指标

“软件就是仪器TheSoftwareistheInstruments”——NI理念7.5虚拟仪器VirtualInstrument

在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。1.虚拟仪器（VI）7.5.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将硬件电路完成的信号调理和处理功能由计算机程序完成，这种硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。虚拟双踪示波器（前面板）虚拟双踪示波器（程序框图）基于虚拟仪器的新型工业测控系统架构2.虚拟仪器的特点●可由用户定义虚拟仪器的功能、性能、指标。●可以将多种仪器的功能、性能、指标等以软件的形式集成在虚拟仪器库内。●操作简单直观，数据分析及数据处理、结果与图形曲线显示的功能强大。●可以在同一总线系统的仪器之间或通过网络进行数据交换，实现资源共享。●测量精度高、测量范围宽且性能稳定、可靠性高。●智能程度高，具有自学习和决策能力。●开发周期短、成本低、维护方便。虚拟仪器传统仪器开发和维护费用低开发和维护费用高技术更新周期短（05～1年）技术更新周期长（5～10年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放、灵活与计算机同步,可重复使用和重新配置固定可用网络联络周边各种仪器只可连有限的设备自动化、智能化、多功能、远距离功能单一、操作不便3.虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器主要由计算机、测量硬件接口模块和虚拟仪器软件三部分组成。7.5.2虚拟仪器的组成1.硬件系统●基于PXI总线的虚拟仪器系统●基于串口仪器的虚拟仪器系统●基于VXI总线的虚拟仪器系统

●基于通用接口总线GPIB的虚拟仪器系统●基于DAQ设备——数据采集卡的虚拟仪器系统数据采集卡图像采集卡运动控制卡2.软件系统

■VISA库

■仪器驱动程序

■虚拟仪器开发平台软件

虚拟仪器软件有三个层次：●文本编程语言:LabWindows/CVI、VC、VB等。

●图形化编程语言（G语言）：LabVIEW、HP-VEE、Ez-Text、TEK-TNS等。1.LabVIEW的主要功能与特性

LabVIEW（LaboratoryofVirtualInstrumentsEngineeringWork