机械工程测试技术-第十章

第十章：

测试系统设计石河子大学机械电气工程学院电气工程系石河子大学机械电气工程学院干燥技术与装备实验室《机械工程测试技术》第十章 测试系统设计内容提示：测试系统的硬件测试系统的软件测试系统的硬件过程通道主机人机界面过程通道的含义

为了建立计算机测控系统以实现对生产过程的控制，需要将生产过程中的各种必要信号（参数）及时地检测传送，并转换成计算机能够接受的数据形式。计算机对输入数据进行适当的分析处理后，又以生产过程能够接受的信号形式实现对生产过程的控制。这种完成在信号与计算机数据之间变换传递的装置，我们称之为过程输入输出通道，简称过程通道。过程通道的分类模拟量输入通道模拟量输出通道开关量输入通道开关输量出通道模拟量输入通道模拟量输入通道的典型结构

模拟量输入通道包括：传感器、模拟开关、信号调理电路、采样/保持器、A/D转换器模拟开关概念 在测控系统中，经常需要有多路和多参数的采集和控制，若每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样/保持，A/D等环节，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大，而且由于模拟器件、阻容元件参数特征的不一致，将对系统的校准带来极大困难。因此，除特殊情况下采用多路独立输入通道外，通常采用模拟开关来实现这种功能。模拟开关的作用主要是用于多路信号的切换。模拟开关模拟多路开关的分类 机械触点式和电子式两种。电子式又分为分立式和集成式。这里简要介绍一下集成式。

模拟开关模拟集成多路开关的选用 在进行模拟集成多路开关选择时，常要考虑以下参数：通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度都有直接影响，通道数目越多，寄生电容和泄漏电流越大泄漏电流：若信号源的内阻很大，传输的是个电流量，此时就更需要考虑多路开关的泄漏电流，一般泄漏电流越小越好。切换速度：切换速度直接影响到后续的A/D转换等操作，因此，希望切换速度越快越好开关电阻：理想状态的多路开关的导通电阻为零，而断开电阻为无穷大。开关电阻值越小越好，以减小损耗 有很多A/D转换芯片内部已经集成了多路开关功能。如TLC1543

信号调理电路 由传感器输出的模拟信号形式多样，在进入A/D转换器进行模数转换前必须经过信号调理，使之成为能够被特定A/D转换器所接受的信号。信号调理通常包含以下几个方面：放大（Amplification）功能在于提高信号测量的分辨率和提高信噪比隔离（Isolation）隔离器不经导线这种连接方式将信号由一处传向另一处。常见的隔离方式有光电耦合、电磁耦合以及电容耦合。隔离的目的在于保护后续电路，排除接地回路或共模电压干扰。滤波（Filtering）滤波就是滤除信号中所包含的噪声。低通滤波、高通滤波、带通滤波以及带阻滤波采样/保持器 对模拟信号进行A/D转换时，需要一定的转换时间，在这个转换时间内，模拟型号要保持基本不变，这样才能保证转换精度。采样/保持器就是完成这种功能的电路，它相当于一个模拟信号存储器。 采样/保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在采样方式下，采样/保持器的输出必须跟踪模拟输入电压；在保持方式下，采样/保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令撤销。目前，大多数A/D转换芯片已将采样/保持功能集成在芯片内。A/D转换器概念 A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件，它是模拟系统与数字系统之间的接口。 对于A/D转换技术与原理，本章不作重点介绍。因为对于计算机控制系统的设计、开发人员而言，重要的是正确、合理地选取商品化的A/D芯片，了解它们的功能、应用以及接口方式。A/D转换器1954"DATRAC"11-bit,50-kSPSVacuumTubeADCA/D转换器A/D转换器的主要性能指标分辨率（Resolution）——对于ADC而言，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。具体定义为，满量程电压与2n的比值，其中n为ADC的位数。由于ADC分辨率的高低取决于位数的多少，因此，通常也以ADC的位数来表示分辨率。量化误差（QuantizingError）——量化误差是由ADC的有限分辨率所引起的误差。在不计其它误差的情况下，一个分辨率有限的ADC的阶梯状转移特性曲线与具有无限分辨率的ADC转移特性曲线（直线）之间的最大偏差，称为量化误差。对于在零刻度处有1/2LSB偏移的ADC的量化误差为±1/2LSB，没有加入偏移量的ADC的量化误差为1LSB。A/D转换+1/2LSB-1/2LSBA/D转换器A/D转换器的主要性能指标偏移误差（OffsetError）指输入信号为零时，输出信号不为零的值，因此又称为零值误差满量程误差（FullScaleError）又称为增益误差，是指满量程输出数值所对应的实际输入电压与理想输入电压之差A/D转换器A/D转换器的主要性能指标绝对精度（AbsoluteAccuracy）输出数值所对应的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压值之差参考电压（ReferenceInputVoltage）转换速率（ConversionRate）在保证转换精度的前提下，能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而转换时间则是指完成一次A/D转换所需的时间A/D转换器A/D转换器的主要性能指标并行和串行输出模拟输入通道数转换开始和转换结束信号A/D转换器A/D转换器的分类 从电路结构上看，当前实现A/D转换功能主要有闪烁型、积分型、逐次逼近型、和Σ-Δ型等。性能特点闪烁型积分型逐次逼近型Σ-Δ型分辨率/bit3-812-228-1616-24转换速度高速低速中高速中低速功耗高低低中价格高低中中模拟量输出通道模拟量输出通道的作用 把系统输出的数字量控制信息转变为执行机构所需的模拟量信号。模拟量输出通道的基本结构 其基本结构主要包括：D/A转换器、多路开关、保持器、调理电路（如V/I等）等。模拟量输出通道模拟量输出信号的形式直流电流信号直流电压信号模拟量输出信号的形式直流电流信号 当测控系统输出模拟信号需要传输较远的距离时，一般采用电流信号而不是电压信号，因为电流信号抗干扰能力强，信号线电阻不会导致信号损失。当把计算机与常规仪器仪表相配合组成显示或控制系统时，各个单元之间的信号应当规范化。按照我国国家标准GB3369-52所规定的（工业自动化仪表用模拟直流电流信号）和国外IEC标准381所规定的（过程控制系统用模拟直流电流信号），直流电流信号分为两种：一种是4～20mA（负载电阻250～750Ω）；另一种是0～10mA（负载电阻0～3000Ω)）。在采用4～20mA信号标准时，零毫安值表示信号电路或供电有故障。模拟量输出信号的形式直流电压信号 当测控系统输出模拟信号需要传输给多个其它仪器仪表或控制对象时，一般采用直流电压信号而不是直流电流信号。 这是因为，如果采用直流电流信号，为了保证多个接收信号的设备获得同样的信号，必须将它们的输入端互相串联起来。这就导致一个不可靠因素，当任何一个接收设备发生断路故障时，其它接收设备也会失去信号。而且，互相串联的各个接收设备输入端对地电位不等，也会引起一些麻烦。在采用直流电压信号的情况下，多个接收信号的设备的输入端互相并联起来便能获得同样的信号。为了避免导线电阻形成压降而使信号改变，接收设备的输入阻抗必须足够高。但是，太高的输入阻抗很容易引入电场耦合干扰。因此，直流电压信号只适用于传输距离较近的场合。模拟量输出信号的形式

对于采用4～20mA电流信号的系统，只需采用250Ω电阻就可将其变换为1～5V直流电压信号。所以1～5V直流电压信号也是常用的模拟信号形式之一。在采用1～5V信号标准时，1V以下的电压值表示信号电路或供电有故障。直流4～20mA电流信号及1～5V电压信号容易判别断线和电源故障，所以受到国际的推荐和普遍的采用。D/A转换器D/A转换器的性能指标

在选用D/A转换器时，应考虑的主要技术指标是分辨率、精度、输出电平和稳定时间。D/A转换器与A/D转换器的分辨率和精度的含义是相同的。D/A转换器D/A转换器的输出电平 D/A转换器按输出电平的类别有电压输出型和电流输出型两种，不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大。电压输出型的输出电平一般为5～lOV，也有高达24～30V的高电平输出D/A转换器。电流输出型的输出，低的为20mA，高的可达3A。D/A转换器D/A转换器的稳定时间稳定时间指的是D/A转换器在输入代码作满量程值的变化时（例如从OOH变到FFH），其模拟输出达到稳定（一般指达到离终值士1/2LSB值相当的模拟量范围内）所需的时间，一般为几十纳秒到几微秒。电流输出型的D/A转换器的稳定时间短，电压输出型D/A转换器的稳定时间主要取决于运算放大器的过渡过程。D/A转换器D/A转换器AD5627RD/A转换器AD5627R的引脚分布开关量输入通道开关量信号的概念 开关信号是指在有限的离散瞬间上取值间隔的信号。如果开关量信号的幅值为TTL或CMOS电平，则又可将该组开关量信号称为数字量信号。 “开”和“关”对应着电平的变化。开关量输入通道开关量输入通道的作用

开关量输入通道的任务主要是将现场输入的开关量信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号。 具体到测试系统中，开关量输入通道主要发挥以下作用：定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机是否在运转、阀门是否开启等。对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题进行处理。若有异常，及时向主机发出中断请求信号，申请故障处理，保证生产过程的正常运转。开关量输入通道常见的开关量输入形式开关状态检测——查询、中断脉宽测量，如超声波测距脉冲计数，如旋转编码器开关量输入通道开关量输入通道开关量输入通道的典型结构开关量输入通道主要由输入接口电路、地址译码器以及相关的输入调理电路组成。开关量输入通道接口电路：缓冲或锁存外部输入信号地址译码器：选通对应的开关量输入通道开关量输入通道

输入电路的主要任务是考虑电平转换、滤波、过电压保护、反电压保护、光电隔离等。电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信号RC滤波是用RC滤波器滤出高频干扰过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离开关量输入通道逻辑电平

最常见的两种逻辑系列：TTL（晶体管-晶体管逻辑）和CMOS（互补MOS逻辑）。开关量输入通道典型的输入调理电路开关量输入通道电平转换开关量输出通道开关量输出通道的作用

对于只有两种工作状态的执行机构或器件，用计算机控制系统输出开关量来控制它们，例如控制马达的启动和停止，信号指示灯的亮和灭，电磁阀的打开与关闭，继电器的接通与断开，步进电机的运行等。开关量输出通道的任务就是把计算机输出的开关信号传送给这些执行机构或器件。开关量输出通道开关量输出通道的典型结构开关量输出通道开关量输出通道开关量输出驱动 同计算机直接接口的一般TTL或CMOS电路的驱动能力都是很有限的。多数74LS系列TTL电路的低电平输出电流最大仅为8mA，高定平输出仅为0.4mA;4000系列CMOS的输出还不足1mA。而某些执行器件需要较大的驱动电流，这就必须附加驱动电路。常用的开关量输出驱动电路有以下几种。TTL三态门缓冲器集电极开路（OC）门门电路外加晶体管达林顿晶体管阵列开关量输出通道TTL三态门缓冲器如74LS240、74LS244和74LS245都属于TTL三态缓冲器，这类芯片的驱动能力要高于一般的TTL电路，其高定平输出电流IO=-15mA，低电平输出电流IO=24mA，可被用于驱动光耦、小尺寸LED数码管、中功率晶体管等。开关量输出通道集电极开路门

OC门电路的输出级是一个集电极开路的晶体管。在搭建电路时，OC门输出端必须外加一个接至正电源的负载才能正常工作，负载正电源+U可以比TTL电路的UCC高出很多（方便用于电平转换）。例如，7406、7407OC门输出级截止时的耐压可达30V，输出电平时吸收电流的能力可达40mA。在实际应用中，OC门电路常被用于驱动微型继电器、LED数码管等。开关量输出通道门电路外加功率晶体管门电路外加晶体管可以为直流执行器件提供更大的驱动电流。小型的功率管的驱动能力大约为10～50mA，中型的可达50～500mA。需要注意的是，门电路输出为高电平时，必须保证能够提供给功率管足够的基极电流，是其饱和导通。若负载位感性的，应在负载上并联续流二极管。开关量输出通道达林顿晶体管阵列驱动器达林顿晶体管真理驱动器适用于多路开关量中功率驱动电路。例如MC1416包含7路开关量驱动器。开关量输出通道达林顿晶体管阵列驱动器MC1416的特性如下：每路输出电流达500mA，但总电流不得超过2.5A；输出端截止时耐压可达100V输入端可与多种TTL及CMOS电路兼容开关量输出通道执行机构

执行机构的作用是接收计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。执行机构有各种各样的形式，按所需能量的形式可分为气动执行机构、电动执行机构和液压执行机构。电动执行机构是工程上应用最多、使用最方便的一种执行器，特点是体积小、种类多、使用方便。下面简单介绍几种常用的电动执行机构。开关量输出通道电动执行机构电磁继电器电磁阀晶闸管（Thyristor）固态继电器(SSR)开关量输出通道电磁继电器

电磁继电器是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控制器件，主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件组成。继电器的触点是与线圈分开的，通过控制继电器线圈上的电流可以使继电器上的触点开关闭合或断开，从而使外部高电压或大电流与微型机隔开。电磁式继电器线圈的驱动电源可以是直流的，也可以是交流的，电压规格很多。输出触点的电流、电压也有很多种规格。电磁式继电器的线圈、触点可以使用各自独立的电源，两者之间相互绝缘。它还有很大的电流放大作用，因此，电磁式继电器是一种很好的开关量输出隔离及驱动器件。不足是机械式触点动作时间较慢，在开关瞬间触电容易产生火花，引起干扰，缩短使用寿命。开关量输出通道电磁继电器的几种附加电路 电磁继电器在应用中往往还要加上一些附加电路以改变继电器的工作特性或起保护作用。继电器的附加电路主要有如下三种形式：开关量输出通道电磁阀 电磁阀是在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭的阀体。广泛应用于液压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。它由线圈、固定铁心、可动铁心和阀体等组成。当线圈不通电时，可动铁心受弹簧作用与固定铁心脱离，阀门处于关闭状态；当线圈通电时，可动铁心克服弹簧力的作用而与固定铁心吸合，阀门处于打开状态。这样，就控制了液体和气体的流动。再通过流动的液体或气体推动油缸或汽缸来实现物体的机械运动。开关量输出通道电磁阀电磁阀分为常开和常闭两种。电磁阀的线圈长时间通电会产生发热现象，严重的会将线圈烧毁，因此，应根据应用进行合理选取。电磁阀有交流和直流之分。交流电磁阀使用方便，但容易产生颤动，启动电流大，并会引起发热。直流电磁阀工作可靠，但需专门的直流电源，电压分12V、24V和48V。开关量输出通道晶闸管

晶闸管又可称为可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）,简称为可控硅，是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使