计算机辅助测试技术

第8章计算机辅助测试技术第8章计算机辅助测试技术学习目标学习重点

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。对数字信号的处理与分析、计算机辅助测试系统设计、虚拟仪器及其开发平台LabVIEW有一定的了解。1.计算机辅助测试系统的组成原理。2.计算机数据采集系统的类型及特点。3.A/D、D/A转换器的工作原理及主要性能指标。4．数字信号处理的基本内容与方法。第8章计算机辅助测试技术几个术语:■计算机辅助设计（CAD，ComputerAidedDesign）■计算机辅助制造（CAM，ComputerAidedManufacture）■计算机辅助测试（CAT，ComputerAidedTest）8.1.1计算机辅助测试的工作内容

8.1概述■组成智能仪器■组成自动测控系统■组成虚拟仪器■测控系统的网络化第8章计算机辅助测试技术8.1.2计算机测控、测试系统的组成第8章计算机辅助测试技术8.2数据采集（DAQ）

8.2.1数据采集过程

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。第8章计算机辅助测试技术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，采样开关相当于一个乘法器。第8章计算机辅助测试技术采样后得到的时间离散信号

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

实际常取为第8章计算机辅助测试技术

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。3.量化

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。第8章计算机辅助测试技术8.2.2数据采集系统的类型1.单通道数据采集系统

第8章计算机辅助测试技术2.多通道独立型数据采集系统

第8章计算机辅助测试技术3.多通道一般型数据采集系统

第8章计算机辅助测试技术4.多通道同步型数据采集系统

第8章计算机辅助测试技术8.2.3数据采集系统的主要组成环节1.前置放大器

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.多路选择开关

“多选一”模拟电子开关，有多个输入端和一个输出端，由计算机来控制将其输出端与某一输入端接通。第8章计算机辅助测试技术3.采样保持器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。

第8章计算机辅助测试技术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。

■

A/D转换器的分类

第8章计算机辅助测试技术■

A/D转换器的工作原理

第8章计算机辅助测试技术■

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或8位或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）第8章计算机辅助测试技术●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）。第8章计算机辅助测试技术8.3数字信号的处理与分析

8.3.1数字信号处理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。1.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。特点第8章计算机辅助测试技术■

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！第8章计算机辅助测试技术■

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。

第8章计算机辅助测试技术■

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。数字低通滤波器的上截止频率由a和共同决定：——第n-1个滤波后的输出值；

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。第8章计算机辅助测试技术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。第8章计算机辅助测试技术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。第8章计算机辅助测试技术若使应使■

利用校正函数的软件非线性校正第8章计算机辅助测试技术8.3.2数字信号分析简介■

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。频谱分析仪第8章计算机辅助测试技术1.数字信号分析的理论基础傅里叶变换、概率论及数理统计

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、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→离散傅里叶变换DFT→快速傅里叶变换FFT）

第8章计算机辅助测试技术第8章计算机辅助测试技术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傅里叶变换变换到频域进行分析，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●倒频谱分析第8章计算机辅助测试技术■相关分析

●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

第8章计算机辅助测试技术●间接法

自相关函数

互相关函数

■小波分析第8章计算机辅助测试技术8.4模拟信号输出

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转换器（DAC）。通过计算机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）。第8章计算机辅助测试技术1.D/A转换器的工作原理

n位二进制数D可以表示成

输入数字量D与输出模拟量A之间的关系为——转换时的参考电平（为量化当量）第8章计算机辅助测试技术2.D/A转换器的种类

■权电阻网络D/A转换器

第8章计算机辅助测试技术■

T型网络D/A转换器

第8章计算机辅助测试技术3.D/A转换器的主要技术指标

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。第8章计算机辅助测试技术8.5计算机辅助测试系统的设计

计算机辅助测试系统的设计通常分为设计准备、硬件设计和软件设计三个阶段。8.5.1设计准备1.调研与设计资料准备

2.可行性论证

3.系统设计的总体规划

第8章计算机辅助测试技术8.5.2硬件设计1.计算机的选用

2.A/D、D/A转换器的选择

3.基本测量电路的设计

4.执行元件的驱动电路设计

8.5.3软件设计1.软件和软件生命期

2.结构化与模块化程序设计

第8章计算机辅助测试技术8.6虚拟仪器8.6.1虚拟仪器的概念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。

虚拟仪器是一个开放式的结构，它以通用计算机为核心，由数据采集卡、GPIB或VXI总线接口板实现信号的采集与控制，还可以用数字信号处理器DSP实现信号的处理，加上必要的软件，从而实现仪器的功能。“软件就是仪器——TheSoftwareistheInstruments”

■

虚拟仪器（VI）第8章计算机辅助测试技术■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。第8章计算机辅助测试技术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■虚拟仪器与传统仪器的比较第8章计算机辅助测试技术8.6.2虚拟仪器的组成

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。第8章计算机辅助测试技术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

数据采集卡第8章计算机辅助测试技术2.软件系统

■

VISA库

■

仪器驱动程序

■

虚拟仪器开发平台软件

虚拟仪器软件的三个层次：

●文本编程语言:LabWindows/CVI、VC、VB等。

●图形化编程语言：LabVIEW、HP-VEE、Ez-Text、TEK-TNS等。

第8章计算机辅助测试技术8.6.3虚拟仪器开发平台LabVIEW简介1.LabVIEW的主要功能与特性

LabVIEW（LaboratoryofVirtualInstrumentsEngineeringWorkbench）是NI（美国国家仪器公司）推出的32位、为VXI即插即用联盟认可、基于图形化编程语言G的虚拟仪器开发平台。

第8章计算机辅助测试技术

●带有多种I/O函数库，可对几千种设备（GPIB、VXI、PXI、RS-232、RS-485、数据采集卡等）进行操作。●开放式环境，提供了与ActiveX、DLLs及其它开发工具的共享库之间的开放式连接。●支持多平台且独立于平台、操作系统。●强大的数据分析与处理功能，提供了多种工具包。●强大的可视化功能。●广泛的通讯及数据存储方式。●分布式开发环境。●真正的32位编译器。●具有设置断点、单步运行等多种调试功能。