ComputerAidedTestandMeasurement第7章計算機輔助測試技術計算機輔助測試系統(tǒng)的組成及采樣定理。重點難點采樣定理、混疊、截斷、泄漏、加窗等概念。

掌握計算機輔助測試的特點及計算機輔助測試系統(tǒng)的組成原理，重點掌握以A/D轉換器、D/A轉換器為核心的計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬信號轉換輸出系統(tǒng)的工作原理及主要技術性能指標。對數(shù)字信號處理與分析、虛擬儀器及其開發(fā)平臺LabVIEW有一定的了解。學習目標學習重點與難點7.1概述7.2數(shù)據(jù)采集7.3數(shù)字信號處理與分析7.4模擬信號輸出7.5虛擬儀器主要學習內容■計算機輔助測試（CAT，ComputerAidedTestandMeasurement）一般指的是用微處理器、單片機、個人計算機等組成測試系統(tǒng)。通過充分利用計算機系統(tǒng)的軟、硬件資源及網(wǎng)絡資源，達到擴展測試系統(tǒng)的功能、提高測試系統(tǒng)的性能等目的。主要工作內容：●組成智能儀器●組成自動測控系統(tǒng)●組成虛擬儀器●實現(xiàn)測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化7.1概述Introduction7.1.1計算機輔助測試及其主要工作內容7.1.2計算機測控、測試系統(tǒng)的組成

數(shù)據(jù)采集過程就是把連續(xù)的模擬電壓信號轉換成離散的數(shù)字信號的過程，這些數(shù)字信號把原始模擬信號中所載有的有用信息保留下來。數(shù)據(jù)采集過程一般包括三個階段：采樣、保持、量化與編碼。7.2數(shù)據(jù)采集DataAcquisition7.2.1數(shù)據(jù)采集（DAQ）過程1.采樣

把隨時間連續(xù)變化的模擬電壓信號轉換成時間上離散（只在一系列離散的時刻有值）的模擬量的過程。

采樣實際上是把一個周期性脈沖序列與被采信號相乘的過程?！蓸宇l率——采樣周期采樣開關起到乘法器的作用。用周期性脈沖序列g(t)使其脈沖性接通，從而使被采信號在脈沖發(fā)生時刻的瞬時值傳遞到后面的環(huán)節(jié)。注意：實際采樣脈沖有一定的寬度，因此所采到的信號也有一定的寬度，因此采樣后通常還需對信號進行保持?！霾蓸佣ɡ?/p>

對一個具有有限頻帶寬度（）的連續(xù)信號進行采樣時，采樣頻率至少應為被采信號中最高頻率成分頻率的兩倍，即——奈魁斯特頻率采樣頻率正確采樣頻率為臨界值■混疊

不滿足采樣定理的要求時將會發(fā)生頻率混疊，使信號的頻譜發(fā)生變化而產生失真。避免混疊的技術措施：●抗混疊濾波為避免混疊，通常是在采樣裝置之前設置一抗混疊濾波器（低通），濾掉高頻成分使信號成為限帶信號?！癖ＷC足夠高的采樣頻率，一般取■泄漏信號的截斷與能量泄漏

時域截斷會引起頻域的能量發(fā)生泄漏，使信號的頻譜發(fā)生畸變而產生失真。

對采集到的數(shù)據(jù)采用適當?shù)募哟疤幚恚訖嗵幚恚┛梢詼p小因時域截斷而產生的泄漏誤差（使主瓣的寬度盡可能地小、能量盡可能地大），常用的窗函數(shù)主要有：◆矩形窗◆三角窗◆漢寧（Hanning）窗◆海明（Hamming）窗◆高斯（Gauss）窗◆平頂窗、帕仁窗、布拉克曼窗、凱塞窗…●矩形窗●三角窗●漢寧（Hanning）窗

對于窗函數(shù)的選擇，應考慮被分析信號的性質與處理要求。如果僅要求精確讀出主瓣頻率，而不考慮幅值精度，則可選用主瓣寬度比較窄而便于分辨的矩形窗，例如測量物體的自振頻率等；如果分析窄帶信號，且有較強的干擾噪聲，則應選用旁瓣幅度小的窗函數(shù)，如漢寧窗、三角窗等；對于隨時間按指數(shù)衰減的函數(shù)，可采用指數(shù)窗來提高信噪比。

2.保持

在量化期間，使其輸出“定格”在采樣開始瞬間采樣器的輸入電壓值上，以減小量化誤差。tA/D轉換命令高電平期間u2跟隨u1低電平期間u2保持不變，同時A/D進行轉換u1

輸入模擬信號u2采樣/保持器輸出信號3.量化與編碼

以一定的電壓為基準電平，將采樣、保持后的離散模擬電壓轉換成表示為基準電平整數(shù)倍的數(shù)字量。1.單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7.2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的類型2.多通道獨立型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3.多通道一般型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4.多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1.前置放大器

7.2.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要組成環(huán)節(jié)

將輸入模擬電壓信號放大（或衰減）到A/D轉換器可接受的范圍內，并實現(xiàn)阻抗的匹配等預處理功能。2.采樣保持器（S/H）

保證模擬輸入信號的采樣并保持A/D轉換器的輸入信號在一次A/D轉換過程中保持不變。控制信號為高電平期間，K合上，C充電——采樣控制信號為低電平期間，K打開，C上電壓不變——保持3.多路選擇開關（MUX）

“多選一”模擬電子開關，有多個輸入端和一個輸出端，由計算機或邏輯電路控制將其輸出端與某一輸入端接通。

目前，許多A/D轉換器都把多路選擇開關、采樣保持器集成在其芯片中。MUXG012301ENY4567702ENCBA7D6D5D4D3D2D1D0D數(shù)據(jù)輸入端輸出端使能端控制端4.A/D轉換器

A/D（模/數(shù)）轉換器（ADC），是把模擬電壓量轉換成對應數(shù)字量的裝置，是計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。ADC（8位）Vx輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/256≈0.0195V最低有效位LSB≈19.5mV■A/D轉換器的作用

類型特點主要應用雙積分型轉換精度很高，抗干擾性很強，速度很慢（轉換時間幾百s~幾ms）數(shù)字儀表（數(shù)字萬用表、高精度電壓表）和低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)逐次逼近型轉換速度中等（轉換時間幾s~幾百s），精度較高，成本較低中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、在線自動檢測系統(tǒng)、動態(tài)測控系統(tǒng)并行比較型轉換速度最高（轉換時間幾ns~幾s），成本較高，精度不太高數(shù)字通信技術和高速數(shù)據(jù)采集技術■A/D轉換器的分類

■逐次逼近型A/D轉換器的工作原理

有效砝碼的總重量逐次逼近重物的重量：8位ADC工作原理——轉換后得到的數(shù)字量——參考（精密基準）電壓——待轉換的模擬電壓移位寄存器清零；①10000000→D/A輸出2.56V→Vref<Vx→D7為1→使D6置1；②11000000→D/A輸出3.84V→Vref>Vx→D6清0，D5置1；③10100000→D/A輸出3.20V→

Vref<Vx

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

A/D轉換結束，轉換結果為：10111010（對應于模擬電壓3.72V）設，則量化電平若，則轉換過程如下：■A/D轉換器的主要技術指標●分辨率●量程輸出數(shù)字量變化一個字所對應的輸入模擬電壓的變化。例：對于8位ADC，若量程為0~5V，則分辨率可表示成

◆

5V/28=5000mV/256≈20mV

◆

8位

◆

1/28=1/256ADC所能轉換的模擬輸入電壓的范圍。◆單極性量程（如0~5V）◆雙極性量程（如-10V~+10V）●轉換精度●線性誤差

●轉換速率

實際轉換結果相對于理想轉換結果的偏差。

◆絕對精度用最低有效位（LSB）的倍數(shù)來表示。例如：±1LSB、±0.5LSB等?！粝鄬扔媒^對精度除以量程所對應的最大輸出數(shù)字量的百分數(shù)來表示。例如：0.1%、0.4%等。ADC的實際轉換特性對理想線性轉換特性的最大偏差。

ADC在單位時間內可以完成的極限轉換次數(shù)。例如：10000次/s（或10kHz）。也可用轉換時間表示，例如：25μs（40kHz、40000次/s）。

數(shù)字信號處理的主要目的是為了使處理后的數(shù)字信號能真實地反映被測對象的相應狀態(tài)，最大限度地減小各種測量轉換誤差；數(shù)字信號分析的主要目的則在于合理地從數(shù)字信號中提取關于被測對象的有關信息。7.3數(shù)字信號處理與分析ProcessingandAnalysisforDigitalSignal1.數(shù)字濾波●用軟件實現(xiàn)，結果可靠性高、穩(wěn)定性好?！窨梢詫崿F(xiàn)截止頻率極低（例如0.01Hz）的低通濾波?！駭?shù)字濾波的方法多，使用靈活。特點：7.3.1數(shù)字信號處理■算術平均值濾波

對數(shù)字序列中的N個相鄰的采樣值取算術平均值，以該算術平均值（即濾波后的輸出）作為信號在這N個采樣點處的采樣結果。適用于混有一般隨機干擾的數(shù)字信號的濾波.注意：與實際采樣間隔相比應充分地小！■滑動（遞推）平均值濾波■加權平均值濾波

■防脈沖干擾平均值濾波

首先對前N個采樣值取平均得到第1個算術平均值，然后將這N個采樣值最前面的一個去掉，再加上下一個新的采樣值取平均得到第2個算術平均值，…，依此類推。

與滑動平均值濾波原理相同，但為取平均的每個采樣值賦以不同的權。降低了對A/D轉換器轉換時間的要求。

將N個采樣值中的最大值、最小值剔除，對余N-2個采樣值取平均，可在一定程度上消除脈沖干擾的影響。該方法簡單，較為常用?！龅屯〝?shù)字濾波

使用低通數(shù)字濾波的遞推算法——第n個未濾波的輸入采樣值；——第n個濾波后的輸出值；a

——濾波器常數(shù)，0<a<1。——第n-1個濾波后的輸出值；數(shù)字低通濾波器的上截止頻率由a和共同決定：實現(xiàn)程序比較簡單，運算速度快，實用有效，可實現(xiàn)模擬濾波器所不能實現(xiàn)的上截止頻率極低的低通濾波。2.標度變換

將數(shù)字量轉換成以特定單位表示的被測量的實際值。線性標度變換——要進行標度變換的數(shù)字量；——標度變換后所得到的以特定單位表示的被測量大小；——量程內被測量的最大值、最小值；——量程內被測量的最大值、最小值時所對應的數(shù)字量輸出。3.非線性校正

測試系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)（包括ADC）所存在的非線性因素，使系統(tǒng)的輸出與輸入之間呈某種非線性關系，應通過適當?shù)募夹g措施予以校正。常用的方法有：●硬件校正：使用某些非線性電路（如二極管電路），一般設置在信號調理電路的最后?！褴浖Ｕ豪糜嬎銠C，通過對數(shù)字信號進行函數(shù)計算來實現(xiàn)。若使利用校正函數(shù)的軟件非線性校正應使●模擬分析法

使用模擬信號分析設備直接對模擬信號進行分析處理——模擬頻譜分析儀、模擬相關分析儀等。●數(shù)字分析法

先把待分析的連續(xù)模擬信號通過A/D轉換成離散的數(shù)字信號，然后由計算機對數(shù)字信號進行分析——數(shù)字信號處理機以及MATLAB、LabVIEW等軟件。頻譜分析儀7.3.2數(shù)字信號分析1.數(shù)字信號分析的理論基礎●

概率論與數(shù)理統(tǒng)計

2.數(shù)字信號分析的基本原理

首先對模擬信號進行采樣、截斷（有時還要人為地做加權（窗）、數(shù)字濾波等處理），將持續(xù)時間無限長的連續(xù)時間信號轉換成有限長樣本的離散時間序列，最后在計算機上按一定的算法進行各種信號分析。●

傅里葉變換FT離散傅里葉變換DFT快速傅里葉變換FFT

數(shù)字信號分析前的準備3.數(shù)字信號分析方法

■譜分析

譜分析指的是把時域動態(tài)信號通過離散傅里葉變換轉到頻域進行分析，其數(shù)學基礎是傅里葉變換。具體分析方法有：●頻譜分析（諧波分析）●功率譜分析●頻率響應函數(shù)分析●相干函數(shù)分析●倒頻譜分析離散傅立葉變換的公式：■相關分析（時延域分析）

●直接法直接利用相關函數(shù)的定義進行計算分析。◆自相關函數(shù)◆互相關函數(shù)●間接法◆自相關函數(shù)◆互相關函數(shù)■小波分析（略）

D/A（數(shù)/模）轉換：將數(shù)字量轉換成模擬信號。實現(xiàn)D/A轉換的裝置稱為D/A（數(shù)/模）轉換器（DAC）。

通過計算機等將數(shù)字信號轉換成模擬信號輸出，目的是實現(xiàn)對某些執(zhí)行元件（如電液比例閥、電機、繼電器等）的控制。

D/A轉換器所輸出的模擬量大多為電流輸出形式，有些D/A轉換器內部設有運算放大器用來實現(xiàn)電流/電壓轉換（I/V轉換），因此可以直接輸出電壓（單極性輸出、雙極性輸出）。7.4模擬信號輸出OutputforAnalogSignaln位二進制數(shù)D可以表示成

輸入數(shù)字量D與輸出模擬量Eo之間的關系為——轉換時的參考電平（為量化當量）7.4.1D/A轉換原理1.權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器7.4.2D/A轉換器的種類2.T型網(wǎng)絡D/A轉換器

輸入數(shù)字量變化最小量（一個字）時所對應的輸出模擬量變化與滿量程輸出之比（常用DAC的位數(shù)表示）。

實際輸入輸出特性曲線偏離理想特性直線的程度?！穹直媛省褶D換時間（建立時間）●轉換精度●線性誤差

輸入數(shù)字量從最小值跳變至最大值（滿量程變化）時其輸出模擬量從初始值達到穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。實際模擬量輸出與理論模擬量輸出之間的差異。7.4.3D/A轉換器的主要技術指標

“軟件就是儀器TheSoftwareistheInstruments”——NI理念7.5虛擬儀器VirtualInstrument

在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義、具有虛擬前面板、測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。1.虛擬儀器（VI）7.5.1虛擬儀器的概念

虛擬儀器是在計算機上顯示傳統(tǒng)儀器面板，它將硬件電路完成的信號調理和處理功能由計算機程序完成，這種硬件功能軟件化是虛擬儀器的一大特征。虛擬雙蹤示波器（前面板）虛擬雙蹤示波器（程序框圖）基于虛擬儀器的新型工業(yè)測控系統(tǒng)架構2.虛擬儀器的特點●可由用戶定義虛擬儀器的功能、性能、指標?！窨梢詫⒍喾N儀器的功能、性能、指標等以軟件的形式集成在虛擬儀器庫內?！癫僮骱唵沃庇^，數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)處理、結果與圖形曲線顯示的功能強大?！窨梢栽谕豢偩€系統(tǒng)的儀器之間或通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)資源共享?！駵y量精度高、測量范圍寬且性能穩(wěn)定、可靠性高?！裰悄艹潭雀撸哂凶詫W習和決策能力?！耖_發(fā)周期短、成本低、維護方便。虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)和維護費用低開發(fā)和維護費用高技術更新周期短（05～1年）技術更新周期長（5～10年）軟件是關鍵硬件是關鍵價格低價格昂貴開放、靈活與計算機同步,可重復使用和重新配置固定可用網(wǎng)絡聯(lián)絡周邊各種儀器只可連有限的設備自動化、智能化、多功能、遠距離功能單一、操作不便3.虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較

虛擬儀器主要由計算機、測量硬件接口模塊和虛擬儀器軟件三部分組成。7.5.2虛擬儀器的組成1.硬件系統(tǒng)●基于PXI總線的虛擬儀器系統(tǒng)●基于串口儀器的虛擬儀器系統(tǒng)●基于VXI總線的虛擬儀器系統(tǒng)

●基于通用接口總線GPIB的虛擬儀器系統(tǒng)●基于DAQ設備——數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡圖像采集卡運動控制卡2.軟件系統(tǒng)

■VISA庫

■儀器驅動程序

■虛擬儀器開發(fā)平臺軟件

虛擬儀器軟件有三個層次：●文本編程語言:LabWindows/CVI、VC、VB等。

●圖形化編程語言（G語言）：LabVIEW、HP-VEE、Ez-Text、TEK-TNS等。1.LabVIEW的主要功能與特性

LabVIEW（LaboratoryofVirtualInstrumentsEngineeringWork