第7章 計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)

ComputerAidedTestandMeasurement第7章計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)的組成及采樣定理。重點(diǎn)難點(diǎn)采樣定理、混疊、截?cái)?、泄漏、加窗等概念?/p>

掌握計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試的特點(diǎn)及計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)的組成原理，重點(diǎn)掌握以A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器為核心的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出系統(tǒng)的工作原理及主要技術(shù)性能指標(biāo)。對(duì)數(shù)字信號(hào)處理與分析、虛擬儀器及其開發(fā)平臺(tái)LabVIEW有一定的了解。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)7.1概述7.2數(shù)據(jù)采集7.3數(shù)字信號(hào)處理與分析7.4模擬信號(hào)輸出7.5虛擬儀器主要學(xué)習(xí)內(nèi)容■計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT，ComputerAidedTestandMeasurement）一般指的是用微處理器、單片機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)等組成測(cè)試系統(tǒng)。通過充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件資源及網(wǎng)絡(luò)資源，達(dá)到擴(kuò)展測(cè)試系統(tǒng)的功能、提高測(cè)試系統(tǒng)的性能等目的。主要工作內(nèi)容：●組成智能儀器●組成自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)●組成虛擬儀器●實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化7.1概述Introduction7.1.1計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試及其主要工作內(nèi)容7.1.2計(jì)算機(jī)測(cè)控、測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)的過程，這些數(shù)字信號(hào)把原始模擬信號(hào)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(gè)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(shí)間連續(xù)變化的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散（只在一系列離散的時(shí)刻有值）的模擬量的過程。

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

對(duì)一個(gè)具有有限頻帶寬度（）的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，采樣頻率至少應(yīng)為被采信號(hào)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(shí)將會(huì)發(fā)生頻率混疊，使信號(hào)的頻譜發(fā)生變化而產(chǎn)生失真。避免混疊的技術(shù)措施：●抗混疊濾波為避免混疊，通常是在采樣裝置之前設(shè)置一抗混疊濾波器（低通），濾掉高頻成分使信號(hào)成為限帶信號(hào)?！癖ＷC足夠高的采樣頻率，一般取■泄漏信號(hào)的截?cái)嗯c能量泄漏

時(shí)域截?cái)鄷?huì)引起頻域的能量發(fā)生泄漏，使信號(hào)的頻譜發(fā)生畸變而產(chǎn)生失真。

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)采用適當(dāng)?shù)募哟疤幚恚訖?quán)處理）可以減小因時(shí)域截?cái)喽a(chǎn)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(duì)于窗函數(shù)的選擇，應(yīng)考慮被分析信號(hào)的性質(zhì)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(cè)量物體的自振頻率等；如果分析窄帶信號(hào)，且有較強(qiáng)的干擾噪聲，則應(yīng)選用旁瓣幅度小的窗函數(shù)，如漢寧窗、三角窗等；對(duì)于隨時(shí)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(zhuǎn)換命令高電平期間u2跟隨u1低電平期間u2保持不變，同時(shí)A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換u1

輸入模擬信號(hào)u2采樣/保持器輸出信號(hào)3.量化與編碼

以一定的電壓為基準(zhǔn)電平，將采樣、保持后的離散模擬電壓轉(zhuǎn)換成表示為基準(zhǔn)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(dú)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(hào)放大（或衰減）到A/D轉(zhuǎn)換器可接受的范圍內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配等預(yù)處理功能。2.采樣保持器（S/H）

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

“多選一”模擬電子開關(guān)，有多個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，由計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)換器都把多路選擇開關(guān)、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(zhuǎn)換器

A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器（ADC），是把模擬電壓量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)數(shù)字量的裝置，是計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)換器的作用

類型特點(diǎn)主要應(yīng)用雙積分型轉(zhuǎn)換精度很高，抗干擾性很強(qiáng)，速度很慢（轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百s~幾ms）數(shù)字儀表（數(shù)字萬(wàn)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(zhuǎn)換速度中等（轉(zhuǎn)換時(shí)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)并行比較型轉(zhuǎn)換速度最高（轉(zhuǎn)換時(shí)間幾ns~幾s），成本較高，精度不太高數(shù)字通信技術(shù)和高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)■A/D轉(zhuǎn)換器的分類

■逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量——參考（精密基準(zhǔn)）電壓——待轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)果為：10111010（對(duì)應(yīng)于模擬電壓3.72V）設(shè)，則量化電平若，則轉(zhuǎn)換過程如下：■A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)●分辨率●量程輸出數(shù)字量變化一個(gè)字所對(duì)應(yīng)的輸入模擬電壓的變化。例：對(duì)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(zhuǎn)換的模擬輸入電壓的范圍?！魡螛O性量程（如0~5V）◆雙極性量程（如-10V~+10V）●轉(zhuǎn)換精度●線性誤差

●轉(zhuǎn)換速率

實(shí)際轉(zhuǎn)換結(jié)果相對(duì)于理想轉(zhuǎn)換結(jié)果的偏差。

◆絕對(duì)精度用最低有效位（LSB）的倍數(shù)來表示。例如：±1LSB、±0.5LSB等?！粝鄬?duì)精度用絕對(duì)精度除以量程所對(duì)應(yīng)的最大輸出數(shù)字量的百分?jǐn)?shù)來表示。例如：0.1%、0.4%等。ADC的實(shí)際轉(zhuǎn)換特性對(duì)理想線性轉(zhuǎn)換特性的最大偏差。

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

數(shù)字信號(hào)處理的主要目的是為了使處理后的數(shù)字信號(hào)能真實(shí)地反映被測(cè)對(duì)象的相應(yīng)狀態(tài)，最大限度地減小各種測(cè)量轉(zhuǎn)換誤差；數(shù)字信號(hào)分析的主要目的則在于合理地從數(shù)字信號(hào)中提取關(guān)于被測(cè)對(duì)象的有關(guān)信息。7.3數(shù)字信號(hào)處理與分析ProcessingandAnalysisforDigitalSignal1.數(shù)字濾波●用軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)果可靠性高、穩(wěn)定性好。●可以實(shí)現(xiàn)截止頻率極低（例如0.01Hz）的低通濾波。●數(shù)字濾波的方法多，使用靈活。特點(diǎn)：7.3.1數(shù)字信號(hào)處理■算術(shù)平均值濾波

對(duì)數(shù)字序列中的N個(gè)相鄰的采樣值取算術(shù)平均值，以該算術(shù)平均值（即濾波后的輸出）作為信號(hào)在這N個(gè)采樣點(diǎn)處的采樣結(jié)果。適用于混有一般隨機(jī)干擾的數(shù)字信號(hào)的濾波.注意：與實(shí)際采樣間隔相比應(yīng)充分地小！■滑動(dòng)（遞推）平均值濾波■加權(quán)平均值濾波

■防脈沖干擾平均值濾波

首先對(duì)前N個(gè)采樣值取平均得到第1個(gè)算術(shù)平均值，然后將這N個(gè)采樣值最前面的一個(gè)去掉，再加上下一個(gè)新的采樣值取平均得到第2個(gè)算術(shù)平均值，…，依此類推。

與滑動(dòng)平均值濾波原理相同，但為取平均的每個(gè)采樣值賦以不同的權(quán)。降低了對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求。

將N個(gè)采樣值中的最大值、最小值剔除，對(duì)余N-2個(gè)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(jiǎn)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(gè)未濾波的輸入采樣值；——第n個(gè)濾波后的輸出值；a

——濾波器常數(shù)，0<a<1?！趎-1個(gè)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(shí)現(xiàn)程序比較簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，實(shí)用有效，可實(shí)現(xiàn)模擬濾波器所不能實(shí)現(xiàn)的上截止頻率極低的低通濾波。2.標(biāo)度變換

將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成以特定單位表示的被測(cè)量的實(shí)際值。線性標(biāo)度變換——要進(jìn)行標(biāo)度變換的數(shù)字量；——標(biāo)度變換后所得到的以特定單位表示的被測(cè)量大??；——量程內(nèi)被測(cè)量的最大值、最小值；——量程內(nèi)被測(cè)量的最大值、最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出。3.非線性校正

測(cè)試系統(tǒng)中的各個(gè)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(guān)系，應(yīng)通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)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(shè)置在信號(hào)調(diào)理電路的最后?！褴浖Ｕ豪糜?jì)算機(jī)，通過對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行函數(shù)計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。若使利用校正函數(shù)的軟件非線性校正應(yīng)使●模擬分析法

使用模擬信號(hào)分析設(shè)備直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行分析處理——模擬頻譜分析儀、模擬相關(guān)分析儀等。●數(shù)字分析法

先把待分析的連續(xù)模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)，然后由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析——數(shù)字信號(hào)處理機(jī)以及MATLAB、LabVIEW等軟件。頻譜分析儀7.3.2數(shù)字信號(hào)分析1.數(shù)字信號(hào)分析的理論基礎(chǔ)●

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)

2.數(shù)字信號(hào)分析的基本原理

首先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、截?cái)啵ㄓ袝r(shí)還要人為地做加權(quán)（窗）、數(shù)字濾波等處理），將持續(xù)時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)的連續(xù)時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換成有限長(zhǎng)樣本的離散時(shí)間序列，最后在計(jì)算機(jī)上按一定的算法進(jìn)行各種信號(hào)分析?！?/p>

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(hào)分析前的準(zhǔn)備3.數(shù)字信號(hào)分析方法

■譜分析

譜分析指的是把時(shí)域動(dòng)態(tài)信號(hào)通過離散傅里葉變換轉(zhuǎn)到頻域進(jìn)行分析，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)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(yīng)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(guān)分析（時(shí)延域分析）

●直接法直接利用相關(guān)函數(shù)的定義進(jìn)行計(jì)算分析?！糇韵嚓P(guān)函數(shù)◆互相關(guān)函數(shù)●間接法◆自相關(guān)函數(shù)◆互相關(guān)函數(shù)■小波分析（略）

D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換：將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的裝置稱為D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器（DAC）。

通過計(jì)算機(jī)等將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)某些執(zhí)行元件（如電液比例閥、電機(jī)、繼電器等）的控制。

D/A轉(zhuǎn)換器所輸出的模擬量大多為電流輸出形式，有些D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部設(shè)有運(yùn)算放大器用來實(shí)現(xiàn)電流/電壓轉(zhuǎn)換（I/V轉(zhuǎn)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(hào)輸出OutputforAnalogSignaln位二進(jìn)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(guān)系為——轉(zhuǎn)換時(shí)的參考電平（為量化當(dāng)量）7.4.1D/A轉(zhuǎn)換原理1.權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器7.4.2D/A轉(zhuǎn)換器的種類2.T型網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

輸入數(shù)字量變化最小量（一個(gè)字）時(shí)所對(duì)應(yīng)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(shí)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(zhuǎn)換時(shí)間（建立時(shí)間）●轉(zhuǎn)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(shí)其輸出模擬量從初始值達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。實(shí)際模擬量輸出與理論模擬量輸出之間的差異。7.4.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

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

在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義、具有虛擬前面板、測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)上顯示傳統(tǒng)儀器面板，它將硬件電路完成的信號(hào)調(diào)理和處理功能由計(jì)算機(jī)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(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)2.虛擬儀器的特點(diǎn)●可由用戶定義虛擬儀器的功能、性能、指標(biāo)?！窨梢詫⒍喾N儀器的功能、性能、指標(biāo)等以軟件的形式集成在虛擬儀器庫(kù)內(nèi)?！癫僮骱?jiǎn)單直觀，數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)處理、結(jié)果與圖形曲線顯示的功能強(qiáng)大?！窨梢栽谕豢偩€系統(tǒng)的儀器之間或通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)資源共享?！駵y(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬且性能穩(wěn)定、可靠性高?！裰悄艹潭雀?，具有自學(xué)習(xí)和決策能力?！耖_發(fā)周期短、成本低、維護(hù)方便。虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高技術(shù)更新周期短（05～1年）技術(shù)更新周期長(zhǎng)（5～10年）軟件是關(guān)鍵硬件是關(guān)鍵價(jià)格低價(jià)格昂貴開放、靈活與計(jì)算機(jī)同步,可重復(fù)使用和重新配置固定可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各種儀器只可連有限的設(shè)備自動(dòng)化、智能化、多功能、遠(yuǎn)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(jì)算機(jī)、測(cè)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(shè)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(yùn)動(dòng)控制卡2.軟件系統(tǒng)

■VISA庫(kù)

■儀器驅(qū)動(dòng)程序

■虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件

虛擬儀器軟件有三個(gè)層次：●文本編程語(yǔ)言:LabWindows/CVI、VC、VB等。

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

LabVIEW（LaboratoryofVirtualInstrumentsEngineeringWork