第二部分現(xiàn)代電子測量技術(shù)演示文稿

第二部分現(xiàn)代電子測量技術(shù)演示文稿2023/5/121目前一頁\總數(shù)六十二頁\編于八點2023/5/122優(yōu)選第二部分現(xiàn)代電子測量技術(shù)目前二頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

2.以標準接口和總線為主要特征的階段 進入20世紀70年代末期，標準化的通用接口總線出現(xiàn)了，因而可利用GPIB、VXI等儀器系統(tǒng)總線將一臺計算機和若干臺電子測量儀器連接在一起，組成自動測試系統(tǒng)。在這種自動測試系統(tǒng)中，各設(shè)備都用標準化的接口和統(tǒng)一的無源總線以搭積木的形式連接起來。 在這些儀器總線中，最具代表性的是GPIB總線和VXI總線。GPIB總線于1972年由美國惠普公司（HP，Agilent公司的前身）推出，后為美國電氣與電子工程師學(xué)會（IEEE）及國際電工委員會（IEC）接受，又稱IEEE-488總線。目前三頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

3.PC儀器階段 進入20世紀80年代，計算機特別是個人計算機得到了廣泛的普及與應(yīng)用。在電子測量領(lǐng)域，計算機與儀器之間的相互關(guān)系也在發(fā)生改變。在早期的自動測量系統(tǒng)中，儀器占據(jù)主要位置，而計算機系統(tǒng)起輔助作用；而到了GPIB儀器和VXI儀器階段，計算機系統(tǒng)越來越占據(jù)著重要和主要地位?；谶@種趨勢，出現(xiàn)了“計算機即是儀器”的測試儀器新概念，誕生了個人儀器和虛擬儀器。

個人儀器以個人計算機為核心，輔以儀器電路板和擴展箱，與個人計算機內(nèi)部總線相連，在應(yīng)用軟件的控制下，共同完成測試測量任務(wù)。目前四頁\總數(shù)六十二頁\編于八點8.2智能儀器與個人儀器

8.2.1智能儀器 智能儀器是計算機技術(shù)與電子測量儀器緊密結(jié)合的產(chǎn)物，是內(nèi)含微型計算機或微處理器,能夠按照預(yù)定的程序進行一系列測量測試的測量儀器，并具有對測量數(shù)據(jù)進行存儲、運算、分析判斷、接口輸出及自動化操作等功能。目前五頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

1.智能儀器的特點

儀器與微處理器相結(jié)合，使得軟件替代了許多傳統(tǒng)的硬件邏輯，帶來更小的體積、更高的集成度、更直觀方便和智能的顯示與操作、更有效的數(shù)據(jù)存儲處理與通信。同傳統(tǒng)儀器相比，智能儀器具有以下幾個突出特點： （1）以軟件為核心，具有強大的控制能力。 （2）具有強大的數(shù)據(jù)存儲處理功能。 （3）實現(xiàn)儀器功能多樣化。 （4）智能化、自動化程度高。目前六頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

2．智能儀器的基本結(jié)構(gòu) 智能儀器實際上是一個專用的微型計算機系統(tǒng)，它由硬件和軟件兩大部分組成。

1）智能儀器的硬件結(jié)構(gòu) 智能儀器的硬件部分主要包括CPU、存儲器、內(nèi)部總線、各種I/O接口、通信接口、人機接口（鍵盤、開關(guān)、按鈕、顯示器）等，如圖8.1所示。智能溫控儀表目前七頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.1智能儀器的基本結(jié)構(gòu)目前八頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

2）智能儀器的軟件組成 智能儀器的軟件是其靈魂，整個測量工作是在軟件的控制下進行的。沒有軟件，智能儀器就無法工作，軟件是智能儀器自動化程度和智能化程度的主要標志。智能儀器的軟件部分主要包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。目前九頁\總數(shù)六十二頁\編于八點(一)微機化數(shù)字存貯示波器

1.組成

微機化數(shù)字存貯示波器的原理框圖如圖8.2所示。它包括控制、取樣存貯、讀出顯示三大部分,由數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線來將他們連成一個有機整體?？刂撇糠钟蒀PU、RAM和ROM、鍵盤等組成，其作用是實現(xiàn)智能控制。取樣存貯部分又叫取樣通道，由采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換、I/O口等組成，作用是將被測波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字量存入存貯器中。顯示部分除示波器通用的那部分外，必然有I/O、D/A等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對被測信號的復(fù)現(xiàn)。

智能儀器舉例目前十頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.2數(shù)字存貯示波器原理框圖

目前十一頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

2.原理數(shù)字存貯示波器的工作原理分兩步，一步是取樣存貯（寫入），另一步是讀出顯示。

(1)取樣存貯

在觸發(fā)信號作用下和在X通道的控制下（或由計算機控制，如圖中虛線所示）產(chǎn)生取樣脈沖，則被測信號被取樣保持電路所采樣，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再依次存入RAM之中，且每個地址的內(nèi)存只存一個數(shù)據(jù)。這一過程可見圖8.3所示。通過取樣存貯，便把被測信號記憶下來了。存貯器中存的數(shù)據(jù)是供Y軸的，而存貯器地址（也可用一計數(shù)器計的數(shù)字）則是供X軸的。

目前十二頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

圖8.3數(shù)據(jù)的采樣存入

(2)讀出顯示

在讀出顯示時，存貯器的地址經(jīng)X通道的D/A轉(zhuǎn)換成線性掃描信號(階梯波)，而存貯器中的數(shù)據(jù)經(jīng)Y通道的D/A轉(zhuǎn)換重新恢復(fù)還原成被測摸擬信號（采樣的信號），然后由CRT進行顯示。這一過程可見圖8.4所示。圖8.4數(shù)據(jù)的讀出顯示目前十三頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

例如，以觀測正弦波為例，圖8-5給出了數(shù)字存貯示波器的取樣和存貯過程，而圖8-6則給出了數(shù)字存貯示波器的讀出和顯示過程。由圖可見，掃描信號是線性上升的階梯信號，也是與取樣值成正比的階梯信號，則CRT上顯示不連續(xù)的亮點。當(dāng)取樣點足夠多時，亮點是連續(xù)的。對測試波形顯示的點數(shù)與RAM的容量有關(guān)，一般為256、512、1024等。而CRT的顯示長度X是一定的，一般為10cm。因此，計算機根據(jù)設(shè)定的掃描速度、顯示長度X和顯示點數(shù)n，就可以計算出取樣速度，并通過計算機控制取樣脈沖形成電路。例如，X=10.24cm，n=1024，設(shè)定掃描速度為2ms/cm，則取樣速度為50點/ms。目前十四頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

數(shù)字存貯示波器的取樣存儲和讀出顯示速度，都是可以任意選擇的。

8-5取樣存貯過程圖8-6取樣讀出過程目前十五頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

它可以高速存入、低速讀出，也可以低速存入高速讀出，使用十分靈活方便。前者適于測高頻信號，后者適于測低頻信號。即使是觀測甚低頻信號，數(shù)字存貯示波器也不會象通用示波器那樣因余輝時間不夠而出現(xiàn)波形閃爍。數(shù)字存儲示波器可以長期存儲波形，可進行負延遲，多方式顯示（自動抹跡、卷動），數(shù)據(jù)處理方便（參數(shù)計算，與打印機、繪圖儀等接口進行數(shù)據(jù)處理），便于觀測單次或緩慢信號。目前十六頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

8.2.2個人儀器

圖8.7示展出了個人計算機儀器結(jié)構(gòu)。8.7個人儀器目前十七頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

外總線又稱通信總線，它用于微計算機儀器與外部系統(tǒng)之間的通信聯(lián)系。目前所通用的標準有RS_232C、GPIB、CAMAC等。

RS_232C串行接口是微機系統(tǒng)中常用的外部總線標準接口，它以串行方式傳送信息，是用于數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DEC）和數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTC）之間的串行接口總線。RS_232C串行接口總線適用于：設(shè)備之間的通信距離不大于15m；傳送速率最大為20kb／s；負邏輯電平:“1”:-5V~-15V,“0”:+5V~+15V。(CRT、打印機與計算機之間接口)

采用RS_232C總線進行串行通信時需外接電平轉(zhuǎn)換電路（MAX232）。常用的串行通信接口芯片有Intel8251A、ZilogSIo、MotorolaMC6850和INS8250ACIA等8.2.3外總線目前十八頁\總數(shù)六十二頁\編于八點GPIB(通用接口總線，GeneralPurposeInterfaceBus)

是由IEEE協(xié)會(InstituteofElectricalandElectronicEngineers)規(guī)定的一種ANSI/IEEE488標準。GPIB為PC機與可編程儀器之間的連接系統(tǒng)定義了電氣、機械、功能和軟件特性。在自動測試領(lǐng)域中，GPIB通用接口是測試儀器常用的接口方式，具有一定的優(yōu)勢。參閱13.1節(jié)。8.2.3外總線（續(xù)）雙列24芯疊式結(jié)構(gòu)目前十九頁\總數(shù)六十二頁\編于八點CAMAC是一個把信號連接到計算機的標準裝置,它常常被用于連接實驗設(shè)備,插件和用于數(shù)據(jù)獲取控制的計算機.CAMAC產(chǎn)生于1966年到1969年,在1970年早期獲美國NationalInstrumentationMethod(NIM)committee認可.起初CAMAC只是一個名字并沒有附加的意思,后來由于它的卓越表現(xiàn)人們把它理解為:ComputerAutomatedMeasurementAndControl.由于CAMAC的方便適用及它可以多機箱多插件工作,即適用于小規(guī)模的實驗又適用于大中規(guī)模的多參數(shù)實驗,它幾乎在全世界每一個核物理實驗室都得到了廣泛的使用.8.2.3外總線（續(xù)）目前二十頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

內(nèi)總線又稱板級總線或系統(tǒng)總線，它是微機系統(tǒng)內(nèi)部各印刷板插件之間的通信通道。從功能上可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線三種，如圖8.8所示。8.2.4內(nèi)總線8.8智能儀器內(nèi)總線系統(tǒng)示意圖目前二十一頁\總數(shù)六十二頁\編于八點8.3自動測試系統(tǒng)p339

8.3.1自動測試系統(tǒng)的組成(ATS)

通常，自動測試系統(tǒng)包括以下五部分： （1）控制器：主要是計算機，如小型機、個人計算機、微處理機、單片機等，是系統(tǒng)的指揮及控制中心。 （2）程控儀器設(shè)備：包括各種程控儀器、激勵源、程控開關(guān)、程控伺服系統(tǒng)、執(zhí)行元件，以及顯示、打印、存儲記錄等的器件，能完成一定的具體的測試及控制任務(wù)。 （3）總線與接口：是連接控制器與各程控儀器、設(shè)備的通路，完成消息、命令、數(shù)據(jù)的傳輸與交換，包括插卡、插槽及電纜等。目前二十二頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

（4）測試軟件：為了完成系統(tǒng)測試任務(wù)而編制的、在控制器上運行的各種應(yīng)用軟件，如測試主程序、驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)處理程序，以及輸入/輸出軟件等。 （5）被測對象：隨測試任務(wù)的不同，被測對象往往是千差萬別的，由操作人員通過測試電纜，接插件、開關(guān)等與程控儀器和設(shè)備相連。印制板在線測試系統(tǒng)充電器電源自動測試系統(tǒng)(充電器ATE測試)

目前二十三頁\總數(shù)六十二頁\編于八點8.9自動測試系統(tǒng)通常把在最少人工參與下能自動進行測量、處理、顯示或輸出測試結(jié)果的系統(tǒng)稱為自動測試系統(tǒng)用于完成硫化，硝化，聚合，縮合等過程的壓力容器化工反應(yīng)釜采樣保持電路目前二十四頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.10典型的GPIB自動測試系統(tǒng)目前二十五頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

8.3.2自動測試系統(tǒng)的總線 1.GPIB總線

GPIB總線于1972年由美國惠普公司（HP，Agilent公司的前身）推出，后為美國電氣與電子工程師學(xué)會（IEEE）及國際電工委員會（IEC）接納，又稱IEEE-488總線。GPIB總線結(jié)構(gòu)與連接如圖10.4所示。GPIB標準插座目前二十六頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.11GPIB標準接口總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接目前二十七頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

如圖所示，在一個GPIB標準接口總線系統(tǒng)中，要進行有效的通信聯(lián)絡(luò)，至少有“講者”、“聽者”、“控者”三類儀器設(shè)備，控者、講者、聽者被稱為系統(tǒng)功能的三要素。目前二十八頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.12GPIB標準接口總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接接口總線包括8根數(shù)據(jù)線、3根掛鉤線、5根管理線和地線*定義了10種接口功能*屬異步并行總線。*是一種外部總線，適用于一個實驗室內(nèi)相距20米以內(nèi)的各設(shè)備之間互連。目前二十九頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

2.VXI總線特點

（1）模塊式結(jié)構(gòu)；（2）小型便攜；（3）數(shù)據(jù)傳輸速率高；

VXI總線底板數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可達40MByte/s，本地總線的數(shù)據(jù)傳輸速率可達1GByte/s；（4）可靠性高，可維護性好；（5）適應(yīng)性、靈活性強。

目前三十頁\總數(shù)六十二頁\編于八點2.VXI總線VXI測試系統(tǒng)采用器件→模塊→機箱的方式構(gòu)成系統(tǒng)；VXI系統(tǒng)的全部總線均集中在多層印刷電路板內(nèi)，模塊與VXI總線通過連接器連接；電源和冷卻散熱裝置為機箱內(nèi)的全部器件共用；良好的電磁兼容性。目前三十一頁\總數(shù)六十二頁\編于八點MXIINST#1INST#2RAM各公司為儀器系統(tǒng)設(shè)計了：獨立的機箱、獨立的電源、專門的儀器總線獨立總線的模塊式儀器系統(tǒng)目前三十二頁\總數(shù)六十二頁\編于八點典型VXI模塊目前三十三頁\總數(shù)六十二頁\編于八點VXI總線模塊目前三十四頁\總數(shù)六十二頁\編于八點VXI主機箱VXIorVME背板未屏蔽C尺寸模塊雙寬度帶屏蔽的D尺寸模塊電源冷確系統(tǒng)目前三十五頁\總數(shù)六十二頁\編于八點VXI主機箱VXI主機箱為保證各模塊恰當(dāng)?shù)剡B接到底板而設(shè)；底板的構(gòu)成：它是一塊印制電路板，有13個插槽（0～12），其上還有：P1、P2、P3三個96腳J型連接器和信號通路；冷卻、通風(fēng)設(shè)備；電源；每個連接器分成A、B、C三行的歐式結(jié)構(gòu)，每行32個引腳；P1是各種模塊必須的，P2、P3可選。目前三十六頁\總數(shù)六十二頁\編于八點VXI總線測試系統(tǒng)組建舉例例：火炮動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)炮口沖擊波等

火炮動態(tài)參數(shù)主要有:

炮口彈丸初速

自動機線位移膛內(nèi)壓力后坐加速度目前三十七頁\總數(shù)六十二頁\編于八點基于VXI總線技術(shù)的RWR(雷達告警設(shè)備)自動測試診斷系統(tǒng)構(gòu)建

采用VXI總線技術(shù)組建了一個RWR自動測試診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個以工控機為核心，以VXI總線儀器為依托，以適配器為橋梁，集控制、數(shù)據(jù)采集和處理、存儲、分析、顯示、打印于一體的系統(tǒng)。它既可以完成RWR整機性能、功能的測試，又能單獨對每一個外場可更換單元(LRU)進行定性和定量檢測及故障診斷。測控計算機；

VXI總線儀器及模塊；GPIB總線儀器及附件；接口適配器；連接電纜；目前三十八頁\總數(shù)六十二頁\編于八點基于VXI總線技術(shù)的RWR(雷達告警設(shè)備)自動測試診斷系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)軟件部分以WindowsXP為操作系統(tǒng)、以GPTS3.0為測試程序開發(fā)和運行環(huán)境、以INCON2.0為故障診斷推理平臺進行設(shè)計，負責(zé)完成測試和診斷流程的管理、程序的運行、數(shù)據(jù)的分析、結(jié)果的記錄等功能。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括：系統(tǒng)管理模塊、系統(tǒng)自檢自校模塊、性能功能測試模塊、故障診斷模塊、儀器驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)庫與知識庫模塊、交互式操作手冊模塊等目前三十九頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

3.PXI總線PCIextensionforInstrumentation 1）PXI總線的特點

PXI總線是PCI總線的增強與擴展，并與現(xiàn)有工業(yè)標準CompactPCI兼容。

2）PXI軟件特性 為了充分發(fā)掘PXI在提供高度集成化的測控平臺方面的潛力，PXI選用開放式軟件體系結(jié)構(gòu)，用以定義出一個與不同類型硬件相連的公共接口。目前四十頁\總數(shù)六十二頁\編于八點PXI混合測試系統(tǒng)

目前四十一頁\總數(shù)六十二頁\編于八點8.4虛擬儀器

8.4.1虛擬儀器的概念與特點

1.虛擬儀器的概念 虛擬儀器（簡稱VI）是電子測量技術(shù)與計算機技術(shù)更加緊密結(jié)合產(chǎn)生的一種新儀器模式，是指以通用計算機作為核心硬件平臺，配以相應(yīng)的硬件模塊作為信號輸入/輸出接口，利用儀器軟件開發(fā)平臺在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應(yīng)的功能，通過鼠標或鍵盤交互式操作完成相應(yīng)測試測量任務(wù)的儀器。目前四十二頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

2.虛擬儀器的特點 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有以下特點： （1）它是一種功能意義上而非物理意義上的儀器，融合了計算機強大的硬件資源。 （2）強調(diào)“軟件就是儀器”的新概念，軟件在儀器中充當(dāng)了以往由硬件甚至整機實現(xiàn)的角色。 （3）友好的圖形化用戶界面，可實現(xiàn)人機交互。 （4）更新速度快，可維護性好。 （5）采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有良好的開放性和可擴展性。目前四十三頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

8.4.2虛擬儀器的架構(gòu)

1.虛擬儀器的硬件構(gòu)成 擬儀器的硬件架構(gòu)如圖10.8所示。數(shù)據(jù)的采集通過輸入/輸出接口設(shè)備來完成。輸入/輸出接口設(shè)備可以是以各種PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置數(shù)據(jù)采集插卡、通用接口總線（GPIB）卡、串口、VXI或PXI總線接口模塊等設(shè)備，或者是其他各種可編程的外置測試設(shè)備，分別構(gòu)成DAQ、GPIB、VXI、PXI等標準體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器，其中最常見的是數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡。目前四十四頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.15虛擬儀器的硬件架構(gòu)目前四十五頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

在PC計算機上掛接若干DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有若干功能的PC儀器，如示波器、數(shù)字萬用表、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等，如圖8.16所示。目前四十六頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.16PC-DAQ系統(tǒng)目前四十七頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

2.虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu) 硬件平臺是虛擬儀器的基礎(chǔ)，儀器用軟件是其核心?；居布_定后，要使虛擬儀器具有用戶自行定義的功能與界面，就必須有功能強大的儀器用軟件。VXI總線虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖8.17所示，包括應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境、儀器驅(qū)動器、VISAAPI三部分。目前四十八頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.17虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)目前四十九頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

3.虛擬儀器應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境 目前，市場上可供選擇的面向工程的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺比較多，其大致可分為兩類：一類是圖形化編程環(huán)境，如原HP公司的HPVEE和NI公司的LabVIEW；另一類是傳統(tǒng)的程序語言編程環(huán)境，如NI公司的LabWindows/CVI，以及微軟的VisualC、Visual

Basic等。虛擬儀器形式的信號合成與分解實驗

目前五十頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.18虛擬儀器簡介

目前五十一頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.19虛擬儀器的結(jié)構(gòu)

軟面板計算機目前五十二頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

1）LabVIEW

其主要特點有： (1)可視化圖形開發(fā)環(huán)境，流程圖式的編程，簡單易學(xué)、易用，大大節(jié)省了開發(fā)時間。LabVIEW開發(fā)環(huán)境分為前面板和流程圖兩部分，分別如圖所示。目前五十三頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.20隨機信號發(fā)生器的前面板目前五十四頁\總數(shù)六十二頁\編于八點圖8.21隨機信號發(fā)生器的流程圖目前五十五頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

(2)LabVIEW提供了豐富的程序調(diào)試功能。

(3)結(jié)構(gòu)化、模塊化編程，可移植性好。

(4)庫函數(shù)豐富，開放性、可擴展性好。

2）LabWindows/CVI

具體來說，它具有以下特點：

(1)采用集成開發(fā)平臺、開放式體系結(jié)構(gòu)。

(2)采用可視化編程，設(shè)計用戶圖形界面輕松自如。

(3)采用交互式編輯方法，可自動生成程序源代碼。

(4)運用豐富的庫函數(shù)，使編程工作大大簡化。目前五十六頁\總數(shù)六十二頁\編于八點

(5)運用方便靈活的程序調(diào)試手段。

8.4.3虛擬儀器的設(shè)計開發(fā) 1.測試需求的制定 明確用戶想解決什么問題，即儀器要完成哪些功