测试技术第4章

1、第一节第一节 信号的采集信号的采集 在工程测试中，在工程测试中，信号采集信号采集一般通过一般通过模模/数（数（A/D）转换装置与转换装置与 计算机结合来实现。计算机结合来实现。 一、一、模数（模数（A/D）转换装置）转换装置 1. 1.模数转换的作用模数转换的作用 把把模拟（电压）信号模拟（电压）信号转转 化为计算机或数字电路仪表化为计算机或数字电路仪表 能够处理的能够处理的数字信号数字信号。 对于应用计算机进行数对于应用计算机进行数 据采集，据采集，A/D转换一般用转换一般用数数 据采集卡据采集卡或或数据采集模块数据采集模块实实 现。现。 第四章第四章 信号的采集、调理、传输与记录信号的采集

2、、调理、传输与记录 应用时，只须购买应用时，只须购买成品模数转换装置成品模数转换装置，再配以相应的，再配以相应的数据采数据采 集软件集软件，就可以实现，就可以实现A/D转换和数据采集。转换和数据采集。 模模/数转换装置类型数转换装置类型与计算机连接方式与计算机连接方式 数据采集卡数据采集卡 插入计算机机箱内的板卡槽插入计算机机箱内的板卡槽 USB接口接口 数据采集模块数据采集模块485/232接口接口 数据采集卡一般可以同时采集数据采集卡一般可以同时采集多路模拟电压信号多路模拟电压信号，通常有，通常有8 通道通道、16通道通道或或32通道通道的数据采集卡。的数据采集卡。 以以3通道数据采集为例

3、通道数据采集为例 电压信号电压信号1 电压信号电压信号2 采样保持器采样保持器 采样保持器采样保持器 通通 道道 转转 换换 开开 关关 比较比较 电压电压 数字量数字量 输输 出出 A/D转换转换 采样保持器的作用：采样保持器的作用：保证在保证在A/D转换的时间内，加在转换的时间内，加在A/D转换器转换器 上的模拟电压信号幅值保持不变。上的模拟电压信号幅值保持不变。 A/D转换的方式：转换的方式：逐次逼近式（速度快、价格高）逐次逼近式（速度快、价格高） 双积分式（精度高、价格低）双积分式（精度高、价格低） 2. 模数（模数（A/D）转换原理）转换原理 电压信号电压信号3采样保持器采样保持器

4、逐次逼近式逐次逼近式A/D转换的原理：转换的原理：将被测电压与一套基准电压进行比较，将被测电压与一套基准电压进行比较， 直到两者接近相等（平衡）为止。直到两者接近相等（平衡）为止。 以以3位位A/D转换为例转换为例 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 由此可见，由此可见，A/D转换的转换的位数越多位数越多，其分辨力越高，其分辨力越高，转换精度转换精度越高。越高。 问题问题：如果：如果基准电压基准电压不准，会出现什么情况？不准，会出现什么情况？转换的转换的线性度线性度差！差！ 量化误差：量化误差：1/2 LSB（最小有效位）（最小有效位） 3. 数据采集卡的重

5、要参数数据采集卡的重要参数 （1）对输入的电压信号的）对输入的电压信号的幅值幅值有明确的要求，如有明确的要求，如05V、010V、 55V、1010V（幅值设定可通过（幅值设定可通过跳线跳线方式）。方式）。 （2）采集卡的）采集卡的采样频率采样频率是指所有参与采样的通道合在一起的每秒是指所有参与采样的通道合在一起的每秒 钟采样次数，例如钟采样次数，例如 400 kHz。 （3）采集卡的）采集卡的采样精度采样精度用用A/D转换的位数表示，例如转换的位数表示，例如12位、位、14位、位、 16位、位、24位。位。 （4）A/D转换的误差转换的误差 量化误差：量化误差：1/2 LSB（最小有效位）（

6、最小有效位） 最小有效位：最小有效位：12位位A/D为为4096分之一，分之一，14位位A/D为为16384分之一分之一 A/D转换的非线性误差转换的非线性误差 A/D 转换转换 05V 04095（12位位A/D） 举例：举例： 016383（14位位A/D） 4. A/D转换的误差分析转换的误差分析 对于对于12位位A/D，最小有效位的，最小有效位的 1 代表代表 1.22 mV； 对于对于14位位A/D，最小有效位的，最小有效位的 1 代表代表 0.31 mV。 若传感器的输出电压为若传感器的输出电压为 020mV： 对于对于12位位A/D，020 mV对应对应 16.39 个最小有效位

7、的个最小有效位的 1 ； 对于对于14位位A/D， 020 mV对应对应 65.57 个最小有效位的个最小有效位的 1 。 A/D数据采集卡的信号输入方式数据采集卡的信号输入方式 （1）单端单端输入（通道数多，接线简单，易产生输入（通道数多，接线简单，易产生共模干扰共模干扰） （2）双端双端输入（通道数少，对信号地线有接地要求）输入（通道数少，对信号地线有接地要求） 共模干扰共模干扰产生的机理产生的机理 信号信号1 信号信号2 A/D 转换转换 公共地公共地 信号信号1 信号信号2 A/D 转换转换 公共地公共地 隔离隔离 隔离隔离 （有源）（有源） 抗共模干扰的措施抗共模干扰的措施 附录附录

8、 1 隔离隔离 对控制装置与被控制设备之间进行必要的对控制装置与被控制设备之间进行必要的电气隔离电气隔离，其主要，其主要 目的是：目的是： 避免被控制设备的避免被控制设备的高电平信号高电平信号串入造成串入造成控制装置损坏控制装置损坏。 防止防止（共模）干扰信号（共模）干扰信号串入。串入。 1)1)开关量的隔离开关量的隔离 通常用通常用光电式光电式隔离。隔离。 2)2)模拟量的隔离模拟量的隔离 通常用通常用光电式光电式隔离、隔离、固态电路固态电路隔离、隔离、变压器式变压器式隔离。隔离。 隔离隔离是电气系统中常用的一种是电气系统中常用的一种防护手段防护手段。 一、信号调理的作用一、信号调理的作用

9、将传感器输出的电信号根据系统的需要将传感器输出的电信号根据系统的需要放大放大、转换转换或或滤波滤波， 以满足计算机或仪表采集数据的要求。以满足计算机或仪表采集数据的要求。 信信 号号 调调 理理 输入信号输入信号 输出信号输出信号 举例：举例： 二、二、信号放大（信号放大（mV V ） 作用：作用：（1） 提高信号提高信号抗干扰抗干扰能力；能力； （2）满足计算机或仪表采集数据的）满足计算机或仪表采集数据的精度精度要求。要求。 第二节第二节 信号调理信号调理 三、信号转换三、信号转换 1. mV mA（420 mA） 作用：作用：提高信号提高信号抗干扰抗干扰能力，信号可以长距离传输。能力，信号

10、可以长距离传输。 2. mA V 作用：作用：适应计算机适应计算机采集数据采集数据的需要。的需要。 举例：举例： 420 mA 转换为转换为 15 V A/D 转换转换 数字量数字量 精密电阻精密电阻（250 ） 恒恒 流流 源源 mV 420 mA R 负载负载R可为可为几欧几欧到到几百欧几百欧 3. f V 作用：易于测量和作用：易于测量和A/D转换。转换。 鉴频器鉴频器fV 4. 阻抗转换阻抗转换 作用：作用：用于测试系统中两个用于测试系统中两个相连接环节相连接环节的的阻抗匹配阻抗匹配。 为了减小信号传输过程中的误差，一般要求为了减小信号传输过程中的误差，一般要求前一环节的前一环节的输输

11、 出阻抗出阻抗要小要小，后一环节的后一环节的输入阻抗输入阻抗要大要大。 （重要概念）（重要概念） 前一环节的前一环节的输出阻抗大输出阻抗大，输出信号，输出信号能量小能量小。 后一环节的后一环节的输入阻抗小输入阻抗小，负载效应负载效应明显，测量明显，测量误差大误差大。 附录附录2 负载效应负载效应 在实际测试工作中，在实际测试工作中，测试系统测试系统与与被测对象被测对象之间、测试系统内之间、测试系统内 部部各环节各环节之间之间相互联接相互联接并并相互作用相互作用的现象很常见。的现象很常见。 测试装置测试装置的接入，就成为被测对象的的接入，就成为被测对象的负载负载。 在测试系统中，在测试系统中，后

12、接环节后接环节总是成为总是成为前面环节前面环节的的负载负载。 一、负载效应一、负载效应 某装置由于某装置由于后接另一装置后接另一装置而产生的种种现象，称为而产生的种种现象，称为负载效应负载效应。 负载效应负载效应对测试对测试精确度精确度的影响，有时小得可以忽略不计，但的影响，有时小得可以忽略不计，但 有时却是有时却是非常严重非常严重的。因此，对于负载效应必须加以的。因此，对于负载效应必须加以重视重视。 下面以一个下面以一个直流电路直流电路的的电压电压检测为例，考察检测为例，考察负载效应负载效应的影响的影响 效果。效果。 在不进行电压检测时，在不进行电压检测时，电阻电阻 R2 的的电压降电压降

13、U0为为 E RR R U 21 2 0 为了测量电压降为了测量电压降 U0，在，在 R2 两端并两端并 联一个联一个内阻为内阻为 Rm的的电压表电压表。 这时，在这时，在 R2 和和 Rm 两端的两端的电压降电压降 U 为为 E )( 221 2 RRRRR RR U mm m 显然，由于接入了测试的电压表，显然，由于接入了测试的电压表，被测系统被测系统（原电路）和（原电路）和被被 测量测量（R2 的电压降）都发生了的电压降）都发生了变化变化。 2 2 () m d m R R R RR 原系统原系统 R2 的电压降为的电压降为 U0，接入电压表后，接入电压表后 R2 的电压降为的电压降为

14、U。 从从 U0 和和 U 的表达式可看出的表达式可看出 0 UU 当当 Rm R2 时时 U U0 可以写出可以写出 U 与与 U0 的的差值差值 U 的表达式的表达式 E )()( 22121 2 21 0 RRRRRRR RR UUU mm 从 U 的表达式可以看出：的表达式可以看出： （1）接入电压表后）接入电压表后 R2 的电压降的电压降 U 比比 U0 减小；减小； （2）随着）随着Rm 增大，增大， U 减小减小（负载效应的效果减弱）（负载效应的效果减弱）。 E RR R U 21 2 0 E )( 221 2 RRRRR RR U mm m 二、减轻负载效应的措施二、减轻负载效

15、应的措施 负载效应造成的影响应该根据具体负载效应造成的影响应该根据具体环节环节、装置装置来具体来具体分析分析。 对于对于电压输出电压输出的环节（这在测试装置中所占比重较大），的环节（这在测试装置中所占比重较大），减减 轻负载效应轻负载效应的方法有：的方法有： （1）提高）提高后续环节后续环节的的输入阻抗输入阻抗（相当于增大（相当于增大 Rm）；）； （2）若无法提高后续环节的输入阻抗，可在原来两个）若无法提高后续环节的输入阻抗，可在原来两个直接相联直接相联 的环节的环节之间之间插入高输入阻抗、低输出阻抗插入高输入阻抗、低输出阻抗的的放大器放大器。 阻阻 抗抗 大大阻阻 抗抗 小小 阻阻 抗抗

16、大大阻阻 抗抗 小小 阻阻 抗抗 特大特大 阻阻 抗抗 特小特小 第三节第三节 信号的调制与解调信号的调制与解调 一、信号调制与解调的应用场合一、信号调制与解调的应用场合 信号的交流放大信号的交流放大（已很少应用）（已很少应用） 传感器输出的是被调制的信号（需解调）传感器输出的是被调制的信号（需解调） 信号的信号的无线传输无线传输 多路测试信号用同一付电缆传输多路测试信号用同一付电缆传输（载波方式）（载波方式） 二、信号的调制方式二、信号的调制方式 信号的调制是用信号的调制是用高频高频的的载波载波 信号信号对对缓变缓变的的调制信号调制信号进行调制，进行调制， 得到调制波。得到调制波。（重要概念

17、）（重要概念） 调幅调幅 调频调频 调相调相 扩频扩频 扩频扩频是一种抗干扰能力很是一种抗干扰能力很 强的信号调制方式。强的信号调制方式。CDMA手手 机就是采用的这种调制方式。机就是采用的这种调制方式。 0 f V 四、硬件滤波四、硬件滤波 滤波器滤波器是一种是一种选频选频装置，可以使信号中装置，可以使信号中特定的频率成分特定的频率成分通过，通过， 而极大地而极大地衰减衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种 筛选筛选作用，可以滤除干扰信号。作用，可以滤除干扰信号。 1. 低通滤波低通滤波 从从 0f2 频率之间为频率之间为通频带通频带，可

18、以，可以 使信号中使信号中低于低于 f2 的频率成分通过，而的频率成分通过，而高高 于于 f2 的频率极大地衰减。的频率极大地衰减。 2. 高通滤波高通滤波 从从 f1 频率之间为频率之间为通频带通频带，可以，可以 使信号中使信号中高于高于 f1 的频率成分通过，而的频率成分通过，而低低 于于f1 的频率极大地衰减。的频率极大地衰减。 3. 带通滤波带通滤波 从从 f1f2 频率之间为频率之间为通频带通频带，可，可 以使信号中以使信号中高于高于 f1 并低于并低于 f2 的频率的频率 成分通过，而成分通过，而其它频率其它频率极大地衰减。极大地衰减。 4. 带阻滤波带阻滤波 从从 f1f2 频率

19、之间为频率之间为阻频带阻频带，可，可 以使信号中以使信号中高于高于 f1 并低于并低于 f2 的频率成的频率成 分极大地衰减，而分极大地衰减，而其它频率其它频率通过。通过。 滤波是让滤波是让有用信号有用信号顺利（无衰减或少衰减）通过，把顺利（无衰减或少衰减）通过，把干扰干扰 信号信号滤掉。滤掉。 采用滤波手段之前，要对有用信号和干扰信号作充分的采用滤波手段之前，要对有用信号和干扰信号作充分的分析分析 与与估计估计，以便采取合理的滤波方式，得到，以便采取合理的滤波方式，得到所需要的所需要的测试结果。测试结果。 注意注意：滤波滤波是是使信号中使信号中特定的频率成分特定的频率成分通过，而极大地通过，

20、而极大地衰减衰减其它其它 频率成分。频率成分。 第四节第四节 信号的传输信号的传输 一、信号传输的方式一、信号传输的方式 信号传输信号传输 有线传输有线传输 无线传输无线传输 模拟信号模拟信号 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 数字信号数字信号 二、信号有线传输过程中的主要问题二、信号有线传输过程中的主要问题 1. 信号衰减信号衰减 （1）信号衰减对信号的影响）信号衰减对信号的影响 在信号传输过程中，信号衰减的表现是信号的在信号传输过程中，信号衰减的表现是信号的幅值下降幅值下降，造，造 成信号成信号失真失真。 （2）信号衰减的原因）信号衰减的原因 形成信号衰减的原因主要有：形成信号衰减的原因

21、主要有： 信号传输距离长信号传输距离长 信号电缆的导线截面小信号电缆的导线截面小 电缆质量差电缆质量差 严重的信号衰减使得严重的信号衰减使得模拟信号模拟信号的幅值的幅值远小于远小于真实值，真实值，数字信号数字信号 误码误码。 （3）针对信号衰减的对策）针对信号衰减的对策 1）模拟信号）模拟信号 加大电缆导线的截面面积或选择优质电缆加大电缆导线的截面面积或选择优质电缆 把电压信号传输改为电流信号传输把电压信号传输改为电流信号传输 对信号衰减情况进行检测与补偿对信号衰减情况进行检测与补偿 采用采用六线制六线制测量方式可以测出测量方式可以测出 电缆的电缆的阻抗阻抗，在信号处理时对，在信号处理时对输出

22、输出 电压电压Uy进行进行补偿补偿。 2）数字信号）数字信号 为了防止由于信号衰减，造成数字信号通讯误码，应采取以为了防止由于信号衰减，造成数字信号通讯误码，应采取以 下措施：下措施： 选择适于长距离传输的数字通讯方式选择适于长距离传输的数字通讯方式 加中继器加中继器 常用通讯方式常用通讯方式最大传输距离最大传输距离备备 注注 RS23215 m可以转换为可以转换为RS485 RS4851000 m 以太网（电缆）以太网（电缆）100 m 以太网（光缆）以太网（光缆）10 km 在信号未达到在信号未达到严重衰减严重衰减前，通过中继器前，通过中继器增大信号幅值增大信号幅值，减小，减小 干扰信号的

23、影响。干扰信号的影响。 2. 信号传输中的干扰信号传输中的干扰 信号传输中的干扰主要是来自空间电磁场的信号传输中的干扰主要是来自空间电磁场的电磁感应电磁感应形成的形成的 干扰，通常对模拟信号造成较明显的干扰，一般称为干扰，通常对模拟信号造成较明显的干扰，一般称为串模干扰串模干扰。 减小减小串模干扰串模干扰对信号传输的影响主要采取以下方法：对信号传输的影响主要采取以下方法： （1）尽量缩短信号传输）尽量缩短信号传输电缆的长度电缆的长度。 （2）采用）采用屏蔽电缆屏蔽电缆，并将屏蔽网，并将屏蔽网良好接地良好接地。 （3）尽量不将）尽量不将 mV 级信号长距离传输，最好将其放大为级信号长距离传输，最

24、好将其放大为 V 级级 信号后再传输。信号后再传输。 （4）把）把 mV 级信号转换为级信号转换为 420 mA 电流电流信号长距离传输。信号长距离传输。 第五节第五节 信号的指示和记录装置信号的指示和记录装置 一、一、 动圈式磁电指示机构动圈式磁电指示机构 动圈式磁电指示机构通常用于动圈式磁电指示机构通常用于指针式仪表指针式仪表的显示部分。的显示部分。 这种机构被称为这种机构被称为达松瓦尔达松瓦尔机构。机构。 其工作原理如下：其工作原理如下： 可转动线圈可转动线圈处于很强的辐射状处于很强的辐射状 的均匀磁场中；的均匀磁场中； 电流电流 i 通过线圈所引起的通过线圈所引起的电磁电磁 转矩转矩使

25、线圈转动，直到电磁转矩与弹使线圈转动，直到电磁转矩与弹 簧的弹性转矩簧的弹性转矩平衡平衡为止。为止。 线圈（指针）的转角线圈（指针）的转角 与与 i 成成 正比。正比。 这种机构经过改进，可成为这种机构经过改进，可成为笔式笔式 记录仪记录仪和和光线示波器光线示波器的核心部分。的核心部分。 其最高工作频率其最高工作频率 125 Hz。 二、二、 光线示波器光线示波器 光线示波器的核心部件是光线示波器的核心部件是振子振子。 振子中的振子中的线圈线圈处于均匀磁处于均匀磁 场中；场中； 在光线示波器中有一组在光线示波器中有一组光光 源源； 振子中的线圈带动振子中的线圈带动反射镜反射镜 偏转偏转； 反射镜反射镜把光源发出的一束把光源发出的一束 光线反射到光线反射到感光纸感光纸上，实现信号上，实现信号 记录。记录。 其工作频率可达其工作频率可达 4 kHz。 在光线示波器上最多可以安装在光线示波器上最多可以安装16个振子个振子，能够同时记录，能够同时记录 16 路路 信号。信号。 三、三、 伺服式记录仪（笔式记录仪）伺服式记录仪（笔式记录仪） 伺服式记录仪的伺服式记录仪的 工作原理：工作原理： 记录纸均匀运动；记录纸均匀运动； 待记录信号