第五章测试系统基本原理1

1、西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 第五章第五章 测试系统基本原理测试系统基本原理 1 计算机测试系统基本结构与原理计算机测试系统基本结构与原理 2 基本信号调理电路基本信号调理电路 3 信号的转换信号的转换西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术计算机测试系统基本结构计算机测试系统基本结构计算机测试系统是以计算机为核心组成的数字化测试系统。 信号输入通道的基本结构信号输入通道的基本结构单通道信号输入电路结构 多通道数据采集系统的典型输入结构有三种西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 1. 多路分时采集输入结构特点：特点：多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，结构

2、简化，成本低。由多路转换开关分时切换采集、轮流选通，相邻两路信号不能获得同一时刻的数据，产生时间差。不适用于多路信号严格同步采集，对于多数中速和低速提高采样速度减小时间差的影响。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 2. 多路同步采集分时输入结构特点：多路转换开关前通道一个S/H电路，多个信号同一时刻采样，即同步采样。等待多路转换开关分时切换进入公用的S/H和A/D转换。可以消除时间差，能满足同步采集且简单。但在被测信号路数比较多时保持器保持时间加长，而保持器总会有一些泄露，使信号有所衰减，由于各路信号保持时间不同，致使各个保持信号的衰减量不同，这种结构不能获得真正的同步输入。西北工

3、业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 3. 多路同步采集多通道输入结构特点：从采集到转换完全同步。但电路结构复杂，成本高，适用于高速采集多通道测试系统和被测信号严格要求同步采集的测试系统。 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术二、输出通道的基本结构二、输出通道的基本结构输出形式：信息 输出：显示器、打印机、网络接口；模拟通道输出等多通道的输出结构在单通道输出基础上变换而成，有三种：西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 1. 多路分时输出结构多路分时输出结构特点：特点：每个通道配置数据寄存器、D/A转换器和信号调理电路，主计算机控制数据总线分别选通各个输出通道，将输出数据

4、传送到各自的寄存器中。这个过程是分时进行的，输出通道不同步。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 2. 多路同步转换输出结构特点：多路传输通道中D/A转换器的操作是同步进行的，增设了一个缓冲寄存器R2，在同一命令控制下将R1的数据由传送到R2 。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 3. 多路公用D/A分时输出结构 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术5.2 基本信号调理电路基本信号调理电路信号调理电路的主要作用：放大或衰减、电气隔离、滤波等一、模拟信号放大一、模拟信号放大（1）理想运算放大器在理想情况下，运算放大器应有如下参数：1）开环放大倍数AV2）输入阻抗r

5、i，输出阻抗r003）频带宽度Bw4）当VNVP时，VO05）没有温漂。对于工作于线性区的理想运放，有：1）运放二输入端之间的电压差为0，即ViVNVP02）理想运放二个输入端不取电流，即有Is0西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术(2)实际运放技术指标含义实际运放技术指标含义开环增益开环增益AV 在标准的电源电压和规定的负载电阻条件下，放大器开环时输出电压增量与输入电压增量之比，定义为开环增益AV： AVVO/Vi 或AV20lgVO/Vi一般希望其值越大越好，一般在60140dB。2）输入失调电压Vos 在室温（25）及标准电源电压下

6、，输入电压为零时，为使集成运放的输出电压为零，而在输入端的补偿电压叫输入失调电压Vos，这个值是越小越好，一般Vos约为0.55mv。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术3）输入偏置电流Ib和输入失调电流Ios当输出电压为零时，流入放大器两个输入端的电流平均值即为输入偏置电流Ib，ib=(IB+IB-)/2。一般希望Ib越小越好，这样可以减少由于信号源内阻变化而引起输出电压的变化，其值一般为1nA100A。输入失调电流则是指在上述情况下二个输入端电流的差值，ios=|IB+IB-| 。失调电流一般为偏置电流指标的1/51/10。由于信号源内阻存在，Ios会引入一输入电压，破坏放大器平

7、衡，希望Ios也是越小越好。输入阻抗匹配减小输入失调电流的影响。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术4）温度漂移温度变化引起输入失调电压和输入失调电流变化。输入失调电压温漂是对集成运放电压漂移特性的度量，一般在150V/，高质量低温漂运放可到小于0.5V/。 输入失调电流温漂是对放大器电流漂移的度量，高质量的运放每度只有几个pA。5）最大差模输入电压Vidmax放大器的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。超过这个电压，将可能导致三极管击穿而使运放性能恶化或永久损坏。6）最大共模输入电压Vicmax其值一般是指使运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1跟随误差的共模输入电压值。超过Vi

8、cmax值，将导致运放共模抑制比显著下降。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术7）共模抑制比CMRR在开环状态下，运放的差模电压增益AVd与共模电压增益AVc之比称共模抑制比： CMRR=AVd/AVc表示运放对共模信号的抑制能力，越大越好，一般60130dB。8）差模输入电阻Rid运放开环时，二个输入端差模电压的变化量Vi与由它所引起的电流变化量Ii之比，称为差模输入电阻Rid，其值一般在几十千欧到几十兆欧左右。9）开环输出电阻运放开环时，其输出级输出电阻，用R0表示。R0的大小标识了运放的负载驱动能力。信号源的内阻问题。10）上升速率SR 运放在大幅度信号的作用下，输出电压随时间

9、的最大变化率称为上升速率或转换速率；如果频率太高，转换速率就会导致输出信号失真，通常以13的失真度为测量标准。 一般常用运放速率在0.1100mV/s，高速运放则可达5001000V/s。对于输出信号00(sin)2pd Etf ESdt西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术信号放大电路信号放大电路同相放大、反向放大、跟随器图5-7 反相放大器图5-8 同相放大器ViVo+-比较器差分放大器在 DC（或 AC）共模电压可能超过电源电压的应用场合 （例如检测电池组中的一节电池的电压）特别有用。 电压跟随器通常采用阻值很高的输入电阻器以衰减信号

10、 电压和共模输入电压输出包含共模电压西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 仪表放大器仪表放大器 )(1 ()1 ()1 (12122211212211VVRRRRRVOVRRVRRVVRRVRRVWfffWfWfOWfWfO)1 (21WfffVRRRRRA需采用精密匹配的电阻及集成测量放大器。它通常抑制共模 DC 电压或者 对两输入端共模的任何其它电压，同时放大差分信 号电压，即两输入端之间的电压差。 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术可编程增益仪表放大器PGIA仪表放大器应用工程师指南西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 隔离放大器隔离放大器 隔离的作用：（

11、1）减小电磁干扰的影响；（2）医疗仪器 防止漏电流等对人体的意外伤害，确保安全；隔离的方法：光隔离、电容隔离和磁隔离。光隔离光隔离：工作速度快，便宜，但在模拟信号范围内线性较差，不适于精密模拟信号的直接耦合。电容耦合隔离：电容耦合隔离：较低的精度、较窄的带宽和较小的电压额定值，但很便宜。变压器耦合：变压器耦合：实现载波调制，可获得数kHz的带宽。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术二、信号处理电路二、信号处理电路 作用：简少程序运算量，增强实时性等。调理电路要简单绝对值检测电路绝对值检测电路

12、64OiiRUUUR 当输入信号Ui为正极性时，D2截止，D1导通 6600145iRRUUURR 2011iRUUR RR216452RRR666545452()()OiiiiiRRRRUUUUUURRRR 当输入电压Ui为负极性时，D1截止，D2导通 OiUUA1虚短，2点为0VA2虚短，1点为0V西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 峰值保持电路峰值保持电路 由于实际的二极管并不是一个理想元件，电路输出端又总接有一定的负载，而信号源也存在一定的内阻，因此在跟踪阶段，电容C上的电压无法完全跟踪输入信号按一定的时间常数上升。在保持阶段，

13、Uc又将通过负载电阻进行放电，从而使输出电压偏离被测信号的峰值， 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术（2）峰值保持电路性能的改善1）改善二极管的非线性及消除不灵敏区1iDdUUA 2) 增加保持时间：选用优质的元件。C可选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等漏电流小的电容；A1、A2可选用具有场效应管作输入级的运算放大器；D可选用开关特性好的开关二极管，或用场效应管代替。3) 提高工作速度为了提高峰值保持电路的工作速度，一般可从以下两个方面着手： (a)在器件方面，应尽可能挑选高速器件。 (b)在电路方面，可用大电流对存储电容充电。UD：死区电压，A1d：开环增益西北工业大学自动化学院电气工程

14、系-电气测试技术 rms value conversion：有效值检测电路有效值检测电路西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术Linear Technology：applying the physical definition of the effective value: “the effective (rms) value of the AC current is equal to the DC current value, which in the same resistance R in the time of one period causes emission of the

15、 same value of the heat”. Thermocouple measure the heat emission on the resistor西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术21(1)(2)lglglglgxxxuuuuUU2121lgxuuuUUuuUx2222xUurmsxUuU2特点：量程宽、过载能力强、响应快，可用于波峰系数为7以下电压有效值的变换，应用广泛。但对于高频电压，会由于放大器的频率特性问题影响测量准确度，需要增加高频补偿电路。 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 (3) 真有效值测量精度与波形关系a. 谐波分量的影响谐波分量的影响 凡超过有效值测量电路频响之外的高次谐波分量都将被滤去，以致造成测量误差。224111352AUA2224111135192oAU1%ooUAUAUU 419.96%2 若方波的频率为20kHz，此时误差为误差为 假定基波频率是1kHz，电路通频带是20kHz 方波有效值 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术b. 波峰系数影响波峰系数影响虽有效值相等，但波峰系数不同的信号其峰值也各不相同。波峰系数愈大，峰值就愈大。信号有效值可能在测量的量程范围之内，但由于波峰系数太大，其幅值可能会超出测量电路的最大动态范围，因而引起误差。即使测量电路的动态范围足够大