机械工程测试技术基础-第14讲计算机辅助测试系统

第8章计算机辅助测试技术第8章计算机帮助测试技术学习目标学习重点驾驭计算机帮助测试的特点及计算机帮助测试系统的组成原理，重点驾驭以A/D转换器、D/A转换器为核心的计算机数据采集系统、模拟信号转换输出系统的工作原理及主要技术性能指标。对数字信号的处理与分析、计算机帮助测试系统设计、虚拟仪器及其开发平台LabVIEW有确定的了解。1.计算机帮助测试系统的组成原理。2.计算机数据采集系统的类型及特点。3.A/D、D/A转换器的工作原理及主要性能指标。4．数字信号处理的基本内容与方法。第8章计算机帮助测试技术被测对象传感器信号调理数据显示与记录信号的输出测试仪器的信号输出技术是将测试结果(包括中间结果)以特定的形式供应应特定的对象,或特定的接口技术。人机界面仪器接口仪器与限制器接口第8章计算机帮助测试技术信号输出的形式及分类机械量信号电子量信号光电图示信号输出形式模拟信号数字信号输出性质低频信号高频信号输出频率凹凸第8章计算机帮助测试技术测试仪器的信号输出分类显示和指示类输出记录类输出通信和驱动类输出模拟指示数码指示图示显示打印绘图模拟记录数字记录数字并行输出模拟通讯数字串行输出设备驱动接口第8章计算机帮助测试技术显示与指示类主要用于测试结果、信号特征量（幅值、频率、相位、峰峰值）以及信号波形的指示与显示。输出信号直观，能充分反映测试与检测信号的实时性。不具备信号记录和重放功能。模拟指示数码指示图示显示第8章计算机帮助测试技术人机界面第8章计算机帮助测试技术记录类将测试结果永久记录，作为测试档案和测试的法定依据。记录被测物理量变更过程的信号。在计算机及软件环境下重播测试过程与结果。打印绘图模拟记录数字记录打印机绘图仪记录仪磁带记录器数字存储示波器磁盘光盘第8章计算机帮助测试技术记录仪打印机第8章计算机帮助测试技术绘图仪绘图仪是一种输出图形的硬拷贝设备。绘图仪在绘图软件的支持下绘制出困难、精确的图形。绘图仪一般是由驱动电机、插补器、限制电路、绘图台、笔架、机械传动等部分组成，按结构和工作原理可以分为滚筒式和平台式两大类。第8章计算机帮助测试技术数字信号处理方法得到广泛的应用，已成为测试系统中的重要部分。从传感器获得的测试信号中大多数为模拟信号，进行数字信号处理之前，一般先要对信号作预处理和数字化处理数字量输出信号模拟量输出信号数字量输出信号：驱动简洁、显示直观、抗干扰强、传输距离远、接口标准化、通用性兼容性强第8章计算机帮助测试技术数字信号处理的优势

1、可以用数学计算和计算机显示代替代替困难的电路和机械结构第8章计算机帮助测试技术2、计算机软硬件技术发展的推动a)多种多样的工业用计算机b)尺寸小巧，功能强大的嵌入式计算机第8章计算机帮助测试技术c)灵敏、便利的计算机虚拟仪器开发软件第8章计算机帮助测试技术模数转换（A/D转换）1.A/D转换过程A／D转换包括了采样、量化、编码等过程.（1）采样——或称为抽样，是利用采样脉冲序列p(t)，从连续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x（nTs）的过程．n=0，1…．Tst称为采样间隔，或采样周期，1／Ts=fs称为采样频率．第8章计算机帮助测试技术由于后续的量化过程须要确定的时间τ，对于随时间变更的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间τ内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。正是有了采样保持，事实上采样后的信号是阶梯形的连续函数。（2）量化——又称幅值量化，把采样信号x（nTs）经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化．（3）编码——将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。第8章计算机帮助测试技术采样定理采样过程是通过采样脉冲序列p(t)与连续时间信号x(t)相乘来完成的第8章计算机帮助测试技术频谱混叠效应ωs=2π／Ts

当Ts较大时，ωs＜2ωm，周期谱图相互重叠，即谱图之间高频与低频部分发生重叠.第8章计算机帮助测试技术(a)是频率正确的状况，以及其复原信号；(b)是采样频率过低的状况，复原的是一个虚假的低频信号。第8章计算机帮助测试技术假如ωs＞2ωm，就不发生频混现象，因此对采样脉冲序列的间隔Ts须加以限制，即采样频率ωs（2π／Ts）或fs(1／Ts）必需大于或等于信号x(t)中的最高频率ωm的两倍，即ωs＞2ωm，或fs＞2fm。为了保证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必需至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。第8章计算机帮助测试技术几个术语:■计算机帮助设计（CAD，ComputerAidedDesign）■计算机帮助制造（CAM，ComputerAidedManufacture）■计算机帮助测试（CAT，ComputerAidedTest）8.1.1计算机帮助测试的工作内容7.1概述■组成智能仪器■组成自动测控系统■组成虚拟仪器■测控系统的网络化第8章计算机帮助测试技术8.1.2计算机测控、测试系统的组成第8章计算机帮助测试技术8.2数据采集（DAQ）

8.2.1数据采集过程

数据采集过程就是把连续的模拟电压信号转换成离散的数字信号的过程，这些数字信号把原始模拟信号中所载有的有用信息保留下来。数据采集过程一般包括三个阶段：采样、保持、量化。第8章计算机帮助测试技术1.采样把随时间连续变更的模拟电压信号转换成时间上离散（只在一系列离散的时刻有值）的模拟量的过程。采样事实上是把一个周期性脉冲序列与被采信号相乘，采样开关相当于一个乘法器。第8章计算机帮助测试技术采样后得到的时间离散信号

采样定理：对一个具有有限频带宽度（）的连续信号进行采样时，采样频率至少应为被采信号中最高频率成分频率的两倍，即

实际常取为第8章计算机帮助测试技术2.保持

在量化期间，使其输出“定格”在采样起先瞬间采样器的输入电压值上，以减小量化误差。3.量化

以确定的电压为基准电平，将采样、保持后的离散模拟电压转换成表示为基准电平整数倍的数字量。第8章计算机帮助测试技术8.2.2数据采集系统的类型1.单通道数据采集系统

第8章计算机帮助测试技术2.多通道独立型数据采集系统

第8章计算机帮助测试技术3.多通道一般型数据采集系统

第8章计算机帮助测试技术4.多通道同步型数据采集系统

第8章计算机帮助测试技术8.2.3数据采集系统的主要组成环节1.前置放大器

将输入模拟电压信号放大（或衰减）到A/D转换器可接受的范围内，并实现阻抗的匹配等预处理功能。

2.多路选择开关

“多选一”模拟电子开关，有多个输入端和一个输出端，由计算机来限制将其输出端与某一输入端接通。第8章计算机帮助测试技术3.采样保持器保证模拟输入信号的采样并保持A/D转换器的输入信号在一次A/D转换过程中保持不变。

第8章计算机帮助测试技术4.A/D转换器

A/D（模-数）转换器（ADC），是把模拟电压量转换成对应数字量的装置，是计算机数据采集系统的核心环节。

■A/D转换器的分类

第8章计算机帮助测试技术■A/D转换器的工作原理

第8章计算机帮助测试技术■A/D转换器的主要技术指标

●辨别率●量程

输出数字量变更一个字所对应的输入模拟电压的变更。例：对于8位ADC，若量程为0~5V，则辨别率可表示成5V/28=5000mV/256≈20mV或8位或1/28=1/256ADC所能转换的模拟输入电压的范围。单极性量程（如0~5V）

双极性量程（如-10V~+10V）第8章计算机帮助测试技术●转换精度

●线性误差

●转换速率

实际转换结果相对于志向转换结果的偏差。确定精度：用最低有效位（LSB）的倍数来表示。例如：±1LSB、±0.5LSB等。相对精度：用确定精度除以量程所对应的最大输出数字量的百分数来表示。例如：0.1%、0.4%等。ADC的实际转换特性对志向线性转换特性的最大偏差。ADC在单位时间内可以完成的极限转换次数。例如：10000次/s（或10kHz）。也可用转换时辰表示，例如：25μs（40kHz、40000次/s）。第8章计算机帮助测试技术8.3数字信号的处理与分析

8.3.1数字信号处理数字信号处理的主要目的是为了使处理后的数字信号能真实地反映被测对象的相应状态，最大限度地减小各种测量转换误差；数字信号分析的主要目的则在于合理地从数字信号中提取关于被测对象的有关信息。1.数字滤波

●用软件实现，结果牢靠性高、稳定性好。●可以实现截止频率极低（例如0.01Hz）的低通滤波。●数字滤波的方法多，运用灵敏。特点第8章计算机帮助测试技术■算术平均值滤波

对数字序列中的N个相邻的采样值取算术平均值，以该算术平均值（即滤波后的输出）作为信号在这N个采样点处的采样结果。

适用于混有一般随机干扰的数字信号的滤波.留意：与实际采样间隔相比应充分地小！第8章计算机帮助测试技术■滑动（递推）平均值滤波

■加权平均值滤波

■防脉冲干扰平均值滤波

首先对前N个采样值取平均得到第1个算术平均值，然后将这N个采样值最前面的一个去掉，再加上下一个新的采样值取平均得到第2个算术平均值，…，依此类推。

与滑动平均值滤波原理相同，但为取平均的每个采样值赋以不同的权。降低了对A/D转换器转换时间的要求。

将N个采样值中的最大值、最小值剔除，对余N-2个采样值取平均，可在确定程度上消退脉冲干扰的影响。该方法简洁，较为常用。第8章计算机帮助测试技术■低通数字滤波

运用低通数字滤波的递推算法——第n个未滤波的输入采样值；——第n个滤波后的输出值；a——滤波器常数，0<a<1。数字低通滤波器的上截止频率由a和共同确定：——第n-1个滤波后的输出值；实现程序比较简洁，运算速度快，好用有效，可实现模拟滤波器所不能实现的上截止频率极低的低通滤波。第8章计算机帮助测试技术2.标度变换

将数字量转换成以特定单位表示的被测量的实际值。

线性标度变换——要进行标度变换的数字量；——标度变换后所得到的以特定单位表示的被测量大小；——量程内被测量的最大值、最小值；——量程内被测量的最大值、最小值时所对应的数字量输出。第8章计算机帮助测试技术3.非线性校正

测试系统中的各个环节（包括ADC）所存在的非线性因素，使系统的输出与输入之间呈某种非线性关系，应通过适当的技术措施予以校正。常用的方法有：■硬件校正：运用某些非线性电路（如二极管电路），一般设置在信号调理电路的最终。■软件校正：利用计算机，通过对数字信号进行函数计算来实现。第8章计算机帮助测试技术若使应使■

利用校正函数的软件非线性校正第8章计算机帮助测试技术8.3.2数字信号分析简介■

模拟分析法

运用模拟信号分析设备干脆对模拟信号进行分析处理——模拟频谱分析仪、模拟相关分析仪等。■

数字分析法

先把待分析的连续模拟信号通过A/D转换成离散的数字信号，然后由计算机对数字信号进行分析——数字信号处理机以及MATLAB、LabVIEW等软件。频谱分析仪第8章计算机帮助测试技术1.数字信号分析的理论基础傅里叶变换、概率论及数理统计

2.数字信号分析的基本原理

首先对模拟信号进行采样、截断（有时还要人为地做加权、数字滤波等处理），将持续时间无限长的连续时间信号转换成有限长样本的离散时间序列，最终在计算机上按确定的算法进行各种信号分析。（傅里叶变换→离散傅里叶变换DFT→快速傅里叶变换FFT）

第8章计算机帮助测试技术第8章计算机帮助测试技术3.数字信号分析方法

■谱分析

谱分析指的是把时域动态信号通过傅里叶变换变换到频域进行分析，其数学基础是傅里叶变换。具体分析方法有：●频谱分析（谐波分析）●功率谱分析●频率响应函数分析●相干函数分析●倒频谱分析第8章计算机帮助测试技术■相关分析

●干脆法干脆利用相关函数的定义进行计算分析。自相关函数

相互关函数第8章计算机帮助测试技术●间接法

自相关函数

相互关函数■小波分析第8章计算机帮助测试技术8.4模拟信号输出D/A（数-模）转换：将数字量转换成模拟信号。实现D/A转换的装置称为D/A转换器（DAC）。通过计算机将数字信号转换成模拟信号输出，目的是实现对某些执行元件（如电液比例阀、电机等）的限制。D/A转换器所输出的模拟量大多为电流输出形式，有些D/A转换器内部设有运算放大器用来实现电流-电压转换（I/V转换），因此可以干脆输出电压（单极性输出、双极性输出）。第8章计算机帮助测试技术1.D/A转换器的工作原理

n位二进制数D可以表示成

输入数字量D与输出模拟量A之间的关系为——转换时的参考电平（为量化当量）第8章计算机帮助测试技术2.D/A转换器的种类

■权电阻网络D/A转换器

第8章计算机帮助测试技术■T型网络D/A转换器

第8章计算机帮助测试技术3.D/A转换器的主要技术指标

输入数字量变更最小量（一个字）时所对应的输出模拟量变更与满量程输出之比（常用DAC的位数表示）。实际输入输出特性曲线偏离志向特性直线的程度。●辨别率●转换时间（建立时间）●转换精度●线性误差输入数字量从最小值跳变至最大值（满量程变更）时其输出模拟量从初始值达到稳态值所须要的时间。实际模拟量输出与理论模拟量输出之间的差异。第8章计算机帮助测试技术8.5计算机帮助测试系统的设计计算机帮助测试系统的设计通常分为设计准备、硬件设计和软件设计三个阶段。8.5.1设计准备1.调研与设计资料准备2.可行性论证

3.系统设计的总体规划

第8章计算机帮助测试技术8.5.2硬件设计1.计算机的选用

2.A/D、D/A转换器的选择

3.基本测量电路的设计

4.执行元件的驱动电路设计

8.5.3软件设计1.软件和软件生命期

2.结构化与模块化程序设计

第8章计算机帮助测试技术虚拟仪器的产生a.传统仪器满足不了测试需求现代测控不仅仅要求单台仪器进行测量，要求多台仪器数据共享，测试结果实时分析处理；仪器越来越困难，仪器硬件存在冗余，运用率低，对运用者的要求提高b.计算机技术的进步为新型仪器供应了基础电子技术和计算机技术的进步变更了传统的设计思想，很多过去由硬件实现的功能可以由软件实现；专业化的设计软件为高效、易用的仪器软件开发供应了工具8.6虚拟仪器第8章计算机帮助测试技术8.6.1虚拟仪器的概念在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

虚拟仪器是一个开放式的结构，它以通用计算机为核心，由数据采集卡、GPIB或VXI总线接口板实现信号的采集与限制，还可以用数字信号处理器DSP实现信号的处理，加上必要的软件，从而实现仪器的功能。“软件就是仪器——TheSoftwareistheInstruments”

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虚拟仪器（VI）第8章计算机帮助测试技术a.英国国家物理试验室（NPL）定义（://npl.co.uk）虚拟仪器是在通用计算机（如PC机、Mac或工作站）中加上软件和/或硬件，并运用计算机屏幕供应仪器虚拟界面的可重用测量仪器。b.NI公司的定义（://ni）虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和／或硬件，运用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用电子仪器。虚拟仪器是一种软件定义的系统，基于用户需求的软件定义了一般测量硬件的功能。c.VXIplug&play规范定义（://）实现传统分立仪器功能的一组软件模块，也包括与其相关或必需的硬件资源。第8章计算机帮助测试技术虚拟仪器的发展历程第一阶段：利用计算机增加传统仪器的功能运用通讯总线（GPIB等）限制台式仪器第8章计算机帮助测试技术其次阶段：开放式的仪器构成出现了插卡式仪器和仪器总线(VXI&PXI)，计算机成为仪器的重要组成部分。第8章计算机帮助测试技术PXI机箱和模块PXI:PCI总线在仪器领域的扩展VXI机箱和模块VXI:VME总线在仪器领域的扩展第8章计算机帮助测试技术第8章计算机帮助测试技术LXI—LANeXtensionsforInstrumentation

第8章计算机帮助测试技术虚拟仪器是计算机化的仪器，由计算机、模块化功能硬件和应用软件三大部分组成第8章计算机帮助测试技术依据虚拟仪器的功能划分，可以分为数据采集数据分析结果表达虚拟仪器的内部功能划分第8章计算机帮助测试技术可以按应用领域分类，也可以按测量功能分类，最常用是按总线接口类型划分：插卡式（DAQ）虚拟仪器串行口（RS232/422）虚拟仪器USB接口虚拟仪器IEEE1394虚拟仪器GPIB虚拟仪器VXI虚拟仪器PXI虚拟仪器LXI虚拟仪器……第8章计算机帮助测试技术1.PC-DAQ测试系统：是以数据采集卡、信调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。2.GPIB系统：是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。3.VXI系统：是以VXI标准总线仪器为计算机为硬件平台组成的测试系统。4.串口系统：是以RS232标准串行总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。5.现场总线系统：是以FieldBus标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。第8章计算机帮助测试技术■虚拟仪器的特点●可由用户定义虚拟仪器的功能、性能、指标。●可以将多种仪器的功能、性能、指标等以软件的形式集成在虚拟仪器库内。●操作简洁直观，数据分析及数据处理、结果与图形曲线显示的功能强大。●可以在同一总线系统的仪器之间或通过网络进行数据交换，实现资源共享。●测量精度高、测量范围宽且性能稳定、牢靠性高。●智能程度高，具有自学习和决策实力。●开发周期短、成本低、维护便利。第8章计算机帮助测试技术虚拟仪器传统仪器开发和维护费用低开发和维护费用高技术更新周期短（1～2年）技术更新周期长（5～10年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放、灵活与计算机同步,可重复使用和重新配置固定可用网络联络周边各种仪器只可连有限的设备自动化、智能化、多功能、远距离功能单一、操作不便■虚拟仪器与传统仪器的比较第8章计算机帮助测试技术8.6.2虚拟仪器的组成

虚拟仪器主要由计算机、测量硬件接口模块和虚拟仪器软件三部分组成。第8章计算机帮助测试技术1.硬件系统

■基于PXI总线的虚拟仪器系统

■基于串口仪器的虚拟仪器系统

■基于VXI总线的虚拟仪器系统

■基于通用接口总线GPIB的虚拟仪器系统

■基于DAQ设备——数据采集卡的虚拟仪器系统

数据采集卡第8章计算机帮助测试技术2.软件系统

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VISA库

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仪器驱动程序

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虚拟仪器开发平台软件

虚拟仪器软件的三个层次：

●文本编程语言:LabWindows/CVI、VC、VB等。

●图形化编程语言：LabVIEW、HP-VEE、Ez-Text、TEK-TNS等。

第8章计算机帮助测试技术8.6.3虚拟仪器开发平台LabVIEW简介1.LabVIEW的主要功能与特性

LabVIEW（LaboratoryofVirtualInstrumentsEngineeringWorkbench）是NI（美国国家仪器公司）推出的32位、为VXI即插即用联盟认可、基于图形化编程语言G的虚拟仪器开发平台。第8章计算机帮助测试技术Labview是为那些对诸如C、C++、VisualBasic、Delhi等编程语言不熟悉得测试领域的工作者开发的，它接受可视化的编程方式，设计者只需将虚拟仪器所需的显示窗口、按钮、数学运算方法等控件从Labview工具箱内用鼠标拖到面板上，布置好布局，然后在Diagram窗口将这些控件，工具所设计的虚拟仪器所须要的逻辑关系，用连线工具将这些控件连接起来即可。第8章计算机帮助测试技术●带有多种I/O函数库，可对几千种设备（GPIB、VXI、PXI、RS-232、RS-485、数据采集卡等）进行操作。●开放式环境，供应了与ActiveX、DLLs及其它开发工具的共享库之间的开放式连接。●支持多平台且独立于平台、操作系统。●强大的数据分析与处理功能，供应了多种工具包。●强大的可视化功能。●广泛的通讯及数据存储方式。●分布式开发环境。●真正的32位编译器。●具有设置断点、单步运行等多种调试功能。■LabVIEW的主要功能、特性

第8章计算机帮助测试技术温度测量仪

第8章计算机帮助测试技术2.LabVIEW7的VI开发环境

■前面板（FrontPanel）

第8章计算机帮助测试技术控件（Controls）选板

第8章计算机帮助测试技术■程序框图(BlockDiagram)

第8章计算机帮助测试技术函数（Fuctions）选板

第8章计算机帮助测试技术■属性对话框与工具选板“chart”对象的属性窗口

工具（Tools）选板

第8章计算机帮助测试技术3.VI示例（虚拟双踪示波器）

■虚拟双踪示波器前面板第8章计算机