《计算机测试技术》PPT课件.ppt
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1、测试技术 计算机测试技术(5),第八章,内容,概述数据采集技术智能仪表系统虚拟仪器,1、概述,定义:计算机测试技术以计算机为核心、完成测试任务的技术基于计算机的测试:测量、分析与处理核心:处理器、编程,利用计算机的可编程快速处理和大容量数据管理功能适用:测点多、数据量大、监测任务重、分析要求高(在线、远程、诊断、推理),1、概述,组成结构,组成硬件信号调理:隔离、放大、滤波数据采集:采集板/卡/器 模拟开关、采样保持、AD转换计算机:PC、IPC、CPCI、VXI,1、概述,组成 软件采集/监测软件分析软件数据库管理软件 特点成本优势:PC资源功能优势:数据处理量大、快速,分析手段丰富、灵活发
2、展优势:具有通用性和发展前景,1、概述,典型框图,1、概述,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化:将连续模拟信号转换为离散数字信号的过程,连续无限长度,离散有限点数,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理采样:将模拟信号按一定的时间间隔逐点取其瞬时值采样:基本问题:采样间隔/频率、采样长度,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理采样,时间采样间隔t时间序列t2t,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理量化,幅值|x(t)|M量程-M,M均分为2L区间量化阶q=M/L如M5V,L211则q2.44mV,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理量化:结果取决:q、t,量化序列0(L
3、-2).q(L-2).q(L-4).q2.q q3.q(L-4).q q-(L-3).q-(L-3).q-2.q-4q-2.q,0 1.t2.t3.t4.t.n.t,模拟信号的数字化处理编码:二进制编码a1 最高有效位MSB,取值0、1an 最低有效位LSB,取值0、1n A/D转换器有效输出数字量的位数,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理采样定理及频率混淆采样定理 解决原始信号不失真采集的采样频率或采样间隔选择问题几个重要采集参数样本:采集到的一段时域信号 样本长度 T=N.t,其中N为采样点数(长度)、t为采样间隔最高分析频率fx:模拟信号中所要分析的最高分量的频率被采集的信号是频率为
4、fr的单频,则最高分析频率fx=fr一般情况下,被采集的往往是一复频信号,则由需要定fx由主频(对应系统工作转速)的几倍频来定fx,如fx=5.fr采样频率fs:模拟信号离散的速度每秒采集的点数 对于等间隔(t)采集,采集频率fs为:fs=1/t.Hz,2、数据采集技术,采样定理 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息,信号采样频率必须至少为原信号中最高分析频率的2倍每周期至少采集2点,2、数据采集技术,香农(Shannon)采样定理,采样定理,2、数据采集技术,频率混淆:fs2.fx、造成频率混叠,2、数据采集技术,折叠频率 fd=fs/2大于fd的频率混叠 混叠无法事后消除抗混叠措施
5、采集前滤去大于fd的频率抗混叠滤波,低通滤波频率为0 fd加大采样频率,2、数据采集技术,数据的采样与保持数据采集具有N个采样区间为t的量化过程采集样本:T=N.t t内的量化过程:启动转换转换结束输出数字量A/D转换开始到结束时保持输入信号的电平不变保证转换精度保持电路A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化采样电路,数据的采样与保持数据采集基本单元多路开关程控放大采样保持AD转换,2、数据采集技术,多路开关功能 将多路被测信号分别传送到所共用的一路A/D转换器进行转换以低成本实现多通道参数的采集类型多路开关(多到一):多路输入到一路AD反多路开关(一到多):一路DA到多路输出,2、数据采集技
6、术,多路开关指标 导通与断开电阻 接通电阻为零(实际109)切换速度:一般 1us1ns隔离:各通过之间的串扰,80db实例集成电路模拟开关:结构紧凑、内部有译码器、使用方面、转换速度快、寿命长等干簧继电器:结构简单、闭合接触电阻小而断开时阻抗高、不受环境温度影响等,2、数据采集技术,采样保持功能:对被测信号的实时跟踪、精确取值 采集过程的两个基本状态:快采慢测采集前的信号跟踪S闭合采集时刻的信号冻结对固定信号进行量化,2、数据采集技术,2、数据采集技术,采样保持,采样保持指标:捕捉时间TAC跟踪 S输入值,取决于CH孔径时间TAP H开关断开断开速度保持建立时间THS 开关断开稳定衰减率 H
7、内VC的下降速率,漏电,负载,2、数据采集技术,数模换技术A/D转换器(简称ADC)定义:将模拟量转换为一定码制的数字量的器件或装置分类:跟踪比较、逐次比较、并行比较、双积分,极性判断误差控制,2、数据采集技术,A/D转换器(简称ADC)并行比较8个电压等级:只用7级7个比较器:输出I1I73位编码数字量输出,2、数据采集技术,ADC性能参数AD位数:二进制或BCD码的位数,如12位、16位、24位分辨力:最低有效位数LSB,也称量化阶 如:12位A/D转换器、量程5V,则分辨率为:量化误差:最大为1/2LSB,误差分布为均匀分布转换时间:完成一次A/D转换的时间,倒数为转换速度/通过率转换精
8、度:实际ADC与理想ADC 量化值上的差值满刻度范围:ADC所允许输入电压范围,如5V其他参数:零点和增益温度系数、输入电阻,2、数据采集技术,示例采用铁康铜热电偶进行温度测量,在0-450的温度范围内输出的电压值是0-25mV,若要求设计的测量装置达到0.1 的测温分辨率,如何选A/D转换器?分析 0-450的温度范围对应测量范围0-25mV,即M=25mV 最小分辨率:分辨0.1,对应电压为q5.5 V解题 M=25000V、q5.5 V,所以,A/D转换器的位数应该大于13位16位 q0.76 V,2、数据采集技术,ADC的选择AD位数 位数:12位、16位、24位 精度:0.5%成本转
9、换时间 实际采样间隔:采样定理、采集方式 成本,2、数据采集技术,A/D通道方案确定考虑问题:多个模拟信号性质:快变、慢变;静态、动态采集效率成本不同的采集要求分别采集:信号之间没有严格关系并行采集:同步,2、数据采集技术,无采保的A/D通道直接转换应用:直流/低频信号输入信号的最大变化率:t一定,允许输入信号变化速率的上限也就确定 变化大信号的则要求t小;直流信号则要求t大,示例:M10V、n12、t0.1s变化率小于0.05V/s的输入信号,采集前可不用加采保,2、数据采集技术,带采保的A/D通道应用:各种信号输入信号的最大变化率:(取决于保持时间)采保A/D ADC带采保的A/D通道多通
10、道巡回采集、共享A/D通道每路信号的采样间隔ADC采样间隔一次转换,在前一个通道的信号处于保持阶段,就可以考虑通道的切换,2、数据采集技术,带采保的A/D通道多通道巡回采集两个采样间隔之间关系 等速采集、巡回切换n通道,问题:10个通道输入,每个通道采样间隔为100微秒,做等间隔巡回采集,则要求ADC的采样间隔为多少?,2、数据采集技术,带同时采保的A/D通道伪并行采集每个t中,所有通道的信号电平先同时采样保持,再巡回采集,从而保证所有通道严格同时刻采集。每一通道(信号)采样间隔:t;信号采样频率1/tADC(最小)采样间隔:t/n;ADC 采样频率n/t,2、数据采集技术,多通道并行A/D通
11、道并行采集多块低速的ADC芯片、严格同步采集独立的通道,各通道间具有较好的隔离度性价比较高 ADC采样间隔就是信号采样间隔,应用:高速实时系统高频信号采集,2、数据采集技术,数据采集卡/器指标A/D位数(也可表示分辨率):位数越多,量化误差越小,分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等最高采样频率:够重复进行数据转换的最高速度,即每秒完成信号转换的最高次数,对应的为A/DC最小采样间隔。一般可编程控制。如最高采样频率333KHz,则A/DC最小采样间隔为3 s,可在3s-500ms之间可控 量程(输入范围):A/D转换器所能转换模拟信号的电压范围。一般有 5V、10 V精度:反映输出数
12、码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差,定义满量程下包含增益误差、偏移误差、非线性误差,量化误差等在内的相对精度。如小于0.05,2、数据采集技术,数据采集卡/器指标模入通道:能巡回或并行进行采集的输入通道数。对于巡回采集:8、16、32;对于并行采集:2、4、8输入阻抗:反映隔离信号源的能力。一般大于100M程控增益:1、2、4、8、16倍等(选项)任意设定采样通道数,可通道自动扫描采集先进先出(FIFO)缓存,可自动数据块采集 触发方式:定时器触发,可外启动采集,2、数据采集技术,数据采集卡/器产品PC/PCI总线数据采集板PC/PCMCIA总线数据采集板USB 总线数据采集模块,NI
13、 PCI-6221 16Bit,250kS/s,16通道2通道DA(833kS/s),NI USB-9215高速串行总线:USB2.0只要有USB口,即插即用总线供电采样速率可达500kHz/s,NI PCMCIA-51022通道并行采集采样频率20MS/s带宽15 MHz输入50 mV5 V,2、数据采集技术,数据采集技术模拟信号数字化:连续模拟信号离散数字信号采样:采样间隔、采样长度量化:取采样时间上的信号幅值幅值量化编码:二进制编码采样频率及频率混叠采样定理:样本、最高分析频率、采样频率频率混淆:折叠频率、抗混叠措施(抗混叠滤波器、提高采样频率)数据采集采样保持:动态跟踪采集;固定取值保
14、持;4个指标AD转换:将模拟量转换为一定码制的数字量分类(跟踪、逐次、并行比较,双积分)基本指标:位数、分辨率、转换时间、精度AD通道方案无采保的A/D通道:输入信号的最大变化率带采保的A/D通道:多通道巡回采集、并行采集AD采集间隔、每通道采样频率、采集卡指标,回顾,定义含有微计算机或微处理器的测量仪器具有采集、存储、分析、自动化操作等功能 精度、速度、测试能力和工作效率,3、智能仪器系统,数字式测温计,数字式超声波探伤仪,振动采集分析仪,模拟式万用表,基本特征测量过程软件控制测量过程量程切换极性判别调零放大过载保护结果输出状态检测实现硬件实现:结构、体积、成本软件实现:流程控制转换、逻辑、
15、驱动自动化 智能、灵活,模拟式万用表,数字式测温计,3、智能仪器系统,基本特征数据处理能力强处理器的存储、运算能力测量精度传统仪器手工事后数据处理、方法有限主观因素影响成分大智能仪器软件实现算法标准偏差、曲线拟合在线修正自动补偿结果直接存储处理数据的存储、回放数据再处理深加工、多用途,数据采集和振动分析,3、智能仪器系统,基本特征友好的人机交互方式键盘方便 输入参数,实现柔性测量输入命令,选择不同功能显示屏直观运行情况、工作状态、处理结果 定时测量、设限报警、自动打印标准化接口通信接口GPIB、RS232C、RS485 等+PC机自动远程测量系统,多相功率分析仪,3、智能仪器系统,硬件结构,微
16、型计算机系统实现仪器功能信号输入单元信号调理A/D转换器 信号输出单元时序控制器数模转换器功率放大人机交互设备输入键盘输出显示通信接口,3、智能仪器系统,软件功能,自检模块初始化模块时钟模块 监控模块人机交互模块 数据采集模块 数据处理模块 控制决策模块信号输出模块通信模块,3、智能仪器系统,自动测量功能体现智能化,支持仪器稳定、可靠、高精度测量量程自动切换基本功能衰减器+放大器+程控根据输入信号的大小,合理确定衰减器的衰减系数和放大器的放大倍数,使A/D转换器得到尽可能大而又不超出其输入范围的信号,3、智能仪器系统,自动测量功能体现智能化,支持仪器稳定、可靠、高精度测量量程自动切换基本功能衰
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