《机械工程测试技术》课程授课教案（讲稿）第7章 计算机辅助测试技术（1/2）

机械工程测试技术第7章计算机辅助测试技术学习目标掌握计算机辅助测试的特点及计算机辅助测试系统的组成原理，重点掌握以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、计算机辅助测试系统设计、虚拟仪器及其开发平台LabVIEW有一定的了解。学习重点与难点重点：计算机辅助测试系统的组成及采样定理。难点：采样定理、混叠、截断、泄漏、加窗等概念。7.1 概述7.1.1计算机辅助测试及其主要工作内容计算机辅助测试（CAT，ComputerAidedTest）：一般指的是用微处理器、单片机、个人计算机等组成测试系统。通过充分利用计算机系统的软、硬件资源及网络资源，达到扩展测试系统的功能、提高测试系统的性能等目的。主要工作内容：●在传统测试仪器的基础上构成智能仪器（IntelligentInstrument）。●与测试系统一起构成自动测控系统，实现工程参数、过程的在线测试和自动控制。●以计算机及必要的硬件（数据采集卡等）为基础组成虚拟仪器。?测控系统的网络化。7.1.2 计算机测控、测试系统的组成前向通道及计算机系统构成了计算机测试系统福前向通道、计算机系统及后向通道构成了计算机测控系统计算机前向通道OCPUA/D信号调理多路选择采祥传感器转换器电路保持器开关存储器键盘、鼠标后向通道显示器IO打印机功率驱动D/A多路选择执行元件隔离电路转换器电路开关串口、并口1 /6《机械工程测试技术》第15讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 15 讲 1 / 6 第 7 章 计算机辅助测试技术 学习目标 掌握计算机辅助测试的特点及计算机辅助测试系统的组成原理，重点掌握以 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、计算机辅助测试系统设计、虚拟仪器及其开发平台 LabVIEW 有一定的了解。 学习重点与难点 重点：计算机辅助测试系统的组成及采样定理。 难点：采样定理、混叠、截断、泄漏、加窗等概念。 7.1 概述 7.1.1 计算机辅助测试及其主要工作内容 计算机辅助测试（CAT，Computer Aided Test）：一般指的是用微处理器、单片机、个 人计算机等组成测试系统。通过充分利用计算机系统的软、硬件资源及网络资源，达到扩展 测试系统的功能、提高测试系统的性能等目的。主要工作内容： ● 在传统测试仪器的基础上构成智能仪器（Intelligent Instrument）。 ● 与测试系统一起构成自动测控系统，实现工程参数、过程的在线测试和自动控制。 ● 以计算机及必要的硬件（数据采集卡等）为基础组成虚拟仪器。 ● 测控系统的网络化。 7.1.2 计算机测控、测试系统的组成 ● 前向通道及计算机系统构成了计算机测试系统 ● 前向通道、计算机系统及后向通道构成了计算机测控系统

机械工程测试技术7.2数据采集（DAQ，DataAcquisition）7.2.1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（若于个数字量）的过程。数据采集过程一般包括三个阶段：采样、保持、量化。1.采样把随时间连续变化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。采样实际上是把一个周期性脉冲序列与被采信号相乘的过程，采样开关（器）相当于一个乘法器。X(048(0IKXs(k)(s(K)457g(0)采样定理对一个具有有限频带宽度（0～f.）的连续信号进行采样时，采样频率f，（采样周期的倒数，f，=1/T，）至少应为被采信号中最高频率成分频率f。的两倍，即f,≥2f.2f.称为被采信号的奈奎斯特频率，实际采样过程中通常将采样频率取为f, ≥(3~4)f。不满足采样定理的要求时将会发生频率混叠，使信号的频谱发生变化而产生失真。为避免混叠，通常是在采样装置之前设置一抗混叠滤波器（低通），滤掉高频成分使信号成为限带信号。时域截断会引起频域的能量发生泄漏，使信号的频谱发生畸变而导致测量失真。采用适当的加窗处理可以减小因时域截断而产生的泄漏误差。（混叠、泄漏简介）2.保持在量化期间，使其输出“定格”在采样开始瞬间采样器的输入电压值上，从而保证量化的输入电压保持不变。3.量化与编码《机械工程测试技术》第15讲2 /6

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 15 讲 2 / 6 7.2 数据采集（DAQ，Data Acquisition） 7.2.1 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（若干个数字量）的过 程。数据采集过程一般包括三个阶段：采样、保持、量化。 1. 采样 把随时间连续变化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。 采样实际上是把一个周期性脉冲序列与被采信号相乘的过程，采样开关（器）相当于一 个乘法器。 ■ 采样定理 对一个具有有限频带宽度（ c 0 ~ f ）的连续信号进行采样时，采样频率 s f （采样周期的 倒数， s s f =1/T ）至少应为被采信号中最高频率成分频率 c f 的两倍，即 s c f  2 f c 2 f 称为被采信号的奈奎斯特频率，实际采样过程中通常将采样频率取为 s c f  (3 ~ 4) f 不满足采样定理的要求时将会发生频率混叠，使信号的频谱发生变化而产生失真。为避 免混叠，通常是在采样装置之前设置一抗混叠滤波器（低通），滤掉高频成分使信号成为限 带信号。 时域截断会引起频域的能量发生泄漏，使信号的频谱发生畸变而导致测量失真。采用适 当的加窗处理可以减小因时域截断而产生的泄漏误差。 （混叠、泄漏简介） 2. 保持 在量化期间，使其输出“定格”在采样开始瞬间采样器的输入电压值上，从而保证量化 的输入电压保持不变。 3. 量化与编码

机械工程测试技术以一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。8位A/D，Vre-5.12V,量化电平=20mV2.3812.36V000000x(0)→012.340000000(1)→00.0610000x(2) → 00110.04V0.02Vx(3)→00011111CO1x(0)x(1) x(2) x(3) x(4)x(4)-→01001117.2.2数据采集系统的类型1.单通道数据采集系统前置放大器采样保持器A/D转换器数据缓冲器S/HADCBUFFERA输人模拟电压总线控制逻辑电路2.多通道独立型数据采集系统S/HADCBUFFERA输人模拟电压.+*S/HADCBUFFERA输人模拟电压控制逻辑电路3.多通道一般型数据采集系统A输人模拟电压路选择开S/HADCBUFFER...关MUX部总输入模拟电压广控制逻辑电路4.多通道同步型数据采集系统《机械工程测试技术》第15讲3/6

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 15 讲 3 / 6 以一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。 7.2.2 数据采集系统的类型 1. 单通道数据采集系统 2. 多通道独立型数据采集系统 3. 多通道一般型数据采集系统 4. 多通道同步型数据采集系统

机械工程测试技术S/HA多路避择开关输入模拟电压BUFFERADC..S/HMUX输人模拟电压控制逻辑电路7.2.3数据采集系统的主要组成环节1.前置放大器作用：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.多路选择开关作用：使多个通道可以分时共享系统的某些资源（如A/D转换器等）以实现分时测量、控制的目的。（多选一：4选1、8选1和16选1等）ENA3A2AAloTTL、DTL到CMOS电平转换器GND译码驱动器Vss015VOOUTSIS2S163.采样保持器模拟A/D转换器输人Vo保持电容采样！保持控制信号透辑控制电路作用：保证对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。4.A/D转换器■A/D转换器的作用A/D转换器即模-数转换器（AnalogtoDigitalConverter，简称ADC或A/D），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4/6《机械工程测试技术》第15讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 15 讲 4 / 6 7.2.3 数据采集系统的主要组成环节 1. 前置放大器 作用：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 作用：使多个通道可以分时共享系统的某些资源（如 A/D 转换器等）以实现分时测量、 控制的目的。（多选一：4 选 1、8 选 1 和 16 选 1 等） 3. 采样保持器 作用：保证对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。 4. A/D 转换器 ■ A/D 转换器的作用 A/D 转换器即模-数转换器（Analog to Digital Converter，简称 ADC 或 A/D），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

机械工程测试技术电荷再分配式遥次逼近式百接型反馈比较式跟踪比较式串联式非反馈比较式并行式串并联式AD转换器单积分式双积分式电压-时间变换式四重积分式五重积分式间接型脉宽调制积分式电压-频率变换式目前应用比较广泛的A/D转换器主要是逐次逼近式、双积分式、并行式、计数式、和V/F（电压/频率）变换式等几种。■逐次逼近式A/D转换器的工作原理时钟移位寄存器1START控制输出缓冲寄存器逻辑D模拟输入电压1比较器VreD/A转换器参考电压逐次逼近式A/D转换器的工作原理■A/D转换器的主要技术指标·分辨率输出数字量变化一个字所对应的输入模拟电压的变化，即转换器所能分辨的模拟输入电压的最小变化值。●量程量程指的是ADC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）●转换精度转换精度指的是实际转换结果相对于理想转换结果的偏差，它有两种表示方法。绝对精度：用最低有效位（LSB）的倍数来表示，如±1LSB等。相对精度：用绝对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，某8位ADC的绝对精度为±1LSB，其最大输出数字量为255LSB，则相对精度约为0.4%●线性误差ADC的实际转换特性对理想线性转换特性的最大偏差为其线性误差，通常用LSB的个数表示。5/6《机械工程测试技术》第15讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 15 讲 5 / 6 目前应用比较广泛的 A/D 转换器主要是逐次逼近式、双积分式、并行式、计数式、和 V/F（电压/频率）变换式等几种。 ■ 逐次逼近式 A/D 转换器的工作原理 逐次逼近式 A/D 转换器的工作原理 ■ A/D 转换器的主要技术指标 ● 分辨率 输出数字量变化一个字所对应的输入模拟电压的变化，即转换器所能分辨的模拟输入 电压的最小变化值。 ● 量程 量程指的是 ADC 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） ● 转换精度 转换精度指的是实际转换结果相对于理想转换结果的偏差，它有两种表示方法。 绝对精度：用最低有效位（LSB）的倍数来表示，如 1 LSB 等。 相对精度：用绝对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，某 8 位 ADC 的绝对精度为 1 LSB，其最大输出数字量为 255LSB，则相对精度约为 0.4%。 ● 线性误差 ADC 的实际转换特性对理想线性转换特性的最大偏差为其线性误差，通常用 LSB 的个 数表示

机械工程测试技术●转换速率ADC在单位时间内可以完成的极限转换次数。例如：转换速率为10000次/s（通常表示成10kHz）。转换速率也可以用转换时间（ADC完成一次A/D转换所需要的时间）来表示。7.3数字信号的处理与分析（略）6 / 6《机械工程测试技术》第15讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 15 讲 6 / 6 ● 转换速率 ADC 在单位时间内可以完成的极限转换次数。例如： 转换速率为 10000 次/s（通常表示成 10kHz）。 转换速率也可以用转换时间（ADC 完成一次 A/D 转换所需要的时间）来表示。 7.3 数字信号的处理与分析（略）