第五章測試系統(tǒng)基本原理1

1、西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術 第五章第五章 測試系統(tǒng)基本原理測試系統(tǒng)基本原理 1 計算機測試系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與原理計算機測試系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與原理 2 基本信號調(diào)理電路基本信號調(diào)理電路 3 信號的轉(zhuǎn)換信號的轉(zhuǎn)換西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術計算機測試系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)計算機測試系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)計算機測試系統(tǒng)是以計算機為核心組成的數(shù)字化測試系統(tǒng)。 信號輸入通道的基本結(jié)構(gòu)信號輸入通道的基本結(jié)構(gòu)單通道信號輸入電路結(jié)構(gòu) 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型輸入結(jié)構(gòu)有三種西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術 1. 多路分時采集輸入結(jié)構(gòu)特點：特點：多路信號共同使用一個S/H和A/D電路，結(jié)構(gòu)

2、簡化，成本低。由多路轉(zhuǎn)換開關分時切換采集、輪流選通，相鄰兩路信號不能獲得同一時刻的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生時間差。不適用于多路信號嚴格同步采集，對于多數(shù)中速和低速提高采樣速度減小時間差的影響。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術 2. 多路同步采集分時輸入結(jié)構(gòu)特點：多路轉(zhuǎn)換開關前通道一個S/H電路，多個信號同一時刻采樣，即同步采樣。等待多路轉(zhuǎn)換開關分時切換進入公用的S/H和A/D轉(zhuǎn)換。可以消除時間差，能滿足同步采集且簡單。但在被測信號路數(shù)比較多時保持器保持時間加長，而保持器總會有一些泄露，使信號有所衰減，由于各路信號保持時間不同，致使各個保持信號的衰減量不同，這種結(jié)構(gòu)不能獲得真正的同步輸入。西北工

3、業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術 3. 多路同步采集多通道輸入結(jié)構(gòu)特點：從采集到轉(zhuǎn)換完全同步。但電路結(jié)構(gòu)復雜，成本高，適用于高速采集多通道測試系統(tǒng)和被測信號嚴格要求同步采集的測試系統(tǒng)。 西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術二、輸出通道的基本結(jié)構(gòu)二、輸出通道的基本結(jié)構(gòu)輸出形式：信息 輸出：顯示器、打印機、網(wǎng)絡接口；模擬通道輸出等多通道的輸出結(jié)構(gòu)在單通道輸出基礎上變換而成，有三種：西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術 1. 多路分時輸出結(jié)構(gòu)多路分時輸出結(jié)構(gòu)特點：特點：每個通道配置數(shù)據(jù)寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器和信號調(diào)理電路，主計算機控制數(shù)據(jù)總線分別選通各個輸出通道，將輸出數(shù)據(jù)

4、傳送到各自的寄存器中。這個過程是分時進行的，輸出通道不同步。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術 2. 多路同步轉(zhuǎn)換輸出結(jié)構(gòu)特點：多路傳輸通道中D/A轉(zhuǎn)換器的操作是同步進行的，增設了一個緩沖寄存器R2，在同一命令控制下將R1的數(shù)據(jù)由傳送到R2 。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術 3. 多路公用D/A分時輸出結(jié)構(gòu) 西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術5.2 基本信號調(diào)理電路基本信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路的主要作用：放大或衰減、電氣隔離、濾波等一、模擬信號放大一、模擬信號放大（1）理想運算放大器在理想情況下，運算放大器應有如下參數(shù)：1）開環(huán)放大倍數(shù)AV2）輸入阻抗r

5、i，輸出阻抗r003）頻帶寬度Bw4）當VNVP時，VO05）沒有溫漂。對于工作于線性區(qū)的理想運放，有：1）運放二輸入端之間的電壓差為0，即ViVNVP02）理想運放二個輸入端不取電流，即有Is0西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術(2)實際運放技術指標含義實際運放技術指標含義開環(huán)增益開環(huán)增益AV 在標準的電源電壓和規(guī)定的負載電阻條件下，放大器開環(huán)時輸出電壓增量與輸入電壓增量之比，定義為開環(huán)增益AV： AVVO/Vi 或AV20lgVO/Vi一般希望其值越大越好，一般在60140dB。2）輸入失調(diào)電壓Vos 在室溫（25）及標準電源電壓下

6、，輸入電壓為零時，為使集成運放的輸出電壓為零，而在輸入端的補償電壓叫輸入失調(diào)電壓Vos，這個值是越小越好，一般Vos約為0.55mv。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術3）輸入偏置電流Ib和輸入失調(diào)電流Ios當輸出電壓為零時，流入放大器兩個輸入端的電流平均值即為輸入偏置電流Ib，ib=(IB+IB-)/2。一般希望Ib越小越好，這樣可以減少由于信號源內(nèi)阻變化而引起輸出電壓的變化，其值一般為1nA100A。輸入失調(diào)電流則是指在上述情況下二個輸入端電流的差值，ios=|IB+IB-| 。失調(diào)電流一般為偏置電流指標的1/51/10。由于信號源內(nèi)阻存在，Ios會引入一輸入電壓，破壞放大器平

7、衡，希望Ios也是越小越好。輸入阻抗匹配減小輸入失調(diào)電流的影響。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術4）溫度漂移溫度變化引起輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流變化。輸入失調(diào)電壓溫漂是對集成運放電壓漂移特性的度量，一般在150V/，高質(zhì)量低溫漂運放可到小于0.5V/。 輸入失調(diào)電流溫漂是對放大器電流漂移的度量，高質(zhì)量的運放每度只有幾個pA。5）最大差模輸入電壓Vidmax放大器的反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。超過這個電壓，將可能導致三極管擊穿而使運放性能惡化或永久損壞。6）最大共模輸入電壓Vicmax其值一般是指使運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產(chǎn)生1跟隨誤差的共模輸入電壓值。超過Vi

8、cmax值，將導致運放共模抑制比顯著下降。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術7）共模抑制比CMRR在開環(huán)狀態(tài)下，運放的差模電壓增益AVd與共模電壓增益AVc之比稱共模抑制比： CMRR=AVd/AVc表示運放對共模信號的抑制能力，越大越好，一般60130dB。8）差模輸入電阻Rid運放開環(huán)時，二個輸入端差模電壓的變化量Vi與由它所引起的電流變化量Ii之比，稱為差模輸入電阻Rid，其值一般在幾十千歐到幾十兆歐左右。9）開環(huán)輸出電阻運放開環(huán)時，其輸出級輸出電阻，用R0表示。R0的大小標識了運放的負載驅(qū)動能力。信號源的內(nèi)阻問題。10）上升速率SR 運放在大幅度信號的作用下，輸出電壓隨時間

9、的最大變化率稱為上升速率或轉(zhuǎn)換速率；如果頻率太高，轉(zhuǎn)換速率就會導致輸出信號失真，通常以13的失真度為測量標準。 一般常用運放速率在0.1100mV/s，高速運放則可達5001000V/s。對于輸出信號00(sin)2pd Etf ESdt西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術信號放大電路信號放大電路同相放大、反向放大、跟隨器圖5-7 反相放大器圖5-8 同相放大器ViVo+-比較器差分放大器在 DC（或 AC）共模電壓可能超過電源電壓的應用場合 （例如檢測電池組中的一節(jié)電池的電壓）特別有用。 電壓跟隨器通常采用阻值很高的輸入電阻器以衰減信號

10、 電壓和共模輸入電壓輸出包含共模電壓西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術 儀表放大器儀表放大器 )(1 ()1 ()1 (12122211212211VVRRRRRVOVRRVRRVVRRVRRVWfffWfWfOWfWfO)1 (21WfffVRRRRRA需采用精密匹配的電阻及集成測量放大器。它通常抑制共模 DC 電壓或者 對兩輸入端共模的任何其它電壓，同時放大差分信 號電壓，即兩輸入端之間的電壓差。 西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術可編程增益儀表放大器PGIA儀表放大器應用工程師指南西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術 隔離放大器隔離放大器 隔離的作用：（

11、1）減小電磁干擾的影響；（2）醫(yī)療儀器 防止漏電流等對人體的意外傷害，確保安全；隔離的方法：光隔離、電容隔離和磁隔離。光隔離光隔離：工作速度快，便宜，但在模擬信號范圍內(nèi)線性較差，不適于精密模擬信號的直接耦合。電容耦合隔離：電容耦合隔離：較低的精度、較窄的帶寬和較小的電壓額定值，但很便宜。變壓器耦合：變壓器耦合：實現(xiàn)載波調(diào)制，可獲得數(shù)kHz的帶寬。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術二、信號處理電路二、信號處理電路 作用：簡少程序運算量，增強實時性等。調(diào)理電路要簡單絕對值檢測電路絕對值檢測電路

12、64OiiRUUUR 當輸入信號Ui為正極性時，D2截止，D1導通 6600145iRRUUURR 2011iRUUR RR216452RRR666545452()()OiiiiiRRRRUUUUUURRRR 當輸入電壓Ui為負極性時，D1截止，D2導通 OiUUA1虛短，2點為0VA2虛短，1點為0V西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術 峰值保持電路峰值保持電路 由于實際的二極管并不是一個理想元件，電路輸出端又總接有一定的負載，而信號源也存在一定的內(nèi)阻，因此在跟蹤階段，電容C上的電壓無法完全跟蹤輸入信號按一定的時間常數(shù)上升。在保持階段，

13、Uc又將通過負載電阻進行放電，從而使輸出電壓偏離被測信號的峰值， 西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術（2）峰值保持電路性能的改善1）改善二極管的非線性及消除不靈敏區(qū)1iDdUUA 2) 增加保持時間：選用優(yōu)質(zhì)的元件。C可選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等漏電流小的電容；A1、A2可選用具有場效應管作輸入級的運算放大器；D可選用開關特性好的開關二極管，或用場效應管代替。3) 提高工作速度為了提高峰值保持電路的工作速度，一般可從以下兩個方面著手： (a)在器件方面，應盡可能挑選高速器件。 (b)在電路方面，可用大電流對存儲電容充電。UD：死區(qū)電壓，A1d：開環(huán)增益西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程

14、系-電氣測試技術 rms value conversion：有效值檢測電路有效值檢測電路西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術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西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術21(1)(2)lglglglgxxxuuuuUU2121lgxuuuUUuuUx2222xUurmsxUuU2特點：量程寬、過載能力強、響應快，可用于波峰系數(shù)為7以下電壓有效值的變換，應用廣泛。但對于高頻電壓，會由于放大器的頻率特性問題影響測量準確度，需要增加高頻補償電路。 西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術 (3) 真有效值測量精度與波形關系a. 諧波分量的影響諧波分量的影響 凡超過有效值測量電路頻響之外的高次諧波分量都將被濾去，以致造成測量誤差。224111352AUA2224111135192oAU1%ooUAUAUU 419.96%2 若方波的頻率為20kHz，此時誤差為誤差為 假定基波頻率是1kHz，電路通頻帶是20kHz 方波有效值 西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-電氣測試技術b. 波峰系數(shù)影響波峰系數(shù)影響雖有效值相等，但波峰系數(shù)不同的信號其峰值也各不相同。波峰系數(shù)愈大，峰值就愈大。信號有效值可能在測量的量程范圍之內(nèi)，但由于波峰系數(shù)太大，其幅值可能會超出測量電路的最大動態(tài)范圍，因而引起誤差。即使測量電路的動態(tài)范圍足夠大