第六章計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)-機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)——

計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)(5)第六章內(nèi)容概述系統(tǒng)組成技術(shù)智能儀表虛擬儀器重點(diǎn)信號(hào)采樣與保持的工作原理數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理與技術(shù)指標(biāo)常見的A/D通道方式智能儀表的概念與組成虛擬儀器的概念及基本設(shè)計(jì)方法測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟抗干擾設(shè)計(jì)方法1、概述

定義以計(jì)算機(jī)為核心、完成測(cè)試任務(wù)的技術(shù)基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試：測(cè)量、分析與處理利用計(jì)算機(jī)的可編程快速處理和大容量數(shù)據(jù)管理功能適用：測(cè)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大、監(jiān)測(cè)任務(wù)重、分析要求高（在線、遠(yuǎn)程、診斷、推理）1、概述

組成結(jié)構(gòu)組成硬件信號(hào)調(diào)理：隔離、放大、濾波數(shù)據(jù)采集：采集板/卡/器模擬開關(guān)、采樣保持、AD轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)：PC、IPC、CPCI、VXI1、概述

組成

軟件采集/監(jiān)測(cè)軟件分析軟件數(shù)據(jù)庫管理軟件

特點(diǎn)成本優(yōu)勢(shì)：PC資源功能優(yōu)勢(shì)：數(shù)據(jù)處理量大、快速，分析手段豐富、靈活發(fā)展優(yōu)勢(shì)：具有通用性和發(fā)展前景1、概述

典型框圖放大器DC/DC模擬開關(guān)FIFO緩存A/D采保通道邏輯定時(shí)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)緩沖地址邏輯控制、狀態(tài)邏輯晶振計(jì)算機(jī)/軟件信號(hào)調(diào)理ch1ch2ch3ch32傳感單元數(shù)據(jù)采集時(shí)序控制——硬件采樣間隔/頻率；通道切換S/H、A/D控制；觸發(fā)參數(shù)設(shè)定——軟件通道數(shù)；采樣間隔/頻率采樣長(zhǎng)度N；采集方式數(shù)據(jù)讀取——編程數(shù)據(jù)采集具有N個(gè)采樣區(qū)間為⊿t的量化過程采集樣本：T=N.⊿t⊿t內(nèi)的量化過程：

啟動(dòng)轉(zhuǎn)換→轉(zhuǎn)換結(jié)束→輸出數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換開始到結(jié)束時(shí)保持輸入信號(hào)的電平不變保證轉(zhuǎn)換精度保持電路A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化采樣電路2、系統(tǒng)組成技術(shù)

基本單元多路開關(guān)程控放大采樣保持DA轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??多路開關(guān)功能將多路被測(cè)信號(hào)分別傳送到所共用的一路A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換——以低成本實(shí)現(xiàn)多通道參數(shù)的采集類型多路開關(guān)（多到一）：多路輸入到一路AD反多路開關(guān)（一到多）：一路DA到多路輸出單向多路開關(guān)：輸入輸出，如地址總線雙向多路開關(guān)：輸入輸出，如數(shù)據(jù)總線2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??多路開關(guān)基本電路：多對(duì)一

2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??多路開關(guān)基本電路：一對(duì)多

2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??多路開關(guān)基本電路

2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??多路開關(guān)指標(biāo)

導(dǎo)通與斷開電阻

接通電阻為零（實(shí)際<100）

斷開電阻無窮大（實(shí)際>109

）切換速度：一般1us~1ns隔離：各通過之間的串?dāng)_，80db實(shí)例集成電路模擬開關(guān)：結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部有譯碼器、使用方面、轉(zhuǎn)換速度快、壽命長(zhǎng)等干簧繼電器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、閉合接觸電阻小而斷開時(shí)阻抗高、不受環(huán)境溫度影響等2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??采樣保持功能：對(duì)被測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤、精確取值采集過程的兩個(gè)基本狀態(tài)：采集前的信號(hào)跟蹤采集時(shí)刻的信號(hào)凍結(jié)——對(duì)固定信號(hào)進(jìn)行量化2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??采樣保持功能

2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??采樣保持指標(biāo)：捕捉時(shí)間TACS輸入值

，取決于CH孔徑時(shí)間TAPH開關(guān)斷開——斷開速度保持建立時(shí)間THS

開關(guān)斷開穩(wěn)定衰減率

H內(nèi)VC的下降速率，漏電，負(fù)載2、系統(tǒng)組成技術(shù)

SH數(shù)—模換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱DAC）將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)用途：數(shù)字控制數(shù)字合成模擬信號(hào)逐次逼近式ADC中的反饋環(huán)節(jié)（逐次比較、逼近）

2、系統(tǒng)組成技術(shù)

數(shù)—模換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱DAC）表達(dá)式輸入的數(shù)字量：a1

－最高有效位MSB，取值0、1an

－最低有效位LSB，取值0、1n－D/A轉(zhuǎn)換器有效輸入數(shù)字量的位數(shù)參考電壓：UR輸出的模擬電壓：2、系統(tǒng)組成技術(shù)

11111111bLSBMSB量化單位q數(shù)—模換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器——DAC解碼網(wǎng)絡(luò)2、系統(tǒng)組成技術(shù)

…T型解碼網(wǎng)絡(luò)數(shù)—模換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱DAC）性能參數(shù)

分辨率：輸入量單位數(shù)碼（一個(gè)LSB）變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的模擬輸出量的變化量，也用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示（最高位符號(hào)）標(biāo)稱滿量程N(yùn)FS：數(shù)字量2n－1對(duì)應(yīng)的模擬輸出量

±5V、±10V精度：主要是分辨率，零點(diǎn)、增益誤差，非線性度和噪聲響應(yīng)時(shí)間：輸出量穩(wěn)定到相應(yīng)數(shù)值范圍所用的時(shí)間2、系統(tǒng)組成技術(shù)

數(shù)—模換技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱ADC）定義：將模擬量轉(zhuǎn)換為一定碼制的數(shù)字量的器件或裝置分類：跟蹤比較、逐次比較、并行比較、雙積分2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??極性判斷誤差控制數(shù)—模換技術(shù)并行比較8個(gè)電壓等級(jí)：只用7級(jí)7個(gè)比較器：輸出I1～I(xiàn)73位編碼數(shù)字量輸出2、系統(tǒng)組成技術(shù)

數(shù)—模換技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱ADC）性能參數(shù)AD位數(shù)：二進(jìn)制或BCD碼的位數(shù)，如12位、16位分辨力:最低有效位數(shù)LSB，也稱量化階

如：12位A/D轉(zhuǎn)換器、量程±5V，則分辨率為：

量化誤差：最大為±1/2LSB，分布為均勻分布轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間，倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速度/通過率2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??數(shù)—模換技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱ADC）示例鐵康銅熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，在0-450℃的溫度范圍內(nèi)輸出的電壓值是0-25mV，若要求設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置達(dá)到0.1℃的測(cè)溫分辨率，如何選A/D轉(zhuǎn)換器？分析

0-450℃的溫度范圍對(duì)應(yīng)測(cè)量范圍0-25mV，即M=25mV

最小分辨率：分辨0.1℃，對(duì)應(yīng)電壓為q＝5.5μV解題

M=25000μV、q＝5.5μV，

所以，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)該大于13位16位

q＝0.76V2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??數(shù)—模換技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱ADC）選擇原則AD位數(shù)位數(shù)：12位、16位、24位精度：成本轉(zhuǎn)換時(shí)間實(shí)際采樣間隔：采樣定理、采集方式成本2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??A/D通道方案確定考慮問題：多個(gè)模擬信號(hào)性質(zhì)：快變、慢變；靜態(tài)、動(dòng)態(tài)采集效率成本不同的采集要求分別采集：信號(hào)之間沒有嚴(yán)格關(guān)系并行采集2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??A/D通道方案確定無采保的A/D通道應(yīng)用：直流/低頻信號(hào)輸入信號(hào)的最大變化率：

⊿t一定，允許輸入信號(hào)變化速率的上限也就確定變化大信號(hào)的則要求⊿t??；直流信號(hào)則要求⊿t大2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器DC/DC模擬開關(guān)A/Dch1ch2ch3ch32??示例：M＝10V、n＝12、⊿t＝0.1s變化率小于0.05V/s的輸入信號(hào)，采集前可不用加采保ΔtA/D通道方案確定帶采保的A/D通道應(yīng)用：不考慮相位，各種信號(hào)輸入信號(hào)的最大變化率：（取決于保持時(shí)間）采保＋A/DADC2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器模擬開關(guān)FIFO緩存A/D采保ch1ch2ch3ch32??ADCA/D通道方案確定帶采保的A/D通道——多通道巡回采集ADC采樣間隔——一次轉(zhuǎn)換

最高采樣頻率——硬件能力每路信號(hào)的采樣間隔每個(gè)通道的采樣頻率2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器模擬開關(guān)FIFO緩存A/D采保ch1ch2ch3ch32??ADC模擬開關(guān)、放大器的時(shí)間如何考慮？在前一個(gè)通道的信號(hào)處于保持階段，就可以考慮通道的切換A/D通道方案確定帶采保的A/D通道——多通道巡回采集二者關(guān)系

等速采集、巡回切換n通道2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器模擬開關(guān)FIFO緩存A/D采保ch1ch2ch3ch32??ADC采樣間隔⊿tCHA/D通道方案確定帶采保的A/D通道——多通道巡回采集二者關(guān)系如果在⊿t/n時(shí)間內(nèi)ADC可完成一次采集，則在⊿t內(nèi)可巡回采集n個(gè)通道，而且保證均每一通道有相同的采樣頻率fs=1/⊿tADC采樣間隔：⊿t/n；ADC采樣頻率n/⊿t每一通道/信號(hào)采樣間隔：⊿t；信號(hào)采樣頻率1/⊿t2、系統(tǒng)組成技術(shù)

問題：10個(gè)通道輸入，每個(gè)通道采樣間隔為100微秒，做等間隔巡回采集，則要求ADC的采樣間隔為多少？A/D通道方案確定帶同時(shí)采保的A/D通道——偽并行采集二者關(guān)系每個(gè)⊿t中，所有通道的信號(hào)電平先同時(shí)采樣保持，再巡回采集，從而保證所有通道嚴(yán)格同時(shí)刻采集。ADC(最小)采樣間隔：⊿t/n；ADC采樣頻率n/⊿t每一通道（信號(hào)）采樣間隔：⊿t；信號(hào)采樣頻率1/⊿t

2、系統(tǒng)組成技術(shù)

ADCch1ch2ch3ch32??放大器模擬開關(guān)FIFO緩存A/D采保采樣保持??A/D通道方案確定多通道巡回采集中通道的分布通道分布編號(hào)：ch1、ch2、ch3、ch4、……、ch32①頻率范圍相同的模擬信號(hào)分配到相鄰的一段A/D通道上如ch1~~ch10或ch12~~ch17②不同類型段的A/D通道分開采集——不同的采樣頻率

2、系統(tǒng)組成技術(shù)

放大器模擬開關(guān)FIFO緩存A/D采保ch1ch2ch3ch32??ADCch1ch2ch3ch32??模擬開關(guān)采樣保持??振動(dòng)慢變加速度A/D通道方案確定多通道并行A/D通道——并行采集多塊低速的ADC芯片、嚴(yán)格同步采集獨(dú)立的通道，各通道間具有較好的隔離度性價(jià)比較高

ADC采樣間隔就是信號(hào)采樣間隔2、系統(tǒng)組成技術(shù)

應(yīng)用：高速實(shí)時(shí)系統(tǒng)高頻信號(hào)采集數(shù)據(jù)采集硬件（采集卡/器）指標(biāo)A/D位數(shù)（也可表示分辨率）:位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等最高采樣頻率：夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的最高速度，即每秒完成信號(hào)轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)，對(duì)應(yīng)的為A/DC最小采樣間隔。一般可編程控制。如最高采樣頻率333KHz，則A/DC最小采樣間隔為3μs，可在3μs-500ms之間可控量程（輸入范圍）：A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的電壓范圍。一般有±5V、±10V精度:反映輸出數(shù)碼的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差，定義滿量程下包含增益誤差、偏移誤差、非線性誤差，量化誤差等在內(nèi)的相對(duì)精度。如小于0.05％2、系統(tǒng)組成技術(shù)

數(shù)據(jù)采集硬件（采集卡/器）指標(biāo)模入通道：能巡回或并行進(jìn)行采集的輸入通道數(shù)。對(duì)于巡回采集：8、16、32；對(duì)于并行采集：2、4、8輸入阻抗:反映隔離信號(hào)源的能力。一般大于100MΩ程控增益：1、2、4、8、16倍等（選項(xiàng)）任意設(shè)定采樣通道數(shù),可通道自動(dòng)掃描采集先進(jìn)先出(FIFO)緩存,可自動(dòng)數(shù)據(jù)塊采集觸發(fā)方式:定時(shí)器觸發(fā),可外啟動(dòng)采集采集方式:查詢、中斷、DMA2、系統(tǒng)組成技術(shù)

數(shù)據(jù)采集硬件（采集卡/器）產(chǎn)品——PC/PCI總線數(shù)據(jù)采集板2、系統(tǒng)組成技術(shù)

NIPCI-622116-Bit,250kS/s,16AnalogInputsTwo16-bitanalogoutputs(833kS/s)24digitalI/O、32-bitcounters、digitaltriggering

數(shù)據(jù)采集硬件（采集卡/器）產(chǎn)品——PC/PCMCIA總線數(shù)據(jù)采集板2、系統(tǒng)組成技術(shù)

NIPCMCIA-51022-channelssimultaneouslysampled20MS/sreal-timesampling15MHzbandwidth±50mVto±5Vinputrange數(shù)據(jù)采集硬件（采集卡/器）產(chǎn)品USB總線數(shù)據(jù)采集模塊——NIUSB-92152、系統(tǒng)組成技術(shù)

高速串行總線：USB2.0有三種速度低速（1.5Mb/s）全速（12Mb/s）高速（480Mb/s）只要有USB口，即插即用，可在不改變I/O資源或重新啟機(jī)下使用總線供電采樣速率可達(dá)500kHz/s數(shù)據(jù)采集硬件（采集卡/器）產(chǎn)品——cPCI總線數(shù)據(jù)采集2、系統(tǒng)組成技術(shù)

NIPXI-44728路同步采樣模擬輸入通道24位精度120dB動(dòng)態(tài)范圍102.4kS/s最高采樣速度45kHz無混疊帶寬模擬與數(shù)字觸發(fā)定義含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量?jī)x器精度、速度、測(cè)試能力和工作效率3、智能儀器數(shù)字式測(cè)溫計(jì)數(shù)字式超聲波探傷儀數(shù)據(jù)采集和振動(dòng)分析模擬式萬用表基本特征測(cè)量過程軟件控制測(cè)量過程量程切換極性判別調(diào)零放大過載保護(hù)結(jié)果輸出狀態(tài)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)、體積、成本軟件實(shí)現(xiàn)：流程控制轉(zhuǎn)換、邏輯、驅(qū)動(dòng)智能、靈活3、智能儀器模擬式萬用表

數(shù)字式測(cè)溫計(jì)基本特征數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)——處理器的存儲(chǔ)、運(yùn)算能力測(cè)量精度傳統(tǒng)儀器手工事后數(shù)據(jù)處理、方法有限主觀因素影響成分大智能儀器軟件實(shí)現(xiàn)算法——標(biāo)準(zhǔn)偏差、曲線擬合在線修正——自動(dòng)補(bǔ)償結(jié)果直接存儲(chǔ)處理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、回放數(shù)據(jù)再處理——深加工、多用途3、智能儀器數(shù)據(jù)采集和振動(dòng)分析基本特征多功能化一機(jī)多用同類量的各種參數(shù)的測(cè)量電力分析儀：多相電壓、電流、功率、功率因數(shù)振動(dòng)分析儀：加速度、速度、位移參數(shù)的系列化處理參數(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)：均值、有效值、峰值、谷值參數(shù)的過程處理定時(shí)測(cè)量、設(shè)限報(bào)警、自動(dòng)打印預(yù)定制功能：選擇功能模塊3、智能儀器

多相功率分析儀3、智能儀器特點(diǎn)微處理器化——核心與關(guān)鍵總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化接口

總線結(jié)構(gòu)：內(nèi)部的模塊協(xié)調(diào)、控制、數(shù)據(jù)通道

標(biāo)準(zhǔn)化接口：對(duì)外交流體積小、操作簡(jiǎn)捷、方便（硬件軟件化）

濾波器、FFT、變換、運(yùn)算模塊式、積木式發(fā)展

組合：形成不同規(guī)模、不同功能的測(cè)量系統(tǒng)類型微機(jī)內(nèi)置式——以CPU為核心工業(yè)監(jiān)控、科學(xué)試驗(yàn)、家用電器3、智能儀器類型微機(jī)擴(kuò)展式——以PC機(jī)為核心PC機(jī)資源監(jiān)測(cè)診斷3、智能儀器VI軟件子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集卡

信號(hào)處理板信號(hào)處理板信號(hào)處理板信號(hào)處理板PC計(jì)算機(jī)DAS子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡

3、智能儀器基本組成：微機(jī)＋輸入通道信號(hào)調(diào)理電路采樣保持電路A/D轉(zhuǎn)換電路輸出通道V/I轉(zhuǎn)換電路開關(guān)量輸出電路D/A轉(zhuǎn)換電路人機(jī)界面輸入鍵盤輸出顯示3、智能儀器基本組成輸入通道信號(hào)調(diào)理電路隔離振動(dòng)/位移處理驅(qū)動(dòng)振動(dòng)/位移0~-20V電壓±5V隔離濾波、放大驅(qū)動(dòng)電壓±5V電流4~20mA電壓±5V隔離變換、整形驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速脈沖電壓±5V信號(hào)調(diào)理模塊：分類處理3、智能儀器基本組成輸出通道VI轉(zhuǎn)換電路電流信號(hào)衰減小，抗干擾性強(qiáng)，遠(yuǎn)距離傳輸常規(guī)工業(yè)儀表是以電流方式配接信號(hào)調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換通常是針對(duì)電壓信號(hào)I－V轉(zhuǎn)換：標(biāo)準(zhǔn)電阻V－I轉(zhuǎn)換：負(fù)載共電源、負(fù)載共地3、智能儀器基本組成輸出通道V－I轉(zhuǎn)換電路：負(fù)載共電源方式輸出量為電流，與輸入電壓成正比輸出電流和負(fù)載電阻無關(guān)采樣電流的電阻基本不受限制正電源：Vcc>（Rf＋RL）IomaxA+-+VccRL負(fù)載電阻RfIfVfViI0取樣電阻Io3、智能儀器基本組成輸出通道V－I轉(zhuǎn)換電路：負(fù)載共地方式輸出電流和負(fù)載電阻無關(guān)A+-+VccRfViI0R2R2RRL負(fù)載電阻R1R1電阻選配:R1,R2>>Rf正電源：Vcc>（Rf＋RL）IomaxIi3、智能儀器基本組成輸出通道開關(guān)量輸出電路對(duì)只有兩種狀態(tài)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或器件進(jìn)行控制隔離和驅(qū)動(dòng)：提高抗干擾性隔離——光電耦合器、繼電器驅(qū)動(dòng)——TTL電路、OC門DB存儲(chǔ)器CPU地址譯碼隔離驅(qū)動(dòng)AB3、智能儀器基本組成人機(jī)界面輸入鍵盤：人機(jī)1)非編碼鍵盤/行列式鍵盤鍵盤形式：4X4、3X8、2X8陣列按鍵定位：需要確定被按下鍵所處的行和列定義類型：實(shí)際功能適合于按鍵輸入多的情況編程復(fù)雜：分別加電，判斷按鍵分別加電測(cè)試按鍵3、智能儀器基本組成人機(jī)界面輸入鍵盤2)編碼式鍵盤/獨(dú)立式鍵盤按下的鍵對(duì)應(yīng)固定編碼00000——S100001——S200010——S300011——S4edcba根據(jù)編碼直接確定被按鍵執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能勿需知道所按鍵的具體位置適合于按鍵輸入不多的情況c2Kabed+24VS1S2S3S43、智能儀器基本組成人機(jī)界面輸出顯示：機(jī)人，測(cè)量（過程、結(jié)果）可視化模擬式顯示記錄儀：指針式顯示終端（大型顯示設(shè)備）：CRT——顯示圖形和字符3、智能儀器基本組成人機(jī)界面輸出顯示：機(jī)人，測(cè)量（過程、結(jié)果）可視化數(shù)字式發(fā)光二極管（LED）：工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定、可靠性高、體積小、重量輕液晶顯示器（LCD）：功耗低、可直接與微處理器相連、簡(jiǎn)單、可靠其它：熒光、輝光、等離子數(shù)碼管3、智能儀器功能模塊——體現(xiàn)智能化的功能模塊，支持儀器穩(wěn)定、可靠、高精度測(cè)量量程自動(dòng)切換——基本功能衰減器K1控制切換前置衰減K3控制切換放大器輸出衰減放大器K2控制放大器倍數(shù)接口及開關(guān)驅(qū)動(dòng)編碼：測(cè)量值和量程分檔比較

控制驅(qū)動(dòng)K3、智能儀器功能模塊——體現(xiàn)智能化的功能模塊，支持儀器穩(wěn)定、可靠、高精度測(cè)量非線性校正——解決電路的非線性問題傳統(tǒng)儀器——校正電路輸入信號(hào)特性補(bǔ)償電路特性輸出信號(hào)特性智能儀器：

a、插值法

分段插值，多個(gè)靈敏度S3、智能儀器功能模塊——體現(xiàn)智能化的功能模塊，支持儀器穩(wěn)定、可靠、高精度測(cè)量非線性校正——解決電路的非線性問題

b、查表法特性曲線數(shù)值化根據(jù)測(cè)量來查輸入值

c、曲線擬合：最小二乘法

可獲得較高校正精度數(shù)表3、智能儀器功能模塊——體現(xiàn)智能化的功能模塊，支持儀器穩(wěn)定、可靠、高精度測(cè)量零位誤差與增益誤差校正自校零

輸入短路，測(cè)量零位值自校準(zhǔn)

輸入接入基準(zhǔn)電壓，建立誤差校準(zhǔn)模型Vx放大電路A/D轉(zhuǎn)換主機(jī)電路Vc短路輸入電壓基準(zhǔn)電壓3、智能儀器功能模塊——體現(xiàn)智能化的功能模塊，支持儀器穩(wěn)定、可靠、高精度測(cè)量溫度誤差的補(bǔ)償硬件補(bǔ)償：線路復(fù)雜，成本高軟件補(bǔ)償：靈活多變?cè)黾訙囟仍瑴y(cè)溫溫度誤差模型：理論/實(shí)驗(yàn)獲取校正方程和校正值發(fā)展4、虛擬儀器

第一代：模擬儀器第二代：數(shù)字化儀器第三代：智能儀器第四代：虛擬儀器數(shù)字電路微處理器計(jì)算機(jī)概念測(cè)試領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)：

——成本增加、使用復(fù)雜產(chǎn)品功能劇增，測(cè)試儀器不斷擴(kuò)增不同階段使用不同精度、不同功能的模擬儀器項(xiàng)目、產(chǎn)品轉(zhuǎn)向，造成投資浪費(fèi)儀器互聯(lián)和綜合處理日益復(fù)雜——接口開發(fā)4、虛擬儀器

概念解決辦法：開放、標(biāo)準(zhǔn)硬件的標(biāo)準(zhǔn)化——資源共享軟件的模塊化——避免重復(fù)開發(fā)系統(tǒng)的開放化——儀器間的資源共享編程平臺(tái)的圖形化硬件模塊的即插即用化4、虛擬儀器

VXI機(jī)箱數(shù)據(jù)采集板FullyProgrammableSystemGUIIEEE488RackStackSystemAnalogInstrumentationVirtualInstrumentation概念

4、虛擬儀器

傳統(tǒng)儀器廠商定義功能虛擬儀器用戶定義功能ControlPanelFlowPressureAlarmConditionsSTOPTemperature概念傳統(tǒng)儀器

廠商定義儀器功能關(guān)鍵是硬件開發(fā)與維護(hù)開銷高技術(shù)更新周期長(zhǎng)（5～10年）價(jià)格昂貴封閉、固定功能單一、互聯(lián)有限獨(dú)立設(shè)備4、虛擬儀器

概念虛擬儀器：VirtualInstrumentation

在開放架構(gòu)基礎(chǔ)上創(chuàng)建用戶定義的測(cè)試系統(tǒng)

用戶定義功能關(guān)鍵是軟件——軟件即儀器開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低（軟件）技術(shù)更新周期短（1～2年）價(jià)格低、可復(fù)用與可重配置性強(qiáng)開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備方便互聯(lián)面向應(yīng)用的儀器系統(tǒng)4、虛擬儀器

概念

“虛擬”含義虛擬的儀器面板由軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能（軟件就是儀器）4、虛擬儀器

以軟件代替硬件、以圖形代替代碼、以組態(tài)代替編程、以虛擬代替固定。概念4、虛擬儀器

傳統(tǒng)儀器虛擬儀器儀器定義廠家用戶功能設(shè)定功能特定，與其它設(shè)備連接受到限制。面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可方便地與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、外設(shè)和其它設(shè)備連接。關(guān)鍵環(huán)節(jié)硬件軟件開放性封閉式系統(tǒng)，功能固定，不能改變?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的開放式系統(tǒng)，靈活的軟件功能模塊。性能價(jià)格比低高，可重復(fù)使用。技術(shù)更新速度慢（周期5~10年）快（周期1~2年）開發(fā)維護(hù)開發(fā)維護(hù)費(fèi)用高軟件結(jié)構(gòu)，節(jié)省費(fèi)用組成4、虛擬儀器

硬件（電子線路）硬件（電子線路）硬件（顯示器與旋鈕）硬件（電子線路）計(jì)算機(jī)軟件（算法）

計(jì)算機(jī)硬件（顯示器與虛擬旋鈕）傳統(tǒng)儀器虛擬儀器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源結(jié)果表達(dá)與儀器控制數(shù)據(jù)采集信號(hào)處理功能組成4、虛擬儀器

儀器硬件：僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出

標(biāo)準(zhǔn)：協(xié)調(diào)各個(gè)模塊測(cè)試工作，如GBIP、VXI

模塊化的I/O硬件數(shù)據(jù)采集信號(hào)條理聲音和振動(dòng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)控制分布式I/O4、虛擬儀器

儀器硬件：

DAQ（DataAcquisition）——數(shù)據(jù)采集板定時(shí)與控制能力：無有大量支持板卡直接利用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)總線、接口，沒有儀器所需的總線性能4、虛擬儀器

儀器硬件：

SCXI——信號(hào)調(diào)理板、提高測(cè)試系統(tǒng)的質(zhì)量

SignalConditioningeXtensionsforInstrumentation放大——小信號(hào)、熱電偶（μv），提高系統(tǒng)信噪比濾波——?jiǎng)討B(tài)信號(hào)，消除噪聲、抗混疊——模擬/數(shù)字濾波器隔離——避免接地不當(dāng)（造成測(cè)量不準(zhǔn)、損壞DAQ板卡及VI統(tǒng)）光隔離（optical）磁隔離（magnetic）電容隔離（capacitive）差分輸入、單點(diǎn)接地、專用隔離器件4、虛擬儀器

信號(hào)調(diào)理?xiàng)１銛y、低成本多路調(diào)理:20適合各種類型信號(hào)每路調(diào)理可選輸出可直接連DAQ儀器硬件：

GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）

——通用接口總線（IEEE488儀器控制標(biāo)準(zhǔn)）——多臺(tái)協(xié)調(diào)工作一種用于實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)的數(shù)據(jù)采集和控制的標(biāo)準(zhǔn)總線8位的并行協(xié)議、傳輸率低于1Mbytes/s標(biāo)準(zhǔn)電纜最多控制14臺(tái)儀器有大量支持其標(biāo)準(zhǔn)的儀器通過計(jì)算機(jī)，對(duì)傳統(tǒng)儀器功能的擴(kuò)展和延伸

4、虛擬儀器

GPIB電纜儀器硬件：

VXI（VMEbus

eXtensionaforInstrumentation

）計(jì)算機(jī)控制的模塊化自動(dòng)儀器系統(tǒng)VME——VersatileBach－planeBus、萬用背板總線

(可靠性極高，散熱性能好，易于安裝和移動(dòng))8、16、32位（可擴(kuò)至64位）吞吐率：40MB/s（VME80MB/s）8TTL觸發(fā)線、8ECL邏輯信號(hào)即插即用有大量支持其標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品——政府、軍事、研究第一次構(gòu)建尚需較大的投資強(qiáng)度4、虛擬儀器

儀器硬件：

VXI（VMEbus

eXtensionaforInstrumentation

）

4、虛擬儀器

主機(jī)箱背板總線VME總線時(shí)鐘和同步總線模塊識(shí)別總線觸發(fā)總線局部總線機(jī)械規(guī)范Eurocard主動(dòng)冷卻嵌入模塊0槽控制器A/D模塊D/A模塊I/O模塊….儀器硬件：

CPCI（CompactPCI）——緊湊型PCI

以PCI電氣規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)的高性能工業(yè)用總線PCI標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)有效和靈活性已經(jīng)取代VME以及STD工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用Eurocard封裝電源和信號(hào)引線支持熱插拔規(guī)范（VMEbus

eXtensionaforInstrumentation

）

4、虛擬儀器

儀器硬件：

CPCI4、虛擬儀器

PCI總線歐洲卡封裝優(yōu)良的IEC連接器CompactPCI儀器硬件：

PXI（PCIeXtensionsforInstrumentation）

4、虛擬儀器

CompactPCI儀器硬件：

PXI（PCIeXtensionsforInstrumentation）

4、虛擬儀器

主機(jī)箱接口連接器:2組32-bitPCI64-bitPXI特性機(jī)械規(guī)范主動(dòng)冷卻嵌入模塊系統(tǒng)槽模塊A/D模塊D/A模塊I/O模塊….總線上增加信號(hào)（PXI特性）參考時(shí)鐘——模塊同步觸發(fā)總線8根（TTL）——事件、星形觸發(fā)線——觸發(fā)精確控制局部總線13根——高速TTL或0～24V模擬信號(hào)的相鄰模塊內(nèi)部傳遞儀器硬件：

LXI（LANeXtensionforInstrumentation）網(wǎng)絡(luò)變遷：以太網(wǎng)接口：一方面在不斷發(fā)展，

10/100/1000

，另一方面是100%向后兼容

4、虛擬儀器

儀器硬件：

LXI（LANeXtensionforInstrumentation）通過網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量模塊的協(xié)調(diào)工作網(wǎng)絡(luò)接口的價(jià)值：用戶已認(rèn)可，互聯(lián)和共享定時(shí)同步：IEEE1588引入LAN，納秒級(jí)定時(shí)能力LXI儀器等級(jí)等級(jí)C：具有通過LAN的編程控制能力，可以與其他廠家的儀器很好地協(xié)同工作等級(jí)B：擁有等級(jí)C的一切能力，并且加上了IEEE1588網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)同步標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)A：擁有等級(jí)B的一切能力，同時(shí)具備硬件觸發(fā)能力4、虛擬儀器

儀器硬件：

LXI（LANeXtensionforInstrumentation）寬度為482.6mm（19英寸）的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱高度分1U、2U、3U和4U（單位U＝44.45mm）LXI器件的最小單元是1U半寬度機(jī)箱4、虛擬儀器

前面板

輸入信號(hào)連接器后面板

LAN接口、電源及開關(guān)、觸發(fā)儀器硬件：

RS－232C（全稱EIA-RS-232C）帶RS－232串口的儀器越來越少，主要是RS－232速度低、傳輸距離短高速、可長(zhǎng)距離傳輸?shù)拇赗S－422/RS－485最大傳輸距離為1219米，最大傳輸速率為10Mbits/s。一般100米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbits/s。支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信

4、虛擬儀器

串口儀器硬件：通用計(jì)算機(jī)各種PC機(jī)、便攜機(jī)運(yùn)算/處理能力顯示/表現(xiàn)能力存貯能力促進(jìn)VI發(fā)展的動(dòng)力4、虛擬儀器

軟件系統(tǒng)：軟件就是儀器ThesoftwareistheInstrument

就是利用計(jì)算機(jī)的硬/軟件資源，使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化（虛擬化），以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性。虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：VISA庫：VI軟件體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范儀器驅(qū)動(dòng)程序：特定儀器控制與通信的軟件程序集應(yīng)用軟件：直接面對(duì)用戶，提供直觀友好數(shù)據(jù)分析與處理功能4、虛擬儀器

4、虛擬儀器

儀器硬件Windows硬件抽象層HAL

DAQ接口模塊數(shù)據(jù)傳輸可視化信號(hào)分析數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序DLL庫VISA庫儀器驅(qū)動(dòng)程序虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)LabVIEWLabWindows/CVIComponentWorksVisualBasicC/C++...軟件系統(tǒng)構(gòu)造、應(yīng)用VI的關(guān)鍵——軟件就是儀器集成開發(fā)環(huán)境——可視化、圖形化、零編程高水平的儀器硬件接口——淡化內(nèi)含、方便使用用戶接口——控件、模板庫、函數(shù)庫、…軟件平臺(tái)：LabVIEW、Matlab、DASYLab、

…4、虛擬儀器

軟件系統(tǒng)LabView——圖形化編程語言特點(diǎn)圖形化的儀器編程環(huán)境使用圖形語言（即各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線等）編程，界面非常直觀形象

大量的儀器面板控件

——表現(xiàn)力4、虛擬儀器

軟件系統(tǒng)LabView特點(diǎn)圖形化的儀器編程環(huán)境

大量的分析、處理和接口功能控件4、虛擬儀器

軟件系統(tǒng)LabView特點(diǎn)圖形化的儀器編程環(huán)境

數(shù)據(jù)流的可視4、虛擬儀器

整形數(shù)蘭色浮點(diǎn)數(shù)橙色邏輯量綠色字符串粉色文件路徑青色軟件系統(tǒng)LabView特點(diǎn)圖形化的儀器編程環(huán)境

4、虛擬儀器

VI編程三部分a、前面板——模擬真實(shí)儀器的前面板b、框圖程序——對(duì)前面板上的控件對(duì)象進(jìn)行控制c、圖標(biāo)/接線端口——VI程序封裝成控件/模塊軟件系統(tǒng)LabView特點(diǎn)程序調(diào)試手段靈活、多樣框圖程序數(shù)據(jù)流上設(shè)置探針框圖程序節(jié)點(diǎn)上設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行框圖程序可高亮運(yùn)行——整個(gè)框圖程序分解運(yùn)行4、虛擬儀器

軟件系統(tǒng)LabView特點(diǎn)內(nèi)置程序編譯器程序采用編譯方式運(yùn)行32位應(yīng)用程序運(yùn)行速度和編譯C的速度相當(dāng)，避免了一般圖形化編程平臺(tái)（按解釋方式工作）運(yùn)行速度慢的問題。4、虛擬儀器

軟件系統(tǒng)LabView特點(diǎn)功能強(qiáng)大的函數(shù)庫儀器驅(qū)動(dòng)程序庫（含600多個(gè)）基本函數(shù)庫

——數(shù)學(xué)函數(shù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算、文件I/O高級(jí)分析庫，可增強(qiáng)程序的處理能力。

——信號(hào)處理、加窗、濾波、擬合、線性代數(shù)、矩陣運(yùn)算、概率與統(tǒng)計(jì)、控制工具箱等4、虛擬儀器

高級(jí)分析庫調(diào)試模塊引擎編輯模塊運(yùn)行模塊圖形化元素庫儀器接口模塊儀器驅(qū)動(dòng)程序庫基本函數(shù)庫軟件系統(tǒng)LabView特點(diǎn)支持多種系統(tǒng)平臺(tái)WindowsNT/95/2000/XP實(shí)時(shí)Unix系統(tǒng)平臺(tái)LabView應(yīng)用程序的直接移植開放式的開發(fā)平臺(tái)提供調(diào)用其它軟件平臺(tái)編譯的模塊的接口：DLL庫接口CIN接口——調(diào)用C語言程序的通用方法提供對(duì)OLE的支持4、虛擬儀器

軟件系統(tǒng)LabView特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)功能支持TCP/IP、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）、IAC等DataSocket——封裝的TCP/IP通訊協(xié)議在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)或信息的傳輸、共享遠(yuǎn)程測(cè)試測(cè)試發(fā)布4、虛擬儀器

DataSocketEthernet本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)LabView

開發(fā)舉例儀器計(jì)量方面：普通儀器示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器專用測(cè)量方面：專用探頭＋軟件＝專用的測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種檢測(cè)和監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制和工業(yè)控制領(lǐng)域：卓越計(jì)算能力＋巨大數(shù)據(jù)吞吐能力溫控系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電力儀表系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)4、虛擬儀器

LabView

開發(fā)舉例示波器4、虛擬儀器

雙通道示波器觸發(fā)：內(nèi)和外時(shí)基控制幅值控制LabView

開發(fā)舉例4、虛擬儀器

LabView

開發(fā)舉例振動(dòng)分析4、虛擬儀器

振動(dòng)分析采集時(shí)域分析頻域分析LabView

開發(fā)舉例混合過程控制4、虛擬儀器

溫度測(cè)量加熱控制開發(fā)舉例采集監(jiān)測(cè)4、虛擬儀器

開發(fā)舉例數(shù)據(jù)分析4、虛擬儀器

基本原則測(cè)量裝置選用滿足關(guān)鍵指標(biāo)、合理的帶寬、接口標(biāo)準(zhǔn)誤差分配綜合誤差最小或合成不確定度最小直接測(cè)量量的測(cè)量精度適中，降低難度傳感器選用

優(yōu)先考慮功能、然后再是指標(biāo)其它5、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟目的任務(wù)：參數(shù)監(jiān)測(cè)/檢測(cè)/監(jiān)控；參數(shù)計(jì)算（功率測(cè)量、傳遞函數(shù)）；物理參數(shù)的確定；信息量的確定環(huán)境：高壓、高溫、高沖擊；工作介質(zhì)(水、油、空氣或蒸氣)；被測(cè)表面(材質(zhì)、偏差)功能在線測(cè)量/離線測(cè)量/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/數(shù)據(jù)發(fā)布/數(shù)據(jù)傳輸周期快速構(gòu)建：現(xiàn)有測(cè)試模塊和測(cè)試單元長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃：精心選擇、科學(xué)組建5、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟成本簡(jiǎn)易：傳感器＋電壓表；傳感器＋A/D板＋計(jì)算機(jī)適中：傳感器＋信號(hào)處理＋信號(hào)測(cè)量先進(jìn)：傳感器＋信號(hào)處理＋測(cè)量、分析、傳輸指標(biāo)非線性度、精度、量程、分辨率；穩(wěn)定性、溫漂、零漂頻響被測(cè)參數(shù)振動(dòng)、位移、溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、扭矩5、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟選擇傳感器指標(biāo)：靈敏度、線性范圍、精確度、響應(yīng)特性、測(cè)量方式工程考慮傳感器種類越少越好合并：位移＋振動(dòng)類型優(yōu)化：一種傳感器多種測(cè)量(渦流傳感器：位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速)輸出標(biāo)準(zhǔn)：減少信號(hào)處理難度

電流4~20mA、電壓±5V;數(shù)字通訊（TCP/IP）5、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟測(cè)試部位對(duì)被測(cè)量的影響對(duì)傳感器的影響

測(cè)試方法：基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試、傳統(tǒng)測(cè)試、簡(jiǎn)單測(cè)試測(cè)試系統(tǒng)性能指標(biāo)成本人機(jī)交互界面5、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)切角面3x探頭直徑圓柱面3x探頭直徑傳感器抗干擾干擾源外部干擾——環(huán)境電磁場(chǎng)、振動(dòng)、溫度、濕度等內(nèi)部干擾——電路元器件干擾信號(hào)回路干擾負(fù)載回路干擾電源干擾數(shù)字電路干擾5、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)抗干擾干擾傳播路徑靜電感應(yīng)：導(dǎo)體之間通過分布電容耦合到的有效輸入成分。電磁感應(yīng)：變化的電流通過互感作用在另一回路中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。公共阻抗：阻抗不等的兩個(gè)電路與另一公共阻抗串聯(lián)產(chǎn)生的干擾。輻射電磁干擾：周圍強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)造成的干擾。漏電流干擾：電器元件絕緣不良或功率器件間距不夠產(chǎn)生的漏電現(xiàn)象。5、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)抗干擾接地技術(shù)