测试技术现代测试系统优秀课件.ppt
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1、测试技术现代测试系统第1页,本讲稿共63页现代测试系统即计算机化测试系统现代测试系统即计算机化测试系统:l智能仪器、总线仪器、智能仪器、总线仪器、PC仪器、仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测试系统;等微机化仪器及其自动测试系统;l计算机与现代仪器设备间的界限日渐模糊,配以相应软件和硬件的计算机计算机与现代仪器设备间的界限日渐模糊,配以相应软件和硬件的计算机实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。l计算机与现代仪器设备日渐趋同,两者间已表现出全局意义上的相计算机与现代仪器设备日渐趋同,两者间已表现出全
2、局意义上的相通性。通性。6.0 序序(Introduction)第2页,本讲稿共63页6.1 6.1 计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成Configuration of the Computer-based Measurement Systems6.1.1 计算机测试系统的框图计算机测试系统的框图(diagram)被测对象传感器信号调理多路模拟开关采样保持A/D计算机总线D/A低通滤波激励装置功率放大CPUROMRAM键盘显示控制逻辑第3页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成6.1.2 多路模拟开关多路模拟开关(analog multiplexer)优
3、点:优点:功耗低,体积小,易于集功耗低,体积小,易于集成,速度快,且没有机械成,速度快,且没有机械式开关的抖动现象;式开关的抖动现象;译码器A0A1A2OUTS0S1S2S3S4S5S6S7CMOSCMOS场效应模拟电子开关的导通电阻一般在场效应模拟电子开关的导通电阻一般在200 200 以下,以下,关断时漏电流一般可达纳安级甚至皮安级,开关时间通常关断时漏电流一般可达纳安级甚至皮安级,开关时间通常为数百纳秒。为数百纳秒。缺点:缺点:导通电阻受电源、模拟信导通电阻受电源、模拟信号电平和环境温度变化的号电平和环境温度变化的影响。影响。第4页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的
4、基本组成6.1.3 A/D转换与转换与D/A转换转换(analog to digital converter and digital to analog converter)l 概念概念将模拟量转换成与其对应的数字量的过程称为模将模拟量转换成与其对应的数字量的过程称为模/数数(A/D)转换,反之,则称为数)转换,反之,则称为数/模(模(D/A)转换。)转换。实现上述过程的装置分别称为实现上述过程的装置分别称为A/D转换器和转换器和D/A转换器。转换器。l A/D转换转换A/D转换过程转换过程 采样:连续时间信号离散化采样:连续时间信号离散化 量化:连续幅值离散化量化:连续幅值离散化 编码:离散
5、幅值数字化编码:离散幅值数字化 第5页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成采样x(t)模拟信号取样信号s(t)0ts(t)xs(t)量化编码数字信号x(n)0tx(t)0tx(nt)tt0qx(n)000001010011nx(nt)A/D A/D转换过程转换过程 t:采样周期q:量化当量或量化步长,q=A/d A:信号x(t)取值区间的大小d:信号x(t)取值等间隔分割的数目第6页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成量化误差量化误差 (quantization error)经过量化和编码后得到的数字信号其幅值必然带来误差,这种误差称为量
6、化误差。量化误差的大小一般取决于二进制编码的位数,因为它决定了幅值被分割的间隔数量d。如采用8位二进制编码时,d=28=256,即量化当量为最大可测信号幅值的1/256。当采用舍入量化时,最大量化误差为 q/2,而采用截尾量化时,最大量化误差为q。第7页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成A/D转换的实现转换的实现 直接比较型直接比较型A/D转换器转换器 将输入模拟电压信号直接与作为标准的参考电压信号相比较,得到相应的数字编码。如逐次逼近式A/D转换器通过将待转换的模拟输入量Vi与一个推测信号VR相比较,根据比较结果调节VR以向Vi逼近。该推测信号VR由D/A转换器
7、的输出获得,当VR与Vi相等时,D/A转换器的输入数字量即为A/D转换的结果。第8页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成D/A转换器比较器D0D1Dn-1Dn数据输出数据锁存器移位寄存器控制逻辑时钟STARTEOCVREFViVR逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D原理框图原理框图 直接型直接型A/D转换器转换器属于瞬时比较,转属于瞬时比较,转换速度快,常作为换速度快,常作为数字信号处理系统数字信号处理系统的前端,但缺点是的前端,但缺点是抗干扰能力差。抗干扰能力差。第9页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成 间接比较型间接比较型A/D转换器转
8、换器 将输入的模拟信号与参考信号转换为某种中间变量(如时间、频率、脉冲宽度等),然后再对其比较得到相应的数字量输出。如双积分式A/D转换器先对输入模拟电压Vi进行固定时间的积分,然后通过控制逻辑转为对标准电压VREF进行反向积分,直至积分输出返回起始值,这样对标准电压积分的时间T将正比于Vi。Vi越大,反向积分时间越长。若用高频标准时钟测量时间T,即可得到与Vi相应的数字量。第10页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成数字量输出积分器比较器ViVREF控制逻辑时钟计数器t积分输出TT1T2AB斜率固定(a)(b)双积分双积分A/D转换原理转换原理 间接型间接型A/D
9、转换器抗干扰转换器抗干扰能力强,但转换速度慢,能力强,但转换速度慢,常用于数字显示系统中。常用于数字显示系统中。第11页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成l D/A转换转换 D/A 转换器将输入的数字量转换为模拟电压或电流信号输出,其基本要求是输出信号A与输入数字量D成正比,即A=qD其中q为量化当量,即数字量的二进制码最低有效位所对应的模拟信号幅值。第12页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成D/A转换的基本原理转换的基本原理 式中:式中:ai(i=0,1,n-1)等于)等于0或或1,表示二进制,表示二进制数的第数的第i位。即二进制数
10、可表示为位。即二进制数可表示为an-1an-2a2a1a0。根据二进制计数方法,一个数是由各位数码组合而成根据二进制计数方法,一个数是由各位数码组合而成的,每位数码均有确定的权值,即的,每位数码均有确定的权值,即为了将数字量表示为模拟量,应将每一位代码按其权为了将数字量表示为模拟量,应将每一位代码按其权大小转换成相应的模拟量,然后根据迭加原理将各位大小转换成相应的模拟量,然后根据迭加原理将各位代码对应的模拟分量相加,其和即为与数字量成正比代码对应的模拟分量相加,其和即为与数字量成正比的模拟量,即实现了的模拟量,即实现了D/A转换。转换。第13页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试
11、系统的基本组成 T型电阻解码网络型电阻解码网络D/A转换器转换器 VR2R2R2R2RRR2RRFVoR2Ra0an-2an-3an-1T0Tn-3Tn-2Tn-1abc第14页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成D/A转换器低通滤波器nx(n)tx(t)tx(t)x(n)x(t)x(t)D/A转换过程转换过程 从D/A转换器得到的输出 Vo是转换指令来到时刻的一次瞬时值,要恢复为连续时域模拟信号,还须通过保持电路进行波形复原。保持电路相当于模拟存储器,其作用是在转换间隔的起始时刻接收D/A转换输出的模拟电压脉冲,并保持到下一转换间隔的开始(零阶保持器)。保持电路一
12、般通过对输入数字信号进行锁存实现。D/A经保持器输出的信号实际为许多矩形脉冲构成,须通过低通滤波滤去其中的高频噪声,从而恢复出原信号。第15页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成6.1.4 采样保持(采样保持(sample/hold)在对模拟信号进行 A/D变换时,从启动变换到变换结束,需要一定的时间,即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率较高时,由于孔径时间的存在,会造成较大的孔径误差。l 孔径时间与孔径误差孔径时间与孔径误差(aperture time and aperture error)为了防止孔径误差的产生,必须在 A/D转换开始时将信号电平保持住不变,
13、而在 A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化,即对输入信号处于采样状态。能完成上述功能的器件称为采样保持器。l 采样保持器采样保持器第16页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成采样保持采样控制信号tt输出输入x(t)s(t)采样保持波形采样保持波形 采样保持器在保持阶段相当于采样保持器在保持阶段相当于“模拟信号存储器模拟信号存储器”。第17页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成实际保持电压延时引入误差应保持电压采样保持获得时间TC+控制信号输入输出(a)(b)采样保持原理采样保持原理 采样期间,开关闭合,输入跟随器的输出给电容器 C快速充
14、电;保持期间,开关断开,由于输出缓冲放大器的输入阻抗极高,电容器上存储的电荷将基本维持不变,保持充电时的最终值供A/D转换。第18页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成采样保持器工作状态由外部控制信号控制,由于开关状态的切换需要一定的时间,因此实际保持的信号电压会存在一定的误差。这种时间滞后称为采样保持器的孔径时间。实际系统中,是否需要采样保持电路,取决于模拟信号的变化频率和 A/D转换时间,通常对直流或缓变低频信号进行采样时可不用采样保持电路。采样保持器的孔径时间必须远小于A/D的转换时间,同时也必须远小于信号的变化时间。第19页,本讲稿共63页计算机测试系统的基
15、本组成计算机测试系统的基本组成6.1.5 多通道数据采集系统的组成方式多通道数据采集系统的组成方式 S/HS/HS/H.A/DA/DA/D.CPUa)第20页,本讲稿共63页计算机测试系统的基本组成计算机测试系统的基本组成S/HA/D多路开关CPU控制逻辑b).S/HS/HS/H.A/DCPU多路开关c)控制逻辑第21页,本讲稿共63页6.2 计算机测试系统的总线技术计算机测试系统的总线技术(Configuration of the Computer-based Measurement Systems)6.2.1 总线的基本概念及其标准化总线的基本概念及其标准化总线是一组互联信号线的集合,是设
16、备与设备之间总线是一组互联信号线的集合,是设备与设备之间传送信息的公用信号线,可同时挂接多个模块或设传送信息的公用信号线,可同时挂接多个模块或设备,计算机系统中信息的互相传递通过总线实现。备,计算机系统中信息的互相传递通过总线实现。l总线总线 bus第22页,本讲稿共63页计算机测试系统的总线技术计算机测试系统的总线技术l总线的分类总线的分类地址总线、数据总线以及控制总线芯片(间)总线、(系统)内总线、(系统间)外总线并行总线和串行总线l总线标准化总线标准化 信号级兼容 输入和输出信号线的数量、各信号的定义、传递方 式和传递速度、信号逻辑电平和波形、信号线的输 入阻抗和驱动能力等。第23页,本
17、讲稿共63页命令级兼容 除了对接口的输入、输出信号建立统一规范外,对接口的命令系统也建立统一规范,包括命令的定义和功能、命令的编码格式等。程序级兼容 在命令级兼容的基础上,对输入、输出数据的定义和编码格式也建立统一的规范。不论在何种层次上兼容的总线,接口的机械结构都应建立统一规范,包括接插件的结构和几何尺寸、引脚定义和数量、插件板的结构和几何尺寸等。计算机测试系统的总线技术计算机测试系统的总线技术第24页,本讲稿共63页6.2.2 总线的通信方式总线的通信方式外设CPU总线接口逻辑读操作请求读应答输入读操作请求读应答输出写操作请求写应答输入写操作请求写应答输出数据数据CPUCPU与外设并行应答
18、式通信原理与外设并行应答式通信原理 对于串行总线,硬件应答线不存在,此时就必须由软件根据规定的通信协议来实现应答信息的交互。计算机测试系统的总线技术计算机测试系统的总线技术第25页,本讲稿共63页6.2.3 测控系统内部总线测控系统内部总线l ISA/PC104/AT96总线总线 起源起源 IBM PC/XT计算机应用应用 面向特定CPU,8086以及Pentium。发展发展PC/XT8位PC/ATISA 16位PC104AT96EISA32位计算机测试系统的总线技术计算机测试系统的总线技术第26页,本讲稿共63页l VME/VXI总线总线 VME:Versa Module EuropeVer
19、sa:Motorola公司68000处理器总线。VMEbus:采用高可靠的针式连接器非复用32位异步总线,总线速度自动与器件速度适配传输32位、16位和8位数据,具有数据块传输方式传输单一数据时最大速率为19 MB/s,传输数据块时最大速率为30 MB/sVME64 将总线数据宽度提升到64位,最大数据传输速度为 80 MB/s。VME64 总线规范将总线速度提高到了320 MB/s。7条菊花链中断线计算机测试系统的总线技术计算机测试系统的总线技术第27页,本讲稿共63页VXI:VMEbus eXtension for Instrumentation,是VME总线在仪器领域的扩展。是在VME总
20、线、Eurocard标准(机械结构标准)和IEEE 488等的基础上制定的开放性仪器总线标准。VXI 系统最多可包含 256 个装置,主要由主机箱、零槽控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换,即插即用组成新系统。VXI总线组织VXI联盟VXI总线即插即用(VXI plug&play,VPP)系统联盟计算机测试系统的总线技术计算机测试系统的总线技术第28页,本讲稿共63页l PCI/CompactPCI总线总线 PCI:Peripheral Component Interconnect,由PCISIG(PCI Special Interest G
21、roup)制定PCI局部总线是微型机上的处理器/存储器与外围控制部件、外围附加卡之间的互连机构,它规定了互连机构的协议、电气、机械以及配置空间规范。在电气方面还专门定义了5V和3.3V的信号环境。PCI局部总线规范是当今微型机行业事实上的标准,也是业界微型机系统及产品普遍遵循的工业标准之一。计算机测试系统的总线技术计算机测试系统的总线技术第29页,本讲稿共63页PCI局部总线的主要特点局部总线的主要特点地址、数据多路复用的高性能32位或64位同步总线。高性能和高带宽。支持猝发工作方式,在33 MHz总线时钟、32/64位数据通路时可达到峰值132/264 MB/s的带宽。66 MHz总线时钟下
22、,可达到264/528 MB/s。PCI总线独立于处理器,通用性强,适用面广。多主能力。允许PCI总线的主设备能对等地访问总线上的任何主设备或目标设备。PCI的配置空间规范能保证全系统的自动配置,即插即用。计算机测试系统的总线技术计算机测试系统的总线技术第30页,本讲稿共63页计算机测试系统的总线技术计算机测试系统的总线技术CompactPCI总线总线PCI总线的电气规范总线的电气规范+标准针孔连接器(标准针孔连接器(IEC-1076-4-101)+欧洲卡规范(欧洲卡规范(IEC297/IEEE 1011.1)CompactPCI是当今最新的一种工业计算机总线标准。是当今最新的一种工业计算机总
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