CH 6 现代测试系统

第6章 现代测试系统Modern M42424easuring Systems6.0 序 (Introduction) 6.1 计算机测试系统的基本组成 (Configuration of the Computer-based Measurement Systems) 6.2 计算机测试系统的总线技术 (Bus Technology in Computer-based Measurement Systems) 6.3 虚拟仪器 (Virtual Instruments) 6.4 网络化测试仪器 (Network-oriented Measuring Instrument)

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6.0 序 (Introduction)现代测试系统即计算机化测试系统： 智能仪器、总线仪器、PC仪器、VXI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； 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。 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 的相通性。

6.1 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 (diagram)被测 对象

…

传 感 器

…

信号 调理

…

多路 模拟 开关

显示 采样 保持 A/D

RAM计 算 机 总 线

控制逻辑

CPU

ROM 激励 装置 功率 放大 低通 滤波 D/A

键盘

计算机测试系统的基本组成 6.1.2 多路模拟开关(analog multiplexer) 优点： 功耗低，体积小，易于集 成，速度快，且没有机械 式开关的抖动现象；缺点： 导通电阻受电源、模拟信 号电平和环境温度变化的 影响。S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 译码器

OUT

A0 A1 A2

CMOS场效应模拟电子开关的导通电阻一般在200 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 为数百纳秒。

计算机测试系统的基本组成6.1.3 A/D转换与D/A转换

(analog to digital converter and digital to analog converter) 概念

将模拟量转换成与其对应的数字量的过程称为模/数 (A/D)转换，反之，则称为数/模(D/A)转换。 实现上述过程的装置分别称为A/D转换器和D/A转换器。 A/D转换 A/D转换过程 采样：连续时间信号离散化 量化：连续幅值离散化 编码：离散幅值数字化

计算机测试系统的基本组成 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 数字 信号

s(t) 0 t t

模拟 信号

取样 s(t) 信号 采样 xs(t) x(n t) 量化 编码 x(n) 011 010 001 000

x(t)x(t) 0

x(n)

x(n t)q t 0 t t 0

n

A/D转换过程

计算机测试系统的基本组成量化误差 (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， 这种误差称为量化误差。 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。

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。

计算机测试系统的基本组成 A/D转换的实现 直接比较型A/D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。

计算机测试系统的基本组成VREF D/A转换器 数 D0 D1 据 输 出 Dn-1 Dn … Vi

比较器VR

… 数据锁存器 … 移位寄存器 时钟

控制 逻辑

直接型A/D转换器 属于瞬时比较，转 换速度快，常作为 数字信号处理系统 的前端，但缺点是 抗干扰能力差。

START EOC

逐次逼近式A/D原理框图

计算机测试系统的基本组成 间接比较型A/D转换器 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。

计算机测试系统的基本组成间接型A/D转换器抗干扰 能力强，但转换速度慢， 常用于数字显示系统中。

Vi 积分器 VREF 比较器

控制逻辑

时钟

计数器

积 分 输 出

A B T1 T2 (b) t

T 数字量输出 (a)

双积分A/D转换原理

计算机测试系统的基本组成 D/A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。

计算机测试系统的基本组成 D/A转换的基本原理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D 2n 1 an 1 2n 2 an 2 21 a1 20 a0

式中：ai(i=0,1,…,n-1)等于0或1,表示二进制 数的第i位。即二进制数可表示为an-1an-2…a2a1a0。 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 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D/A转换。

计算机测试系统的基本组成T型电阻解码网络D/A转换器R… RF

c

R

b

R

a

2RVo

2RT0

2RTn-3

2RTn-2

2RTn-1

2R

VR

a0

an-3

an-2

an-1

1 1 1 VR Vo an 1 VR an 2 2 VR a0 n VR

n D 2 2 2 2

计算机测试系统的基本组成D/A转换过程x(n) x(n) D/A 转换器 x'(t) x'(t) 低通 滤波器 x(t) x(t)

n

t

t

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。

计算机测试系统的基本组成 6.1.4 采样保持(sample/hold) 孔径时间与孔径误差 (aperture time and aperture error) 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。 采样保持器 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，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。