测试技术与信号分析 · 2020. 10. 23. · (1) NTC. 热敏电阻. ★由锰、钴、镍、铁、铜等过渡金属氧化物混合烧结而成。 ★温度低时，载流子（电子和孔穴）数目少，故阻值高；

广东工业大学机电工程学院第二部分信号的检测

测试技术与信号分析

广东工业大学

2019.06

机电液智能测控课题组

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2.3 常见物理量的测量

2.3.1 温度的测量

2.3.2 流体参量的测量


2.3.1.1 概述

1. 温度: 表示物体受热程度或其热状态程度的量

2.3.1 温度的测量

温度的变化会影响到物体的尺寸、体积、密度、硬度、弹性系数、电导率、磁导率、热容量等属性值

3.温标:表示(或测量)温度的标准。

摄氏和华氏温标:利用水银体积随温度变化的特性来定义温度

2. 温度的影响:

热力学(开尔文)温标:以分子运动状况随温度变化特性来定义温度

以分子停止运动的温度(-273.150C)为基点，单位符号为K


3.温标

摄氏温度(t)与热力学温度(T) 分度相同，基点不用

273.15T t

4.温度的测量方法

(1)接触式测量

(2)非接触式测量

结构简单、工作稳定可靠、精确度高。有热膨胀式温度计、热电阻温度计等。

温度高、不干扰被测物温度。但精确度不高，如辐射式温度计。


2.3.1.2 热膨胀式温度计

定义: 利用物体受热体积膨胀的性质而制成的温度计

1.玻璃管液体温度计

1)结构:玻璃泡、带刻度毛细玻璃管、测温液体

2)原理: 利用玻璃和测温液体的温度体积膨胀特性的差异

分类:玻璃管液体温度计、双金属温度计和压力式温度计等

3)分类:

测温液体的沸点和凝固点决定了可测温度的上限和下限

(1) 根据测温液体来分


3) 分类:

工业用温度计、实验室用温度计、标准水银温度计及指示小温差的贝克曼温度计。

(2) 根据用途来分

4)特点:

(1)缺点:范围不宽，精确度不高，响应速度较慢，而且温度计必须与被测物充分接触，只能现场测量。

(2)优点:直观、结构简单、稳定性好、价格低廉。

5)应用:被测温度波动范围不大的场合。


2. 双金属温度计

1) 结构:两种膨胀系数不同的金属牢固结合而成的，一端固定，另一端自由。

2)原理:温度变化时，由于两种金属伸缩不一致而发生弯曲，自由端就产生位移。


双金属片温度计常用膨胀系数低的镍铁合金和膨胀系数高的黄铜来制作。

温度升高时，会向膨胀系数小的一侧弯曲；

温度下降时，会向膨胀系数大的一侧弯曲。


3) 特点

(1) 优点:结构简单、成本低、牢固耐用、耐震、可靠性高。

(2) 应用:

广泛地应用于工农业生产的温度检测、控制及报警。

(3) 缺点:

测温范围不宽，热响应速度较慢；温度计必须插入被测介质一定深度；只能用于现场测量。


3. 压力式温度计

原理:封闭容器中的工作介质的压力随着温度变化而变化，压力值就反映了温度的数值。

根据工作介质不同，可分为液体、气体、蒸汽压力温度计

测温包放在被测介质中，测温包内的工作介质因温度变化而使压力变化，经毛细管传给弹簧管压力表，其指示机构指示出相应的温度数值。

工作介质温度体积膨胀系数大，则压力变化大，灵敏度就高，测量范围就大。


2.3.1.3 热电阻温度传感器

敏感元件:热电阻。

转换原理:热电阻效应(阻值随温度变化而变化的现象)。

金属热电阻:热电阻。

半导体热电阻:热敏电阻。1. 热电阻

1)铂热电阻

2 30

20

[1 ( 100)] 200 0

[1 ] 0 850t

R At Bt Ct t C t CR

R At Bt C t C

结构:电阻体、绝缘套管、保护套和接线盒等。

(1)特性方程


1)铂热电阻

★性能稳定、精确度高、重复性好(10-4 oC)。最佳材料，用做标准温度计。测量范围-200~850 oC。

(2) 特点

★ 100(100)

0

RWR

(100) 1.387 ~ 1.390W 工业铂热电阻:

标准铂热电阻: (100) 1.3925W

★测还原性气体时需要加保护套。


2)铜热电阻

(1) 特性方程

在-50~100

oC的测量范围内

0 (1 )tR R t α为铜的电阻温度系数，一般为 3 1(4.25 ~ 4.28) 10 C

(2) 特点

优点: 线性度好、电阻温度系数高、易于提纯、价格便宜

缺点: 电阻率小、易氧化。

应用:只适合用在低温和无侵蚀性的介质中。


3) 低温和超低温热电阻

(1)铟电阻

用99.99%高纯度的铟丝绕制而成，精确度高(±0.001K) ，灵敏度高(比铂高10倍)，范围为-269~258 oC 。

缺点:材料软、复现性差。

(2)锰电阻

范围为-271~210 oC ，灵敏度高。

缺点:材料脆，难以拉制成丝。


2. 热敏电阻

★由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结而成的。

1) 结构

★可制成珠状、圆片状、片状、杆状等各种形状★由热敏元件、引线和壳体组成。

2) 分类

负温度系数型(NTC型,曲线1)

临界温度系数型(CTC型,曲线2)正温度系数型(PTC型,曲线3)

曲线4为铂电阻


2) 分类

(1) NTC热敏电阻

★由锰、钴、镍、铁、铜等过渡金属氧化物混合烧结而成。

★温度低时，载流子（电子和孔穴）数目少，故阻值高；温度升高时，载流子数目增加，故阻值降低。

★温度-电阻特性方程

0

1 1273 273

0

Bt t

tR R e

★分类低温型(-60~300oC)、中温型(-60~300oC)、高温型(-60~300oC)。

★特点:精确度高、可靠性高、体积小、响应快、成本低。

★应用:工业、农业、科技、医学、通信、家电等领域。


2) 分类

(2) CTR热敏电阻

★剧变型温度特性，开关特性。

★温度高于居里点Tc时，阻值会减小到临界状态。

(3) PTR热敏电阻

★以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导体元件，具有正的温度系数。

★以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中烧结而成。


3) 特点

优点：与金属热电阻相比，热敏电阻具有如下优点：

缺点：互换性差，发散性严重。

(1) 电阻温度系数大(约为热电阻的10倍)，灵敏度高;(2) 结构简单，体积小，热惯性小；(3) 利用半导体掺杂技术，可测42~100K之间的温度；(4) 使用寿命长。


2.3.1.4 热电偶

1.热电偶的基本工作原理。

热电效应：被测温度的变化→电压信号输出。

优点:测量精确度高、测量范围广(100~1500oC)、构造简单、使用方便。

(1)结构

★两种不同材料的导体A和B组成一个闭合电路。

当T≠T0 时，回路中会产生电动势的现象。产生的

电动势称为热电动势，仅与测量端的温度T有关。

(2)热电效应

★两个接点：测量端或热端(T),参比端或冷端(T0

)

0 0( , ) ( ) ( )ABE T T f T f T


(3)热电动势

由两种导体间的接触电动势和单一导体的温差电动势组成

接触电动势：指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电动势。

接触电动势与导体的电子密度差有关，并和接触区的温度成正比。

eAB (T) 、eAB (T0 ) 。

是因为自由电子密度不同。接触时，密度高的失去电子带正电，密

度低的得到电子带负电。从而在接触面形成电场。


(3)热电动势

由两种导体间的接触电动势和单一导体的温差电动势组成

温差电动势：由于两端温度不同而在两端间产生的电动势。

高温端的电子能量高，运动速度快，电子将从速度快的高温端向速度慢

的低温端扩散，使高温端失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带

负电，从而在导体两端形成温差电动势。

导体A:eA (T,T0 ), 导体B:eB (T,T0 )


(3)热电动势由两种导体间的接触电动势和单一导体的温差电动势组成

0 0 0 0( , ) ( ) ( , ) ( ) ( , )AB AB A AB BE T T e T e T T e T e T T

温差电动势比接触电动势小，故 eAB (T)是最主要的。

当导体A、B的材料一定时，总电动势仅与两接点处的温度有关，即

0 0( , ) ( ) ( )ABE T T f T f T


2.热电偶的基本定律

1)均质导体定律

2)中间导体定律

由同一种匀质(电子密度处处相同)导体或半导体组成的闭合回路，都

不能产生热电势。

热电偶回路中接入第三种金属导体C，只要该金属导体C两端的温度

相同，则对热电偶回路总电动势没有影响。

3)

中间温度定律

4)标准电极定律


3.常用的热电偶

1) 铂铑10 -铂热电偶

(1) 正极是90%铂、10%铑的合金，负极为纯铂。

(2)精确度高、稳定好、抗氧化性好。

(3) 1300℃以下可长期工作，短期可测1600℃的高温。

(4)适合在氧化或中性气氛介质中使用。

如各种高温加热炉、热处理炉及钢水的温度测量。

(5)缺点:价格昂贵，热电动势小，灵敏度低，在高温还原性介质中容易被侵蚀和污染，而失去测量精确度。


2)铂铑30 -铂铑6 热电偶

(1)正极是70%铂、30%铑的合金，负极是94%铂、6% 铑的合金

(2)测量精确度高、稳定好和更强的抗氧化性能。

(3) 1600℃以下可长期工作，短期可测1800℃的高温。

(4)缺点:热电动势小，且价格昂贵。

3)镍铬-考铜热电偶

(1)正极是90%镍、10%铬的合金，负极是44%镍、56%铜的合金。

(2)热电势大、测量精确度高、灵敏度高、抗氧化性好及价格低。

(3)适用于还原性或中性介质。

(4)长期适用温度在600℃以下，短期可测800℃的温度。

(5)缺点:测量范围低，考铜合金易氧化而失去测量精确度。


4)镍铬-镍硅热电偶

(1)正极是90%镍、(9~10)%铬、0.4%硅的合金，负极是90%镍、(2.5~3)% 硅、0.6%钴的合金

(2)热电势大、线性好、价格便宜、化学稳定性高

(3)氧化性或中性介质中，可长时间测量900℃以下的温度，短期可测1200℃的高温

;还原性介质中，则会很快

被腐蚀，只能用于测量500℃以下的温度。

(4)能满足大多数工业测量要求，是工业测量中最常用的热电偶之一

(4)能满足大多数工业测量要求，是工业测量中最常用的热电偶之一

5)其它热电偶

超高温热电偶（测温可达2000℃）、低温热电偶（可在2~273K)


2.3.1.5 辐射式温度计

1. 工作原理

利用辐射原理测温，即利用热接收器接收被测物体在不同温度下辐射能量的不同来确定对象的温度。

2.工业上应用的有：光学高温计、辐射高温计、光电高温计、比色高温计、红外辐射测温仪等

(1) 非接触测量，测量上限高、寿命长，易安装；

3.特点：

(2) 适合测量运动物体表面的温度；

(3) 响应快，灵敏度高，便于实现遥控及自动检测；

(4) 准确度不高，不如接触式测温仪表。


2.3.2.1 概述

1．压力

2.3.2 流体参量的测量

2)分类:

1)定义:压强

流体的压力和流量

单位:帕斯卡(Pa, N/m2)

相对压力和绝对压力

真空度和表压力

绝对真空和大气压


2．流量

体积流量qv：单位时间内流过管道某一截面处流体的体积

1)定义和分类

质量流量qm：单位时间内流过管道某一截面处流体的质量

3．压力和流量的测量大都属于间接测量

将流体的压力和流量转换为中间转换元件的某一个量的变化，在用响应的传感器器将中间机械量转换为电量输出。


2.3.2.2 流体压力的测量

弹性变形法:利用弹性元件来感受压力，将压力转换为弹性元件的变形，该变形在通过机械装置直接指示出压力值，或借助于其它传感器转换为电信号输出。

有波登管、波纹管、膜片和薄壁圆筒等。

1. 常用的压力敏感元件


1) 波登管

1. 常用的压力敏感元件

弹簧管

由于管壁内外侧的压力差(外侧一般为大气压力)，管的截面力图变成圆形截面，截面的短轴力图伸长。

一端固定，另一端活动

自由端便产生了位移(线位移或角位移)。利用管的曲率变化或扭转变形将压力变化转换为自由端的

位移量，从而实现压力的测量。


1) 波登管

应用:指针式压力计或压力传感器的敏感元件。

特点: 精确度高，尺寸大、固有频率低、滞后大

；故只适合静态测量。

材料: 黄铜(小于20MPa)，不锈钢或其它高强度合金(高于 20MPa).


2) 波纹管

(1)结构:表面上有许多同心环状波纹的薄壁圆筒。

一端开口且被固定，另一端封闭却处于自由状态。

(2)工作原理:

从开口端注入压力流体，波纹管在轴向产生与压力成正比的伸长量。

(3)特点:灵敏度高，可测压力低。

(4)应用:

用做测量和控制压力的弹性元件。测量小压力和压差。


3) 膜片和膜盒

膜片:弹性材料制成的圆形薄片。 3种。

膜盒:由两个膜片边缘对焊起来。

(2)工作原理:

膜盒的灵敏度要高于膜片。

采用位移传感器来感测膜片中心因压力到导致的位置变化；在膜片表面粘贴应变片来感测其表面应变。

(1) 结构


4) 薄壁圆筒

(1)结构

壁厚一般小于圆筒直径的二十分之一。

(2)工作原理

通入压力流体时，筒壁均匀受力，并均匀地向外扩张，于是筒壁将产生应变。


1) 应变式流体压力传感器

2.常用的流体压力传感器

工作原理:压力变化→弹性元件的弹性变形→应变片的变形 → 应变片的电阻值变化→ 测量电路(如电桥)的输出电量变化

(1) 平膜片型

体积小、重量轻、精确度高、测量范围宽(几帕 ~500MPa)，且耐压、抗振，因而应用广泛。

介绍应变式、压阻式、压电式、电容式等几种


(2) 圆筒型

高压测量

筒内压力大于筒外压力时，

发生变化，电桥输

出相应的电信号。


(3)组合型应变式流体压力传感器

借助某种传递机构将感压元件的弹性变形传递给粘贴有应变片的其他弹性元件。


2) 压阻式流体压力传感器

在硅膜片上扩散长条形的具有压阻效应的半导体应变片

体积可以做得很小（直径可小至1.5~3mm），动态特性好(0~几百千赫)。

灵敏度很高。由于电阻直接扩散到膜片上，没有粘贴层，因此零漂小、灵敏度高、重复性好。


3) 压电式流体压力传感器

测量范围宽（几百帕至几百兆帕）、体积小、重量轻、安装方便，具有非常高的灵敏度和固有频率，适用于动态压力或冲击压力的测量，不适于静态压力的测量

压电效应

需要电荷放大器


4) 电容式流体压力传感器

在流体压力p作用下膜片产生变形，改变了膜片与球形极板之间的距离，从而引起电容器电容的变化。

灵敏度高、频响好、抗干扰能力强；但只适合低压测量，线性度较差.

提高灵敏度和改善线性度,可采用差动式。


2.3.2.3 流体流量的测量

体积流量的测量的原理：将流量转换成压差、位移、转速、力等参量，然后再将这些参量转换成电量输出。

1. 压差式流量计

流量-压差转换法由压差产生装置和检测

装置组成。

0 1 22 ( )v dq C A p p

占整个流量仪表70%的市场份额，精确度远低于2%。


2. 浮子流量计

压差与环形节流缝隙的通流面积的平方成反比，与流量的平方成正比。

流量变大时，压差变大，浮子上移，环形节流缝隙的通流面积变大，压差下降，直至平衡(浮力等于重力)。

流量不同，浮子的位置也就不同，差动变压器的输出也就不同。

一般应用于小流量测量场合


3. 靶式流量计

流量不同，圆耙上的受力F1也就不同。

一般先测F2


4. 涡轮流量计

涡轮的转速与流量成一定的函数关系。

磁阻式磁电传感器输出的脉冲电压频率与涡轮转速成正比。

响应特性好 (2~10ms),可用来测瞬变或脉动流量。

涡轮叶片为导磁材料

精确度可达0.25%~1.0%。


5. 容积式流量计利用精密的标准容器，对被测流体进行连续测量。又称为量

斗型或直接测量型流量计流量计排量，流量等于排量与输出轴转速的乘积。

有椭圆齿轮、腰形转子和螺旋转子流量计等几种。

计准确度高、工作稳定可靠。工业流量计量的标准仪表。

结构简单、磨损小，广泛应用于医疗技术、食品工业、精密化工等领域


6.超声波流量计

1) 原理:超声波在流体中的传播将受到流体流速的影响。

有传播时差法和多普勒法两种测量方法。

2)传播时差法超声波流量计

通过求出超声波顺流传播和逆流传播的时间差，就可以求出流体的速度.

不阻碍流体流动，安装方便，适测流体种类多；尤其适合测大口径管道的流量。

价格较贵。

多用在不适合采用其它流量计的测量场合



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2.4 计算机测试系统和虚拟仪器

2.4.0 序

2.4.1 计算机测试系统的基本组成

2.4.2 计算机测试系统的总线技术

2.4.3 虚拟仪器

2.4.4 网络化测试仪器

2.4.5 计算机采集实例

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计算机测试系统：

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。

2.4.0 序


2.4.1 计算机测试系统的基本组成

2.4.1.1 计算机测试系统的框图

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

CPU

ROM

RAM

键盘

显示

控制逻辑

… … …


2.4.1.2 多路模拟开关

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；

译码器A0A1A2

OUT

S0

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

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。

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。


2.4.1.3 A/D转换与D/A转换

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


采样x(t)

模拟信号

取样信号

s(t)

0 t

s(t)

xs (t) 量化编码

数字信号x(n)

0 t

x(t)

0 t

x(nt)

t

t 0

q

x(n)

000001010011

n

x(nt)

A/D转换过程

t：采样周期q：量化当量或量化步长，q=A/dA：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


量化误差

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。

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 = 2 8 = 2 5 6 ，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。


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。


D/A转换器比较器

D0D1

Dn-1Dn

数据输出

数据锁存器

…

…

移位寄存器…

控制逻辑

时钟

STARTEOC

VREF Vi

VR

逐次逼近式A/D原理框图

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。


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。


数字量输出

积分器

比较器

Vi

VREF

控制逻辑

时钟计数器

t

积分输出

TT1

T2

A

B

斜率固定

(a) (b)双积分A/D转换原理

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。

广东工业大学机电工程学院第二部分信号的检测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。


D/A转换的基本原理

00

11

22

11 2222 aaaaD n

nn

n

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-1 an-2 …a2 a1 a0 。

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

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。


T型电阻解码网络D/A转换器

VR

2R 2R 2R 2R

R R 2R

RF

Vo

R

2R

…

a0 an-2an-3 an-1

T0 Tn-3 Tn-2 Tn-1

abc

R0R22R1o 2

121

21 VaVaVaV nnn DV

n2R


D/A转换器

低通滤波器

n

x(n)

t

x'(t)

t

x(t)

x(n) x'(t) x(t)

D/A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。


2.4.1.4 采样保持

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。

孔径时间与孔径误差

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。

采样保持器


采样保持

采样控制信号 t

t

输出输入x(t)

s(t)

采样保持波形

采样保持器在保持阶段相当于“模拟信号存储器”。


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

T

C

+–

+–

控制信号

输入

输出

(a) (b)

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。


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。


2.4.1.5 多通道数据采集系统的组成方式

S/H

S/H

S/H

...

A/D

A/D

A/D

...CPU

a)


S/H A/D

多路

开关

CPU

控制逻辑

b)

...

S/H

S/H

S/H

. . .

A/D

CPU多路

开关

c)

控制逻辑


2.4.2 计算机测试系统的总线技术

2.4.2.1 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备，计算机系统中信息的互相传递通过总线实现。

总线 bus


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

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。


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。


2.4.2.2 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

CPU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。


2.4.2.3 测控系统内部总线

ISA/PC104/AT96总线

起源

IBM PC/XT计算机应用

面向特定CPU，8086以及Pentium。

发展

PC/XT8位

PC/ATISA 16位

PC104 AT96

EISA32位


VME/VXI总线

VME：Versa Module EuropeVersa：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/s

VME64 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


VXI：VMEbus eXtension for Instrumentation，是VME总线在仪器领域的扩展。

是在VME总线、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


PCI/CompactPCI总线

PCI：Peripheral Component Interconnect，由PCISIG (PCI Special Interest Group)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。


PCI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，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。


CompactPCI总线

PCI总线的电气规范+

标准针孔连接器（IEC-1076-4-101）+

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。

CompactPCI通过改造现行的 PCI规范，使其成为无源底版总线式的系统结构。CompactPCI 的基本系统设计成8

块卡，并可通过 PCIPCI 桥芯片进行扩展。利用桥电路技术，也可将CompactPCI与别的总线组成混合系统。


PXI总线

PXI：PCI eXtension for Instrumentation，是开放式、模块化的仪器总线，是PCI总线在仪器领域的扩展。

PXI与CompactPCI完全兼容，PXI与CompactPCI模块可以在同一系统中共存而不发生冲突。

PXI扩充了CompactPCI规范，对提供优异的机械完整性及易装易卸的PCI硬件定义了坚固的结构形式。

PXI增加了触发总线、用于高速定时的系统参考时钟、用于进行多板精确同步的星形触发总线以及相邻仪器

模块进行高速通信的局部总线。更能满足仪器用户的需要。

PXI总线采用成熟 PC技术，与 PC100% 兼容。


2.4.2.4 测控系统外部总线

RS - 232C是美国电子工业协会EIA (Electronic Industry Association) 制定的一种串行物理接口标准。

RS - 232C总线

RS - 232C规定的数据传输速率为300b/s、600b/s、 1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s、19200b/s等。

RS - 232C 总线标准设有25条信号线，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条

接收线及一条地线。

RS - 232C 通信距离受负载电容影响。若采用 150 pF/m 的通信电缆时，最大通信距离为15 m；电容量减小，

通信距离可以增加。


RS - 232C传输的信号电平对地对称，其逻辑0电平规定为+5~+15 V之间，逻辑1电平规定为–5~ – 15 V之间，

因此，计算机系统采用 RS - 232C通讯时需经过电平转换接口。

RS – 232C属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，一般用于20 m以内的通信。

RS - 232C未规定标准的连接器，同样是 RS - 232C 接口却可能互不兼容。


RS - 449/RS - 423A/422A/485总线RS - 449是一种物理接口功能标准，规定了标准连接

器。其电气标准依据RS - 423A或RS - 422A以及RS - 485。RS - 423A和RS - 422A分别给出在RS - 449应用中对电

缆、驱动器和接收器的要求。RS - 423A给出采用非平衡(单端)发送、差分接收接口；RS - 422A 采用平衡

(双端)驱动、差分接收接口。

RS - 423A/422A 比RS - 232C传输信号距离长、速度快，最大传输率可达10 Mbps（ RS - 422A 电缆长度 120米，RS - 423A电缆长度15 m）。若采用较低的传输速率，如90 000b/s，最大距离可达1200m。


RS - 232C、RS - 423A、RS422A电气连接图

TTL TTLRS - 232C

TTLTTL

RS - 423A+–

TTL TTLRS - 422A

+–

平衡线

非平衡式差分传输


RS - 485是RS - 422A的变型。RS - 422A为全双工，可同时发送与接收；RS - 485则为半双工，在某一时

刻，只能有一个发送器工作。

RS - 485是一种多发送器的电路标准，它扩展了RS - 422A的性能，允许双导线上一个发送器驱动多达32个

负载设备。负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器（发送器和接收器的组合）。

RS - 485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS - 485 可以非常方便地联网构成分布式测控系统。


GPIB总线

GPIB：general purpose interface bus ，是计算机和仪器间的标准通信协议，它是最早的仪器总线，属于命令级兼容的并行总线接口标准。

典型的 GPIB 测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。每台 GPIB 仪器有单独的地址，由计算机控制操作。

GPIB按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而

不需中介单元。

GPIB 总线上最多可连接 15台设备。最大传输距离为 20 m，信号传输速度一般为 500 KB/s，最大传输速

度为1 MB/s。


USB/IEEE-1394

USB：universal serial bus，USB1.1应用于中低速外部设备，传输速度有低速 1.5 Mbps 和全速 12 Mbps

两种。USB2.0 兼容 USB1.1，其速度可高达480 Mbps，支持多媒体应用。USB接口支持热插拔，USB设备单独使用自己的保留

中断，为USB设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预，“即插即用”。

USB采用hub或“级联”方式，一个USB控制器理论上可以连接多达127个外设，而每个外设间线缆长度可

达5 m。

USB接口提供内置电源。能向低压设备提供

5 V的电源，降低了设备的成本并提高了性价比。


IEEE 1394（firewire）也是一种高效的串行接口标准。 IEEE 1394可以在一个端口上连接多达63个设

备，设备间采用树形或菊花链拓扑结构。

IEEE 1394标准定义了两种总线模式，即：backplane 模式和cable模式。其中backplane模式支持12.5、25、

50 Mbps的传输速率；cable模式支持100、200、400 Mbps的传输速率。目前正在开发1 Gb/s的版本。

IEEE 1394的主机和外设的复杂性远远高于USB系统，因而，成本也远远比USB为高。


现场总线

field bus

现场总线是过程自动化和制造自动化现场设备或现场仪表互连的数字通信网络。主要解决的智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

现场总线的技术特点：

利用数字信号代替模拟信号，抗干扰性强。

开放式互连网络。只需一对传输线（现场总线）互连，易于维护。系统的自治性强。与 DCS相比，现场总线减少了专

用的 I/O装置及控制站，把 DCS 控制站的功能块分散到现场设备，实现了彻底的分散控制。降低了成本，提高了可靠性。


常用的现场总线标准基金会现场总线FF (foundation field bus)、LonWorks (local operation network) 、Profibus (process field bus)、CAN (control area network)、HART (highway addressable remote transduscer)、DeviceNet、WorldFIP等。


2.4.3 虚拟仪器 Virtual Instruments2.4.3.1 概述

虚拟仪器：virtual instruments，简称VI

虚拟仪器是基于计算机的自动化测试仪器系统，虚拟仪器利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接，将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。

软件即仪器——The software is the instrument虚拟仪器打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用

户无法改变的模式，利用虚拟仪器，用户可以很方便地组建自己的自动测试系统。


2.4.3.2 虚拟仪器的出现

电子测量仪器的发展

模拟仪器：如指针式万用表、晶体管电压表等借助指针来显示最终结果。

数字化仪器：如数字电压表、数字频率计等，将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果。

智能仪器：内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力。

虚拟仪器：由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统由计算机操纵的模块化仪器系统。


虚拟仪器结构

测控对象

数据采集卡

GPIB接口仪器

RS - 232C仪器

现场总线设备

其他计算机硬件

VXI仪器

PXI仪器

USB仪器

数据采集与控制

计算机

结果表达

打印

文件

图形显示

数据分析与处理

数字滤波

FFT

统计

网络输出

其他


虚拟仪器优点

融合计算机强大的硬件和软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，增加了系统灵活性。同时，突破了传统仪器在数据处理、存储、人机交互等方面的限制。

基于计算机总线和模块化仪器总线，硬件模块化、系列化，提高了系统的可靠性和易维护性。

基于计算机网络技术和接口技术，广泛支持各种工业总线标准。可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的智能化、网络化。

基于计算机的开放式标准体系结构。硬、软件均具有开放性、可重复使用及互换性等特点。用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间。


虚拟仪器系统的体系结构

自动测试系统应用软件

DAQ驱动程序

VXI驱动程序

PXI驱动程序

GPIB驱动程序

VISA库

DAQ仪器

VXI仪器

PXI仪器

GPIB仪器

自动测试系统软件结构

自动测试系统硬件结构

VISA即虚拟仪器软件结构，是VXI plug&play联盟制定的I/O接口软件标准及其规范的总称。VISA提供用于仪器编程的标准I/O函数库，称为VISA库。VISA函数库驻留在计算机系统内，是计算机与仪器的标准软件通信接口，计算机通过

它来控制仪器。

https://baike.so.com/doc/6118025-6331169.html




2.4.3.3 虚拟仪器的硬件

计算机硬件平台

测控功能硬件

GPIBVXIPXIPC插卡式：基于计算机标准总线的内置（如ISA、

PCI、PC/104等）或外置（如USB、 IEEE - 1394等）功能插卡，其核心主要是DAQ（data acquisition，数据采

集）卡。


2.4.3.4 虚拟仪器的软件

VISA（virtual instrumentation software architecture)虚拟仪器软件体系结构，实质是标准的 I/O函数库及

其相关规范的总称。一般称这个I/O函数库为VISA库。是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的

程控。

仪器驱动程序

完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集，是应用程序实现仪器控制的桥梁。

应用软件


虚拟仪器应用软件的编制

基于通用编程软件Visual Basic，Visual C++，.net，Delphi等

专业图形化编程软件美国HP公司的VEE和HPTIG美国NI公司的LabVIEW 和Lab windows/CVI美国Tektronis公司的Ez－Test和Tek－TNS美国HEM Data公司的Snap－Marter平台软件等

应用软件还包括通用数字处理软件。如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT、逆FFT和细化分析等；时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排序等；数字滤波等。


2.4.3.5 基于LabVIEW的虚拟仪器示例

LabVIEW 提供了交互式的图形化开发环境，采用图形化编程语言G语言，其程序表现为框图的形式。

LabVIEW程序包括以下三部分：

前面板（panel）：VI的交互式用户接口。

数据流框图（diagram）：相当于仪器的电路结构，以数据流的方式实现对采集数据的处理。

图标连接端口(connector)：相当于仪器中的某个集成电路，是对子程序（subVIs）的调用形式，是VI程序的可选部分。


LabVIEW振动信号处理程序示例


LabVIEW振动信号处理VI运行界面：时域波形图


LabVIEW振动信号处理VI运行界面：频谱图


2.4.3.6 虚拟仪器的发展趋势

总线与驱动程序的标准化

硬/软件的模块化

硬件模块的即插即用化

编程平台的图形化

IVI (interchangeable virtual instruments，可互换虚拟仪器)


2.4.4 网络化测试仪器

2.4.4.1 概述

将测得数据（信息）通过网络传输给异地的精密测量设备或高档次的微机化仪器去分析、处理；

继“计算机就是仪器”和“软件就是仪器”概念之后，“网络就是仪器”的概念确切地概括了仪器的网络化发展趋势。

实现测量信息的共享；

掌握网络节点处信息的实时变化的趋势；

通过具有网络传输功能的仪器将数据传至原端即现场。


2.4.4.2 基于现场总线技术的网络化测控系统

现场总线接口微计算机

信号获取单元传感器


信号驱动单元执行机构


信号获取单元传感器

现场总线测控单元

监控计算机#1 监控计算机#N

…

……

…


2.4.4.3 面向INTERNET的网络测控系统

INTERNET

INTRANET

用户

仪表单元1

用户用户

决策系统

数据库系统

网关服务器

监控/管理系统现场级网络

仪表单元2

仪表单元n

调度系统

. ..

网络化仪器

用户

网络化仪器

INTRANET

仪表单元1

决策系统

数据库系统

网关服务器

监控/管理系统现场级网络

仪表单元2

仪表单元n

调度系统

. ..

用户网络化仪器网络化仪器


2.4.4.4 网络化测试仪器与系统实例

网络化智能传感器

其他网络系统

网桥/路由器计算机

控制总线网络

智能传感器节点

压力

智能传感器节点

温度

智能执行器节点

阀门


继电器


电动机


网络化示波器和网络化逻辑分析仪

安捷伦：Agilent 16700B网络化逻辑分析仪可实现任意时间、任何地点对系统的远程访问，实时地获得仪器

的工作状态；通过友好的用户界面，可对远程仪器的功能加以控制，状态进行检测；还能将远程仪器测得的数据经网络迅速传递给本地计算机。

泰克：Tektronix TDS7000快速实时示波器除了具有十分直观的图形用户界面以及不受限制地使用各种与

Windows兼容的软件和硬件设备等优点外，其极强的联网能力使其可以成为测试网络中的一个节点，与网络连接后，使用者可以与他人共享文件、使用打印资源、浏览网上发布的相关信息，并可直接从TDS7000

收发E-mail。


网络化设备状态监测与故障分析诊断系统

基于WEB的远程监测与故障分析诊断系统

机组n1 机组nm

工控机m


基于WEB的远程监测与故障分析诊断系统界面


2.4.5 计算机采集实例

1.弹簧振子动态特性的测量

用差动变压器位移传感器检测振子的位移


1.弹簧振子动态特性的测量


1）差动变压器


差动变压器位移传感器LVDT




2) USB7325A数据采集仪

USB7325A数据采集仪可同时采集16路信号，但面板上只接出了其中10个通道。可选用其中任何一个通道来采集位移传感器的输出。

USB7325A数据采集仪接受差动变压器输出的±10V范围内的模拟直流电压信号，在采集仪的内部进行A/D转换之后，将

得到的数字量电压信号通过USB接口发送给计算机。


2) USB7325A数据采集仪

(1) USB接口，即插即用。

(2) 概述

A/D：12bit，16（单）/8（双）CH，转换速率 250kHz，连续不间断采样，输入范围： 0～4V、0～5V、

0～10V、±3V、±5V、±10V、0～20mA；DI/DO：各 16CH；计数/定时/测频/脉冲输出3CH。


(3) 主要技术指标


2) USB7325A数据采集仪(3) 主要技术指标


(4) 工作原理

USB7325 主要由多路模拟开关选通电路、高精度放大电路、模数转换电路、光电隔离及 DC／DC电路、先进先出

(FIFO)缓冲存储器电路、开关量输入输出电路、定时/计数器电路和接口控制逻辑电路、供电电路等部分组成。

高速多路模拟开关由2片ADG508（或同类产品）及跨接选择器JP5组成。

选用B-B公司的A／D器件ADS7808（12 bit）或ADS7809 （16 bit）,该器件内部自带采保和精密基准电源。


(4) 跳线

(a) A/D量程的选择


(4) 跳线

(b) 单端／双端方式选择

(c) 供电方式选择


(5) 接口定义

模入：26芯扁平电缆插座J2


(6) A/D转换结果的数据格式


(7) A/D转换结果的数据格式

USB7325A：转换后的12位数码为二进制原码。

输入为0～10V时，其数码与模拟电压值的对应关系为：

模拟电压值＝数码(12位)×10(V)／4096 (V)即： 1LSB＝2.44mV

输入信号为－5～＋5V时：

模拟电压值＝数码×10(V)／4096－5 (V)即：1LSB＝2.44mV

输入信号为－10～＋10V时：

模拟电压值＝数码×20(V)／4096－10 (V)即：1LSB＝4.88mV


3) USB7325数据采集仪的编程操作

(1) 动态链接库中的函数介绍

Usb7kC.dll是为USB7000 系列数据采集模块配制的工作在中西文Windows 95／98／2000/NT环境下的一个动态链接库，它所封装的函数可以被其它应用程序在运行时直接调用。用户可以用任何一种可以使用 DLL 链接库的编程工具来编写。所列

函数的说明格式为 C++ 应用程序中调用 DLL 库函数时的常用格式，无论使用哪一种开发工具，务必请注意数据格式的匹配及函数的返回类型。


3) USB7325数据采集仪的编程操作


结构体介绍




模拟量输入：


lCode设备控制字


(2) 单通道单点采样的流程

打开采集卡单通道采

集函数关闭采集卡

USB7325AIOpenUSB7kC CloseUSB7kC

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测试技术与信号分析 · 2020. 10. 23. · (1) NTC. 热敏电阻. ★由锰、钴、镍、铁、铜等过渡金属氧化物混合烧结而成。 ★温度低时，载流子（电子和孔穴）数目少，故阻值高；