定曹杨 测试技术背诵部分1Word文档格式.docx
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5.隔离放大器有何特征和特点,主要用在哪些场合?
它分哪几类?
隔离放大器是带隔离的放大器,其输入电路、输出电路和电源之间没有直接的电路耦合,信号的传递和电源的传递均通过变压器耦合或光电耦合(多用变压器耦合,因光电耦合线性度较差)实现。
隔离放大器不仅具有通用运放的性能,而且输入公共地与输出公共地之间具有良好的绝缘性能。
变压器耦合隔离放大器有两种结构:
一种为双隔离式结构,另一种为三隔离式结构。
光隔离放大器,最简单的光隔离放大器可用光电耦合器件组成。
但是,光电耦合器的电流传输系数是非线性的,直接用来传输模拟量时,会造成非线性失真较大和精度差等问题。
6.在一个采样间隔△t中,信号量化需要经过那几个基本状态过程?
幅值,波形失真(每个采样间隔的信号被量化为一固定值,失去了信号的变化,无法恢复到原始的模拟信号的形状),加窗(能量泄露),采样(频率混叠)
7.A/D,D/A转换器的主要技术指标有那些?
①分辨率:
A/D对输入模拟信号的分辨能力;
D/A转换器的分辨力可用输入的二进制数码的位数来表示。
位数越多,则分辨力也就越高。
常用的有8位、10位、12位、16位等。
12D/A转换器的分辨力为1/212=0.024%。
②转换误差:
通常以输出误差的最大值形式给出,它表示A/D实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别,常用最低有效位的倍数表示;
③转换精度定义为实际输出与期望输出之比。
以全程的百分比或最大输出电压的百分比表示。
理论上D/A转换器的最大误差为最低位的1/2,10位D/A转换器的分辨力为1/1024,约为0.1%,它的精度为0.05%。
如果10位D/A转换器的满程输出为10V,则它的最大输出误差为10V*0.0005=5mV。
具有某种分辨力的转换器在量化过程中由于采用了四舍五入的方法,因此最大量化误差应为分辨力数值的一半。
如上例8位转换器最大量化误差应为40mV(80mV×
O.5=40mV),全量程的相对误差则为0.4%(40mV/10V×
100%)。
可见,A/D转换器数字转换的精度由最大量化误差决定。
实际上,许多转换器末位数字并不可靠,实际精度还要低一些。
转换时间(转换速度)。
转换速度是指完成一次转换所用的时间,即从发出转换控制信号开始,直到输出端得到稳定的数字输出为止所用的时间。
转换时间越长,转换速度就越低。
转换速度与转换原理有关,如逐位逼近式A/D转换器的转换速度要比双积分式A/D转换器高许多。
除此以外,转换速度还与转换器的位数有关,一般位数少的(转换精度差)转换器转换速度高。
目前常用的A/D转换器转换位数有8位、10位、12位、14位、16位等,其转换速度依转换原理和转换位数不同,一般在几微秒至几百毫秒之间。
其他还有满量程,非线性,相对精度,绝对精度,温度系数
(A/D:
1.分辨力与分辨率;
2.量化误差;
3.转换时间;
4.转换速率;
5.其他参数:
对电源电压变化的抑制比,零点和增益温度系数、输入电压
D/A:
1.分辨率;
2.标称满量程;
3.精度;
4.响应时间;
5.温度系数)。
8.信号量化误差与A/D,D/A转换器位数的关系?
量化误差的大小取决于计算机采样板的位数,其位数越高,量化增量越小,量化误差也越小。
比如,若用8位采样板,8位二进制数为
,则量化增量为所测信号最大幅值的
,最大量化误差为所测信号最大幅值的
9.什么是最高分析频率?
它和采样定理有什么关系?
最高分析频率是采样频率的一半。
10.A/D采样为何要加抗混迭滤波器?
其作用是什麽?
用低通滤波器滤掉不必要的高频成分以防止频率混叠的产生,此时的低通滤波器也称为抗混叠滤波器。
11.当不满足采样定理时如何计算混迭频率?
为了使计算的频率在
范围内与原始信号的频谱一样,采样频率必须满足采样定理。
但在实际中,
可能很大,多数情况下人们并不需要分析到这么高的频率,由于噪声的干扰,使得
不能确定,故通常首先对信号进行低通滤波,低通滤波器的上限频率由分析的要求确定,采样频率由低通滤波器而定。
由于不存在理想的低通滤波器,而实际计算中总是使用有限序列,所以在实际应用时选择的采样频率为:
,式中
低通滤波器的上限频率。
12.采样信号的频谱为何一定会产生能量泄漏
数字信号处理只能对有限长的信号进行分析运算,因此需要取合理的采样长度对信号进行截断。
截断是在时域将该信号函数与一个窗函数相乘。
相应地,在频域中则是两函数的傅立叶变换相卷积。
因为窗函数的带宽是有限的,所以卷积后将使原带限频谱扩展开来而占据无限带宽,这种由于截断而造成的谱峰下降、频谱扩展的现象称为频谱泄露。
当截断后的信号再被采样,由于有泄露就会造成频谱混叠,因此泄露是影响频谱分析精度的重要原因之一。
如上所述,截断是必然的,频谱泄露是不可避免的。
13.如何计算高速巡回采集的最小采样间隔?
如果在⊿t/10时间内A/DC可完成一次采集,则在⊿t内可巡回采集10个通道,而且保证均每一通道有相同的采样频率fs=1/⊿t,A/DC(最小)采样间隔:
⊿t/10;
A/DC采样频率10/⊿t,每一通道(信号)采样间隔:
⊿t;
信号采样频率1/⊿t。
14.如何根据采样通道数、采样模式、最高分析频率来选择采集板?
采样通道数表明了采集卡所能采集的最多信号的路数,在选择时要根据实际要测信号的路数考虑,以保证所有通道数满足待测信号的要求。
采样模式的选择要根据被测物理量变化的快慢程度,对于快变信号,要选择转换时间小的采样模式,反之,则可以选择转换时间大的采样模式。
最高分析频率则要根据采样定理来选择,以防止信号发生混叠而产生失真。
15.减少能量泄漏方法
1)增大截断长度
,即矩形窗口加宽,则窗谱
主瓣将变窄,主瓣以外的频率成分衰减较快,因而泄露误差将减小。
2)采用泄漏小的窗函数,进行时域加窗处理。
3)进行整周期采集(此法只能用于周期信号)
16.窗函数的作用是什麽?
减少泄漏,抑制噪音,提高频率分辨能力
17.什么FIR滤波器?
其作用是什么?
数字滤波器的功能是将一组输入的数字信号通过一定的运算后变换成一组具有(或接近)规定特性的数字信号输出。
数字滤波器按其单位冲激响应的长度分成无限长单位冲激响应(IIR)滤波器和有限长单位冲激响应(FIR)滤波器。
不论哪种滤波器,其设计过程大致包括三个步骤:
1、根据需求制定滤波器的技术指标;
2、用一个因果稳定的系统函数去逼近这个技术指标;
3、用一个有限精度的运算去实现这个系统
18.数据传输的目的
在机械量测试过程中,由传感器检测出的微弱信号经中间转换电路将信号放大处理后,还必须经有线或无线装置传输到信号分析处理中心进行分析;
或者用示波器或记录仪显示或记录下来,以供测试人员直接观察和分析,或日后供给后续处理仪器对所测量信号作进一步的分析和处理。
19.如何准备数据
在数据传输之前要对数据进行组织,使其传输效率高,结构和尺寸应尽可能合理及紧凑,使得在组织、传输、存储和使用时快捷方便。
组织后得到数据信息包,数据包全面反映被测设备在某一特定的时间段内的各种实时信号以及运行、采集参数等。
接收到数据包的网上任何客户机在不需更多帮助的情况下就可进行一般的处理和分析。
20.数据传输的几种主要方式
电话线传输、工业级GPRS传输、现场总线技术、专用网的传输、在互联网上的传输
二、测试系统部分思考题
第2节
1.测试方案的种类
测试方法可按多种原则分类:
1、按是否直接测定被测量的原则分类:
直接测量、间接测量。
按照获得测量参数结果的方法不同,通常可把测量方法分为直接测量法和间接测量法。
直接测量法是指被测量直接与测量单位进行比较,或者用预先标定好的测量仪器或测试设备进行测量,而不需要对所获取数值进行运算的测量方法。
间接测量法是指被测量的数值不能直接有测试设备上获得,而是通过所测量到数值同被测量间的某种函数关系经运算而获得被测值的测量方法。
2、按传感器是否与被测物接触分类:
接触式测量、非接触式测量
3.按被测量是否随时间变化:
静态测量、动态测量
2.测试方案设计原则是什么?
如何设计测试方案?
1)测试目标2)确定被测试参数3)确定传感器类型4)确定测试部位
5)传感器输出分类6)确定被控参数7)确定执行单位8)确定被控部位
9)选择测控方案10)数据采集11)相关单元匹配12)示意方案框图
1.
第3节
1.测试系统有那些静态特性参数?
测试系统的静态特性是指被测信号为静态信号(或变化极缓慢信号)时测试装置的输出与输入之间的关系。
静态特性主要有线性度、灵敏度和回程误差三项。
1、线性度测试系统的线性度就是定度曲线与理想直线的接近程度。
作为性能指标,它以定度曲线与拟合直线的最大偏差B(以输出量单位计算)同标称范围A的百分比。
即
2、灵敏度在稳态情况下,系统的输出信号变化量和输入信号变化量之比称为灵敏度S,表达式为
3、回程误差(滞后)回程误差表示测量系统当输入量由小到大再由大到小变化时,对于同一输入所得输出量不一致的程度。
回程误差也称为滞后或变差,是描述测试装置的输出与输入变化方向有关的特性。
4、其他表示测试系统的指标
精确度(表示测试装置的测量结果与被测量真值的接近程度,反映测量的总误差)
漂移(测量装置的测量特性随时间的缓慢变化)
信噪比(信号功率与噪声功率之比,或信号电压与噪声电压之比)
测量范围(测试系统能够进行正常测试的工作量值范围)
动态范围(系统不受各种噪声影响而能获得不失真输出的测量上下限之比值,常用分贝来表示)
2.如何描述测试系统的动态特性?
当输入量随时间变化时,测试系统所表现出的响应特性称为测试系统的动态特性。
测试系统的动态特性好坏主要取决于测试系统本身的结构,而且与输入信号有关。
所以描述测试系统的特性实质上就是建立输入信号、输出信号和测试装置结构参数三者之间的关系。
即把测试系统这个物理系统抽象成数学模型,而不管其输入输出量的物理特性(即不管是机械量、电量或热学量等),分析输入信号与响应信号之间的关系。
一、测试系统动态特性的描述方法
通过傅里叶变换建立其相应的“频率响应函数”,以此来描述测试系统的特性。
脉冲响应函数,频率响应函数,传递函数,微分方程
1、时域微分方程
当测试系统被视为线性时不变系统时,可用常系数线性微分方程式描述。
若已知系统输入,通过求解微分方程,就可求得系统的响应,根据输入输出之间的传输关系就可确定系统的动态特性。
微分方程是一种基本的数学模型,在实际使用中,有许多不便。
因此,在工程领域中,常通过拉普拉斯变换(拉氏变换)或傅里叶变换建立相应的传递函数和频率响应函数,从而更简便地描述系统或装置的动态特性。
2、传递函数H(S)
在初始条件为零的前提条件下,对微分方程式的两边作拉普拉斯变换,将输出量和输入量两者的拉普拉斯变换之比定义为该系统的传递函数
3、频率响应函数H(ω)
根据定常线性系统的频率保持特性,若输入为一正弦信号
则稳态时的输出是与输入同频率的正弦信号
但其幅值和相位角通常不等于输入信号的幅值和相位角。
输出信号与输入信号的幅值比
和相位差
都是输入信号频率的函数。
定常线性系统在正弦信号的激励下其稳态时的输出信号和输入信号的幅值比定义为该系统的幅频特性,记为
;
稳态输出和输入的相位差定义为该系统的相频特性,记为
。
二者统称为系统的频率特性。
由于复杂信号可以分解成正弦信号的叠加,所以当输入为复杂信号时,系统的频率特性也是适用的。
现将
、
构成一个复数
,即
显然,
表示了系统的频率特性,称
为频率响应函数。
4、脉冲响应函数
若系统的输入为单位脉冲函数
,则
装置输出的拉氏变换为
,然后将其进行拉氏逆变换得
称
为测试系统的脉冲响应函数或权函数。
它是测试系统特性的时域描述形式。
3.测试系统的带宽(计算)
是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围;
幅频响应的高低两个半功率点之间的频率差
第4节
1.影响测试系统正常工作的干扰源有那些?
所谓干扰,就是指影响测量结果或作用于控制系统的各种无用信号。
产生干扰信号的干扰源一般可分为外部干扰和内部干扰两种。
一、干扰的来源
干扰可分为外部干扰和内部干扰两类。
使用环境中的电磁场、振动、温度、湿度等均构成外部干扰源。
测试系统的安装固定要很好考虑,不合理的安装固定和固定件的寄生振动会给测试信号带来各种干扰,严重地影响测量结果。
另外,电源、信号线、接地等也会产生干扰,这些可归为内部干扰。
(一)外部干扰
外部干扰主要来自自然界的干扰以及各种电气设备运行产生的干扰(又称人为干扰)。
1.自然干扰各种自然现象,如闪电、雷击、宇宙射线、环境(温度、湿度等)变化均可产生自然干扰。
这些干扰对测量仪表及自动控制系统的运行会产生不良影响,特别是对通信、导航设备影响尤为严重。
2.人为干扰人为干扰主要是指各种电气设备运行时所产生的电磁干扰。
如大容量电气设备起、停可能引起电网电压波动;
开关的通断会引起电火花;
霓虹灯、电焊、电车的运行也会引起射频干扰;
在大功率输电系统中,大电流输电线周围会产生强大的交变电磁场,因此对安装在输电线附近的仪表及与之平行的信号线会产生干扰。
(二)内部干扰
内部干扰主要是指测量电路内部各种元器件的噪声所引起的干扰。
例如,电阻中随机性的自由电子的热运动引起的热噪声;
半导体、电子管内载流子的随机运动引起的散粒噪声;
开关或两种导体相接时,由于接触不良会导致接触面的电导率起伏,从而产生所谓的接触噪声;
由于工艺设计、布线不合理等出现寄生参数、泄漏电阻等耦合形成寄生反馈造成干扰。
对于电子测量装置的内部干扰,可以通过装置的正确设计及零部件的合理布局加以消除或削弱;
对于来自外部的干扰可以通过适当的抗干扰措施加以解决。
1.干扰的主要来源
数据采集与处理系统工作环境的干扰源很多,各有特点。
下面从不同的角度对其进行分类:
1.1从干扰的来源划分
1.1.1内部干扰
指系统的内部电子电路的各种干扰,如元器件的老化引起的参数变化,以及电阻的热噪声,晶体管、场效应管等器件内部分配噪声和闪烁噪声,放大电路正反馈引起的自激振荡等。
1.1.2外部干扰
指外界窜入系统内的各种干扰。
如电动机电刷引起的电火花,其它设备的脉冲开关接触所产生的电磁信号,自然界的雷电、宇宙辐射的电磁波等。
1.2按干扰的出现规律划分
1.2.1固定干扰
指系统附近固定的电气设备运行时发出的干扰。
如邻近的“强电”设备的启停所引入的一个固定时刻的干扰。
1.2.2半固定干扰
指某些偶然使用的电气设备(如行车、电钻等)引起的干扰,有可预测性。
1.2.3随机干扰
指偶发性干扰,如闪电、供电系统继电保护的动作等干扰,难以预测发生时刻。
1.3从干扰产生和传播的方式分类
1.3.1静电干扰
指电场通过电容耦合的干扰,是由于元器件及导线之间的寄生电容所产生的。
此外,也包括化纤、纤维之间的摩擦而使人体带电,从而由人体对电子设备所产生的干扰。
1.3.2磁场耦合干扰
磁场耦合干扰是一种感应干扰。
是由于动力线、变压器、电动机、继电器、电风扇等产生的交变磁场穿过传输线或闭合导线形成的回路,而在传输线上或闭合导线上感应出的交流干扰电压。
1.3.3电磁辐射干扰
由各种大功率高频、中频发生装置及电火花产生的高频电磁波向周围空间辐射产生的干扰。
1.3.4电导通路耦合干扰
指电导通路由于接地电位的不同而在各单元回路之间的公共阻抗上产生的干扰。
因为是多接地点,会在接地环路上形成环行电流,这种环行电流通过接地环路阻抗把瞬态噪声干扰耦合到下一级电路。
1.3.5漏电耦合干扰
是由于仪器内部的电路绝缘不良,而出现的漏电流引起的电阻耦合产生的干扰;
也可能是由高输入阻抗器件组成的系统,因其阻抗与电路板绝缘电阻可以相比拟,通过电路板产生漏电流而形成的干扰。
1.4从干扰输入信号的关系划分
1.4.1串模(差模)干扰
串模干扰是指干扰信号与被测信号串联在一起,它成为被测信号的一部分,被送到放大器进行放大,影响很大。
产生的原因:
外部高压供电线交变电磁场通过寄生电容耦合进传感器一端;
电源交变电磁场对传感器一端的漏电流耦合。
1.4.2共模干扰
共模干扰指在信号地和仪器地(大地)之间的干扰。
(1)在数据采集系统附近有大功率的电器设备,电磁场以电感或电容形式耦合到传感器和传输导线中;
(2)电源绝缘不良而引起的漏电或三相动力电网负载不平衡致使零线有较大的电流时,存在着较大的地电流和地电位差。
如果系统有两个以上的接地点,则地电位差就会造成共模干扰;
(3)电气设备的绝缘性能不良时,动力电源会通过漏电阻耦合到数据采集系统的信号回路,形成干扰;
(4)在交流供电的仪器中,交流电会通过原、副边绕组间的寄生电容、整流滤波电路、信号电路与地之间的寄生电容到地构成回路,形成干扰。
1.5软件方面的干扰源
主要表现在以下几个方面:
(1)不正确的算法产生错误的结果,最主要的原因是由于计算机处理器中的程序指数运算是近似计算,产生的结果有时有较大的误差,容易产生误动作;
(2)由于计算机的精度不高,而加减法运算时要对阶,大数“吃掉”了小数,产生了误差积累,导致下溢的出现,也是噪声的来源之一;
(3)由于计算机处理器是高速数字器件,所长它的运算器、控制器及控制寄存器易受电磁干扰。
以上硬件受到干扰引起的计算机出现的诸如:
程序计数器PC值变化、数据采集误差增大、控制状态失灵、RAM数据受干扰发生变化以及系统出现“死锁”等现象。
2.什么是信噪比和共模抑制比?
信号功率与噪声功率之比,或信号电压与噪声电压之比,称为信噪比,单位为分贝,即
信噪比是测试系统的一个重要特性参数,优化测试装置本身特性,重要的一点就是必须注意提高系统的信噪比。
共模抑制比
3.例举日常生活中的噪声耦合现象
唱歌时麦克风尖叫
4.干扰抑制有那些方法?
(一)屏蔽技术
屏蔽技术是抑制电、磁场干扰的重要措施。
正确的屏蔽可抑制干扰源(如电源变压器、线圈等干扰源),或阻截干扰进入仪表内部。
根据干扰源的形式可采用不同的屏蔽措施。
1、静电屏蔽,2、电磁屏蔽,3、磁屏蔽,4、驱动屏蔽
(二)隔离技术
隔离是抑制干扰的有效手段之一,仪器中的隔离可分为空间隔离和器件隔离。
空间隔离的实现手段有:
1)包裹干扰源2)功能电路合理布局3)信号之间的隔离。
器件隔离一般有隔离放大器,信号隔离变压器和光电隔离器。
(三)接地技术
在抗干扰措施中接地是与屏蔽紧密相关的,无论是电缆屏蔽还是屏蔽罩都必须有一个适当的接地点,才能有效地抑制干扰。
如果接地点选择不当,不但不能抑制干扰,反而会引起干扰,而使系统无法正常工作。
可见接地技术不容忽视。
一点接地准则如果一个测量系统分别设有信号地线(信号公共基准零电位),又有交流电源地线和安全保护地线时,则需将三种地线连在一起,再通过一点接地。
这就是一点接地的准则,其接线原理见图6-13。
图6-14接地测量系统a)两点接地b)信号源与地隔离的一点接地如果一个测量系统在两个不同点接地,因两接地点不易获得同一地电位,故对两点(多点)接地电路造成干扰。
这时地电位差就成为测量系统的共模干扰源,见图6-14a。
在信号源处有一接地点,在测量放大器处又有一个接地点,这两个接地点的地电位差就是引入共模干扰的主要来源。
图中Un是两点接地之间的电位差,Rn为地电阻;
Ri为放大器的输入阻抗;
R1、R2为信号线的等效电阻;
Rs、Us为信号源内阻和信号源电压。
(四)滤波技术
共模干扰并不是直接干扰电路,而是通过输入信号回路的不平衡转成串模干扰来影响电路的,而抑制串模干扰最常用的方法是滤波。
5.测试系统为何要一点接地?
因为地线是测试系统中各个测试装置公共的零电平参考点.理论上,地线所有位置的电平均应该相同.由于所有的导线都具有一定的阻抗,若各个测试装置在地线的不同位置接地,在地电流作用下,各个测试装置的接地点的电位可能会不等。
各个测试装置在地线的不同位置接地,也可能会产生环路电流并与其它电路产生藕合。
另外地线是所有信号电流都要流经的公共点,这可能引起公共地电阻的藕合干扰。
所以为了减少测试误差,就要求一点接地.
第5节
1.调试的一般过程?
1、各环节的单独调试
①接地检查,②单个仪器的检测,③短路检查,④输出检查;
2、连接
①编号,对传感器、电缆和通道进行编号。
②极性,有些电缆是有极性的,要按极性连接,特别是屏蔽线。
③断电连接;
3、统调
①系统检测,用标准信号源对测试系统的线性、满度、灵敏度、精度零漂、温漂等进行监测。
②校准,用标准被测量对测试系统的输出进行检查,并对测试系统的精度进行校准和标定。
③实测实验
4、故障排除(排除法、隔离法)
2.调试中首要注意什么?
为什么?
接地检查。
接地好坏不仅直接影响到测试精度,而且关系到仪器设备的安全。
接地是抗干扰的有效措施,但不良的接地或不合适的接地地点,会在测试中产生较大的电气干扰,同样会使测试受到严重的影响,甚至导致整个测试系统无法正常工作,对于大型设备和结构的多点测量,更应引起重视。
3.排除故障方法
当测试系统工作不正常时,要对测试系统进行系统故障排除,然后方可进行测试。
检查故障的方法有隔离法和排除法两种。
(1)排除法。
首先按下述方法对测试系统进行逐级检测,以确定故障发生的范围:
A、系统检测。
用标准信号源对测试系统的线性、满度、灵敏度、精度、零漂、温漂等指标逐一进行检测和记录,以便准确了解测试系统的工作状态,为测试误差
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