《现代测试系统》PPT课件

电 机 与 电 器 微 机 测 试 习 惯 把 具 有 自 动 化 、 智 能 化 、 可 编 程 化 等 功能 的 测 试 系 统 称 为 现 代 测 试 系 统 。1、 智 能 仪 器2、 自 动 测 试 系 统3、 虚 拟 仪 器 1、 智 能 仪 器n n 所谓智能仪器是用以形容新的一代测量仪器这类仪器仪表中含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，有时亦称为内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器。这类仪器，因为功能丰富又很灵巧，国外书刊中常简称为智能仪器。 智 能 仪 器 的 特 点 （ 1） 具 有 自 动 校 准 的 功 能 ； （ 2） 具 有 强 大 的 数 据 处 理 能 力 ； （ 3） 具 有 量 程 自 动 切 换 的 功 能 ； （ 4） 具 有 操 作 面 板 和 显 示 器 ；（ 5） 具 有 修 正 误 差 的 能 力 ； （ 6） 有 简 单 的 报 警 功 能 。 自动校准功能一 般 仪 器 在 使 用 前 都 要 进 行 刻 度 校 准 。在 使 用 中 ， 随 着 仪 表 温 度 升 高 ， 元 件 的 参数 往 往 会 发 生 变 化 ， 还 有 诸 如 电 网 干 扰 、噪 声 等 因 素 的 影 响 ， 原 来 校 准 好 的 状 态 会受 到 破 坏 ， 导 致 前 后 测 量 的 数 据 不 一 致 。智 能 仪 器 不 仅 可 以 自 动 校 准 还 可 以 在 测量 过 程 中 定 期 校 准 。 这 样 测 量 的 一 致 性 条件 校 好 ， 减 小 了 误 差 。 智 能 仪 器 的 一 般 结 构 ：在 物 理 结 构 上 ， 微 型 计 算 机 内 含 于 测 量 仪 器 。微 处 理 器 及 其 支 持 部 件 是 整 个 测 试 电 路 的 一 个组 成 部 分 ， 但 是 ， 从 计 算 机 的 观 点 来 看 ， 测 试电 路 与 键 盘 、 GPIB接 口 、 显 示 器 等 部 件 一 样 ，仅 是 计 算 机 的 一 种 外 围 设 备 。二 、 软 件 是 智 能 仪 器 的 灵 魂 。 智 能 仪 器 的 管 理 程序 也 称 监 控 程 序 ， 分 析 、 接 受 、 执 行 来 自 键 盘或 接 口 的 命 令 ， 完 成 测 试 和 数 据 处 理 等 任 务 。软 件 存 于 ROM或 EPROM. 智 能 仪 器 的 基 本 组 成 智 能 仪 器 工 作 过 程1、 微 处 理 器 接 收 来 自 键 盘 或 GPIB接 口 命 令 ，解 释 并 执 行 这 些 命 令 ；2、 微 处 理 器 通 过 接 口 发 出 各 种 控 制 信 息 给 测试 电 路 ， 以 规 定 功 能 、 启 动 测 量 、 改 变 工 作方 式 等 ，3、 当 测 试 电 路 完 成 一 次 测 量 后 ， 微 处 理 器 读取 测 量 数 据 ， 进 行 必 要 的 加 工 、 计 算 、 变 换等 处 理 ， 最 后 以 各 种 方 式 输 出 。 2、 自 动 测 试 系 统n一 个 自 动 测 试 系 统 ， 一 般 由 四 部 分 组成 ： 第 一 是 微 机 或 微 处 理 器 ， 它 是整 个 系 统 的 核 心 ； 第 二 是 被 控 制 的 测量 仪 器 或 设 备 ， 称 为 可 程 控 仪 器 ；第 三 是 接 口 ； 第 四 是 软 件 。自 动 测 试 系 统 基 本 构 成 (一 )微 机 (或 微 处 理 器 ) 这 是 整 个 系 统 的 核 心 。 在 软 件 控 制 下 ，微 机 控 制 够 个 自 动 测 试 系 统 正 常 运 转 ， 并对 测 量 数 据 进 行 某 种 方 式 的 处 理 ， 如 计 算 、变 换 、 数 据 处 理 、 误 差 分 析 等 ； 最 后 将 测量 结 果 通 过 打 印 机 、 显 示 器 、 磁 盘 磁 卡 或电 表 、 数 码 显 示 等 方 式 输 出 。 (二 )可 程 控 仪 器 或 设 备 在 自 动 测 试 过 程 中 ， 测 量 仪 器 或 设 备 的工 作 ， 如 测 量 功 能 、 工 作 频 段 、 输 出 电 平 、量 程 等 的 选 择 和 调 节 都 是 由 微 机 所 发 控 制指 令 的 控 制 下 完 成 的 。 这 种 能 接 受 程 序 控制 并 据 之 改 变 内 部 电 路 工 作 状 态 ， 以 及 完成 特 定 任 务 的 测 量 仪 器 称 为 仪 器 的 可 程 序控 制 ， 简 称 可 程 控 ， 或 称 程 控 仪 器 。 显 然程 控 仪 器 是 组 成 自 动 测 试 系 统 的 基 本 部 分 。 (三 )接 口q 一 个 自 动 测 试 系 统 中 ， 各 仪 器 和 设 备 之 间的 接 口 的 总 体 称 为 该 自 动 测 试 系 统 的 接 口 系统 。 显 然 ， 接 口 系 统 是 自 动 测 试 系 统 达 到 自动 测 试 目 的 ， 使 自 动 测 试 系 统 各 仪 器 和 设 备之 间 进 行 有 效 通 信 的 重 要 环 节 。q60年 代 中 期 以 前 ， 接 口 是 专 用 的 和 非 标 准 化的 ， 即 是 专 门 为 某 一 自 动 测 试 系 统 而 设 计 制造 的 ， 设 计 和 制 造 不 具 有 重 复 性 。 接 口 的 主 要 任 务 是 在 下 列 方 面 提 供 仪 器 与 计 算机 连 接 需 要 的 兼 容 。 机 械 兼 容 对 接 口 的 最 简 单 的 要 求 是 提 供 机 械 兼 容 ，就 是 要 有 适 当 的 连 接 器 和 它 们 之 间 的 连 线 。 电 磁 兼 容 接 口 的 第 二 种 作 用 是 使 计 算 机 和 探 器 之 间有 适 配 的 电 器 特 性 即 在 逻 辑 电 平 方 面 要 相 符 合 。 数 据 兼 容 一 旦 接 口 已 使 计 算 机 和 仪 器 实 现 了 机 械 和电 器 兼 备 它 们 就 能 通 过 数 据 线 交 换 电 信 号 信 息 ， 但 需 要某 种 格 式 翻 译 ， 有 种 种 编 程 能 力 的 计 算 机 通 常 能 执 行 这种 功 能 ， 考 虑 到 速 度 ， 往 往 把 这 个 任 务 交 给 接 口 完 成 。 自 动 测 试 技 术 源 于 70年 代 ， 发 展 至 今 大 致 可 分 为三 代 ， 其 系 统 组 成 结 构 也 有 较 大 的 不 同 。v 第 一 代 自 动 测 试 系 统 第 一 代 自 动 测 试 系 统 多 为 专 用 系 统 ， 通 常 是 针 对 某项 具 体 任 务 而 设 计 的 。 其 结 构 特 点 是 采 用 比 较 简 单的 定 时 器 或 扫 描 器 作 为 控 制 器 ， 其 接 口 也 是 专 用 的 。因 此 ， 第 一 代 测 试 系 统 通 用 性 比 较 差 。自 动 测 试 系 统 发 展 历 程 v第 二 代 自 动 测 试 系 统 第 二 代 自 动 测 试 系 统 典 型 方 块 图 如 图 所 示 。 与第 一 代 自 动 测 试 系 统 的 主 要 不 同 在 于 ： 采 用 了标 准 化 的 通 用 可 程 控 测 量 仪 器 接 口 总 线 (IEEE 488)及 可 程 序 控 制 的 仪 器 和 测 控 计 算 机 (控 制 器 )，从 而 使 得 自 动 测 试 系 统 的 设 计 、 使 用 和 组 装 都比 较 容 易 。 v第 三 代 自 动 测 试 系 统 第 二 代 自 动 测 试 系 统 虽 然 比 人 工 测 试 显 示 出 前所 未 有 的 优 越 性 ， 但 是 在 这 些 系 统 中 ， 电 子 计算 机 并 没 有 充 分 发 挥 作 用 ， 系 统 中 仍 是 使 用 传统 的 测 试 设 备 (只 不 过 是 配 备 了 新 的 标 准 接 口 )，整 个 系 统 的 工 作 过 程 基 本 上 还 是 对 传 统 人 工 测试 的 模 拟 。 于 是 出 现 了 虚 拟 仪 器 。 n 虚 拟 仪 器 （ Virtual Instrument简 称 VI） 是计 算 机 技 术 同 仪 器 技 术 深 层 次 结 合 产 生 的全 新 概 念 的 仪 器 ， 是 对 传 统 仪 器 概 念 的 重大 突 破 ， 是 仪 器 领 域 内 的 一 次 革 命 。 虚 拟仪 器 是 继 第 一 代 仪 器 模 拟 式 仪 表 、 第二 代 仪 器 分 立 元 件 式 仪 表 、 第 三 代 仪器 数 字 式 仪 表 、 第 四 代 仪 器 智 能化 仪 器 之 后 的 新 一 代 仪 器 。虚 拟 仪 器 1 虚 拟 仪 器 的 内 部 功 能 测 量 仪 器 的 内 部 功 能 可 划 分 为 ： 输 入 信 号 的 测 量 、 转 换 、 数据 分 析 处 理 及 测 量 结 果 的 显 示 四 个 部 分 。 虚 拟 仪 器 也 不 例 外 ，但 是 实 现 上 述 功 能 的 方 式 不 同 ， 下 面 按 三 个 部 分 来 叙 述 。（ 1） 信 号 采 集 与 控 制 功 能 虚 拟 仪 器 是 由 计 算 机 和 仪 器 硬 件 组 成 的 硬 件 平 台 ， 实 现 对 信号 的 采 集 、 测 量 /转 换 与 控 制 的 。 硬 件 平 台 由 两 部 分 组 成 ：1、 计 算 机 可 以 是 笔 记 本 计 算 机 、 PC机 或 工 作 站 ；2、 仪 器 硬 件 ： 可 以 是 插 入 式 数 据 采 集 板 （ 含 信 号 调 理 电 路 、 A D转 换 器 、 数 字 I O、 定 时 器 、 D A转 换 器 等 ） ， 或 者 是带 标 准 总 线 接 口 的 仪 器 ， 如 GPIB仪 器 、 VXI仪 器 、 RS 232仪器 等 )。 (2)数 据 分 析 处 理 功 能 虚 拟 仪 器 充 分 利 用 了 计 算 机 的 存 储 、 运 算 功 能 ， 并 通 过 软 件 实现 对 输 入 信 号 数 据 的 分 析 处 理 。 处 理 内 容 包 括 进 行 数 字 信 号 处 理 数 字 滤 波 统 计 处 理 、 数 值 计 算 与 分 析 等 。 虚 拟 仪 器 比 传 统 仪 器以 及 以 微 处 理 器 为 核 心 的 智 能 仪 器 有 更 强 大 的 数 据 分 析 处 理 功 能 。 (3) 测 量 结 果 的 表 达 虚 拟 仪 器 充 分 利 用 计 算 机 资 源 如 内 存 、 显 示 器 等 ， 对 测 量 结 果数 据 的 表 达 与 输 出 有 多 种 方 式 ， 这 也 是 传 统 仪 器 远 不 能 及 的 。 例如 ， 虚 拟 仪 器 可 以 实 现 ： 通 过 总 线 网 络 进 行 数 据 传 输 ； 通 过 磁 盘 、 光 盘 硬 拷 贝 输 出 ； 通 过 文 件 存 于 硬 盘 内 存 中 ； 计 算 机 屏 幕 显 示 。 VI构 成 要 素n 虚 拟 仪 器 系 统 是 由 计 算 机 、 应 用 软 件和 仪 器 硬 件 三 大 要 素 构 成 的 。 计 算 机 与仪 器 硬 件 又 称 为 VI的 通 用 仪 器 硬 件 平 台 。 n 软 件 技 术 是 虚 拟 仪 器 的 核 心 技 术 。 常 用 的 仪 器用 开 发 软 件 有 LabVIEW、 LabWindows/CVI、VEE等 等 。 这 些 软 件 已 相 当 完 善 ， 而 且 还 在 升级 、 提 高 。 以 LabVIEW为 例 ， 这 是 基 于 图 形 化编 程 语 言 G的 开 发 环 境 ， 用 于 如 GPIB、 VXI、PXI、 PCI仪 器 及 数 据 采 集 卡 等 硬 件 的 系 统 构 成 ，而 且 ， 具 有 很 强 的 分 析 处 理 能 力 。 1、 编 程 设 计 图 形 化 软 件 模 块 提 供 图 形化 编 程 环 境 ， 通 过 调 用 控 件 、 库 函 数 原码 模 块 进 行 仪 器 面 板 设 计 和 数 据 分 析 处理 。2、 仪 器 驱 动 程 序 （ Instrument Drivers)与 用 户 接 口 开 发 工 具 （ User Interface Development)标 准 软 件 模 块 。LabView软 件 组 成 虚 拟 仪 器 的 分 类 :从 技 术 发 展 的 角 度 来 看 ， 虚 拟 仪 器 走 的 是 两条 技 术 路 线 ：一 条 是 向 高 速 、 高 精 度 、 大 型 自 动 测 试 设 备（ ATE） 方 向 发 展 ， 即 GPIB（ 1975） VXI（ 1987） PXI（ 1997） 的 发 展 路 线 ；另 一 条 是 向 高 性 能 、 低 成 本 、 普 及 型 系 统 方向 发 展 ， 即 PC插 卡 （ 1987） 并 口 式（ 1995） 串 口 USB（ 1999） 的 技 术 路 线 。 虚 拟 仪 器 的 发 展 随 着 微 机 的 发 展 和 采 用 总 线 方 式 的 不 同 ，可 分 为 五 种 类 型 ：第 一 类 ： PC总 线 插 卡 型 虚 拟 仪 器这 种 方 式 借 助 于 插 入 计 算 机 内 的 数 据 采 集 卡 与 专 用 的 软 件如 LabVIEW相 结 合 。 但 是 受 PC机 机 箱 和 总 线 限 制 ， 且 有 电源 功 率 不 足 ， 机 箱 内 部 的 噪 声 电 平 较 高 ， 插 槽 数 目 也 不 多， 插 槽 尺 寸 比 较 小 ， 机 箱 内 无 屏 蔽 等 缺 点 。 另 外 ， ISA总线 的 虚 拟 仪 器 已 经 淘 汰 ， PCI总 线 的 虚 拟 仪 器 价 格 比 较 昂贵 。 第 二 类 ： 并 行 口 式 虚 拟 仪 器最 新 发 展 的 一 系 列 可 连 接 到 计 算 机 并 行 口 的 测 试 装 置 ， 它们 把 仪 器 硬 件 集 成 在 一 个 采 集 盒 内 。 仪 器 软 件 装 在 计 算 机上 ， 通 常 可 以 完 成 各 种 测 量 测 试 仪 器 的 功 能 ， 可 以 组 成 数字 存 储 示 波 器 、 频 谱 分 析 仪 、 逻 缉 分 析 仪 、 任 意 波 形 发 生器 、 频 率 计 、 数 字 万 用 表 、 功 率 计 、 程 控 稳 压 电 源 、 数 据记 录 仪 、 数 据 采 集 器 。 它 们 的 最 大 好 处 是 可 以 与 笔 记 本 计算 机 相 连 ， 方 便 野 外 作 业 ， 又 可 与 台 式 PC机 相 连 ， 实 现 台式 和 便 携 式 两 用 ， 非 常 方 便 。 由 于 其 价 格 低 廉 、 用 途 广 泛 ，特 别 适 合 于 研 发 部 门 和 各 种 教 学 实 验 室 应 用 。 GPIB总 线 (General Purpose Interface Bus), 即 IEEE488通 用 接 口总 线 ,是 HP公 司 在 70年 代 推 出 的 台 式 仪 器 接 口 总 线 , 因 此 又 叫HPIB(HPInterfaceBus)。 该 标 准 总 线 在 仪 器 、 仪 表 及 测 控 领 域 得 到 了 最 为 广 泛 的 应用 。 这 种 系 统 是 在 微 机 中 插 入 一 块 GPIB接 口 卡 ,通 过 电 缆 连 接到 仪 器 端 的 GPIB接 口 。 当 微 机 的 总 线 变 化 时 , 例 如 采 用 ISA或 PCI等 不 同 总 线 ,接 口 卡 也 随 之 变 更 ,其 余 部 分 可 保 持 不 变 , 从 而 使 GPIB系 统 能 适 应 微 机 总 线 的 快 速 变 化 。 由 于 GPIB系 统在 PC出 现 的 初 期 问 世 , 所 以 有 一 定 的 局 限 性 。 如 其 数 据 线 只有 8根 , 用 位 并 行 、 字 节 串 行 的 方 式 传 输 数 据 ,传 输 速 度 最 高 1 y/ ,传 输 距 离 20 (加 驱 动 器 能 达 500 ) 。第 三 类 GPIB总 线 方 式 虚 拟 仪 器 第 四 类 ： VXI总 线 方 式 虚 拟 仪 器VXI总 线 (VME busextension for instrumentation)。该 总 线 是 VME计 算 机 总 线 在 仪 器 领 域 中 的 扩 展 , 其 中VME总 线 是 一 种 工 业 微 机 的 总 线 标 准 , 主 要 用 于 微 机和 数 字 系 统 领 域 。优 点 ： 系 统 具 有 小 型 便 携 、 高 速 数 据 传 输 、 模 块 式 结 构 、系 统 组 建 灵 活 等 特 点 。 1998年 修 订 的 2 0版 本 规 范 提 供了 64位 扩 展 能 力 ,使 数 据 传 输 率 最 高 进 一 步 提 高 到 80 y/ 。缺 点 ： 组 建 VXI总 线 要 求 有 机 箱 、 零 槽 管 理 器 及 嵌 入 式 控 制 器 ，造 价 比 较 高 。 第 五 类 ： PXI总 线 方 式 虚 拟 仪 器PXI（ PCI eXtensions for Instrumentation） 充 分 利 用 了 当 前最 普 及 的 台 式 计 算 机 高 速 标 准 结 构 PCI。PXI是 一 个 模 块 化 的 平 台 。 系 统 的 物 理 主 机 是 一 个 拥 有 2至31个 槽 位 的 机 箱 ， 有 的 机 箱 还 带 有 内 置 的 显 示 器 和 键 盘 。机 箱 的 第 一 槽 （ Slot 1） 是 控 制 器 槽 。 机 箱 中 的 其 它 槽 位 被称 为 外 部 设 备 槽 ， 用 于 插 置 功 能 模 块 ， 就 像 计 算 机 里 的 PCI槽 一 样 。 一 个 PXI 系 统 通 过 MXI-2 连 接 VXI 机 箱 ， 就 像在 VXI 背 板 上 直 接 插 入 了 一 个 VXI嵌 入 式 控 制器 一 样 。 工 程 师 可 以 由 PXI控 制 器 设 置 所 有 的 系统 设 备 并 与 之 通 信 ， 从 而 将 一 个 已 有 的 VXI 系统 合 并 到 一 个 新 的 PXI 系 统 中 。 工 程 师 们 可 以根 据 需 要 逐 步 的 将 他 们 的 VXI系 统 升 级 到 PXI。 使 用 MXI-3， 台 式 计 算 机 上 的 CPU 可 以 透 明 地 设置 和 控 制 PXI/CompactPCI 模 块 。 在 BIOS和 操 作 系统 看 来 ， PXI模 块 就 像 插 在 PC上 的 PCI板 卡 一 样 。MXI-3和 PXI 机 箱 组 合 是 扩 展 系 统 I/O 的 一 个 极 佳选 择 。一 块 PCI MXI-3板 卡 插 在 台 式 计 算 机 上 ， 并 与 插 在PXI机 箱 控 制 器 槽 内 的 PXI MXI-3模 块 通 过 电 缆 相连 ， 实 现 通 信 。 PXI 配 置 的 灵 活 性 智 能 仪 器 和 虚 拟 仪 器 区 别n 智 能 仪 器 和 虚 拟 仪 器 的 区 别 在 于 它 们 所 用的 微 机 是 否 与 仪 器 测 量 部 分 融 合 在 一 起 ，也 即 采 用 专 门 设 计 的 微 处 理 器 、 存 储 器 、接 口 芯 片 组 成 的 系 统 ， 还 是 用 现 成 的 PC机配 以 一 定 的 硬 件 及 仪 器 测 量 部 分 组 合 而 成的 系 统 。