第十章：

測試系統設計石河子大學機械電氣工程學院電氣工程系石河子大學機械電氣工程學院干燥技術與裝備實驗室《機械工程測試技術》第十章 測試系統設計內容提示：測試系統的硬件測試系統的軟件測試系統的硬件過程通道主機人機界面過程通道的含義

為了建立計算機測控系統以實現對生產過程的控制，需要將生產過程中的各種必要信號（參數）及時地檢測傳送，并轉換成計算機能夠接受的數據形式。計算機對輸入數據進行適當的分析處理后，又以生產過程能夠接受的信號形式實現對生產過程的控制。這種完成在信號與計算機數據之間變換傳遞的裝置，我們稱之為過程輸入輸出通道，簡稱過程通道。過程通道的分類模擬量輸入通道模擬量輸出通道開關量輸入通道開關輸量出通道模擬量輸入通道模擬量輸入通道的典型結構

模擬量輸入通道包括：傳感器、模擬開關、信號調理電路、采樣/保持器、A/D轉換器模擬開關概念 在測控系統中，經常需要有多路和多參數的采集和控制，若每一路都單獨采用各自的輸入回路，即每一路都采用放大、采樣/保持，A/D等環節，不僅成本比單路成倍增加，而且會導致系統體積龐大，而且由于模擬器件、阻容元件參數特征的不一致，將對系統的校準帶來極大困難。因此，除特殊情況下采用多路獨立輸入通道外，通常采用模擬開關來實現這種功能。模擬開關的作用主要是用于多路信號的切換。模擬開關模擬多路開關的分類 機械觸點式和電子式兩種。電子式又分為分立式和集成式。這里簡要介紹一下集成式。

模擬開關模擬集成多路開關的選用 在進行模擬集成多路開關選擇時，常要考慮以下參數：通道數量：通道數量對切換開關傳輸被測信號的精度和切換速度都有直接影響，通道數目越多，寄生電容和泄漏電流越大泄漏電流：若信號源的內阻很大，傳輸的是個電流量，此時就更需要考慮多路開關的泄漏電流，一般泄漏電流越小越好。切換速度：切換速度直接影響到后續的A/D轉換等操作，因此，希望切換速度越快越好開關電阻：理想狀態的多路開關的導通電阻為零，而斷開電阻為無窮大。開關電阻值越小越好，以減小損耗 有很多A/D轉換芯片內部已經集成了多路開關功能。如TLC1543

信號調理電路 由傳感器輸出的模擬信號形式多樣，在進入A/D轉換器進行模數轉換前必須經過信號調理，使之成為能夠被特定A/D轉換器所接受的信號。信號調理通常包含以下幾個方面：放大（Amplification）功能在于提高信號測量的分辨率和提高信噪比隔離（Isolation）隔離器不經導線這種連接方式將信號由一處傳向另一處。常見的隔離方式有光電耦合、電磁耦合以及電容耦合。隔離的目的在于保護后續電路，排除接地回路或共模電壓干擾。濾波（Filtering）濾波就是濾除信號中所包含的噪聲。低通濾波、高通濾波、帶通濾波以及帶阻濾波采樣/保持器 對模擬信號進行A/D轉換時，需要一定的轉換時間，在這個轉換時間內，模擬型號要保持基本不變，這樣才能保證轉換精度。采樣/保持器就是完成這種功能的電路，它相當于一個模擬信號存儲器。 采樣/保持器有兩種工作方式，即采樣方式和保持方式。在采樣方式下，采樣/保持器的輸出必須跟蹤模擬輸入電壓；在保持方式下，采樣/保持器的輸出將保持采樣命令發出時刻的電壓輸入值，直到保持命令撤銷。目前，大多數A/D轉換芯片已將采樣/保持功能集成在芯片內。A/D轉換器概念 A/D轉換器是將模擬電壓或電流轉換成數字量的器件，它是模擬系統與數字系統之間的接口。 對于A/D轉換技術與原理，本章不作重點介紹。因為對于計算機控制系統的設計、開發人員而言，重要的是正確、合理地選取商品化的A/D芯片，了解它們的功能、應用以及接口方式。A/D轉換器1954"DATRAC"11-bit,50-kSPSVacuumTubeADCA/D轉換器A/D轉換器的主要性能指標分辨率（Resolution）——對于ADC而言，分辨率表示輸出數字量變化一個相鄰數碼所需輸入模擬電壓的變化量。具體定義為，滿量程電壓與2n的比值，其中n為ADC的位數。由于ADC分辨率的高低取決于位數的多少，因此，通常也以ADC的位數來表示分辨率。量化誤差（QuantizingError）——量化誤差是由ADC的有限分辨率所引起的誤差。在不計其它誤差的情況下，一個分辨率有限的ADC的階梯狀轉移特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉移特性曲線（直線）之間的最大偏差，稱為量化誤差。對于在零刻度處有1/2LSB偏移的ADC的量化誤差為±1/2LSB，沒有加入偏移量的ADC的量化誤差為1LSB。A/D轉換+1/2LSB-1/2LSBA/D轉換器A/D轉換器的主要性能指標偏移誤差（OffsetError）指輸入信號為零時，輸出信號不為零的值，因此又稱為零值誤差滿量程誤差（FullScaleError）又稱為增益誤差，是指滿量程輸出數值所對應的實際輸入電壓與理想輸入電壓之差A/D轉換器A/D轉換器的主要性能指標絕對精度（AbsoluteAccuracy）輸出數值所對應的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓值之差參考電壓（ReferenceInputVoltage）轉換速率（ConversionRate）在保證轉換精度的前提下，能夠重復進行數據轉換的速度，即每秒轉換的次數。而轉換時間則是指完成一次A/D轉換所需的時間A/D轉換器A/D轉換器的主要性能指標并行和串行輸出模擬輸入通道數轉換開始和轉換結束信號A/D轉換器A/D轉換器的分類 從電路結構上看，當前實現A/D轉換功能主要有閃爍型、積分型、逐次逼近型、和Σ-Δ型等。性能特點閃爍型積分型逐次逼近型Σ-Δ型分辨率/bit3-812-228-1616-24轉換速度高速低速中高速中低速功耗高低低中價格高低中中模擬量輸出通道模擬量輸出通道的作用 把系統輸出的數字量控制信息轉變為執行機構所需的模擬量信號。模擬量輸出通道的基本結構 其基本結構主要包括：D/A轉換器、多路開關、保持器、調理電路（如V/I等）等。模擬量輸出通道模擬量輸出信號的形式直流電流信號直流電壓信號模擬量輸出信號的形式直流電流信號 當測控系統輸出模擬信號需要傳輸較遠的距離時，一般采用電流信號而不是電壓信號，因為電流信號抗干擾能力強，信號線電阻不會導致信號損失。當把計算機與常規儀器儀表相配合組成顯示或控制系統時，各個單元之間的信號應當規范化。按照我國國家標準GB3369-52所規定的（工業自動化儀表用模擬直流電流信號）和國外IEC標準381所規定的（過程控制系統用模擬直流電流信號），直流電流信號分為兩種：一種是4～20mA（負載電阻250～750Ω）；另一種是0～10mA（負載電阻0～3000Ω)）。在采用4～20mA信號標準時，零毫安值表示信號電路或供電有故障。模擬量輸出信號的形式直流電壓信號 當測控系統輸出模擬信號需要傳輸給多個其它儀器儀表或控制對象時，一般采用直流電壓信號而不是直流電流信號。 這是因為，如果采用直流電流信號，為了保證多個接收信號的設備獲得同樣的信號，必須將它們的輸入端互相串聯起來。這就導致一個不可靠因素，當任何一個接收設備發生斷路故障時，其它接收設備也會失去信號。而且，互相串聯的各個接收設備輸入端對地電位不等，也會引起一些麻煩。在采用直流電壓信號的情況下，多個接收信號的設備的輸入端互相并聯起來便能獲得同樣的信號。為了避免導線電阻形成壓降而使信號改變，接收設備的輸入阻抗必須足夠高。但是，太高的輸入阻抗很容易引入電場耦合干擾。因此，直流電壓信號只適用于傳輸距離較近的場合。模擬量輸出信號的形式

對于采用4～20mA電流信號的系統，只需采用250Ω電阻就可將其變換為1～5V直流電壓信號。所以1～5V直流電壓信號也是常用的模擬信號形式之一。在采用1～5V信號標準時，1V以下的電壓值表示信號電路或供電有故障。直流4～20mA電流信號及1～5V電壓信號容易判別斷線和電源故障，所以受到國際的推薦和普遍的采用。D/A轉換器D/A轉換器的性能指標

在選用D/A轉換器時，應考慮的主要技術指標是分辨率、精度、輸出電平和穩定時間。D/A轉換器與A/D轉換器的分辨率和精度的含義是相同的。D/A轉換器D/A轉換器的輸出電平 D/A轉換器按輸出電平的類別有電壓輸出型和電流輸出型兩種，不同型號的D/A轉換器件的輸出電平相差較大。電壓輸出型的輸出電平一般為5～lOV，也有高達24～30V的高電平輸出D/A轉換器。電流輸出型的輸出，低的為20mA，高的可達3A。D/A轉換器D/A轉換器的穩定時間穩定時間指的是D/A轉換器在輸入代碼作滿量程值的變化時（例如從OOH變到FFH），其模擬輸出達到穩定（一般指達到離終值士1/2LSB值相當的模擬量范圍內）所需的時間，一般為幾十納秒到幾微秒。電流輸出型的D/A轉換器的穩定時間短，電壓輸出型D/A轉換器的穩定時間主要取決于運算放大器的過渡過程。D/A轉換器D/A轉換器AD5627RD/A轉換器AD5627R的引腳分布開關量輸入通道開關量信號的概念 開關信號是指在有限的離散瞬間上取值間隔的信號。如果開關量信號的幅值為TTL或CMOS電平，則又可將該組開關量信號稱為數字量信號。 “開”和“關”對應著電平的變化。開關量輸入通道開關量輸入通道的作用

開關量輸入通道的任務主要是將現場輸入的開關量信號經轉換、保護、濾波、隔離等措施轉換成計算機能夠接收的邏輯信號。 具體到測試系統中，開關量輸入通道主要發揮以下作用：定時記錄生產過程中某些設備的狀態，例如電動機是否在運轉、閥門是否開啟等。對生產過程中某些設備的狀態進行檢查，以便發現問題進行處理。若有異常，及時向主機發出中斷請求信號，申請故障處理，保證生產過程的正常運轉。開關量輸入通道常見的開關量輸入形式開關狀態檢測——查詢、中斷脈寬測量，如超聲波測距脈沖計數，如旋轉編碼器開關量輸入通道開關量輸入通道開關量輸入通道的典型結構開關量輸入通道主要由輸入接口電路、地址譯碼器以及相關的輸入調理電路組成。開關量輸入通道接口電路：緩沖或鎖存外部輸入信號地址譯碼器：選通對應的開關量輸入通道開關量輸入通道

輸入電路的主要任務是考慮電平轉換、濾波、過電壓保護、反電壓保護、光電隔離等。電平轉換是用電阻分壓法把現場的電流信號轉換為電壓信號RC濾波是用RC濾波器濾出高頻干擾過電壓保護是用穩壓管和限流電阻作過電壓保護；用穩壓管或壓敏電阻把瞬態尖峰電壓箝位在安全電平上反電壓保護是串聯一個二極管防止反極性電壓輸入光電隔離用光耦隔離器實現計算機與外部的完全電隔離開關量輸入通道邏輯電平

最常見的兩種邏輯系列：TTL（晶體管-晶體管邏輯）和CMOS（互補MOS邏輯）。開關量輸入通道典型的輸入調理電路開關量輸入通道電平轉換開關量輸出通道開關量輸出通道的作用

對于只有兩種工作狀態的執行機構或器件，用計算機控制系統輸出開關量來控制它們，例如控制馬達的啟動和停止，信號指示燈的亮和滅，電磁閥的打開與關閉，繼電器的接通與斷開，步進電機的運行等。開關量輸出通道的任務就是把計算機輸出的開關信號傳送給這些執行機構或器件。開關量輸出通道開關量輸出通道的典型結構開關量輸出通道開關量輸出通道開關量輸出驅動 同計算機直接接口的一般TTL或CMOS電路的驅動能力都是很有限的。多數74LS系列TTL電路的低電平輸出電流最大僅為8mA，高定平輸出僅為0.4mA;4000系列CMOS的輸出還不足1mA。而某些執行器件需要較大的驅動電流，這就必須附加驅動電路。常用的開關量輸出驅動電路有以下幾種。TTL三態門緩沖器集電極開路（OC）門門電路外加晶體管達林頓晶體管陣列開關量輸出通道TTL三態門緩沖器如74LS240、74LS244和74LS245都屬于TTL三態緩沖器，這類芯片的驅動能力要高于一般的TTL電路，其高定平輸出電流IO=-15mA，低電平輸出電流IO=24mA，可被用于驅動光耦、小尺寸LED數碼管、中功率晶體管等。開關量輸出通道集電極開路門

OC門電路的輸出級是一個集電極開路的晶體管。在搭建電路時，OC門輸出端必須外加一個接至正電源的負載才能正常工作，負載正電源+U可以比TTL電路的UCC高出很多（方便用于電平轉換）。例如，7406、7407OC門輸出級截止時的耐壓可達30V，輸出電平時吸收電流的能力可達40mA。在實際應用中，OC門電路常被用于驅動微型繼電器、LED數碼管等。開關量輸出通道門電路外加功率晶體管門電路外加晶體管可以為直流執行器件提供更大的驅動電流。小型的功率管的驅動能力大約為10～50mA，中型的可達50～500mA。需要注意的是，門電路輸出為高電平時，必須保證能夠提供給功率管足夠的基極電流，是其飽和導通。若負載位感性的，應在負載上并聯續流二極管。開關量輸出通道達林頓晶體管陣列驅動器達林頓晶體管真理驅動器適用于多路開關量中功率驅動電路。例如MC1416包含7路開關量驅動器。開關量輸出通道達林頓晶體管陣列驅動器MC1416的特性如下：每路輸出電流達500mA，但總電流不得超過2.5A；輸出端截止時耐壓可達100V輸入端可與多種TTL及CMOS電路兼容開關量輸出通道執行機構

執行機構的作用是接收計算機發出的控制信號，并把它轉換成調整機構的動作，使生產過程按照預先規定的要求正常進行。執行機構有各種各樣的形式，按所需能量的形式可分為氣動執行機構、電動執行機構和液壓執行機構。電動執行機構是工程上應用最多、使用最方便的一種執行器，特點是體積小、種類多、使用方便。下面簡單介紹幾種常用的電動執行機構。開關量輸出通道電動執行機構電磁繼電器電磁閥晶閘管（Thyristor）固態繼電器(SSR)開關量輸出通道電磁繼電器

電磁繼電器是一種由小電流的通斷控制大電流通斷的常用開關控制器件，主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成。繼電器的觸點是與線圈分開的，通過控制繼電器線圈上的電流可以使繼電器上的觸點開關閉合或斷開，從而使外部高電壓或大電流與微型機隔開。電磁式繼電器線圈的驅動電源可以是直流的，也可以是交流的，電壓規格很多。輸出觸點的電流、電壓也有很多種規格。電磁式繼電器的線圈、觸點可以使用各自獨立的電源，兩者之間相互絕緣。它還有很大的電流放大作用，因此，電磁式繼電器是一種很好的開關量輸出隔離及驅動器件。不足是機械式觸點動作時間較慢，在開關瞬間觸電容易產生火花，引起干擾，縮短使用壽命。開關量輸出通道電磁繼電器的幾種附加電路 電磁繼電器在應用中往往還要加上一些附加電路以改變繼電器的工作特性或起保護作用。繼電器的附加電路主要有如下三種形式：開關量輸出通道電磁閥 電磁閥是在氣體或液體流動的管路中受電磁力控制開閉的閥體。廣泛應用于液壓機械、空調系統、熱水器、自動機床等系統中。它由線圈、固定鐵心、可動鐵心和閥體等組成。當線圈不通電時，可動鐵心受彈簧作用與固定鐵心脫離，閥門處于關閉狀態；當線圈通電時，可動鐵心克服彈簧力的作用而與固定鐵心吸合，閥門處于打開狀態。這樣，就控制了液體和氣體的流動。再通過流動的液體或氣體推動油缸或汽缸來實現物體的機械運動。開關量輸出通道電磁閥電磁閥分為常開和常閉兩種。電磁閥的線圈長時間通電會產生發熱現象，嚴重的會將線圈燒毀，因此，應根據應用進行合理選取。電磁閥有交流和直流之分。交流電磁閥使用方便，但容易產生顫動，啟動電流大，并會引起發熱。直流電磁閥工作可靠，但需專門的直流電源，電壓分12V、24V和48V。開關量輸出通道晶閘管

晶閘管又可稱為可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）,簡稱為可控硅，是在晶體管基礎上發展起來的一種大功率半導體器件。它的出現使