第8章+计算机测试系统

采样/保持电路是一种用逻辑电平控制其工作 状态的器件，具有两个稳定的工作状态：
跟踪状态。接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟
输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。
保持状态。对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入
信号进行保持。
采样/保持电路是在“保持”命令发出的瞬间 进行采样，而在“跟踪”命令发出时，采样/ 保持电路跟踪模拟输入量，为下次采样做准备。
专用接口型计算机测试系统由具有特定功能的模块相互 连接而成，是更专业、更大型、性能更优异的数据采集系统， 其数据采集速度、通道数、抗干扰能力及专用数据采集和分 析处理软件等性能指标都优于标准通用接口型，他在航空、 航天、军事等领域应用较广。例如，美国Nicolet公司生产的 Odyssey型多通道采集记录分析仪、Pacific公司生产的 Pacific-6000型数据采集系统就是在航天测控领域中应用较广 的两种专用测试系统。
码器，产生n个选址信号（相当于片选信号，低电平有效），分别接各片 CD4501的禁止端，即可把通道数扩展为8n个。
将n片CD4501加以组合，采用集成的地址译码器产生n个选址信号。 将n片CD4501加以组合，另外使用一片CD4501完成地址译码功能。
如图所示为32路选1电路，从0~31，共32个通道
2、计算机测试系统的基本结构 测试应用中，按照不同的测试要求，测试系统的 设计可以设计成不同的结构形式，大体可分为基 本型、标准通用接口型、专用接口型和闭环控制 型等类型。
参量1 传感器 1 传感器 2 传感器 n 信号 调理 信号 调理 信号 调理 数 据 获 取 子 系 统 计算机
参量2
参量n
1、发展简史
计算机测试技术的研究和应用自20世纪60年代开始获得 实质性的发展，随着一些高性能的ADC、DAC插卡、专 用预处理模块和专用测试分析软件的相继出现，产生了以 个人计算机为主的各种数据采集仪和分析仪。
由于通信、网络、微米/纳米技术、微机电技术及 新型传感器技术的进步，计算机测试系统设计更 加灵活。系统设计方式从以单片微机为基础的智 能仪器到到以总线技术为基础的自动测试系统和 以网络为基础的网络化测试系统，满足了测试领 域不同的应用需要。
本章重点：

数据采集理论和技术。 自动测试系统设计方法。 智能仪器设计。
8.1 概述
计算机测试系统是传感器技术、 数据采集技术、信号处理技术和计 算机技术在测试领域技术融合的产 物，它既能实现对信号的检测，又 能对测得的信号进行计算、分析、 处理和判断，目前已经成为测试系 统和测试仪器设计的主体模式。
反馈型采样/保持电路
反馈型采样保持电路如图b所示，输出电压UO反馈 到输入端，使A1和A2共同组成一个跟随器。
开关K1和K2关系互补，当K1闭合时，K2断开；K2闭合时， K1断开。当K1闭合，K2断开时，两块运放A1和A2共同组成 一个跟随器，采样／保持器工作于跟踪状态。
当K1断开，K2闭合时，采样/保持电路工作与保持状态。此 时，保持电容CH的端电压UC保持在K1断开瞬间UI的值上， 使UO与UI的值保持一致。
IC3 CD4501 I/O4
24 31
……
……
8.2.2 采样/保持电路
采样/保持电路（S/H）是数据采集和数据分配系 统中的重要组成部分，其基本功能是“冻结”时 变信号的瞬时值，以确保信号A/D转换时间内模 拟信号基本保持不变，以确保转换精度，而在 A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。因此， 采样保持电路在保持阶段相当于一个“模拟信号 存储器”。：
…
…
…
输出、绘图、 显示、打印
计算机测试系统主要分为5个部分，即传感模块， 信号调理模块、数据获取子系统、计算机平台和 测试软件平台。通常数据获取子系统和计算机平 台称为计算机测试系统的硬件平台，主要结构类 型 如下。
基本型结构
基本型是目前计算机测试系统的主要形式，由多路传感器、 信号调理器、数据采集卡（板）计算机及测试软件等组成， 各部分之间的连接是通过适当的I/O接口和总线来实现， 能完成对多通道和多种参量的自动检测。
高精度、高分辨率 高速实时数据分析处理 性能可靠、稳定，维修方便 数据输出与存储方便 功能开放性 自校准和自诊断功能
8.2 数据采集系统
在计算机测试系统中，将模拟信号转换为相对应的计算 机可使用的数字信号的过程称为数据采集。数据采集系统则 是实现数据采集，并由计算机进行存储、处理、显示或打印 的过程。相应的系统称为数据采集系统。
在保持状态，影响输出电压精度的因素是保持状态前瞬 间A1运放的失调电压。所以，这种类型的采样/保持电路 的精度高于串联型。
3、采样/保持电路的主要性能参数
采样/保持电路的主要性能参数如图所示：
U
模拟输入信号 TAP TAC 保持 跟踪 保持
O
t
捕捉时间TAC
捕捉时间TAC是指当采样保持电路从保持状态转到跟踪（采样）状 态时，采样/保持电路的输出从保持状态的值变化到当前的输入值 所需要的时间，如上图所示。捕捉时间包括逻辑输入开关的动作时 间、保持电容的充电时间、放大器的设定时间等。
23 22 21 20
2、集成多路模拟开关的应用
数据采集系统中，实际采样点可能多达几十 个、甚至几百个，而一片模拟多路开关的通道 最多时有8路。 以典型集成模拟开关CD4501进行介绍 。 （1）CD4501芯片结构及工作原理 CD4501芯片的结构及管脚功能如图
INH 6 UDD 16 (+15V) 地 8 C 9 B 10 A 11 电平转换 S4 S6 Sm S7 S5 INH UEE GND 1 2 3 4 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 UDD S2 S1 S0 S3 A B C
1、工作原理
采样保持电路在原理上由一个开关和一个电容 构成，电容用于存储模拟电压，开关用于转换工作 状态，因此采样保持电路本质上是一种具有信号输 入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路 。
模拟输入信号 UI 逻辑控制信号 CH K UC A UO
控制信号
跟踪
保持
t
UI UO
t1
t2
t3
t4
t5
UI1 UI2 UI3 UI15 UI16
T1 T2 T3
Uo
…
……
1 四位计数器
T15 T16
16
2 3 …… 15 四—十六线译码器
计数
工作原理：计算机送出四位二进制数，如要选择 第１路输入信号，则把计数器置为0001状态，经 四－十六译码器后，第1根线输出高电平，场效应 管T1导通，，选中第1路信号。如果要连续选通第 1路到第3路的信号，可以在计数器加入计数脉冲， 每加入一次脉冲，计数器的值加1，状态依次变为 0001，0010，0011。
开关主体 模拟输入信号 模拟输出信号
控制信号
驱动电路
开关元件—用于切换模拟信号的； 驱动电路—按照控制指令，驱动开关元件完成通断转换的。
工程应用中，数据采集系统主要采用集成多 路模拟开关，因此本节重点讨论集成多路开关。
一般的模拟多路开关必须与地址计数器和译 码器配合使用，才能在计算机的控制下分别选 通各路模拟信号。集成多路开关将多路开关、 计数器、译码器及控制电路集成在一块芯片上， 给数据采集系统的设计带来了很大方便。 16路集成多路开关，模拟量输入部分由16 个漏极连在一起的场效应管开关做成，开关驱 动部分包括一个四位计数器和一个四－十六线 译码器，如图所示：
译码驱动
CD 5 4501
UEE 7 (-15V) 3 4 2 5 1 12 15 14 13 Sm S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 S0
该型芯片采用16脚双列直插式封装，8通道单刀结构， 允许双向使用，即可用于多到一的切换输出，也可用 于一到多的输出切换。CD4501由三根地址线A，B，C 及控制线 INT的状态来选择8路中的一路，INT 0 （低 电平），芯片使能，其真值表如表所示。
（1）多路模拟开关的通道扩展方法 数据采集系统中，实际采样点通常较多，因此 需要对通道进行扩展。测试应用中，通常将多 个多路开关加以组合，构成多个通道，通道数 一般为2n个。
CD4501为8路模拟开关，如果采样通道数超过8个， 需要进行通道扩展，主要采用以下三种方法：
将n片CD4501加以组合，用门电路（如或门、反相器等）组成地址译
数据采集系统多路模拟开关、采样/保持器和A/D转换器等部分组成：
传感器1 传感器2 被 测 物 理 参 量 传感器3 传感器n 模 拟 多 路 开 关 程控 放大 采 样 / 保 持 器 A / D 转 换 器
传感器n+1 传感器n+2
…
计 算 机
定时与逻辑控制 数字信号 开关信号 接 口
8.2.1 多路模拟开关
常见的模拟开关有机电式和电子式两大类。机 电式主要包括各种电磁继电器（如干簧继电器 等）主要用于大电流、高电压、低速切换场所； 电子多路开关由于是集成化无触点开关，寿命 长、体积小且干扰小，主要包括二极管、双极 型晶体管、场效应管等构成的开关，主要性能 和特点如下：
1、多路模拟开关的工作原理
（1）工作原理
标准通用接口型结构
标准通用接口型测试系统中，所有模块之间的接口都按 照国际标准设计，具有组建方便、通用性好、适用性强、可 扩展性和灵活性好等显著优点，应用极为普遍。可通过标准 总线将各个台式测试模块连接起来，也可将有关插板部件模 块插入标准机箱扩展箱，即可非常方便地构成测试系统。
专门接口型结构
2、基本电路
采样/保持电路可以采用电子元器件来实现，实际构 建的测试系统多数采用集成芯片。采样/保持电路的 基本结构有串联型和反馈型 。
A1 UI 逻辑控制信号 保持 K 采样 CH A2 UO
(a) 串联型采样/保持器
R K2 A1 UI K1 A2 CH
eOS1
eOS 2
UO
UC U1 eOS1 eOS2
A B C D E
≧
H1
A B C INT0
IC0 CD4501 I/O1
0 7
……
……
F1Fra Baidu bibliotek
≧
H2
A B C INT1
IC1 CD4501 I/O2
8
15 SW UO
……
……
≧
F1 H3
A B C INT2
IC2 CD4501 I/O3
16
INT4
……
……
23
输出禁止 控制
≧
H4
A B C INT3
t
工作原理如下：
t1时刻前，控制信号为高电平，模拟开关K闭合，模拟输 入信号UI通过开关K加到电容CH上，使得电容CH端电压 UC跟随模拟输入信号UI的变化，这段时间为跟踪期或采样 时间段。图中t1前，t2-t3，t4-t5等时间段均为跟踪期。t1时 刻，控制信号为低电平，模拟开关K断开，此时电容CH上 的电压UC保持模拟开关断开瞬间的UI值不变并等待A/D转 换器转换，这段时间为保持期。图中t1-t2，t3-t4等时间段均 为保持期。t2时刻保持结束，新一个跟踪（采样）时刻到来， 控制信号重新为高电平，模拟开关K重新闭合，电容CH端 电压UC又跟随模拟输入信号UI的变化。采样/保持过程配合 A/D转化过程进行变化，因此性能参数指标的匹配在数据采 集过程中显得尤为重要。 。
闭环控制型结构
闭环控制型是指应用于闭环控制的测试系统，测试系统 作为反馈环节，这种闭环控制系统通常称为计算机测控系统， 一般由实时数据采集、实时判断决策和实时控制等组成。
3、计算机测试系统的特点
测试系统发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟式、 分立元件式、数字化式以及智能仪器（计算机核心的测试 模式）。与传统测试模式相比，计算机测试系统具有如下 特点：
UO UC eOS2 U I eOS1
(b) 并联型采样/保持器
串联型采样/保持电路
串联型采样/保持电路如上图a所示。途中A1和A2分 别是输入和输出缓冲放大器，用以提高采样/保持电 路的输入阻抗，减少输出阻抗以便与前级和后级电 路连接。
当开关K闭合时，采样/保持器处于跟踪状态。由于A1是高增 益放大器，其输出电阻很小，模拟开关K的导通电阻很小， 输入信号通过A1对电容CH的充电速度很快，CH的电压将跟 踪输入电压UI的变化，而A2也接成电压跟随器，具有较高的 输入电阻，电容CH上的电荷泄放比较慢。当Ｋ断开时，采 样保持器从跟踪状态变为保持状体，CH没有充放电回路， 理想状态下CH上的电压与A2的输出电压一致并保持K断开瞬 间UI的最终值上。