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        技術文章

        測試測量系統及儀器選擇的關鍵因素

        在可用的測試和測量硬件和軟件范圍內進行選擇,對初次用戶和有經驗的用戶來說,都一樣難辦,這是可以理解的。

        技術的進步使測量和測試方法的發展呈指數方式加快,給用戶提供難以想象的強大系統功能。

        測試和測量設備跨越很寬的范圍。對簡單應用來說,比較容易選擇合適的結構來滿足需要和預算。應用的復雜性增加時,結構的選擇以及相關的費用也變得復雜了,就會做出錯誤的選擇,會更昂貴,正確的選擇顯得更加重要。

        出發點是要知道信號或傳感器輸出的電平和測量所需要的靈敏度(定義為測量時所能檢測到的最小變化,并能以測量值的單位來表達)。

        精度、分辨率和測量速度是一些重要因素,是工程師在決定如何收集和測量數據時必須考慮的。另一個重要因素是環境。測量是在電噪聲很大的廠區中進行,還是在電噪聲微小的實驗室中進行。另外,傳感器的位置是否離得很遠,難以接近。在許多應用中,環境因素對結構可能起決定作用。

        測量要求

        1. 靈敏度:可以檢測到的被測信號的最小變化;

        2. 精度:測量值與一級標準間的一致程度;

        3. 分辨率:被觀察信號的最小部分;

        4. 測量速度:最大采樣率;

        5. 帶寬:被采樣信號的最高頻率信號分量;

        6. 數據存儲需求; 所要測量的通道數;

        7. I/O數:模擬和數字;

        8. 觸發:定時控制和開關控制;

        9. 抗干擾度:正常噪聲抑制比和其模擬抑制比;

        10. 信號調節; 隔離;

        11. 網絡/總線協議的需求,例如以太網和IEEE—488(GPIB);

        12. 顯示; 容易調定和使用;

        13. 所收集數據的計算和分析;

        14. 大小、重量和可攜帶性;

        15. 電源需求; 系統集成問題;

        16. 系統成本和每個通道的成本。

        考慮這些因素并標明你的需求以后,你就可以為你的應用考慮正確的系統結構。

        儀器結構的選擇

        測試設備結構有四種主要類型:

        1、獨立儀器。它們是傳統的儀器加上許多新的改進的性能,例如圖形顯示、按鍵選擇功能、菜單編程等。帶自備電源的可攜帶式數字多用表供現場測量,但一般來說,它沒有臺式儀器那樣的性能、靈敏度和精度。

        2、計算機連接的儀器。它是獨立儀器的一個子集。當測量的數量貨類型超過獨立儀器所能承受的能力時,需要一個終端顯示器或者希望有靈活的軟件控制時,就使用這類儀器。很多儀器提供獨立工作能力,也提供計算機控制模式,供復雜的測式和測量系統使用。將儀器與PC控制器連接起來的外部數據通信總線可以使用若干種標準協議中的一種。

        3、分布式儀器。 當前由一些生產廠商提供。這類測試系統包含一些獨立儀器,通過通信網絡將它們連在一起。這種結構由一些小型化儀器組成,原則上可以放在廠區中的任何地方,通過通信網絡將完全處理后的信號傳送給計算機。很多儀器做到實驗室測量等級的要求。因為它們位于測試信號附近,電纜感應噪聲減到最小,因而降低了測量誤差。分布式儀器網絡布局最大的優點是消除了每一測試點到PC的電纜連接,簡化了安裝。

        在儀器的附近可以有一個小的本地顯示器,可以用來讀出數據,查找故障。你也可以完全依靠控制計算機上的顯示器。分布式儀器使用的數據通信協議類似于計算機連接的儀器所使用的協議。

        4、基于PC的測試儀器。這里最主要的屬性是測量速度和獲取大量數據的能力。有兩種基本配置。最常見的是模擬測試信號被連到一個PC插入板上,該板位于一個計算機總線插槽上,或者位于PC并行口上。另一種配置由許多裝在機箱中的板組成,裝在機架上的機箱與PC有相當距離.機箱含有測量板多路復用板A/D變換板和信號調節板等,將完全處理后的數字信號與PC聯網.機箱系統有效地將測量系統的規模擴大,其通道數要比使用PC內提供數個可用用的板插槽的規模大得多。

        檢查參數

        決定數字化儀器靈敏度的一個重要參數是分辯率和靈敏度,其中靈敏度等于量程被分辯率除.因此,對一個特定的儀器測量量程來說,分辯率愈大,靈敏度愈好。

        采樣率(或測量速度)是另一個參數,但這要以犧牲靈敏度為代價。

        還要考慮所期望的儀器精度(被測值與一級標準的接近程度)。精度以幾種方式來表示,這決定于特定的儀器。但有代表性的是以百分比、PPM或位數來表示。臺式獨立儀器提供最高的精度、靈敏度和分辯率。它們適合作為校準源用來傳遞標準。

        對儀器的每一種基本類型,上面討論的一些參數以及其它的一些參數列在表1中。

        適應性和噪聲抑制

        各種附加信號調節放大器可用來提高信號電平,輸入到基于PC的測試系統,使你可以在低電平信號(例如來自低電偶、應變量規等的信號)情況下使用這種類型的系統。決定使用什么樣的硬件,常常要在所要求的各種屬性間做一些折衷。

        這些指標反映了該類儀器每個參數通常所能達到的最高或最佳值,并步使所有這些值都能同時達到。

        某些測量儀器有內置的皂聲抑制裝置。它們使用了一些內部技術,如濾波、積分和電流倒相等來降低噪聲。然而,在基于PC的插入損和基于PC的外部機箱系統中沒有內置的噪聲抑制裝置。替代的方法是基于PC測試系統使用軟件提供的平均技術來降低來自測量和/或信號調節附加裝置(如濾波器)的噪聲。簡而言之,PC所固有的缺點是帶有電噪聲的總線,這限制了PC插入板用來做靈敏測量。

        結束語

        最后一個考慮是費用。臺式儀器費用最高,因此,只有對精度和分辯率有真正需求時才應用它們。由于幾乎每人都有PC,基于PC板的系統可能是在成本和靈活性上最佳的解決方案。如果要求在電噪聲大的環境中進行測量,則分布式小型化儀器將是你最佳的選擇。這類儀器的價格在臺式儀器和PC插板式儀器之間。

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