1、测试技术思考题答案汇总一、采集及传输部分思考题1. 信号调理的内容和目的？答：信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。内容：(1)把传感器输出的微弱电压或电流信号放大，以便于信噪分离、传送或驱动其他测量显示电路；(2)多数传感器的输出是电阻、电感或电容等不便于直接记录的电参量，需要用电桥电路等把这些电参量转换为电压或电流的变化；(3)抑制传感器输出信号中噪声成分的滤波处理；其他内容：如阻抗变换、屏蔽接地、调制与解调、信号线性化等。2. 信号调制与解调的种类？答：根据载波受调制的参数不同，使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的过程分别称为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。调幅是将一个
2、高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。在实际的调幅信号的解调中一般不用乘法器而采用二极管整流检波器和相敏检波器；调频是利用信号电压的幅值控制载波的频率，调频波是等幅波，但频率偏移量与信号电压成正比。调频波的解调又称为鉴频，调制波的解调电路又叫鉴频器。调相：载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化的调制方式，称为相位调制，或称调相。3. 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？答：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
3、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。4. 信号滤波器的种类？答：滤波器按其阶次可分为一阶滤波器、二阶滤波器、三阶滤波器等；根据滤波器的电路是数字的还是模拟的，可将滤波器分为数字滤波器和模拟滤波器两类；根据构成滤波器的元件类型，可分为RC、LC或晶体谐振滤波器；根据构成滤波器的电路性质
4、，可分为无源滤波器和有元滤波器；最常用的是根据滤波器的通频带可将滤波器分为低通、高通、带通和带阻类型。1. A/D，D/A转换器的主要技术指标有那些？答：分辨率：A/D对输入模拟信号的分辨能力；DA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% 。 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；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
5、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（80mVO.5 = 40mV），全量程的相对误差则为0.4（40mV10V100）。可见，AD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
6、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AD转换器的转换速度要比双积分式AD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AD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
7、率；2.标称满量程；3.精度；4.响应时间；5.温度系数)2. 信号量化误差与A/D，D/A转换器位数的关系？答：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。3. 采样定理的含义？答：为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。Fs 2Fmax 或 离散采样把连续信号变为离散序列，那么，如何选择采样间隔就是一个十分重要的问题。也就是说，采样的基本问题是如何确定合理的采样
8、间隔以及采样长度，以保证采样所得的数字信号能真实地代表原来的连续信号。一般来说，采样频率越高，采样点越密，所获得的数字信号越逼近原信号。当采样长度一定时，越高，数据量越大，所需的计算机存储量和计算量就越大；反之，当采样频率降低到一定程度，就会丢失或歪曲原来信号的信息。能否复原到连续信号与波形的幅值变化剧烈程度和采样间隔的大小有关。而波形的幅值变化剧烈程度又取决于的频率分量。香农采样定理给出了带限信号不丢失信息的最低采样频率为：，其中为原信号中最高频率成分的频率，若不满足此采样定理，将会产生频率混叠现象。4. 当不满足采样定理时如何计算混迭频率？答：为了使计算的频率在范围内与原始信号的频谱一样，
9、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。5. A/D采样为何要加抗混迭滤波器？其作用是什麽？答：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。6. 采样信号的频谱为何一定会产生能量泄漏答：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
10、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。7. 如何计算高速巡回采集的最小采样间隔？答：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
11、频率10 /t，每一通道（信号）采样间隔：t；信号采样频率1 /t。8. 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？答：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。9. 什么是同步采集？同步采集有什么好处？答：同步采集就是采集频率与回转件的频率相同。同步采集保证了基频及其倍频分量的精确/无损采集。10. 什么是异步
12、采集？答：异步采集就是采样频率与分析频率不等。通常取采样频率=分析频率X2.56.1. 减少能量泄漏方法答：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)2. 窗函数的作用是什麽？答：减少泄漏,抑制噪音,提高频率分辨能力3. 什么FIR滤波器？其作用是什么？答：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
13、）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。1. 数据传输的目的答：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。2. 如何准备数据答：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
14、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。3. 数据传输的几种主要方式答：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4. 什么是现场总线？答：现场总线：用于现场仪表与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 。5. 什么是FF总线？主要用于什么场合？答：现场总线的一种，一种全数字的、双向传输、多点通
15、讯由总线供电、用于连接智能设备和自动化系统的通讯链路；一种现场的局域网(LAN)，国际现场总线标准，无专利许可要求，供任何人使用用于连接各种仪表、阀门定位器等智能设备,其自身可向整个网络提供控制应用程序；应用于石油化工（50）、连续工业过程控制中的仪表。6. 什么是can总线？答：现场总线的一种，一个简易的两条线差分串行总线系统，有效支持分布式控制或定时控制，解决众多的控制与测试仪器之间的数据交换。 较强的纠错能力，支持差分收发,适合高干扰环境，并具有较远的传输距离 通信介质：光纤、同轴电缆、甚至双绞线 通信速率：从5kbps/10k
16、m到1Mbps/40m 通信数据块编码，代替传统的地址编码，节点无限制 半双工的方式工作：一个节点发送信息，多个节点接收信息1. 测试方案的种类答：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
17、。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？答：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. 1. 测试系统有那些静态特性参数？答：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
18、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
19、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？答：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当输入量随时间变化时，测试系统所表现出的响
20、应特性称为测试系统的动态特性。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
21、，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（）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
22、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）答：是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围4. 什么是不失真测试？a) 量程和测量范围量程：是指测试装置示值范围的上、下之差；测量范围是指该装置在规定的极限误差范围内所能测量的被测量的范围，对于动态测试装置，要给出频率的测量范围。b) 测试装置的误差测试装置的误差：测试装置的指示值与被测量的真值的差值，称为装置的示值误差。可简称为测试装置的误差。即：示值误差=指示值-真值c) 在实际测量中
23、，被测量的真值是不知道的，通常用实测量的算术平均值或满足规定准确度测量值作为真值。如用一级精度压力表去检定二级精度压力表，那么一级精度压力表的测量值就作为二级精度的压力真值使用。引用误差：在实际工作中，常使用反映测试装置质量的最常用的综合性指标是装置的引用误差；即3)测量误差反映测量工作的最常用的一个指标是测量误差，即若有相同的示值误差，指示值愈小，相应的测量误差愈大。例如测量100mm和10mm长度，如果示值误差都是0.01mm，显然10mm的测量误差大，也就是说，它的测量精度低。因此在选用测试装置时应注意使它的量程与被测量的大小相适应，最好是被测量接近满量程处，至少也要在满量程的 以上，才
24、能得到较好测量精度。4)信噪比信噪比是信号功率 与噪声功率 之比，用 表示，它的分贝数为SNR=10*lg（Ns/Nn）也常用信号电压 和噪声电压 来表示信噪比，其分贝数为SNR=20*lg（Vs/Vn）5)准确度 准确度表示测量结果与被测量真值之间的一致程度。误差越小，测量结果愈准确。5. 一阶系统的主要指标以及含义答：主要指标：性能指标主要是调节时间，它表征系统过渡过程进行的快慢。，(对应=5%的误差带)或 ，(对应=2%的误差带) 显然，时间常数是表征系统响应特性的唯一参数，系统时间常数越小，输出响应上升得越快，同时系统调节时间也越小，响应过程的快速性也越好。含义：图35所示系统。其输入
25、输出关系为 （1）式中，因为方程(1)对应的微分方程的最高阶次是1，故称一阶系统。 实际上，这个系统是一个非周期环节，T为系统的时间常数。6. 二阶系统的主要指标及含义答：含义： 用二阶微分方程描述的系统，称二阶系统。写成典型形式或标准形式 或 1. 影响测试系统正常工作的干扰源有那些？答：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
26、，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
27、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
28、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
29、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
30、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
31、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。产生的原因：（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
