第二章 测试装置的基本特性 郑惠萍 河北科技大学机械电子工程学院 主要内容 • • • • • • • • 概述 测试装置的静态特性 测试装置动态特性的数学描述 测试装置对任意输入的响应 实现不失真测试的条件 测试装置动态特性的测试 负载效应 测试装置的抗干扰 测试装置对任意输入的响应1 系 统 对 任 意 输 入 的 响 应 测试装置对任意输入的响应2 系 统 对 任 意 输 入 的 响 应 在t时刻单个脉冲对系统输出的贡献为 [ x ]ht 在t时刻系统的输出 t y (t ) x ht
Download ReportTranscript 第二章 测试装置的基本特性 郑惠萍 河北科技大学机械电子工程学院 主要内容 • • • • • • • • 概述 测试装置的静态特性 测试装置动态特性的数学描述 测试装置对任意输入的响应 实现不失真测试的条件 测试装置动态特性的测试 负载效应 测试装置的抗干扰 测试装置对任意输入的响应1 系 统 对 任 意 输 入 的 响 应 测试装置对任意输入的响应2 系 统 对 任 意 输 入 的 响 应 在t时刻单个脉冲对系统输出的贡献为 [ x ]ht 在t时刻系统的输出 t y (t ) x ht
第二章 测试装置的基本特性 郑惠萍 河北科技大学机械电子工程学院 主要内容 • • • • • • • • 概述 测试装置的静态特性 测试装置动态特性的数学描述 测试装置对任意输入的响应 实现不失真测试的条件 测试装置动态特性的测试 负载效应 测试装置的抗干扰 测试装置对任意输入的响应1 系 统 对 任 意 输 入 的 响 应 测试装置对任意输入的响应2 系 统 对 任 意 输 入 的 响 应 在t时刻单个脉冲对系统输出的贡献为 [ x ]ht 在t时刻系统的输出 t y (t ) x ht 对Δτ取极限，得 0 yt x ht d t 0 x(t)和h(t)的卷积为 xt * ht x ht d 测试装置对任意输入的响应3 • 系统对任意输入的响应 对于当 t <0时，x(t) = 0和 h(t) = 0的情况，上述 积分下限可取为0，上限则成为 t 。因此, y (t)实际 上就是 x(t) 和 h(t) 的卷积，可记为 y(t) = x(t)*h(t) 从时域看，系统的输出是输入与系统的脉冲响应函 数的卷积。 定常线性系统在平稳随机信号的作用下，系统 的输出也是平稳随机过程。 测试装置对任意输入的响应 ---系统对单位阶跃的响应（1） 单位阶跃输入 0 xt 1 t0 t0 1 X s s 测试装置对任意输入的响应 ---系统对单位阶跃的响应（2） • 一阶系统对单位阶跃输入的响应 yt 1 e 稳态输出误差理论上为 零，系统的初始上升斜 为时间 率为 1 / ， 常数。 一阶系统的时间常数越 小越好。 t 测试装置对任意输入的响应 ---系统对单位阶跃的响应（3） • 二阶系统对单位阶跃输入的响应 y t 1 e nt 1 2 sin d t 2 d n 1 , 2 arctan 2 1 1 2 测试装置对任意输入的响应 ---系统对单位阶跃的响应（4） • 二阶系统对单位阶跃输入的响应 系统的响应在很大程度上 决定于阻尼比ζ 和固有频 率 n 。 n 越高，系统的 响应越快。阻尼比直接影 响超调量和振荡次数。 ζ 选在0.6~0.8之间。 系统的固有频率为系统的 主要结构参数所决定。 实现不失真测试的条件 • 不失真测量 yt A0 xt t0 实现测试不失真的测试装置的频率特性 Y A0e jt0 X 当t<0时，x(t)=0、y(t)=0，有 H A e j Y X A0e jt0 若要求装置的输出波形不失真，则其幅频和相 频特性应分别满足 A A0 常数 t0 信号中不同频率成分通过 测试装置后的输出 结 论 实际测量装置不可能在非常宽广的频率范 围内都满足无失真测试条件，即使在某一频率 范围内工作，也难以完全理想的实现不失真测 试。只能努力把波形失真限制在一定的误差范 围内。 因此，首先要选择合适的测试装置。其次， 应对输入信号做必要的前置处理，及时滤去非 信号频带内的噪声。 结 论 对一阶系统而言，如果时间常数越小，则 装置响应越快，近于满足测试不失真条件的通 频带越宽。故一阶系统的时间常数越小越好。 对二阶系统而言，一般地，在 ζ = 0.6 ~ 0.8 时，可以获得较为合适的综合性能。 计算表明，当 ζ = 0.7时，在0~0.58ωn的频 率范围满足不失真测试的条件。 测试装置动态特性的测试1 • 静态参数的测试 以经过校准的“标准”静态量作为输入，求出输出 -输入曲线。根据这条曲线确定其回程误差，整理和 确定其校准曲线、线性误差和灵敏度。 • 动态参数的测试 – 频率响应法 – 阶跃响应法 测试装置动态特性的测试 2 --频率响应法 通过稳态正弦激励试验求得幅频和相频特性曲线。 一阶装置：通过幅频特性 A( ) 1 1 2 或相频特性 ( ) arctan( ) 直接确定其动态特性参数τ 。 1 1 测试装置动态特性的测试 3 --频率响应法 二阶装置，动态特性参数为：固有频率 n 和阻尼比ζ。 参数可从相频特性曲线直接估计，但相角测量较困难。 通常通过幅频曲线估计其参数。 对欠阻尼系统，令 1 1 n、 2 1 n 1 A1 A 2 2 2 2 1 2 n 或者 A r 1 A0 2 1 2 测试装置动态特性的测试 --阶跃响应法1 • 一阶装置 ①测得一阶装置的阶跃响应，取该输出值达到最终稳态值的63%所 经过的时间作为时间常数τ。但测量结果的可靠性很差。 ②将一阶装置的阶跃响应表达式改写为 1 yu t e t / 两边取对数，有 t 根据测得 yu t 值作出 ln 1 yu t ln 1 yu t t 曲线，根据其斜率值确定时间常数τ。 测试装置动态特性的测试 --阶跃响应法2 • 二阶装置 M e 2 1 测试装置动态特性的测试 --阶跃响应法3 • 二阶装置 如果测得响应的较长瞬变过程，则可利用任意 两个超调量 M i 和 M i n 来求取其阻尼比。 Mi ln M in 2n 负载效应1 • 测试装置的接入就成 为被测对象的负载； 后接环节总是成为前 面环节的负载。 负载效应2 当一个装置连接到另一装置上，并发生能 量交换时，就会发生两种现象：1）前装置的 联接处甚至整个装置的状态和输出都将发生 变化；2）两个装置共同形成一个新的整体， 该装置虽然保留其良组成装置的某些主要特 征，但其传递函数已不能用理想的串联、并 联来计算。 某装置由于后接另一装置而产生的种种现 象，成为负载效应。 减轻负载效应的措施 • 对于电压输出的环节，可用如下办法： – 提高后续环节（负载）的输入阻抗 – 在原来两个相联接的环节之中，插入高输入阻抗、 低输出阻抗的的放大器，以便一方面减小从前环 节吸取能量，另一方面在承受后一环节（负载） 后又能减少电压输出的变化，从而减小负载效应 – 使用反馈和零点测量原理，使后面环节几乎不从 前环节吸取能量。如电位差计测量电压等。 测试装置的抗干扰 • 一个测试系统抗干扰能力的大小在 很大程度上决定了该系统的可靠性， 是测试系统重要的特性之一。 测量装置的干扰源 一般说来，良好的屏蔽 及正确的接地可除去大部 分的电磁波干扰。而绝大 部分测量装置都需要供电， 所以外部电网对装置的干 扰以及装置内部通过电源 内阻相互藕合造成的干扰 对装置的影响最大。因此， 如何克服通过电源造成的 干扰应重点注意。 供电系统干扰及其抗干扰1 • 电网电源噪声 – 把供电电压跳变的持续时间 Δt>1s 者，称为过压 和欠压噪声。供电电网内阻过大或网内用电器过 多会造成欠压噪声。三相供电零线开路可能造成 某相过压。供电电压跳变的持续时间1s > Δt>1ms 者，被称为浪涌和下陷噪声。它主要产生于感应 性用电器(如大功率电机)在开、关机时所产生的感 应电动势。 – 供电电压跳变的持续时间 Δt<1ms者，被称为尖峰 噪声。这类噪声产生的原因较复杂, 用电器间断的 通断产生的高频分量、汽车点火器所产生的高频 干扰耦合到电网都可能产生尖峰噪声。 供电系统干扰及其抗干扰2 • 供电系统的抗干扰 – 交流稳压器：消除过压、欠压造成的影响， 保证供电的稳定。 – 隔离稳压器：减少高频噪声的窜入。 – 低通滤波器：可滤去大于50Hz市电基波的 高频干扰。 – 独立功能块单独供电：可以基本消除各单 元电路因共用电源而引起相互耦合所造成 的干扰。 合理的供电配置示例 信号通道的干扰和抗干扰1 • 信号干扰种类 – 信道通道元器件噪声干扰：它是由于测量通道中 各种电子元器件所产生的热噪声(如电阻器的热噪 声、半导体元器件的散粒噪声等)造成的。 – 信号通道中信号的窜扰：元器件排放位置和线路 板信号走向不合理会造成这种干扰。 – 长线传输干扰：对于高频信号来说，当传输距离 与信号波长可比时，应该考虑此种 干扰的影响。 信号通道的干扰和抗干扰2 • 信道通道的抗干扰措施 – 合理选用元器件和设计方案。如尽量采用低噪声 材料、放大器采用低噪声设计、根 据测量信号频 谱合理选择滤波器等。 – 印刷电路板设计时元器件排放要合理。小信号区 与大信号区要明确分开，并尽可能地远离；输出 线与输入线避免靠近或平行；有可能产生电磁辐 射的元器件(如大电感元器件、变压器等)尽可能地 远离输入端；合理的接地和屏蔽。 – 在有一定传输长度的信号输出中，尤其是数字信 号的传输可采用光耦合隔离技术、双绞线传输。 双绞线可能最大可能地降低电磁干扰的影响。对 于远距离的数据传送，可采用平衡输出驱动器和 平衡输入的接收器。 接地设计1 • 单点接地 • 各单元电路的地点接在一点上，称为单点接地。 其优点是不存在环形地回路，因而不存在环路 地电流。各单元电路地点电位只与本电路的地 电流及接地电阻有关，相互干扰较小。 接地设计2 • 串联接地 各单元电路的地点顺序连接在一 条公共的地线上，称为串联接地。 显然，电路1与电路2之间的地线 流着电路1的地电流，电路2与电 路3之间流着电路1与电路2的地 电流之和，依次类推。因此，每 个电路的地电位都受到其他电路 的影响，干扰通过公共地线相互 耦合。但因接法简便，虽然接法 不合理，还是常被采用。 采用时应注意: 1)小信号电路尽可能地靠近电源， 即靠近真正的地点。 2)所有地线尽可能地粗些， 以降低地线电阻。 接地设计3 • 多点接地 • 做电路板时把尽可能多的地方做成地，或者说，把 地做成一片。这样就有尽可能宽的接地母线及尽可 能低的接地电阻。各单元电路就近接到接地母线。 接地母线的一端接到供电电源的地线上，形成工作 接地。 接地设计4 • 模拟地和数字地 • 现代测试电路都同时具有模拟电路和数字电路。由于 数字电路在开关状态下工作，电流起伏波动大，很有 可能通过地线干扰模拟电路。如有可能应采用两套整 流电路分别供电模拟电路和数字电路，它们之间采用 光耦合器耦合。 谢 谢！