|
在傳統(tǒng)的電子測(cè)量中，往往使用萬(wàn)用表、示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等測(cè)量等儀器。在綜合電子測(cè)量中，往往要使用到多種不同精度和不同功能的儀器、儀表，而且測(cè)量后的測(cè)量數(shù)據(jù)不能得到很好的處理，需要測(cè)試者進(jìn)一步的計(jì)算和處理，給測(cè)量者帶來(lái)了諸多的不便。 本文針對(duì)這些問(wèn)題，介紹應(yīng)用DSP技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)研制多功能的電子測(cè)量?jī)x的主要技術(shù)。 1 基本原理 電子測(cè)量一般主要測(cè)量電壓、電流、頻率、相位等基本參量，同時(shí)將這些參量進(jìn)行分析和處理，以數(shù)據(jù)圖表或圖形的方式顯示出來(lái)。測(cè)最儀器一般可由測(cè)量信號(hào)采集、測(cè)量信號(hào)處理、測(cè)量數(shù)據(jù)分析、人機(jī)交互、顯示等幾個(gè)部分構(gòu)成。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 測(cè)量信號(hào)采集部分主要采集電壓或電流信號(hào)；測(cè)量信號(hào)處理部分主要完成信號(hào)的濾波、比對(duì)、轉(zhuǎn)換等工作；分析部分主要完成信號(hào)處理后的分析工作；人機(jī)交互部分主要完成需求的設(shè)置、量程的調(diào)整等工作；顯示部分將測(cè)量和分析結(jié)果以數(shù)據(jù)、圖形等形式顯示出來(lái)。 近年來(lái)由于DSP技術(shù)的飛速發(fā)展和虛擬儀器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促使電子測(cè)量?jī)x表技術(shù)得到快速的發(fā)展。高速A／D技術(shù)和DSP技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了測(cè)量信號(hào)的采集電路、處理電路；虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，使人機(jī)交互變得靈活和容易。 1.1 耦合 耦合電路主要完成被測(cè)信號(hào)的輸入。一般，被測(cè)信號(hào)不能夠直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，必須將信號(hào)變換到A／D的范同內(nèi)。耦合后，輸入信號(hào)為： 其中：k為壓縮因子，k≥1時(shí)，對(duì)被測(cè)信號(hào)線性放大，k≤1時(shí)，對(duì)被測(cè)信號(hào)線性縮小。f(t)為變換時(shí)產(chǎn)生非線性畸變和噪聲，應(yīng)在軟件計(jì)算時(shí)削弱。 1.2 A／D及D／A電路 A／D電路是將經(jīng)耦合電路變換的被測(cè)信號(hào)離散化。 變換后的信號(hào)為： 其中，n∈Z，Ts=1／fs，fs為A／D抽樣頻率。式(2)可表示為： 通過(guò)DSP軟件處理，削弱式(3)中f(n)δ(t-nTs)。 D／A電路的作用主要產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)信號(hào)。DSP產(chǎn)生的數(shù)字校驗(yàn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)D／A電路變換成模擬校驗(yàn)信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)。通過(guò)校驗(yàn)調(diào)整，量程和產(chǎn)生削弱參數(shù)。 1.3 數(shù)字信號(hào)處理DSP電路 數(shù)字信號(hào)處理DSP電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)DSP系統(tǒng)，對(duì)輸入的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波處理、譜分析。濾波器采用FIR濾波器，采用雷米茲(Remez)算法，譜分析算法采用Gabor變換方法，窗函數(shù)采用高斯窗函數(shù)。處理后的數(shù)據(jù)放在專門開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，供顯示部分和計(jì)算機(jī)訪問(wèn)。 校驗(yàn)數(shù)字信號(hào)由DSP部分產(chǎn)生，校驗(yàn)數(shù)字信號(hào)可通過(guò)鍵盤部分或計(jì)算機(jī)設(shè)置，可設(shè)置為正弦波、方波、脈沖、隨機(jī)信號(hào)。 1.4 鍵盤及顯示 考慮到測(cè)量?jī)x器可能不和計(jì)算機(jī)配合使用，而是單獨(dú)使用，將鍵盤和顯示設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中。 鍵盤和顯示是人機(jī)交互的界面。通過(guò)鍵盤可設(shè)置、調(diào)整測(cè)量?jī)x器的參數(shù)。顯示部分顯示參數(shù)的設(shè)置和測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量曲線。 1.5 計(jì)算機(jī) DSP通過(guò)接口和計(jì)算機(jī)互連，計(jì)算機(jī)通過(guò)虛擬儀器軟件訪問(wèn)、操作測(cè)量?jī)x系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)訪問(wèn)DSP處理的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理后，以圖形或數(shù)據(jù)的形式顯示在計(jì)算機(jī)界面上，或存人數(shù)據(jù)庫(kù)。 2 硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)圖1的基本原理，以總線式設(shè)計(jì)整個(gè)硬件電路。信號(hào)采樣電路，通過(guò)數(shù)據(jù)、控制、選通、狀態(tài)信號(hào)總線和DSP核心電路連接。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。 2.1 A／D及D／A總線 為了能使硬件系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性和具有一定的開放性，對(duì)A／D信號(hào)采樣部分和D／A模擬信號(hào)輸出部分采用總線方式設(shè)計(jì)。主要包括數(shù)據(jù)總線、控制總線、選通總線和狀態(tài)總線。 (1) 數(shù)據(jù)總線 數(shù)據(jù)總線主要是A／D和D／A電路數(shù)據(jù)的輸入輸出總線。在控制總線、選通總線的控制下，A／D電路將采樣后的數(shù)字信號(hào)輸入到DSP中。同樣，通過(guò)數(shù)據(jù)總線將校驗(yàn)數(shù)字信號(hào)輸出到D／A電路中。 (2) 控制總線 控制總線主要控制A／D和D／A的工作。對(duì)于每個(gè)A／D或D／A電路，只有在控制信號(hào)有效的情況下，該電路才能工作�？刂瓶偩�需要和選通信號(hào)有效的情況下，控制才有效。 (3) 選通總線 選通總線主要配合控制總線使某個(gè)A／D或D／A電路工作。選通總線通過(guò)A／D或D／A電路上的譯碼電路產(chǎn)生的選通信號(hào)觸發(fā)電路工作。 (4) 狀態(tài)總線 狀態(tài)總線主要將A／D或D／A電路的工作狀態(tài)通知給DSP，DSP通過(guò)檢測(cè)狀態(tài)總線的數(shù)據(jù)，得到A／D或D／A的工作狀態(tài)。狀態(tài)信號(hào)通過(guò)狀態(tài)編碼電路，在選通信號(hào)的配合下輸入到DSP。 2.2 A／D及D／A電路 A／D電路主要用來(lái)將輸入的被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而D／A轉(zhuǎn)換主要將DSP通過(guò)數(shù)據(jù)總線輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。A／D及D／A要和DSP的數(shù)據(jù)、控制、選通、狀態(tài)總線接口。其A／D電路基本原理如圖3所示。 D／A電路的基本電路原理和A／D電路相似。D／A電路接收數(shù)據(jù)總線的數(shù)字信號(hào)，在控制總線信號(hào)的控制下，當(dāng)選通總線的信號(hào)經(jīng)譯碼后有效時(shí)，才能工作。 2.3 耦合電路 (1) 交流耦合電路 當(dāng)測(cè)量交流大信號(hào)時(shí)，通過(guò)改變耦合電路前端變量器的變比使信號(hào)變小。同時(shí)通過(guò)限幅電路的保護(hù)，使A／D電路處于正常的工作范圍。其基本電路原理如圖4所示。 (2) 直流耦合電路 當(dāng)測(cè)量直流大信號(hào)時(shí)，通過(guò)調(diào)整直流耦合電路的電阻變比，同時(shí)通過(guò)限幅電路的保護(hù)，使A／D電路處于正常的工作范圍。 3 軟件設(shè)計(jì) 為了使系統(tǒng)具有開放性、可擴(kuò)展性和通用性，采用平臺(tái)化的設(shè)計(jì)思想。將整個(gè)軟件分為底層支持層，中間調(diào)度操作層和頂層應(yīng)用層。軟件的基本層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。 3.1 支持層 支持層主要包括A／D，D／A電路驅(qū)動(dòng)函數(shù)，狀態(tài)檢測(cè)函數(shù)，A／D，D／A轉(zhuǎn)換執(zhí)行函數(shù)。 A／D，D／A電路驅(qū)動(dòng)函數(shù)，主要對(duì)硬件的控制總線進(jìn)行操作，即操作硬件電路上的控制總線和選通總線。其核心偽代碼為： 狀態(tài)檢測(cè)函數(shù)檢測(cè)函數(shù)主要檢測(cè)狀態(tài)總線的狀態(tài)，其核心偽代碼為： A／D，D／A轉(zhuǎn)換執(zhí)行函數(shù)主要執(zhí)行A／D，D／A轉(zhuǎn)換，其核心偽代碼為： 3.2 調(diào)度操作層 調(diào)度操作層主要的任務(wù)是，定時(shí)檢測(cè)鍵盤或計(jì)算機(jī)虛擬儀器的命令，執(zhí)行鍵盤操作、顯示、多路A／D數(shù)據(jù)采集或執(zhí)行D／A輸出。A／D或D／A轉(zhuǎn)換的核心偽代碼為： 3.3 應(yīng)用層 應(yīng)用層主要完成鍵盤操作，顯示，PC接口，虛擬儀器數(shù)據(jù)接口等功能。主要技術(shù)是操作命令緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。鍵盤操作程序的核心偽代碼： PC和虛擬儀器的接口是通過(guò)網(wǎng)卡進(jìn)行接口的，計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)卡以TCP／IP的方式訪問(wèn)DSP的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、命令緩沖區(qū)。其核心偽代碼： 4 結(jié) 語(yǔ) 本文所設(shè)計(jì)的多功能電工測(cè)量?jī)x已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，通過(guò)測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。多功能電工測(cè)量?jī)x能測(cè)量和顯示多個(gè)直流信號(hào)的電壓、電流，多個(gè)交流信號(hào)的幅度、相位、頻率。并且能配置不同的A／D采樣電路。通過(guò)與虛擬儀器系統(tǒng)LabVIEW 5.1的接口，能充分發(fā)揮該儀器的功能。該儀器在電工實(shí)驗(yàn)和電子測(cè)量中能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，具有一定的實(shí)際意義。 |
