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在傳統(tǒng)的電子測量中，往往使用萬用表、示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等測量等儀器。在綜合電子測量中，往往要使用到多種不同精度和不同功能的儀器、儀表，而且測量后的測量數(shù)據(jù)不能得到很好的處理，需要測試者進(jìn)一步的計(jì)算和處理，給測量者帶來了諸多的不便。 本文針對這些問題，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量儀的主要技術(shù)。 1 基本原理 電子測量一般主要測量電壓、電流、頻率、相位等基本參量，同時將這些參量進(jìn)行分析和處理，以數(shù)據(jù)圖表或圖形的方式顯示出來。測最儀器一般可由測量信號采集、測量信號處理、測量數(shù)據(jù)分析、人機(jī)交互、顯示等幾個部分構(gòu)成。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 測量信號采集部分主要采集電壓或電流信號；測量信號處理部分主要完成信號的濾波、比對、轉(zhuǎn)換等工作；分析部分主要完成信號處理后的分析工作；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；顯示部分將測量和分析結(jié)果以數(shù)據(jù)、圖形等形式顯示出來。 近年來由于DSP技術(shù)的飛速發(fā)展和虛擬儀器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促使電子測量儀表技術(shù)得到快速的發(fā)展。高速A／D技術(shù)和DSP技術(shù)的應(yīng)用簡化了測量信號的采集電路、處理電路；虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用簡化了對測量數(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信號的輸入。一般，被測信號不能夠直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，必須將信號變換到A／D的范同內(nèi)。耦合后，輸入信號為： 其中：k為壓縮因子，k≥1時，對被測信號線性放大，k≤1時，對被測信號線性縮小。f(t)為變換時產(chǎn)生非線性畸變和噪聲，應(yīng)在軟件計(jì)算時削弱。 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信號離散化。 變換后的信號為： 其中，n∈Z，Ts=1／fs，fs為A／D抽樣頻率。式(2)可表示為： 通過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)生一個校驗(yàn)信號。DSP產(chǎn)生的數(shù)字校驗(yàn)信號，經(jīng)過D／A電路變換成模擬校驗(yàn)信號，對系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)。通過校驗(yàn)調(diào)整，量程和產(chǎn)生削弱參數(shù)。 1.3 數(shù)字信號處理DSP電路 數(shù)字信號處理DSP電路是整個系統(tǒng)的核心，通過DSP系統(tǒng)，對輸入的被測信號進(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。 校驗(yàn)數(shù)字信號由DSP部分產(chǎn)生，校驗(yàn)數(shù)字信號可通過鍵盤部分或計(jì)算機(jī)設(shè)置，可設(shè)置為正弦波、方波、脈沖、隨機(jī)信號。 1.4 鍵盤及顯示 考慮到測量儀器可能不和計(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。通過鍵盤可設(shè)置、調(diào)整測量儀器的參數(shù)。顯示部分顯示參數(shù)的設(shè)置和測量數(shù)據(jù)，測量曲線。 1.5 計(jì)算機(jī) DSP通過接口和計(jì)算機(jī)互連，計(jì)算機(jī)通過虛擬儀器軟件訪問、操作測量儀系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)訪問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。 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)整個硬件電路。信號采樣電路，通過數(shù)據(jù)、控制、選通、狀態(tài)信號總線和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A／D信號采樣部分和D／A模擬信號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)字信號輸入到DSP中。同樣，通過數(shù)據(jù)總線將校驗(yàn)數(shù)字信號輸出到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。對于每個A／D或D／A電路，只有在控制信號有效的情況下，該電路才能工作。控制總線需要和選通信號有效的情況下，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A／D或D／A電路工作。選通總線通過A／D或D／A電路上的譯碼電路產(chǎn)生的選通信號觸發(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通過檢測狀態(tài)總線的數(shù)據(jù)，得到A／D或D／A的工作狀態(tài)。狀態(tài)信號通過狀態(tài)編碼電路，在選通信號的配合下輸入到DSP。 2.2 A／D及D／A電路 A／D電路主要用來將輸入的被測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而D／A轉(zhuǎn)換主要將DSP通過數(shù)據(jù)總線輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。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，在控制總線信號的控制下，當(dāng)選通總線的信號經(jīng)譯碼后有效時，才能工作。 2.3 耦合電路 (1) 交流耦合電路 當(dāng)測量交流大信號時，通過改變耦合電路前端變量器的變比使信號變小。同時通過限幅電路的保護(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)測量直流大信號時，通過調(diào)整直流耦合電路的電阻變比，同時通過限幅電路的保護(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，采用平臺化的設(shè)計(jì)思想。將整個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)動函數(shù)，狀態(tài)檢測函數(shù)，A／D，D／A轉(zhuǎn)換執(zhí)行函數(shù)。 A／D，D／A電路驅(qū)動函數(shù)，主要對硬件的控制總線進(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)檢測函數(shù)檢測函數(shù)主要檢測狀態(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，定時檢測鍵盤或計(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網(wǎng)卡進(jìn)行接口的，計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)卡以TCP／IP的方式訪問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 本文所設(shè)計(jì)的多功能電工測量儀已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，通過測試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。多功能電工測量儀能測量和顯示多個直流信號的電壓、電流，多個交流信號的幅度、相位、頻率。并且能配置不同的A／D采樣電路。通過與虛擬儀器系統(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)和電子測量中能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，具有一定的實(shí)際意義。 |
