虛擬信號(hào)分析儀的實(shí)現(xiàn)及計(jì)量測(cè)試分析

鮑 芳 馬青亮 劉 昕

[摘 要]虛擬儀器在國(guó)防、航空、航天、通信、計(jì)量等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。本文探討了組建虛擬信號(hào)分析儀的關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了基于虛擬儀器技術(shù)的信號(hào)分析儀,該分析儀不但能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)在時(shí)域的波形存儲(chǔ)、顯示、信號(hào)分析和頻域的信號(hào)分析功能,而且還可以根據(jù)測(cè)試需求擴(kuò)充其它的信號(hào)分析及數(shù)據(jù)處理功能。對(duì)時(shí)域波形顯示子模塊的計(jì)量測(cè)試結(jié)果表明在輸入信號(hào)頻率小于5MHz時(shí)時(shí)域波形顯示的電壓幅值誤差可以滿足±2%的要求。

[關(guān)鍵詞]虛擬信號(hào)分析儀計(jì)量測(cè)試

[中圖分類號(hào)]TN911.6[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1007-9416(2009)11-0092-02

1概述

高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及其在測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用,促進(jìn)了測(cè)試?yán)碚摵头椒ǖ陌l(fā)展,新的測(cè)試儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn),各種虛擬儀器已進(jìn)入國(guó)防、航空、航天、通信、計(jì)量等行業(yè)并得到了廣泛應(yīng)用[1]。虛擬信號(hào)分析儀有別于傳統(tǒng)信號(hào)分析儀器的結(jié)構(gòu)和功能主要由硬件電路實(shí)現(xiàn)、功能不易擴(kuò)展等特點(diǎn),它把計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái),充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)或增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開發(fā)周期短、系統(tǒng)容易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)便于和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連接,容易實(shí)現(xiàn)信息的管理和共享,是進(jìn)行科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)的重要工具。

2虛擬信號(hào)分析儀的系統(tǒng)方案及計(jì)量測(cè)試分析

本系統(tǒng)主要包括以下部分:主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時(shí)域分析模塊、頻域分析模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊及使用幫助模塊。主控模塊控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,包括創(chuàng)建信號(hào)采集線程、信號(hào)分析線程和人機(jī)交互線程,數(shù)據(jù)采集模塊可以設(shè)置采樣參數(shù),按照用戶設(shè)置的采樣參數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,并將采樣數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī),進(jìn)行時(shí)域波形的存儲(chǔ)和顯示;時(shí)域分析模塊包括信號(hào)的時(shí)域參數(shù)以及信號(hào)的自相關(guān)分析和互相關(guān)分析、信號(hào)卷積子模塊等。頻域分析模塊包括FFT分析子模塊、自功率譜分析子模塊、互功率譜分析子模塊、信號(hào)加窗濾波子模塊及信號(hào)IIR濾波子模塊;數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊將大大簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的管理,使得數(shù)據(jù)的檢索和測(cè)試信息的查詢非常便捷;幫助模塊詳細(xì)介紹軟件的使用方法,幫助用戶更方便地使用本系統(tǒng)。

2.1組建虛擬信號(hào)分析儀的關(guān)鍵技術(shù)

計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡組成了虛擬信號(hào)分析儀的硬件平臺(tái)。數(shù)據(jù)采集卡是虛擬信號(hào)分析儀的重要組成部件,其性能指標(biāo)直接決定著信號(hào)分析儀的采樣速率、準(zhǔn)確度等主要指標(biāo),CPU的速度及計(jì)算機(jī)的內(nèi)存影響著信號(hào)分析儀處理數(shù)據(jù)的速度,計(jì)算機(jī)的硬盤決定存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容量。

數(shù)據(jù)采集卡的主要指標(biāo)有采樣精度和采樣速度。采樣精度主要由A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定,而采樣速度由A/D轉(zhuǎn)換器最高工作頻率決定,一般而言,這兩個(gè)指標(biāo)相互制約,數(shù)據(jù)采集卡采樣精度越高、速度越快,需要傳輸和處理、顯示的數(shù)據(jù)量就會(huì)比較大,系統(tǒng)運(yùn)行就會(huì)變慢,因此只能根據(jù)不同的需要來(lái)選擇高采樣速率或者是高精度,或者在這兩者之間尋求一個(gè)折中點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集卡的選擇主要與采樣頻率、采樣通道數(shù)和測(cè)量精度有關(guān)。采樣頻率是指輸入通道在單位時(shí)間內(nèi)能夠采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù),采樣頻率越高,就能在單位時(shí)間內(nèi)獲得更多的原始信號(hào)的信息。根據(jù)奈奎斯特理論,采樣頻率至少是被測(cè)信號(hào)最高頻率的兩倍,才不至于產(chǎn)生波形失真,但這只是一個(gè)理論值。

采樣通道數(shù)是系統(tǒng)可以同時(shí)進(jìn)行采樣的信號(hào)通道數(shù),在選取采集卡時(shí)需要注意以下幾點(diǎn):采樣通道數(shù)是否滿足系統(tǒng)要求;在需要差分輸入測(cè)量時(shí),板上有無(wú)差分輸入以及差分輸入的通道數(shù);在測(cè)量多通道時(shí),應(yīng)注意采集卡能否擴(kuò)展以及最多的可擴(kuò)展的通道數(shù)。

測(cè)量精度主要取決于分辨率,一般ADC的位數(shù)越多,分辨率就越高,可區(qū)分的電壓就越小,它和測(cè)量范圍(可測(cè)量的最高電平和最低電平)及增益(板卡上放大器的放大倍數(shù))一起決定了該板卡可測(cè)的最小電壓變化量。

虛擬儀器的通訊接口有RS232串行總線、PCI總線、PXI總線、VXI總線、GPIB總線及USB通用串行總線等。VXI總線及GPIB總線作為專用測(cè)試儀器總線,價(jià)格昂貴,普及性差;PCI總線雖具有高的傳輸速度,支持“即插即用”功能,但其缺點(diǎn)是插拔麻煩,且擴(kuò)展槽有限,一般為5-6個(gè)。在用戶不希望插卡式的采集系統(tǒng)時(shí),尤其是在現(xiàn)場(chǎng)跟筆記本電腦連接的虛擬儀器,需要外掛式采集系統(tǒng)。RS232串行總線雖然連接簡(jiǎn)單,但其缺點(diǎn)是傳輸速度較低,且主機(jī)的串行口數(shù)目有限。相比之下, 基于USB通用串行總線的虛擬儀器目前比較流行。

常用的虛擬儀器應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境除了NI公司的LabVIEW 和LabWindows/CVI、Agilent公司的VEE和HPTIG平臺(tái)軟件等外,還有Tektronix公司的Ez—Test和Tek—TNS軟件,Wave Test公司的Wave TestVIP以及HEM Data公司的Snap-Marter等平臺(tái)。其中LabWindows/CVI是NI公司推出的面向儀器與測(cè)控過(guò)程的在Windows環(huán)境下的C、C++交互式開發(fā)開發(fā)環(huán)境,該平臺(tái)不僅提供了對(duì)虛擬儀器的支持,還具有各種測(cè)試、通信、控制和數(shù)值分析的能力,具有圖形建模簡(jiǎn)單、控制功能強(qiáng)大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、編程容易等優(yōu)點(diǎn)。它在C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上綜合了標(biāo)準(zhǔn)化軟件開發(fā)平臺(tái)和圖形化軟件開發(fā)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn),為熟悉C語(yǔ)言的開發(fā)人員提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的軟件開發(fā)環(huán)境,常常用于組建大型測(cè)試系統(tǒng)或復(fù)雜的虛擬儀器,是國(guó)內(nèi)虛擬儀器系統(tǒng)使用較多的編程開發(fā)環(huán)境。

綜合以上因素及應(yīng)用環(huán)境對(duì)攜帶方便性的要求,本虛擬信號(hào)分析儀主要是由一塊USB總線的F24U數(shù)據(jù)采集卡、筆記本電腦和用LabWindows/CVI平臺(tái)開發(fā)的軟件組成。所采用的F24U數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采樣頻率可達(dá)40MHz,具有8bit分辨率,上升時(shí)間小于10ns,輸入阻抗1MΩ,13pF,板卡提供動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),允許用戶通過(guò)調(diào)用其函數(shù)庫(kù)對(duì)其進(jìn)行編程等特點(diǎn)。

2.2時(shí)域波形顯示子模塊的計(jì)量測(cè)試分析

進(jìn)行信號(hào)分析的前提是要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,然后由采樣數(shù)據(jù)恢復(fù)出采集的信號(hào),相當(dāng)于將采集的信號(hào)進(jìn)行顯示,類似一臺(tái)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能,因此按照J(rèn)IG 600-1989《存貯示波器》國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程[2]采用FLUKE 9500 Calibrator示波器校準(zhǔn)裝置對(duì)本文實(shí)現(xiàn)的虛擬信號(hào)分析儀的時(shí)域波形顯示子模塊進(jìn)行了檢定。

FLUKE 9500 Calibrator使用了有源信號(hào)頭技術(shù)。有源信號(hào)頭通過(guò)一條同軸電纜和一條控制電纜與9500B主機(jī)相連接。有源信號(hào)頭內(nèi)安裝著必要的電路,為校準(zhǔn)現(xiàn)代高性能示波器提供必需的所有信號(hào)。該校準(zhǔn)器性能優(yōu)越的關(guān)鍵在于有源信號(hào)頭的輸出電路和示波器的放大器輸入端距離非常近,在這樣短的距離中包含了匹配阻抗、微帶傳輸線和高質(zhì)量的BNC或SMA連接器,這樣就消除了校準(zhǔn)信號(hào)質(zhì)量降低、失真和不確定度的來(lái)源。FLUKE 9500 Calibrator的準(zhǔn)確度對(duì)于直流為0.025%,對(duì)于方波為0.1%,具有±0.25ppm的定時(shí)準(zhǔn)確度[3],這些技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了一般校準(zhǔn)工作的需要。

基于LabWindows/CVI的信號(hào)分析儀的時(shí)域波形顯示子模塊參照J(rèn)IG 600-1989 《存貯示波器》國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程進(jìn)行檢定。對(duì)該時(shí)域波形顯示子模塊穩(wěn)態(tài)頻響的檢定發(fā)現(xiàn),在輸入信號(hào)頻率小于5MHz的情況下滿足檢定規(guī)程中對(duì)穩(wěn)態(tài)頻響的要求,在輸入信號(hào)頻率為7MHz時(shí)分析儀顯示的幅值已經(jīng)不能滿足檢定規(guī)程要求的衰減3dB的要求,被采集的信號(hào)如果高于該頻率,則信號(hào)分析儀時(shí)域顯示波形失真已經(jīng)非常明顯,信號(hào)分析儀的波形無(wú)法還原輸入信號(hào)分析儀的信號(hào),給信號(hào)的其它參數(shù)分析會(huì)帶來(lái)比較大的誤差[4]。因此,在輸入信號(hào)頻率小于5MHz時(shí)該信號(hào)分析儀的時(shí)域波形顯示的電壓幅值的誤差可以滿足±2%的要求,如果輸入信號(hào)頻率高于5MHz就會(huì)引起較大的波形失真。雖然F24U標(biāo)稱帶寬為40MHz,按照奈奎斯特理論,本信號(hào)分析儀可以采集20MHz的信號(hào),而根據(jù)實(shí)際測(cè)得的結(jié)果可知本信號(hào)分析儀只能采集信號(hào)頻率5MHz以下的信號(hào)才不至于引起較大的分析誤差。奈奎斯特理論要求采樣頻率不小于被采集信號(hào)的最高頻率的2倍,在理論分析上認(rèn)為是可以還原采樣信號(hào)的,但實(shí)際上2倍的采樣頻率是很難還原被采集的信號(hào),采樣頻率不夠高,就會(huì)引起波形失真,給信號(hào)分析帶來(lái)比較大的誤差。

對(duì)本文的基于LabWindows/CVI的虛擬信號(hào)分析儀而言,分析儀顯示的波形和標(biāo)準(zhǔn)值的誤差來(lái)源主要包括信號(hào)采集卡的誤差和軟件計(jì)算的誤差。另外,信號(hào)分析儀所使用探頭的參數(shù)也是比較重要的,由于在對(duì)信號(hào)分析儀時(shí)域波形顯示功能進(jìn)行檢定時(shí)使用的是FLUKE 9500 Calibrator的有源連接頭,該連接頭使信號(hào)產(chǎn)生的失真可以忽略,而實(shí)際使用信號(hào)分析儀時(shí)會(huì)使用信號(hào)分析儀的無(wú)源探頭,其中包含無(wú)源元件如電阻和電容,這種探頭通常對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減,而且這種衰減往往呈非線性,由于在對(duì)示波器功能檢定時(shí)并沒有連接該無(wú)源探頭,因此在實(shí)際使用時(shí)非常有必要對(duì)探頭的性能帶來(lái)的誤差進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了基于虛擬儀器技術(shù)的信號(hào)分析儀,該分析儀不但能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)在時(shí)域的波形顯示、存儲(chǔ)、信號(hào)分析和頻域的信號(hào)分析功能,而且還可以根據(jù)測(cè)試需求擴(kuò)充其它的信號(hào)分析及數(shù)據(jù)處理功能。對(duì)時(shí)域波形顯示子模塊的計(jì)量測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)在輸入信號(hào)頻率范圍小于5MHz時(shí)時(shí)域波形顯示的電壓幅值的誤差可以滿足±2%的要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 林君,謝宣松.虛擬儀器原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[2] JIG 600-1989《存貯示波器》國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程[S].北京:國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局,1989:1-17

[3] Wavetek Corporation.High Performance Oscilloscope Calibrator Operation and Performance1999184-192.

[4] 馬青亮.基于LabWindows/CVI的信號(hào)分析儀的研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué)圖書館,2008.