鮑 芳 馬青亮 劉 昕

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

[關(guān)鍵詞]虛擬信號分析儀計量測試

[中圖分類號]TN911.6[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0092-02

1概述

高速發(fā)展的計算機技術(shù)、通信技術(shù)及其在測量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用,促進了測試理論和方法的發(fā)展,新的測試儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn),各種虛擬儀器已進入國防、航空、航天、通信、計量等行業(yè)并得到了廣泛應(yīng)用[1]。虛擬信號分析儀有別于傳統(tǒng)信號分析儀器的結(jié)構(gòu)和功能主要由硬件電路實現(xiàn)、功能不易擴展等特點,它把計算機技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合起來,充分利用計算機技術(shù)來實現(xiàn)或增強傳統(tǒng)儀器的功能,具有結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)周期短、系統(tǒng)容易擴展等優(yōu)點,同時便于和計算機網(wǎng)絡(luò)相連接,容易實現(xiàn)信息的管理和共享,是進行科學研究和工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)檢測的重要工具。

2虛擬信號分析儀的系統(tǒng)方案及計量測試分析

本系統(tǒng)主要包括以下部分:主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時域分析模塊、頻域分析模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊及使用幫助模塊。主控模塊控制整個系統(tǒng)的運行,包括創(chuàng)建信號采集線程、信號分析線程和人機交互線程,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)對信號進行采樣,并將采樣數(shù)據(jù)傳送到計算機,進行時域波形的存儲和顯示;時域分析模塊包括信號的時域參數(shù)以及信號的自相關(guān)分析和互相關(guān)分析、信號卷積子模塊等。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、信號加窗濾波子模塊及信號IIR濾波子模塊;數(shù)據(jù)庫管理模塊將大大簡化數(shù)據(jù)的管理,使得數(shù)據(jù)的檢索和測試信息的查詢非常便捷;幫助模塊詳細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組建虛擬信號分析儀的關(guān)鍵技術(shù)

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

數(shù)據(jù)采集卡的主要指標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,這兩個指標相互制約,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)量就會比較大,系統(tǒng)運行就會變慢,因此只能根據(jù)不同的需要來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折中點。

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

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

測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,它和測量范圍(可測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總線作為專用測試儀器總線,價格昂貴,普及性差;PCI總線雖具有高的傳輸速度,支持“即插即用”功能,但其缺點是插拔麻煩,且擴展槽有限,一般為5-6個。在用戶不希望插卡式的采集系統(tǒng)時,尤其是在現(xiàn)場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單,但其缺點是傳輸速度較低,且主機的串行口數(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。其中LabWindows/CVI是NI公司推出的面向儀器與測控過程的在Windows環(huán)境下的C、C++交互式開發(fā)開發(fā)環(huán)境,該平臺不僅提供了對虛擬儀器的支持,還具有各種測試、通信、控制和數(shù)值分析的能力,具有圖形建模簡單、控制功能強大、實時性強、編程容易等優(yōu)點。它在C語言的基礎(chǔ)上綜合了標準化軟件開發(fā)平臺和圖形化軟件開發(fā)平臺的優(yōu)點,為熟悉C語言的開發(fā)人員提供了一個功能強大的軟件開發(fā)環(huán)境,常常用于組建大型測試系統(tǒng)或復(fù)雜的虛擬儀器,是國內(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)境對攜帶方便性的要求,本虛擬信號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40MHz,具有8bit分辨率,上升時間小于10ns,輸入阻抗1MΩ,13pF,板卡提供動態(tài)鏈接庫,允許用戶通過調(diào)用其函數(shù)庫對其進行編程等特點。

2.2時域波形顯示子模塊的計量測試分析

進行信號分析的前提是要對信號進行采樣,然后由采樣數(shù)據(jù)恢復(fù)出采集的信號,相當于將采集的信號進行顯示,類似一臺數(shù)字存儲示波器的功能,因此按照JIG 600-1989《存貯示波器》國家計量檢定規(guī)程[2]采用FLUKE 9500 Calibrator示波器校準裝置對本文實現(xiàn)的虛擬信號分析儀的時域波形顯示子模塊進行了檢定。

FLUKE 9500 Calibrator使用了有源信號頭技術(shù)。有源信號頭通過一條同軸電纜和一條控制電纜與9500B主機相連接。有源信號頭內(nèi)安裝著必要的電路,為校準現(xiàn)代高性能示波器提供必需的所有信號。該校準器性能優(yōu)越的關(guān)鍵在于有源信號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,這樣就消除了校準信號質(zhì)量降低、失真和不確定度的來源。FLUKE 9500 Calibrator的準確度對于直流為0.025%,對于方波為0.1%,具有±0.25ppm的定時準確度[3],這些技術(shù)指標遠遠超過了一般校準工作的需要。

基于LabWindows/CVI的信號分析儀的時域波形顯示子模塊參照JIG 600-1989 《存貯示波器》國家計量檢定規(guī)程進行檢定。對該時域波形顯示子模塊穩(wěn)態(tài)頻響的檢定發(fā)現(xiàn),在輸入信號頻率小于5MHz的情況下滿足檢定規(guī)程中對穩(wěn)態(tài)頻響的要求,在輸入信號頻率為7MHz時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,被采集的信號如果高于該頻率,則信號分析儀時域顯示波形失真已經(jīng)非常明顯,信號分析儀的波形無法還原輸入信號分析儀的信號,給信號的其它參數(shù)分析會帶來比較大的誤差[4]。因此,在輸入信號頻率小于5MHz時該信號分析儀的時域波形顯示的電壓幅值的誤差可以滿足±2%的要求,如果輸入信號頻率高于5MHz就會引起較大的波形失真。雖然F24U標稱帶寬為40MHz,按照奈奎斯特理論,本信號分析儀可以采集20MHz的信號,而根據(jù)實際測得的結(jié)果可知本信號分析儀只能采集信號頻率5MHz以下的信號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的最高頻率的2倍,在理論分析上認為是可以還原采樣信號的,但實際上2倍的采樣頻率是很難還原被采集的信號,采樣頻率不夠高,就會引起波形失真,給信號分析帶來比較大的誤差。

對本文的基于LabWindows/CVI的虛擬信號分析儀而言,分析儀顯示的波形和標準值的誤差來源主要包括信號采集卡的誤差和軟件計算的誤差。另外,信號分析儀所使用探頭的參數(shù)也是比較重要的,由于在對信號分析儀時域波形顯示功能進行檢定時使用的是FLUKE 9500 Calibrator的有源連接頭,該連接頭使信號產(chǎn)生的失真可以忽略,而實際使用信號分析儀時會使用信號分析儀的無源探頭,其中包含無源元件如電阻和電容,這種探頭通常對輸入信號進行衰減,而且這種衰減往往呈非線性,由于在對示波器功能檢定時并沒有連接該無源探頭,因此在實際使用時非常有必要對探頭的性能帶來的誤差進行驗證。

3 結(jié)語

本文實現(xiàn)了基于虛擬儀器技術(shù)的信號分析儀,該分析儀不但能夠?qū)崿F(xiàn)信號在時域的波形顯示、存儲、信號分析和頻域的信號分析功能,而且還可以根據(jù)測試需求擴充其它的信號分析及數(shù)據(jù)處理功能。對時域波形顯示子模塊的計量測試結(jié)果表明該系統(tǒng)在輸入信號頻率范圍小于5MHz時時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]

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

[2] JIG 600-1989《存貯示波器》國家計量檢定規(guī)程[S].北京:國家技術(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的信號分析儀的研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學圖書館,2008.