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在傳統的電子測量中，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據不能得到很好的處理，需要測試者進一步的計算和處理，給測量者帶來了諸多的不便。 本文針對這些問題，介紹應用DSP技術和虛擬儀器技術，設計研制多功能的電子測量儀的主要技術。 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，同時將這些參量進行分析和處理，以數據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、測量數據分析、人機交互、顯示等幾個部分構成。其基本結構如圖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、轉換等工作；分析部分主要完成信號處理后的分析工作；人機交互部分主要完成需求的設置、量程的調整等工作；顯示部分將測量和分析結果以數據、圖形等形式顯示出來。 近年來由于DSP技術的飛速發展和虛擬儀器技術的廣泛應用，促使電子測量儀表技術得到快速的發展。高速A／D技術和DSP技術的應用簡化了測量信號的采集電路、處理電路；虛擬儀器技術的應用簡化了對測量數據的計算和分析，使人機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行A／D轉換，必須將信號變換到A／D的范同內。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)為變換時產生非線性畸變和噪聲，應在軟件計算時削弱。 1.2 A／D及D／A電路 A／D電路是將經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電路的作用主要產生一個校驗信號。DSP產生的數字校驗信號，經過D／A電路變換成模擬校驗信號，對系統進行校驗。通過校驗調整，量程和產生削弱參數。 1.3 數字信號處理DSP電路 數字信號處理DSP電路是整個系統的核心，通過DSP系統，對輸入的被測信號進行濾波處理、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，窗函數采用高斯窗函數。處理后的數據放在專門開辟的數據緩沖區內，供顯示部分和計算機訪問。 校驗數字信號由DSP部分產生，校驗數字信號可通過鍵盤部分或計算機設置，可設置為正弦波、方波、脈沖、隨機信號。 1.4 鍵盤及顯示 考慮到測量儀器可能不和計算機配合使用，而是單獨使用，將鍵盤和顯示設計到系統中。 鍵盤和顯示是人機交互的界面。通過鍵盤可設置、調整測量儀器的參數。顯示部分顯示參數的設置和測量數據，測量曲線。 1.5 計算機 DSP通過接口和計算機互連，計算機通過虛擬儀器軟件訪問、操作測量儀系統。 計算機訪問DSP處理的數據，將這些數據進一步處理后，以圖形或數據的形式顯示在計算機界面上，或存人數據庫。 2 硬件設計 根據圖1的基本原理，以總線式設計整個硬件電路。信號采樣電路，通過數據、控制、選通、狀態信號總線和DSP核心電路連接。其硬件結構如圖2所示。 2.1 A／D及D／A總線 為了能使硬件系統具有可擴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計。主要包括數據總線、控制總線、選通總線和狀態總線。 (1) 數據總線 數據總線主要是A／D和D／A電路數據的輸入輸出總線。在控制總線、選通總線的控制下，A／D電路將采樣后的數字信號輸入到DSP中。同樣，通過數據總線將校驗數字信號輸出到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�？刂瓶偩�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生的選通信號觸發電路工作。 (4) 狀態總線 狀態總線主要將A／D或D／A電路的工作狀態通知給DSP，DSP通過檢測狀態總線的數據，得到A／D或D／A的工作狀態。狀態信號通過狀態編碼電路，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換為數字信號，而D／A轉換主要將DSP通過數據總線輸出的數字信號轉換為模擬信號。A／D及D／A要和DSP的數據、控制、選通、狀態總線接口。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電路接收數據總線的數字信號，在控制總線信號的控制下，當選通總線的信號經譯碼后有效時，才能工作。 2.3 耦合電路 (1) 交流耦合電路 當測量交流大信號時，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，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 當測量直流大信號時，通過調整直流耦合電路的電阻變比，同時通過限幅電路的保護，使A／D電路處于正常的工作范圍。 3 軟件設計 為了使系統具有開放性、可擴展性和通用性，采用平臺化的設計思想。將整個軟件分為底層支持層，中間調度操作層和頂層應用層。軟件的基本層次結構如圖5所示。 3.1 支持層 支持層主要包括A／D，D／A電路驅動函數，狀態檢測函數，A／D，D／A轉換執行函數。 A／D，D／A電路驅動函數，主要對硬件的控制總線進行操作，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： 狀態檢測函數檢測函數主要檢測狀態總線的狀態，其核心偽代碼為： A／D，D／A轉換執行函數主要執行A／D，D／A轉換，其核心偽代碼為： 3.2 調度操作層 調度操作層主要的任務是，定時檢測鍵盤或計算機虛擬儀器的命令，執行鍵盤操作、顯示、多路A／D數據采集或執行D／A輸出。A／D或D／A轉換的核心偽代碼為： 3.3 應用層 應用層主要完成鍵盤操作，顯示，PC接口，虛擬儀器數據接口等功能。主要技術是操作命令緩沖區，數據緩沖區。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卡進行接口的，計算機通過網卡以TCP／IP的方式訪問DSP的數據緩沖區、命令緩沖區。其核心偽代碼： 4 結 語 本文所設計的多功能電工測量儀已在實驗室實現，通過測試，達到了預期的設計目標。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LabVIEW 5.1的接口，能充分發揮該儀器的功能。該儀器在電工實驗和電子測量中能代替傳統的測量儀器，具有一定的實際意義。 |
