余衡樹(shù)

摘 要：對(duì)于微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表，存在測(cè)量精度不準(zhǔn)確、頻帶不寬等問(wèn)題，對(duì)此，可以將計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)應(yīng)用在微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表中。在測(cè)量?jī)x表結(jié)構(gòu)上，可以通過(guò)電磁兼容，實(shí)現(xiàn)嵌入計(jì)算機(jī)和微弱信號(hào)測(cè)量電路的有效結(jié)合。在軟件設(shè)計(jì)方面，可以通過(guò)數(shù)字濾波、量程校準(zhǔn)、幅頻曲線擬合、頻響誤差修正等對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而達(dá)到優(yōu)化微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表的目的。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)；微弱信號(hào)；測(cè)量?jī)x表；應(yīng)用

新環(huán)境下，精密的測(cè)量?jī)x表已經(jīng)朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，在測(cè)量?jī)x表中，嵌入式計(jì)算機(jī)已經(jīng)得到十分廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)據(jù)采集、輸出、處理等方面，發(fā)揮著不可替代的作用。對(duì)于微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表中，嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用還有待加強(qiáng)，對(duì)于微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表，和其他精密測(cè)量?jī)x表相比較，必須處理好噪聲、干擾等問(wèn)題，在微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表中，應(yīng)用嵌入式計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)很容易引起相互干擾。因此，如何有效地消除微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表和嵌入式計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)之間的干擾是當(dāng)前思考的主要問(wèn)題。

1 ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置組成與結(jié)構(gòu)分析

在本次研究中，采用ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行研究，該裝置主要由計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、屏蔽箱、濾波器、校準(zhǔn)信號(hào)源、電源、程控放大器以及其他裝置組成，ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置具有校準(zhǔn)、測(cè)量等多種功能，可以對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行直接測(cè)量，同時(shí)也能通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)將相應(yīng)的微弱信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要由電路板、24位A/D數(shù)據(jù)采集卡、PC104/586計(jì)算機(jī)、面板控制功能等組成。

對(duì)于微弱信號(hào)測(cè)量，當(dāng)出現(xiàn)測(cè)量電路與計(jì)算機(jī)控制電路在同一機(jī)箱，或者測(cè)量電路與元器件在同一機(jī)箱中，就會(huì)產(chǎn)生很大的電磁干擾。為了解決電磁兼容問(wèn)題，需要經(jīng)過(guò)合理的布局。在ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置中，濾波器是一個(gè)次要環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)將工作頻帶以外的不相干信號(hào)、噪聲濾除，在噪聲、干擾消除方面，主要由相關(guān)處理器進(jìn)行。對(duì)于計(jì)算機(jī)，主要通過(guò)電子開(kāi)關(guān)、控制電路，對(duì)程控放大器、相關(guān)處理器、校準(zhǔn)信號(hào)、數(shù)據(jù)采集等進(jìn)行自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)量程選擇、設(shè)置時(shí)間常數(shù)、數(shù)據(jù)采集等。對(duì)于ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示：

2 相關(guān)軟件設(shè)計(jì)

在本次研究中，ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置主要是在DOS6.22操作系統(tǒng)下運(yùn)行，軟件設(shè)計(jì)從多任務(wù)程序設(shè)計(jì)出發(fā)，利用C語(yǔ)言編程，通過(guò)限時(shí)任務(wù)輪流處理方式，根據(jù)消息隊(duì)列中需要處理的任務(wù)，以及任務(wù)優(yōu)先級(jí)，對(duì)相應(yīng)任務(wù)進(jìn)行處理。在軟件系統(tǒng)中，主要由多個(gè)模塊組成，該軟件的主要流程是：首先打開(kāi)ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置，儀器初始化，并讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；其次設(shè)置時(shí)間常數(shù)、選擇量程、設(shè)置濾波器帶寬、選擇衰減器衰減比例；再次開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并判斷是否需要進(jìn)行自校準(zhǔn)，如果需要，則產(chǎn)生并調(diào)用新的量程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并進(jìn)入數(shù)字濾波環(huán)節(jié)，如果不需要進(jìn)行自校準(zhǔn)，則直接進(jìn)入數(shù)字濾波環(huán)節(jié)；最后進(jìn)行幅頻曲線擬合，修正頻響誤差，顯示結(jié)果和儀器狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 量程校準(zhǔn)

在進(jìn)行量程校準(zhǔn)時(shí)，主要采用穩(wěn)定性、精度高的校準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后調(diào)用校準(zhǔn)程序，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理自動(dòng)生產(chǎn)校準(zhǔn)因子進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)量程校準(zhǔn)。對(duì)于校準(zhǔn)源需要保證每日頻率變化不會(huì)超過(guò)10-5，其變化幅度不會(huì)超過(guò)0.3%。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，根據(jù)不同的量程，引入相對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)因子，對(duì)ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置的元器件性能參數(shù)、硬件設(shè)施的系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差進(jìn)行修正，從而提高裝置的測(cè)量精度。

3.2 數(shù)字濾波

對(duì)于數(shù)字濾波，是處理數(shù)據(jù)的一種有效方法，主要是按照一定的規(guī)律，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出信號(hào)，從而達(dá)到降低干擾、消除噪聲的目的，保證測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。利用數(shù)字濾波將粗大誤差剔除，然后利用周期信號(hào)積累求和、重復(fù)采集平均達(dá)到降低噪聲的目的。

3.3 幅頻曲線擬合及修正頻響誤差

在進(jìn)行微弱信號(hào)測(cè)量時(shí)，通過(guò)某種檢測(cè)是抑制微弱信號(hào)測(cè)量裝置中噪聲、干擾的有效方法，受元器件性能的影響，微弱信號(hào)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置呈在大范圍內(nèi)幅頻非線性變化的趨勢(shì)，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果頻響誤差過(guò)大，從而影響到微弱信號(hào)測(cè)量裝置的綜合性能。對(duì)此，可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果幅度-頻率變化規(guī)律，利用函數(shù)擬合法，將相應(yīng)的幅頻曲線擬合成冪級(jí)函數(shù)，按照擬合的代表幅頻特性冪級(jí)函數(shù)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的修正因子，對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果的頻響誤差進(jìn)行自動(dòng)修正。通過(guò)這種修正方法，與誤差理論參照系統(tǒng)修正方法進(jìn)行頻響誤差修正進(jìn)行對(duì)比，修正后，本裝置的工作頻段擴(kuò)展到10Hz～250kHz，影響頻響誤差降低到1%以下。

4 總結(jié)

研究表明，有效地解決微弱信號(hào)儀表中的嵌入式計(jì)算機(jī)和微弱信號(hào)測(cè)量電路的電磁兼容問(wèn)題，能將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，有利于提高微弱信號(hào)測(cè)量精度。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制與操作自動(dòng)化系統(tǒng)，能優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能減少硬件系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差及隨機(jī)誤差，還可以減小人員操作引起的粗大誤差，或者元器件引起的頻響誤差，使得微弱信號(hào)儀表測(cè)量精度得到極大提高。同時(shí)，還可以利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表的工作頻段兩端延伸，極大改善微弱信號(hào)儀表的性能。

參考文獻(xiàn)

[1]彭先洪，何共建，梁國(guó)杰，等.計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)在微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表中的應(yīng)用研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2010，33（7）：40-42.

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（作者單位：成都理工大學(xué)）