• 易迪拓培训,专注于微波、射频、天线设计工程师的培养
首页 > 测试测量 > 技术文章 > 基于DSP技术的多功能电子测量仪的设计与实现

基于DSP技术的多功能电子测量仪的设计与实现

录入:edatop.com    点击:
在传统的电子测量中,往往使用万用表、示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等测量等仪器。在综合电子测量中,往往要使用到多种不同精度和不同功能的仪器、仪表,而且测量后的测量数据不能得到很好的处理,需要测试者进一步的计算和处理,给测量者带来了诸多的不便。

本文针对这些问题,介绍应用DSP技术和虚拟仪器技术,设计研制多功能的电子测量仪的主要技术。

1 基本原理

电子测量一般主要测量电压、电流、频率、相位等基本参量,同时将这些参量进行分析和处理,以数据图表或图形的方式显示出来。测最仪器一般可由测量信号采集、测量信号处理、测量数据分析、人机交互、显示等几个部分构成。其基本结构如图1所示。


测量信号采集部分主要采集电压或电流信号;测量信号处理部分主要完成信号的滤波、比对、转换等工作;分析部分主要完成信号处理后的分析工作;人机交互部分主要完成需求的设置、量程的调整等工作;显示部分将测量和分析结果以数据、图形等形式显示出来。 近年来由于DSP技术的飞速发展和虚拟仪器技术的广泛应用,促使电子测量仪表技术得到快速的发展。高速A/D技术和DSP技术的应用简化了测量信号的采集电路、处理电路;虚拟仪器技术的应用简化了对测量数据的计算和分析,使人机交互变得灵活和容易。

1.1 耦合

耦合电路主要完成被测信号的输入。一般,被测信号不能够直接进行A/D转换,必须将信号变换到A/D的范同内。耦合后,输入信号为:



其中:k为压缩因子,k≥1时,对被测信号线性放大,k≤1时,对被测信号线性缩小。f(t)为变换时产生非线性畸变和噪声,应在软件计算时削弱。 1.2 A/D及D/A电路

A/D电路是将经耦合电路变换的被测信号离散化。

变换后的信号为:



其中,n∈Z,Ts=1/fs,fs为A/D抽样频率。式(2)可表示为:



通过DSP软件处理,削弱式(3)中f(n)δ(t-nTs)。 D/A电路的作用主要产生一个校验信号。DSP产生的数字校验信号,经过D/A电路变换成模拟校验信号,对系统进行校验。通过校验调整,量程和产生削弱参数。

1.3 数字信号处理DSP电路

数字信号处理DSP电路是整个系统的核心,通过DSP系统,对输入的被测信号进行滤波处理、谱分析。滤波器采用FIR滤波器,采用雷米兹(Remez)算法,谱分析算法采用Gabor变换方法,窗函数采用高斯窗函数。处理后的数据放在专门开辟的数据缓冲区内,供显示部分和计算机访问。

校验数字信号由DSP部分产生,校验数字信号可通过键盘部分或计算机设置,可设置为正弦波、方波、脉冲、随机信号。

1.4 键盘及显示

考虑到测量仪器可能不和计算机配合使用,而是单独使用,将键盘和显示设计到系统中。

键盘和显示是人机交互的界面。通过键盘可设置、调整测量仪器的参数。显示部分显示参数的设置和测量数据,测量曲线。

1.5 计算机

DSP通过接口和计算机互连,计算机通过虚拟仪器软件访问、操作测量仪系统。

计算机访问DSP处理的数据,将这些数据进一步处理后,以图形或数据的形式显示在计算机界面上,或存人数据库。

2 硬件设计

根据图1的基本原理,以总线式设计整个硬件电路。信号采样电路,通过数据、控制、选通、状态信号总线和DSP核心电路连接。其硬件结构如图2所示。

2.1 A/D及D/A总线

为了能使硬件系统具有可扩展性和具有一定的开放性,对A/D信号采样部分和D/A模拟信号输出部分采用总线方式设计。主要包括数据总线、控制总线、选通总线和状态总线。

(1) 数据总线

数据总线主要是A/D和D/A电路数据的输入输出总线。在控制总线、选通总线的控制下,A/D电路将采样后的数字信号输入到DSP中。同样,通过数据总线将校验数字信号输出到D/A电路中。

(2) 控制总线

控制总线主要控制A/D和D/A的工作。对于每个A/D或D/A电路,只有在控制信号有效的情况下,该电路才能工作。控制总线需要和选通信号有效的情况下,控制才有效。


(3) 选通总线

选通总线主要配合控制总线使某个A/D或D/A电路工作。选通总线通过A/D或D/A电路上的译码电路产生的选通信号触发电路工作。 [p]

(4) 状态总线

状态总线主要将A/D或D/A电路的工作状态通知给DSP,DSP通过检测状态总线的数据,得到A/D或D/A的工作状态。状态信号通过状态编码电路,在选通信号的配合下输入到DSP。

2.2 A/D及D/A电路

A/D电路主要用来将输入的被测信号转换为数字信号,而D/A转换主要将DSP通过数据总线输出的数字信号转换为模拟信号。A/D及D/A要和DSP的数据、控制、选通、状态总线接口。其A/D电路基本原理如图3所示。


D/A电路的基本电路原理和A/D电路相似。D/A电路接收数据总线的数字信号,在控制总线信号的控制下,当选通总线的信号经译码后有效时,才能工作。

2.3 耦合电路

(1) 交流耦合电路

当测量交流大信号时,通过改变耦合电路前端变量器的变比使信号变小。同时通过限幅电路的保护,使A/D电路处于正常的工作范围。其基本电路原理如图4所示。


(2) 直流耦合电路 当测量直流大信号时,通过调整直流耦合电路的电阻变比,同时通过限幅电路的保护,使A/D电路处于正常的工作范围。

3 软件设计

为了使系统具有开放性、可扩展性和通用性,采用平台化的设计思想。将整个软件分为底层支持层,中间调度操作层和顶层应用层。软件的基本层次结构如图5所示。


3.1 支持层

支持层主要包括A/D,D/A电路驱动函数,状态检测函数,A/D,D/A转换执行函数。 [p]

A/D,D/A电路驱动函数,主要对硬件的控制总线进行操作,即操作硬件电路上的控制总线和选通总线。其核心伪代码为:



状态检测函数检测函数主要检测状态总线的状态,其核心伪代码为:



A/D,D/A转换执行函数主要执行A/D,D/A转换,其核心伪代码为:




3.2 调度操作层

调度操作层主要的任务是,定时检测键盘或计算机虚拟仪器的命令,执行键盘操作、显示、多路A/D数据采集或执行D/A输出。A/D或D/A转换的核心伪代码为:



3.3 应用层

应用层主要完成键盘操作,显示,PC接口,虚拟仪器数据接口等功能。主要技术是操作命令缓冲区,数据缓冲区。键盘操作程序的核心伪代码:



PC和虚拟仪器的接口是通过网卡进行接口的,计算机通过网卡以TCP/IP的方式访问DSP的数据缓冲区、命令缓冲区。其核心伪代码:



4 结 语

本文所设计的多功能电工测量仪已在实验室实现,通过测试,达到了预期的设计目标。多功能电工测量仪能测量和显示多个直流信号的电压、电流,多个交流信号的幅度、相位、频率。并且能配置不同的A/D采样电路。通过与虚拟仪器系统LabVIEW5.1的接口,能充分发挥该仪器的功能。该仪器在电工实验和电子测量中能代替传统的测量仪器,具有一定的实际意义。

点击浏览:矢量网络分析仪、频谱仪、示波器,使用操作培训教程

上一篇:r剂量率测量仪的研制
下一篇:基于DDS技术的高频正弦波发生器的设计

微波射频测量操作培训课程详情>>
射频和天线工程师培训课程详情>>

  网站地图