計算機測控技術(shù)在微弱信號測量儀表中的應(yīng)用探討

余衡樹

摘 要：對于微弱信號測量儀表，存在測量精度不準(zhǔn)確、頻帶不寬等問題，對此，可以將計算機測控技術(shù)應(yīng)用在微弱信號測量儀表中。在測量儀表結(jié)構(gòu)上，可以通過電磁兼容，實現(xiàn)嵌入計算機和微弱信號測量電路的有效結(jié)合。在軟件設(shè)計方面，可以通過數(shù)字濾波、量程校準(zhǔn)、幅頻曲線擬合、頻響誤差修正等對計算機數(shù)據(jù)進行處理，從而達到優(yōu)化微弱信號測量儀表的目的。

關(guān)鍵詞：計算機測控技術(shù)；微弱信號；測量儀表；應(yīng)用

新環(huán)境下，精密的測量儀表已經(jīng)朝著自動化、智能化的方向發(fā)展，在測量儀表中，嵌入式計算機已經(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。對于微弱信號測量儀表中，嵌入式計算機的應(yīng)用還有待加強，對于微弱信號測量儀表，和其他精密測量儀表相比較，必須處理好噪聲、干擾等問題，在微弱信號測量儀表中，應(yīng)用嵌入式計算機測控系統(tǒng)很容易引起相互干擾。因此，如何有效地消除微弱信號測量儀表和嵌入式計算機測控系統(tǒng)之間的干擾是當(dāng)前思考的主要問題。

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)裝置進行研究，該裝置主要由計算機測控系統(tǒng)、屏蔽箱、濾波器、校準(zhǔn)信號源、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)、測量等多種功能，可以對微弱信號進行直接測量，同時也能通過計算機測控系統(tǒng)將相應(yīng)的微弱信號進行測量。計算機測控系統(tǒng)主要由電路板、24位A/D數(shù)據(jù)采集卡、PC104/586計算機、面板控制功能等組成。

對于微弱信號測量，當(dāng)出現(xiàn)測量電路與計算機控制電路在同一機箱，或者測量電路與元器件在同一機箱中，就會產(chǎn)生很大的電磁干擾。為了解決電磁兼容問題，需要經(jīng)過合理的布局。在ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置中，濾波器是一個次要環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)將工作頻帶以外的不相干信號、噪聲濾除，在噪聲、干擾消除方面，主要由相關(guān)處理器進行。對于計算機，主要通過電子開關(guān)、控制電路，對程控放大器、相關(guān)處理器、校準(zhǔn)信號、數(shù)據(jù)采集等進行自動控制，從而實現(xiàn)量程選擇、設(shè)置時間常數(shù)、數(shù)據(jù)采集等。對于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

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)下運行，軟件設(shè)計從多任務(wù)程序設(shè)計出發(fā)，利用C語言編程，通過限時任務(wù)輪流處理方式，根據(jù)消息隊列中需要處理的任務(wù)，以及任務(wù)優(yōu)先級，對相應(yīng)任務(wù)進行處理。在軟件系統(tǒng)中，主要由多個模塊組成，該軟件的主要流程是：首先打開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；再次開始進行數(shù)據(jù)采集，并判斷是否需要進行自校準(zhǔn)，如果需要，則產(chǎn)生并調(diào)用新的量程對數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，并進入數(shù)字濾波環(huán)節(jié)，如果不需要進行自校準(zhǔn)，則直接進入數(shù)字濾波環(huán)節(jié)；最后進行幅頻曲線擬合，修正頻響誤差，顯示結(jié)果和儀器狀態(tài)。

3 實驗分析

3.1 量程校準(zhǔn)

在進行量程校準(zhǔn)時，主要采用穩(wěn)定性、精度高的校準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)信號，然后調(diào)用校準(zhǔn)程序，對標(biāo)準(zhǔn)信號進行檢測，并對計算機數(shù)據(jù)處理自動生產(chǎn)校準(zhǔn)因子進行檢測，從而實現(xiàn)量程校準(zhǔn)。對于校準(zhǔn)源需要保證每日頻率變化不會超過10-5，其變化幅度不會超過0.3%。在進行測試時，根據(jù)不同的量程，引入相對應(yīng)的校準(zhǔn)因子，對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、隨機誤差進行修正，從而提高裝置的測量精度。

3.2 數(shù)字濾波

對于數(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，將輸入信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出信號，從而達到降低干擾、消除噪聲的目的，保證測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。利用數(shù)字濾波將粗大誤差剔除，然后利用周期信號積累求和、重復(fù)采集平均達到降低噪聲的目的。

3.3 幅頻曲線擬合及修正頻響誤差

在進行微弱信號測量時，通過某種檢測是抑制微弱信號測量裝置中噪聲、干擾的有效方法，受元器件性能的影響，微弱信號測量標(biāo)準(zhǔn)裝置呈在大范圍內(nèi)幅頻非線性變化的趨勢，這會導(dǎo)致測量結(jié)果頻響誤差過大，從而影響到微弱信號測量裝置的綜合性能。對此，可以根據(jù)測量結(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函數(shù)，按照擬合的代表幅頻特性冪級函數(shù)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的修正因子，對計算機數(shù)據(jù)測量結(jié)果的頻響誤差進行自動修正。通過這種修正方法，與誤差理論參照系統(tǒng)修正方法進行頻響誤差修正進行對比，修正后，本裝置的工作頻段擴展到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儀表中的嵌入式計算機和微弱信號測量電路的電磁兼容問題，能將計算機系統(tǒng)的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，有利于提高微弱信號測量精度。通過計算機控制與操作自動化系統(tǒng)，能優(yōu)化整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；利用計算機數(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，使得微弱信號儀表測量精度得到極大提高。同時，還可以利用計算機軟件實現(xiàn)微弱信號測量儀表的工作頻段兩端延伸，極大改善微弱信號儀表的性能。

參考文獻

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（作者單位：成都理工大學(xué)）