数字度测量仪

[img]http://www.instrument.com.cn/bbs/images/affix.gif[/img][url=http://www.instrument.com.cn/bbs/download.asp?ID=113818]高精度数字失真度测量仪的设计[/url]

影像测量仪（又名影像式精密测绘仪）是在测量投影仪的基础上进行的一次质的飞跃，它将工业计量方式从传统的光学投影对位提升到了依托于数位影像时代而产生的计算机屏幕测量。值得一提的是，目前市面上有一种既带数显屏又接计算机的过渡性产品。从严格意义来说，这种仅把电脑用作瞄准工具的设备不是影像测量仪，只能叫做“影像式测量投影仪”或“影像对位式投影仪”。换句话说：影像测量仪是依托于计算机屏幕测量技术和强大的空间几何运算软件而存在的。影像测量仪又分数字化影像测量仪(又名CNC影像仪)与手摇式影像测量仪两种，它们之间的区别主要表现在如下几个方面：一：数字化CNC技术实现了点哪走哪：手摇影像测量仪在测量点A、B两点之间距离的操作是：先摇X、Y方向手柄走位对准A点，在用手操作电脑并点击鼠标确定；然后摇手到B点，重复以上动作确定B点。每次点击鼠标该点的光学尺位移数值读入计算机，当所有点的数值都被读入后计算机自动进行计算并得到测量结果,一切功能与操作都是分离进行的；数字化CNC影像测量仪则不同，它建立在微米级精确数控的硬件与人性化操作软件的基础上，将各种功能彻底集成，从而成为一台真正义上的现代精密仪器。具备无级变速、柔和运动、点哪走哪、电子锁定、同步读数等基本能力；鼠标移动找到你所想要测定的A、B两点后，电脑就已帮你计算测量出结果，并显示图形供校验，图影同步，既使是初学者测量两点之间距离也只需数秒钟。二：数字化技术实现了工件随意放置：手摇式影像测量仪在进行基准测量时，需要摇动工作平台，然后通过认为判断所要求的点。而数字化影像测量仪可以利用软件技术完成空间坐标系旋转和多坐标系之间的复杂换算，被测工件可随意放置，随意建立坐标原点和基准方向并得到测量值，同时在屏幕上呈现出标记，直观地看出坐标方向和测量点，使最为常见的基准距离测量变得十分简便而直观。三： 数字化技术能进行CNC快速测量：手摇式影像测量仪在进行同一工件的批量测量时，需要人工逐一手摇走位，有时一天得摇上数以万计的圈数，仍然只能完成数十个复杂工件的有限测量，工作效率低下。数字化影像测量仪可以通过样品实测、图纸计算、CNC数据导入等方式建立CNC坐标数据，由仪器自动走向一个一个的目标点，完成各种测量操作，从而节省人力，提高效率。数十倍于手摇式影像测量仪的工作能力下，操作人员轻松而高效.如有疑问请登陆www.yr17.net

引言 　　通信系统中采用的许多算法和技术都是在线性系统的前提下研究和设计的，一定频率的信号通过这些网络后，往往会产生新的频率分量，称之为该网络的线性失真。失真度分析采取的常用方法有基波抑制法和谐波分析法两种。　　基波抑制法通常用在模拟失真度测量仪中，原理是采用具有频率选择性的无源网络(如谐振电桥、双T陷波网络等)抑制基波，由信号总功率和抑制基波后的信号功率计算出失真度。理想的基波抑制器应完全滤除基波，又不衰减任何其他频率。但实际上，基波抑制器对基波衰减抑制只能达到-60 dB～-80 dB，对谐波却损耗0.5 dB～1.0 dB。这种方式的失真度仪的性能主要依赖于硬件设计，调试和校准工作烦琐，一般只能实现固定1个或几个频率的失真度测量，其测量误差随着失真度降低而加大，并且随着器件老化，电路的稳定性和可靠性降低。　　谐波分析法类似于频谱分析，通常是借助数字方式的以FFF(快速傅里叶变换)为基础的算法，或者采用模拟方式的选频测量方法，从而获得基波和各次谐波的功率，计算出失真度。模拟选频方式的失真度分析仪性能高，但硬件电路复杂。数字方式的失真度分析对硬件的设计要求降低，其性能主要决定于A／D转换的精度和数字信号处理算法。仅仅采用FFT来分析失真度是远远不够的，因为测量精度与其运算量、存储空间的大小和测量速度存在明显的矛盾。 针对以上失真度测量方法的不足，本文以数字谐波分析法为基础，提出了基于DFT(离散傅里叶变换)和过零检测法的失真度分析算法，不仅可满足高精度和任意频率的测试需求，还可降低硬件设计复杂度。　　1失真度算法研究　　1.1算法分析　　失真度定义为： http://www.vihome.com.cn/class/UploadFiles_4704/200909/2009092213540898.jpg　　式中：u1，u2，…，uM分别为被测频率的基频、二次谐波、…、M次谐波分量的幅度有效值；E1，E2，…，EM为基频和谐波分量的能量，一般M=5或7。 从失真度定义来分析，要测量信号的失真度，只须设法将被测信号的基波与谐波分离，分别测出它们各自的功率或电压有效值，代入式(1)即可。　　DFT在DSP中通常用于对平稳信号的频谱估计，在应用中，将输入信号截短，得到的行向量X=x(n)与一个相同长度的正弦信号W=w(n)相乘积分，可得到向量X中含有正弦信号W的分量。所以，如果向量W的频率等于失真度测量的各个频率分量和它们的正交分量，则可以计算出输入信号中包含第m次谐波的能量Em： http://www.vihome.com.cn/class/UploadFiles_4704/200909/2009092213540809.jpg　　将式(2)值代人式(1)就可得到失真度值。 　　在工程测量中，被测信号的频率往往未知，而DFT计算时是确定的频率，所以应给W提供准确的频率，而且W的频率预测越准确，能量计算也越精确。　　为了准确找到基频，对采样信号采用过零检测法来测量频率，为避免噪声干扰，设置零幅度带，每通过零幅度带即为过零一次。被测信号频率由fx=N／T得到，T为时间基准，N为T内过零点数。过零检测法测频虽准确度较高，但是在标准的时间基准T中如10 ms、0.1 s、1 s等，由于被测信号与门控信号不可能同步锁定，所以存在固有的±1量化误差。本系统中如果选用1 s做时间基准的话，实时性不够。因此综合考虑实时性、存储量、处理速度之间的关系，选择T=0.1 s作为时间基准。这时±1误差被扩大10倍，为±10 Hz。为解决±1量化误差，使用以过零测频为中心，固定带宽(30 Hz)内最大值能量搜索办法(二分法)寻找基频能量最大值，经过5～7次迭代可得到准确的基频。然后直接使用此基频得到各次谐波的准确频率，并将基频和谐波频率提供给W，使用DFT就可直接估计基频和各高次谐波能量，完成失真度计算。　　1.2仿真结果分析　　使用MATLAB对上述算法进行仿真。设输入信号基频为1 kHz，并在±30 Hz范围内随机变动，信噪比20 dB，采样速率为44×103次采样／s，计算到7次谐波能量，基频能量二分法搜索带宽为30 Hz。最大值搜索时，当能量变化小于0.1％时终止，序列运算长度1 024个采样点，使用平方汉宁(Hanning)窗减少频谱泄漏。按这些条件，对500次具有随机频偏和失真特性的输入信号进行算法仿真。结果如图1所示。　　仿真结果表明，采用上述条件时，频率计算误差控制在1 Hz以下(见图1(a))；失真度误差能控制在1％以下(见图1(b))。如果终止条件更严格，测量精度可以更高。通过仿真还发现，当基频搜索时能量变化小于0.01％时终止，失真度测量误差可小于0.1％(见图1(d))。为使失真度算法更有效率，本系统采用能量变化小于0.1％时终止。　　2数字失真度测量仪硬件结构　　该系统硬件结构如图2所示。测量仪主要由信号调理、低通滤波、数据采集系统、主控制器AVR单片机(Atmega64L)、DSP(数字信号处理器)等模块组成。　　2.1信号调理和低通滤波模块　　信号调理和低通滤波的功能是对信号的幅度进行调理和滤波。信号的输入范围是不定的，小信号信噪比较低，大信号会引起A／D转换器对信号进行限幅而失真，所以采用数控可变增益放大器对信号输出电压范围进行调整，将信号的幅度控制在A／D转换器的满幅度附近。保证A／D转换器采集到的波形数据最大值仅占A／D转换器不失真输入范围的80％。低通滤波为20 kHz低通滤波器，其0.1 dB带宽为18 kHz，能有效滤除高频信号，同时保证较好的带内平坦度。　　2.2数据采集模块　　作为电子测量仪器要得到高精度的测量结果，要求A／D转换器的精度必须足够高。系统采用了TI公司的24 bit工业A／D转换器ADS1271，它可以得到低的漂移、极低的量化噪声。经ADS1271采样后的数据由DOUT引脚串行输出，与TMS320C6713的多通道缓冲串口McBSP直接相连。McBSP可支持字长为24 bit的数据，可直接接收A／D转换器输出的24 bit串行数据，并自动将接收数据中的数据位调整为DSP需要的格式。A／D转换器采样速率为44×103次采样／s。A／D转换器的采样脉冲信号由DSP的定时器提供。　　2.3数据处理模块　　DSP模块以TMS320C6713芯片为核心。该芯片是TI公司推出的一款高性能浮点DSP，内核包含了8个功能单元，采用先进的VLIW(甚长指令字)结构，使得DSP在单周期内能够执行多条指令。在225 MHz的时钟频率下，其最高执行速度可以达到1350×106次浮点运算／s。它还集成了丰富的片内外设单元，本系统主要用到的有HPI、EDMA和定时器。　　主机接口为HPI，外部主机可以直接访问内部的存储器和存储器映像存储器，TMS320C6713的HPI通过EDMA控制器实现对DSP存储空间的访问，本系统中Atmega64L是主机，可以直接配置TMS320C6713的EDMA定时器，节省TMS320C6713的查询周期。ED-MA(增强型直接存储器访问)是C621x／C671x／C64x系列DSP特有的访问方式，其启动可以由内部或外部事件触发，本系统采用外部触发。　　2.4外围设备　　失真度测试系统的控制和结果显示通过标准RS-232接口完成。因此该数字失真度测量仪可以作为一个独立测量模块集合在其他综合测试仪中。　　2.5控制模块　　主控制器使用Atmega64L单片机，完成系统的控制。DSP的处理结果由主控制器通过HPI接口获得，并缓存在内存中；当外部命令读取测试结果时，再通过RS-232接口发送出去。控制模块还完成系统的低功耗控制、DSP运行模式等控制。　　3软件实现　　图3是TMS320C6713芯片的软件流程图。该芯片受Atmega64L控制。Atmega64L根据RS-232接口获得指令，然后根据指令参数来控制仪器的运行。TMS320C6713可执行两种操作：一种是自动测量，首先对采集数据使用过零法粗测频率，然后把粗测频率作为参数传递给失真度测量程序，由失真度计算程序完成测量；另一种是定频测量，把Atmega64L传递来的频率参数直接传递给失真度测量程序完成失真度的测量，而不需要事先测量频率。　　失真度测量程序设有一个入口参数fmiddle，以此参数为中心频率在带宽30 Hz内使用最大值搜索法找寻准确的基频频率并完成失真度计算，返回值是实际测量的基频频率、信号电平、失真度。　　DSP处理完数据后，把测试结果缓存在内存中，单片机根据指令通过HPI接口读取测试结果。　　4性能分析　　测量速度是决定仪器实用性的重要因素。每计算一次失真度，基频能量二分法最大值搜索时一般需要5～7次迭代，每次迭代含3次向量乘法(2次乘法，2次加法)，取10次迭代需要30次向量乘累加操作、生成30个W向量；剩余6次谐波计算需要6个W向量，合计36个W向量。　　W向量的生成如果采用直接调用库函数，运送量太大，而