全自动数字低失真度测量仪

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

[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]

全自动影像测量仪是在数字化影像测量仪基础上发展起来的人工智能型现代光学非接触测量仪器，其承续了数字化仪器优异的运动精度与运动操控性能，融合机器视觉软件的设计灵性，属于当今最前沿的光学尺寸检测设备。全自动影像测量仪能够便捷而快速进行三维坐标测量与SPC结果分类，满足现代制造业对尺寸检测日益突出的要求：更高速、更便捷、更精准的测量需要，解决制造业发展中的又一个瓶颈技术。全自动影像测量仪基于机器视觉的自动边缘提取、自动理匹、自动对焦、测量合成、影像合成等人工智能技术，具有“点哪走哪”自动测量、CNC走位自动测量、自动学习批量测量，影像地图目标指引，全视场鹰眼放大等优异功能。同时，基于机器视觉与微米精确控制下的自动对焦过程，可以满足清晰造影下辅助测高需要(亦可加入触点测头完成坐标测高)。支持空间坐标旋转的优异软件性能，可在工件随意放置的情况下进行批量测量，亦可使用夹具进行大批量扫描测量与SPC 结果分类。全自动影像测量仪是影像测量技术的高级阶段，具有高度智能化与自动化特点。其优异的软硬件性能让坐标尺寸测量变得便捷而惬意，拥有基于机器视觉与过程控制的自动学习功能，依托数字化仪器高速而精准的微米级走位，可将测量过程的路径，对焦、选点、功能切换、人工修正、灯光匹配等操作过程自学并记忆。全自动影像测量仪可以轻松学会操作员的所有实操过程，结合其自动对焦和区域搜寻、目标锁定、边缘提取、理匹选点的模糊运算实现人工智能，可自动修正由工件差异和走位差别导致的偏移实现精确选点，具有高精度重复性。从而使操作人员从疲劳的精确目视对位，频繁选点、重复走位、功能切换等单调操作和日益繁重的待测任务中解脱出来，成百倍地提高工件批测效率,满足工业抽检与大批量检测需要。最新推出的全自动影像测量仪具有人工测量、CNC扫描测量、自动学习测量三种方式，并可将三种方式的模块叠加进行复合测量。可扫描生成鸟瞰影像地图，实现“点哪走哪”的全屏目标牵引，测量结果生成图形与影像地图图影同步，可点击图形自动回位、全屏鹰眼放大。可对任意被测尺寸通过标件实测修正造影成像误差，从而提高关键数据的批测精度。全自动影像测量仪人机界面友好，支持多重选择和学习修正，其优异的高速测量可达1500mm/min，重合精度： ±2μm，线性精度：±(3+L/150)μm。优秀性能使其在各种精密电子、晶圆科技、刀具、塑胶、精密零件、弹簧、冲压件、接插件、模具、军工、二维抄数、绘图、工程开发、五金塑胶、PCB板、导电橡胶、粉末冶金、螺丝、钟表零件、手机、医药工业、光纤器件、汽车工程、航天航空、高等院校、科研院所等领域具有广泛运用空间。SK全自动影像测量仪承续了SK数字化影像仪的以下技术特点：集CNC快速测量、CAD逆向测绘、图影管理于一身。运用了现代光学、计算机屏幕测量、空间几何运算和精密运动控制等前沿技术，是集光、机、电、软件为一体的高度智能化设备。具有三轴数控、点哪走哪、图影同步、实时校验、误差修正、工件随意放置、CNC快速测量等基础性能。具有极高的数字化程度，全部操作均由鼠标完成。柔和的三轴微米数控能力，实现“点哪走哪”、同步读数、人机合一；良好的人机界面将烦琐的操作过程有机集成，摆脱手摇时代的机械局限；实时非线性误差修正使其突破了传统设备中存在的精度与速度极限；便捷的CNC快速测量，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，由仪器自动走向每一个目标点进行测量操作，数十倍于手摇式测量设备的工作能力下人员轻松高效。具有优异的高速性能，基于独有的高速位移传感技术，其±2um测量精度下的速度可达500mm/min，其工作效率是工具手摇式测量仪器的数十倍以上。位移驱动为0.1μm，位移解析度为0.4μm，重合精度达±2μm，线性精度±(3+L/150)μm，这些参数均优于传统设备和同类产品。具有空间几何运算能力，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，使最为常见的基准测量变得十分简便而直观，也使分度盘这个机械时代的产物与摇柄一起成为历史。具有支持个性化的软件平台，具有图像保存、编辑、处理等图影管理功能。全新的测绘操作，可轻松描绘或导入CAD图形。还可根据客户需求扩充测量模块，从而满足个性化特点和综合测量的快速需要，使测量设备具有量身定做的软件灵魂。