虚拟信号分析仪的实现及计量测试分析

鲍 芳 马青亮 刘 昕

[摘 要]虚拟仪器在国防、航空、航天、通信、计量等行业得到了广泛应用。本文探讨了组建虚拟信号分析仪的关键技术,实现了基于虚拟仪器技术的信号分析仪,该分析仪不但能够实现信号在时域的波形存储、显示、信号分析和频域的信号分析功能,而且还可以根据测试需求扩充其它的信号分析及数据处理功能。对时域波形显示子模块的计量测试结果表明在输入信号频率小于5MHz时时域波形显示的电压幅值误差可以满足±2%的要求。

[关键词]虚拟信号分析仪计量测试

[中图分类号]TN911.6[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)11-0092-02

1概述

高速发展的计算机技术、通信技术及其在测量技术与仪器上的应用,促进了测试理论和方法的发展,新的测试仪器结构不断涌现,各种虚拟仪器已进入国防、航空、航天、通信、计量等行业并得到了广泛应用[1]。虚拟信号分析仪有别于传统信号分析仪器的结构和功能主要由硬件电路实现、功能不易扩展等特点,它把计算机技术和仪器技术结合起来,充分利用计算机技术来实现或增强传统仪器的功能,具有结构简单、开发周期短、系统容易扩展等优点,同时便于和计算机网络相连接,容易实现信息的管理和共享,是进行科学研究和工业生产过程参数检测的重要工具。

2虚拟信号分析仪的系统方案及计量测试分析

本系统主要包括以下部分:主控模块、数据采集模块、时域分析模块、频域分析模块、数据库管理模块及使用帮助模块。主控模块控制整个系统的运行,包括创建信号采集线程、信号分析线程和人机交互线程,数据采集模块可以设置采样参数,按照用户设置的采样参数对信号进行采样,并将采样数据传送到计算机,进行时域波形的存储和显示;时域分析模块包括信号的时域参数以及信号的自相关分析和互相关分析、信号卷积子模块等。频域分析模块包括FFT分析子模块、自功率谱分析子模块、互功率谱分析子模块、信号加窗滤波子模块及信号IIR滤波子模块;数据库管理模块将大大简化数据的管理,使得数据的检索和测试信息的查询非常便捷;帮助模块详细介绍软件的使用方法,帮助用户更方便地使用本系统。

2.1组建虚拟信号分析仪的关键技术

计算机和数据采集卡组成了虚拟信号分析仪的硬件平台。数据采集卡是虚拟信号分析仪的重要组成部件,其性能指标直接决定着信号分析仪的采样速率、准确度等主要指标,CPU的速度及计算机的内存影响着信号分析仪处理数据的速度,计算机的硬盘决定存储数据的容量。

数据采集卡的主要指标有采样精度和采样速度。采样精度主要由A/D转换器的位数决定,而采样速度由A/D转换器最高工作频率决定,一般而言,这两个指标相互制约,数据采集卡采样精度越高、速度越快,需要传输和处理、显示的数据量就会比较大,系统运行就会变慢,因此只能根据不同的需要来选择高采样速率或者是高精度,或者在这两者之间寻求一个折中点。

数据采集卡的选择主要与采样频率、采样通道数和测量精度有关。采样频率是指输入通道在单位时间内能够采集的数据点数,采样频率越高,就能在单位时间内获得更多的原始信号的信息。根据奈奎斯特理论,采样频率至少是被测信号最高频率的两倍,才不至于产生波形失真,但这只是一个理论值。

采样通道数是系统可以同时进行采样的信号通道数,在选取采集卡时需要注意以下几点:采样通道数是否满足系统要求;在需要差分输入测量时,板上有无差分输入以及差分输入的通道数;在测量多通道时,应注意采集卡能否扩展以及最多的可扩展的通道数。

测量精度主要取决于分辨率,一般ADC的位数越多,分辨率就越高,可区分的电压就越小,它和测量范围(可测量的最高电平和最低电平)及增益(板卡上放大器的放大倍数)一起决定了该板卡可测的最小电压变化量。

虚拟仪器的通讯接口有RS232串行总线、PCI总线、PXI总线、VXI总线、GPIB总线及USB通用串行总线等。VXI总线及GPIB总线作为专用测试仪器总线,价格昂贵,普及性差;PCI总线虽具有高的传输速度,支持“即插即用”功能,但其缺点是插拔麻烦,且扩展槽有限,一般为5-6个。在用户不希望插卡式的采集系统时,尤其是在现场跟笔记本电脑连接的虚拟仪器,需要外挂式采集系统。RS232串行总线虽然连接简单,但其缺点是传输速度较低,且主机的串行口数目有限。相比之下, 基于USB通用串行总线的虚拟仪器目前比较流行。

常用的虚拟仪器应用程序开发环境除了NI公司的LabVIEW 和LabWindows/CVI、Agilent公司的VEE和HPTIG平台软件等外,还有Tektronix公司的Ez—Test和Tek—TNS软件,Wave Test公司的Wave TestVIP以及HEM Data公司的Snap-Marter等平台。其中LabWindows/CVI是NI公司推出的面向仪器与测控过程的在Windows环境下的C、C++交互式开发开发环境,该平台不仅提供了对虚拟仪器的支持,还具有各种测试、通信、控制和数值分析的能力,具有图形建模简单、控制功能强大、实时性强、编程容易等优点。它在C语言的基础上综合了标准化软件开发平台和图形化软件开发平台的优点,为熟悉C语言的开发人员提供了一个功能强大的软件开发环境,常常用于组建大型测试系统或复杂的虚拟仪器,是国内虚拟仪器系统使用较多的编程开发环境。

综合以上因素及应用环境对携带方便性的要求,本虚拟信号分析仪主要是由一块USB总线的F24U数据采集卡、笔记本电脑和用LabWindows/CVI平台开发的软件组成。所采用的F24U数据采集卡数据采样频率可达40MHz,具有8bit分辨率,上升时间小于10ns,输入阻抗1MΩ,13pF,板卡提供动态链接库,允许用户通过调用其函数库对其进行编程等特点。

2.2时域波形显示子模块的计量测试分析

进行信号分析的前提是要对信号进行采样,然后由采样数据恢复出采集的信号,相当于将采集的信号进行显示,类似一台数字存储示波器的功能,因此按照JIG 600-1989《存贮示波器》国家计量检定规程[2]采用FLUKE 9500 Calibrator示波器校准装置对本文实现的虚拟信号分析仪的时域波形显示子模块进行了检定。

FLUKE 9500 Calibrator使用了有源信号头技术。有源信号头通过一条同轴电缆和一条控制电缆与9500B主机相连接。有源信号头内安装着必要的电路,为校准现代高性能示波器提供必需的所有信号。该校准器性能优越的关键在于有源信号头的输出电路和示波器的放大器输入端距离非常近,在这样短的距离中包含了匹配阻抗、微带传输线和高质量的BNC或SMA连接器,这样就消除了校准信号质量降低、失真和不确定度的来源。FLUKE 9500 Calibrator的准确度对于直流为0.025%,对于方波为0.1%,具有±0.25ppm的定时准确度[3],这些技术指标远远超过了一般校准工作的需要。

基于LabWindows/CVI的信号分析仪的时域波形显示子模块参照JIG 600-1989 《存贮示波器》国家计量检定规程进行检定。对该时域波形显示子模块稳态频响的检定发现,在输入信号频率小于5MHz的情况下满足检定规程中对稳态频响的要求,在输入信号频率为7MHz时分析仪显示的幅值已经不能满足检定规程要求的衰减3dB的要求,被采集的信号如果高于该频率,则信号分析仪时域显示波形失真已经非常明显,信号分析仪的波形无法还原输入信号分析仪的信号,给信号的其它参数分析会带来比较大的误差[4]。因此,在输入信号频率小于5MHz时该信号分析仪的时域波形显示的电压幅值的误差可以满足±2%的要求,如果输入信号频率高于5MHz就会引起较大的波形失真。虽然F24U标称带宽为40MHz,按照奈奎斯特理论,本信号分析仪可以采集20MHz的信号,而根据实际测得的结果可知本信号分析仪只能采集信号频率5MHz以下的信号才不至于引起较大的分析误差。奈奎斯特理论要求采样频率不小于被采集信号的最高频率的2倍,在理论分析上认为是可以还原采样信号的,但实际上2倍的采样频率是很难还原被采集的信号,采样频率不够高,就会引起波形失真,给信号分析带来比较大的误差。

对本文的基于LabWindows/CVI的虚拟信号分析仪而言,分析仪显示的波形和标准值的误差来源主要包括信号采集卡的误差和软件计算的误差。另外,信号分析仪所使用探头的参数也是比较重要的,由于在对信号分析仪时域波形显示功能进行检定时使用的是FLUKE 9500 Calibrator的有源连接头,该连接头使信号产生的失真可以忽略,而实际使用信号分析仪时会使用信号分析仪的无源探头,其中包含无源元件如电阻和电容,这种探头通常对输入信号进行衰减,而且这种衰减往往呈非线性,由于在对示波器功能检定时并没有连接该无源探头,因此在实际使用时非常有必要对探头的性能带来的误差进行验证。

3 结语

本文实现了基于虚拟仪器技术的信号分析仪,该分析仪不但能够实现信号在时域的波形显示、存储、信号分析和频域的信号分析功能,而且还可以根据测试需求扩充其它的信号分析及数据处理功能。对时域波形显示子模块的计量测试结果表明该系统在输入信号频率范围小于5MHz时时域波形显示的电压幅值的误差可以满足±2%的要求。

[参考文献]

[1] 林君,谢宣松.虚拟仪器原理及应用[M].北京:科学出版社,2006.

[2] JIG 600-1989《存贮示波器》国家计量检定规程[S].北京:国家技术监督局,1989:1-17

[3] Wavetek Corporation.High Performance Oscilloscope Calibrator Operation and Performance1999184-192.

[4] 马青亮.基于LabWindows/CVI的信号分析仪的研究[D].广州:广东工业大学图书馆,2008.