基于DSP技術(shù)的多功能電子測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)
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本文針對這些問題，介紹應(yīng)用DSP技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計研制多功能的電子測量儀的主要技術(shù)。
1 基本原理
電子測量一般主要測量電壓、電流、頻率、相位等基本參量，同時將這些參量進(jìn)行分析和處理，以數(shù)據(jù)圖表或圖形的方式顯示出來。測最儀器一般可由測量信號采集、測量信號處理、測量數(shù)據(jù)分析、人機(jī)交互、顯示等幾個部分構(gòu)成。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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測量信號采集部分主要采集電壓或電流信號；測量信號處理部分主要完成信號的濾波、比對、轉(zhuǎn)換等工作；分析部分主要完成信號處理后的分析工作；人機(jī)交互部分主要完成需求的設(shè)置、量程的調(diào)整等工作；顯示部分將測量和分析結(jié)果以數(shù)據(jù)、圖形等形式顯示出來。 近年來由于DSP技術(shù)的飛速發(fā)展和虛擬儀器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促使電子測量儀表技術(shù)得到快速的發(fā)展。高速A／D技術(shù)和DSP技術(shù)的應(yīng)用簡化了測量信號的采集電路、處理電路；虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用簡化了對測量數(shù)據(jù)的計算和分析，使人機(jī)交互變得靈活和容易。
1.1 耦合
耦合電路主要完成被測信號的輸入。一般，被測信號不能夠直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，必須將信號變換到A／D的范同內(nèi)。耦合后，輸入信號為：
其中：k為壓縮因子，k≥1時，對被測信號線性放大，k≤1時，對被測信號線性縮小。f(t)為變換時產(chǎn)生非線性畸變和噪聲，應(yīng)在軟件計算時削弱。 1.2 A／D及D／A電路
A／D電路是將經(jīng)耦合電路變換的被測信號離散化。
變換后的信號為：
其中，n∈Z，Ts=1／fs，fs為A／D抽樣頻率。式(2)可表示為：
通過DSP軟件處理，削弱式(3)中f(n)δ(t-nTs)。 D／A電路的作用主要產(chǎn)生一個校驗信號。DSP產(chǎn)生的數(shù)字校驗信號，經(jīng)過D／A電路變換成模擬校驗信號，對系統(tǒng)進(jìn)行校驗。通過校驗調(diào)整，量程和產(chǎn)生削弱參數(shù)。
1.3 數(shù)字信號處理DSP電路
數(shù)字信號處理DSP電路是整個系統(tǒng)的核心，通過DSP系統(tǒng)，對輸入的被測信號進(jìn)行濾波處理、譜分析。濾波器采用FIR濾波器，采用雷米茲(Remez)算法，譜分析算法采用Gabor變換方法，窗函數(shù)采用高斯窗函數(shù)。處理后的數(shù)據(jù)放在專門開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，供顯示部分和計算機(jī)訪問。
校驗數(shù)字信號由DSP部分產(chǎn)生，校驗數(shù)字信號可通過鍵盤部分或計算機(jī)設(shè)置，可設(shè)置為正弦波、方波、脈沖、隨機(jī)信號。
1.4 鍵盤及顯示
考慮到測量儀器可能不和計算機(jī)配合使用，而是單獨使用，將鍵盤和顯示設(shè)計到系統(tǒng)中。
鍵盤和顯示是人機(jī)交互的界面。通過鍵盤可設(shè)置、調(diào)整測量儀器的參數(shù)。顯示部分顯示參數(shù)的設(shè)置和測量數(shù)據(jù)，測量曲線。
1.5 計算機(jī)
DSP通過接口和計算機(jī)互連，計算機(jī)通過虛擬儀器軟件訪問、操作測量儀系統(tǒng)。
計算機(jī)訪問DSP處理的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理后，以圖形或數(shù)據(jù)的形式顯示在計算機(jī)界面上，或存人數(shù)據(jù)庫。
2 硬件設(shè)計
根據(jù)圖1的基本原理，以總線式設(shè)計整個硬件電路。信號采樣電路，通過數(shù)據(jù)、控制、選通、狀態(tài)信號總線和DSP核心電路連接。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.1 A／D及D／A總線
為了能使硬件系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性和具有一定的開放性，對A／D信號采樣部分和D／A模擬信號輸出部分采用總線方式設(shè)計。主要包括數(shù)據(jù)總線、控制總線、選通總線和狀態(tài)總線。
(1) 數(shù)據(jù)總線
數(shù)據(jù)總線主要是A／D和D／A電路數(shù)據(jù)的輸入輸出總線。在控制總線、選通總線的控制下，A／D電路將采樣后的數(shù)字信號輸入到DSP中。同樣，通過數(shù)據(jù)總線將校驗數(shù)字信號輸出到D／A電路中。
(2) 控制總線
控制總線主要控制A／D和D／A的工作。對于每個A／D或D／A電路，只有在控制信號有效的情況下，該電路才能工作。控制總線需要和選通信號有效的情況下，控制才有效。
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(3) 選通總線
選通總線主要配合控制總線使某個A／D或D／A電路工作。選通總線通過A／D或D／A電路上的譯碼電路產(chǎn)生的選通信號觸發(fā)電路工作。
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