（测试计量技术及仪器专业论文）14bit四通道瞬态波形记录仪的研究.pdf

中北大学硕士学位论文 14 bit 四通道瞬态波形记录仪的研究 摘要 瞬态波形记录仪具有使用灵活方便、结构紧凑合理、功能强、技术先进等特点，可 对系统在运行状态中的多项参数进行实时监测，能够解决当代科学研究的许多领域中遇 到的捕获瞬态信号的问题。 本文在介绍了瞬态波形记录仪发展现状及虚拟仪器理论的基础上，对1 4 b i t 四通 道瞬态波形记录仪进行了研究。在概括介绍了1 4 b i t 四通道瞬态波形记录仪的系统结构 和工作原理的前提下，对数据采集模块中的有源低通滤波器进行了理论分析，并提出了 设计方案。而后对控制器模块中应用的c p l d 技术进行了阐述，通过c p l d 在系统中的具 体应用说明其优势。本文的后半部研究了三方面问题，即系统可靠性、误差及性能指标。 通过在制版及调试电路中的具体抗干扰措施，提高了系统的可靠性；对系统的整体误差 及主要性能指标，文章做了全面的理论分析，推导了算法，进行了仿真试验和实际测试， 取得了较为满意的结果。 理论分析及实际测试结果说明，本文研究的1 4 b i t 四通道瞬态波形记录仪的设计方 案难确、可行，仪器达到了预期的技术指标要求，性能稳定，具有理论研究的意义和实 际应用的价值。 关键词：虚拟仪器，采样策略，低通滤波器，c p l d ，可靠性，误差分析 中北大学硕士学位论文 t h es t u d yo n14 b it4 - c h a n n eist r a n sie n tr e c o r d e r a b s t r a c t t r a n s i e n tr e c o r d e rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha si ti sf l e x i b l e ，c o n v e n i e n t ， f u n c t i o n a la n da d v a n c e d ，i tc a ni n s p e c ts e v e r a lp a r a m e t e r so fr u n n i n gs y s t e m ， a n dt h u s ，t r a n s i e n tr e c o r d e rc a ns o l v et h ep r o b l e mo fh o wt oc a p t u r et h et r a n s i e n t s i g n a l si nm u c hm o d e r ns c i e n t i f i cr e s e a r c h t h ep a p e ri sm a i n l ya b o u tt h es t u d yo f1 4 b i t4 - c h a n n e l st r a n s i e n tr e c o r d e r o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt r a n s i e n tr e c o r d e ra c t u a li t ya n dv i r t u a li n s t r u m e n t o nt h ep r e m i s eo fp r e s e n t i n gt h es y s t e ms t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e s ，t h e a c a d e m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns c h e m eo fa c t i r e l o w p a s sf i l t e ri nd a t ac o l l e c t i o n m o d u l eisp u tf o r w a r d t h e nt h ep a p e rt a l k sa b o u tt h et e c h n o l o g yo fc p l d ，a n d t h r o u g ht h ea p p l i e de x a m p l e si ns y s t e m ，t h em e r i t so fc p l da r eo b v i o u s a n di n t h ef o l l o w i n gp a r to ft h ep a p e r ，t h r e eq u e s t i o n sa r ed i s c u s s e d ：r e t i a b i l i t y ， e r r o ra n dp e r f o r m a n c es t a n d a r d so ft h es y s t e m , t h es y s t e m r e l i a b i l i t yi si m p r o v e d b ys o m ep a r t i c u l a rm e a s u r e si np l a t em a k i n ga n dd e b u g g i n g ：a n da st ot h es y s t e m e r r o ra n dp e r f o r m a n c es t a n d a r d s ，t h ep a p e rp r o v i d e sg e n e r a la c a d e m i ca n a l y s is a n da r i t h m e t i c ，a l s os i m u l a t i n ga n dr e a lt e s t i n gi sc a r r i e do u t ，a n da t l a s t ， as a t i s f a c t o r yr e s u l ti s g o t a c a d e m i ca n a l y s i sa n dr e a lt e s t i n gr e s u l tm a k e sc l e a rt h a tt h ed e s i g ns c h e m e o f1 4 b i t4 - c h a n n e l st r a n s i e n tr e c o r d e ri sc o r r e c ta n d f e a s i b l e ，a n dt h e i n s t r u m e n ts a t i s f i e dt h er e q u e s to ft e c h n o l o g ys t a n d a r d s ，a n di t sp e r f o r m a n c e i ss t e a d y a 1 1t h ea b o v es h o w st h a t1 4 b i t4 - c h a n n e l st r a n s i e n tr e c o r d e rh a st h e a c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l v e k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，s a m p l i n gs t r a t e g y ，a c t i v e l o w p a s sf i i t e r c p l d ，r e l i a b i l i t y ，e r r o ra n a l y s i s 中北大学硕士学位论文 本人声明 我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时利 用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名：券和薛 日期：西。毒；i 中北大学学位论文 1 ，课题背景殛意义 第一章引言 当代科学研究的许多领域中，常常会遇到如何捕获瞬态信号的问题。对于脉冲信号 捕获、周期信号频谱分析等高速数据采集系统通常都采用直接存储器存取( o m d i r e c t m e m o r ya c c e s s ) 技术和数字信号处理器( d s p ) 芯片来实现。不论是由计算机内的d m a 挣制芯片实现，还是由单片机结台d m 技术实现，基于d k h 技术的高速数据采集系统的 结构都比较复杂。用示波器观察瞬态信号波形时，因不能进行周期重复扫描显示而无泣 得到稳定清晰的波形。科研院所等大多都采用存储示波器或专用数据采集系统得到瞬态 波形。由于其极高的成本，使许多普通场合的应用受到了限制。 瞬态波形记录仪具有使用灵活方便、结构紧凑合理、功能强、技术先进等特点，可 对系统在运行状态中的多项参数进行实时监测。1 。一旦发生故障，仪器即可将故障发生 前至故障发生一段连续时间内系统各主要参数的变化情况记录下来。依次可以掌握发牛 故障前和和故障后、系统内各点参数的变化规律。为准确确定故障部位、查明事故原因 提供依据。该仪器实质上是一通用的智能化检测记录仪器，它弥补了普通示波器难以测 试非周期信号，而存储示波器价格商、测试通道少且记录的数据不能长期保存等问题， 填补了国内此领域空白和不足可用于科研单位、工矿企业。 12 国内外研究现状 ( 1 ) 典型的如美国n i c o l e t 公司的b e 2 5 6 系列及电科院选用的d b e 一8 等，在需要多 通道、高分辨、遥控瞬态记录和数据采集时，b e 2 5 6 将高性能可编程硬件和控制软件组 合成灵活的可扩展系统可以由用户根据需要选择性能不同的插件采集卡，时基也是模 拟化的，每块时基卡都提供两个独立的但是同步的时钵，每个通道都具有多种触发功能 ”b e 2 5 6 总箱内采用内部高速g p i b 接口进行控制和数据传输，其特点是将可编程差分 放大器，可编程抗混叠滤波器，数字触发可变长度的存储器分配等数据采集功能组合在 一起。b e 2 f i 6 的捶件( 采集卡) 最多采样速率有1 0 0 k s s 、| | t s s 、l o m s s 通道数有l 3 2 中北大学学位论文 通道可选用，每台机箱由总的接口i e e e 4 8 8 或r s 2 5 2 与计算机通讯记录内可分为若干 组，每组以同一采样速度工作，从功能上相当于一块采集卡。此种方案较直接插入计算 机的采集卡造价高，但一般存储量更大，通道更多，且可以有多组以不同的采速同时工 作，亦依赖于计算机工作。西高所大容量试验室、荷兰k e m a 4 、5 号站、意大利c e a i 试 验站均采用此方案。 ( 2 ) 西安高压电器研究所直接试验系统暂态记录仪配置为： b e 2 5 6 4 0 0 系统组件、1 2 通道每通道5 0 k s s1 2 b i t5 1 2 k b b e 2 1 2 6 0 0 系统组件、4 通道每通道i m s s1 2 b i t5 1 2 k b 其中5 0 k h z 组件用于工频量测试，i m h z 组件用于暂态恢复电压t r v 测试。 上海电器科学研究所也使用b e 2 5 6 。新配置的插件是一块6 8 2 型数采板上有8 通道， 每通道采样频率i m s s ，2 5 6 k b c h ，另一块为6 1 0 型其上有4 通道，每通道采样频率i m s s ， 5 1 2 k b c h 。 ( 3 ) 河北工业大学应用研究的“电器试验中数据高速采集与处理技术”，研制的继 电器电寿命试验装置，具有8 个独立的采集通道，每个通道均具有1 5 m h z 和l o o k h z 两 个不同的采集频率，8 个通道共有5 1 2 m b 的存储容量。 ( 4 ) 广州电气安全检测所用原佛山市电器研究所从荷兰引进的数采和处理系统，共 有1 1 个通道，其中3 个高速通道，每通道采集频率为i o m h z ，1 2 b i t ，用数字光纤隔离和 传输信号，其频率带宽为i m h z ，耐压6 0 k v 。8 个低速通道，每个通道采集频率为 3 0 0 k h z ，1 2 b i t 。 1 3 虚拟仪器简介 本文研究的瞬态波形记录仪的整体设计思想是虚拟仪器。 虚拟仪器是指以计算机( 主要是p c 桃) 为核心，将计算机技术和测量技术融于一 体，在计算机丰富的软硬件资源的支持下，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功 能，用计算机的显示器代替传统测量仪器的操作面板，最终组成基于计算机的自动化测 试仪器系统。1 。虚拟仪器技术是一种构成仪器系统的新概念，其基本思想是；用计算机 资源取代传统仪器中的输入、处理和输出等部分，实现仪器硬件核心部分的模块化和最 小化；用计算机软件和仪器软面板实现仪器的测量和控制功能。 2 中北大学学位论文 虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) ，简称n i ，在 1 9 8 6 年提出的，但其雏形可以追溯到1 9 8 1 年由美国西北仪器系统公司推出的a p p l e i i 为基础的数字存储示波器。这种仪器与个人计算机的概念相适应，当时被称为个人仪器 ( p e r s o n a li n s t r u m e n t ) 。个人仪器的设计思想代表了仪器技术与计算机技术相结合的 发展趋势，但是由于当时计算机软件发展的限制，编写个人仪器的驱动程序和人机交互 界面是一项专门的技术工作，需由专业厂商才能完成，这种状况使得个人仪器的推广与 应用没有形成工业标准。从2 0 世纪8 0 年代中期开始，微软公司w i n d o w s 操作系统的出 现，使得计算机操作系统的图形支持功能得到很大提高。1 9 8 6 年，n i 公司推出了图形 化的虚拟仪器编程环境l a b v i e w ，标志着虚拟仪器设计软件平台基本成型，虚拟仪器从 概念构思变为工程师可实现的具体对象。 “虚拟”可以从两个方面来理解：其一，传统仪器中的部分硬件被软件所代替，但 功能依然存在；其二，改变软件即可以改变仪器的功能，从而用同一套硬件系统可实现 多种传统仪器的功能“1 。虚拟仪器的核心是“软面板”。虚拟仪器对于传统仪器的最大优 势是“传统的独立仪器由制造商来定义它的功能，而虚拟仪器完全由用户定义仪器的功 能”。表i 是传统仪器与虚拟仪器各项指标的比较。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 仪器由厂商定义用户自己定义 硬件是关键软件是关键 仪器功能规模固定系统规模功能可通过软件修改增减 封闭的系统，与其他设备连接受限基于计算机的开发系统。可方便的同外设、 网络及其他应用程序连接 价格昂贵价格相对低，可重复利用 技术更新馒技术更新快 开发和维护费用高软件结构大大节省了开发和维护费用 虚拟仪器的出现，彻底改变了传统仪器的结构固定、功能单一、价格昂贵、可扩展 性差等不足，以其所具有的灵活方便的功能扩展、美观友好的入机界面，得心应手的操 作、优良的性能价格比和用户可自行定义仪器功能等一系列优点，在最近几年时间内迅 速受到广泛关注。应该认识到，正是虚拟仪器这一概念，推动着传统仪器突破数据处理， 表达，传输，存储方面的限制，突破“一机一用”的限制，朝着模块化、虚拟化、网络 化的方向发展。而且只有与i t 业的结合才能够使传统的仪器产业在数字化革命中获得 3 中北大学学位论文 新的生命。 从1 9 8 7 年以专用集成电路( a s i c ) 和计算机技术为基础的总线仪器一虚拟仪器的 雏形问世，到1 9 9 3 年虚拟仪器己发展到三百多家厂商，一千多种虚拟仪器产品，1 9 9 5 年厂商更达一千余家，产品达数千余种。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚 拟仪器制造国，生产虚拟仪器的主要厂家有n i 公司、h p 公司等。可以说虚拟仪器正以 传统仪器无法比拟的速度飞速发展。 目前，虚拟仪器已在科研开发、计检、测控、超大规模集成电路测试、模拟和数字 电路测试、现代家用电器测试、电子元件、电力电子器件测试以及军事、航天、生物医 学、电工技术领域等可移动式现场测试工作中得到应用，且应用领域还将不断拓宽。 1 4 本论文研究任务 ( 1 ) 研究1 4 b i t 四通道瞬态波形记录仪的系统结构和工作原理。 ( 2 ) 分析滤波原理，设计抗混叠滤波器。 ( 3 ) 阐述c p l d f p g a 技术及优点，采用其设计完成控制器模块功能。 ( 4 ) 对系统进行可靠性设计，对系统误差进行理论分析、计算。 ( 5 ) 测试整台仪器的性能指标，得出结果。 4 中北大学学位论文 第二章系统总体设计 1 4 b i t 四通道瞬态波形记录仪整个系统包括硬件和软件丽部分。硬件包括外壳、供 电电池、充电器和电路，软件包括操作系统和数据处理程序。 2 1 整体方案 1 4 b i t 四通道瞬态波形记录仪的电路原理框图如图2 1 所示。整个电路包括四个数 据采集通道、控制器和计算机接口电路。 r_随 。、 r 1 _ ， 控 计 算 制 j 机 二迓谴 叶1 接 三迸道罨 口 四童道 图2 1 系统电路原理框图 1 4 b i t 四通道瞬态波形记录仪有四个相同的数据采集通道，每一个通道有各自的适 配放大器、低通滤波器、a d 变换器及存储器，由统一的控制器提供触发定时控制和存 储器的地址，控制器通过计算机并行口与计算机通信，在计算机的控制下读取各个通道 的数据，计算机给控制器编程，设定瞬态波形记录仪的采样频率、延迟设置及各通道的 增益。控制器包括主译码器、通道译码器、地址发生器、状态控制逻辑、读出控制逻辑、 延迟计数逻辑、触发逻辑、时间插补逻辑、采样频率逻辑等。仪器可以根据被测信号频 率变化的范围，调整存储器地址发生器时钟的频率，使存储器每隔设定的时间间隔，选 取一个采样数据进行记录，以达到改变采样频率的目的。 此高精度瞬态波形记录仪通过并行口与计算机通信，采用虚拟仪器结构，操作人员 通过软面板操作瞬态波形记录仪，对瞬态波形记录仪编程控制，读取瞬态波形记录仪测 试的数据，显示和处理测试数据。 1 4 b i t 四通道瞬态波形记录仪的预期达到的技术指标如表2 1 所示。 5 中北大学学位论文 表2 11 4 b i t 四通道瞬态波形记录仪技术指标 1 采集通道的技术指标 通道数4 通道，可以同时采样 记录长度1 m 字通道 位数1 4 b i t 输入信号范围0 1 v i o v ，可编程选择 精度0 0 5 f s 读数顺序通道数据的读出顺序编程设定 抗混叠滤波器8 阶，拐点频率1 0 k l 姗z ，编程选择 偏置1 f s 之内，可编程设定 多次重触发功能可记录连续触发8 次的信号波形 2 控制器的技术指标 正、负延迟 可编程设定正、负延迟及延迟点数 采样策略 可分为采样频率、量程不同的三个测试环境，共七种 测试环境进入方式内、外触发，计数触发 采样频率2 k i o ms a s ，可编程按l ；2 ：5 设定 时间插补功能 测试第一个触发信号与第一个采样点的时间间隔 触发电平选择l 2 伏，上升沿，下降沿可编程选择 读出顺序 按照用户指定的通道读出顺序进行数据的读出 3 其它技术指标 与主控计算机接口并行口 电源 充电电池 2 2 硬件设计 2 2 1 硬件设计基本原则 在系统的硬件设计时，应考虑以下几个基本原则嘲。 ( 1 ) 满足技术指标 在进行硬件系统设计时，首先要考虑系统要完成的任务和系统功能及性能要求，要 以满足系统技术指标为前提进行硬件设计。 ( 2 ) 经济性原则 避免硬件资源的浪费，可以对现有成品进行重复开发。总之，努力达到硬件开发要 求并保留一定的开发余地，并且充分发挥硬件的经济效益是硬件设计的重要原则之一。 ( 3 ) 安全可靠 在进行系统设计时，必须保其性能稳定，安全可靠，这是设计要遵循的根本原则。 6 中北大学学位论文 在选购元器件时，尽量选择已商品化的部件，相对来讲，这些部件的质量和性能有较大 保证，可靠性较强，而且避免重复开发。 ( 4 ) 环境适应性强 为了保证系统精度以及不产生误动作，系统应有足够的抗干扰能力，以保证系统在 特定环境下正常工作。因此，硬件系统的设计和开发过程中，必须考虑各种隔离、屏蔽、 和接地措施及现场环境、湿度的影响。 2 2 ，2 数据采集模块 系统的每一个数据采集通道都由模拟电路和数字电路两部分组成，如图2 2 所示。 模拟电路主要完成数据的采集，数字电路主要完成数据的存储。 图2 2 数据采集通道电路框图 模拟电路由量程选择、偏置设置、放大、滤波和差分等几部分功能构成。采样策略 为多环境对选择多量程，即不同的环境量程不同：也可以使整个澳4 试过程使用同一量程。 不在测试范围的信号可通过偏置进行校正，滤波器的截止频率可编程选择。数字电路有 两条支路：一是多次重触发，选择此功能a d c 的信号经过f i f o 进入存储器，在此功能 下，只有固定的4 k 的负延迟点数；第二条支路刚把a d c 的输出直接输入存储器，在此 功能下，可编程选择正、负延迟点数。 2 2 3 控制器模块 7 中北大学学位论文 控制电路主要包括晶振、采样频率逻辑、触发逻辑和地址发生器等模块。控制电路 框图如图2 3 所示。 图2 3 控制器电路框图 控制器大部分电路都采用c p l d 实现，具体功能设计将在第四章专门介绍。 2 2 3 1 采样策略 采样策略是测试中的熏要环节，它关系获取信息的质量和存储测试精度。采样策略， 即采样规律设计，是依据对被测信号特性估计，综合考虑测量时间、存储容量等因素来确 定的”3 a 瞬态信号测试的采样策略分为四种，即均匀采样策略、自动分段均匀采样策略、 编程分段自适应均匀采样策略及自适应采样策略等。 ( 1 ) 均匀采样策略 是对被测信号等时间间隔取样，在测试过程中，采样频率z 为一常数。它的理论基础 是采样定理，它至少要高于被测信号上限频率的正的两倍，同时考虑到测量时间t 和存 储容量m 等因素，应满足： 2 工s s 咏 ( 2 ) 自动分段均匀采样策略 8 中北大学学位论文 是指存储测试系统自动把测试过程分为若干阶段，在每个阶段系统都分别以同样的 频率均匀采样，各个阶段之间的间隔是随机的一种采样策略它的基本思路是，在信号的 整个测试过程中，采样频率工保持不变，但并不是所有采样点都是有效采样点，仅当被测 信号达到预定触发门限时，前后有限区段的采样值才予以存储，其它大部分被舍掉 ( 3 ) 编程分段自适应均匀采样策略 是指通过事先编程确定记录分为若干个均匀采样阶段，每一个阶段的开始时间、采 样频率、存储点数是根据被测信号的变化自适应调整的一种采样策略 ( 4 ) 自适应采样策略 是指存储测试系统根据被测信号的变化快慢实时调整采样频率，减小冗余采样点的 平均信息量的一种采样策略 根据各个采样策略的特点，在1 4 b i t 四通道瞬念波形记录仪系统中，采用了前三种采 样镶略。单环境测试采用均匀采样策略，多环境采用编程分段自适应均匀采样策略，多次 重触发采用自动分段均匀采样策略。为提高存储器的利用率，相对扩大存储容量，采用 变频率抽点存储的策略。即：仪器用固定频率i o m 进行采样，根据被测信号的变化速度 对采样点选择存储，被测信号变化快，单位时间记录的点数多；变化慢，单位时间记录 的点数少。这样可以保证在不损失被测信号信息的前提下，缓解大最采样点与有限存储 容量的矛盾，从而减少冗余数据。当被测信号变化不均匀时，可把整个测试过程分为几 个阶段，每个阶段抽取点的时间间隔与信号变化的快慢相适应。每个阶段称为一个测试 环境，不同测试环境之间的转换可通过设置内、外触发电平或计数点数设置触发进入。 利用计数器可实现计数进入另测试环境的功能。 2 2 3 2 时间插补器 时间插补器是本系统提出的一个新功能，它是控制器的一部分。它用来测试第一环 境触发时刻与临近的下一个采样脉冲c l k 之问的时间差。基本设计思路是积分运算电路。 如图2 4 所示： 9 中北大学学位论文 ：堡 兰) 量b 些匕墨卜i 图2 4 积分电路 由于集成运放a r 的同相输入端通过r 接地，“。= “。= 0 ，为“虚地”。电路中，电 容c 中的电流等于电阻r 中的电流壬2 = 警，输出电压与电容上电压的关系为 。= ，而电容上电压的关系为： 铲一吉f f 。前= 一去p ，础 在求解t l 到t 2 时间段的积分值时： 旷一去缈吣哪 由于积分电路的输入电阻r i = r ，而时间常数为t = r c 。可见r 的取值越大，越有利于 提高积分器的输入电阻。但是加大r ，就必须相应减小电容c ，这又会加剧积分漂移：另 方面，电容器的容量越大，漏电又要相应增大也使积分误差增大。考虑到这一切，积分电 容c 以不超过i ，为宜。由此可见，r 、c 参数的选择原则应当是：在满足积分器输入电 阻要求的条件下，尽量选用较小的r 值和较大的c 值，且c 值以不超过lj 扩为宜。 由图2 。4 可知，运放a r 与外围电阻电容构成两个积分运算电路，分别由正负2 5 v 电源供电，由积分运算电路知识可知，两路供电的结果相当于给电容c 充电及放电的过 程。通过选取两路电源中的电阻值可以得出电容充电时间与放电时间放的比例关 系。 充电： 25 充2 丽皖 中北大学学位论文 放电： ：尝，* 城# ：0 “。放2 页：石放+ “。允2 所以： f 放r 2 t 充 r l 通过选择不同比例关系的r 2 和r ，可以得到不同的时间比值。被测时间为，它 的值通常是很小的( 最小0 1 瑚) ，直接测试达不到精度要求。我们可以通过测得的 时间，根据r 2 和蜀的比例关系换算成充，就达到了我们测试的目的。所谓“插补”也 即此意。由于该系统采样频率分为多档( 2 k i o m ) ，所以时间插补器电路中采用了继电 器作为选择开关，对不弱的采样频率，编程控制继电器选取与之相对应的一组电阻、电 容值，从而完成测试任务。 2 2 4 接口电路模块 虚拟仪器与计算机的接口主要有三种形式： ( 1 ) 专用仪器接口 最典型的是v x i 总线( v m eb u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，即v m e 总线在 仪器领域的扩展) 。该总线数据传输速度可达4 0 m b s ，电气标准规范系统重组和电磁兼 容性均较好，并具有同步触发功能；但系统结构复杂、成本高，一般适用于组建大型精 密的自动测试系统。 ( 2 ) 内部卡式接口 主要有计算机内部的i s a 接口和p c i 接口，数据传输速度分别可达1 6 m b s 和 1 3 3 m b s , 但由于卡式结构的虚拟仪器直接嵌在微机内部的主板上，极易受到p c 机电源 纹波和机箱内电磁辐射的干扰，从而极大限制了它的应用范围。 ( 3 ) 外部通用接口 主要有增强型并行接口e p p ( e n h a n c e dp a r a l l e lp o r t ，i e e e l 2 8 4 ) 、扩展能力接口 e c p ( e n h a n c e dc a p a b i l i t y p o r t ，i e e e l 2 8 4 ) 、通用串行总线u s b ( u n i v e r a s ls e r i a lb u s ) 1 1 中北大学学位论文 和火线f i r e w i r e ( 即i e e e l 3 9 4 总线) ，数据传输速度分别可达2 m b s 、4 m b s 、1 2 m b s 、 4 0 0 m b s 。e p p 、e c p 是在原打印机接口的基础上发展起来的并行接口；u s b 、f i r e w i r e 是新型高速串行总线。由于采用外部接口的虚拟仪器硬件部件在计算机外部与计算机相 连，因此电磁兼容性良好，特别是增强型并行接口e p p 技术的复杂性和成本都不会太高， 是构建通用测试系统的一种良好选择。 综合考虑上述形式，以及考虑1 4 b i t 四通道瞬态波形记录仪的自身特点，本系统 选取增强型并行接口e p p 作为仪器与计算机通信模式。计算机并行接口( l p t ) 是计算 机最重要的接口之一，不论是p c 机还是台式的便携式机，都配有这种接口”1 。l p t 是一 个d 型的2 5 针的孔型端子，其内部有数据口、控制口、状态口3 部分组成：1 个8 位的 数据输出口，1 个4 位的集电极开路控制口和1 个5 位输入状态口。并行接口有s p p ( 原 始并口) 、p s 2 ( 简单双向型) 、e p p ( 增强型并行接口) 、e c p ( 扩展功能接口) 等模式。 其中在e p p 模式下，能够实现双向数据传输和状态机的功能，即自动产生各种控制信号， 在操作过程中，读写相应的扩展寄存器就能触发硬件完成各种时许。另外，e p p 模式具 有数据读写功能和地址读写功能。e p p 模式是在b i o s 里设定的，主要设定基地址和中断 号。基地址一般设黄成3 7 8 h 。e p p 共有8 个i o 地址端口，表2 2 歹0 出了并行口e p p 模 式的寄存器。 表2 2 并行口e p p 模式的寄存器 寄存器地址读写 数据寄存器( d a t a ) 3 7 8 读写 状态寄存器( s t a t u s ) 3 7 9 读 控制寄存器( c o n t r 0 1 ) 3 7 a写 地址寄存器( a d r e s s ) 3 7 b 读写 扩展数据寄存器( e x td a t a ) 3 7 c读写 未定义 3 7 d 未定义 3 7 e 未定义 3 7 f 在具体设计中，计算机通过3 7 8 h 给记录仪编程( 输出) ，读取测试数据( 输入) ； 3 7 a h 输出：通过3 7 9 h 读入记录仪的状态。图2 5 是1 4 b i t 四通道瞬态波形记录仪的接 口电路原理图。 1 2 中北大学学位论文 2 3 软件设计 电平蜻缺诤茸橇供电 一 h 日】口袖八缝冲嚣育下 麓* 锨： ；柰蠹三 - ? z 是r ； 、h l t 堞 _ 二：l o m ；霉等卜 电平韩t计簟机1k 电 i i 一 、h _ 嵴 j m 打目印口输出蠼冲器 0 、碍。 、h j 聚 i 萃辫 、一 一f 、 c 1 、 、，小r 、t l ，”? ，一 -t ，* ：q t r ， 互匹 、 。nn p ，t j + 1m ：，；l “1 r - 7 o = 一 o 镰h j - 目：p j 1 ” = 兰v ；鼍“：蝣 图2 5 接口电路原理图 虚拟仪器与传统仪器的最大差别就是用软件完成部分硬件功能，虚拟仪器自身固有 的特点决定了软件在整个系统中的重要地位。虚拟仪器软件部分将计算机硬件资源与仪 器硬件资源有机地融合为一体，把计算机强大的计算、处理和图形能力与仪器硬件的测 试、控制能力结合在一起。用户通过操作软件对整台仪器进行操作，所以软件的快速、 简洁、友好是设计追求的目标。 2 3 1 虚拟仪器软件设计的基本原则 虚拟仪器程序设计与一般的计算机程序设计有很多相似性，但也有自身特点，它，一 般应遵循下面几个基本原则。1 。 ( 1 ) 结构要合理 程序应尽可能采用模块化结构或面向对象的设计方法，它能把一个大型程序分解为 若干个予程序，不仅大大降低了程序设计的难度和工作量，也使程序层次分明，易于阅 读和理解，有利于程序的维护和开发，也有利于程序的现场调试。 ( 2 ) 良好的用户界面 程序的应用主要面向普通的工程技术人员，程序的功能菜单和人机对话说明应简洁 1 3 中北大学学位论文 明了。 ( 3 ) 一定的安全保护机制 程序应有一定的安全保护措施，以防止意外操作影响系统的正常工作，如对重要的 输入参数要有相应的检验功能，对不f 常的测试数据要有报警提示。 ( 4 ) 努力提高程序代码的执行效率 在进行测试和控制系统的程序设计时，程序的执行速度经常是程序设计的主要考虑 因素。在整个系统中，首先是硬件环节方面达到要求，然后在软件上努力达到要求。选 择合适的软件工具是程序设计的关键步骤。 ( 5 ) 提供必要的程序说明 程序设计应尽可能包含详细的说明语句，这不仅有利于编程人员编程阅读，也有利 于进行维护、改进和功能扩展。当然程序说明书也是一种理想的选择。 2 3 、2 程序设计流程及运行界面 本系统设计中，采用v i s u a lb a s i c6 0 编写软件。v i s u a lb a s i c6 0 是m i c o s o f t 公司推出的一个集成开发环境，具有简单易学，功能强大，软件费用低，见效快等特点铷。 v i s u a l b a s i c 继承了b a s i c 语言易学易用的特点，特别适合初学者学习w i n d o w s 系统教 程。v b 是b a s i c 语言的延续和发展，采用面向对象的编程思想，是基于w i n d o w s 平台的 可视化( v i s u l ) 语言开发工具。 根据软件设计原则，本程序采用模块化设计思想。整个程序分为控制电路和图形显 示两个部分，各部分又采用不同窗体实现具体的功能。软件实现的每个功能( 数据获取、 数据记录、曲线输出、波形展开、打印等) 均对应一个独立的程序模块。每个任务分别 设置一个标志。系统根据标志的状态，决定相应状态是否执行。 程序设计流程图如图2 6 所示 1 4 中北大学学位论文 图2 6 软件流程图 1 5 中北大学学位论文 瞬态波形汜录仪硬件电路有四个数据采集通道。与此对应，程序界面上有四个 p i c t u r e 控件。各通道对各输入信号处理、采集，软件将采集回的数据绘制在各p i c t u r e 上，以恢复出输入波形原貌。此程序界面同时显示了四个通道的波形，具有简洁、一目 了然的优点，同时方便用户对各通道的波形进行分析和比较。 程序运行界面之一如图2 7 所示。 图2 7 软件运行界面 1 6 中北大学学位论文 第三章系统中有源低通滤波器的设计 3 1 有源低通滤波器简介 被测对象的状态信息往往是模拟量，因为通常计算机只能接受数字量，所以通道必 须有模数转换( a d c ) 环节“。为满足采样定理，保证信号不失真，必须在a d c 环节前 设置低通滤波器，滤去高于采样频率f s 2 的信号。滤波器的作用是选出有用的频率信 号，抑制杂散的无用的频率信号，使一定频率范围内的信号衰减很少的通过，般采用 混叠滤波器，即有源低通滤波器。有源滤波器的特点是输入阻抗高，输出阻抗极低，因 此输入与输出之间有良好的隔离性能，便于级联：其次是使用频率范围很宽，对信号可 以不衰减，甚至还可以放大。缺点是有源滤波器可能引起输出失调，且随温度变化而漂 移由于有源滤波器有正负电源，它的输入端与电源和地都有联系，因此不能象无源滤 波器那样完全浮地使用。 按照在截止频率附近频率特性的特点，可将低通滤波器分为巴特沃思 ( b u t t e r w o r t h ) 、切比雪夫( c h e b y s h e v ) 和贝塞尔( b e s s e l ) 三种类型”1 。三种类型滤波 器的幅频特性和相频特性如图3 1 和3 2 所示。 y ， 12 “ 一二 图3 1 三种类型滤波器的幅频特性 图3 ，2 三种类型滤波器的相频特性 切比雪夫滤波器在带通内存在等纹波动，而衰减比同阶数的巴特沃思滤波器大，较 宽的通带波纹容限增大了其传输带宽衰减速度，但粗相位响应畸形较大，适用于需低阶 又需快速衰减的场合，如信号调制解调电路中。贝塞尔滤波器的相位较平坦，但其幅频 1 7 中北大学学位论文 特性衰减过早，对阶跃响应过冲极少，有最少的时间延迟特性，适用于传递脉冲型的波 形信号。其中的巴特沃思滤波器，具有通带内最大平坦的振幅特性，且随截止频率f 增 大单调递减。其幅度平方函数具有如下形式： 钺彤卜陋“| 22 商 。d l ，q f j 式( 3 1 ) 中，n 为整数，称为滤波器的阶数，n 越大，通带和阻带的近似性越好，过 渡带也越陡。它的幅频特性在直至衰减3 d b 的截至频率处几乎是完全平坦的，但在截止 频率附近有峰起，对阶越响应有过冲和振铃现象，过渡带以中等速度下降，下降率为 - 6 n d b 倍频程，有轻微的非线性响应，适用于一般性的滤波器。 目前，计算机测试系统中采用的低通滤波器多为固定参数，当信号频率范围变化较 大时就不能满足使用要求了。最近几年国外公司推出了一些可编程的集成滤波器芯片 ( 例如l t c l 5 6 4 ) ，性能良好，但价格较贵，需编程使用，较麻烦。在1 4 b i t 四通道瞬态 波形记录仪系统中，提出了一种采用通用芯片和电阻、电容构成的低通滤波器的方法， 设计了八阶巴特沃思有源低通滤波器。 3 2 滤波电路设计 3 2 1i ) 3 - - e 低通滤波器的频率响应与系统函数 归一化八阶巴特沃思低通滤波器的频率响应为“”： i h ( j 口w 2 = 志 系统函数e ，( s ) n a 个极点量、s ：、黾、s 4 、砖、s ，、s 。，根据线性系统的稳定 性要求，日。( s ) 的全部极点落于s 左半平面( 不包括虚轴) 。所以： 胃。( s ) 2 石丽瓦面瓦面f 可1 矿百瓦i 矿丽i i 西 由于有偶数个极点，且日。( s ) 的极点都成对共扼出现，即， 1 8 中北大学学位论文 ，s 小i ( 1 七n 2 其中为极点数) 每一对共扼极a t o 威2 - - 个二阶系统，即 日( s ) 2 f 蕊二1j ( s j ) ( 5 一j 肌1 ) 可求得系统函数 其中 1 ：s c 鼍笋小 h 。( s ) = h 。( s ) 。以2 ( 5 ) 峨3 ( s ) h 。4 ( s ) 日荆= 兀面1 五丽，s + u j y u 2 s + 1 日一( s ) = 五而1 面鬲，j 。+ 1 0 6 2 啦+ l 3 2 2 滤波电路及参数确定 以z ( 加五s 志11 1 1 l s一+ + l 以( s ) = 五丽1 由以上分析得，一个归一化八阶低通滤波器可由四个系统函数分别为h 1 。( 5 ) 、 2 。( s ) 、峨。( s ) 、h 。( j ) 的二阶网络串联而成。在此，选择芯片a d 8 0 5 4 和外围电阻、 电容构成有源滤波器。a d 8 0 5 4 是一种低功耗、高速放大器，内部有四个独立的运放，5 v 双电源供电。构成的有源网络如图3 3 所示。 “ 图3 3 八阶有源低通滤波器原理图 1 9 中北大学学位论文 图3 3 所示的网络系统函数是 日。( s ) = h 。i ( j ) 日。2 ( s ) h 。3 ( s ) - h 0 4 ( s ) 对于图3 3 第一级二阶网络，即二阶无限增益多路反馈低通滤波电路，传递函数： 电路通带截止频率： 品质因数： 小鲁 = 忘嘉 q = 击悟 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) c 其中专 如 慨s ， 将公式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 、( 3 5 ) 带入( 3 2 ) ，并令s = - ，得到如下的二阶系统函数 七1 日。o ) = 垒堡刍鱼 s 2 + r 2 r 4 + r 1 r 4 + r i r 2j + l r l 胄2 r 4 c 1 r 2 r 4 c 1 c 2 对于图3 3 第二级二阶网络，即压控电压源二阶低通滤波电路，传递函数： 电路通带截止频率： ( 3 6 ) ( 3 7 ) i 一丁乍 l + 兰r 石一 i 屉 撇大放的路 赶中其 i 一q 赢鲁 一卜 屉 撇 小 中北大学学位论文 数： 品质因数： l 2 r s c 3 d ：j 一 3 一a ， ( 3 8 ) ( 3 9 ) 将公式( 3 7 ) 、( 3 8 ) 、( 3 9 ) 带入( 3 6 ) ，并令j = j o j ，得到如下的二阶系统函 h 0 2 ( s ) = “ 1 i + 荨习焉葛 对于图3 3 后两级滤波网络，分析方法同上，得到系统函数： ；，“一 r l o r l 2 c 1 c 2 其中k ，、k ：、七3 、是带宽放大倍数。 忙鲁 小每 = 等 小筹 按照本设计要求，前级波形通过滤波器后要不失真，即滤波器的放大倍数为1 ，所 以设计时取：毛= 屯= j 1 ，屯= 七。= 2 ， 所以：r 4 = 2 r l ，r 7 = r 8 ，r 1 2 = 2 r 9 ，r 1 5 = r 1 6 表3 - 1 和3 2 所示为设计二阶有源低通滤波器时的电容选择用表m ，。具体设计时， 首先在给定的截止频率工下，参考表3 1 选择电容c 1 。然后根据所选择电容c 的实际 2 1 焉瓣吾 i 一叫 ” 中北大学学位论文 值，按照式置： 警来汁算电阻换标系数足。其中正以h z 为单位，c 。以旷为单位。 j c i 然后再按表3 2 确定电容c ：与归一化电阻值一心，最后将归一化电阻值乘以换标系数 x ，r ，= j 玩( f = 1 , 2 ，3 ) ，即可得到各电阻实际值。 表3 1 二阶无限增益多路反馈低通滤波器电容选择用表 ：h z ( 1 0 01 0 0 1 0 0 0 0 1 0 ) x 1 0 3 ( 1 0 1 0 0 ) x 1 0 3) 1 0 0 1 0 3 c uf1 0 0 1o 1 o 0 10 0 l 0 0 0 l ( 1 0 0 0 1 0 0 ) x 1 0 “ 0 0 0 1 0 1 1 0 “ 表3 2 二阶无限增益多路反馈低通滤波器设计用表 岛l261 0 f l q 3 1 1 1 2 5 6 51 6 9 71 6 2 5 班q 4 0 t 23 2 9 2 d 9 t t 4 t 2 3 勺瓜q 3 1 l i5 1 3 0 1 0 。1 8 01 6 2 5 2 c ：i c l 0 2 0 1 50 0 石 0 0 3 3 本系统要求设计截止频率分别是2 0 0 i 【h z 、5 0