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扫描声强测试系统的若干问题研究 摘要 本文工作主要针对扫描声强测试系统的特点和要求，从硬件和软件两个方面 对基于p c 机的扫描声强测试系统若干问题的进行了详细的讨论，着重分析并解 决了多通道数据同步采集、f i f o 缓冲、任意波形发生器的实现等问题。 本文针对快速发展的计算机外部接口技术进行了较深入的探讨，分析了基于 i s a 总线、p c i 局部总线的扫描声强测试系统接口技术，并提出采用u s b 接口的 声强数据采集与处理系统的设计思想，同时对w i n d o w s 底层进行了详尽的分析， 采用v t o o l s d 、v c + + 、d d k 编制的扫描声强测试系统驱动程序，运行在系统核 心( 0 级环) ，并能与w i n d o w s 很好的协作运行，既能体现w i n d o w s 的多任务操 作系统的特点，又保证了数据可靠、实时的采集。 根据以上的分析与探讨，设计、制造了可供实用的扫描声强信号采集系统与 相应的驱动程序。运行试验表明，采集系统具有良好的效果，达到了设计要求。 关键词：扫描声强f i f o u s b 接口 v x d s 0 胚i s s u e sa b o u tt 髓姬a r u s i n gs y s 删 0 fs c a n n i n gs o u n di n t e n s i t y a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s e u s s e si nd e t a i ls o m ep r o b l e m sa b o u ts c a n n i n g s o u n d i n t e n s i f ym e a r u s i n gs y s t e mo f t h e p cm a c h i n ef r o m p e r s p e c t i v e s o f b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i tp u t se m p h a s i so na n a l y z i n ga n dw o r k i n g o u tp r o b l e mo fm u l t i c e n t e rd a t as a m p l i n gi np h a s e 、f i f oa m o r t i z e 、 a r b i t r a r n e s sw a v e f o r mg e n e r a t o r 。 t h isp a p e rm a k e sad e e pd is c u s s i o no nt h ec o m p u t e re x t e r a li n t e r f a c e t e c h n o l o g y w h i c hi sd e v e l o p i n gi nh i g hs p e e d i ta n a l y s e s s c a n n i n g s o u n di n t e n s i f y m e a r u s i n gs y s t e mi n t e r f a c et e c h n o l o g yo nt h eh a s i so f i s a 、p c i ，a n di n t r o d u c et h ep r o m i s i n gi d e a a b o u td e s i g n i n gm e a r u s i n g s y s t e m o fs e a n n i n gs o u n di n t e n s i t yb yu s i n gu s bi n t e r f a c e t h ek e r n e lo fw i n d o w ss y s t e ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s t h ed r i v e ro f s c a n n i n g s o u n di n t e n s i f y m e a r u s i n gs y s t e m i s p r o g r a m e db yv c 十+ 、 v t o o l s da n dd d k t h ed r i v e rw h i c hr u n si nt h ek e r n e lo fw i n d o w s ( c i r c l e 0 ) n o to n l ym a k e st h eh i g h s p e e da n dh u g e c a p a c i t yd a t aa c q u i s i t i o n e f f i c i e n t ，b u ta l s oc a nw o r kt o g e t h e rw i t ht h eo t h e rp r o g r a m s 0 nt h eb a s i so ft h ed i s c u s s i o na n da n a l y s i sa b o v e t h em e a r u s i n gs y s t e m o fs c a n n i n gs o u n di n t e n s i t ya n di t sd r i v e ta r em a d ea n dd e s i g n e d t h e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n so ft h i ss y s t e mr e a c h t h er e q u i r e m e n tv e r yw e l1 k e yw o r d s ：s c a n n i n gs o u n di n t e n s i t y f i f ou s bv x d 致谢 衷心地感谢我的导师李志远教授，无论在论文的开始还是在课题困难重重的 时候，他总是耐心指导我一步一个脚印地去完成，尽可能创造更多的机会让我去 学习和锻炼。李老师渊博的知识、严谨的治学态度深深地影响着我。 十分感谢电气工程学院的温阳东教授、计算机学院的吴丛军老师的指导和帮 助，使我受益非浅。 感谢动态测试中心的每一位老师和同学，自从我进入这个温暖的集体，他们 就既是我的良师又是我的益友。无论在学习上还是生活上，他们总是给我以无私 的的关怀与帮助。 作者 2 0 0 2 年3 月10 日 于合肥工业大学 合肥工业大学硕士学位论文 第一章概述 一、噪声测量的背景和意义 噪声是机器设备质量优劣的重要指标，是设备性能的综合反映。我国的很 多机电产品因为噪声高的原因而失去在国内尤其在国际市场的竞争力。同时噪 声也是工业劳动环境中最广泛和最频繁的污染之一，对接触者的身心以及对社 会都产生严重的影响。为此国家也制定了相关的法律要求对噪声进行防治。 为了提高产品质量，增强产品在市场上的竞争力，降低机械产品的噪声问 题受到了极大的关注。而这一切工作都是以有效、可靠的声源声功率的测量和 辐射声场的声学特性测量为前提和基础的。 传统的声学测量是以声压为测量参数，在进行声源声功率测量时需要有特 殊的声学环境( 如消声室、混响室) ，这些特殊的声学环境的建造不仅耗资巨 大，而且很多机器由于结构、重量、尺寸及运转、安装条件的限制，而无法在 这些环境内进行测量。同时，声压是标量，只具有幅值信息，不能全面地描述 辐射声场的声学特性( 如噪声源的分布、声场特征以及机器结构的声辐射的特 性等) 。因此，传统的声功率测量方法己不能满足先进制造技术发展的要求和 越来越高的声学测量需求。 八十年代发展起来的声强测量技术和近年来出现的近场声全息技术在进行 噪声声源声学测量方面具有诸多优点：它可以在普通环境下或生产现场准确的 测定机器设备的声功率，可以方便的进行声源排队、声源定位，可以进行结构 的声辐射效率、传递损失的测试以及获得机器设备噪声源表面到远场的许多声 学参数。这些测量结果不仅可以对现有的机电产品进行噪声源识别，进而采取 有效措施，减振降噪，而且可以在基于近场声全息测量的基础上，在产品的设 计阶段预测和控制它的远场特性。 但是这种具有巨大实用价值的测量分析技术在我国的机电产品制造业不能 很好地推广应用，其主要原因是国内声强测量仪器尚未形成定型产品，尤其是 缺少近场声全息测量设备。而国外先进的声强法声功率测量仪器和近场声全息 测量设备，价格昂贵，在国内众多企业无力购买。 因此，研制开发一种适合我国国情、既能满足生产企业在普通环境下进行 声功率测量的要求又能进行声源识别和声场特性分析的高性能噪声测量分析 系统是十分必要的。 二、声强法声功率测量方法和测量仪器的国内外研究现状和发展趋势 声强是个矢量，包含有声场中声压和质点振速的共同信息，对于一个声源， 只要将其包络面上的声强矢量作积分，就可以求出被围声源的声功率，而测量 区域之外的干扰噪声得以抵消。因此可以在普通环境下能准确地测定声源声功 率。它不仅适合进行机器设备的整体声功率测量，且对于多声源机器设备，可 分别测取各声源的声功率值。同时利用声强还可以进行噪声源识别、声传递途 径的识别、结构声辐射效率、传递损失的测试以及声场复声压等方面测量。因 合肥工业大学硕士学位论文 此，在国际学术界引起广泛的重视，至今仍是研究的热点问题之一。利用声强 技术测量噪声源声功率目前采用两种方法：逐点测量的离散点法和快速移动的 扫描法。 离散点法： 离散点法测量的基本原理是在普通环境下，对稳定的被测声源选定一包围 声源的测量包络面，将测量包络面按一定要求划分成测量网格，逐点测量各网 格点上的法向声强值，再经表面积分即可计算出该声源辐射的噪声声功率。这 种方法数学关系清楚，实现相对简便，在国际上曾受到的广泛研究和应用。为 此，国际标准化组织于1 9 9 3 年颁布了基于离散点声强法测定声源声功率级的国 际标准i s 0 9 6 1 4 - i 。我国也于1 9 9 6 年颁布了相应的国标g b t 1 6 4 0 4 ”。 目前国外绝大多数声强法声功率测量仪都是基于这种方法。以在国际上最 负盛名的声学测量仪器仪表公司丹麦b & k 公司为例，从早期的模拟式声强测量 分析系统b & k 3 3 6 0 、基于频率分析仪的声强测量系统b & k 2 1 3 3 2 1 4 4 、基于双通 道信号分析仪的互谱声强测量系统b & k 2 0 3 2 2 0 3 5 ，直到近年来基于笔记本电脑 的w i n d o w s 平台下的声强测量系统b & k 3 5 6 0 c ，都是该法最具代表性声强测量仪 器。 国内的部分科研单位和院校，从九十年代初从国外购置了声强测量分析系 统，在机器设备的振动噪声控制等方面进行了许多理论研究和应用工作。其中 中科院声学所、上海交通大学、清华大学、西安交通大学等单位采用信号分析 仪+ 工作站或者微机单板机+ a d 卡十测量放大器+ 声强探头，借助自行研制的声 强测量软件开发出基于离散点法声强声功率测量仪。但是，这些分析系统中采 用的关键硬件，如声强探头、探头极化电压源、前置放大器和测量放大器以及 声强标定和校准器等，仍需从国外购置。可见一些关键技术，如国产化声强探 头、声强校准器的研制、多通道间幅值和相位的匹配、测量效率、测量精度、 仪器的智能化等问题有待进步的解决。测量系统的商品化、产业化还未形成。 随着离散点法声强测量技术的应用和研究的深入，其某些固有缺陷也逐渐显露 出来，如进行声功率测量时测量周期长，对较大的机器设备，一次声功率测量 可能需花数小时以上，测量效率很低。而且，在如此长的时间内噪声源的稳定 性难以保证，导致测量结果的准确性较低。无法满足绝大多数机器设备现场快 速、准确测量的要求。 扫描法： 基于扫描声强法声功率测量技术是为解决现场快速、准确进行声功率测量 而发展的新技术。测量时声强探头在测量包络面上按一定的路径进行快速扫描， 同时实时记录和分析测量区域的法向声强信号，可在很短的时间内完成测量面 上声强和声源声功率的测量工作。与离散点法相比具有测量时间短、信息量丰 富、精度高”1 等特色，特别适用于现场声源声功率的测量和声源定位。较离散 点法具有更高的实际应用推广价值。但是，由于扫描法声功率测量的数学模型 和扫描参数( 扫描路径) 与测量结果的不确定度的关系只在近年才得到解决， 虽然其声功率测量国际标准i s 0 9 6 1 4 2 。1 已于1 9 9 6 年颁布实施，但这项新技术 在国际和国内一直未得到有效地利用。b & k 公司直到1 9 9 9 年才推出其基于扫描 声强法便携式声功率测量仪器2 2 6 0 e 1 0 2 ，而国内至今尚未有单位研制和开发同 2 合肥工业大学硕士学位论文 类产品。 三、近场声全息技术和测量仪器的国内外研究现状 八十年代发展起来的近场声全息技术通过测量声源附近的一个全息面上的 复声压，再利用声场空间变换及h e l m h o l t z 积分，可获得从声源表面到无穷远 处声场中的很多声学量。可用来进行声源的辐射声场计算和噪声源的定位与识 别，引起国外学术界和工程界的高度重视。近场声全息技术n a h ( n e a r f i e l d a c o u s t i eh o l o g r a p h y ) 的关键是准确获取全息测量面上的复声压，为解决这个 问题，国外发展起来的有代表性的方法可归纳为以下两种： 1 基于声压测量的方法 一种是快照法( s n a p s h o tm e t h o d ) ：由m a y n a r d 等在八十年代初首次提出， 该方法用一个对称传声器阵列组成平面接受阵以完成全息面上的复声压数据的 采集，此法由于阵元数太多，而且需要多通道同步采集( 4 0 以上，甚至数百) ， 测量系统成本太高也难以实现1 4 】。 另一种是逐点测量法：该法是采用单个传声器逐点测量全息面上各网格点 的声压幅值，而相位则由各点声压信号与参考信号的互谱来获得，这种方法有 两个问题难以解决：一是逐点测量效率很低，测一个物体的声辐射往往要花数 小时，而且在这么长的时间内，声源的辐射特性很可能早已变化；二是参考信 号既要能反映声源特性，不受干扰，又要在测量过程中保持稳定，符合这样要 求的参考信号几乎找不到。因此测量精度难以保证”，。 应用上述的测量方法和进口仪器设备，上海交通大学蒋伟康与日本五十铃 汽车公司合作，用偏奇异值分析方法来寻找参考话筒的最佳位置，同时用偏相 干分析方法进行声场的分解 6 j 。其实验在日本神奈川县进行，在距声源5 0 m m 处 的全息面上布置间距为5 0 m m ，共2 4 x 1 9 = 4 5 6 个话筒组成阵列，由于话筒不够， 减少阵列移动6 次完成测量。 2 基于声强测量的方法 八十年代末，l o y a u 和p a s c a l 提出利用声强测量的宽带声全息技术，即 b i h i m ( b r o a d b a n da c o u s t i ch o l o g r a p hb a s e d0 ni n t e n s i t ym e a s u r e m e n t ) 7 】。 其基本原理是利用全息面上两个切向声强分量来确定全息面上的复声压，此法 不需要参考声源。但由于这种方法是基于离散点声强测量基础之上，仍需逐点 测量，因此效率很低。m a n n 和p a s c a l 用此法识别一台空气压缩机的噪声源时， 仅仅测量一个全息面的各点声强值就花了1 2 小时峭j ，哈尔滨工程大学和南京理 工大学的何祚镛、何元安等，采用b & k 声强测量仪器，应用此法研究水下声源 的近场声辐射，其测量对象为一球形换能器，x y 方向的声强分两次测量完成， 仅测量一个方向就用了8 个小时【9 j 【”j 。 近年来，丹麦b & k 公司已推出基于快照法的声全息测量系统。但是价格 高达几十万美元，一般单位根本买不起。国内目前在近场声全息技术方面尚处 于理论研究阶段，还未有单位进行这种测量仪器研制。 综上所述可见，为了使声强法声功率测量和近场声全恩技术测量的关键 是解决测量系统价格昂贵、测量效率低、精度难以保证等问题。而其中采用扫 描法可以解决测量效率低下的问题，而系统的价格和系统的精度则完全依赖于 高性能、低价格的信号采集系统和采集前端设备来决定，本文的工作将探讨采 3 合肥工业大学硕士学位论文 用扫描声强法实现声源声功率测试和近场宽带声全息测量时采集系统中的若 干关键问题，以期解决扫描测试系统的高性能、低价格问题，因此系统能迅速 实现产品化，推动噪声测量技术的发展。 四、扫描声强测试系统结构 实现声源声功率测试和近场宽带声全息测量的高性能声强测量分析系统原 理框图如图1 1 ： 图11 扫描声强测量系统原理框图 测量系统由笔记本计算机、w i n d o w s 平台支持的分析软件包、多路并行全功 能硬件卡以及矢量探头构成。声强探头经前置放大器处理后，送入硬件处理模块 进行处理，该模块主要包括程控滤波、放大、a d 转换、缓冲等信号处理电路以 及控制输出电路。硬件电路通过计算机外部总线接口或内总线与计算机相连接。 通用软件平台主要完成硬件设置、数据采集、控制等底层操作，为应用软件提供 底层接口。应用软件则对测量数据进行复杂的处理，以计算声源声功率和对近场 宽带声全息进行分析。 在一般状况下，测量系统配置对硬件和软件有以下要求： 程控低通滤波倍频程衰减 8 0 d b 低噪声程控放大倍数 l 2 5 6 四通道( 六通道) 同步采集 增益、通道、低通滤波的全自动设置 系统具有自校准功能 系统具有扫描路径的存储、自动扫描功能 具有一定的抗干扰能力 多种数据分析功能、多窗口数据和图形显示 自动生成测量报告 五本论文主要讨论问题 本文针对扫描声强测量系统的软硬件基本要求，在论述软硬件平台的同时， 集中讨论了其中如下几个主要问题： 1 多路高速并行数据采集的实现 4 合肥工业大学硕士学位论文 多路信号同步采集在声强测试系统中是一个最关键的问题，信号能否同步采 集关系到整个系统的性能，目前市售的采集卡大多采用多路转换开关分时转换技 术实现a d 多路采样，保证不了通道间的相位差小的要求。为了保证多通道同步 采集，人们有时采用多块采集卡的方法，但这样提高了系统的成本和体积。本文 拟采用单片a d 多路并行的设计方法解决这个问题。 2 f i f o 硬缓冲技术在数据采集中的应用 在w i n d o w s 平台上，系统的利用效率和数据采集的高速实时性，以及系统的 造价是一对难以克服的矛盾。而扫描声强测试系统最多时具有六通道的声学信号 输入，每通道要求具有5 0 k h z 的采样速率，并具有一定的实时性要求，通常情况 下，多采用d s p 进行实时处理后，将计算结果传送到上位机，而开发研nr j d s p 处理 系统时间长、难度大、固化的算法修改困难。由于现在的计算机系统处理速度很 快，处理数据灵活多样，算法更改方便。因此本论文的工作将充分利用计算机的 这一特点，探讨采用f i f o 技术解决数据采集的高速实时性和低造价的问题。 3 系统控制输出功能以及任意波形发生器的实现。 扫描声强的探头的控制属于两维控制，因此需要具有两个通道的数字输出。 考虑到系统的多功能性，使这两个通道还具有任意波形输出的功能，这样本系统 又能用于振动控制试验。因此本文将探讨一种经济适用的输出与控制方案，既可 以用来解决扫描声强测试系统的控制与自校验问题，又可以实现任意波形的发 生。 4 p c 总线接口技术的探讨 目前大多数高速数据采集与处理系统为了保证高速数据传输，多采用内总线 与微机接口，扫描声强测试系统采样频率高，单位时间里要求传送的数据量大， 如何使系统在保证实时传送数据的前提下实现便携化，u s b 总线的产生为问题的 解决提供了一种思路。本文在探讨其他接口方案的同时，提出采用u s b 接口的系 统设计方案。 5 w i n d o w s 环境下硬件驱动程序的设计 扫描声强测试系统运行在w i n d o w s 平台，而w i n d o w s 不是一个实时操作系统， 底层结构复杂，程序分级运行，禁止应用程序直接操作硬件，应用程序只能通过 调用运行在系统核心的系统驱动程序来实现与硬件交互的功能。本文分析了 w i n d o w s 底层的结构，根据结构特点，详细分析和设计了扫描声强测试系统v x d 驱 动程序，实现了在w i n d o w s 平台下进行扫描声强测试系统的控制。 合肥工业天学硕士学位论文 第二章信号预调理电路 扫描声强测试系统的信号预调理电路是用来实现信号的预处理，使分析信号被 调理为幅值大小适中、不含高频噪声的信号、以便于适合后续电路进行处理。信号 的预调理电路主要包括程控放大和低通滤波。 程控放大就是将微弱的电信号放大到适合a d 转换的量程之内，放大的过程可 以由应用程序来实现。低通滤波是为了消除采样时的频率混叠作用，同时也起到剔 除高频噪声干扰，降低信号处理时的混叠误差、减轻计算机处理数据的压力。 一般的设计电路从提高信噪比考虑，是把低通滤波放在程控放大的前一级。但 是，根据滤波器的特点，低通滤波器在输入信号大小比较适中的情况下，滤波性能 表现最优。因此，本电路的设计中把程控放大器设置在低通滤波的前面。 本章将对具有实用价值的采用d a 器件的程控放大电路和采用开关电容控制的 低通滤波电路的选择与设计进行分析和探讨。 2 1 程控放大衰减器 一常用的程控放大衰减器的类型 程控放大的实现方式有多种，可以采用成品的放大器如p g a l 0 0 ( 8 档，1 1 2 8 倍) 、p g a l 0 2 ( 三档，1 1 0 0 倍) ，a d 5 2 6 ( 4 档、1 1 0 0 0 倍) 等，但是其价格较贵。 这些芯片大多是通过引脚电阻编程来实现，使用不太方便。扫描声强测试系统具有 多达六通道的模拟信号输入，如采用专用电路系统则成本较高。 另外一种是采用运放、模拟电子开关、精密电阻构成的程控放大电路，如图2 】 所示，其输出电压为： v o = v s r f r i 。 上式中，v s 为反向输入电压，r f 为反馈电阻，r i 为方向输入电阻。通过选择多 路开关的导通，就可以选择不同的反馈电阻( 权电阻) ，得到不同的电压。如果在输 入端也接入一个多路选择开关，以选择不同的输入电阻，就可以得到更多级的程控 放大倍数。这种方式构成的可变增益放大电路成本低廉，但是构成的元器件较多， 占据较大的p c b 空间。 r f 图2 1 放大电路原理 二、采用乘法型d 转换器实现程控放大 6 台肥工业大学硕士学位论文 d a 转换器一般都用于信号的数模转换，但在深入了解一些d a 转换器的结构 原理后，可以把d a 转换器灵活的用于程控放大中。 图2 2 是乘法型d a 转换器的原理图，其内部结构具有由若干个阻值为r 的电 阻和阻值为2 r 的电阻构成的t 形网络，该网络的一个接口是v r e f 端，而输出口就 是o u t i 和o u t 2 端。值得注意的是v r e f 端的输入极性可正可负，也就是说这个基准 电压端可以作为交流放大的数字控制使用。因此这种结构的d a 转换器可以作为程 控放大器使用“。 v o o 爵丽嘈匿髓r 再觥 r f b o u t o u f 2 铷d i 峙鳓i i s b 图2 2 乘法型d a 转换器原理图 将d a 的输出o u t i 和o u t 2 接到运放上，将d a 反馈电阻r f b 端作为输入信号 的输入端，运放的输出端引入d a 转换器的参考电压v r 端，这样，通过数字量控制 的t 形r 一2 r 网络在反向输入放大器中成为反馈电阻r f ，其电路如图2 3 所示。 r v r e f 0 u t l o u t 2 昭 v 0 ( a ) 原电路( b ) 等效电路 图2 3 程控增益放大器 从图中可以看出，由数字量控制的d a 转换器中，从参考电压v e z r 端流经t 形 网络到l o u t l 端的电流i f 和没有分流电阻r 时的电流i 比较，其关系为： i ，= 兰，( d 为d a 转换器输入的数字量，r l 为d a 转换器的位数) 2 “ 表明在等效电路中，反向比例放大器的反馈电阻r f 是原来t 形电阻网络输出阻 抗r o 的2 “d 倍，即 合肥工业大学硕士学位论文 即云见 因此，程控放大器的增益a 为 n 2 去= u 2 r o r f b = 若 针对扫描声强测试系统的要求，在电路设计中选用分辨率为8 位的d a 转换器， f f j 女ha d 公司的a d 7 5 2 4 ，转换精度高达i 8 l s b ( 1 l s b = 1 1 2 8v p e f ) ，芯片内带锁存器， 可以方便的与数据线连接，而不必增加如何电路，程控放大系数可达2 5 6 ( 2 8 ) 级 ( 1 2 5 6 ，2 2 5 6 ，1 ) ，通过上位机或m c u ，很容易实现输入信号的动态配置。另外改 变运放的连接方式还可以得到不同大小的衰减或增益“。 由以上分析可见，采用d a 转换器构成的程控放大电路具有电路简单，易于控 制，精度高的特点，同时还提高了系统的稳定性和可靠性。 2 2 程控低通滤波器 在数字量处理中，常常会遇到频率无限的信号，这种信号在采样时，会把高频 无用的信号成分混叠到低频信号中去，从而引起混叠误差，避免产生混叠的方法是 除了在采样时遵循采样定理外，还要采用低通滤波器将频率无限信号变为频率有限 信号，所有低通滤波器又称为抗混叠滤波器“。 在扫描声强测试系统中，要求低通滤波器的带内波动小，倍频程衰减量大( 大 于8 0 d b ) ，通道之间的相位一致。通常采用的由运放和阻容元件构成的有源滤波。 具有对元件参数要求严格、通道之间的相位差很难达到要求的缺点，并且滤波器的 截止频率改变非常困难，也不易实现程控化。 本系统采用开关电容滤波器。开关电容滤波器( s c f ) 是由m o s 开关，m o s 电容 和m o s 运放构成的大规模集成电路滤波器，和r c 有源滤波器相比较，具有精度高、 稳定性好、易于程控、集成度高、一致性好等优点。 对于采用开关电容滤波器的低通滤波系统，可以采用滤波器自身的时钟，这时 需要一个外接电容，也可以采用片外时钟信号给滤波器，扫描声强测试系统针对不 同的应用场合需要调整采集频率，所以本系统采用片外时钟电路，时钟电路采用 8 2 5 4 可编程定时器。如图2 4 所示：8 2 5 4 具有3 个通道的可编程时钟单元，上位机 通过设置8 2 5 4 的控制字，设置时钟工作方式在方波输出状态，为了保证系统滤波器 可靠的工作，一般方波的占空比在4 0 6 0 之间。上位机可以在系统运行的任何 时候动态的修改8 2 5 4 的输出方波的频率，以控制滤波器的截止频率。扫描声强测试 系统具有三对扫描探头，每对探头的采集频率大小一致，所以一路8 2 5 4 时钟信号可 以控制两路( 一对) 低通开关电容滤波器的时钟信号。 图2 4 低通滤波器的实现 8 台肥工业大学硕士学位论文 系统可以进行如下的设置( 假设8 2 5 4 振荡时钟为8 m ，滤波器的输入时钟 频率和截止频率的比率为1 0 0 ：1 ) ： i i i o v c l o c k ，t t 0 6 h；设置8 2 5 4 控制字，时钟l 工作在方式三 m o v c l o c k l ，# 0 8 h；设置截止频率设置为l o k m o v c l o c k ， # 1 6 h ；设置8 2 5 4 控制字，时钟2 工作在方式三 m o v c l o c k 2 ，# 0 4 h；设置截止频率设置为2 0 k m o v c l o c k ，t 3 6 h；设置8 2 5 4 控制字，时钟3 工作在方式三 m o v c l o c k 3 ，# 0 2 h：设置截止频率设置为4 0 k 由于滤波器处理的是模拟信号，而时钟信号要从8 2 5 4 中引入，为了降低噪声干 扰，输出信号采用光耦隔离。 本系统采用的8 阶可编程开关电容低通滤波器主要性能指标为： 1 2 5 k h z 截止频率无级连续可调 倍频程衰减达到8 2 d b 带内波动， 0 1 0 d b 的 输出输入电平：一4 v + 4 v 当设定滤波器的截止频率f 0 = l k h z 时，相应的频率响应曲线如图2 5 所示。由图 2 5 ( a ) 的幅频曲线可以看出，在1 5 k h z 处，幅频衰减已达8 2 d b 。图2 5 ( b ) 表明 在o - - l k h z 的低通频率范围内的幅值波动在一0 1 2 0 0 4 d b 之间。而图2 5 ( c ) 则显 示了低通滤波范围内的相位近似为一条斜率为一o 4 3 的的直线【1 4 】。 ( 8 ) ( b ) 9 输入频事 合肥工业大学硕士学位论文 ( c ) 图2 5 m a x 2 9 3 的频率响应 采样定理要求采样频率f s 要大于最高分析频率f h 的两倍以上，即 f s = n q f h ，n q 2 式中n q 乃奎斯特系数，n q 的取值与低通滤波器的特性有很大关系，如果低通滤波 器的倍频程衰减量越大，则n q 就越小，反之n q 就越大。对于理想低通滤波器来说， n q - 2 。n q 越小，越可以充分利用a d 转换器的采样频率。本文工作所设计的低通滤 波器倍频程衰减量为8 2 d b ，就可以取n q - - - - 2 6 。也就是说当所需要分析的信号频率 最高为1 0 k h z 时，低通滤波器的截止频率可以设在1 0 k h z 处。a d 转换器的实际采 样频率应是2 6 k h z 。 i 0 合肥工业大学硕士学位论文 第三章信号转换与输出中的问题 系统的模拟信号经过预调理以后，要进行离散和量化，也就是将输入的模拟 量变换成计算机可以处理的数字量。同时为了提高系统的运行效率，转换的结果 要适当进行处理才能送到上位机。另一方面，系统中的声强探头的扫描路径和扫 描速度的控制需要系统具有控制输出和位移校准功能。为了使输出还能控制其他 系统( 如振动控制系统) ，还需考虑能输出任意波形。 本章主要探讨a d 转换、f t f o 缓冲、系统输出控制以及任意波形输出等问 题。 3 1a d 选择和使用的几点考虑 a d 的主要功能是将输入的模拟量转换成数字信号，它是扫描声强测试系 统中的关键部件，其品质的高低直接影响到系统的性能。 一、常见a d 转换器的类型及其特点 1 、积分式的a d 转换器 特点：转换精度高、灵敏度高、抑制干扰能力强、造价低。对对称交流干扰或 脉冲干扰具有很强的约束能力。输出数据通常以b c d 码或二进制码的格式给 出。对但转换速度低，通常低于2 0 次每秒。主要应用在数字仪表和低速数字 采集系统。 3 逐次逼近式a d 转换器 特点：转换速度较快，转换精度较高。分辨率为8 2 4 位，目前在信号分 析中广泛采用的是1 4 位逐次逼近式a d 转换器，如m a x l 2 5 m a x l 2 6 系列。此 类转换器的转换速度较快，一次转换的时间在数微秒到数百微秒。但抗干扰能 力较差，价格也较高。 这种a d c 在转换过程中，输入电压不应有变化，负则会出现严重的超差。 一般都需要在a d 转换之前加接采样保持( s h ) 电路图3 1 ，以保证在a d 转 换期间输入电压不变化，在具有d a 转换器的逐次逼近式a d 转换器中，在设 计中必须保证d a 转换的的微分非线性误差小于1 l s b ，否则会存在“失码” 的现象。 图3 1 逐次逼近式a d 转换器应用电路原理框图 3 并行比较式a d 转换器 这种转换器特点是转换速度快，它主要用在数字通信技术和高速数据采集中，但 是组成电路复杂，价格昂贵。 4 一a d c 合肥工业大学硕士学位论文 一aa d c 是近年来快速发展的新型a d c ，它采用过采样、噪声成形、数字 滤波和抽取的技术，形成具有分辨率、高集成度和低价格的特点。其基本原理是 根据传统a d c 的频域传输特性，输入一个正弦信号，然后以频率采样，按照 n y q u i s t 定理，采样频率至少两倍于输入信号。从f f t 分析结果可以看到，在 d c f s 2 的频率范围内存在着一个单音成分和分布于d c 到2 间的随机噪声。 这些噪声就是所谓的量化噪声。它主要是由于有限的a d c 分辨率而造成的。单 音信号的幅度和所有频率噪声的r m s 幅度之和的比值就是信号噪声比( s n r ) 。 对于一个nb i t a d c ，它的s n r 为： s n r = 6 0 2 n + 1 7 6 d b 为了改善s n r 和更为精确地再现输入信号，对于传统a d c 来讲，必须 增加位数。如果将采样频率提高一个过采样系数k ，即采样频率为媳，f f t 分 析显示噪声基线降低了，s n r 值未变，但噪声能量分散到一个更宽的频率范围。 a 转换器正是利用了这一原理，通过提高s n r 来提高转换精度的。具体方法 是紧接着l b i ta d c 之后进行数字滤波。大部分噪声被数字滤波器滤掉，这样， r m s 噪声就降低了，从而一个低分辨率a d c ，一a 转换器也可获得宽动态范 围。 由于一个i b i ta d c 的s n r 为7 7 8 d b ( 6 0 2 + 1 7 6 ) ，每4 倍过采样将使s n r 增加6 d b ，s n r 每增加6 d b 等效于分辨率增加1 b i t 。这样，采用l b i ta d c 进行 6 4 倍过采样就能获得4 b i t 分辨率；而要获得1 6 b i t 分辨率就必须进行4 1 5 倍过采 样，这是不切实际的。所以一a a d c 限制使用在低速数据处理系统，在较高速 数据采集系统例如在扫描声强测试中，就勉为其难了【”】。 二、单片a d 实现多路信号同步转换 在扫描声强测试系统中，有多路模拟信号输入等待a d 转换，常见的多路模 拟信号转换采用如下的两种方法，分别如图3 2 和图3 3 所示： 皇竺竺兰! 卜 j 竺兰竺兰h 多 _ 路 互至) 岖丑 转 换 三互 _ 蜓弓 开 关 母 图3 2 单路a d 多通道采样 皇竺竺兰! 叫! 苎竺兰i 叫兰竺堡兰卜 广i 广 广 3 3 多路a d 多通道采样 1 2 计 算 机 | a 。转换l 计 i 枷转换卜 算 机 l 帅转换卜 合肥工业大学硕士学位论文 第一种方法( 图3 2 ) 是采用单片a d 多同道分时采样转换，其缺点是相位 之间存在较大的延迟误差，即使在采样频率不是很高的情况下，通道之间的相位 滞后也非常明显。对于对通道间的相位滞后要求非常苛刻的扫描声强测试系统显 然不能满足要求。其只能应用在分析频率不高，通道数很少、或者无相位要求的 经济型的测试系统中。 第二种解决方案( 图3 3 ) 目前在多通道数据采集系统中得到广泛的应用， 只要转换电路对称，就能从根本上克服相位误差的存在。在东方所生产的d a s p 系列测试仪器就是采用这种方法。但是这种方案增加了硬件成本，同时由于a d 芯片增加，系统的功耗和体积也大大增加，a d 之间也存在干扰现象。这样在便 携式声强测量系统中，其应用便受到制约“。 本系统考虑采用单片u d 实现多路同步采样，因为在a d 转换之前，要经过 采样保持电路来保持模拟信号的瞬时电压，而后进行a d 转换。分析前两种方案 可知，消除相位误差的关键在于对多路信号要同步采样。因此在电路设计中对图 3 2 的方案进行改进，即在a d 转换前，在同一时刻对所有通道信号同步进行采 保，而后对每一通道的保持电路进行a d 转换，这样就确保消除了每一通道信号 之间的误差，如图3 4 所示。 多 路 转 换 开 关 图3 4 单a d 多通道同步采样 由上可知电路的误差主要取决于采保的性能，如果采用多路集成采样保持电 路，那么每一路之间的孔隙时间差和采集时间差就可以做得很小，衡量采保电路 的另一个主要参数是电压下降速率，其与时间、保持电容、漏电流有如下关系： 号 ( 矿s ) 2 石i 丽( p a ) ( 1 ) v 。为保持电压，国为保持电容，为漏电流 假设系统有n 个同步输入通道，并从第0 通道开始转换，依次转换到第n - 1 通道 a d 转换速率为1 0 ： 由( 】) 式可得： 州= c i 。( p ( 矿a ) ) 出( 2 ) 诵谱岁间的嚣女转换时间著 ，了n ( 3 )o 胛，n 为通道号，兀为a d c 采样速率 彤。 由( 2 ) 、( 3 ) 式可得采保下降的电压与通道号近似成正比，与a d 转换速率 、 保持电容臼近似成反比。可见只要适当提高国的大小就可以提高采保精度，而 1 3 合肥工业大学硕士学位论文 采集时间的增加可以通过采用高速a d 转换器来弥补【l “。 三、a d 选择及m a x l 2 5 1 2 6 的原理与使用 声全息测量中最低要求具有4 通道同步采样的功能，并且在保证转换速率的 前提下尽可能提高采样精度。综合考虑可以选择m a x l 2 6 m a x l 2 6 系列a d c ，b b 公司的a d s 7 8 6 4 ，a d 公司的a d 7 8 7 4 等，他们其都可以满足系统要求。 由m a x i m 公司生产的姒x 1 2 5 m a x l 2 61 4 位并行接口a d 转换器可以同时输 入8 路信号，带有四2 选l 输入，四路信号同步采样保持等功能，其片内集成 可编程微时序发生器，用户可以任意选通1 4 路通道同步采样，四路并行输入 时高达8 0 k s b s ，完全可以满足一般的测试需求，m a x l 2 5 m a x l 2 6 另带4 x 1 4 r a m 和三态输出门，可以直接和1 6 位机接口，通过程序设定，当n ( 4 ) 个通道同步 输入时，引脚接受到外部翻转命令后，n 个通道同步采样，而后进行a d 转换， 转换完成以后，只要接受n 次读信号，依次读出r a m 中的数值，a d 就转到下一 次采样过程。图3 5 便是m a x l 2 5 m a x l 2 6 的功能框图。 图35m a x l 2 5 m a x l 2 6 的功能框图 m a x l 2 5 m a x l 2 6 为逐次逼近式a d 转换器，转换精度高，转换速率快，在转换 速率和转换精度方面都满足要求，由于采用大规模集成工艺，将采保和a d 转换 集成在一块芯片上，保证无失码现象。m a x l 2 5 输入信号输入范围一5 v + 5 v ，而 m a x l 2 6 的信号输入范围一2 5 v + 2 5 v 灵敏度更高”。 值得注意的是m a x l 2 5 m a x l 2 6 的转换结果是一补码形式给出，无符号1 4 位数 据的模是2 “= 1 6 3 8 4 。因此需进行如下处理：( 假设单通道采样转换，一次采集1 0 2 4 个点，转换结果存储在i n b u f f e r 数组中。) # d e f if i e s a m p e b l o c k 1 0 2 4 1 4 合肥工业大学硕士学位论文 i n l i n b u f f e r s a m p l e b l o c k ： f o r ( in tk = o ：k 3 5 0 。 ( 3 ) 幅度：调节范围一3 v + 3 v ，调节细度：3 9 m y ( 4 ) 输出电阻典型值0 1 ( 5 ) 失真度：0 7 5 。 系统的振荡电容器根据要求使用稳定性好，漏电流小的无极性电容器；其余 采用钽电解电容或其它优质电解电容器。输出用的运算放大器要求有足够的带 宽。视情况在运放的输出端接上一滤波器用来过滤高频噪声。为防止电源干扰， 把电源与系统电路板上其他电路隔离。输出端的放大器的反馈电容大小在1 0 1 5 p f 之间，以消除振荡。反馈电阻阻值为1 k 左右。 1 9 合肥工业大学硕士论文第2 0 页 采用专用芯片m a x 0 3 8 设计的任意信号发生器具有频率稳定，所有参数程控 调节，便于自动化测量和测试，不增加主机的任何负担，上位机正确设置运行参 数后，能够脱机运行，并可以在运行过程中动态修改，它为闭环振动控制系统提 供了一个有力的工具。 台肥工业大学硕士学位论文 第四章系统接口的问题的探讨 扫描声强测试系统硬件要与上位机进行通讯，一方面，计算机要实时传送 大量的控制、查询命令给系统；另一方面，特别是在高速实时数据处理分析时有 大量的数据在它们之间交换。在接口的选择上，传输速率与便携化是一对矛盾。 计算机内总线接口系统传输速率高，但不利于实现便携化；系统需要和便携机连 接时需要增加扩展箱以便功能卡插到高速的内总线上，但这样大大提升了系统的 成本。便携式系统多采用并口、串口传输，但是它们传输速率比较低，串口传输 速率最高在2 3 0 k b p s 左右，并口速率大致是串口的十倍，大致在1 m b p s 左右，对 于扫描声强测试系统来说，数据传输带宽约在6 0 0 k b p s 左右，这样的带宽是达不 到要求的。 选择何种合适的接口方式，既保证数据传输的足够带宽，又能实现扫描声强 测试系统的便携化，以便于现场的声学参数的测量，是本章的讨论的主要问题。 近年来规范化的u s b 接口总线、i e e e l 3 9 4 总线以及快速发展的网络接口技 术( l a n ) 为问题的解决提供了思路。这些接口支持热插拔或即插即用，使用方 便，便于扩展、低速和高速兼容、独立于主计算机系统，并在整个计算机系统结 构中保持一致。 l a n 接口技术支持点到点的传输，一般应用于具有处理机的系统中，结构复 杂，主要用于构建大型测试系统。i e e e l 3 9 4 近年来发展较快，但是在计算机系 统中普及还不高。u s b 总线自1 9 9 5 标准化以来，发展最为迅速、现在的任何计 算机系统都具有u