專利名稱:一種微弱信號(hào)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域,具體的講,是涉及一種微弱信號(hào)檢測(cè)方法和裝置。
背景技術(shù):
微弱信號(hào)不僅是指信號(hào)的幅度很小,而且主要是指被噪聲的信號(hào),微弱是相對(duì)于噪聲而言的,為了檢測(cè)微弱信號(hào),人們進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究工作,分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律,研究被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)、相關(guān)性及統(tǒng)計(jì)特性,以尋求從背景噪聲中檢測(cè)出微弱信號(hào)的方法和技術(shù)。微弱信號(hào)檢測(cè)方法的首要任務(wù)是提高信號(hào)的信噪比,這就要綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、制動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)以及物理技術(shù)等相關(guān)技術(shù),以便從強(qiáng)干擾噪聲中檢測(cè)出微弱信號(hào),從而滿足科研和技術(shù)開發(fā)的需要;微弱信號(hào)檢測(cè)方法不同于一般的檢測(cè)技術(shù),它注重的不是傳感器的物理模型和傳感原理、相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和儀表實(shí)現(xiàn)方法,而是如何抑制噪聲和提高信噪比,微弱信號(hào)檢測(cè)方法是一門專門的檢測(cè)方法。對(duì)于各種微弱信號(hào)的檢測(cè),如弱光、微流量、弱電壓等,一般都是通過相應(yīng)的傳感器將其轉(zhuǎn)換為微電流或低電壓,再經(jīng)放大器放大其幅度以期指示被測(cè)量的大小。但是,由于被測(cè)信號(hào)微弱,床感器的本身噪聲、放大電路及測(cè)量?jī)x器的固有噪聲以及外界的干擾噪聲會(huì)比有用微弱信號(hào)的幅度要大,放大微弱信號(hào)的同時(shí)噪聲信號(hào)的幅度也同時(shí)放大,例如放大器的內(nèi)部固有噪聲和外界各種干擾的影響單憑放大時(shí)不能把微弱信號(hào)檢測(cè)出來,只有在有效的抑制干擾信號(hào)的同時(shí)增大微弱信號(hào)幅度,這樣才能提取出有用信號(hào)。為了提取出微弱信號(hào),科研工作者必須研究微弱信號(hào)的理論、方法、設(shè)備。發(fā)明內(nèi)容為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明的目的在于提供一種微弱信號(hào)檢測(cè)方法; 本發(fā)明針對(duì)低頻微弱信號(hào)檢測(cè)困難、準(zhǔn)確度不高等問題綜合多種相關(guān)檢測(cè)與濾波技術(shù),創(chuàng)造性的采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以及精密儀器設(shè)計(jì)技術(shù)研制出微弱信號(hào)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)噪音和干擾條件下對(duì)低頻納伏級(jí)電壓信號(hào)的精確測(cè)量方法,為建立國(guó)內(nèi)低頻段微弱信號(hào)檢測(cè)提供了技術(shù)支撐。本發(fā)明一種微弱信號(hào)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置,其特征在于由直流電源,超低噪聲前置放大電路,基于DSP的微弱信號(hào)相關(guān)檢測(cè)電路,基于CPLD邏輯控制電路,24位A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集電路,內(nèi)置校準(zhǔn)信號(hào)源,精密衰減器,嵌入式系統(tǒng)軟件組成;本發(fā)明的硬件控制機(jī)制本儀器的硬件控制機(jī)制分兩部分一部分是模擬電路,一部份是數(shù)字電路;數(shù)字電路和模擬電路采用各自獨(dú)立設(shè)計(jì),兩部分用25芯連接線連接;通過控制與采集模塊完成對(duì)程控放大器與濾波器、參考信號(hào)通道、信號(hào)處理通道、校準(zhǔn)信號(hào)源、數(shù)據(jù)采集卡、液晶顯示屏、功能控制鍵盤的制動(dòng)控制。為減少各部間內(nèi)部相互干擾和各部件之間的相互干擾,本儀器進(jìn)行了合理設(shè)計(jì),對(duì)各組件進(jìn)行了嚴(yán)格的屏蔽。儀器功能⑴電壓測(cè)量測(cè)量量程范圍內(nèi)的交流電壓。⑵自動(dòng)控制儀器的各項(xiàng)功能與操作均能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部和外部控制,能夠與其它設(shè)備一起組成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。(3) 校準(zhǔn)信號(hào)提供儀器本身所帶的高精度衰減器進(jìn)行衰減后分別輸給儀器和被檢測(cè)儀器,實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的計(jì)量校準(zhǔn)。(4)自校通過對(duì)校準(zhǔn)信號(hào)的校準(zhǔn),對(duì)各量程自動(dòng)產(chǎn)生校準(zhǔn)因子,并按照實(shí)驗(yàn)所得數(shù)學(xué)模型對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)修正。
自動(dòng)材測(cè)量的功能(1)兩路正交交流信號(hào)的高精度A/D轉(zhuǎn)換及測(cè)量被測(cè)微弱正弦波信號(hào)由相關(guān)檢測(cè)電路檢測(cè)出的同相分量和正交分量幅度范圍是一5V-5V。(2)32路開關(guān)控制輸出4路增益控制,1路放大器接入控制,4路高通濾波器控制,4路低通濾波器控制,5路時(shí)間常數(shù)控制,8路校準(zhǔn)信號(hào)幅度控制,1路校準(zhǔn)輸入控制,3路衰減器選擇控制。(3) 面板顯示測(cè)試數(shù)據(jù),測(cè)試結(jié)果機(jī)工作狀態(tài)等??傮w硬件設(shè)計(jì)根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)要求以及本儀器對(duì)數(shù)據(jù)處理要求高、需要完成的功能多和控制關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn),數(shù)字部分硬件設(shè)計(jì)方案原理完成對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大,衰減, 濾波及相關(guān)檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn),數(shù)字與模擬電路的接口信號(hào)由左邊的輸出或輸入信號(hào)組成, 完成整機(jī)的通訊,鍵盤輸入,控制,數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示功能。硬件設(shè)計(jì)是基于DSP的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái),基于CPLD的邏輯控制模塊,A/D轉(zhuǎn)換電路,開關(guān)量輸入測(cè)量電路,開關(guān)量輸出控制電路,信號(hào)調(diào)整電路,液晶平板顯示,功能控制鍵和復(fù)位鍵八大功能部分組成。邏輯控制模塊主要完成對(duì)DSP系統(tǒng)發(fā)出指令的譯碼,產(chǎn)生各種控制信號(hào)和片選信號(hào),轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)線,以及讀取開關(guān)量。A/D轉(zhuǎn)換部分完成對(duì)所需測(cè)量的電壓信號(hào)的信號(hào)調(diào)理,模/數(shù)轉(zhuǎn)換盒數(shù)據(jù)鎖存功能,供計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。液晶平板顯示器完成數(shù)據(jù),測(cè)試結(jié)果和各種狀態(tài)等的面板顯示。復(fù)位鍵實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)制復(fù)位。嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)采用基于DSP和CPLD的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái),3. 5寸液晶顯示屏和功能鍵盤和外圍設(shè)備一起構(gòu)成一套完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),用于整機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制、數(shù)據(jù)處理、程序與校準(zhǔn)因子的存儲(chǔ),功能參數(shù)設(shè)置及測(cè)量結(jié)果的顯示,實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量過程全制動(dòng)化。CPLD采用ALTERA公司的EM7160SLC84-15,該器件容量大、速度快、IO資源豐富、開發(fā)設(shè)計(jì)與分析仿真工具完備,可滿足系統(tǒng)功能的各項(xiàng)需求,以Max+plus Π軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái),采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)邏輯控制模塊的整體設(shè)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用2片24位A/D采樣芯片AD7711同步采樣。數(shù)字信號(hào)輸入/輸出控制模塊利用可編程器件的大容量和強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)能力,將數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出模塊直接在EPM7160S內(nèi)實(shí)現(xiàn),由74M4b將外部的數(shù)據(jù)信號(hào)讀入數(shù)據(jù)總線,獲得外部輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)Din [8. ... 1];由74373將輸出控制信號(hào)Dout [32. . . 11]進(jìn)行鎖存,保持控制信號(hào)和設(shè)置狀態(tài)的穩(wěn)定,通過輸出相應(yīng)的數(shù)字電平信號(hào)來驅(qū)動(dòng)所需控制的模擬開關(guān),其讀寫片選邏輯信號(hào)由前面介紹的邏輯控制模塊產(chǎn)生。輸出隔離模塊為了防止后級(jí)電路對(duì)數(shù)字部分干擾,所有控制信號(hào)經(jīng)過光電隔離及必要的電流驅(qū)動(dòng),以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的控制執(zhí)行電路。輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換電路輸入的信號(hào)/空(地)信號(hào)的輸出形式不同,且由于其負(fù)載能力等問題,必須進(jìn)行一定的信號(hào)處理后才能送到光電隔離電路進(jìn)行信號(hào)變換,為此在電路中對(duì)所有的信號(hào)全部通過輸入緩沖電路,主要目的是提高其輸入阻抗,同時(shí)達(dá)到信號(hào)電平變換目的。經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后的電路送入光電隔離電路進(jìn)行信號(hào)電平變換,將模擬電平變換為TTL電平信號(hào)。軟件設(shè)計(jì)軟件運(yùn)行環(huán)境選用D0SA6. 22操作系統(tǒng),編譯系統(tǒng)為嵌入式TurboC2. 0, 使用C語(yǔ)言編寫程序,顯示輸出模式為圖形模式。
本發(fā)明采用嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、儀器自校準(zhǔn)設(shè)計(jì)和超低音前置放大設(shè)計(jì),大幅度提高了抗過載能力和測(cè)量靈敏度,通過優(yōu)選和精確定制電子元器件、基于DSP的高性能數(shù)據(jù)采集與處理、幅頻曲線擬合、誤差補(bǔ)償以及量程自動(dòng)校準(zhǔn)等方法,提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性,擴(kuò)展了工作頻率。本發(fā)明采用兩級(jí)分壓、優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理屏蔽接地等技術(shù)解決了納伏級(jí)低頻微弱電壓信號(hào)產(chǎn)生的難題,使裝置具備校準(zhǔn)微弱電壓信號(hào)源和測(cè)量?jī)x表的能力。該標(biāo)準(zhǔn)裝置解決了國(guó)內(nèi)IOnV—ΙΟΟΜν, 10HZ-250KHZ微弱電壓信號(hào)測(cè)量?jī)x表的量值溯源缺乏標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的問題,實(shí)現(xiàn)了交流小電壓計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量程和頻段向低端大幅延伸,該裝置可用于低頻微弱電壓測(cè)量?jī)x器的檢定或校準(zhǔn)。該裝置能夠取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益并具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中1電源正級(jí),2電源負(fù)極,3顯示版面,4指針,5刻度線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的硬件控制機(jī)制本儀器如圖1所示,圖1的內(nèi)部有模擬電路和數(shù)字電路; 數(shù)字電路和模擬電路采用各自獨(dú)立設(shè)計(jì),兩部分用25芯連接線連接;通過控制與采集模塊完成對(duì)程控放大器與濾波器、參考信號(hào)通道、信號(hào)處理通道、校準(zhǔn)信號(hào)源、數(shù)據(jù)采集卡、液晶顯示屏、功能控制鍵盤的制動(dòng)控制。為減少各部間內(nèi)部相互干擾和各部件之間的相互干擾, 本儀器進(jìn)行了合理設(shè)計(jì),對(duì)各組件進(jìn)行了嚴(yán)格的屏蔽。儀器功能⑴電壓測(cè)量測(cè)量量程范圍內(nèi)的交流電壓。⑵自動(dòng)控制儀器的各項(xiàng)功能與操作均能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部和外部控制,能夠與其它設(shè)備一起組成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。(3) 校準(zhǔn)信號(hào)提供儀器本身所帶的高精度衰減器進(jìn)行衰減后分別輸給儀器和被檢測(cè)儀器,實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的計(jì)量校準(zhǔn)。(4)自校通過對(duì)校準(zhǔn)信號(hào)的校準(zhǔn),對(duì)各量程自動(dòng)產(chǎn)生校準(zhǔn)因子,并按照實(shí)驗(yàn)所得數(shù)學(xué)模型對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)修正。自動(dòng)材測(cè)量的功能(1)兩路正交交流信號(hào)的高精度A/D轉(zhuǎn)換及測(cè)量被測(cè)微弱正弦波信號(hào)由相關(guān)檢測(cè)電路檢測(cè)出的同相分量和正交分量幅度范圍是一5V-5V。(2)32路開關(guān)控制輸出4路增益控制,1路放大器接入控制,4路高通濾波器控制,4路低通濾波器控制,5路時(shí)間常數(shù)控制,8路校準(zhǔn)信號(hào)幅度控制,1路校準(zhǔn)輸入控制,3路衰減器選擇控制。(3) 面板顯示測(cè)試數(shù)據(jù),測(cè)試結(jié)果機(jī)工作狀態(tài)等??傮w硬件設(shè)計(jì)根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)要求以及本儀器對(duì)數(shù)據(jù)處理要求高、需要完成的功能多和控制關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn),數(shù)字部分硬件設(shè)計(jì)方案原完成對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大,衰減,濾波及相關(guān)檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn),數(shù)字與模擬電路的接口信號(hào)由左邊的輸出或輸入信號(hào)組成,完成整機(jī)的通訊,鍵盤輸入,控制,數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示功能。硬件設(shè)計(jì)是基于DSP的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái),基于CPLD的邏輯控制模塊,A/D轉(zhuǎn)換電路,開關(guān)量輸入測(cè)量電路,開關(guān)量輸出控制電路,信號(hào)調(diào)整電路,液晶平板顯示,功能控制鍵和復(fù)位鍵八大功能部分組成。邏輯控制模塊主要完成對(duì)DSP系統(tǒng)發(fā)出指令的譯碼,產(chǎn)生各種控制信號(hào)和片選信號(hào),轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)線,以及讀取開關(guān)量。
A/D轉(zhuǎn)換部分完成對(duì)所需測(cè)量的電壓信號(hào)的信號(hào)調(diào)理,模/數(shù)轉(zhuǎn)換盒數(shù)據(jù)鎖存功能,供計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。液晶平板顯示器完成數(shù)據(jù),測(cè)試結(jié)果和各種狀態(tài)等的面板顯示。復(fù)位鍵實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)制復(fù)位。嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)采用基于DSP和CPLD的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái),3. 5寸液晶顯示屏和功能鍵盤和外圍設(shè)備一起構(gòu)成一套完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),用于整機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制、數(shù)據(jù)處理、程序與校準(zhǔn)因子的存儲(chǔ),功能參數(shù)設(shè)置及測(cè)量結(jié)果的顯示,實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量過程全制動(dòng)化。CPLD采用ALTERA公司的EM7160SLC84-15,該器件容量大、速度快、IO資源豐富、開發(fā)設(shè)計(jì)與分析仿真工具完備,可滿足系統(tǒng)功能的各項(xiàng)需求,以Max+plus Π軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái),采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)邏輯控制模塊的整體設(shè)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用2片24位A/D采樣芯片AD7711同步采樣。數(shù)字信號(hào)輸入/輸出控制模塊利用可編程器件的大容量和強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)能力,將數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出模塊直接在EPM7160S內(nèi)實(shí)現(xiàn),由74M4b將外部的數(shù)據(jù)信號(hào)讀入數(shù)據(jù)總線,獲得外部輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)Din [8. ... 1];由74373將輸出控制信號(hào)Dout [32. . . 11]進(jìn)行鎖存,保持控制信號(hào)和設(shè)置狀態(tài)的穩(wěn)定,通過輸出相應(yīng)的數(shù)字電平信號(hào)來驅(qū)動(dòng)所需控制的模擬開關(guān),其讀寫片選邏輯信號(hào)由前面介紹的邏輯控制模塊產(chǎn)生。輸出隔離模塊為了防止后級(jí)電路對(duì)數(shù)字部分干擾,所有控制信號(hào)經(jīng)過光電隔離及必要的電流驅(qū)動(dòng),以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的控制執(zhí)行電路。輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換電路輸入的信號(hào)/空(地)信號(hào)的輸出形式不同,且由于其負(fù)載能力等問題,必須進(jìn)行一定的信號(hào)處理后才能送到光電隔離電路進(jìn)行信號(hào)變換,為此在電路中對(duì)所有的信號(hào)全部通過如圖40所示的輸入緩沖電路,主要目的是提高其輸入阻抗, 同時(shí)達(dá)到信號(hào)電平變換目的。經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后的電路光電隔離電路進(jìn)行信號(hào)電平變換,將模擬電平變換為TTL電平信號(hào)。軟件設(shè)計(jì)軟件運(yùn)行環(huán)境選用D0SA6. 22操作系統(tǒng),編譯系統(tǒng)為嵌入式TurboC2. 0, 使用C語(yǔ)言編寫程序,顯示輸出模式為圖形模式。
權(quán)利要求
1. 一種微弱信號(hào)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置,由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成,其特征在于軟件系統(tǒng)選用D0S6. 22操作系統(tǒng),編譯器為嵌入式系統(tǒng)常用的TurboC2. 0,程序代碼采用C語(yǔ)言,顯示輸出模式為圖形模式,硬件系統(tǒng)采用自動(dòng)控制和數(shù)字控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域,具體的講,是涉及一種微弱信號(hào)檢測(cè)方法。本發(fā)明一種微弱信號(hào)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置,其特征在于由直流電源,超低噪聲前置放大電路,基于DSP的微弱信號(hào)相關(guān)檢測(cè)電路,基于CPLD邏輯控制電路,24位A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集電路,內(nèi)置校準(zhǔn)信號(hào)源,精密衰減器,嵌入式系統(tǒng)軟件組成;測(cè)量精度達(dá)到毫伏級(jí)。
文檔編號(hào)G01R19/25GK102183688SQ20111005948
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月14日
發(fā)明者房剛 申請(qǐng)人:房剛