２０１３年２月 第３３卷第１期 宇航计测技术 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｆｅｂ．，２０１３ Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．１ 文章编号：１０００—７２０２（２０１３）Ｏ１—００１０—０５ 中图分类号：ＴＦ２３ 文献标识码：Ａ 一种低频综合参数测试仪的设计与实现 王希东 张 磊 沐阿华 （９１６３５，北京１０２２４９） 摘 要 介绍了低频综合参数测试仪的测量原理和基本构成，同时介绍了微弱信号幅度，低频信号失真度、 相位测试的基本原理，测试仪的设计运用了虚拟仪器的思想，具有操作简单，便于携带的特点。 关键词 数据采集失真度相位微弱信号 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｌｏｗ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｔｅｓｔ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＷＡＮＧ Ｘｉ－－ｄｏｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉ ＭＵ Ａ・－ｈｕａ （９１６３５ Ａｒｍｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２４９） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｗｏｒｋ ａｎｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｉｎ ｉｔｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｗ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｔｅｓｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｒ ｕｓｅｓ ｔｏｕｃｈ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｏ ｆｉｎｉｓｈ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｐｈａｓｅ ｄｉｆｅｒ・ ｅｎｅｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｗｅａｋ ｓｉｎａｌｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｄｅｓｉｎｅｄ ｂａｓｅ ｏｎ ｇｔｈｅ ｖｉｔｒｕａｌ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｄｅａ，ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ，ｅａｓｙ ｃａｒｒｙｉｎｇ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ Ｐｈａｓｅ Ｗｅａｋ ｓｉｎａｌ ｇ１ 引 言 某型号装备的计量测试系统需要对低频信号失 真度、相位进行测试，同时还需测试微伏级、纳伏级 一台高精度低频综合参数测试仪。该仪器具有测量 精度高，操作简单，便于携带的特点 。 ２设计与实现 微弱信号幅度，通常对信号失真度、相位以及微弱信 号的测试要用三立的测试仪器，如果采用台式 ２．１测试方案设计 仪器集成到计量系统中，一方面，需要测试的微弱信 号幅度、低频信号失真度及相位都是单一参数的技 术指标，如果利用三台仪器，硬件资源及功能使用方 面存在较大的浪费；另一方面采用台式仪器集成会 致使整个计量系统体积大、造价高，不利用现场测试 和计量测试系统推广，因此，有必要研制一台能覆盖 三个参数的测量仪器。针对这一实际需求，研制了 低频综合参数测试仪技术方案是将被测信号由 高精度ＰＣＩ数据采集卡转换成数字信号，由计算机 主板通过软件算法实现失真度、相位以及微弱信号 幅度的测试。 ２．１．１测试失真度技术方案 ２．１．１．１失真度测试模块组成 失真度测试模块组成框图如图１所示。 第１期 一种低频综合参数测试仪的设计与实现 使用该方法测量失真度不但具有较高的准确 度，而且可以实现只用一套硬件电路便可测量２至 图１失真度测试模块系统组成框图 ５次谐波，并可单独显示各次谐波的失真以及总失 真，并且可以根据需要，只需增加取样频率即可测量 ２．１．１．２失真度测试算法 失真度 为被测信号中各次谐波的总有效值 电压与被测信号有效值的百分比，计算方法见式 更高次的谐波，具有扩展性，不像利用模拟技术的失 真仪只能测量信号的总失真，无法单独测量２次、３ 次、４次以及５次谐波的失真 。 （１） ： ×１００％ （１） Ｕ１ 式中： ， … ——各次谐波电压有效值，即为 被测信号中各次谐波的总有效值电压与被测信号中 基波的有效值的比值。 测量失真度的原理大致分为两类：基波剔除法 和频谱分析法。采用基波剔除法的失真度测量仪通 过具有频率选择性的无源网络抑制基波，由总大电 压有效值和抑制基波后的谐波电压有效值计算出失 真度，该方法由于前级电路有源器件的非线性，因此 对小信号的测量不够准确。频谱分析法是通过测量 各次谐波的方法计算出波形失真度。本方案采用数 字化频谱分析法。首先使用高精度ＰＣＩ数据采集卡 对信号进行采集和数字化，再利用快速傅立叶变换 （ＦＦＴ）算法将信号展开成傅立叶级数，形成被测信 号的二维幅度一频率数组，对数组计算得到基波系 数和各次谐波系数，最后，由基波和各次谐波系数计 算出失真度 ２］。具体实现算法如下 ＾ ∞ ￡）＝１＂ １ｏ＋∑Ａｎｓｉｎ（ｎｏ）ｏ ＋ ） （２） Ａ． 式中： ｔ）——一含有谐波失真的正弦波； —— 正弦中的直流分量；Ａ ——第ｎ次谐波的振幅， １ ＝专【厂（ ）ｅ ｄｔ；ｎ——失真正弦波中所含最高谐 波次数；∞ ——标准正弦波的角频率； ——第ｎ 次谐波相对于基波的初相角。 由失真度的定义得 ： Ａｌ （３） ２．１．１．３失真度测试模块算法实现流程设计 失真度测试模块算法实现流程图如图２所示。 开始 启动数据采集卡，对被测信号进行采集、 Ａ／Ｄ转换，并将采集、转换后的序列 存入指定单元 上 对采集的信号进行ＦＦＴ变换，得出被测 信号二维度一频率数组 上 ｌ 计算被测信号的各次谐波 ｌ 计算被测信号的总失真 Ｊｒ ｆ统计被测信号总失真的均方根（ＲＭｓ）值 图２失真度测试模块算法实现流程图 ２．１．２相位测试技术方案 ２．１．２．１相位测试模块组成 相位测试模块组成框图如图３所示。 数据采集卡ＩＨ计’ 算主。工板Ｈ软 Ｊ’ｌ 面板Ｈ ｆＩ’Ｉ测量ｌ 图３相位测试模块系统组成框图 ２．１．２．２相位测试算法 本方案拟采用谱分析法对两个输入信号的相位 差进行测量。该方法是通过对被检测信号进行频谱 分析获得信号的相频特性，然后计算两信号在主频 率处初始相位的差值即可测得两个信号的相位差。 该方法有很好的选频特性，对谐波干扰抑制性好。 同样，在实际处理中也可使用快速傅立叶变换 （ＦＦＴ）来进行频谱分析 Ｊ。 在有限区间（ｔ・ｔ＋Ｔ）内，绝对可积的任一周期 函数 （ｔ）可以展开成傅里叶级数 宇航计测技术 （ｆ）＝∑ａｎ＝０ ｃｏｓｎｌ￣ｔ＋ｂ．ｓｉｎｎ￣ｔ） ＝Ａｏ＋∑（ｎ＝１ 口 ｃｏｓｎ￣ｔ＋ｂ．ｓｉｎｎｌ￣ｔ） ＝Ａｏ＋∑Ａ ｓｉｎ（ ＋ ） （４）式中：ａ ，ｂ ——傅立叶系数。 ）ｃｏｓ ｄ￡ （５） ｂ 寺Ｊ一 （ｔ）ｓｉｎｎ￣ｔｄｔ （６） 式中： ——ｎ次谐波的初相位。 基波的初相位为 １＝ｔａｎ－￣ａ＿Ｌ６（７） ， 以上计算的意义在于：一个周期信号可以用一 个直流分量和一系列谐波的线性叠加来表示，只要 求出傅里叶系数Ⅱ 和ｂ ，即可求出任一谐波的初 相位 ，而在相位差测量中只要求出基波的初相位 １即可。 在以计算机为核心的虚拟测试仪器中，模拟信 号 （ｔ）在进入计算机前先经采样器将连续信号变 为离散时间信号，而后再经Ａ／Ｄ转换器变为离散信 号。设在周期函数 （ｔ）的一个周期内有Ⅳ个采样 点，且每两个采样点间的时间相同。 对于两个周期函数 （ｔ）和 ：（ｔ），他们的基波 傅立叶系数分别为 ０ｌｌ ： ・（Ｉｉ｝）ｃ。ｓ。ｓ （８） ｂＨ＝ ㈤（ ）ｓｉｓｉｎ ｎ （９） 。 ＝ｔａｎ－１ ａｌｌ （１０） ％％ ＝ （ ）嘶 。ｓ （１１） ６２ｌ： ６２ｌ （ ）ｓｉｉｎ “ （（１２） ２） ２１＝ｔａｎ－￣ａ２＿＿６，Ａ ｌ＿ （１３） 则 （ｔ）的基波分量与 ：（ｔ）的基波分量的相 位蒡为 ＝ 一 ｚ ＝ｔａｎ－￣ ａｌｌ＿ｔａｎ－１ ａ２１（１４） ２．１．２．３失真度测试模块算法实现流程设计 为实现以上算法，设计如图４所示的流程图，由 ＬａｂＶＩＥＷ编程实现，并发布为可执行文件。 Ｉｌ 启动数据采集卡，Ａ／Ｄ转换，并将采集、转换后的序列 两路 号进行采集、 ｌ 存入指定单元 Ｊｒ 对两路信号分别进行频率估计，并结合 采集率计算每周期内的采集点数Ⅳ Ｊｒ 利用一个周期内肝采样值分别计算 ａｌｌ，ｂｎ，ａ２１，ｂ２１ 计算两个输入信号的相位差 统计相位差的均方根（朋Ｓ）值 图４相位测试模块算法实现流程图 ２．１．３微弱信号测试技术方案 ２．１．３．１微弱信号测试模块组成 微弱信号测试模块组成框图如图５所示。 图５微弱信号测试模块系统组成框图 ２．１．３．２微弱信号放大器设计 数据采集系统中，若待测信号为很微弱的小信 号，需要用前置放大器加以放大。通用运算放大器 不能直接放大微弱信号，必须用测量放大器。测量 放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰 能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点。因 为前置放大器本身的噪声会随输入信号一起放大， 将原来就被噪声淹没的信号淹没得更深，这就要求 前置放大器必须具有很低的噪声。前置放大器由测 量放大器、４阶贝塞尔低通滤波器、差分输出放大器 构成，如图６所示，设计前置放大器为１００，１ ０００， １０ ０００放大比例 。 图６前置放大器组成框图 第１期 一种低频综合参数测试仪的设计与实现 ・ｌ３・ ２．１．３．３微弱信号测试算法 微弱信号测试是利用锁定放大器。锁定放大器 的基本结构如图７所示，包括信号通道、参考通道、 相敏检测器（ＰＳＤ）和低通滤波器（ＬＰＦ） 信号输入 参考输入 参考信号 ．ｓ ｆ＝ＣＯＳ（∞ ｆ・ｔ） （１５） 。 和参考信号相同频率的输入信号 Ｓｉ ＝Ａｉ ＣＯＳ（ ｆ・ｔ＋ ｉ ） （１６） 含有均匀噪声的输入信号 图７锁定放大器基本结构框图 Ｓｉ ＝Ａｉ．ＣＯＳ（ ＰＳＤ后的信号 ￡＋８ｉｎ）＋∑…ＡｎｏｉｓｅＣＯＳ（￣ｎ０ｉ ｔ＋ｔ￣ｎｏｉｓｅ） 一Ｉ１０１Ｂｅ （１７） Ｓｍ ｌ ＝２・Ｓｒ￣ｆＳｉ ＝２・Ａｉ．ＣＯＳ（￣ｒｅｆ・ｔ）ｃｏｓ（ｍ ｆ・￡＋８ｉｎ）＋２・ＣＯＳ（ ｒｅｆ・ ） ： ． ＡｎｏｉｓｏＣＯＳ（ ｏｉ 。・ｆ＋ ｎ０ｉ。。） ＝Ａｉ ＣＯＳ（∞ ｆ・ｔ一 ｆ・ｔ＋６ｉ ）＋Ａｉ ＣＯＳ（∞ ｆ・ｔ＋∞ ｆ・ｔ＋ ｉ ） ＋∑ ＡｎｏｌｓｅＣＯＳ（（ｃｃ， ｒ＋（／）ｎｏｉｓｅ）‘ｔ＋ｎｏｉｓｅ）＋∑ ｉ ＡｎｏｉｓｅＣＯＳ（（ ｒ—Ｏ）ｎｏｉｓｅ）‘ｔ一８．ｏｌｓｏ） ＝Ａｉｎｃｏｓ（０・ ＋８ｉｏ）＋Ａｉ ｃｏｓ（２・∞ｒｅｆ・ｔ＋６ｉ ）＋ ： ． Ａｎｏｉ￣ｅｃｏｓ（（ 耐＋ Ⅱ０ｉ ）・ｔ＋８ｎ￣ｉｓｅ） ＋∑ ，Ａｎｏｉ￣ｃｏｓ（（ ｆ—ＯＪｎｏｉｓｅ．）‘￡一．ｏｉｓｅ） （１８） 因为参考信号和有用信号具有相同频率，不同 频率的信号形成直流分量。对于相乘后的信号进行 低通滤波后，上述表达式仅剩两项：系统输出的直流 分量和接近参考信号频率的噪声分量。 Ｓ胁。 ｄ＝Ａｉ ＣＯＳ（ ｉ ）＋Ａ 。ｉ。。＠ ｆＣＯＳ（８ 。ｉ ＠ ） 被测信号 超低噪声 前置放大器 ＰＣＩ高精度 动态信号采集器 基于ＤＡＱ瞰 （１９） 调节参考信号的相位 ｉ ＝０，得到 Ｓ胁。ｒｅｄ＝Ａｉ ＋Ａ 。ｉ。。＠ ｆｃｏｓ（８ 幽 ＠ｒｏｆ） （２０） 生成模块ｌ’ 数据采集程序 数字锁定 滤波后的信号幅值就是微弱信号测量仪的输出 幅值。 ２．１．３．４微弱信号测量测试模块算法实现流程设 计 算法模块 级联窄带 低通滤波器模块 滚动平均计算 微弱信号测量模块的流程设计如图８所示。 ２．２测试仪组成与工作原理 ２．２．１测试仪组成 低频综合参数测试仪主要包括信号调理、信号 采集、数据处理、逻辑控制、触摸显示器（软面板）、 图８微弱信号测试模块算法实现流程图 ＧＰＩＢ／ＬＡＮ接口电路等单元模块构成。其硬件总体 结构框图如图９所示。 微弱信号检测、失真度和相位测试。信号调理模块 实现对微弱信号放大，对幅度大的低频信号衰减；数 据采集单元由ＰＣＩ数据采集卡完成对测试信号的采 集，按虚拟仪器的设计思想，由主板计算机按照２．１ ２．２．２硬件实现 低频综合参数测试仪是通过ＰＣＩ数据采集卡将 被测模拟信号转换成数字信号，通过软件算法实现 宇航计测技术 ２０１３年 图９低频综合参数测试仪原理框图 所述的各个模块的软件算法，计算出测试结果，显示 在触摸式显示器上，同时触摸式显示器是用户与计 算机进行通讯的媒介，用户在触摸式显示器上操作 相应软件按钮进行测试功能的选择和数据的存储； 逻辑控制单元实现ＰＣＩ数据采集卡与计算机主机的 双向通信，根据需要及时读取测量数据，并将测量设 置参数（通过触摸式显示器上仪器面板上按钮旋钮 转换得到）以及初始控制信号传送给ＰＣＩ数据采集 卡，通过ＢＮＣ接口对不同的参数的信号进行测试。 测试仪还可以做为使用的仪器，具有程控功能， 通过ＧＰＩＢ／ＬＡＮ接口电路实现与外部计算机的通 信。机箱的设计综合采用电磁屏蔽、绝缘、接地、浮 地、抗干扰设计等措施提高整机的抗干扰能力。 ２．２．３实现效果 实际的测量结果表明，设计的低频综合参数测 试仪满足某型号装备的微弱信号幅度、低频信号失 真度和相位的计量测试需求，并且测量准确度较高。 失真度测试，测量基频范围：２０Ｈｚ～１００ｋＨｚ，测量范 围：Ｏ．１％～１００％，误差：ｌｄＢ（２０Ｈｚ一５０ｋＨｚ），￣２ｄＢ （５～１００）ｋＨｚ。相位测试，频率范围：１Ｈｚ～５０ｋＨｚ， 测量范围：０。一３６０。，误差：０．０５。。微弱信号测量， 频率范围：１Ｈｚ～３０ｋＨｚ，输入电压范围：１ Ｖ～１０Ｖ （不带低噪声前置放大器），误差±１％；１０ｎＶ一１０Ｖ （带低噪声前置放大器），误差土５％。 ３结束语 基于ＰＣＩ的低频综合参数测试仪是结合了触摸 屏技术、相关检测技术、数字信号处理技术、抗干扰 技术为一体的多功能测试仪器，该测试仪的研制，降 低了计量测试系统的成本和体积，从而增强设备针 对性及适用性，使设备易于现场计量检定。该测试 仪既可作为程控仪器单独使用，也可配套集成于 “计量测试系统”中，通过标准总线相连，组成综合 测试仪，从而便于“计量测试系统”推广应用，提高 装备的计量保障能力。 参考文献 ［１］张贤达．现代信号处理［Ｍ］．清华大学出版社，２００２． ［２］ 梁志国．正弦信号源波形失真的一种精确评价方法 ［Ｊ］．计量学报，２００３（０２）． ［３］ 马跃辉．基于ＦＦｒ的低频谐波失真度测试仪［Ｊ］．自 动化与仪器仪表，２００１（０６）． ［４］ 马利人，申莉，傅士冀．高精度工频相位计的研制 ［Ｊ］．电测与仪表，２００６（０１）． ［５］曾庆勇．微弱信号检测（第二版）［Ｍ］．杭州：浙江大 学出版社，２００３． ［６］ 王冠宇等．混沌振子在具有强噪声背景的信号检测中 的应用［Ｊ］．仪器仪表学报，１９９７，１８（２）．
