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動態(tài)信號測試

一 動態(tài)信號測試的需求與發(fā)展

　　目前，測試領(lǐng)域已進(jìn)入現(xiàn)代動態(tài)測試時代。現(xiàn)代動態(tài)測試技術(shù)就是利用現(xiàn)代傳感器,、微電子,、計(jì)算機(jī)、信號分析與處理、現(xiàn)代通信等技術(shù)研究大動態(tài)范圍信號的采集、變換、傳輸和實(shí)時處理技術(shù),。它不再是簡單的比較測試，而是包括信號采集,、信號變換與傳輸,、信號的處理與分析、信號的記錄與顯示的綜合技術(shù),。它給傳統(tǒng)的測量學(xué)科帶來了一系列的觀念,、方法和技術(shù)等方面的變革。與傳統(tǒng)的測試技術(shù)相比,，具有如下特點(diǎn)：
　　(1)傳統(tǒng)的測試任務(wù)僅以測量系統(tǒng)的輸出量來估計(jì)被測量,，從信息論的觀點(diǎn)來講，僅是對信息的復(fù)現(xiàn),。但動態(tài)測試系統(tǒng)測試的是隨時間變換的寬動態(tài)范圍的信號,，研究的重點(diǎn)是測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性；
　　(2)傳統(tǒng)的測試重點(diǎn)是研究測量數(shù)值的誤差,，是輸出與輸入在數(shù)值上的對于關(guān)系,；而動態(tài)測試是研究輸出信號與輸入信號的對應(yīng)關(guān)系，如傳遞函數(shù),、預(yù)測與濾波等,，要求輸出信號波形不失真地復(fù)現(xiàn)輸入信號波形；
　　(3)現(xiàn)代動態(tài)測試技術(shù)要解決測試系統(tǒng)工作中遇到的具體技術(shù)問題,，如信息的獲取、信號的變換、信號的分析與處理,、信號的記錄與顯示等環(huán)節(jié)以及它們之間的耦合關(guān)系,；
　　(4)現(xiàn)代動態(tài)測試系統(tǒng)是一個多環(huán)節(jié)的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的動態(tài)特性是關(guān)鍵,。
　　在我國,，由于國內(nèi)測試硬件技術(shù)的發(fā)展限制，動態(tài)測試技術(shù)的發(fā)展較慢,。10年前,，從國外引進(jìn)的動態(tài)測試系統(tǒng)十分昂貴；近10年來,，研華公司逐步成長起來,，大力發(fā)展PC-Based的動態(tài)測試硬件平臺，逐步打破了這一局面,，如其研制的關(guān)鍵任務(wù)測試平臺：基于CompactPCI技術(shù)的MIC3000,，打破了我國電信、航天,、電力測試系統(tǒng)從國外引進(jìn)的尷尬局面,，開始自主研發(fā)相應(yīng)的測控系統(tǒng)。用于大動態(tài)信號測試的DAQ卡,，如：MIC-3714,、MIC-3712等，在采集動態(tài)信號時,，采集卡的信噪比(SNR)為68dB,、閾值(THD、最低能感應(yīng)的信號)為-75dB,，已廣泛應(yīng)用于我國航天,、航空、電力和電信的動態(tài)測控系統(tǒng)中,。

二 數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標(biāo)

　　動態(tài)信號測試系統(tǒng)測試的往往是一些快速瞬態(tài)變化的參量,，必須進(jìn)行高速采集。評價一個數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標(biāo)有：系統(tǒng)通過速率,、精確度,、分辨力、線性誤差,、共模抑制比,、通道串?dāng)_抑制比以及系統(tǒng)短期穩(wěn)定度等。此外,，還有一些重要指標(biāo)：系統(tǒng)控制方式,、系統(tǒng)總數(shù)據(jù)量,、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)功耗以及系統(tǒng)自動增益調(diào)節(jié)方式等,。對于動態(tài)信號采集系統(tǒng)而言,，在諸多技術(shù)指標(biāo)中，最為重要的是系統(tǒng)的分辨力,、精確度與通過速率,。其中，系統(tǒng)通過速率是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)區(qū)別于一般采集系統(tǒng)的最為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),。
　　(1)系統(tǒng)分辨力：是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量,，通常用最低有效位值(LSB)、系統(tǒng)滿度信號的百分?jǐn)?shù)(%FSR)或系統(tǒng)可分辨的實(shí)際電壓數(shù)值等來表示,，有時也習(xí)慣用滿度信號可以分辨的級數(shù)來表示,。對于動態(tài)信號采集，如選用MIC-3714采集卡,，其ADC的位數(shù)為12b(bit),，采集系統(tǒng)的分辨力見下表所示。
　　(2)系統(tǒng)精確度：系統(tǒng)精確度是指系統(tǒng)工作于額定通過速率下,，每個離散采樣樣本的轉(zhuǎn)換精確度,，是系統(tǒng)實(shí)際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和,，通常表示位滿度值的百分?jǐn)?shù),，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精確度是一個系統(tǒng)精確度的極限值。對于一個12b分辨力的系統(tǒng),，采用12b的ADC時,，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的MUX以及SHA的精確度均應(yīng)明顯優(yōu)于選用的器件的精確度時，系統(tǒng)的精確度才能得到保證,。
　　(3)系統(tǒng)通過速率：系統(tǒng)通過速率通常又稱為系統(tǒng)速度,、傳輸速率、采集速率以及數(shù)據(jù)吞吐率等,，是指系統(tǒng)每個通道每秒鐘可穩(wěn)定采集,、處理的樣本數(shù)。對于一個包括模擬量輸入,、模擬量輸出的采集系統(tǒng),，通過速率則指系統(tǒng)每個通道可采集、處理與輸出的樣本數(shù),。時間域上,，與通過速率相對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)是通過周期，它是通過速率的倒數(shù),。通過周期又常稱為系統(tǒng)響應(yīng)時間,，或系統(tǒng)采集周期,，它表征了系統(tǒng)從樣本輸入到輸出所需的時間，即系統(tǒng)每采集一個有效數(shù)據(jù)所占用的時間,。對于大動態(tài)信號采集系統(tǒng)而言,，系統(tǒng)通過速率是最重要的技術(shù)指標(biāo),。
　　(4)系統(tǒng)動態(tài)范圍：對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，動態(tài)范圍是指系統(tǒng)可數(shù)字化的最大信號與可分辨的最小信號的比值，通常以對數(shù)值表示,，即系統(tǒng)動態(tài)范圍＝20lg(ADC·a級級),。系統(tǒng)的分辨力每增加1b，ADC轉(zhuǎn)換分級數(shù)便增加一倍,，分級誤差也因而降低一倍,，系統(tǒng)的動態(tài)范圍相應(yīng)擴(kuò)展6dB。

三 高速數(shù)據(jù)采集與存儲技術(shù)  

　　在動態(tài)測試系統(tǒng)中,，最為關(guān)鍵的是信號的高速采集,、高速轉(zhuǎn)換和傳輸、高速記錄(存儲),。為便于敘述與分析,，以研華的MIC-3714為例加以說明。

1. 高速信號采集技術(shù)

　　a. ADC的定時與控制
　　在動態(tài)信號采集系統(tǒng)中,，定時與控制電路是緊密聯(lián)系在一起的,，定時電路包括定時與計(jì)數(shù)兩個方面，定時電路主要為高速ADC,、高速緩存提供時鐘信號,，計(jì)數(shù)包括采樣計(jì)數(shù)、緩存計(jì)數(shù)(地址指針)以及觸發(fā)后的緩存計(jì)數(shù),，連同控制電路及時控制采集過程,。采樣頻率需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，同時根據(jù)所使用傳感器的中心響應(yīng)頻率而定,，此外,，還要考慮采集卡所用PCI總線的帶寬以及IDE硬盤數(shù)據(jù)存儲的速率要求等。例如雖然MIC-3714每個通道可以達(dá)到30MS/s,，但由于PCI的帶寬以及IDE硬盤數(shù)據(jù)存儲速率的限制,，MIC-3714的采集數(shù)率不可能達(dá)到滿額。
　　b. 高速緩存技術(shù)
　　針對任務(wù)指標(biāo)和實(shí)現(xiàn)難點(diǎn),，采用PCI總線控制器,、板載FIFO和雙路并行復(fù)用技術(shù)，可滿足數(shù)據(jù)采集的高速指標(biāo)要求,。為了在滿足采集速率要求的前提下,，減輕數(shù)據(jù)存儲對記錄設(shè)備速度方面的要求,，采用FIFO存儲器對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，在一定程度上降低對存儲設(shè)備速度方面的要求,。FIFO存儲器具有兩個特點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)進(jìn)出有序,；二是輸入/輸出端口獨(dú)立。靈活地使用FIFO可以構(gòu)成不同容量,、不同寬度,、不同工作性質(zhì)的緩存系統(tǒng)，而且不需要復(fù)雜的邏輯控制電路和地址發(fā)生器,，因此,，利用FIFO作為數(shù)據(jù)緩存器提高系統(tǒng)的可靠性。
　　c. 智能觸發(fā)技術(shù)
　　由于MIC-3714設(shè)定的采樣頻率較高,，為防止數(shù)據(jù)丟失,、提高計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集效率和加速數(shù)據(jù)的傳輸效率，所有采集數(shù)據(jù)均采用DMA方式傳輸?shù)絻?nèi)存,，再由內(nèi)存到用戶數(shù)據(jù)池,。為保證ADC的精確采樣率，ADC觸發(fā)源選用內(nèi)部Clock Pacer,，并采用Analogy Threshold Trigger的技術(shù)觸發(fā)ADC,，主要原因是動態(tài)信號集中在較高的高頻分量，且幅值極小,，極易受到外界背景噪聲的干擾,，尤其是一些高斯背景噪聲，采用Analogy Threshold Trigger技術(shù)可以在數(shù)據(jù)采集的過程中就可以將一些不必要的背景噪聲進(jìn)行過濾處理,，使采集得到的信號得以“凈化”,，提高了采集信號的可用度，有效降低信號的維數(shù),。

2. 海量高速數(shù)據(jù)塊傳輸與存儲策略

　　在MIC-3714采集卡中,，4個相互獨(dú)立的采集通道，雖然數(shù)據(jù)相互獨(dú)立,，但在控制信號方面有主次之分,，其中通道1為主，通道2～4的控制單元受到通道1控制單元的控制,，以達(dá)到多路電路的協(xié)調(diào)工作,。4個通道分別由A/D鎖存器、控制單元和緩存器FIFO組成,。每路將接收到的外界動態(tài)信號變換為電信號,，經(jīng)過各自的A/D 變換后，并由各自的鎖存器鎖存，在邏輯控制單元的控制下,，緩存到各自的FIFO內(nèi),。而共同的數(shù)據(jù)通道由PCI總線控制器、PCI總線,、主機(jī)內(nèi)存和硬盤組成,，負(fù)責(zé)將四路采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，然后在控制信號的控制下,，經(jīng)PCI總線控制器和PCI總線傳輸至內(nèi)存,，再由主機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲到磁盤，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與實(shí)時存儲,。
　　所謂“多路并行復(fù)用”,，是由于每路數(shù)據(jù)采集電路采用了兩個FIFO作為數(shù)據(jù)緩存器,，在控制邏輯單元的控制下,，交替地對兩個FIFO進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)操作，即若FIFO(A)處于數(shù)據(jù)寫狀態(tài)時,，FIFO(B)則處于數(shù)據(jù)讀狀態(tài),，PCI控制器將緩存在FIFO(B)中的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)存后，發(fā)出事件響應(yīng)信號,，主機(jī)的事件響應(yīng)處理程序?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，同時FIFO(B)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)寫狀態(tài),，在數(shù)據(jù)存儲過程結(jié)束后,，FIFO(A)進(jìn)入數(shù)據(jù)讀狀態(tài)，其中的數(shù)據(jù)經(jīng)過與FIFO(B)中的數(shù)據(jù)相同的路徑進(jìn)行存儲,。就這樣FIFO(A)和FIFO (B)在控制邏輯單元的控制下,，周而復(fù)始地進(jìn)行讀寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲同步進(jìn)行,。而其他幾路的數(shù)據(jù)采集與存儲過程與此相同,，為了提高采集速度，將多路的輸出合并后進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存同時進(jìn)行記錄存儲,，由于多路的數(shù)據(jù)采集與緩存是由硬件電路自動進(jìn)行的,，而主機(jī)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲工作，因而數(shù)據(jù)采集和存儲可以同時進(jìn)行,，實(shí)現(xiàn)了多路的并行復(fù)用,，解決了高速采集與實(shí)時存儲之間的矛盾。工作原理見圖1所示,。
　　在數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)中,，數(shù)據(jù)的實(shí)時采集由硬件電路在控制單元的控制下自動進(jìn)行，這就為數(shù)據(jù)存儲提供了有利條件,，使主機(jī)在對PCI總線控制器進(jìn)行必要的初始化后,，只進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲工作,，提高了數(shù)據(jù)實(shí)時采集與實(shí)時存儲的速度。在數(shù)據(jù)存儲軟件的實(shí)現(xiàn)中,，采用DMA工作方式,。具體工作過程為：當(dāng)系統(tǒng)啟動后，首先對采集卡進(jìn)行檢測,，如采集卡存在則申請系統(tǒng)資源,，如內(nèi)存容量、中斷和DMA資源等,，初始化PCI控制器為總線的主設(shè)備,，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)(如定義中斷號、復(fù)位FIFO標(biāo)志,、FIFO管理方式,、DMA傳輸源地址和目的地址以及傳輸字節(jié)數(shù)、總線主設(shè)備使能等),。在程序中,，以事件消息傳遞方式進(jìn)行工作，即當(dāng)DMA將PCI總線控制器FIFO中的數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)內(nèi)存中,，當(dāng)傳輸達(dá)到預(yù)定量時,，PCI總線控制器向主機(jī)發(fā)送事件消息信號，主機(jī)中的事件處理程序?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲到磁盤中(可以是IDE,、也可以是SCSI II接口),，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時存儲功能，程序流程圖如圖2所示,。

四 結(jié)束語

　　動態(tài)信號測試技術(shù)的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是相輔相成的,，這種相輔相成的關(guān)系推動了測試技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)在,，先進(jìn)的現(xiàn)代動態(tài)測試技術(shù)在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中所起的作用越來越大,，其重要性越來越明顯，它已在各個學(xué)科領(lǐng)域,，尤其是工業(yè)自動化,、農(nóng)業(yè)自動化、軍事工程,、航天技術(shù),、資源探測、海洋開發(fā),、安全環(huán)保,、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為學(xué)科發(fā)展不可缺少的支柱,，逐步解決測試領(lǐng)域動態(tài)參數(shù)越來越多,、動態(tài)參數(shù)變化速度越來越快、動態(tài)測試精確度要求越來越高,、動態(tài)測試越來越難等問題,。