計算機測控技術在微弱信號測量儀表中的應用探討

余衡樹

摘 要：對于微弱信號測量儀表，存在測量精度不準確、頻帶不寬等問題，對此，可以將計算機測控技術應用在微弱信號測量儀表中。在測量儀表結構上，可以通過電磁兼容，實現嵌入計算機和微弱信號測量電路的有效結合。在軟件設計方面，可以通過數字濾波、量程校準、幅頻曲線擬合、頻響誤差修正等對計算機數據進行處理，從而達到優化微弱信號測量儀表的目的。

關鍵詞：計算機測控技術；微弱信號；測量儀表；應用

新環境下，精密的測量儀表已經朝著自動化、智能化的方向發展，在測量儀表中，嵌入式計算機已經得到十分廣泛的應用，特別是在數據采集、輸出、處理等方面，發揮著不可替代的作用。對于微弱信號測量儀表中，嵌入式計算機的應用還有待加強，對于微弱信號測量儀表，和其他精密測量儀表相比較，必須處理好噪聲、干擾等問題，在微弱信號測量儀表中，應用嵌入式計算機測控系統很容易引起相互干擾。因此，如何有效地消除微弱信號測量儀表和嵌入式計算機測控系統之間的干擾是當前思考的主要問題。

1 ZJL801納伏電壓標準裝置組成與結構分析

在本次研究中，采用ZJL801納伏電壓標準裝置進行研究，該裝置主要由計算機測控系統、屏蔽箱、濾波器、校準信號源、電源、程控放大器以及其他裝置組成，ZJL801納伏電壓標準裝置具有校準、測量等多種功能，可以對微弱信號進行直接測量，同時也能通過計算機測控系統將相應的微弱信號進行測量。計算機測控系統主要由電路板、24位A/D數據采集卡、PC104/586計算機、面板控制功能等組成。

對于微弱信號測量，當出現測量電路與計算機控制電路在同一機箱，或者測量電路與元器件在同一機箱中，就會產生很大的電磁干擾。為了解決電磁兼容問題，需要經過合理的布局。在ZJL801納伏電壓標準裝置中，濾波器是一個次要環節，主要負責將工作頻帶以外的不相干信號、噪聲濾除，在噪聲、干擾消除方面，主要由相關處理器進行。對于計算機，主要通過電子開關、控制電路，對程控放大器、相關處理器、校準信號、數據采集等進行自動控制，從而實現量程選擇、設置時間常數、數據采集等。對于ZJL801納伏電壓標準裝置的結構原理如圖1所示：

2 相關軟件設計

在本次研究中，ZJL801納伏電壓標準裝置主要是在DOS6.22操作系統下運行，軟件設計從多任務程序設計出發，利用C語言編程，通過限時任務輪流處理方式，根據消息隊列中需要處理的任務，以及任務優先級，對相應任務進行處理。在軟件系統中，主要由多個模塊組成，該軟件的主要流程是：首先打開ZJL801納伏電壓標準裝置，儀器初始化，并讀取校準數據；其次設置時間常數、選擇量程、設置濾波器帶寬、選擇衰減器衰減比例；再次開始進行數據采集，并判斷是否需要進行自校準，如果需要，則產生并調用新的量程對數據進行校準，并進入數字濾波環節，如果不需要進行自校準，則直接進入數字濾波環節；最后進行幅頻曲線擬合，修正頻響誤差，顯示結果和儀器狀態。

3 實驗分析

3.1 量程校準

在進行量程校準時，主要采用穩定性、精度高的校準源輸出標準信號，然后調用校準程序，對標準信號進行檢測，并對計算機數據處理自動生產校準因子進行檢測，從而實現量程校準。對于校準源需要保證每日頻率變化不會超過10-5，其變化幅度不會超過0.3%。在進行測試時，根據不同的量程，引入相對應的校準因子，對ZJL801納伏電壓標準裝置的元器件性能參數、硬件設施的系統誤差、隨機誤差進行修正，從而提高裝置的測量精度。

3.2 數字濾波

對于數字濾波，是處理數據的一種有效方法，主要是按照一定的規律，將輸入信號轉換成相應的輸出信號，從而達到降低干擾、消除噪聲的目的，保證測量結果更加準確。利用數字濾波將粗大誤差剔除，然后利用周期信號積累求和、重復采集平均達到降低噪聲的目的。

3.3 幅頻曲線擬合及修正頻響誤差

在進行微弱信號測量時，通過某種檢測是抑制微弱信號測量裝置中噪聲、干擾的有效方法，受元器件性能的影響，微弱信號測量標準裝置呈在大范圍內幅頻非線性變化的趨勢，這會導致測量結果頻響誤差過大，從而影響到微弱信號測量裝置的綜合性能。對此，可以根據測量結果幅度-頻率變化規律，利用函數擬合法，將相應的幅頻曲線擬合成冪級函數，按照擬合的代表幅頻特性冪級函數，轉換成相應的修正因子，對計算機數據測量結果的頻響誤差進行自動修正。通過這種修正方法，與誤差理論參照系統修正方法進行頻響誤差修正進行對比，修正后，本裝置的工作頻段擴展到10Hz～250kHz，影響頻響誤差降低到1%以下。

4 總結

研究表明，有效地解決微弱信號儀表中的嵌入式計算機和微弱信號測量電路的電磁兼容問題，能將計算機系統的優勢充分發揮出來，有利于提高微弱信號測量精度。通過計算機控制與操作自動化系統，能優化整個系統的結構；利用計算機數據處理系統，能減少硬件系統的系統誤差及隨機誤差，還可以減小人員操作引起的粗大誤差，或者元器件引起的頻響誤差，使得微弱信號儀表測量精度得到極大提高。同時，還可以利用計算機軟件實現微弱信號測量儀表的工作頻段兩端延伸，極大改善微弱信號儀表的性能。

參考文獻

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（作者單位：成都理工大學）