一種多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備，該檢測設(shè)備包括放大濾波單元、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡和控制單元；放大濾波單元與多通道同步數(shù)據(jù)采集卡之間通過屏蔽電纜相連，放大濾波單元用于將被測信號經(jīng)過放大和濾波處理后輸出至多通道同步數(shù)據(jù)采集卡；放大濾波單元包括至少一級放大濾波電路，每一級放大濾波電路均包括放大器和與放大器通過屏蔽電纜相連的濾波器；若放大濾波單元包括二級或二級以上放大濾波電路，則各級放大濾波電路之間通過屏蔽電纜相連；多通道同步數(shù)據(jù)采集卡將接收到的信號發(fā)送至控制單元。本實(shí)用新型具有不易受外界干擾、測試精度高、測試靈活性高等特點(diǎn)，本實(shí)用新型對微弱信號測試技術(shù)的研究更具有指導(dǎo)意義。
【專利說明】—種多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及微弱信號檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]在工程技術(shù)、科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的各種活動中，nV級交流電壓信號檢測在石油測井、光分析、超導(dǎo)材料評價、金屬材料張力試驗(yàn)、俄歇電子能譜、金屬探測、渦流探傷、電子束測量等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。由于這些領(lǐng)域的背景噪聲很強(qiáng)，而被測信號又非常微弱，因此從中檢測出有效信號非常困難。針對nV級交流電壓信號檢測進(jìn)行研究，探索新的檢測方法，研制新的檢測設(shè)備是目前微弱信號檢測【技術(shù)領(lǐng)域】的一個熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，鎖相放大器是微弱信號檢測的主要手段，其基本類似于一個帶有放大功能的高Q值濾波器，但又不存在一般濾波器的中心頻率漂移問題。其利用相關(guān)檢測技術(shù)，極大地提高信噪比，能把淹沒在噪聲中的信號提取出來。但是目前的提取方法誤差較大，精度較低，且極易受到外界噪聲的干擾，影響信號的提取質(zhì)量。鎖相放大器一般為單通道或雙通道輸入，很難滿足一些多通道同步并行測試的需要，且無法對測試結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析，應(yīng)用靈活性較差。
[0004]在傳統(tǒng)測量方法中，有關(guān)微弱信號的檢測方法很多，如自譜估計(jì)方法、信號模型參數(shù)辨識法、噪聲模型假設(shè)法、高階累積測量方法等。這些方法主要是通過去除和抑制噪聲來實(shí)現(xiàn)信號檢測的，在去除噪聲的同時對信號本身也造成了損失，同時由于受到各種因素的限制，其工作信噪比下限的降低很難，無法測量nV級信號。對nV級信號而言，由于測量系統(tǒng)引入的各種噪聲及外界干擾使噪聲高出有用信號幾十倍，一些傳統(tǒng)的電壓測量方法對于這種淹沒在強(qiáng)噪聲中的nV級電壓測量無能為力。至今為止，對這種nV級交流電壓的測量大量采用基于互相關(guān)運(yùn)算的鎖相放大技術(shù)。
[0005]使用鎖相放大技術(shù)測量信號，特別是在測量nV級交流電壓時，乘法器輸出電壓很小，使后接的直流放大器零漂嚴(yán)重，不利于nV電壓的測量?，F(xiàn)有鎖相放大器中普遍使用數(shù)字相敏檢波器(DPSD)的檢波算法，對輸入信號進(jìn)行幅度與相位的提取，目前的提取方法誤差較大，精度較低，且極易受到外界噪聲的干擾，影響信號的提取質(zhì)量。鎖相放大器一般為單通道或雙通道輸入，很難滿足一些多通道同步并行測試的需要，且無法對測試結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析，應(yīng)用靈活性較差。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]針對現(xiàn)有鎖相放大器易受外界干擾影響、測試精度低、無法多通道并行測試、測試靈活性差的不足，本實(shí)用新型提供一種多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備。
[0007]本實(shí)用新型的第一種技術(shù)解決方案:
[0008]一種多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備，其特殊之處:
[0009]包括放大濾波單元、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡和控制單元；
[0010]所述放大濾波單元與多通道同步數(shù)據(jù)采集卡之間通過屏蔽電纜相連，放大濾波單元用于將被測信號經(jīng)過放大和濾波處理后輸出至多通道同步數(shù)據(jù)采集卡；
[0011 ] 放大濾波單元包括至少一級放大濾波電路，每一級放大濾波電路均包括放大器和與放大器通過屏蔽電纜相連的濾波器；若放大濾波單元包括二級或二級以上放大濾波電路，則各級放大濾波電路之間通過屏蔽電纜相連；
[0012]所述放大器為放大倍數(shù)可調(diào)的多通道低噪聲放大器；濾波器為截止頻率可調(diào)的多通道帶通濾波器；放大器與濾波器的通道數(shù)均為n，其中η均不小于2，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的通道數(shù)為m, m = n+1 ；
[0013]多通道同步數(shù)據(jù)采集卡是不低于24位的多通道同步數(shù)據(jù)采集卡，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡上設(shè)有抗混淆濾波器；
[0014]所述控制單元分別與放大器和濾波器相互通信連接；
[0015]多通道同步數(shù)據(jù)采集卡通過外掛式零槽控制器與控制單元相互通信連接；
[0016]多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的其中一個通道用于接收參考信號，參考信號與被測信號的頻率相同，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡將接收到的被測信號和參考信號均發(fā)送至控制單元。
[0017]本實(shí)用新型的第二種技術(shù)解決方案:
[0018]一種多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備，其特殊之處在于:
[0019]包括放大濾波單元、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡和控制單元；
[0020]所述放大濾波單元與多通道同步數(shù)據(jù)采集卡之間通過屏蔽電纜相連，放大濾波單元用于將被測信號經(jīng)過放大和濾波處理后輸出至多通道同步數(shù)據(jù)采集卡；
[0021]放大濾波單元包括至少一級放大濾波電路，放大濾波電路包括放大器和與放大器通過屏蔽電纜相連的濾波器；若放大濾波單元包括二級或二級以上放大濾波電路，則各級放大濾波電路之間通過屏蔽電纜相連；
[0022]所述放大器為放大倍數(shù)可調(diào)的多通道低噪聲放大器；濾波器為截止頻率可調(diào)的多通道帶通濾波器；放大器與濾波器的通道數(shù)均為n，其中η均不小于2，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的通道數(shù)為m, m = n+1 ；
[0023]多通道同步數(shù)據(jù)采集卡是不低于24位的多通道同步數(shù)據(jù)采集卡，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡上設(shè)有抗混淆濾波器；
[0024]控制單元是嵌入式零槽控制器，控制單元分別與放大器、濾波器和多通道同步數(shù)據(jù)采集卡相互通信連接；
[0025]多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的其中一個通道用于接收參考信號，參考信號與被測信號的頻率相同，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡將接收到的被測信號和參考信號均發(fā)送至控制單元。
[0026]基于上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型還做出以下優(yōu)化和限定:
[0027]上述放大器的等效輸入噪聲電壓小于4/#/V77T,是指在被測信號的頻率為IkHz
時，放大器的等效輸入噪聲電壓小于4?Γ I 。
[0028]放大濾波單元包括二級放大濾波電路。
[0029]上述放大器包括信號放大板，濾波器包括低通濾波板和高通濾波板；
[0030]信號放大板的輸出端接低通濾波板的輸入端，低通濾波板的輸出端接高通濾波板的輸入端。[0031 ] 上述低通濾波板包括依次相連的第一 16選I模擬開關(guān)、16路低通濾波電路和第二16選I模擬開關(guān)，高通濾波板包括依次相連的第三16選I模擬開關(guān)、16路高通濾波電路和第四16選I模擬開關(guān)；
[0032]低通濾波板為多通道低通濾波板，高通濾波板為多通道高通濾波板，低通濾波板和高通濾波板的通道數(shù)均相等。
[0033]上述檢測設(shè)備還包括機(jī)箱，所述多通道同步數(shù)據(jù)采集卡是24位多通道同步PXI數(shù)據(jù)采集卡，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡安裝在機(jī)箱上。
[0034]本實(shí)用新型的有益效果:
[0035]1、本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有設(shè)備易受外界干擾、測試精度低、無法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、測試靈活性差的不足；
[0036]2、本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)更多通道nV級交流電壓信號的并行測量，使用軟件鎖相放大算法，可抑制因硬件鎖相放大電路引入的噪聲干擾，提高測試精度，提高了設(shè)備的抗干擾能力。
[0037]3、本實(shí)用新型對信號的處理過程更加透明，參數(shù)配置更加方便靈活，測試數(shù)據(jù)保存更加完整，更有利于數(shù)據(jù)的共享，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理帶來了極大地方便。
[0038]4、本實(shí)用新型作為一種nV級交流電壓信號檢測的設(shè)備，對微弱信號測試技術(shù)的研究更具有指導(dǎo)意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1是本實(shí)用新型的設(shè)備組成框圖；
[0040]圖2是本實(shí)用新型放大濾波電路的原理框圖；
[0041]圖3是本實(shí)用新型單通道程控濾波電路的原理框圖；
[0042]圖4是本實(shí)用新型測試軟件功能框圖；
[0043]圖5是本實(shí)用新型的軟件鎖相放大算法原理圖；
[0044]圖6是本實(shí)用新型的測試原理框圖；
[0045]圖7是本實(shí)用新型測試信號處理流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0046]本實(shí)用新型提供一種多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備，如圖1和圖7所示，包括放大濾波單元、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡和控制單元；多通道同步數(shù)據(jù)采集卡可完成模擬信號的數(shù)字化，控制單元可采用計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲及處理分析。
[0047]放大濾波單元與多通道同步數(shù)據(jù)采集卡之間通過屏蔽電纜相連，放大濾波單元用于將被測信號經(jīng)過放大和濾波處理后輸出至多通道同步數(shù)據(jù)采集卡。
[0048]放大濾波單元包括至少一級放大濾波電路，每一級放大濾波電路均包括放大器和與放大器通過屏蔽電纜相連的濾波器；若放大濾波單元包括二級或二級以上放大濾波電路，則各級放大濾波電路之間通過屏蔽電纜相連；如圖7所示，本實(shí)用新型的放大濾波單元可以包括二級放大濾波電路，可以進(jìn)一步放大被測信號，使得放大后被測信號的幅值達(dá)到多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的動態(tài)范圍以內(nèi)；也可進(jìn)一步改善被測信號的信噪比。本實(shí)用新型的放大濾波電路能使被測信號的幅值達(dá)到采集卡的動態(tài)范圍之內(nèi)且有效抑制和濾除部分干擾噪聲，從而改善信噪比，擴(kuò)大儀器的動態(tài)范圍。
[0049]放大器為放大倍數(shù)可調(diào)的多通道低噪聲放大器，可以是I臺多通道的前置放大器，也可以是由多臺單通道的前置放大器組成多通道前置放大器，其通道數(shù)與被測信號通道數(shù)一致；前置放大器的增益至少60dB，在有效放大nV級信號的同時引入較小的噪聲，放大器的增益程控可調(diào)。放大器的等效輸入噪聲電壓小于4/7K/VT石。
[0050]濾波器為截止頻率可調(diào)的多通道帶通濾波器，該濾波器具有可程控接口，能通過計(jì)算機(jī)軟件編程進(jìn)行濾波參數(shù)設(shè)置；且濾波器截至頻率步進(jìn)可調(diào)；
[0051]放大器與濾波器的通道數(shù)均為n，其中η均不小于2，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的通道數(shù)為m, m = n+1 ；
[0052]多通道同步數(shù)據(jù)采集卡是不低于24位的多通道同步數(shù)據(jù)采集卡；具有較大的動態(tài)范圍、較高的采樣率以及好的同步特性，并且輸入端有抗混淆濾波器；具體可以采用低噪聲高精度的24位多通道同步PXI數(shù)據(jù)采集卡；
[0053]控制單元分別與放大器和濾波器相互通信連接；多通道同步數(shù)據(jù)采集卡通過外掛式零槽控制器與控制單元相互通信連接；多通道同步數(shù)據(jù)采集卡和外掛式零槽控制器均可采用標(biāo)準(zhǔn)PXI模塊，安裝在PXI機(jī)箱中，控制單元通過外掛式零槽控制器控制多通道同步數(shù)據(jù)采集卡對被測信號的采集和存儲。
[0054]多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的其中一個通道用于接收參考信號，參考信號與被測信號的頻率相同，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡將接收到的被測信號和參考信號均發(fā)送至控制單元。
[0055]控制單元可以采用嵌入式零槽控制器，若控制單元采用嵌入式零槽控制器，控制單元分別與放大器、濾波器和多通道同步數(shù)據(jù)采集卡相互通信連接。
[0056]如圖2所示，本實(shí)用新型的放大器包括信號放大板，濾波器包括低通濾波板和高通濾波板；低通濾波板和高通濾波板組成信號濾波電路。信號放大板的輸出端接低通濾波板的輸入端，低通濾波板的輸出端接高通濾波板的輸入端。
[0057]電源板對信號放大板和信號濾波電路供電，信號放大板對被測信號進(jìn)行放大后傳送給信號濾波電路，信號濾波電路對信號進(jìn)行濾波后把放大、濾波后的信號傳送到多通道同步數(shù)據(jù)采集卡。
[0058]其中，電源板用于對信號放大板和信號濾波電路供電，使用線性電源以獲得最為理想的噪聲特性。線性電源的紋波頻率為100Hz，在這個頻點(diǎn)上，運(yùn)放的PSR(電源抑制比)可以達(dá)到10dB以上，假設(shè)電源紋波為lmVRMS，對運(yùn)放的影響僅為InV以下，電源噪聲可以忽略。該電源采用整流、濾波、LDO穩(wěn)壓電路的處理方法，其中穩(wěn)壓電路使用運(yùn)放做反饋以降低波紋和噪聲，獲得優(yōu)異的電路性能。電源板為多塊印制板供電，為盡可能的降低各個印制板噪聲的串?dāng)_，給每個印制板的供電電源使用單獨(dú)的LDO穩(wěn)壓、在LDO穩(wěn)壓之后加入π型濾波器，使用共模磁環(huán)和差模磁環(huán)，降低共模噪聲和差模噪聲，使得電源板工作時的波紋噪聲峰值小于3mV。
[0059]信號放大板實(shí)現(xiàn)被測信號的放大功能，可通過RS485接口進(jìn)行程控，具有4個并行通道，每通道帶寬3MHz，增益I?10000步進(jìn)可程控，步進(jìn)10倍。放大電路采用不帶增益電阻的集成儀表放大電路，使用AD8429芯片。該芯片憑借1/W//V7石的電壓噪聲水平，具有優(yōu)良的噪聲特性。在放大電路后端加入可選的20kHz低通濾波電路，在進(jìn)行低頻測試時，通過降低帶寬來降低噪聲；為避免接地不當(dāng)引入的噪聲，單板設(shè)計(jì)為浮地電路，并對RS485通訊接口進(jìn)行隔離。
[0060]信號濾波電路用于對放大后信號的濾波，改善信噪比。該濾波電路有4個獨(dú)立的濾波通道，由4個低通濾波板和4塊高通濾波板組成，可通過RS485接口進(jìn)行程控。低通濾波和高通濾波分開，既可以單獨(dú)使用，也可以組合成一個帶通濾波，使用方便、靈活。
[0061]低通濾波板包括依次相連的第一 16選I模擬開關(guān)、16路低通濾波電路和第二 16選I模擬開關(guān)，高通濾波板包括依次相連的第三16選I模擬開關(guān)、16路高通濾波電路和第四16選I模擬開關(guān)；低通濾波板為多通道低通濾波板，高通濾波板為多通道高通濾波板，低通濾波板和高通濾波板的通道數(shù)均相等。
[0062]低通濾波板和高通濾波板的具體連接關(guān)系如圖3所示，為單通道濾波電路功能結(jié)構(gòu)圖，包含I塊低通濾波板和I塊高通濾波板，兩塊電路板串聯(lián)組成I個通道的帶通濾波電路。其中的低通濾波板和高通濾波板的濾波電路均使用4階巴特沃斯濾波電路，通帶內(nèi)平坦，阻帶內(nèi)衰減特性較為理想。濾波器帶寬為3MHz，在帶寬范圍內(nèi)劃分為64個頻段，每個頻段的濾波器相互獨(dú)立。濾波電路前后端各加入4個16選I的模擬開關(guān)組成64選I的開關(guān)，來對64個頻段的濾波器進(jìn)行選擇。如圖3，16選I的模擬開關(guān)分別為第一 16選I模擬開關(guān)、第二 16選I模擬開關(guān)、第三16選I模擬開關(guān)和第四16選I模擬開關(guān)，濾波器設(shè)置時可按照如下條件進(jìn)行程控設(shè)置:
[0063]a)頻率范圍DC?IkHz時，10Hz步進(jìn)；
[0064]b)頻率范圍IkHz?20kHz時，IkHz步進(jìn)；
[0065]c)頻率范圍 20kHz ?10kHz 時，5kHz 步進(jìn)；
[0066]d)頻率范圍 10kHz ?IMHz 時，10kHz 步進(jìn)；
[0067]e)頻率范圍IMHz?3MHz時，200kHz步進(jìn)。
[0068]本實(shí)用新型的檢測設(shè)備還包括機(jī)箱，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡是多通道同步PXI數(shù)據(jù)采集卡，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡安裝在機(jī)箱上。
[0069]本實(shí)用新型的放大濾波電路可安裝在機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱面板安裝BNC絕緣隔板插座用于信號的輸入，面板和內(nèi)部電路板之間的連接采用BNC-SMB屏蔽同軸電纜連接，內(nèi)部電路板之間采用SMB-SMB同軸屏蔽電纜連接，此方法可有效地降低靜電耦合和電磁干擾產(chǎn)生的噪聲，解決連接電纜產(chǎn)生的干擾。對關(guān)鍵的信號放大板使用金屬屏蔽殼體進(jìn)行屏蔽處理，有效避免周圍環(huán)境的輻射干擾影響設(shè)備的性能。
[0070]本實(shí)施方案中的PXI機(jī)箱使用海泰電子的HTPXI1008標(biāo)準(zhǔn)PXI機(jī)箱，零槽控制器使用海泰電子的HTPXI4900外掛式零槽控制器，計(jì)算機(jī)使用研華的2U工控機(jī)IPC-2320。24位高精度數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司的PX1-4472數(shù)據(jù)采集卡，動態(tài)范圍110dB，102.4kS/S采樣率，8通道同步采集，內(nèi)部有抗混淆濾波器。
[0071]本實(shí)用新型的控制單元可以采用計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上安裝測試軟件，如圖4，軟件中包含數(shù)據(jù)采集模塊、鎖相放大算法模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)回放模塊、設(shè)備測試管理模塊、設(shè)備自檢模塊、設(shè)備校準(zhǔn)模塊、設(shè)備配置模塊、測試分析模塊、報(bào)告生成模塊和設(shè)備幫助豐吳塊等。
[0072]數(shù)據(jù)采集模塊配合采集卡的驅(qū)動軟件對采集卡各通道的輸入信號進(jìn)行實(shí)時采集，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；鎖相放大算法模塊根據(jù)測試數(shù)據(jù)通過算法解算被測信號的幅值和相位參數(shù)；數(shù)據(jù)管理模塊對各次的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括數(shù)據(jù)的瀏覽、查找、刪除等操作，每次試驗(yàn)生成單獨(dú)的數(shù)據(jù)和配置文件；數(shù)據(jù)回放模塊完成測試數(shù)據(jù)的事后重現(xiàn)。
[0073]設(shè)備測試管理模塊是整個軟件的支撐部分，完成整個設(shè)備資源的調(diào)度和管理。設(shè)備測試管理模塊實(shí)現(xiàn)了大部分人機(jī)交互的功能，包括主控程序、各個應(yīng)用程序的圖形用戶界面，通過不同的窗口和對話框?qū)崿F(xiàn)各種運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置和運(yùn)行中的圖形顯示，并提供靈活、友好的人機(jī)交互方式。設(shè)備運(yùn)行時，首先運(yùn)行設(shè)備測試管理模塊調(diào)用各個功能模塊，各個功能模塊運(yùn)行完畢后或由設(shè)備測試管理模塊調(diào)度自動執(zhí)行下一個功能模塊或直接返回主界面，由用戶進(jìn)行交互式操作。
[0074]設(shè)備自檢模塊完成設(shè)備各部分的自檢并給出自檢結(jié)果。設(shè)備開始每次測試任務(wù)前對前端信號調(diào)理箱中的電路模塊以及PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的模塊進(jìn)行自檢，以保證測試前模塊處于正常狀態(tài)。
[0075]設(shè)備校準(zhǔn)模塊主要負(fù)責(zé)對測試設(shè)備輸入通道的信號校準(zhǔn)。隨著環(huán)境，溫度的變化，這些都影響測試設(shè)備的測試精度和準(zhǔn)確度，設(shè)備校準(zhǔn)模塊配合外部標(biāo)準(zhǔn)儀器可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的校準(zhǔn)，保證測試設(shè)備在任何情況下的測試精度和準(zhǔn)確度。
[0076]設(shè)備配置模塊對設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置、調(diào)理電路參數(shù)設(shè)置等。采集參數(shù)主要設(shè)置采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)等，在觸發(fā)方式上，可以設(shè)置通道觸發(fā)、外觸發(fā)或自由采集，在信號觸發(fā)時，可設(shè)置觸發(fā)電平、觸發(fā)沿等觸發(fā)參數(shù)。調(diào)理電路參數(shù)設(shè)置主要是根據(jù)被測信號的特性設(shè)置放大器的增益和濾波器的濾波參數(shù)。
[0077]測試分析模塊通過調(diào)用驅(qū)動函數(shù)完成對數(shù)據(jù)采集卡和前端調(diào)理電路的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，然后采用軟件鎖相放大算法對采集的信號進(jìn)行分析，從而得到被測信號的幅值和相位信息。該模塊可以根據(jù)實(shí)際需要，采用多種數(shù)據(jù)分析方法，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而獲取感興趣和有價值的信息。該模塊也可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，按照設(shè)定的回放參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的事后回放，再現(xiàn)測試時的情形。
[0078]報(bào)告生成模塊根據(jù)測試數(shù)據(jù)和測試方法，生成定制格式的圖文并茂的測試報(bào)告。
[0079]設(shè)備幫助模塊為用戶提供了幫助信息，它包括測試過程中的設(shè)置參數(shù)幫助和操作步驟、操作方法的使用指南等，幫助用戶快速熟悉和配置使用設(shè)備。
[0080]鎖相放大算法模塊采用是基于雙相位鎖相放大器的原理來實(shí)現(xiàn)，在測試信號幅值時不需要對信號及參考信號的相位進(jìn)行調(diào)整，該軟件鎖相算法通過對同參考信號頻率和相位相同的輸入信號進(jìn)行傅里葉變換來消除噪聲，相當(dāng)于一個以參考信號頻率為中心的窄帶帶通濾波器；使用軟件鎖相放大算法，可抑制因硬件鎖相放大電路引入的噪聲干擾，提高測試精度，且對信號的處理過程更加透明，參數(shù)配置更加方便靈活，測試數(shù)據(jù)保存更加完整，更有利于數(shù)據(jù)的共享，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理帶來了極大地方便。
[0081]參照圖1?3，詳細(xì)說明本實(shí)用新型。
[0082]本實(shí)用新型方法測試原理框圖如圖1所示，前端采用二級放大濾波電路級聯(lián)的形式對所測信號進(jìn)行調(diào)理，在對信號進(jìn)行放大的同時提高信噪比，該調(diào)理部分采用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，后端采用24位低噪聲高精度的多通道同步數(shù)據(jù)采集卡對各通道調(diào)理電路的輸出信號進(jìn)行實(shí)時采集，然后在計(jì)算機(jī)中通過軟件鎖相放大算法對各通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時計(jì)算，提取被測信號的幅值和相位參數(shù)。除此之外，在計(jì)算機(jī)中還可以通過軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)回放及生成測試報(bào)告等多種功能。
[0083]基于本實(shí)用新型的監(jiān)測設(shè)備，本實(shí)用新型還提供了一種多通道nV級交流電壓檢測方法，在本實(shí)用新型檢測設(shè)備的基礎(chǔ)上采用軟件鎖相放大算法檢測nV級交流電壓，如圖6和圖7所示，包括以下步驟:
[0084]I)將被測信號接入一級放大濾波電路，由一級放大濾波電路的放大器對被測信號進(jìn)行放大，將放大后的被測信號接入至一級放大濾波電路的濾波器進(jìn)行濾波；
[0085]1.1)采用二級放大濾波電路的放大器對經(jīng)過一級放大濾波電路濾波后的被測信號再次進(jìn)行放大；
[0086]1.2)采用二級放大濾波電路的濾波器對經(jīng)過步驟1.1)放大后的被測信號再次進(jìn)行濾波，進(jìn)一步改善信噪比；
[0087]2)將濾波后的被測信號接入多通道同步數(shù)據(jù)采集卡；將參考信號接入多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的一個通道；
[0088]3)通過控制單元實(shí)時采集輸入至多通道同步數(shù)據(jù)采集卡各輸入通道的信號，并將測試數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)上；
[0089]4)計(jì)算被測信號的幅值和相位。如需要，可通過計(jì)算機(jī)上的測試軟件對保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括瀏覽、查找、刪除等操作，也可以通過數(shù)據(jù)回放軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。
[0090]本方法使用24位多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊，可實(shí)現(xiàn)更多通道nV級交流電壓信號的并行測量。
[0091]經(jīng)二級放大濾波電路處理后的被測信號的幅值A(chǔ)、角頻率COtl、相位φ滿足公式:s(t) = Asin(co J+Φ)，經(jīng)二級放大濾波電路處理后的被測信號的頻率為fQ ；
[0092]設(shè)多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為fs，采樣長度為N，則多通道同步數(shù)據(jù)采集卡采樣的周期數(shù)為I;其中，Ttl = 2π/ω(ι，為經(jīng)二級放大濾波電路處理后的被測信號的

1O
周期；ts = i/fs，為多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的采樣間隔；
[0093]步驟4)按照以下過程計(jì)算被測信號的幅值和相位，在以下計(jì)算過程的各個公式中，η = 0，I……N-1 ;以下的計(jì)算可以通過包含鎖相放大算法的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)；
[0094]多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的采樣率和采樣長度選擇被測信號的整周期采樣，則采樣后的被測信號為:
f
[0095]s(n) = A^\n{m{)nTs + φ) = Α?η(2π^η + φ),...........................U..;.As
[0096]根據(jù)參考信號的頻率，由軟件產(chǎn)生以下兩種標(biāo)準(zhǔn)波形序列，具體可以通道如下方式實(shí)現(xiàn):參考信號進(jìn)入內(nèi)部參考信號生成器(參考信號生成器是一個軟件模塊，專門來測量參考信號的頻率和相位，產(chǎn)生用于算法計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)波形。)由該生成器來提取參考信號的頻率和相位信息，并產(chǎn)生兩種沒有噪聲的標(biāo)準(zhǔn)波形序列:
/I/*
[0097]cos(rt) = COS(O0Ziirv) = cos(<2l0 —) = C0S(2:二IlW)........................( 2 )
J ?Js
Wf
[0098]sin(?) = sin(flje?rs) = sin(oi0 —) = ?η{2π~η).................................、3.)
fSfS
[0099]則根據(jù)(I)、⑵可得: /V-1fI'
[0100]y^A(")cos(") = ^ΛΑ?\?(2π^τη + φ)^ο^(2π—η)
H=(丨/1=(1JsJs
/V-1 If
=|sin(4^—7-/1 +^) +sin(^)]
?=? 2 /s
[0101]
N
=^——sin#...................................................(4)
2 Y
[0102]同理，根據(jù)(I)、(3)可得:
N-1N
[0103]Va(w)shi(w)= /l—cos^........................................(5)
?=(? 2
[0104]則由(4)、(5)可得:

2 V-1
[0105]P-A sin^ = — ^λ(/ζ)cos(fz).................................(6)

2 v_l
[0106]Q = /Icos^ = —^A(w)sin(w).................................(7)

N ?=0
[0107]根據(jù)(6)、(7)，可得被測信號的幅值和相位分別為:
[0108]Α = ^(Α?ηφ)2 +{Αα)^φ? =^P2+O1
ΛP
[0109]$> = arctanH?
[0110]本實(shí)用新型檢測設(shè)備的被測信號為nV級信號，在測試過程中容易受到干擾，包括電噪聲和來自發(fā)射系統(tǒng)的傳導(dǎo)和輻射干擾等，設(shè)備綜合運(yùn)用接地、屏蔽和濾波等措施，對電磁兼容性進(jìn)行了特別考慮，主要有以下幾個方面:
[0111]a)對測試信號選用同軸電纜對信號進(jìn)行傳輸，減小外界噪聲的引入；
[0112]b)前端調(diào)理使用了低輸入噪聲的放大器，并通過設(shè)置靈活的帶通濾波器濾除帶外噪聲，在軟件中采用了數(shù)字濾波算法，并使用抗干擾能力強(qiáng)的軟件鎖相放大算法對信號的幅度和相位進(jìn)行分析；
[0113]c)交流電源輸入設(shè)置交流濾波器，減弱外部電氣對設(shè)備的傳導(dǎo)干擾；濾波器安裝在供電單元交流電源線入口處，不讓輸入交流電源線在機(jī)箱內(nèi)繞行很長距離后再接濾波器，以免該線在機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生輻射噪聲；濾波器的輸入/輸出線分開布置，不平行走線或捆扎在一起，避免輸入線中的噪聲不經(jīng)過濾波器直接耦合到輸出線上；濾波器的輸出線采用雙絞線，加強(qiáng)抗磁場干擾能力。
【權(quán)利要求】
1.一種多通道nv級交流電壓檢測設(shè)備，其特征在于: 包括放大濾波單元、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡和控制單元； 所述放大濾波單元與多通道同步數(shù)據(jù)采集卡之間通過屏蔽電纜相連，放大濾波單元用于將被測信號經(jīng)過放大和濾波處理后輸出至多通道同步數(shù)據(jù)采集卡； 放大濾波單元包括至少一級放大濾波電路，每一級放大濾波電路均包括放大器和與放大器通過屏蔽電纜相連的濾波器；若放大濾波單元包括二級或二級以上放大濾波電路，則各級放大濾波電路之間通過屏蔽電纜相連； 所述放大器為放大倍數(shù)可調(diào)的多通道低噪聲放大器；濾波器為截止頻率可調(diào)的多通道帶通濾波器；放大器與濾波器的通道數(shù)均為n，其中η均不小于2，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的通道數(shù)為m, m = n+1 ； 多通道同步數(shù)據(jù)采集卡是不低于24位的多通道同步數(shù)據(jù)采集卡，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡上設(shè)有抗混淆濾波器； 所述控制單元分別與放大器和濾波器相互通信連接； 多通道同步數(shù)據(jù)采集卡通過外掛式零槽控制器與控制單元相互通信連接； 多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的其中一個通道用于接收參考信號，參考信號與被測信號的頻率相同，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡將接收到的被測信號和參考信號均發(fā)送至控制單元。
2.一種多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備，其特征在于: 包括放大濾波單元、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡和控制單元； 所述放大濾波單元與多通道同步數(shù)據(jù)采集卡之間通過屏蔽電纜相連，放大濾波單元用于將被測信號經(jīng)過放大和濾波處理后輸出至多通道同步數(shù)據(jù)采集卡； 放大濾波單元包括至少一級放大濾波電路，放大濾波電路包括放大器和與放大器通過屏蔽電纜相連的濾波器；若放大濾波單元包括二級或二級以上放大濾波電路，則各級放大濾波電路之間通過屏蔽電纜相連； 所述放大器為放大倍數(shù)可調(diào)的多通道低噪聲放大器；濾波器為截止頻率可調(diào)的多通道帶通濾波器；放大器與濾波器的通道數(shù)均為n，其中η均不小于2，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的通道數(shù)為m, m = n+1 ； 多通道同步數(shù)據(jù)采集卡是不低于24位的多通道同步數(shù)據(jù)采集卡，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡上設(shè)有抗混淆濾波器； 控制單元是嵌入式零槽控制器，控制單元分別與放大器、濾波器和多通道同步數(shù)據(jù)采集卡相互通信連接； 多通道同步數(shù)據(jù)采集卡的其中一個通道用于接收參考信號，參考信號與被測信號的頻率相同，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡將接收到的被測信號和參考信號均發(fā)送至控制單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備，其特征在于:所述放大器的等效輸入噪聲電壓小丁_4?K/VT^"。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備，其特征在于:放大濾波單元包括二級放大濾波電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備，其特征在于:所述放大器包括信號放大板，濾波器包括低通濾波板和高通濾波板； 信號放大板的輸出端接低通濾波板的輸入端，低通濾波板的輸出端接高通濾波板的輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備，其特征在于:所述低通濾波板包括依次相連的第一 16選I模擬開關(guān)、16路低通濾波電路和第二 16選I模擬開關(guān)，高通濾波板包括依次相連的第三16選I模擬開關(guān)、16路高通濾波電路和第四16選I模擬開關(guān); 低通濾波板為多通道低通濾波板，高通濾波板為多通道高通濾波板，低通濾波板和高通濾波板的通道數(shù)均相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多通道nV級交流電壓檢測設(shè)備，其特征在于:所述檢測設(shè)備還包括機(jī)箱，所述多通道同步數(shù)據(jù)采集卡是24位多通道同步PXI數(shù)據(jù)采集卡，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡安裝在機(jī)箱上。
【文檔編號】G01R25/00GK203965503SQ201420279343
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】郭恩全, 寧成軍, 韓建偉, 楊朋, 黃姝 申請人:陜西海泰電子有限責(zé)任公司