仪器系统建模设计与仿真

第七章仪器系统建模设计与仿真仪器的结构与组成滤波器模型信源模型信号参数的测量与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 锁相环和载波提取A/D和D/A转换器模型仪器的结构与组成测试仪器的发展历经了传统仪器、智能仪器、卡式仪器、虚拟仪器等几个主要阶段。传统仪器的发展经历了漫长年代，在很长一段时间里一直对人类生产生活起着了巨大作用。只是到了20世纪中后叶，随着人类科学技术水平的不断发展。才使得传统仪器在某些应用领域显得有些不适时宜，如航空、航天、科学研究以及军事等一些重要部门。传统仪器的这些不足推动了测试仪器进一步发展。20世纪80年代初，随着计算机技术和通讯技术的迅猛发展，相继出现了智能仪器、卡式仪器等新型测试系统。它们是计算机技术、总线技术，数字化技术等与传统仪器技术相结合的产物。它们的出现极大地推动了测试仪器的发展。但是由于智能仪器、卡式仪器本身所存在的一些局限性，使得在20世纪80年代末到90年代初，随着世界科技水平飞速发展，特别是计算机软、硬件技术，总线接口技术以及数字化技术的不断成熟，又出现了以VXI、PXI等总线形式的自动化测试系统。在此基础上，人们提出了虚拟仪器概念。并得以实现。它代表了21世纪测试仪器发展的新方向。7.1.1传统测试仪器传统测试仪器(TraditionalInstrumentsTI)很早就有，涉及社会生活的方方面面。对改善人类生活、促进社会发展和科技进步起到了不可估量的作用。直到现在还在很多领域发挥着、并将继续发挥作用。传统测试仪器主要结构传统测试仪器主要结构由硬件构成，并以相对固定形式确定下来，所实现测试功能较单一。用户在使用过程中难以对其功能进行改变。通常情况下，它具有输入信号接口(有些特殊仪器设备还具有信号输出接口)、内部处理电路和实时显示部分。对于一些仪器功能(如自调零、自校准、自动调节量程等)的设置是由用户在仪器设备面板上手工完成。传统测试仪器主要特点传统测试仪器主要特点是自成体系，自我包容，用户无法改变其内容。传统仪器所有功能，如信号输入输出范围、用户界面功能(旋钮、开关、显示面板等)，以及使用场合等都事先确定好，固定在机箱内，用户无法改变其测试功能或应用场合。同时一台普通传统仪器还是个相对独立体，它不能与其他仪器设备进行通信联系，而只能用于现场测量，测量结果不能存储、处理、再显示。另外，传统仪器难以升级换代，且开发研制周期长、经费投入大。传统仪器对当今一些大型测试现场和技术要求较高的测试场合，如航空、航天、飞机测试等，就显得不合适。随着科技水平不断发展，人们对传统测试仪器提出以下几方面要求：测试精度高、功能强、可靠性好，测试全程自动化、智能化，仪器体积小、使用灵活方便、升级便利，同时还能进行测量数据的存储、处理和显示，具有和其他仪器设备(如计算机等)进行数据通讯等功能。这些新要求促使着传统仪器不断改进和发展，国际上一些大型仪器仪表制造商，如美国HP、NI、TI公司等，都为此做出了不懈努力，并取得了巨大成绩。7.1.2智能仪器智能仪器(IntelligentInstruments：II)是现代测试技术与计算机技术相结合的产物。它是含有微计算机或微处理器的测试仪器，测量结果具有存储、运算、逻辑判断及自动操作、自动控制等功能，也即具有一定智能作用，将其称之为“智能仪器”。自从1971年世界上出现了第一款微处理器(美国Intel公司4004型4位微处理器芯片)以来，微计算机技术得到了迅速发展。在此基础上，测试仪器也随之有了新的发展方向，并取得了不断进步。电子计算机从过去庞然大物缩小到可以置于测量仪器之中，作为仪器控制器、存储器以及运算器，从而使其具有智能功能。目前智能仪器在测量过程自动化、测量结果处理以及一机多用(多功能化)等方面已取得巨大进步，在高准确度、高性能、多功能测量仪器中绝大多数都采用了微计算机技术。智能仪器的出现和发展可以从其对传统仪器的改进和新型仪器的出现两方面加以归纳。智能仪器是将传统仪器中控制环节、数据采集与处理、自调零、自校准、自动调节量程等功能改由微处理器完成，从而提高精度和测量速度。如传统数字万用表，在采用单片微机控制后，其功能更加多样，使用更加方便、可靠，而且准确度大为提高。目前绝大多数传统测量仪器都有了相应智能化仪器升级产品。智能仪器还开辟了许多新的应用领域，出现了许多新型智能仪器设备。如电子产品生产线或检验系统中的各种计算机辅助测试CAT(ComputerAidedTest)仪器等。智能仪器主要结构智能仪器实质上是一个专用微机系统，结构上主要由硬件和软件两大部分构成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入输出通道、人机联系部件与接口电路、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 通信接口等，其通用结构框图如图1所示。其中主机电路用来存储程序、数据，并进行运算和处理，它通常是由微处理器、程序和数据存储器、输入输出(I／O)接口电路等组成，或者其本身就是一个单片微型计算机；模拟量输入输出通道用来输入输出模拟量信号，主要由A／D、D／A转换器以及有关模拟信号处理电路等组成；人机联系部件作用是沟通操作者和仪器之间联系，以便使仪器可以接受计算机程控指令。现在智能仪器一般都配有GPIB、RS-232等标准通信接口。软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。监控程序面向仪器面板键盘和显示器，其内容包括：通过键盘操作输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数；通过控制I／O接口电路进行数据采集，对仪器进行预定设置；对数据存储器所记录数据和状态进行各种处理；以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据处理结果。接口管理程序主要面向通信接口，其内容是接受并分析来自通信接口总线的各种有关功能、操作方式与工作参数程控操作码，并通过通信接口输出仪器现行工作状态及测量数据处理结果，以响应计算机远程控制命令。智能仪器主要特点1测量过程软件控制测量过程软件控制源于数字化仪器测量过程的时序控制。20世纪60年代末，数字化仪器的自动化程度已经很高，如可以实现自稳零放大、自动极性判断、自动量程切换、自动报警、过载保护、非线性补偿、多功能测试等功能。但随着上述功能增加，其硬件结构越来越复杂，从而导致了体积及重量增大、成本提高、可靠性降低。这些给其进一步发展带来很大困难。随着微计算机技术引进，测量过程改用软件控制后，上述问题得到了很好解决。软件控制灵活性强，但工作速度相对硬件结构较慢。使其在一些速度要求很高的场合，如实时处理或实时控制等方面的应用受到一定限制。2、数据处理对测量结果进行存储及运算等处理功能是智能仪器最突出的特点。主要表现在改善测量精度及对测量结果处理两方面。在提高测量精度方面，大量工作是对随机误差和系统误差进行处理。传统做法是用手工方法对测量结果进行事后处理，不仅工作量大。效率低。而且往往会受到一些主观因素影响，使处理结果不理想。在智能仪器中采用软件对测量结果进行及时、在线处理可收到很好效果，不仅方便、快速，而且可以避免主观因素影响，使测量精度及处理结果质量大为提高。同时可以在时间轴上进行展开或压缩，还可对所采集样本进行数字滤波。将淹没于干扰中有用信号提取出来：也可对样本进行时域(如相关分析、卷积、反卷积、传递函数等)或频域(如幅值谱、相位蘑、功率谱等)分析。这样便可从原来测量结果中提取更多信息。目前这类智能仪器在生物医疗、语音分析、模式识别和故障诊断等方面都有广泛应用。3多功能化智能仪器测量过程、软件控制及数据处理功能，使一机多用的多功能化易于实现，成为此类仪器又一特点智能仪器一般都配有GPIB或RS-232等通信接口，使得具有可程控操作的能力，从而可以很方便与其他仪器设备组成用户所需要的多功能自动测量系统，完成复杂测试任务。7.1.3卡式仪器随着世界科技的迅猛发展及人们对测试仪器性能提出的新要求，尤其是70年代计算机技术、通讯技术、总线技术等的飞速发展，在测试仪器领域还出现了一类新型测试仪器：卡式仪器。它首先是在通用接口总线(GPIB)的基础上发展起来的。1卡式仪器主要结构20世纪70年代初，美国惠普(HP)公司首先推出了一种国际通用计算机与仪器、外围设备之间数字接口总线标准：GPIB总线标准。GPIB总线设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是：按位并行、字节串行方式传送数据；传输速率可达lMB／s；驱动仪器设备数最多可达14台；传输距离通常不超过20m。若采用长线驱动器，传输距离可达500m；传输线有：8条数据线，3条通信联络线(握手线)，以及5条接口管理线。目前这一总线标准广泛使用，效果良好。卡式仪器的出现减轻了用户劳动量．减少了资金投入，极大方便了工作，降低了升级换代的成本。2卡式仪器主要特点具有和其他仪器设备通讯功能，使用方便，升级较容易。用户主要工作在于软件的使用和开发。但这一时期开发软件较少．且没有形成统一标准。只能就事论事；同时各种改进卡式仪器的硬件也没有统一标准。这些因素阻碍了卡式仪器进一步发展。于是不久就有了虚拟仪器的出现。卡式仪器是传统仪器向虚拟仪器发展的初期产品，对虚拟仪器概念提出和实现具有重要意义。卡式仪器与智能仪器之间没有本质区别，它们都是在现代计算机技术、信息技术以及总线技术基础上发展起来的。只是各自侧重点有所不同：卡式仪器主要关心的是系统信息的传输方式．它以总线形式完成仪器与仪器及计算机之间的信息传输；而智能仪器主要考虑的则是仪器设备本身的信息处理功能，应具有智能化。在具体仪器设备中它们之间互相渗透、互相融合，协作完成测试功能。7.1.4虚拟仪器在感叹卡式仪器所带来使用方便、操作便捷、易于升级、降低成本的同时，人们又发现卡式仪器所存在的一些不足和缺陷；硬件生产没有统一 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 、测试系统体积过大；开发软件和底层驱动程序缺乏统一标准；GP—IB总线速度越来越跟不上科技发展需求等等。这些新问题的出现促使各大仪器生产厂家和研究机构进一步从各个方面寻求改进和提高卡式仪器性能的新方法，于是出现了VXI、PXI等总线形式的虚拟仪器(VisualInstruments：VI)测试系统，并由此引发了对虚拟仪器测试技术的研究口。1、VXI、PXI总线测试系统随着计算机技术，通信技术，数字化技术，智能仪器技术等的发展，以及各种总线标准和软件规范的推出，20世纪80年代中后期，VXI总线测试系统应运而生了。VXI总线测试系统性能优良、构建方便、升级便捷、使用方便，但其性能价格比不高，这一点限制了不少用户。鉴于这种情况，美国NI公司于1997年l0月推出了PXI总线测试系统模块仪器 技术规范 歌舞娱乐场所消防安全技术规范高危儿管理技术规范特种设备安全技术规范低压电线电缆技术规范低压电缆技术规范书 ，1998年成立了PXI系统联盟，着力推出PXI总线测试系统。PXI总线测试系统具有VXI总线测试系统各种特点，同时兼容性更强，包括GP—IB总线仪器、VXI总线仪器等。其突出优点是性能价格比高，PXI总线系统很快成为流行的虚拟仪器系统。2、虚拟仪器概念虚拟仪器概念早在20世纪70年代就已提出，但真正得以实现则是在PCI、GP—IBVxI、PXI等总线标准出现之后才变为可能，并随着卡式仪器、VXI总线仪器、PXI总线仪器等的推出而得到迅速发展。虚拟仪器技术是仪器技术、通信技术、总线技术、数字化技术、计算机技术等有机结合的产物。这是在标准计算机软硬件基础上，加上一组软件和硬件所构成。虚拟仪器从本质上说是一个开放式结构，用通用计算机、DSP信号处理器或其他CPU提供系统管理、信号处理、存储以及显示功能；用数据采集板、GP—IB或VXI总线接口板提供信号获取和控制信号输出，从而实现传统仪器功能。“数据采集一分析处理一传输显示”结构模式为其硬件开发平台，同时充分利用计算机强大软件功能及有关测试开发软件所需要测试仪器方案。虚拟仪器功能完全由用户自己设计、定义，因而可以通过改变软件适应不同测试需要，很容易与互联网、外设以及其他仪器相联接，真正体现“软件就是仪器”、“网络就是仪器”的概念。3虚拟仪器主要特点3．1用户自定义功能3．2测试速度、精度传统测试系统对各种测试参数必须一一测量，这样必然会对测试速度和精度产生影响。而虚拟仪器中所需要的多个输出测试信号能用一组测试信号经过数据分析处理给出。这种将多种测试集于一体的方法极大地缩短了测试时间，同时也提高了测试精度。3．3系统组建和集成虚拟仪器技术极大地缩短了自动测试系统构建时间，减少了自动测试系统组建难度。3．4未来扩展功能虚拟仪器技术核心是软件。其硬件结构具有统一标准，便于测试系统的升级和兼容，从而可以很方便加入通用仪器模块或更换仪器模块。将来一定会有许多新型虚拟仪器出现，其性能会更高、速度更快、使用更方便、开发更简单、兼容性更强。传统仪器与虚拟仪器性能对比传统仪器维护困难技术更新慢、难以升级硬件是关键厂家定义功能功能自成体系市场适应能力弱功能固定、封闭式体积大(相对)，使用不便捷开发、研制周期长、价格高虚拟仪器维护容易技术更新快、容易升级软件是关键用户定义功能面向用户自行设计、开发市场适应能力强功能灵活、开放式体积小．使用方便开发、研制周期短，成本低虚拟仪器将成为2l世纪测试仪器的主流和发展方向。它是面向对象思想在智能化、自动化测试领域的发展。在由软件、硬件以及模件等所构成的虚拟仪器系统中，普通用户不必去了解那些复杂电子线路以及开发软件的详细情况。而只要应用虚拟仪器系统所提供的“模块驱动面板或用户软件接口”和“用户硬件接口”进行简单二次开发，就可以在较短时间内开发出适合不同测控对象要求的测试系统。面向对象思想在虚拟仪器领域应用和发展，将会极大推动现代仪器设计方法和技术发展。在此思想指导下，不久将来，开发大型、高度智能化仪器就会像“堆积木”一样简单、方便、快捷。7.2滤波器模型滤波器是指执行信号处理功能的电子系统，它专门用于去除信号中不想要的成分或者增强所需成分。我们将线性时不变滤波器简称为滤波器。一个单输入单输出的滤波器通常用其传递函数或冲激响应来表示。选择和过滤信号是滤波器的重要功能。根据滤波器实现中所使用的综合方法的特征不同，可将其划分为巴特沃斯（Butterworth）型、切比雪夫（Chebyshev）1、2型滤波器、椭圆（elliptic）型等等。Matlab中提供了butter，cheb1ord，cheb2ord，ellipord四个函数来分别设计巴特沃斯型、切比雪夫1、2型滤波器以及椭圆型模拟滤波器或数字滤波器。它们的调用格式相同，如下：[n,Wn]=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs)%巴特沃斯型数字滤波器[n,fn]=buttord(fp,fs,Rp,Rs,‘s’)%巴特沃斯型模拟滤波器[n,Wn]=cheb1ord(Wp,Ws,Rp,Rs)%切比雪夫1型数字滤波器[n,fn]=cheb1ord(fp,fs,Rp,Rs,‘s’)%切比雪夫1型模拟滤波器[n,Wn]=cheb2ord(Wp,Ws,Rp,Rs)%切比雪夫2型数字滤波器[n,fn]=cheb2ord(fp,fs,Rp,Rs,‘s’)%切比雪夫2型模拟滤波器[n,Wn]=ellipord(Wp,Ws,Rp,Rs)%椭圆型数字滤波器[n,fn]=ellipord(fp,fs,Rp,Rs,'s')%椭圆型模拟滤波器Matlab专门提供了滤波器设计工具箱，而且还通过图形化界面向用户提供更为方便的滤波器分析和设计工具---FDATool。f_N=10000;f_p=[1000,1500];f_s=[1200,1300];R_p=3;R_s=30;[n,Wn]=cheb2ord(Wp,Ws,R_p,R_s);[b,a]=cheby2(n,R_s,Wn,‘stop’);freqz(b,a,1000,10000)subplot(2,1,1);axis([05000-353])程序运行后作出的切比雪夫2型带阻数字滤波器的幅频相频图如下图所示。从图中可见，频率响应满足设计要求。信源模型这里将介绍一些通信模块库中的常用确定信源模块：通信模块库提供了一些受控信源，它们是带触发控制的从文件读入数据源、离散时间压控源以及连续时间压控源。其功能和主要参数设置方法如下：带触发控制的从文件读入数据源（TriggeredReadfromFile）离散时间压控源（Discrete-TimeVCO）连续时间压控源（Voltage-ControlledOscillator）确定信源伪随机码源通信模块库中的伪随机码源包含了数据信源和伪随机码产生源两类。数据信源中的模块和参数设置如下：贝努利二进制信源（BernoulliBinaryGenerator）二进制错误模式发生源（BinaryErrorPatternGenerator）泊松整数发生源（PoissonIntegerGenerator）随机整数发生源（RandomIntegerGenerator）伪随机码产生源中的模块和参数设置如下：PN序列发生器（PNSequenceGenerator）Hadamard码发生器（HadamardCodeGenerator）Barker码发生器（BarkerCodeGenerator）Gold码发生器（GoldSequenceGenerator）Walsh码发生器（WalshCodeGenerator）Kasami序列发生器（KasamiSequenceGenerator）OVSF码发生器（OVSFCodeGenerator）通信模块库中的这些模块为系统建模提供了方便。实际上，我们也可以直接利用S-函数或Simulink基本模块，根据码产生的数学方程来得出这些伪随机序列，这样才能做到灵活建模，不受模块库的局限。7.3.3统计信源---噪声源除了Simulink基本库中提供的随机信号源之外，通信模块库中还提供了四个噪声源模块，它们分别是：高斯噪声发生器（GaussianNoiseGenerator）均匀噪声发生器（UniformNoiseGenerator）瑞利噪声发生器（RayleighNoiseGenerator）赖斯噪声发生器（RicianNoiseGenerator）信号参数的测量与分析7.4.1信号的能量和功率7.4.2信号直流分量和交流分量7.4.3离散时间信号的统计参数7.4.3信号的频域参数信号的时域频域能量和功率关系---帕斯瓦尔定理7.5锁相环和载波提取锁相环（PLL）是一种周期信号的相位反馈跟踪系统。锁相环由鉴相器、环路滤波器以及压控振荡器组成，如下图所示。Simulink通信模块库中也提供了锁相环的仿真模型，分为通带模型和基带等效模型两类，它们分别是：“Phase-LockedLoop”锁相环模块。“ChargePumpPLL”使用数字鉴相器的充电泵式锁相环模块。“BasebandPLL”锁相环的等效低通模块。“LinearizedBasebandPLL”锁相环的线性化等效低通模块。用于载波提取的锁相环仿真1平方环2科斯塔斯环7.6A/D和D/A转换器模型采样定理表明，如果以不小于2B次/秒的速率对基带模拟信号均匀采样，那么就可以通过该序列可以无失真地重建对应的基带模拟信号。如果采样率低于基带信号最高频率的2倍，那么采样输出序列的频谱就会发生交叠，从而无法恢复原基带模拟信号。例如，电话质量的话音信号的最高频率为3400Hz，为了保证无失真采样，对其进行采样的最低速率必须大于等于6800次/秒。考虑到实际低通滤波器的非理想特性，数字电话通信系统中规定采样率取8000次/秒。A/D转换负责将模拟信号转换为数字信号。实用的A/D转换器件的输出数据形式可以是并行的，也可以是串行的。〔实例〕对串行和并行输出的8位A/D和D/A转换器进行仿真，转换值范围为0到255，转换采样率为1次/秒。测试模型和仿真结果数据如图所示，其中设置零阶保持器采样时间间隔为1秒，量化器模块“Quantizer”的量化间隔为1。可见，发送信号为常数时，零阶保持器每隔1秒钟采样一次，量化器将采样输出结果进行四舍五入量化，得到整数值19，“IntegertoBitConverter”模块的转换比特数设置为8，进行8比特转换。转换输出为比特序列00010011，从“Display”模块显示出来。经过并串转换后得出高速率的串行传输二进制数据流。示波器显示了传输数据流的波形，如图所示。串行数据经过串并转换还原为8bit并行数据后，送入“BittoIntegerConverter”，它的转换比特数也要设置为8，这样就将8位并行二进制数据转换为整数值。然后通过“Display1”显示出来。D/A输出结果与原信号值之间存在误差，这是由于量化器四舍五入过程中产生的，称为量化误差或量化噪声。