無(wú)源網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、無(wú)源網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的廣泛應(yīng)用，使得用戶可以按照需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)。無(wú)源網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納測(cè)量?jī)x即是虛擬儀器設(shè)計(jì)思想的一種詳細(xì)運(yùn)用，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)端口網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納舉行自動(dòng)測(cè)量。測(cè)量?jī)x是以c8051為控制和處理核心，采納可編程規(guī)律器件epf10k10，按照dds原理產(chǎn)生信號(hào)源，將信號(hào)源銜接到待測(cè)的網(wǎng)絡(luò)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)兩端的和舉行差分放大，使其輸出電壓盡可能達(dá)到的最大輸入電壓，然后舉行ad采樣，采樣時(shí)，頻率隨信號(hào)頻率而轉(zhuǎn)變，一個(gè)周期內(nèi)固定采32個(gè)點(diǎn)，用單片機(jī)的p1、p2挺直接收數(shù)據(jù)，邊采樣邊接收。對(duì)采樣所得的電流、電壓數(shù)據(jù)舉行迅速傅立葉變換(fft)，并分離求出其模值和相位，則導(dǎo)納的模值為電流模值與電壓

2、模值之比，相位為電流與電壓的相位之差。試驗(yàn)證明，導(dǎo)納測(cè)量?jī)x可按照不同的被測(cè)對(duì)象，挑選合適量程，可步進(jìn)轉(zhuǎn)變信號(hào)頻率(頻率呵由鍵盤(pán)挺直鍵入)，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。系統(tǒng)功能與指標(biāo)1制作正弦波，技術(shù)指標(biāo)如下：a、能產(chǎn)生100hz、：300hz、1khz、3khz、10khz頻率，頻率誤差的肯定值小于所要求頻率的1：b、輸出電壓峰-峰值為1v，輸出電壓誤差的肯定值小于20mv；c、輸出小于1，輸出波形無(wú)顯然失真。2實(shí)現(xiàn)端口網(wǎng)絡(luò)n0的電導(dǎo)rey、電納imy、導(dǎo)納模|y| 和導(dǎo)納角y的測(cè)量，技術(shù)指標(biāo)如下：a、電導(dǎo)rey的測(cè)量范圍為0.1ms10ms，分為若干量程，測(cè)量誤差的肯定值小于理論計(jì)算值的10；b、電納im

3、y的測(cè)量范圍為0.1ms10ms，分為若干量程，測(cè)量誤差的肯定值小于理論計(jì)算值的10：c、導(dǎo)納模|y|測(cè)量誤差的肯定值小于理論計(jì)算值的10；d、導(dǎo)納角y的測(cè)量范圍為±90°，測(cè)量誤差的肯定值小于理論計(jì)算值的5。發(fā)揮部分1將rey和imy的測(cè)量范圍擴(kuò)展到0.01ms100ms，測(cè)量誤差要求不變。2自動(dòng)測(cè)量功能a、正弦波信號(hào)發(fā)生器的頻率可以從100hz開(kāi)頭，以100hz的步進(jìn)增強(qiáng)，最后到達(dá)10khz結(jié)束；b、能在上述各頻率點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的rey和imy(或|y|和y)舉行延續(xù)的測(cè)量、存儲(chǔ)和回放顯示，其中，rey和imy(或|y|)的測(cè)量具有量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能；c、能分離顯示上述4個(gè)參數(shù)

4、的頻率特性曲線。系統(tǒng)計(jì)劃設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)利用芯片制作正弦波信號(hào)源v(t)=vmcos2ft，通過(guò)電壓測(cè)量電路和電流測(cè)量電路，輸入端口網(wǎng)絡(luò)，分離對(duì)端口兩端的電壓v(t)=vmcos2ft和電流i(t)=imcos(2ft+)舉行采樣，將采樣數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。然后對(duì)采樣所得的電壓v(n)和電流i(n)數(shù)據(jù)舉行 幅值推斷，按照電壓、電流的幅度值v(n)max、i(n)max來(lái)確定相應(yīng)的測(cè)量量程；對(duì)采樣數(shù)據(jù)舉行迅速傅立葉變換，得出采樣電壓和電流的幅度譜和相位譜，計(jì)算對(duì)應(yīng)頻率處的電壓模值|v|和相位v，及電流的模值|i|和相位i，則電流模值與電壓模值之比|i|v|即為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納模值|y|，電流與電壓的

5、相位之差 i-v為網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納的相位y。自動(dòng)轉(zhuǎn)變信號(hào)源的輸出信號(hào)頻率f，分離計(jì)算不同頻率的網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納值，可繪出網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納隨頻率的變幻曲線。實(shí)現(xiàn)原理1所示。正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)正弦信號(hào)產(chǎn)生采納dds技術(shù)，以fgpa方式實(shí)現(xiàn)，dds的基本結(jié)構(gòu)由參考時(shí)鐘、相位累加器、存儲(chǔ)器(rom)、和(lpf)組成，其組成2所示。在用fpga設(shè)計(jì)dds電路的時(shí)候，相位累加器是打算dds電路性能的關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)中采納相位累加器，通過(guò)進(jìn)位鏈和流水線技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣既能保證較高的資源利用率，又能大幅提高系統(tǒng)的性能和速度。相位幅度轉(zhuǎn)換電路是dds電路中的另一個(gè)關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)中瀕臨的主要問(wèn)題就是資源的開(kāi)銷(xiāo)。該電路通常采納

6、rom結(jié)構(gòu)，相位累加器的輸出是一種數(shù)字式鋸齒波，通過(guò)取它的若干位作為rom的地址輸入，而后通過(guò)查表和運(yùn)算，rom就能輸出所需波形的量化數(shù)據(jù)。在fpga(針對(duì)公司的器件)中，rom普通由eab實(shí)現(xiàn)，并且rom表的尺寸隨著地址位數(shù)或數(shù)據(jù)位數(shù)的增強(qiáng)成指數(shù)遞增關(guān)系，因此，在滿足信號(hào)性能的前提條件下，如何削減資源的開(kāi)銷(xiāo)就是一個(gè)重要的問(wèn)題。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了信號(hào)周期內(nèi)的對(duì)稱(chēng)性和算術(shù)關(guān)系來(lái)削減eab的開(kāi)銷(xiāo)。基于fpga的dds技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)頻率范圍為1khz1mhz、頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4的要求，且簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)100hz的功能。在其外圍電路設(shè)計(jì)中利用lf356接成射隨器，可以保證輸出電阻小于1，滿足設(shè)

7、計(jì)要求，同時(shí)通過(guò)調(diào)整電位器可轉(zhuǎn)變正弦波信號(hào)的峰峰值，便于系統(tǒng)調(diào)試。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用兩個(gè)adc，在ad采樣的時(shí)候，單片機(jī)同時(shí)舉行數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)。adc選用tlc5510，其采樣速率為20msps，在滿足要求指標(biāo)的同時(shí)，無(wú)須增強(qiáng)外圍存儲(chǔ)器。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程中，假設(shè)采集點(diǎn)數(shù)為16，對(duì)于最高頻率10khz來(lái)講，采樣頻率則為160khz，采樣周期即為1(160×106)=6s，而c8051f020的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為24mhz，為單命令周期，則系統(tǒng)時(shí)鐘為124×106=50ns，其70的命令是在12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘內(nèi)完成，這里假設(shè)為兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，考慮到存數(shù)過(guò)程為尋址存儲(chǔ)，大約耗

8、費(fèi)10個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，對(duì)應(yīng)時(shí)光為50×10=500ns=0.5s，徹低可以跟得上tlc5510的轉(zhuǎn)換速度。經(jīng)測(cè)試，命令執(zhí)行時(shí)光為1.5s，可以在一個(gè)周期內(nèi)采樣32個(gè)點(diǎn)，因此無(wú)需增強(qiáng)外圍存儲(chǔ)器，充分利用現(xiàn)有單片機(jī)資源，簡(jiǎn)化電路。自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)因?yàn)樗鶞y(cè)量的網(wǎng)絡(luò)不同，對(duì)應(yīng)的采樣電阻也需舉行適當(dāng)調(diào)節(jié)，才干保證采樣的精確性，系統(tǒng)必需具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。采納并接若干電阻，通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的通斷達(dá)到量程轉(zhuǎn)換的目的。量程確定過(guò)程如下：就電流采樣電路而言，tlc5510驅(qū)動(dòng)電壓為750mv250mv，則須保證電流采樣電壓必需在此范圍內(nèi)，方可保證采樣的精確(考慮指標(biāo)輸出電壓峰-峰值為1v，輸出電

9、壓誤差的肯定值小于20mv)，故有：34 > vi > 14 (1-1)而vi = rs(rs+z)，故有：34 > rs(rs+z) > l4 (1-2)簡(jiǎn)化可得下式：3 rs> z > rs3 (1-3)考慮指標(biāo)要保證電導(dǎo)rey的測(cè)量范圍為0.1ms10ms，故z在10010k范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)如下量程：第一檔：rs=30，可以測(cè)量： 90 > z >10；其次檔：rs=270，可以測(cè)量： 810 > z > 90;第三檔：rs=2.430k，可以測(cè)量： 7.290k > z > 810；第四檔：rs=21.870k，可以測(cè)量： 65.610k > z > 7.290 k；第五檔：rs=196.830k，可以測(cè)量： 100k > z > 65.610 k。量程推斷標(biāo)準(zhǔn)如下(采樣后電壓峰值為max_v_c，采樣后電流峰值為max_j_c)：假如max_v_c>3 max_i_c，則檔位應(yīng)自動(dòng)擲低；假如max_v_c結(jié)語(yǔ)設(shè)計(jì)中充分利用了單片機(jī)和fpga的強(qiáng)大功能，用軟件代替了大量的硬件，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，采納多點(diǎn)fft，使測(cè)量精度更高。測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)