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    重庆时时彩胆拖技巧: 一种基于GOERTZEL变换算法的检波器测试仪及测试方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201710168706.2

    申请日:

    2017.03.21

    公开号:

    CN106802436A

    公开日:

    2017.06.06

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01V 13/00申请日:20170321|||公开
    IPC分类号: G01V13/00 主分类号: G01V13/00
    申请人: 中国科学院地质与地球物理研究所
    发明人: 赵剑阳; 简逸芸; 游庆瑜; 徐锡强; 王肃静
    地址: 100029 北京市朝阳区北土城西路19号
    优先权:
    专利代理机构: 北京申翔知识产权代理有限公司 11214 代理人: 周春发
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201710168706.2

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.06.30|||2017.06.06

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    提供一种基于Goertzel变换算法的检波器测试仪及测试方法,其利用单片机的直接内存存取技术(DMA),直接读取存储的标准正弦信号查找表,产生所需频率正弦信号,并通过低谐波失真、高频谱纯度的电流源架构,提高检波器参数测试的测量范围和准确度;使用数字化正弦扫频信号作为输入,测得的检波器参数,可以直接测量待测检波器幅频响应和相频响应特性;使用反馈电路对检波器进行扩频的方式,测量检波器低频响应的真实特性。该检波器测试技术测试范围大、精度高,测试指标可靠,测试速度快,便携性等优势。

    权利要求书

    1.一种基于Goertzel变换算法的检波器测试仪,其特征在于,其利用单片机的直接内
    存存取技术(DMA),直接读取存储的标准正弦信号查找表,产生所需频率正弦信号,并通过
    低谐波失真、高频谱纯度的电流源架构,提高检波器参数测试的测量范围和准确度;使用数
    字化正弦扫频信号作为输入,测得的检波器参数,可以直接测量待测检波器幅频响应和相
    频响应特性;使用反馈电路对检波器进行扩频的方式,测量检波器低频响应的真实特性。
    2.根据权利要求1所述的检波器测试仪,其特征在于,检波器测试仪包括单片机和FPGA
    主电路板、D/A转换电路、电流源、信号调理、A/D转换电路和LCD显示屏;单片机存储标准正
    弦信号查找表,利用DMA直接产生不同频率正弦信号,再连接D/A转换电路,并通过电流源加
    到检波器上,再对检波器的输出电压放大调理,进行A/D转换,传输到FPGA中,利用Goertzel
    变换算法和正弦查找表直接计算出所采不同频率下的频率响应和谐波失真度;同时通过采
    集的数据全面计算和分析出检波器固有频率、灵敏度、阻尼比、直流电阻、动态电阻的各项
    参数,利用LCD显示出来,并提供USB接口,存储测试的数据结果。
    3.根据权利要求2所述的检波器测试仪,其特征在于,单片机存储一个正弦信号查找
    表,利用DMA直接产生高精度数字化正弦扫频信号作为检波器输入,检测检波器幅频响应和
    相频响应特性。
    4.一种使用权利要求1-3中之任一所述的检波器测试仪的检测方法,其特征在于,其基
    于Goertzel变换算法对幅频特性和相频特性进行分析,实时计算出幅度和相位信息,完整
    还原出检波器的频率响应,并得到待检测检波器的谐波失真度和各项参数,精度可程序调
    整,无需存储数据后再计算,无需预留大量硬件内存。
    5.根据权利要求4所述的检测方法,其特征在于,Goertzel算法为一个二阶IIR带通滤
    波器,滤波器的传递函数为:
    <mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <mi>k</mi> <mo>/</mo> <mi>N</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msup> <msup> <mi>Z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <mi>k</mi> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>Z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>Z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>
    其中,Hk(Z)为滤波器的传递函数,k=ft*N/fs,ft为信号频率,fs为系统采样频率,N为样
    本点数。
    6.一种使用权利要求1-3中之任一所述的检波器测试仪的检测方法,其特征在于,基于
    Goertzel变换算法的检波器测试仪的测试原理如下:
    第一步,在检波器测试仪单片机FLASH里建立和存储了标准正弦信号查找表,用于产生
    不同频率正弦信号,查找表中为一个周期内正弦信号的幅值,精度为2的16次方,分辨率为
    10KSPS;
    第二步,利用单片机的DMA,直接读取FLASH里正弦信号查找表;在产生不同频率信号
    时,直接在正弦信号查找表中抽取数据,生成所需频率的数字信号,利用DMA传输到D/A转换
    器中即可;
    第三步,采用16位高精度D/A转换器,提高了测试信号源源头的准确度,将单片机产生
    的数字信号转换为高精度模拟信号;
    第四步,高精度模拟信号经过电流源后,加载到待测检波器上。通过信号调理后,将采
    集到的检波器信号进行A/D转换后,传输到FPGA中;
    第五步,FPGA对采集的数据进行Goertzel变换,Goertzel变换算法的计算同样通过查
    找正弦信号表,直接查找正弦值,提高了计算速度;
    第六步,FPGA将计算的Goertzel变换实时结果传给单片机,单片机对数据进行整合和
    保存,显示到LCD上,并提供USB接口,测试完成后可以将测试数据存储到外设中。
    7.一种使用权利要求1-3中之任一所述的检波器测试仪的检测方法,其特征在于,基于
    Goertzel变换算法的检波器测试仪的检测方法如下:
    第一步,打开检波器测试仪上的测试仪电源,将输入信号线、输出信号线加载到待测检
    波器上;检波器测试仪上使用的4.3英寸的LCD,开机后会显示检波器测试仪初始化正常和
    检波器测试仪的电池电源电量;电量不足时,提供外接5V直流插口可供充电使用;
    第二步,开始测试时,首先判断是否插入USB外接设备,若有外接设备,设置保存数据的
    路径;没有外接设备时,跳过保存数据选择;
    第三步,通过检波器测试仪上的4*4键盘,先选择需要产生的扫频频段、各频段扫频时
    间;再通过键盘输入电流值,来改变对应的测试仪输入信号幅度;最后选择ENT按键,开始测
    试和分析;
    第四步,测试过程中,若出现异常电流情况,本发明包含安全?;て?,如果测试仪输出
    电流过大造成过载时,发出蜂鸣并中断测试?;ぜ觳ㄆ?,并在LCD上显示错误原因;正常测
    试时,LCD上实时显示的不同频率和幅度下,待测检波器的频率响应、谐波失真度、灵敏度、
    直流电阻、动态电阻参数,并得到和显示出待测检波器的直流电阻、固有频率;
    第五步,检波器测试仪提供的USB存储接口,在测试完成后,可以将测试时间内的测试
    结果的数据保存成EXCEL表格,保存到外接USB存储设备中。

    说明书

    一种基于Goertzel变换算法的检波器测试仪及测试方法

    技术领域

    本发明属于地球物理勘探技术领域,其涉及一种基于Goertzel变换算法的检波器
    测试仪及测试方法,其适用于对微弱信号进行拾取的检波器进行测试。

    背景技术

    地震检波器是一种被广泛应用于地球物理勘探和地震研究的检波器,对微弱信号
    进行拾取,检波器的性能直接关系到地震数据采集的质量,其各项性能的测量结果对于保
    证勘探数据品质和后续采集电路的设计十分重要。

    现有的检波器测试仪,测试检波器的固有频率、灵敏度、阻尼比、直流电阻、动态电
    阻等参数时,大多使用直流激励法以及正弦扫频电激励法。直流激励法原理清楚,结构简
    单,适宜于小阻尼低固有频率检波器,但对于较大阻尼及较高固有频率检波器,测量误差较
    大;而且在利用测得的参数对检波器进行幅频和相频响应特性分析时,误差更大。由于低频
    检波器制作难度高,价格昂贵,现在地震检波器在测量地震微弱低频信号时,大多为了扩频
    的目的,使用反馈电路对低频信号进行检测,若只是利用测量的固有频率和阻尼比等参数
    进行反馈计算,对于低于固有频率部分的频率响应不真实,对采集的地震信号质量有严重
    影响,因此更需要利用扫频的方式,将检波器低频的响应的真实特性测量出来。在现有的检
    波器测试仪中使用的正弦扫频激励测试准确度更高,且测试速度也更快,是地震勘探随时
    随地检波器测试标定的最佳方法,但是目前使用正弦扫频测试所产生的正弦信号都是通过
    振荡器产生,这种方式产生的信号的精度受振荡器的环境影响较大,易老化,信号本身易失
    真;同时振荡器产生的低频信号精度不高,造成硬件电路复杂、成本过高。

    在地震检波器中谐波失真度是一个非常重要的性能指标,谐波失真度是输出信号
    谐波分量有效值总和与基波分量有效值之比的百分比,是衡量检波器性能的综合指标,它
    决定了检波器的瞬时动态范围。现有检波器测试仪的测量方式大多数都是在检波器线圈两
    端通入高保真测量频率的正弦波信号,检波器在此信号激励下由电磁感应原理产生输出响
    应,对输出响应进行FFT频率分析,来确定检波器输出的失真度;在利用正弦扫频测量检波
    器的频率响应时,同样也需要对采集的信号进行傅里叶变换。但是现在普遍使用的傅里叶
    变换计算方法需要先保存采集的数据,再进行频谱分析。实际测量时,数据采集的时间总是
    有限的,由于采集时间越长精度越高,这就需要大量内存来保证计算精度。

    因此,需要研发能够解决上述技术问题的新检波器的测试仪。

    发明内容

    基于现实和生产实践的需要,本申请人投入大量资金及长期研究,提供了一种基
    于Goertzel变换算法的检波器测试仪及测试方法,其不仅很好地解决了现有技术中存在的
    生产成本高的问题,还能解决了检波器失真度过高的问题,同时提高了测试仪的测试精度。

    依据本发明的第一方面,提供一种基于Goertzel变换算法的检波器测试仪,其利
    用单片机的直接内存存取技术(DMA),直接读取存储的标准正弦信号查找表,产生所需频率
    正弦信号,并通过低谐波失真、高频谱纯度的电流源架构,提高检波器参数测试的测量范围
    和准确度;使用数字化正弦扫频信号作为输入,测得的检波器参数,可以直接测量待测检波
    器幅频响应和相频响应特性;使用反馈电路对检波器进行扩频的方式,测量检波器低频响
    应的真实特性。

    所述检波器测试仪包括单片机和FPGA主电路板、D/A转换电路、电流源、信号调理、
    A/D转换电路和LCD显示屏;单片机存储标准正弦信号查找表,利用DMA直接产生不同频率正
    弦信号,再连接D/A转换电路,并通过电流源加到检波器上,再对检波器的输出电压放大调
    理,进行A/D转换,传输到FPGA中,利用Goertzel变换算法和正弦查找表直接计算出所采不
    同频率下的频率响应和谐波失真度;同时通过采集的数据全面计算和分析出检波器固有频
    率、灵敏度、阻尼比、直流电阻、动态电阻的各项参数,利用LCD显示出来,并提供USB接口,存
    储测试的数据结果。其中单片机存储一个正弦信号查找表,利用DMA直接产生高精度数字化
    正弦扫频信号作为检波器输入,检测检波器幅频响应和相频响应特性。

    依据本发明的第二方面,提供一种使用上述的检波器测试仪的检测方法,其基于
    Goertzel变换算法对幅频特性和相频特性进行分析,实时计算出幅度和相位信息,完整还
    原出检波器的频率响应,并得到待检测检波器的谐波失真度和各项参数,精度可程序调整,
    无需存储数据后再计算,无需预留大量硬件内存。

    其中,Goertzel算法为一个二阶IIR带通滤波器,滤波器的传递函数为:


    其中,Hk(Z)为滤波器的传递函数,k=ft*N/fs,ft为信号频率,fs为系统采样频率,N
    为样本点数。

    进一步地,基于Goertzel变换算法的检波器测试仪的测试原理如下:

    第一步,在检波器测试仪单片机FLASH里建立和存储了标准正弦信号查找表,用于
    产生不同频率正弦信号,查找表中为一个周期内正弦信号的幅值,精度为2的16次方,分辨
    率为10KSPS;

    第二步,利用单片机的DMA,直接读取FLASH里正弦信号查找表;在产生不同频率信
    号时,直接在正弦信号查找表中抽取数据,生成所需频率的数字信号,利用DMA传输到D/A转
    换器中即可;

    第三步,采用16位高精度D/A转换器,提高了测试信号源源头的准确度,将单片机
    产生的数字信号转换为高精度模拟信号;

    第四步,高精度模拟信号经过电流源后,加载到待测检波器上。通过信号调理后,
    将采集到的检波器信号进行A/D转换后,传输到FPGA中;

    第五步,FPGA对采集的数据进行Goertzel变换,Goertzel变换算法的计算同样通
    过查找正弦信号表,直接查找正弦值,提高了计算速度;

    第六步,FPGA将计算的Goertzel变换实时结果传给单片机,单片机对数据进行整
    合和保存,显示到LCD上,并提供USB接口,测试完成后可以将测试数据存储到外设中。

    优选地,基于Goertzel变换算法的检波器测试仪的检测方法如下:

    第一步,打开检波器测试仪上的测试仪电源,将输入信号线、输出信号线加载到待
    测检波器上;检波器测试仪上使用的4.3英寸的LCD,开机后会显示检波器测试仪初始化正
    常和检波器测试仪的电池电源电量;电量不足时,提供外接5V直流插口可供充电使用;

    第二步,开始测试时,首先判断是否插入USB外接设备,若有外接设备,设置保存数
    据的路径;没有外接设备时,跳过保存数据选择;

    第三步,通过检波器测试仪上的4*4键盘,先选择需要产生的扫频频段、各频段扫
    频时间;再通过键盘输入电流值,来改变对应的测试仪输入信号幅度;最后选择ENT按键,开
    始测试和分析;

    第四步,测试过程中,若出现异常电流情况,本发明包含安全?;て?,如果测试仪
    输出电流过大造成过载时,发出蜂鸣并中断测试?;ぜ觳ㄆ?,并在LCD上显示错误原因;正
    常测试时,LCD上实时显示的不同频率和幅度下,待测检波器的频率响应、谐波失真度、灵敏
    度、直流电阻、动态电阻参数,并得到和显示出待测检波器的直流电阻、固有频率;

    第五步,检波器测试仪提供的USB存储接口,在测试完成后,可以将测试时间内的
    测试结果的数据保存成EXCEL表格,保存到外接USB存储设备中。

    本发明中提出的检波器检测仪及测试方法,单片机产生数字化正弦扫频信号,经
    过低谐波失真、高频谱纯度的电流源架构,以此测量出检波器的幅频响应和相频响应特性,
    提高了检波器测试精度?;贕oertzel变换的计算方法,能快速简单的计算出幅度和相位
    信息,无需存储,实时得到检波器频率响应、谐波失真度和各项参数,计算速度快,测试仪操
    作简便,测试仪硬件构成简单,体积小,质量轻,价格低,准确率高等优点。

    附图说明

    附图1是Goertzel算法的实现原理结构框图。

    附图2是本发明检波器测试仪的结构示意图。

    附图3是本发明检波器测试仪的整体电路图。

    附图4-1、4-2、4-3分别是是本发明检波器测试仪的D/A转换??榈缏吠?。

    附图5是本发明检波器测试仪的电流源??榈缏吠?。

    附图6是本发明检波器测试仪的信号调理??楹虯/D转换??榈缏吠?。

    附图7是本发明检波器测试仪的外观示意图。

    附图8是本发明测试方法的主流程图。

    具体实施方式

    下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
    整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例?;?br />于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其
    他实施例,都属于本发明?;さ姆段?。

    本发明提供的基于Goertzel变换算法的检波器测试仪利用单片机的DMA(直接内
    存存取技术),直接读取存储的标准正弦信号查找表,产生所需频率正弦信号,对于低频信
    号的产生优势尤为明显,并通过低谐波失真、高频谱纯度的电流源架构,提高了检波器参数
    测试的测量范围和准确度,解决测试信号源源头易失真问题。使用数字化正弦扫频信号作
    为输入,测得的检波器参数精度高,可以直接测量待测检波器幅频响应和相频响应特性。对
    于使用反馈电路对检波器进行扩频的方式,由于低于固有频率部分的幅频响应能通过扫频
    的方式,将检波器低频响应的真实特性测量出来,因而提供了可靠的特性参数数据,提高了
    反馈电路对于低频信号的测量精度。

    本发明检波器测试仪由单片机和FPGA主电路板、D/A转换电路、电流源、信号调理、
    A/D转换电路和LCD显示屏组成。单片机存储标准正弦信号查找表,利用DMA直接产生不同频
    率正弦信号,再连接D/A转换电路,并通过电流源加到检波器上,再对检波器的输出电压放
    大调理,进行A/D转换,传输到FPGA中,利用Goertzel变换算法和正弦查找表直接计算出所
    采不同频率下的频率响应和谐波失真度。同时,通过采集的数据全面计算和分析出检波器
    固有频率、灵敏度、阻尼比、直流电阻、动态电阻等其他各项参数,利用LCD显示出来,并提供
    USB接口,存储测试的数据结果。

    此外,本发明提供的基于Goertzel变换算法的检波器测试方法对幅频特性和相频
    特性进行分析时,基于Goertzel变换算法的测试方法,能实时计算出幅度和相位信息,完整
    还原出检波器的频率响应,并得到待检测检波器的谐波失真度和各项参数,精度可程序调
    整,无需预留大量硬件内存,计算速度快。通过使用嵌入式技术以及现代数字信号处理技
    术,系统可以实现以前台式检波器测试仪全部的功能。体积、重量、功耗等大大缩小。本检波
    器测试仪提供USB接口,可以将测试结果保存至外接USB存储设备,方便记录和查看,也解决
    了数据存储量的问题,减小了检波器测试仪的体积。

    本发明的检测技术对检波器采集到的数字信号直接Goertzel变换,进行幅频特性
    分析,无需对采集的信号进行存储后再进行频率转换,可以实时计算出当下时刻的待测频
    率的幅度和相位信息。采用Goertzel算法,是DFT的一种快速算法。

    Goertzel算法可以看作是一个二阶IIR带通滤波器,滤波器的传递函数为:


    其中,Hk(Z)为滤波器的传递函数,k=ft*N/fs,ft为信号频率,fs为系统采样频率,N
    为样本点数。

    计算方法如附图1:

    确定采样率fs、块大小N和需要计算的频率ft,计算需要的常数:

    k=ft*N/fs

    则该滤波器的实现形式为


    式中,Sk(n)为递推计算的中间值,其中Sk(0)=Sk(-1)=0。对每一个采样值X(n),
    其中1≤n≤N,在进行N次预采样计算之后,可以得到块N时间段内待测频率ft的FFT值Y(N)
    为:

    Y(N)=Sk(N)-e-j2πk/NSk(N-1)

    对频率为ft的稳态响应信号进行采样,采样频率为fs,其值大于信号中ft的2倍时
    满足采样定理,采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。所以基于Goertzel
    变换算法能快速计算和完整还原出待测检波器幅频响应和相频响应特性。计算谐波失真度
    时,先确定常数k,通过更改A/D转换采样率,计算处不同谐波的幅频特性即可,计算速度快

    下面将结合本发明中的附图,对本发明的技术方案进行进一步的详细描述。

    如附图2所示,图2为本发明的一种基于Goertzel变换算法的检波器测试仪的结构
    图,由单片机和FPGA主电路板①,D/A转换电路②,电流源③,检波器④,信号调理⑤,A/D转
    换电路⑥,LCD⑦组成。

    单片机和FPGA主电路板①??槲觳ㄆ鞑馐砸堑氖荽砥?,主要功能是产生正
    弦扫频信号,并对采集的待测检波器信号进行计算,测试检波器的各项参数。单片机的DMA
    (直接内存存取技术)可以直接读取存储的标准正弦信号查找表,产生所需频率正弦信号,
    提供信号输出。FPGA对采集到的待测检波器信号进行Goertzel变换算法的计算,精度可程
    序调整,无需预留大量硬件内存,计算速度快。

    D/A转换电路②??槭墙テ恼疑ㄆ凳中藕抛晃D獾缪剐藕?,
    取代原有的振荡器,大大降低了低频信号的失真度,提高了检波器参数测试的测量范围和
    准确度,解决测试信号源源头易失真问题。

    电流源③??槭墙獶/A电路输出的模拟电压信号转换为模拟电流信号,加载到待
    测检波器④上,通过低谐波失真、高频谱纯度的电流源架构,实现正弦扫频信号作为输入。

    信号调理⑤??槭遣杉饧觳ㄆ鳍苁涑龅牡缪剐藕?,进行整流滤波等信号调理
    后,输入AD芯片。

    A/D转换电路⑥??槭墙藕诺骼砗蟮哪D庑藕抛晃呔仁中藕?,输入到
    FPGA中,进行Goertzel变换算法的计算。

    LCD⑦??榱拥テ?,显示检波器测试仪的各项工作状态和FPGA传输到单片机
    中计算的结果等。

    如图3所示的基于Goertzel变换算法的检波器测试仪整体电路,单片机和FPGA主
    电路板①??橹械テ∮猛ü齍SB认证的LPC11Uxx系列微控制器,具有更多内存、串行通
    信、高速ADC等特性。单片机提供外接USB存储接口和5V直流插口。5V直流转换为±5V和+
    3.3V电源,为其他??楣┑?。+3.3V电源为单片机和FPGA供电。单片机通过SPI接口(SDO、/
    SYNC、SCLK、SDIN)和IO口(/CLR、/LDAC、/RESET)与D/A转换电路②??榱?,同时±5V和+
    3.3V电源供电,D/A转换电路②的输出OUTV通过连接电流源③,5V直流供电,转换为电流信
    号OUTI,加载到待测检波器上,待测检波器产生的信号IN+和IN-经过信号调理⑤和AD???br />⑥,5V直流供电,转换为高精度数字信号,利用SPI接口(AD_SCLK、AD_DOUT、AD_CLK)传输到
    单片机和FPGA主电路板①??橹?。FPGA选用Actel公司IGLOO系列,其优势在于相同规模下
    功耗低,基于Flash工艺的非易失性FPGA,可靠性高,计算速度快。FPGA计算输入信号的
    Goertzel变换后的幅频特性,传输到单片机,单片机通过IO口(LCD_RS、LCD_E、LCD_D4、LCD_
    D5、LCD_D6、LCD_D7)与LCD连接,5V直流供电,将结果显示到LCD上。

    其中D/A转换电路②??橄晗傅缏吠既绺酵?-1、4-2、4-3所示,AD5791是一款单通
    道,提供20位可编程电压,其输出范围为-10V至+10V,单芯片1ppm精度的数模转换器,且具
    有低噪声特性。单片机通过SPI接口(SDO、/SYNC、SCLK、SDIN)和IO口(/CLR、/LDAC、/RESET)
    与连接AD5791,传输单片机数字扫频信号。AD5791由±5V和+3V供电,电源分别并接0.1μF和
    10μF旁路电容到地。AD5791的输出VOUT连接AD8657正向输入端,AD8657反向输入端连接1K
    电阻到地,以及连接1K电阻到输出端,提供电压反馈,产生低谐波失真、高频谱纯度正弦信
    号。

    图4-2和图4-3使用双通道运算放大器AD8676对AD5791基准电压(VREFNF、VREFNS、
    VREFPF、VREFPS)输入进行缓冲。图4-2所示,±5V給运算放大器AD8676供电,+5V串联1.5K电
    阻到AD8676的一个运算放大器反向输入端,串联1K电阻到输出端,正向输入端接地。运算放
    大器输出端连接AD8676的另一个运算放大器的正向输入端,反向输入端和输出端就是基准
    电压VREFNF和VREFNS。图4-3所示,±5V給运算放大器AD8676供电,+5V串联1.5K电阻到
    AD8676的一个运算放大器正向输入端,并联10μF电容到地。运算放大器的反向输入端并联
    1K电阻到地,串联51Ω电阻到输出端,输出端连接AD8676的另一个运算放大器的正向输入
    端,反向输入端和输出端就是基准电压VREFPF和VREFPS。

    电流源③??橄晗傅缏吠既绺酵?所示,AD8276内置四个40kΩ激光调整电阻,分
    别与输入引脚、REF引脚和SENSE引脚相连,基准电压VREF加在同相输入端,该电压控制输出
    电流量IO。由于运算放大器AD8603具有低偏置电流和低失调电压特性,所以在电路的反馈
    环路中选用该器件。AD8276的REF引脚连接AD8603的反相输入端和输出引脚,AD8603同相输
    入端通过电阻连接晶体管的发射极,作为电流源的输出。AD8276的的反相输入端-IN直接接
    地,输出OUT可用来驱动一个晶体管,提供高电流输出。晶体管基极与AD8276的OUT引脚相
    连,集电极连接+5V,发射极连接50Ω电阻到待测检波器正向输入端,提供输出电流。

    信号调理⑤??楹虯/D转换电路⑥??橄晗傅缏吠既绺酵?。+5V电源分别给
    MAX4252、LT1790和ADS1251供电,分别并联0.1μF电容到地。待测检波器两段分别连接
    MAX4252两组放大器的正向输入端,MAX4252反向输入端串联一个10K电阻连接输出端。检波
    器负极串联10K电阻连接LT1790输出的2.5V参考电压,并联1μF电容到地,抬高直流分量。
    MAX4252两组放大器进行信号调理后,输出端连接ADS1251输入端,并联10K电阻到地。
    ADS1251是TI公司生产的一种高精度、宽动态范围的24位△-Σ结构的模数转换器,5V电源
    供电。ADS1251的SPI接口(AD_SCLK、AD_DOUT、AD_CLK)连接到FPGA,传输模数转换后的信号,
    进行Goertzel变换算法的计算。

    本发明利用单片机的DMA读取正弦查找表直接产生数字扫频信号,再连接D/A转换
    电路将数字信号转换为模拟信号,通过电流源加载到检波器上,再对检波器上采集到信号
    进行放大调理,调理后的信号进行A/D转换,传输到FPGA中,利用Goertzel变换算法和正弦
    查找表直接计算出所采信号的频率响应和谐波失真度,并通过采集的数据全面计算和分析
    出检波器固有频率、灵敏度、阻尼比、直流电阻、动态电阻等其他各项参数,利用LCD显示出
    来,并提供USB接口,存储测试的数据结果。外观图如附图7所示。

    基于Goertzel变换算法的检波器测试仪是测试原理和方式是:

    第一步,在单片机FLASH里建立和存储了标准正弦信号查找表,可以用于产生不同
    频率正弦信号,表中为一个周期内正弦信号的幅值,精度为2的16次方,分辨率为10KSPS。

    第二步,利用单片机的DMA,直接读取FLASH里正弦信号查找表。在产生不同频率信
    号时,直接在正弦信号查找表中抽取数据,生成所需频率的数字信号,利用DMA传输到D/A转
    换器中即可。

    第三步,本发明采用16位高精度D/A转换器,提高了测试信号源源头的准确度,将
    单片机产生的数字信号转换为高精度模拟信号。

    第四步,高精度模拟信号经过电流源后,加载到待测检波器上。通过信号调理后,
    将采集到的检波器信号进行A/D转换后,传输到FPGA中。

    第五步,FPGA对采集的数据进行Goertzel变换,Goertzel变换算法的计算同样通
    过查找正弦信号表,直接查找正弦值,提高了计算速度。

    第六步,FPGA将计算的Goertzel变换实时结果传给单片机,单片机对数据进行整
    合和保存,显示到LCD上,并提供USB接口,测试完成后可以将测试数据存储到外设中。

    对检波器采集到的数字信号直接Goertzel变换,进行频率特性分析,无需对采集
    的信号进行存储后再进行频率转换,可以实时计算出当下时刻的幅频特性和相频特性。

    本发明的使用方法为:

    第一步,打开检波器测试仪上的测试仪电源,将输入信号线、输出信号线加载到待
    测检波器上。检波器测试仪上使用的4.3英寸的LCD,开机后会显示检波器测试仪初始化正
    常和检波器测试仪的电池电源电量。电量不足时,提供外接5V直流插口可供充电使用。

    第二步,开始测试时,首先判断是否插入USB外接设备,若有外接设备,设置保存数
    据的路径。没有外接设备时,跳过保存数据选择。

    第三步,通过检波器测试仪上的4*4键盘,先选择需要产生的扫频频段、各频段扫
    频时间。再通过键盘输入电流值,来改变对应的测试仪输入信号幅度。最后选择ENT按键,开
    始测试和分析。

    第四步,测试过程中,若出现异常电流等情况,本发明包含安全?;て?,如果测试
    仪输出电流过大造成过载时,发出蜂鸣并中断测试?;ぜ觳ㄆ?,并在LCD上显示错误原因。
    正常测试时,LCD上实时显示的不同频率和幅度下,待测检波器的频率响应、谐波失真度、灵
    敏度、直流电阻、动态电阻等参数,并得到和显示出待测检波器的直流电阻、固有频率等。

    第五步,检波器测试仪提供的USB存储接口,在测试完成后,可以将测试时间内的
    测试结果的数据保存成EXCEL表格,保存到外接USB存储设备中。

    系统的主流程图见附图8。主流程描述如下:

    第一步,程序开始运行后,首先进行软件和硬件的初始化工作,比如参数的初值设
    置、寄存器清零等;

    第二步,先判读是否插入USB,如果有USB外接设备,则设置数据保存路径。同时选
    择检波器扫频频率与扫频时间、以及测试幅值等参数。

    第三步,开始测试时,用单片机的DMA,直接读取存储的标准正弦信号查找表,产生
    所需频率信号,并通过低谐波失真、高频谱纯度的电流源加载到检波器上。

    第四步,根据设置的测试频率,确定采样率,同时启动A/D数据采集,采集到的数据
    传输到FPGA进行Goertzel变换算法的计算,FPGA将计算的实时结果传给单片机,单片机将
    得到的频率响应结果,根据公式换算成频率响应、谐波失真度、灵敏度、阻尼比、动态电阻、
    直流电阻、固有频率等各项参数,实时显示到LCD上。测试中若电流过大造成过载时,安全保
    护器发出蜂鸣并中断测试,?;ぜ觳ㄆ?,LCD显示错误原因。

    第五步,测试完成后,若有外接设备,将测试时间内的检测的实时数据结果将全部
    保存到EXCEL表格,存储在外接USB设备里。

    本发明经过试验,性能稳定,能够准确检测出检波器频率响应和各项参数,测试精
    度满足要求,测试速度快,使用方便,一般人员即可使用,实现了可靠、实用、便捷的检波器
    性能和各项参数的测量,为后续检波器的使用提供了高精度特性参数,为地震信号采集电
    路设计提供了数据基础。

    以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的?;し段Р⒉痪窒抻诖?,
    任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或
    替换,都应涵盖在本发明的?;し段е?。因此,本发明的?;し段вΩ靡匀ɡ蟮谋;?br />范围为准。

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    一种 基于 GOERTZEL 变换 算法 检波器 测试仪 测试 方法
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