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基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器技術

  近幾年來,虛擬儀器技術發(fā)展迅猛,其體現(xiàn)的優(yōu)點越來越明顯,而基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器的優(yōu)點更加明顯,其所需硬件少、可擴展性強,一臺虛擬儀器可以完成示波器、頻譜分析儀、數(shù)字多用表等功能。虛擬儀器的保障是保證儀器的測量精度的必要手段,但是,目前國內(nèi)還沒有針對這類虛擬儀器出臺的規(guī)程。

1、虛擬儀器的基本概念

虛擬儀器是一種概念儀器,目前國際上還沒有一個明確的標準和定義。虛擬儀器就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統(tǒng)。普遍認為,所謂虛擬儀器就是采用計算機開放體系結構取代傳統(tǒng)的單機測量儀器,對各種各樣的數(shù)據(jù)進行計算機處理、顯示和存儲。虛擬儀器在基本原理上與傳統(tǒng)儀器并無本質(zhì)區(qū)別,但是在儀器原理的實現(xiàn)上,虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器卻有以下所不同。

(1)傳統(tǒng)儀器側重于硬件技術,儀器功能的實現(xiàn)主要依賴硬件電路,功能的擴展和性能的提高體現(xiàn)的是新材料、新工藝、新原理結構的發(fā)展。整個儀器各部分耦合性強,關系密切,一般不能拆分。而虛擬儀器側重是通用軟、硬件平臺,是數(shù)學模型、算法設計、軟件手段與硬件技術的有機結合,最終實現(xiàn)儀器功能和性能。虛擬儀器較多地體現(xiàn)了數(shù)學理論、信息理論及信息技術的應用。

(2)傳統(tǒng)儀器受硬件、體積重量限制,實現(xiàn)功能較單一,技術更新也較慢,而虛擬儀器在同一硬件基礎上,可以實現(xiàn)多種功能,隨著數(shù)學和算法設計的發(fā)展,虛擬儀器可以實現(xiàn)的功能增長速度很快,性能提高也很快。

2、虛擬儀器的

目前,國內(nèi)還沒有專門出臺虛擬儀器的規(guī)程,現(xiàn)行虛擬儀器的還是根據(jù)與其測量功能相對應的傳統(tǒng)儀器的規(guī)程進行,即每一種功能都以其最終表現(xiàn)形式進行量傳溯源,整個儀器工作需要不同的標準儀器根據(jù)不同的測量功能提供不同的標準信號,即每一種功能按儀器整體進行。因為虛擬儀器每種功能都是建立在同一硬件基礎上,按照傳統(tǒng)儀器的方法,這會使工作陷入“疲于奔命”的尷尬境地,資源、技術支持、人員配置與培訓等都難以滿足性能儀器快速發(fā)展帶來的需求。

虛擬儀器的通用硬件和算法軟件屬于兩個不同的領域,可以拆分,因此,其儀器主要構成部分的可分離性為新型元器件虛擬儀器新的方法提供了可能。這里采用一種簡單、便捷的儀器辦法對虛擬儀器進行,這種方法側重的是軟件及數(shù)學模型作為儀器的一部分所體現(xiàn)出的性能的評價,以及它與硬件平臺的性能最終合成虛擬儀器總體性能的溯源問題。它的核心思想是先利用標準儀器對虛擬儀器的硬件平臺進行,即對硬件平臺在進行數(shù)據(jù)采集過程中的誤差進行分析和評定,得到硬件平臺的技術指標,如采集速率、轉(zhuǎn)換精度等;利用軟件產(chǎn)生符合硬件平臺技術指標的仿真采樣信號,而后儀器軟件平臺采用各種不同的算法對仿真信號進行處理,得到信號各種特征的測量結果,對結果進行統(tǒng)計分析得到虛擬儀器的性能指標。不同的測量功能對于硬件平臺的技術指標和所需標準信號的要求是不一樣的,因此,其產(chǎn)生的仿真信號也是不同的。

2.1 靜態(tài)測量特性評定

基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器的靜態(tài)測試功能主要是直流電壓、電流、電阻測量,電流、電阻數(shù)字化測量的核心技術與電壓數(shù)字化測量相同,不同之處是將電流、電阻轉(zhuǎn)換為電壓,因此,其方法與測電壓功能的方法相同。其靜態(tài)測量特性評定分為兩個部分:硬件平臺技術指標和軟件平臺技術指標。

2.1.1 硬件平臺技術指標

硬件平臺技術指標中對虛擬儀器靜態(tài)測試功能影響較大的是轉(zhuǎn)換精度,其采集速率的誤差影響可以忽略,因此只對其轉(zhuǎn)換精度進行。硬件平臺轉(zhuǎn)換精度的可以利用Fluke 5520A標準源為其提供標準直流電壓信號,讓儀器對標準電壓進行采樣,對采樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,可以得到硬件平臺轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)誤差u及標準不確定度σ,硬件平臺轉(zhuǎn)換過程中的測量誤差ΔX服從N(u,σ2)的正態(tài)分布。

2.1.2 軟件平臺技術指標

虛擬儀器軟件平臺主要是各種算法模型,其誤差主要是各種算法的誤差,每種算法的誤差模型是不變的,而需將硬件平臺的測量數(shù)據(jù)作為輸入,方法一般是算法推導、仿真,因此,對軟件平臺技術指標的實際上是虛擬儀器軟硬件平臺技術指標合成的過程。

在對軟件平臺技術指標的中,首先由軟件產(chǎn)生符合硬件平臺技術指標的仿真信號,即軟件按照該硬件平臺轉(zhuǎn)換誤差分布進行抽樣,樣本容量為n,根據(jù)公式:

               Xi=X+ΔXi,i=1,2,…,n            (1)

式中:Xi為仿真采樣數(shù)據(jù);X為理想電壓值;ΔXi為采樣過程中的誤差。利用虛擬儀器軟件平臺中靜態(tài)測試功能算法,如平均求和法,遞推求和法等,對仿真采樣數(shù)據(jù)Xi進行處理,對處理結果進行統(tǒng)計分析,根據(jù)分析結果對虛擬儀器靜態(tài)測試功能做出評價。

2.2 動態(tài)測量特性評定

基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器的動態(tài)測試功能主要是動態(tài)信號測量,如交流電壓、電流測量,幅頻特性,相位差測量等,其動態(tài)測量特性評定與靜態(tài)測量特性指標的兩個部分相同。

2.2.1 硬件平臺技術指標

在動態(tài)測試中硬件平臺主要對動態(tài)信號進行離散化和量化,其原理誤差主要有兩項:一項是離散化過程中用時間上離散的數(shù)據(jù)近似代替時間上連續(xù)的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生誤差,主要取決于硬件平臺的通道采集速率;另一項是對離散后的電壓信號的幅值進行量化而產(chǎn)生的誤差,主要取決于硬件平臺轉(zhuǎn)換精度。因此,硬件平臺的技術指標中對動態(tài)測試精度影響較大的除了上述的硬件平臺的轉(zhuǎn)換精度外,還包括數(shù)據(jù)采集器的通道采集速率。轉(zhuǎn)換精度的按照上述的方法進行,通道采集速率是采集通道在單位時間內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)個數(shù),是比較重要的動態(tài)特性指標,其多使用標準周期計數(shù)法進行,其基本思想是通過給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集通道加載一個周期非常準確的標準信號,啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對該信號進行采集,找出采集數(shù)據(jù)個數(shù)中所包含的輸入信號整周期的個數(shù)N,以及N個信號整周期中包含的采集數(shù)據(jù)個數(shù)n。若標準信號頻率為f,周期為T,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道采集速率為v