多通道頻率響應分析系統及其方法
2023-05-19 17:11:56
專利名稱：多通道頻率響應分析系統及其方法
技術領域：
本發明屬於測控技術領域，涉及一種多通道頻率響應分析系統及其方法。
背景技術：
工程試驗中，頻率響應特性的測量是重要的一項試驗。進行系統頻率響應特性的 測量時，需要向被測系統輸入施加正弦激勵信號，同時採集記錄被測系統的輸出響應信號， 在被測系統處於穩定狀態時，比較輸出響應信號與輸入激勵信號的幅值和相位，得到當前 頻率點的幅值增益和相位關係，改變激勵信號的頻率，就可以得到一個頻率點的幅頻特性 和相頻特性組成的頻響特性。目前，頻率響應特性的測量中，通常使用以相關分析技術為基礎的頻率響應分析 儀或是以快速傅立葉變化(FFT)技術為基礎的動態信號分析儀，這些儀器屬於配有GPIB接 口的第二代智能測試儀器，本身提供有完善的測量功能。由於受儀器本身配置的限制，只能 完成少量通道的測量，如HP3562A動態信號分析儀、TD1250頻率響應分析儀等，配置有兩個 測量通道，一次只能完成對單一輸入和單一輸出系統頻率響應特性的測量；另外，由於儀器 本身不具有數據處理功能，難以完成複雜的數據處理任務，如使用頻率響應數據擬和傳遞 函數，建立系統數學模型。隨著VXI、PXI、LXI、CPCI等儀器總線技術的發展，由於其具有數據傳輸率高、容量 大、可靠性高的特點，因此，開發研製多通道頻率響應特性測試分析系統的條件已成熟。
發明內容
本發明的目的設計一種基於儀器控制總線、多通道、數據處理功能強、易擴展的 頻率響應分析系統及其分析方法。本發明的技術方案是一種多通道頻率響應分析系統，包括激勵信號產生模塊1、 數據採集模塊2和系統控制器模塊3、儀器控制總線4、激勵信號接線單元5和測量信號接 線單元6，其中，激勵信號產生模塊1為任意波形發生器儀器模塊，數據採集模塊2為多塊、 多通道並行數據採集儀器模塊或者是多塊、多通道數位化儀儀器模塊；系統控制器模塊3 通過機箱背板或底板的儀器控制總線4與激勵信號產生模塊1及數據採集模塊2通訊；激 勵信號產生模塊1信號通過激勵信號接線單元5輸出，外部測量信號通過測量信號接線單 元6接入到數據採集模塊2。所述系統控制器模塊3與激勵信號產生模塊1和數據採集模塊2插入安裝在配有 儀器控制總線4的機箱中，通過儀器控制總線4連接在一起完成控制信號的傳輸和數據交換。所述激勵信號產生模塊1的輸出信號，作為被測系統的輸入激勵信號，通過激勵 信號接線單元5接入被測系統；被測系統的響應輸出信號通過測量信號接線單元6，接入到 數據採集模塊2。所述儀器控制總線4是標準的PXI、VXI、GPIB、Serial或PC_DAQ儀器控制總線。
所述激勵信號接線單元5和測量信號接線單元6根據信號類型的不同，可選用普通孔、同軸孔、多芯航空接插件等接觸孔形式。同時提供一種多通道頻率響應分析方法，其特徵在於，由系統控制器模塊通過機 箱背板或底板的儀器控制總線控制激勵信號產生模塊和數據採集模塊的操作，由激勵信號 產生模塊輸出掃頻正弦激勵信號，由數據採集模塊完成對外部測量信號的採集。包括以下 步驟(1)激勵信號產生模塊按照系統控制器模塊所設定的輸出信號的種類、幅值、頻率 等參數，輸出相應的激勵信號；(2)數據採集模塊按照系統控制器模塊所設定的採集通道、採樣速率、採樣方式、 數據傳輸存儲方式等參數，採集相應的輸入信號。(3)系統控制器模塊從數據採集模塊第一個採集通道開始，按照採集數據的存儲 方式，查找當前採集通道的數據信號波形的起始點和結束點，得到當前採集通道對應的輸 入信號完整的波形數據。(4)對當前採集通道完整波形數據和激勵信號波形數據進行相關分析運算，得到 當前採集通道對應的輸入信號在當前頻率下的幅值增益和相位增益；或者是採用快速傅立 葉變換的方法，計算當前採集通道對應的輸入信號在當前頻率下的幅值增益和相位增益。(5)重複步驟(3)和步驟(4)，繼續下一個採集通道的數據處理，得到其對應輸入 信號的幅值增益和相位增益，直到完成所有輸入信號在所設置頻率下的幅值增益和相位增益。(6)改變激勵信號的頻率，重複步驟(1) 步驟(5)，並計算對應當前頻率下，所有 輸入信號的幅值增益和相位增益，從而得到整個掃頻範圍內所有輸入信號的幅頻特性和相 頻特性，完成多通道頻率響應分析。本發明具有以下優點(1)由於配置專用高性能系統控制器模塊和其它儀器模塊，使系統具有強大的數 據處理功能，測試精度高。(2)採用高可靠性的基於儀器控制總線的標準機箱和儀器模塊，結構緊湊、工作可 靠，能適應在嚴酷電磁與機械環境使用。(3)良好的可擴展性和可剪裁性。通過增加數位化儀器模塊或者是並行數據採集 儀器模塊，增加相應的測量信號接線單元及其電纜，就能方便地完成測量通道的擴展；可根 據需要選配其它儀器模塊，實現系統的積木化組合。(4)降低成本。由於實現了通用化設計，同一個系統可進行多通道測試，在功能上 相當於原有多個專用設備的功能，大大降低了設備成本；對用戶來說，由於多通道的頻率響 應分析大大提高了試驗測試效率，縮短了試驗周期，大大減少了費用。
圖1為本發明組成結構圖；圖2為本發明一個實施例的組成結構圖；圖3為本發明實施方法的軟體流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。多通道頻率響應分析系統組成結構如圖1所示，包括激勵信號產生模塊1、數據採集模塊2和系統控制器模塊3，系統控制器模塊3與激勵信號產生模塊1和數據採集模塊2 插入安裝在配有儀器控制總線4的機箱(圖中未畫出)中，通過儀器控制總線4連接在一 起完成控制信號的傳輸和數據交換，其特徵在於，激勵信號產生模塊1為任意波形發生器 儀器模塊，數據採集模塊2為多塊、多通道並行數據採集儀器模塊或者是多塊、多通道數字 化儀儀器模塊，以及包括有激勵信號接線單元5和測量信號接線單元6，系統控制器模塊3 通過機箱背板或底板的儀器控制總線4與激勵信號產生模塊1通訊，以及與數據採集模塊 2通訊，激勵信號產生模塊1輸出信號通過激勵信號接線單元5與被測系統相連，作為被測 系統的輸入激勵信號，被測系統的響應輸出信號通過測量信號接線單元6，接入到數據採集 模塊2。儀器控制總線4是標準的PXI、VXI、GPIB、Serial或PC_DAQ(即PC插卡)儀器控 制總線。激勵信號接線單元5和測量信號接線單元6根據信號類型的不同，可選用香蕉插 頭的普通孔、微同軸孔、BNC接插件的同軸孔、多芯航空接插件等種類不同的接觸孔形式，同 時對每個接觸孔代表何種信號進行電氣規定，以便與外部被測試系統進行通用的電氣和機 械對接。圖2為本發明一個實施例的組成結構圖。實施例中，採用基於VXI儀器控制總線的系統，既儀器控制總線4是標準的VXI總 線，其它儀器模塊均是基於VXI總線，插入安裝在4槽VXI機箱E8408A中，激勵信號產生模 塊1為E1441A任意波形發生器儀器模塊，數據採集模塊2為E1432A數位化儀儀器模塊，系 統控制器模塊3採用通用外接計算機的控制方式，配置有VXI儀器控制總線的0槽控制器 儀器模塊E8491A和通用的商用計算機或者是工控計算機。本實施例中，VXI總線測試系統功能的實現是通過控制器模塊3與其它儀器模塊 1、2之間的通訊所完成的，由控制器模塊3向其它儀器模塊1、2發送控制命令和命令參數， 並接收由儀器模塊1、2返回的響應狀態或數據信息；這裡，通用外接計算機對E1441A任 意波形發生器儀器模塊和E1432A數位化儀儀器模塊的控制通過0槽控制器模塊所完成， 外接計算機與0槽控制器模塊之間通過IEEE-1394數據總線進行通訊，0槽控制器模塊與 E1441A任意波形發生器儀器模塊和E1432A數位化儀儀器模塊之間通過VXI總線完成通訊。外接計算機實現人_機接口功能，提供人_機操作界面，接受用戶的操作輸入的通 道選擇、掃頻激勵信號參數和頻響分析的參數等，發送控制命令到0槽控制器模塊以便控 制各儀器模塊，另一方面，外接計算機還顯示數據結果圖形曲線等信息，提供輸出多通道頻 響分析測量結果。本發明的上述特徵可作如下變化，但它們都沒有偏離本發明的實質。如儀器控制 總線採用VXI總線外，還可選擇其它類型的儀器控制總線，如PXI、LXI、PCI、CPCI等；儀器模塊除選擇基於VXI總線的E1441A、E1432A外，還可選擇其它類型的儀器模 塊，如PXI總線的任意波形發生器模塊、並行數據採集模塊等；任意波形發生器模塊除選擇單獨的E1441A儀器模塊外，還可選擇與E1432A數位化儀模塊相配的1D4信號源選件，作為掃頻信號激勵源。圖3為本發明實施方法的軟體流程圖。本實施例中，多通道頻率響應分析測試方法包括以下步驟步驟301，由系統控制器控制數據採集模塊進行數據採集操作，設定數據採集通道、採樣速率、採樣方式、數據傳輸存儲方式等參數，讀各採集通道的數據，並得到各採集通 道的初始值；步驟302，由系統控制器控制激勵信號產生模塊啟動信號輸出操作，產生給定頻 率、幅值的正弦信號；步驟303，讀各測量通道採集數據到系統控制器，並按通道分類，根據數據採集順 序存儲組織數據；步驟304，從第一個測量通道開始，查找當前採集通道的數據信號波形的起始點；步驟305，判斷是否找到當前採集通道數據信號波形起始點，如已找到，則執行步 驟306，否則重複步驟303 步驟304 ；步驟306，捨棄當前採集通道信號波形數據起始點之前的數據，保存從起始點之後 的數據；步驟307，查找當前採集通道信號波形數據一個完整周期的結束點；步驟308，判斷是否找到當前採集通道信號波形數據一個完整周期的結束點，如未 找到信號波形數據一個完整周期的結束點，則執行步驟309，如已找到信號波形數據一個完 整周期的結束點，則執行步驟310 ；步驟309，繼續讀各採集通道所採集數據，與上次所讀取的數據合併，執行步驟 309 ；步驟310，根據得到的一個完整周期信號波形數據，計算所採集信號到的頻率；步驟311，當前採集信號頻率與所設置的激勵信號頻率比較，如果兩者一致，執行 步驟313，否則執行步驟312 ；步驟312，將當前採集通道信號波形數據一個完整周期的結束點作為起始點，執行 步驟307 ；步驟313，對當前採集通道一個周期完整波形數據進行相關分析運算，得到當前通 道所對應在當前激勵頻率下的幅值增益和相位增益；或者是採用快速傅立葉變換的方法， 計算當前通道在當前激勵頻率下的幅值增益和相位增益，得到當前採集通道對在當前頻率 下的頻率響應結果；步驟314，判斷當前採集通道一個完整周期信號波形數據的頻率是否< 1Hz，如果 是，則執行步驟317，否則執行步驟315 ；步驟315，比較採集信號的相鄰兩個周期的頻率響應結果相對誤差是否小於給定 的誤差，如果是，則執行步驟317，否則執行步驟316 ；步驟316，將當前採集通道信號波形數據一個完整周期的結束點作為起始點，繼續 下個周期的測量，執行步驟307 ；步驟317，獲取下個採集通道一個完整周期信號波形數據，並計算該採集通道的頻 率響應結果；步驟318，改變輸出信號頻率，產生輸出下一個頻率的激勵信號；
步驟319，判斷是否完成整個掃頻中所有頻率和所有採集通道的頻率響應分析測 量，如果是則執行步驟320，否則執行步驟303 ；步驟320，結束整個掃頻中所有頻率和所有採集通道的頻率響應分析測量。
權利要求
一種多通道頻率響應分析系統，包括激勵信號產生模塊[1]、數據採集模塊[2]和系統控制器模塊[3]、儀器控制總線[4]、激勵信號接線單元[5]和測量信號接線單元[6]，其特徵在於，激勵信號產生模塊[1]為任意波形發生器儀器模塊，數據採集模塊[2]為多塊、多通道並行數據採集儀器模塊或者是多塊、多通道數位化儀儀器模塊；系統控制器模塊[3]通過機箱背板或底板的儀器控制總線[4]與激勵信號產生模塊[1]及數據採集模塊[2]通訊；激勵信號產生模塊[1]信號通過激勵信號接線單元[5]輸出，外部測量信號通過測量信號接線單元[6]接入到數據採集模塊[2]。
2.如權利要求1所述的多通道頻率響應分析系統，其特徵在於，所述系統控制器模塊[3]與激勵信號產生模塊[1]和數據採集模塊[2]插入安裝在配有儀器控制總線[4]的機 箱中，通過儀器控制總線[4]連接在一起完成控制信號的傳輸和數據交換。
3.如權利要求1或權利要求2所述的多通道頻率響應分析系統，其特徵在於，激勵信 號產生模塊[1]的輸出信號，作為被測系統的輸入激勵信號，通過激勵信號接線單元[5]接 入被測系統；被測系統的響應輸出信號通過測量信號接線單元[6]，接入到數據採集模塊 [2]。
4.根據權利要求1所述的一種多通道頻率響應分析系統，其特徵在於，儀器控制總線[4]是標準的PXI、VXI、GPIB、Serial或PC_DAQ儀器控制總線。
5.根據權利要求1所述的一種多通道頻率響應分析系統，其特徵在於，激勵信號接線 單元[5]和測量信號接線單元[6]根據信號類型的不同，可選用普通孔、同軸孔、多芯航空 接插件等接觸孔形式。
6.一種多通道頻率響應分析方法，其特徵在於，由系統控制器模塊通過機箱背板或底 板的儀器控制總線控制激勵信號產生模塊和數據採集模塊的操作，由激勵信號產生模塊輸 出掃頻正弦激勵信號，由數據採集模塊完成對外部測量信號的採集。
7.根據權利要求6所述的多通道頻率響應分析方法，其步驟包括(1)激勵信號產生模塊按照系統控制器模塊所設定的輸出信號的種類、幅值、頻率等參 數，輸出相應的激勵信號；(2)數據採集模塊按照系統控制器模塊所設定的採集通道、採樣速率、採樣方式、數據 傳輸存儲方式等參數，採集相應的輸入信號。(3)系統控制器模塊從數據採集模塊第一個採集通道開始，按照採集數據的存儲方式， 查找當前採集通道的數據信號波形的起始點和結束點，得到當前採集通道對應的輸入信號 完整的波形數據。(4)對當前採集通道完整波形數據和激勵信號波形數據進行相關分析運算，得到當前 採集通道對應的輸入信號在當前頻率下的幅值增益和相位增益；或者是採用快速傅立葉變 換的方法，計算當前採集通道對應的輸入信號在當前頻率下的幅值增益和相位增益。(5)重複步驟(3)和步驟(4)，繼續下一個採集通道的數據處理，得到其對應輸入信號 的幅值增益和相位增益，直到完成所有輸入信號在所設置頻率下的幅值增益和相位增益。(6)改變激勵信號的頻率，重複步驟(1) 步驟(5)，並計算對應當前頻率下，所有輸入 信號的幅值增益和相位增益，從而得到整個掃頻範圍內所有輸入信號的幅頻特性和相頻特 性，完成多通道頻率響應分析。
全文摘要
本發明公開了一種多通道頻率響應分析系統及其方法，該系統包括激勵信號產生模塊[1]、數據採集模塊[2]和系統控制器模塊[3]、儀器控制總線[4]、激勵信號接線單元[5]和測量信號接線單元[6]，激勵信號產生模塊[1]為任意波形發生器儀器模塊，數據採集模塊[2]為多塊、多通道並行數據採集儀器模塊或者是多塊、多通道數位化儀儀器模塊；系統控制器模塊[3]通過機箱背板或底板的儀器控制總線[4]與激勵信號產生模塊[1]及數據採集模塊[2]通訊，激勵信號產生模塊[1]信號通過激勵信號接線單元[5]輸出，外部測量信號通過測量信號接線單元[6]接入到數據採集模塊[2]。本發明測量通道多，結構緊湊，數據處理能力強，測試精度高，並具有良好的可擴展性和可剪裁性。
文檔編號G01R23/16GK101806833SQ20101011924
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月8日 優先權日2010年3月8日
發明者支超有, 李霞 申請人:中國航空工業集團公司西安飛機設計研究所