專利名稱：多通道頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測控技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多通道頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
工程試驗中，頻率響應(yīng)特性的測量是重要的一項試驗。進行系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的 測量時，需要向被測系統(tǒng)輸入施加正弦激勵信號，同時采集記錄被測系統(tǒng)的輸出響應(yīng)信號， 在被測系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，比較輸出響應(yīng)信號與輸入激勵信號的幅值和相位，得到當(dāng)前 頻率點的幅值增益和相位關(guān)系，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(yīng)特性的測量中，通常使用以相關(guān)分析技術(shù)為基礎(chǔ)的頻率響應(yīng)分析 儀或是以快速傅立葉變化(FFT)技術(shù)為基礎(chǔ)的動態(tài)信號分析儀，這些儀器屬于配有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。由于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(tài)信號分析儀、TD1250頻率響應(yīng)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(tǒng)頻率響應(yīng)特性的測量；另外，由于儀器 本身不具有數(shù)據(jù)處理功能，難以完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，如使用頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)擬和傳遞 函數(shù)，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。隨著VXI、PXI、LXI、CPCI等儀器總線技術(shù)的發(fā)展，由于其具有數(shù)據(jù)傳輸率高、容量 大、可靠性高的特點，因此，開發(fā)研制多通道頻率響應(yīng)特性測試分析系統(tǒng)的條件已成熟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的設(shè)計一種基于儀器控制總線、多通道、數(shù)據(jù)處理功能強、易擴展的 頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)及其分析方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種多通道頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)，包括激勵信號產(chǎn)生模塊1、 數(shù)據(jù)采集模塊2和系統(tǒng)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(chǎn)生模塊1為任意波形發(fā)生器儀器模塊，數(shù)據(jù)采集模塊2為多塊、 多通道并行數(shù)據(jù)采集儀器模塊或者是多塊、多通道數(shù)字化儀儀器模塊；系統(tǒng)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(chǎn)生模塊1及數(shù)據(jù)采集模塊2通訊；激 勵信號產(chǎn)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(shù)據(jù)采集模塊2。所述系統(tǒng)控制器模塊3與激勵信號產(chǎn)生模塊1和數(shù)據(jù)采集模塊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(shù)據(jù)交換。所述激勵信號產(chǎn)生模塊1的輸出信號，作為被測系統(tǒng)的輸入激勵信號，通過激勵 信號接線單元5接入被測系統(tǒng)；被測系統(tǒng)的響應(yīng)輸出信號通過測量信號接線單元6，接入到 數(shù)據(jù)采集模塊2。所述儀器控制總線4是標(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(yīng)分析方法，其特征在于，由系統(tǒng)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(chǎn)生模塊和數(shù)據(jù)采集模塊的操作，由激勵信號 產(chǎn)生模塊輸出掃頻正弦激勵信號，由數(shù)據(jù)采集模塊完成對外部測量信號的采集。包括以下 步驟(1)激勵信號產(chǎn)生模塊按照系統(tǒng)控制器模塊所設(shè)定的輸出信號的種類、幅值、頻率 等參數(shù)，輸出相應(yīng)的激勵信號；(2)數(shù)據(jù)采集模塊按照系統(tǒng)控制器模塊所設(shè)定的采集通道、采樣速率、采樣方式、 數(shù)據(jù)傳輸存儲方式等參數(shù)，采集相應(yīng)的輸入信號。(3)系統(tǒng)控制器模塊從數(shù)據(jù)采集模塊第一個采集通道開始，按照采集數(shù)據(jù)的存儲 方式，查找當(dāng)前采集通道的數(shù)據(jù)信號波形的起始點和結(jié)束點，得到當(dāng)前采集通道對應(yīng)的輸 入信號完整的波形數(shù)據(jù)。(4)對當(dāng)前采集通道完整波形數(shù)據(jù)和激勵信號波形數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析運算，得到 當(dāng)前采集通道對應(yīng)的輸入信號在當(dāng)前頻率下的幅值增益和相位增益；或者是采用快速傅立 葉變換的方法，計算當(dāng)前采集通道對應(yīng)的輸入信號在當(dāng)前頻率下的幅值增益和相位增益。(5)重復(fù)步驟(3)和步驟(4)，繼續(xù)下一個采集通道的數(shù)據(jù)處理，得到其對應(yīng)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(shè)置頻率下的幅值增益和相位增益。(6)改變激勵信號的頻率，重復(fù)步驟(1) 步驟(5)，并計算對應(yīng)當(dāng)前頻率下，所有 輸入信號的幅值增益和相位增益，從而得到整個掃頻范圍內(nèi)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(yīng)分析。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)由于配置專用高性能系統(tǒng)控制器模塊和其它儀器模塊，使系統(tǒng)具有強大的數(shù) 據(jù)處理功能，測試精度高。(2)采用高可靠性的基于儀器控制總線的標(biāo)準(zhǔn)機箱和儀器模塊，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可 靠，能適應(yīng)在嚴(yán)酷電磁與機械環(huán)境使用。(3)良好的可擴展性和可剪裁性。通過增加數(shù)字化儀器模塊或者是并行數(shù)據(jù)采集 儀器模塊，增加相應(yīng)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(jù)需要選配其它儀器模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的積木化組合。(4)降低成本。由于實現(xiàn)了通用化設(shè)計，同一個系統(tǒng)可進行多通道測試，在功能上 相當(dāng)于原有多個專用設(shè)備的功能，大大降低了設(shè)備成本；對用戶來說，由于多通道的頻率響 應(yīng)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(fā)明組成結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明一個實施例的組成結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明實施方法的軟件流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述。多通道頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括激勵信號產(chǎn)生模塊1、數(shù)據(jù)采集模塊2和系統(tǒng)控制器模塊3，系統(tǒng)控制器模塊3與激勵信號產(chǎn)生模塊1和數(shù)據(jù)采集模塊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(shù)據(jù)交換，其特征在于，激勵信號產(chǎn)生模塊1為任意波形發(fā)生器 儀器模塊，數(shù)據(jù)采集模塊2為多塊、多通道并行數(shù)據(jù)采集儀器模塊或者是多塊、多通道數(shù)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(tǒng)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(chǎn)生模塊1通訊，以及與數(shù)據(jù)采集模塊 2通訊，激勵信號產(chǎn)生模塊1輸出信號通過激勵信號接線單元5與被測系統(tǒng)相連，作為被測 系統(tǒng)的輸入激勵信號，被測系統(tǒng)的響應(yīng)輸出信號通過測量信號接線單元6，接入到數(shù)據(jù)采集 模塊2。儀器控制總線4是標(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(guī)定，以便與外部被測試系統(tǒng)進行通用的電氣和機 械對接。圖2為本發(fā)明一個實施例的組成結(jié)構(gòu)圖。實施例中，采用基于VXI儀器控制總線的系統(tǒng)，既儀器控制總線4是標(biāo)準(zhǔn)的VXI總 線，其它儀器模塊均是基于VXI總線，插入安裝在4槽VXI機箱E8408A中，激勵信號產(chǎn)生模 塊1為E1441A任意波形發(fā)生器儀器模塊，數(shù)據(jù)采集模塊2為E1432A數(shù)字化儀儀器模塊，系 統(tǒng)控制器模塊3采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(tǒng)功能的實現(xiàn)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(fā)送控制命令和命令參數(shù)， 并接收由儀器模塊1、2返回的響應(yīng)狀態(tài)或數(shù)據(jù)信息；這里，通用外接計算機對E1441A任 意波形發(fā)生器儀器模塊和E1432A數(shù)字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(shù)據(jù)總線進行通訊，0槽控制器模塊與 E1441A任意波形發(fā)生器儀器模塊和E1432A數(shù)字化儀儀器模塊之間通過VXI總線完成通訊。外接計算機實現(xiàn)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(shù)和頻響分析的參數(shù)等，發(fā)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(shù)據(jù)結(jié)果圖形曲線等信息，提供輸出多通道頻 響分析測量結(jié)果。本發(fā)明的上述特征可作如下變化，但它們都沒有偏離本發(fā)明的實質(zhì)。如儀器控制 總線采用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；儀器模塊除選擇基于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(fā)生器模塊、并行數(shù)據(jù)采集模塊等；任意波形發(fā)生器模塊除選擇單獨的E1441A儀器模塊外，還可選擇與E1432A數(shù)字化儀模塊相配的1D4信號源選件，作為掃頻信號激勵源。圖3為本發(fā)明實施方法的軟件流程圖。本實施例中，多通道頻率響應(yīng)分析測試方法包括以下步驟步驟301，由系統(tǒng)控制器控制數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)采集操作，設(shè)定數(shù)據(jù)采集通道、采樣速率、采樣方式、數(shù)據(jù)傳輸存儲方式等參數(shù)，讀各采集通道的數(shù)據(jù)，并得到各采集通 道的初始值；步驟302，由系統(tǒng)控制器控制激勵信號產(chǎn)生模塊啟動信號輸出操作，產(chǎn)生給定頻 率、幅值的正弦信號；步驟303，讀各測量通道采集數(shù)據(jù)到系統(tǒng)控制器，并按通道分類，根據(jù)數(shù)據(jù)采集順 序存儲組織數(shù)據(jù)；步驟304，從第一個測量通道開始，查找當(dāng)前采集通道的數(shù)據(jù)信號波形的起始點；步驟305，判斷是否找到當(dāng)前采集通道數(shù)據(jù)信號波形起始點，如已找到，則執(zhí)行步 驟306，否則重復(fù)步驟303 步驟304 ；步驟306，舍棄當(dāng)前采集通道信號波形數(shù)據(jù)起始點之前的數(shù)據(jù)，保存從起始點之后 的數(shù)據(jù)；步驟307，查找當(dāng)前采集通道信號波形數(shù)據(jù)一個完整周期的結(jié)束點；步驟308，判斷是否找到當(dāng)前采集通道信號波形數(shù)據(jù)一個完整周期的結(jié)束點，如未 找到信號波形數(shù)據(jù)一個完整周期的結(jié)束點，則執(zhí)行步驟309，如已找到信號波形數(shù)據(jù)一個完 整周期的結(jié)束點，則執(zhí)行步驟310 ；步驟309，繼續(xù)讀各采集通道所采集數(shù)據(jù)，與上次所讀取的數(shù)據(jù)合并，執(zhí)行步驟 309 ；步驟310，根據(jù)得到的一個完整周期信號波形數(shù)據(jù)，計算所采集信號到的頻率；步驟311，當(dāng)前采集信號頻率與所設(shè)置的激勵信號頻率比較，如果兩者一致，執(zhí)行 步驟313，否則執(zhí)行步驟312 ；步驟312，將當(dāng)前采集通道信號波形數(shù)據(jù)一個完整周期的結(jié)束點作為起始點，執(zhí)行 步驟307 ；步驟313，對當(dāng)前采集通道一個周期完整波形數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析運算，得到當(dāng)前通 道所對應(yīng)在當(dāng)前激勵頻率下的幅值增益和相位增益；或者是采用快速傅立葉變換的方法， 計算當(dāng)前通道在當(dāng)前激勵頻率下的幅值增益和相位增益，得到當(dāng)前采集通道對在當(dāng)前頻率 下的頻率響應(yīng)結(jié)果；步驟314，判斷當(dāng)前采集通道一個完整周期信號波形數(shù)據(jù)的頻率是否< 1Hz，如果 是，則執(zhí)行步驟317，否則執(zhí)行步驟315 ；步驟315，比較采集信號的相鄰兩個周期的頻率響應(yīng)結(jié)果相對誤差是否小于給定 的誤差，如果是，則執(zhí)行步驟317，否則執(zhí)行步驟316 ；步驟316，將當(dāng)前采集通道信號波形數(shù)據(jù)一個完整周期的結(jié)束點作為起始點，繼續(xù) 下個周期的測量，執(zhí)行步驟307 ；步驟317，獲取下個采集通道一個完整周期信號波形數(shù)據(jù)，并計算該采集通道的頻 率響應(yīng)結(jié)果；步驟318，改變輸出信號頻率，產(chǎn)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采集通道的頻率響應(yīng)分析測 量，如果是則執(zhí)行步驟320，否則執(zhí)行步驟303 ；步驟320，結(jié)束整個掃頻中所有頻率和所有采集通道的頻率響應(yīng)分析測量。
權(quán)利要求
一種多通道頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)，包括激勵信號產(chǎn)生模塊[1]、數(shù)據(jù)采集模塊[2]和系統(tǒng)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]，其特征在于，激勵信號產(chǎn)生模塊[1]為任意波形發(fā)生器儀器模塊，數(shù)據(jù)采集模塊[2]為多塊、多通道并行數(shù)據(jù)采集儀器模塊或者是多塊、多通道數(shù)字化儀儀器模塊；系統(tǒng)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(chǎn)生模塊[1]及數(shù)據(jù)采集模塊[2]通訊；激勵信號產(chǎn)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(shù)據(jù)采集模塊[2]。
2.如權(quán)利要求1所述的多通道頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)控制器模塊[3]與激勵信號產(chǎn)生模塊[1]和數(shù)據(jù)采集模塊[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(shù)據(jù)交換。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的多通道頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)，其特征在于，激勵信 號產(chǎn)生模塊[1]的輸出信號，作為被測系統(tǒng)的輸入激勵信號，通過激勵信號接線單元[5]接 入被測系統(tǒng)；被測系統(tǒng)的響應(yīng)輸出信號通過測量信號接線單元[6]，接入到數(shù)據(jù)采集模塊 [2]。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)，其特征在于，儀器控制總線[4]是標(biāo)準(zhǔn)的PXI、VXI、GPIB、Serial或PC_DAQ儀器控制總線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)，其特征在于，激勵信號接線 單元[5]和測量信號接線單元[6]根據(jù)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(yīng)分析方法，其特征在于，由系統(tǒng)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(chǎn)生模塊和數(shù)據(jù)采集模塊的操作，由激勵信號產(chǎn)生模塊輸 出掃頻正弦激勵信號，由數(shù)據(jù)采集模塊完成對外部測量信號的采集。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多通道頻率響應(yīng)分析方法，其步驟包括(1)激勵信號產(chǎn)生模塊按照系統(tǒng)控制器模塊所設(shè)定的輸出信號的種類、幅值、頻率等參 數(shù)，輸出相應(yīng)的激勵信號；(2)數(shù)據(jù)采集模塊按照系統(tǒng)控制器模塊所設(shè)定的采集通道、采樣速率、采樣方式、數(shù)據(jù) 傳輸存儲方式等參數(shù)，采集相應(yīng)的輸入信號。(3)系統(tǒng)控制器模塊從數(shù)據(jù)采集模塊第一個采集通道開始，按照采集數(shù)據(jù)的存儲方式， 查找當(dāng)前采集通道的數(shù)據(jù)信號波形的起始點和結(jié)束點，得到當(dāng)前采集通道對應(yīng)的輸入信號 完整的波形數(shù)據(jù)。(4)對當(dāng)前采集通道完整波形數(shù)據(jù)和激勵信號波形數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析運算，得到當(dāng)前 采集通道對應(yīng)的輸入信號在當(dāng)前頻率下的幅值增益和相位增益；或者是采用快速傅立葉變 換的方法，計算當(dāng)前采集通道對應(yīng)的輸入信號在當(dāng)前頻率下的幅值增益和相位增益。(5)重復(fù)步驟(3)和步驟(4)，繼續(xù)下一個采集通道的數(shù)據(jù)處理，得到其對應(yīng)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(shè)置頻率下的幅值增益和相位增益。(6)改變激勵信號的頻率，重復(fù)步驟(1) 步驟(5)，并計算對應(yīng)當(dāng)前頻率下，所有輸入 信號的幅值增益和相位增益，從而得到整個掃頻范圍內(nèi)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(yīng)分析。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多通道頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)及其方法，該系統(tǒng)包括激勵信號產(chǎn)生模塊[1]、數(shù)據(jù)采集模塊[2]和系統(tǒng)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(chǎn)生模塊[1]為任意波形發(fā)生器儀器模塊，數(shù)據(jù)采集模塊[2]為多塊、多通道并行數(shù)據(jù)采集儀器模塊或者是多塊、多通道數(shù)字化儀儀器模塊；系統(tǒng)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(chǎn)生模塊[1]及數(shù)據(jù)采集模塊[2]通訊，激勵信號產(chǎn)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(shù)據(jù)采集模塊[2]。本發(fā)明測量通道多，結(jié)構(gòu)緊湊，數(shù)據(jù)處理能力強，測試精度高，并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(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者支超有, 李霞 申請人:中國航空工業(yè)集團公司西安飛機設(shè)計研究所